(57)【要約】      （修正有）【課題】エンジン性能および航空機性能に悪影響を及ぼさないガスタービン過渡電力抽出システムを提供する。【解決手段】ガスタービンエンジン１０用の電力抽出システム１２は、低スプール発電機３０と、高スプール発電機３２と、電力制御装置３４とを備える。低スプール発電機３０は、ガスタービンエンジン１０の低スプール１４から電力を抽出し、高スプール発電機３２は、ガスタービンエンジン１０の高スプール１６から電力を抽出する。電力制御装置３４は、低スプール発電機３０および高スプール発電機３２によって抽出された電力Ｚ，Ｘ＋Δｙを受け、この受けた電力Ｚ，Ｘ＋Δｙを、中断のない定常状態電力供給ＳＳと、低スプール発電機３０および高スプール発電機３２から個々に利用可能な電力よりも大きい過渡電力供給Ｔとをもたらすように分配する。【選択図】図２
2010242503.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン用の電力抽出システムであって、
前記ガスタービンエンジンの低スプールから電力を抽出する低スプール発電機と、
前記ガスタービンエンジンの高スプールから電力を抽出する高スプール発電機と、
前記低スプール発電機および前記高スプール発電機によって抽出された電力を受け、前記受けた電力を分配する電力制御装置と、
を備え、
前記電力制御装置が、中断のない定常状態電力供給と、前記低スプール発電機または前記高スプール発電機の一方から抽出される前記電力よりも大きい過渡電力供給と、をもたらすことを特徴とする電力抽出システム。
【請求項２】
前記過渡電力供給が、前記低スプールにおけるエンジン変動および前記高スプールにおけるエンジン変動が低減するように、前記低スプール発電機および前記高スプール発電機から抽出されることを特徴とする請求項１に記載の電力抽出システム。
【請求項３】
前記ガスタービンエンジン内においてロータ速度を制御するエンジン制御装置と、パルス信号を前記エンジン制御装置に送信する過渡負荷信号発生器と、をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の電力抽出システム。
【請求項４】
前記エンジン制御装置が、前記過渡負荷への給電中、エンジン推進出力を維持することを特徴とする請求項３に記載の電力抽出システム。
【請求項５】
前記高スプール発電機が、発電機−スタータからなり、前記電力制御装置が、前記高スプールから付加的な電力を生じさせるために、前記低スプール発電機によって生成された電力を、前記エンジン制御装置によって受信された前記過渡負荷信号に応じて、前記高スプール発電機に導くことを特徴とする請求項３に記載の電力抽出システム。
【請求項６】
前記エンジン制御装置が、前記パルス信号に応じて、前記高スプールの慣性エネルギを増大させることを特徴とする請求項３に記載の電力抽出システム。
【請求項７】
前記電力制御装置が、前記定常状態負荷を維持しながら、前記低スプール発電機および前記高スプール発電機からの電力を前記過渡負荷に導くことを特徴とする請求項３に記載の電力抽出システム。
【請求項８】
前記過渡負荷が終了した後、エンジン変動を低減させるために、前記電力制御装置が、前記低スプール発電機によって生成した電力を前記高スプールに導くことを特徴とする請求項３に記載の電力抽出システム。
【請求項９】
過渡電力抽出中のエンジン変動が、前記高スプールのロータ速度の低比率および前記低スプールのロータ速度の低比率からなるように、前記エンジン制御装置が、前記過渡負荷への給電以前に、前記低スプールおよび前記高スプールの慣性エネルギを増大させることを特徴とする請求項１に記載の電力抽出システム。
【請求項１０】
低スプールおよび高スプールを備えるガスタービンエンジン用の電力制御システムであって、
前記ガスタービンエンジンの低スプールから電力を抽出する低スプール発電機と、
前記ガスタービンエンジンの高スプールから電力を抽出し、かつ該高スプールへ電力を供給する高スプール発電機−スタータと、
前記ガスタービンエンジンの前記高スプールのロータ速度および前記低スプールのロータ速度を制御するエンジン制御装置と、
電力制御装置と、
を備え、
前記電力制御装置は、
前記低スプール発電機および前記高スプール発電機から抽出された電力を受ける入力要素と、
前記高スプール発電機−スタータを介する前記高スプールへの電力供給、定常状態負荷への電力供給および過渡負荷への電力供給を選択的に行なうスイッチング要素と、
を備え、
前記電力制御装置および前記エンジン制御装置が、エンジン変動を低減させるために電力抽出を調整し得るように、前記低スプールおよび前記高スプールの慣性エネルギを増大させることを特徴とする電力制御システム。
【請求項１１】
前記エンジン制御装置が、前記過渡負荷への給電中、エンジン推進出力を維持することを特徴とする請求項１０に記載の電力制御システム。
【請求項１２】
高スプールおよび低スプールを有するガスタービンエンジン内において、定常状態負荷および過渡負荷に電力を供給する方法であって、
前記定常状態負荷用の電力および補助電力を、パルス信号に応じて前記低スプールから引き出すステップと、
前記高スプールを超過速度で駆動させるために、前記低スプールからの前記補助電力を電力制御装置を介して前記高スプールに予め負荷するステップと、
前記定常状態負荷への電力供給を前記低スプールから前記高スプールに切換えるステップと、
前記高スプールから超過速度電力を引き出すステップと、
エンジン変動を低減させるように、前記低スプールからの電力および前記超過速度電力を前記過渡負荷に供給するステップと、
を含む方法。
【請求項１３】
前記高スプールに前記付加的なエネルギを予め負荷するステップが、定常状態電力をエンジンシステムに供給することをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記高スプールに前記補助電力を予め負荷するステップが、前記高スプールを超過速度で駆動する発電機−スタータに前記補助電力を供給することをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記定常状態負荷への電力供給を前記低スプールから前記高スプールに切換えるステップが、前記発電機−スタータをモータ作動から発電機作動に変換することを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記過渡負荷を排除するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記過渡負荷を排除するステップが、エンジン変動を低減させるように、定常状態電力を前記高スプールから前記定常状態負荷に供給し、過渡電力を前記低スプールから前記過渡負荷に供給することを含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記過渡負荷が終了した後、エンジン変動を低減させるように、超過速度電力を前記低スプールから前記高スプールに供給するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記高スプールに超過速度電力を供給するステップが、定常状態電力を前記低スプールから前記定常状態負荷に供給することを含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記低スプールから前記定常状態負荷用の電力と前記補助電力を引き出すステップが、エンジン推力を維持しながら、前記低スプールへの慣性エネルギを増大させることを含み、前記高スプールから超過速度電力を引き出すステップが、エンジン推力を維持しながら、前記高スプールへの慣性エネルギを増大させることを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
前記低スプールおよび前記高スプールの増大した慣性エネルギが、過渡電力抽出中に、全エンジンロータ速度と比較してエンジン変動の大きさを低減させることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、ガスタービンエンジンに関し、さらに詳細には、ガスタービンエンジン用の電力抽出システムおよび方法に関する。二重スプール式ターボファンガスタービンエンジンは、エンジン中心軸に沿って同軸に配列された高圧スプール（高スプール）および低圧スプール（低スプール）を備える。高圧スプールは、高圧圧縮機および高圧タービンを備え、これらの高圧圧縮機および高圧タービンは、低圧スプールをなす低圧圧縮機と低圧タービンとの間に入れ子にされる。これらの圧縮機とタービンとの間で行なわれる燃焼過程によって、タービンが回転し、圧縮機を駆動し、圧縮された空気を燃焼過程に供給する。このようにして、ガスタービンエンジンは、運転を維持し、航空機を駆動する推力を生成することができる。この場合、推力の殆どは、低スプールによって駆動されるファンによって生成される。航空機を推進させる推力を供給するのに加えて、ガスタービンエンジンは、電力を補助エンジンシステムおよび航空機システムに供給することも要求される。この電力供給は、典型的には、ガスタービンエンジンの高圧スプールによって駆動される発電機を介してなされる。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、燃焼および運転を維持するために、圧縮空気の安定供給を必要とするので、スタータシステムによって始動されねばならない。このスタータシステムは、通常、歯車列を介して高圧スプールに接続されたスタータモータを備える。従って、エンジンが始動した後、この始動したエンジンによって駆動されるスタータモータを発電機として簡単に用いることができるので都合がよい。しかし、高スプールから抽出され得る電力の量は、高圧圧縮機の安定余裕が狭いことによって制限される。具体的には、高圧スプールから電力を引き出すと、必然的に、高スプールのロータ速度が低下し、圧縮機の失速をもたらすことがある。従って、高スプールは、典型的には、低電力の定常状態負荷の供給に制限される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
圧縮機が失速する危険性をなくすと共に、抽出される電力容量を向上させるために、第２の発電機を低スプールに組み込むことができる。低スプールの圧縮機が失速する危険性は、高スプールの圧縮機が失速する危険性よりも著しく小さい。従って、低スプールから著しく高い定常状態負荷を引き出すことができる。しかし、低スプール電力発電機であっても、一部の重過渡電力負荷システムに必要とされるような十分な電力を供給することができない。例えば、最近、指向性エネルギ兵器（ＤＥＷ）が進歩し、航空機に組み込まれているが、これらのＤＥＷは、著しい電力を必要とする。ＤＥＷは、指向性エネルギパルスを生成するために、大きな突発的電力を一時的に必要とする。過渡負荷は、特に、エンジンの運転にとって重い負担になる。何故なら、過渡負荷は、大きな初期負荷を必要とするが、これらの初期負荷は、エンジン変動、すなわちロータ速度の突発的な変動を生じさせ、エンジンの不安定および低品質電力をもたらすからである。ＤＥＷの過渡電力要求は、典型的には、低スプール発電機または高スプール発電機のいずれかの能力をも超えている。従って、これらのシステムに必要とされる電力を得る現在の手法は、大きな蓄電器と電気制御システムを必要としている。蓄電器は、推進システム発電機、または補助電力ユニット（ＡＰＵ）と呼ばれる二次的専用電力供給システムのいずれかによって給電される。蓄電器と連結されたときでも、発電機から大きな過渡負荷を引き出すと、高スプールおよび低スプールのロータ速度に著しい負担が掛かるエンジン変動が生じ、圧縮機の不安定および一貫性のないエンジン推力性能をもたらすことがある。蓄電器、余分な電力制御システム、および特に専用のＡＰＵを用いる場合、これらのシステムが、航空機に著しい重量を加える。従って、エンジン性能および航空機性能に悪影響を及ぼさないガスタービン過渡電力抽出システムが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、ガスタービンエンジン用の電力抽出システムおよび方法を対象とする。この電力抽出システムは、低スプール発電機と、高スプール発電機と、電力制御装置と、を備える。低スプール発電機は、ガスタービンエンジンの低スプールから電力を抽出し、高スプール発電機は、ガスタービンエンジンの高スプールから電力を抽出する。電力制御装置は、低スプール発電機および高スプール発電機によって抽出された電力を受け、この受けた電力を、中断のない定常状態電力供給と、低スプール発電機および高スプール発電機から個々に利用可能な電力よりも大きい過渡電力供給と、をもたらすように分配する。本発明の他の実施形態では、電力抽出システムは、エンジン変動を低減させ、一貫性のあるエンジン推力を維持しながら電力供給を増大させるために、低スプールの慣性エネルギおよび高スプールの慣性エネルギを増加させるように電力制御装置と関連して作動するエンジン制御装置を備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
図１は、本発明の電力抽出システム１２が用いられるガスタービンエンジン１０を示している。ガスタービンエンジン１０は、本発明の利点が特に良好に明示される航空機の推進に通常用いられる二重スプール式ターボファンエンジンからなる。以後、本発明を二重スプールエンジンとして説明するが、本発明は、他の形式のエンジン、例えば、三重スプールエンジンなどにも適している。ガスタービンエンジン１０は、その運転原理は、当技術分野においてよく知られているが、低圧スプール１４と、高圧スプール１６と、燃焼器１８と、エンジン制御装置２０と、を備え、さらに電力抽出システム１２を備える。低スプール１４は、低圧圧縮機（ＬＰＣ）２２と、駆動ファン２３と、低圧タービン（ＬＰＴ）２４と、を備える。高スプール１６は、高圧圧縮機（ＨＰＣ）２６と、高圧タービン（ＨＰＴ）２８と、を備える。電力抽出システム１２は、低スプール発電機３０と、高スプール発電機−スタータ３２と、電力制御装置３４と、を備える。
【０００６】
ガスタービンエンジン１０は、従来の方法で運転される。具体的には、吸入空気がエンジン１０に入り、この空気は、駆動ファン２３を通過するときに、主空気流と二次空気流とに分配される。駆動ファン２３およびＬＰＣ２２は、シャフトを介して低圧タービン２４によって回転され、二次空気を加速し、これによって、駆動ファン２３を利用して、エンジン１０の推進出力の主な部分を生成する。主空気は、まず、低圧圧縮機２２内に導かれ、次いで、高圧圧縮機２６内に導かれる。ＬＰＣ２２およびＨＰＣ２６は、協働し、主空気の圧力を徐々に増大させる。ＨＰＣ２６は、シャフトを介して高圧タービン２８によって回転され、圧縮した空気を燃焼器１８に供給する。圧縮空気は、一組の噴射装置を通る燃料と一緒に燃焼器１８に送られ、タービン２４，２８を回転するのに必要な高エネルギガスを生成する燃焼過程が行なわれる。主空気は、さらにガスタービンエンジン１０内を進み、典型的には、排気ノズルを通過し、推力を生成する。従って、ガスタービンエンジン１０は、燃焼過程を介して、タービン２４，２８の連続的な協調回転によって運転を維持することができる。他のエンジンシステムおよび航空機飛行制御システムに接続されたエンジン制御装置２０は、高スプール１６、低スプール１４および他のシステム、例えば、可変ベーン、可変入口および排気ノズルなどの作動を制御する。
【０００７】
高スプール１６の速度は、エンジンの燃料要求によって決定される。より大きな推力がエンジン１０から要求されると、より多くの燃料が燃焼器１８内に噴射される。従って、燃焼過程を制御された方法で行なうように、ＨＰＣ２６は適切な量の圧縮空気を燃焼器１８に供給しなければならない。低スプール１４の速度は、ファン２３およびＬＰＣ２２を駆動するために高スプール１６のＨＰＴ２８からＬＰＴ２４に運ばれる残余のエネルギによって決定される。低スプール１４のシステムは、このエネルギを、推力を生成するファン流用のエネルギ要求とＨＰＣ２６の空気流用のエネルギ要求とに分配する。エンジン制御装置２０は、エンジン１０の運転中に、圧縮機のサージを防止しながら、有効な推力を生成するために、燃料供給源、ノズルシステム、ベーンシステムおよび他のシステム要素を管理する。
【０００８】
しかし、燃焼を開始するために、ガスタービンエンジン１０は、外部動力源によって始動されねばならない。具体的には、初期状態において、圧縮空気を燃焼器１８に供給するために、ＨＰＣ２６を始動しなければならない。従って、従来から、ガスタービンエンジン１０には、初期状態において燃焼過程を開始するために、高スプール発電機スタータ３２が装備されている。スタータ３２は、典型的には、ＨＰＣ２６の下方において、エンジン１０のケースに取り付けられる。ＨＰＣ２６のシャフトに歯車列を介して接続されたスタータ３２には、エンジン１０を始動するために外部動力源から動力が供給される。例えば、タービンホイールを回転し、歯車列を介してＨＰＣ２６を駆動するのに、圧縮空気を用いてもよい。外部動力源と接続される場合、スタータ３２は、ＨＰＣ２６が燃焼を開始かつ維持するのに十分な量の圧縮空気を燃焼器１８に供給することができる速度で、高スプール１６を回転させる。この後、エンジン１０は自立運転し、外部動力源はスタータ３２から切離される。しかし、歯車列は、回転動力が高スプール１６から連続的に抽出され得るようにＨＰＣ２６と接続された状態で維持される。歯車列は、典型的には小さい動力を生成するのに利用されるので、エンジン１０の運転および他の航空機システムに必要とされる定常状態の電気的負荷は、別の発電機を介して、またはスタータ３２をスタータと発電機の両方に利用できるように構成することによって供給される。
【０００９】
エンジン１０は、古くから、高スプール１６をクランク回転させることによって、始動されている。ＨＰＣ２６は、高スプール１６に外部から動力が供給されたとき、燃焼器１８への空気を直接的に圧縮するのみなので、エネルギ入力の要求が、低スプール１４をクランク運動するのに必要とされるエネルギ入力の要求よりも小さい。従って、通常、発電機−スタータ−３２は、エンジン１０内において高スプール１６の近くに配置されると都合がよい。しかし、発電機−スタータ３２は、ＨＰＣ２６の空気力学的な失速状態を避けるために、ガスタービンエンジン１０から電力を引き出す能力が制限される。高度が高い場合、ＨＰＣ２６は、失速余裕への空気力学的な境界層の影響によって、さらに失速状態を起こし易く、負荷容量がさらに低減する。高スプール１６から動力を引き出すとき、歯車列を介して駆動される発電機−スタータ３２は、タービン２８に対して抵抗として作用する。従って、高スプール１６から引き出される動力は、必然的に、高スプール１６の速度を低下させる。もし極めて大きい動力が高スプール１６から引き出されると、高スプール１６が減速し、ＨＰＣ２６の失速状態を生じ、エンジン失速を引き起こす可能性がある。従って、エンジン１０からより大きい負荷を出力させるために、低圧スプール１４に、発電機３０が設けられる。
【００１０】
発電機３０は、低スプール１４の多くの個所、例えば、駆動ファン２３のノーズコーン、ＬＰＴ２４のテールコーンなどに物理的に取り付けられてもよいし、エンジン内に直接取り付けられてもよい。加えて、発電機３０は、従来の高スプール発電機３２のように、エンジン１０の外側ケースまたは他の適切な個所に取り付けられた別の歯車列を介して、駆動されてもよい。ファン２３およびＬＰＣ２２は、失速をそれほど生じない低負荷形態で作動するので、より大きい負荷が低スプール１４から引き出される。従って、エンジン１０が始動した後に、発電機−スタータ３２をＨＰＣ２６から切離すか、または動力を引き出さないように設定することができる。次いで、電力生成を発電機３０に移行させることができる。発電機３０によって生成された電力Ｘは、電力制御装置３４に導かれ、ここから、定常状態負荷ＳＳに導かれる。典型的には、定常状態負荷ＳＳは、発電機３０または発電機−スタータ３２のいずれかによって生成され得る全出力と比較して小さい。従って、図１は、定常状態負荷、例えば、典型的なエンジンシステムおよび航空機システムに電力を供給する通常の定常状態運転状態において運転するエンジン１０および電力抽出システム１２を示している。このように、この電力抽出システムは、低負荷電力要求または重負荷電力要求に用いられる。もし重開始負荷の要求または一時的な重電力の要求が発電機３０のみの能力を超える場合、付加的な電力を電力制御装置３４に供給するのに、発電機−スタータ３２が用いられる。
【００１１】
図２は、エンジン１０と、定常状態負荷ＳＳおよび過渡負荷Ｔの両方に電力を供給するように作動する電力抽出システム１２と、を示している。この梃入れ運転モードでは、発電機３０および発電機−スタータ３２は、定常状態負荷および過渡負荷の両方に給電するのに必要な電力を協働して抽出し、その電力を電力制御装置３４に導く。エンジン制御装置２０は、エンジン１０の運転を最適化し、エンジンの不安定およびエンジン推進出力の変動を低減させるように、エンジン１０からの電力抽出と協調して制御を行なう。電力制御装置３４は、必要とされる電力の全てを受け、必要に応じて、その電力を安定負荷ＳＳと過渡負荷Ｔとに分配する。
【００１２】
過渡負荷Ｔに電力を供給するために、発電機３０が、電力Ｚを抽出する。この電力Ｚは、ファン２３またはＬＰＣ２２の作動に大きな負担を掛けることなく、発電機３０の設計最大値まで高めることができる。また、発電機−スタータ３２は、電力（Ｘ＋ΔＹ）を抽出する（ここで、ΔＹは、過渡負荷の開始中の一時的なスパイク値と見なされる）。この電力（Ｘ＋ΔＹ）は、ＨＰＣ２６の作動に大きな負担を掛けることなく、高スプール１６の設計最大値まで高めることができる。電力Ｚおよび電力（Ｘ＋ΔＹ）は、電力制御装置３４に送られ、この電力制御装置３４において、これらの電力は、必要に応じて、分割され、かつ分配される。従って、低スプール１４および高スプール１６のいずれも、電力要求の全体を生成する必要がない。このようにして、電力Ｘが定常状態負荷ＳＳに送られ、電力（Ｚ＋ΔＹ）が過渡負荷Ｔに送られる。
【００１３】
電力抽出システム１２は、エンジン変動を低減させるように高スプール１６および低スプール１４の作動の低下を最小限に抑え、エンジン１０から所望量の電力を抽出する。加えて、発電機３０または発電機−スタータ３２から個々に利用可能な負荷よりも大きい負荷が、例えば、過渡負荷Ｔに利用可能とされる。従って、電力抽出システム１２は、高スプールおよび低スプールの慣性を梃入れし、エンジン推力の連続性を維持することができる。
【００１４】
図３は、本発明の梃入れ電力抽出システムを用いた場合の過渡電力負荷サイクルの寿命の全体にわたるロータ速度に関するエンジン変動と、低スプールのみから電力抽出する場合の過渡電力負荷サイクルの寿命の全体にわたるロータ速度に関するエンジン変動と、を比較するグラフである。実線は、過渡電力を高スプール１６と低スプール１４との両方から抽出する本発明の梃入れ電力抽出中の高スプールのロータ速度および低スプールのロータ速度を示す。破線は、本発明の電力抽出システム１２を有していない（すなわち、電力制御装置３４を有していない）単一ロータによる過渡電力抽出中の高スプールのロータ速度および低スプールのロータ速度を示す。例えば、単一ロータによる過渡電力抽出は、低スプール１４および発電機３０のみを用いることによって達成され、その間、発電機−スタータ３２が、定常状態電力の要求に応じている。このグラフから分かるように、電力抽出システム１２を利用する本発明の梃入れ電力抽出によって、ロータ速度の変動が著しく小さくなり、その結果、改良されたエンジン安定性、良好な電力品質、および一貫性のある推進力が得られる。具体的には、本発明によるエンジン変動ＥLは、単一ロータによる過渡電力抽出の場合のエンジン変動ＥSよりも著しく小さい。
【００１５】
図３の左側は、例えば、本発明の梃入れ電力抽出を用いた場合の図１に示されるような通常運転状態でのエンジン１０の運転におけるロータ速度を示している。この場合、典型的には、発電機３０および発電機−スタータ３２を一緒にまたは個々に用いた場合の制限値内に十分に収まる小さい定常状態負荷のみに電力が供給される。従って、梃入れ電力抽出におけるロータ速度と、単一スプールによる電力抽出におけるロータ速度とは、定常状態負荷のみに対する電力抽出がなされる間、殆ど同じである。
【００１６】
パルス開始段階中、過渡負荷がスイッチオンされるが、この過渡負荷は、ほぼ瞬間的な電力供給を必要とする。従って、発電機への電力要求が大きくなる。単一ロータによる電力抽出の場合、発電機３０への要求が著しく大きい。何故なら、発電機３０は、過渡負荷にエネルギを与える唯一の供給体だからである。梃入れ電力抽出の場合、発電機３０への電力要求は、大きくならず、発電機−スタータ３２が、付加的な電力生成をもたらすために連動して作動される。従って、単一の発電機が、過渡負荷の電力要求の全体を負担することがない。
【００１７】
単一ロータ電力抽出運転モードでは、過渡負荷Ｔへの電力は、発電機３０のみから引き出される。従って、過渡負荷Ｔがスイッチオンされると、低スプール１４は、付加的な抵抗を受け、この結果、著しいロータ速度の低下を引き起こす。エンジン制御装置２０が、低スプール１４の速度の低下によるエンジン１０の関連する推進出力の低下を検出する。次いで、エンジン制御装置２０は、とりわけ、燃焼器への燃料を増加させることによって、エンジン１０の推力の生成を増大させるように働く。これによって、低スプール１４の速度が上昇して定常状態レベルに戻って推力レベルが過渡負荷の以前の状態に回復するまで、高スプール１６の回転速度および低スプール１４の回転速度が増大する。低スプール１４の速度が回復するにつれて、高スプール１６の速度も定常状態の速度に戻る。（定常状態＋過渡）運転中、エンジン１０は、定常状態レベルに近い運転を行い、この運転は、過渡負荷Ｔがパルス排除モード中に除かれるまで継続される。
【００１８】
パルス排除モード中、過渡負荷Ｔへの付加的な負荷が、低スプール１４の発電機３０から除かれる。従って、エンジン制御装置２０がエンジン１０の運転を補正または安定化させる以前に、低スプール１４の回転速度が急増する。ファン２３を備える低スプール１４の速度がこのように増大するので、これに対応して、エンジン１２の推進出力が増大する。この結果、エンジン制御装置２０が、推進出力を一定に保つために、燃料を低減し、出力を下げるように働くので、高スプール１６の回転速度が低下する。ここでも、エンジン運転が安定化し、推進出力が維持されるにつれて、低スプール１４のロータ速度および高スプール１６のロータ速度は、徐々に定常状態のロータ速度に回復する。
【００１９】
前述したように、単一スプールによる電力抽出では、高スプール１６および低スプール１４の両方が、著しいロータ速度の変動を受ける。ロータ速度の変動は、エンジン１０の安定した性能に対して特に有害である。何故なら、低スプール１４の駆動ファン２３がエンジン１０の推力の主な部分を生成するからである。従って、低スプール１４のどのような速度の変動も、エンジン１０の定常状態の推力生成を阻害し、これによって、飛行運航および乗客の快適さが損なわれるのみならず、エンジン１０が失速することもある。単一ロータによる電力抽出によって、図３に示されるように、大きなロータおよびエンジン推力の変動ＥSが生じる。電力抽出システム１２を備える本発明は、エンジン変動レベルを低減させ、エンジン安定性および電力品質が改良する。
【００２０】
梃入れ電力抽出モードでは、電力制御装置３４は、高スプール１６の発電機−スタータ３２からの電力抽出を開始する。何故なら、定常状態の電力抽出が、すでに低スプール１４および発電機３０によって持続されているからである。このように、エンジン制御装置２０が、定常状態の推力生成を維持するために、より多くの燃料を加えているので、高スプール１６は、それに応じた高速度で回転しているが、この高スプール１６が、電力を発電機−スタータ３２に供給する。図３に示されるように、過渡負荷Ｔが開始されると、高スプール１６のロータ速度が増加する。しかし、梃入れ電力抽出モデルでは、過渡負荷に供給する電力が、低スプール１４によって同時に生成されるので、高スプール１６のロータ速度の増加は、単一スプールによる電力抽出を用いる場合と比較して小さい。
【００２１】
梃入れ電力抽出モードでは、発電機３０は、すでに連動され、低スプール１４から動力を抽出している。過渡負荷Ｔがスイッチオンされた後に、発電機３０への電力抽出要求が、突然、上昇する。発電機３０への要求が急激に増大するので、低スプール１４のロータ速度は、最初、低下する。梃入れ電力抽出モードでは、高スプール１６も電力負荷を行なうので、低スプール１４のロータ速度の衝撃が低減される。図３に示されるように、低スプール１４は、過渡負荷Ｔがスイッチオンされたとき、著しいロータ速度の低下を示す。負荷が加えられた後に、エンジン制御装置２０が一定の推力を維持するために燃料流を増大するので、低スプール１４のロータ速度は上昇して回復する。
【００２２】
過渡負荷状態またはパルスオン段階の全体にわたって、エンジン制御装置２０は、推力の生成が一定に維持されるように、エンジン１０の安定した運転を維持するように働く。単一スプールによる電力抽出と同じように、高スプール１６および低スプール１４は、過渡負荷以前の運転に徐々に戻る。何故なら、エンジン制御装置２０が、ロータ速度および推力を維持するために、エンジンの燃料流を調整するからである。低スプール１４および高スプール１６の両方の不安定度によって示されるように、エンジン１０は、エンジン変動ＥLを受ける。このエンジン変動ＥLは、単一ロータによる電力抽出におけるエンジン変動ＥSと比較して、性能低下が減少していることを示す。従って、過渡電力抽出システム１２は、エンジン変動を低減させ、この結果、エンジン失速の危険が低減し、電力品質および電力量が増大する。エンジン１０から電力を抽出する電力抽出システム１２の能力は、過渡負荷Ｔに電力を供給する以前に、高スプール１６の速度および低スプール１４の速度をエンジン制御装置２０によって予め調整することによってさらに改良される。
【００２３】
図４Ａは、大きな過渡負荷またはパルス負荷を早期に警告する予兆能力を有する本発明の過渡電力システム１２を備えるガスタービンエンジン１０を示している。エンジン１０は、発電機３０から生じた電力を利用して、定常状態電力ＳＳをエンジンシステム／航空機システム３５に供給する。エンジン１０は、大きな電力負荷が差し迫っていることをエンジン１０に警告する負荷信号制御装置３６を有する。予兆信号Ｓに応じて、電力抽出システム１２は、電力ΔＹを発電機３０から発電機−スタータ３２に送ることによって、高スプール１６の慣性エネルギを選択的に増大させる。
【００２４】
パルスの負荷または充電を予期して、負荷信号制御装置３６が、予兆信号Ｓをエンジン制御装置２０に送る。従って、エンジン制御装置２０は、低スプール１４および高スプール１６が大きな電力要求を負うという早期の警告を受ける。これに応じて、エンジン制御装置２０は、高スプール１６のロータ速度および慣性エネルギを低スプール１４からのエネルギによって増大させるように、電力制御装置３４と共に作動する。この結果、エンジン１０のエンジン変動は、減少する。何故なら、定常状態負荷ＳＳおよび推力生成に必要とされる電力を超える電力が、高スプール１６および低スプール１４の両方からの慣性エネルギを用いて、生成されるからである。
【００２５】
発電機３０は、低スプール１４からの電力抽出を、定常状態負荷ＳＳに必要な電力Ｘから電力（Ｘ＋ΔＹ）に増大させる。電力Ｘは、図１に示される定常状態運転においてなされるように、定常状態負荷ＳＳに連続的に供給されるが、余分な電力ΔＹは、電力制御装置３４を介して、発電機−スタータ３２に導かれる。予兆運転中、発電機−スタータ３２は、モータとして作用する。何故なら、発電機−スタータ３２は、電力制御装置３４から電力ΔＹを受け、高スプール１６のロータ速度を増大させ、高スプール１６を高ポテンシャルエネルギ状態にするからである。この時点で、エンジン制御装置２０は、エンジン１０の定常状態の推力生成を維持するために、例えば、燃焼器１８への燃料供給を増大させる手段の作動に着手する。
【００２６】
図４Ｂは、パルス開始モードにおける図４Ａの過渡電力システム１２を示している。パルス開始モード中、過渡電力Ｚが、低スプール１４および高スプール１６の両方から、電力制御装置３４を介して過渡負荷Ｔに供給される。高スプール１６の慣性エネルギが発電機−スタータ３２から供給された電力ΔＹによって上昇した後、この発電機−スタータ３２は、高スプール１６から電力（Ｘ＋ΔＹ）を抽出し、この電力（Ｘ＋ΔＹ）を電力制御装置３４に戻す。このように、余分のエネルギが電力抽出システム１２に貯蔵されるので、過渡負荷Ｔに利用できる電力を準備することができる。
【００２７】
発電機３０は、低スプール１４から電力（Ｚ−ΔＹ）を引き出し始める。ここで、電力Ｚは、過渡負荷Ｔによって必要とされる電力を表す。同じように、電力（Ｘ＋ΔＹ）が、電力制御装置３４に供給される。従って、電力制御装置３４は、電力（Ｚ−ΔＹ）を高スプール１６の発電機−スタータ３２からの電力（＋ΔＹ）によって補うことによって、電力Ｚを過渡負荷Ｔに導く。高スプール１６の増大した慣性エネルギ（＋ΔＹ）は、低スプール１４の減少した慣性エネルギ（−ΔＹ）と相補関係にある。これによって、過渡負荷が最初に加えられたとき、低スプール１４に加えられる瞬間的な衝撃が小さくなる。また、電力制御装置３４は、過渡過程の全体にわたって、定常状態負荷ＳＳへの電力Ｘも維持する。過渡負荷が加えられた後に、発電機−スタータ３２の電力（Ｘ＋ΔＹ）は、電力Ｘに減少し始める。何故なら、発電機−スタータ３２が、付加的に貯蔵していた慣性エネルギΔＹを使い果たすからである。同様に、発電機３０の電力（Ｚ−ΔＹ）は、補償するために、電力Ｚに増加する。
【００２８】
図４Ｃは、アクティブパルスモードつまり持続過渡モードにおける図４Ｂの過渡電力システム１２を示している。このモードは、電力制御装置３４が、発電機３０からの電力Ｚと発電機−スタータ３２からの電力Ｘとを連続的に供給する疑似的な定常状態期間を表す。電力制御装置３４は、電力Ｚおよび電力Ｘを、それぞれ、定常状態ＳＳおよび過渡負荷Ｔに供給する。
【００２９】
図４Ｄは、パルス排除モードにおける図４Ｃの過渡電力システム１２を示している。この時点で、過渡負荷Ｔは、エンジン１０から除かれる。このような発電機３０は、もはや電力Ｚを生成する必要がなく、電力抽出を定常状態の電力レベルＸに低減させることができる。従って、発電機３０は、電力Ｘを引き出し、この電力Ｘを定常状態負荷ＳＳに供給する。エンジン変動を減少させるように高電力負荷運転と定常状態運転との間の移行を緩和させるために、発電機３０は、電力ΔＹも引き出す。この電力ΔＹを用いて、高スプール１６に電力を供給し、重負荷の除去によって一般的に生じる超過速度を緩和する。高スプール１６の速度が上昇して回復した後、図１に示されるようなエンジン１０の定常状態運転が再び開始される。
【００３０】
過渡電力抽出システム１２によって行なわれるような梃子入れ電力抽出は、エンジン１０の推力変動を少なくするのを助長するいくつかの利点をもたらす。例えば、エンジン制御装置２０は、図４Ａに示されるように、過渡負荷が要求される以前に、負荷予兆信号Ｓを受信する。従って、エンジン制御装置２０は、高電力抽出を行なえるように、エンジン１０、発電機３０および発電機−スタータ３２を準備することができる。また、電力抽出システム１２は、高スプール１６のロータ速度を増大させるので、図４Ｂに示されるように過渡負荷が加えられると付加的な慣性エネルギが生じ、高スプール１６および低スプール１４の大きな速度変化が低減する。また、図４Ｄに示されるように、過渡負荷Ｔが除かれた後、発電機−スタータ３４を用いて発電機３０から高スプール１６に緊急的に負荷し、高スプール１６を増速することによって、エンジン変動が低減される。エンジン変動の改良を示すこれらの例は、図５に示される。
【００３１】
図５は、本発明のアクティブ電力抽出制御を用いた場合の大きな過渡負荷サイクルの寿命の全体にわたるエンジン変動と、従来技術のシステムを用いた場合の大きな過渡負荷サイクルの寿命の全体にわたるエンジン変動と、を比較するグラフである。実線は、本発明のアクティブ電力抽出制御中の高スプールのロータ速度および低スプールのロータ速度を示す。破線は、アクティブ電力抽出制御を行なわない単一ロータによる電力抽出を用いた場合の高スプールのロータ速度および低スプールのロータ速度を示す。グラフから分かるように、電力抽出システム１２のアクティブ電力抽出制御によって、ロータ速度の変動が著しく小さくなり、エンジンの安定性、推力の連続性および電力品質が改良される。
【００３２】
図５の左側は、過渡電力負荷が要求される以前の図１に示されるような定常状態運転条件でのエンジン１０の運転におけるロータ速度を示す。従って、ここでは、アクティブ電力抽出制御を用いた場合のロータ速度と、単一ロータによる電力抽出を用いた場合のロータ速度とは、同様である。
【００３３】
パルスオン運転中、単一ロータによる電力抽出は、図３に示されるのと同じように進行する。過渡負荷Ｔがスイッチオンされると、低スプール１４は、付加的な抵抗を受けるので、ロータ速度が低下し、エンジン１０の推進出力が減少する。従って、エンジン制御装置２０は、燃料流を大きくし、高スプール１６の速度および低スプール１４の速度を増大させ、推力レベルを高めて所望の定常状態のレベルに戻す。エンジン１０の性能は、電力生成に適合するように調整されるので、高スプール１６および低スプール１４は、定常状態の運転レベルに戻る。過渡負荷中、単一ロータによる電力抽出は、擬似的な定常状態運転を継続する。過渡負荷が除かれると、過渡負荷Ｔへの電力が発電機３０から除去されるので、当初、低スプール１４が増速する。低スプール１４の増速によって、推力が増大し、これによって、一定の推力生成を維持するために、高スプール１６を減速させる必要がある。過渡負荷Ｔが除かれると、エンジン運転が安定化し、推力生成が維持されるにつれて、低スプール１４の速度および高スプール１６の速度は、徐々に定常状態の速度に戻る。従って、前述したように、電力抽出システム１２を有していない単一ロータによる電力抽出は、著しいエンジン推力の変動を引き起こす。図３に示されるように、梃子入れ電力抽出を行なう電力抽出システム１２は、エンジン変動を低減させる。この電力抽出システム１２は、エンジン１０の利用可能な慣性エネルギを増大させるアクティブ電力抽出制御を含むことによって、エンジン変動をさらに低減させる。
【００３４】
アクティブ電力抽出制御では、予兆段階において、低スプール１４の速度および高スプール１６の速度を過渡負荷Ｔを予期して調整するために、負荷信号Ｓがエンジン制御装置２０に送信される。低ロータ１４から動力が引き出され、低ロータ１４の速度がわずかに減少する。この低スプール１４のロータから引き出された動力を用いて、高スプール１６に供給される電力を生成する。従って、高スプール１６は、予兆段階において増速する。
【００３５】
過渡負荷開始段階において、過渡負荷Ｔが電力制御装置３４から引き出され始めるので、低スプール１４の速度が減少する。同様に、過渡負荷Ｔが開始されると、高スプール１６は、発電機−スタータ３２によって、過渡負荷Ｔに電力を供給し始め減速する。高スプール１６には、予め電力が負荷されているので、定常状態運転または非過渡運転に近い状態の速度までしか低下しない。加えて、高スプール１６が過渡負荷Ｔへの給電に寄与しているので、低スプール１４は全ての電力負荷を負わない。従って、過渡負荷Ｔが開始されたとき、低スプール１４のロータ速度の低下が緩和される。
【００３６】
過渡負荷Ｔへの電力供給を維持している間、低スプール１４および高スプール１６は、高スプール１６が高速度で作動され、低スプール１４が低速度で作動される疑似定常状態で保たれ、この状態は、過渡負荷が終了するまで継続される。
【００３７】
パルス排除運転中、過渡負荷Ｔへの給電は、もはや必要ではない。従って、発電機３０の負荷および発電機−スタータ３２の負荷が減少し、これによって、低スプール１４の負荷が低減し、発電機−スタータ３２の負荷が排除される。発電機３０は、定常状態負荷ＳＳに供給する電力Ｘと高スプール１６に加える電力ΔＹとを引き出す。従って、低スプール１４は、その負荷が低減するので増速する。低スプール１４のこのような高速回転によって推力が増大するので、推力生成を安定に維持するために、エンジン制御装置２０は、典型的には、高スプール１６を減速させるように働く。これによって、エンジン変動が生じる。何故なら、低スプール１４の変動する推力生成を調整するために、高スプール１６が減速するからである。しかし、電力制御装置３４は、発電機３０および低スプール１４からの電力を高スプール１６に再び導いて、高スプール１６の変動を低減させる。加えて、低スプール１４の電力負担は、電力Ｘまで完全に減少することなく、電力（Ｘ＋ΔＹ）までしか減少しないので、低スプール１４の速度のスパイクが小さい。従って、電力抽出システム１２のアクティブ電力抽出制御は、過渡負荷Ｔの寿命の全体にわたって低スプールのスパイクおよび低スプールの低下を低減させ、エンジン１０の変動を低下させる。電力抽出システム１２は、過渡負荷中にエンジン１０を高慣性モードにすることによって、エンジン変動をさらに低減させることができる。
【００３８】
図６は、本発明の電力抽出システム１２の高慣性電力抽出モードを用いるガスタービンエンジンにおけるエンジン変動を示すグラフである。実線は、過渡負荷Ｔの高慣性電力抽出中の低スプール１４の回転速度を表す。破線は、過渡負荷Ｔの単一ロータによる電力抽出中の低スプール１４の回転速度を表す。図６の頂部線は、例えば、機械的な制限によって規定される低スプール１４の最大回転速度を表す。
【００３９】
図４Ａ〜４Ｄに示され、図５にプロットされているようなアクティブ電力抽出制御においてなされるように高スプール１６に予め負荷を加えることに加えて、電力抽出システム１２は、信号Ｓに応じて高スプール１６および低スプール１４の両方の慣性エネルギを増大させ、エンジン変動をさらに低減させることができる。この結果、過渡電力負荷の大きさが、エンジン１０において利用可能な全電力に対して小さくなる。従って、過渡負荷が低スプール１４および高スプール１６に加えられたとき、全ロータ速度に対するロータ速度のスパイクおよびロータ速度の低下の比率が小さくなる。従って、過渡負荷の寿命サイクル中、エンジン１０の運転の変動が低減する。高慣性電力抽出によって、燃料効率が一時的に低下するが、この燃料効率の一時的な低下は、短期間の過渡負荷に対して一般的に許容限度内にある。
【００４０】
図６に示されるように、低スプール１４のロータ速度は、パルス開始中にその最大値の近くまで増大される。これは、ファン可変ベーンおよび圧縮機可変ベーン、ノズル、燃料流、エンジン制御装置２０および電力制御装置３４のような種々の電気的および機械的なエンジン制御装置を用いて達成される。過渡負荷が低スプール１４に加えられると、低スプール１４の速度は、発電機が低スプール１４を引きずるので減少する。低スプール１４のこの速度の低下は、図５に示されるようなアクティブ電力抽出制御装置によって緩和される。一方、速度の低下は、ロータの全速度と比較して僅かである。従って、スプール１４のこの速度の低下によって生じるエンジン性能の変動を低減することができる。
【００４１】
同様に、過渡排除モード中、過渡負荷が発電機３０および低スプール１４から除かれると、低スプール１４の速度が増大する。低スプール１４の速度のスパイクは、図５を参照して説明したように、単一ロータによる電力抽出の場合と比較して緩和される。一方、このスパイクは、低スプール１４の全速度と比較して微々たるものなので、スパイクの影響が軽減される。
【００４２】
破線は、図５に示されたのと同様の線を表す。実線は、図５に示されたのと同様の線を表すが、電力抽出システム１２の高慣性モードによって高い側に移行している。従って、単一ロータによる電力抽出の場合は、エンジン変動ＥSIをもたらし、本発明の高慣性電力抽出の場合は、単一ロータによる電力抽出の場合と比較して、著しく減少したエンジン変動ＥHIをもたらす。
【００４３】
本発明を好ましい実施形態を参照して説明したが、当業者であれば、形態および細部に関して、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、変更がなされてもよいことを認めるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の電力抽出システムが用いられるガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】電力抽出システムが電力を定常状態負荷と過渡負荷の両方に分配する図１のガスタービンエンジンを示す図である。
【図３】本発明の梃入れスプール電力抽出を用いる場合の過渡電力負荷サイクルの寿命の全体にわたるエンジン変動と、従来技術のシステムを用いる場合の過渡電力負荷サイクルの寿命の全体にわたるエンジン変動と、を比較するグラフである。
【図４Ａ】大きなパルス過渡負荷に対する予兆モードにおける本発明の過渡電力システムを有するガスタービンエンジンを示す図である。
【図４Ｂ】パルス開始モードにおける図４Ａの過渡電力システムを示す図である。
【図４Ｃ】アクティブパルスモードにおける図４Ｂの過渡電力システムを示す図である。
【図４Ｄ】パルス排除モードにおける図４Ｃの過渡電力システムを示す図である。
【図５】本発明のアクティブ電力抽出制御装置を用いる場合の大きなパルス過渡負荷サイクルの寿命の全体にわたるエンジン変動と、従来技術のシステムを用いる場合の大きなパルス過渡負荷サイクルの寿命の全体にわたるエンジン変動と、を比較するグラフである。
【図６】本発明の電力抽出システムの高慣性電力抽出モードを用いるガスタービンエンジンのエンジン変動を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６】
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