(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮機に流入させ、前記圧縮機で圧縮した空気を燃焼器に流入させ、前記燃焼器における燃焼ガスによってタービンを回転させるガスタービンエンジンの制御装置において、
前記ガスタービンエンジンが、前記圧縮機からの圧縮空気をエネルギとして当該ガスタービンエンジンの外部に取り出す抽気型のガスタービンエンジンであり、
前記圧縮機の定常運転時における圧縮機消費馬力とタービン出力との関係に基づいて、前記圧縮機に流入する全空気流量を算出することを特徴とするガスタービンエンジンの制御装置。
【請求項２】
前記圧縮機の定常運転時において、圧縮機消費馬力の値をタービン出力の値と等しくとし、前記圧縮機に流入する全空気流量を算出することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機からの圧縮空気をエネルギとしてエンジンの外部に取り出す抽気型のガスタービンエンジンの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンでは、圧縮機に空気が吸入されて圧縮され、燃焼器にその圧縮空気が流入して燃料とで燃焼され、その燃焼ガスによってタービンを回転させる。ガスタービンエンジンには、タービンに連結される回転軸から出力を取り出すエンジン（軸出力型エンジン）の他に、圧縮機からの圧縮空気の一部を出力として取り出すエンジン（抽気型エンジン）がある。例えば、特許文献１に示す抽気型エンジンの場合、取り出した圧縮空気をエネルギ源として垂直離着陸機の推力発生器で推力を発生させる。
【特許文献１】特開２００６−２１３１６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
軸出力型エンジンの場合、圧縮機で過給した空気流量のほとんどが燃焼器に供給されるため、エンジンにおける燃料流量制御は、圧縮機の特性に基づいて空気流量を予測することができる。一方、抽気型エンジンの場合、圧縮機で過給した高温・高圧空気の一部（抽気流量）をエンジンの外部に取り出すので、圧縮機で過給した全空気流量と燃焼器側に流れる空気流量とが一致しない。すなわち、燃焼器に流れる空気流量は、圧縮機で過給した全空気流量から抽気流量を差し引いた残りとなる。従って、抽気型エンジンでは、軸出力型エンジンのように圧縮機の特性を利用した全空気流量の検出手段が使用できず、全空気流量の検出が困難である。
【０００４】
ガスタービンエンジンでは、同程度の出力のピストンエンジンと比較すると１０倍程度の空気流量を使用するので、全空気流量を直接計測することは、圧力損失等の影響によりエンジン出力の低下を招くことになるので困難である。また、マップ等を用いて全空気流量を求める方法が挙げられるが、圧縮機に流入する全空気流量を正確に求めることができない問題点があった。
【０００５】
そこで本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、圧縮機に流入する全空気流量を正確に算出することができるガスタービンエンジンの制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち、本発明に係るガスタービンエンジンの制御装置は、空気を圧縮機に流入させ、圧縮機で圧縮した空気を燃焼器に流入させ、燃焼器における燃焼ガスによってタービンを回転させるガスタービンエンジンの制御装置において、ガスタービンエンジンが、圧縮機からの圧縮空気をエネルギとして当該ガスタービンエンジンの外部に取り出す抽気型のガスタービンエンジンであり、圧縮機の定常運転時における圧縮機消費馬力とタービン出力との関係に基づいて、圧縮機に流入する全空気流量を算出することを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、圧縮機の定常運転時における圧縮機消費馬力とタービン出力との関係に基づいて、圧縮機に流入する全空気流量を正確に算出することが可能となる。従って、算出した全空気流量から燃焼器に流れる空気流量を差し引くと、抽気流量を容易に求めることができる。更に、求められた抽気流量を利用し、抽気出力を高精度に算出することができる。しかも、圧縮機の定常運転時における圧縮機消費馬力とタービン出力との関係に基づくので、特別な装置や検出器を用いずに圧縮機に流入する全空気流量を正確に求めることが可能となる。
【０００８】
本発明に係るガスタービンエンジンの制御装置において、圧縮機の定常運転時において、圧縮機消費馬力の値をタービン出力の値と等しくとし、圧縮機に流入する全空気流量を算出することが好適である。
【０００９】
このように圧縮機の定常運転時において、圧縮機消費馬力の値をタービン出力の値と等しくとすることで、圧縮機に流入する全空気流量を正確に算出することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、圧縮機に流入する全空気流量を正確に算出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明に係るガスタービンエンジンの制御装置の実施の形態を説明する。
【００１２】
本実施の形態では、本発明に係るガスタービンエンジンの制御装置を、抽気型で一軸式のガスタービンエンジンを燃焼制御するためのエンジン制御ＥＣＵに適用する。本実施の形態では、ガスタービンエンジンから取り出された圧縮空気を負荷装置のエネルギとして利用し、その負荷装置を駆動制御する負荷制御ＥＣＵも備えている。本実施の形態では、ガスタービンエンジン、負荷装置、エンジン制御ＥＣＵ、負荷制御ＥＣＵなどからなるシステムをガスタービンエンジンシステムと呼ぶ。
【００１３】
図１及び図２を参照して、ガスタービンエンジンシステム１について説明する。図１は、本実施の形態に係るガスタービンエンジンシステムの構成図である。図２は、図１の負荷装置の一例である。
【００１４】
ガスタービンエンジンシステム１では、エンジン制御ＥＣＵ２によってガスタービンエンジン３を燃焼制御している。そして、ガスタービンエンジンシステム１では、ガスタービンエンジン３で生成した圧縮空気をエンジン外部に取り出して利用するとともにエンジン内での燃焼に利用する。また、ガスタービンエンジンシステム１では、負荷制御ＥＣＵ５によって複数の流量制御弁６，・・・を駆動制御する。そして、ガスタービンエンジンシステム１では、各流量制御弁６，・・・で調整された圧縮空気によって複数の負荷装置７，・・・を駆動する。例えば、このガスタービンエンジンシステム１は、垂直離着陸機に適用される。
【００１５】
ガスタービンエンジン３は、圧縮機１０、燃焼器１１、タービン１２を備えており、圧縮機１０とタービン１２とが回転軸１３によって連結されている。圧縮機１０では、回転軸１３の回転によって回転駆動して大気中から空気を取り込み、その取り込んだ空気を圧縮する。この高温高圧の圧縮空気は、内部配管１４を介して燃焼器１１に供給されると共に、抽気配管１５を介して外部に取り出される。
【００１６】
燃焼器１１では、圧縮機１０から圧縮空気が供給されると共に燃料アクチュエータ４から燃料が供給され、圧縮空気と燃料が混合して燃焼する。この高温高圧の燃焼ガスは、内部配管１６を介してタービン１２に供給される。タービン１２では、供給された燃焼ガスによって回転駆動して回転軸１３を回転させ、燃焼ガスを排気する。燃料アクチュエータ４は、エンジン制御ＥＣＵ２からの燃料制御信号を受信し、燃料制御信号に応じて燃料を燃焼器１１内に供給する。
【００１７】
ガスタービンエンジン３及びその周辺には、エンジン制御ＥＣＵ２での制御に必要な各種状態量を検出するために、各種センサ（図示せず）が設けられている。例えば、大気温度Ｔ０（圧縮機１０に吸気される空気の温度）を検出するための温度センサ、大気圧力Ｐ０（圧縮機１０に吸気される空気の圧力）を検出するための圧力センサ、圧縮機１０の出口圧力（燃焼器１１の入口圧力）Ｐ３を検出するための圧力センサ、燃焼器１１の入口空気温度（圧縮機１０の出口空気温度）Ｔ３を検出するための温度センサ、回転軸１３の回転数（エンジン回転数）Ｎを検出するための回転数センサがある。
【００１８】
流量制御弁６は、複数の負荷装置７に対してそれぞれ設けられ、負荷装置７に供給する圧縮空気流量を調整するための制御弁である。流量制御弁６は、分岐配管１５ａの中間部に設けられる。分岐配管１５ａは、抽気配管１５から分岐された配管であり、負荷装置７の数に応じた数分ある。流量制御弁６は、電動モータなどからなるアクチュエータを備えており、アクチュエータによって弁の開度が変化する。流量制御弁６では、負荷制御ＥＣＵ５から負荷流量制御信号を受信し、その負荷流量制御信号に応じてアクチュエータが駆動して弁が開閉する。
【００１９】
負荷装置７は、分岐配管１５ａの下流端に設けられ、高温高圧の圧縮空気をエネルギとして利用することが可能な負荷装置である。例えば、垂直離着陸機の場合、機体に対して垂直方向に推力を発生する推力発生用ファン２０に適用され、前後左右に複数個配備される。
【００２０】
推力発生用ファン２０は、図２に示すように、タービン２１、減速機２２、プロペラ２３を備えている。供給された圧縮空気は、タービン２１に導入されて膨張する。タービン２１は、圧縮空気が膨張したときに発生するエネルギによって回転駆動する。そのタービン２１の回転駆動力は、減速機２２によって所定の減速比で減速され、プロペラ２３に伝達される。この減速された回転駆動力によって、プロペラ２３は、高速回転する。このプロペラ２３に回転によって機体下方への空気流が発生し、機体に対して垂直方向に推力が発生する。
【００２１】
負荷制御ＥＣＵ５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random AccessMemory）などからなり、負荷装置７の駆動を制御する電子制御ユニットである。負荷制御ＥＣＵ５には、制御に必要な状態量を検出するための各種センサ（図示せず）からの検出信号が取り入れられる。例えば、垂直離着陸機に適用される場合、垂直離着陸機のパイロットによって入力される要求推力を検出するセンサからの検出信号（スロットル信号など）、機体の姿勢を検出するためのセンサからの検出信号（ジャイロ信号など）である。
【００２２】
負荷制御ＥＣＵ５では、各検出信号に基づいて各負荷装置７に発生させる目標推力をそれぞれ設定し、その各目標推力とするための各流量制御弁６の目標開度（すなわち、目標空気流量）をそれぞれ設定する。さらに、負荷制御ＥＣＵ５では、その目標開度とするための負荷流量制御信号をそれぞれ生成し、各負荷流量制御信号を対応する流量制御弁６にそれぞれ送信する。また、負荷制御ＥＣＵ５では、目標推力に基づいて要求出力を設定し、その要求出力を示す要求出力信号をエンジン制御ＥＣＵ２に送信する。なお、負荷制御ＥＣＵ５のＲＯＭには目標推力などを設定するための各種マップ又は関数が記憶されている。
【００２３】
エンジン制御ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどからなり、ガスタービンエンジン３の燃焼及び抽気流量などを制御する電子制御ユニットである。エンジン制御ＥＣＵ２には、上記した各種センサからの検出信号が取り入れられる。そして、エンジン制御ＥＣＵ２では、負荷制御ＥＣＵ５からの要求出力信号及び各検出信号に基づいて燃焼器１１に供給する燃料流量を設定する。さらに、エンジン制御ＥＣＵ２では、その燃料流量とするための燃料制御信号を設定し、その燃料制御信号を燃料アクチュエータ４に送信する。エンジン制御ＥＣＵ２のＲＯＭには燃料流量などを設定するための各種マップ又は関数が記憶されている。
【００２４】
特に、ガスタービンエンジンシステム１では、負荷装置７のエネルギ源となる高温高圧の圧縮空気をガスタービンエンジン３の過給空気を利用するので、ガスタービンエンジン３によって負荷側で要求する空気流量を安定して供給する必要がある。このように安定して圧縮空気を供給するために、エンジン制御ＥＣＵ２によってガスタービンエンジン３を最適制御する必要がある。そのために、エンジン制御ＥＣＵ２では、燃焼器流入空気流量検出処理、タービン入口ガス温度検出処理、タービン出力検出処理、圧縮機の全空気流量検出処理を行う。
【００２５】
図３〜図５も参照して、燃焼器流入空気流量検出処理について説明する。図３は、ガスタービンエンジンのタービンの流量特性であり、タービン膨張比とタービン流量係数との関係を示す図である。図４は、ガスタービンエンジンの燃焼器での温度特性であり、パラメータを燃焼器入口空気温度とした場合の燃焼器燃空比と燃焼器での上昇温度との関係を示す図である。図５は、図１のエンジン制御ＥＣＵにおける燃焼器流入空気流量検出処理の流れを示すフローチャートである。
【００２６】
エンジン制御ＥＣＵ２では圧縮機１０から燃焼器１１へ流入する圧縮空気の量（流入空気流量Ｇａ）に基づいて燃焼器１１に供給する燃料流量Ｇｆを設定しているので、流入空気流量Ｇａを明確にする必要がある。しかし、ガスタービンエンジンシステム１では、負荷装置７のエネルギとして利用するために圧縮機１０の圧縮空気をエンジン外部に取り出すので、抽気流量Ｇａ＿ｅが変化する。この抽気流量Ｇａ＿ｅの変化によって、流入空気流量Ｇａが変化することになる。そこで、燃焼器流入空気流量検出処理によって、抽気流量Ｇａ＿ｅの変化に影響されることなく、センサを用いずに、流入空気流量Ｇａを高精度に求める。
【００２７】
ガスタービンエンジンは、一般に、図３に示すようなタービン流量特性を有している。図３は、横軸をタービンの膨張比（＝タービン入口ガス圧力Ｐ４／タービン出口ガス圧力Ｐ６）とし、縦軸をタービン流量係数Ｑ４とした場合のタービンの流量特性を示している。タービンをノズルとして考えた場合、燃焼ガスの流れは、膨張比が一定値を超える領域からチョークする。このチョーク領域は、タービンが一段の単純ノズルの場合には膨張比が１．８以上でなり、タービンが二段の場合でも膨張比が２〜２．５以上でなる。
【００２８】
このタービン特性による流量係数Ｑ４は式（１）によって定義され、チョーク領域では流量係数Ｑ４はほぼ一定値となる特性を有する。流量係数Ｑ４は、ガスタービンエンジンが決まればチョーク領域でエンジンに応じた固有値となる。燃焼器流入空気流量検出処理では、このガスタービンエンジンの実用域においてタービンがチョークする特性に着目し、その特性を利用して流入空気流量Ｇａを算出する。式（１）において、Ｇ４はタービンの流入ガス流量であり、Ｔ４はタービン入口ガス温度であり、Ｐ４はタービン入口ガス圧力である。
【００２９】
【数１】
0004985526.tif 000002
【００３０】
タービン入口ガス温度Ｔ４は、燃焼器入口空気温度Ｔ３と燃焼器における燃焼による上昇温度ΔＴとの和と考えることができる。したがって、タービン入口ガス温度Ｔ４は、式（２）で算出される。ここでは、燃焼器入口空気温度Ｔ３についてセンサで容易に検出可能なので、燃焼器での上昇温度ΔＴを明確にできれば、タービン入口ガス温度Ｔ４を求めることができる。
【００３１】
【数２】
0004985526.tif 000003
【００３２】
図４には、横軸を燃焼器燃空比（＝燃料流量Ｇｆ／流入空気流量Ｇａ）とし、縦軸を燃焼器での上昇温度ΔＴとし、パラメータを燃焼器入口空気温度Ｔ３とした場合の熱力学に基づいて求めた燃焼器での温度上昇特性を示している。図４から判るように、燃焼器での上昇温度ΔＴは、燃焼器入口空気温度Ｔ３と燃空比の関数として表すことができる。本実施の形態では、この燃焼器での上昇温度ΔＴを求めるために、式（３）を構築した。式（３）において、ａ，ｂ，ｃは定数であり、予め設定される。
【００３３】
【数３】
0004985526.tif 000004
【００３４】
式（１）を変形すると、式（４）に変形できる。この式（４）に式（２）と式（３）を組み込むと、式（５）となる。
【００３５】
【数４】
0004985526.tif 000005
【００３６】
タービン流入ガス流量Ｇ４は、基本的には、燃焼器流入空気流量Ｇａと燃焼器に供給される燃料流量Ｇｆとの和と考えることができる。したがって、タービン流入ガス流量Ｇ４は、流入空気流量Ｇａより燃料流量Ｇｆ分多くなると考えられる。しかし、実際のガスタービンエンジンではエンジン内部の流路において空気の漏れ等の影響が生じるので、実質的にはタービン流入ガス流量Ｇ４は燃焼器流入空気流量Ｇａとほぼ等しいと考えても差し支えない。したがって、タービン流入ガス流量Ｇ４＝燃焼器流入空気流量Ｇａと仮定すると、式（５）は式（６）となる。
【００３７】
【数５】
0004985526.tif 000006
【００３８】
式（６）を分解すると、式（７）になる。ここで、Ａを式（８）とし、Ｂを式（９）とし、Ｃを式（１０）とし、式（７）を燃焼器流入空気流量Ｇａを求める式に変換すると式（１１）となる。なお、タービン入口ガス圧力Ｐ４は圧縮機出口空気圧力Ｐ３に対してタービンの入口までの流路間の圧力損失分低下することが判っているので、本実施の形態では簡易的に圧縮機出口空気圧力Ｐ３を用いて式（１２）によってタービン入口ガス圧力Ｐ４を求めることとする。燃焼器流入空気流量検出処理では、式（１２）によってＰ４を求め、式（８）、式（９）、式（１０）によってＡ、Ｂ、Ｃを求め、式（１１）によって燃焼器流入空気流量Ｇａを求める。
【００３９】
【数６】
0004985526.tif 000007
【００４０】
以下、図５のフローチャートに沿って、エンジン制御ＥＣＵ２における燃焼器流入空気流量検出処理について説明する。エンジン制御ＥＣＵ２では、以下の処理を一定時間毎に繰り返し行っている。エンジン制御ＥＣＵ２では、各種センサから検出信号を受信し、燃焼器１１の入口空気温度Ｔ３及び圧縮機１０の出口空気圧力Ｐ３を入力する（Ｓ１０）。そして、エンジン制御ＥＣＵ２では、圧縮機１０の出口空気圧力Ｐ３を用いて、式（１２）によりタービン１２の入口ガス圧力Ｐ４を演算する（Ｓ１１）。また、エンジン制御ＥＣＵ２では、燃焼器１１の入口空気温度Ｔ３を用いて、式（８）によりＡを演算する（Ｓ１２）。
【００４１】
また、エンジン制御ＥＣＵ２では、燃焼器１１の入口空気温度Ｔ３と前回の処理で燃焼器１１に供給した燃料流量Ｇｆを用いて、式（９）によりＢを演算する（Ｓ１３）。また、エンジン制御ＥＣＵ２では、燃焼器１１に供給した燃料流量Ｇｆ、チョーク時のタービン流量係数Ｑ４とタービン１２の入口ガス圧力Ｐ４を用いて、式（１０）によりＣを演算する（Ｓ１４）。最後に、エンジン制御ＥＣＵ２では、Ａ、Ｂ、Ｃを用いて、式（１１）により燃焼器１１の流入空気流量Ｇａを演算する（Ｓ１５）。
【００４２】
通常、エンジン制御ＥＣＵ２では、この演算された流入空気流量Ｇａに基づいて、マップなどを利用して燃焼器１１に供給する燃料流量Ｇｆを設定する。そして、エンジン制御ＥＣＵ２では、その燃料流量Ｇｆを供給するための燃料制御信号を燃料アクチュエータ４に送信する。燃料アクチュエータ４では、燃料制御信号に応じて燃焼器１１内に燃料を噴射する。燃焼器１１では、この噴射された燃料（燃料流量Ｇｆ）と圧縮機１０から流入された圧縮空気（流入空気流量Ｇａ）で燃焼し、高温高圧の燃焼ガスを発生する。
【００４３】
図６を参照して、タービン入口ガス温度検出処理について説明する。図６は、図１のエンジン制御ＥＣＵにおけるタービン入口ガス温度検出処理の流れを示すフローチャートである。
【００４４】
タービン入口ガス温度Ｔ４は、ガスタービンエンジン３において最も高温であり、非常に高温となるので、温度センサなどを用いて直接検出することが困難である。タービン入口ガス温度Ｔ４が高くなり過ぎるとタービンが故障する可能性が高くなるので、許容最高温度が決まっている。そのため、タービン入口ガス温度Ｔ４が許容最高温度以内になるようにガスタービンエンジン３が運転されるように燃焼制御する必要がある。
【００４５】
このタービン特性による流量係数Ｑ４の式（１）を変形し、タービン入口ガス温度Ｔ４を求める式とすると、式（１３）で表される。上記したようにタービン流入ガス流量Ｇ４が燃焼器流入空気流量Ｇａとほぼ等しいと考えても差し支えないので、式（１３）においてタービン流入ガス流量Ｇ４を燃焼器流入空気流量Ｇａに置き換えことができる。タービン入口ガス温度検出処理では、燃焼器流入空気流量検出処理で求めた燃焼器流入空気流量Ｇａを利用し、式（１３）によってタービン入口ガス温度Ｔ４を求める。
【００４６】
【数７】
0004985526.tif 000008
【００４７】
以下、図６のフローチャートに沿って、エンジン制御ＥＣＵ２におけるタービン入口ガス温度検出処理について説明する。エンジン制御ＥＣＵ２では、以下の処理を一定時間毎に繰り返し行っている。エンジン制御ＥＣＵ２では、各種センサから検出信号を受信し、圧縮機１０の出口空気圧力Ｐ３を入力する（Ｓ２０）。また、エンジン制御ＥＣＵ２では、燃焼器流入空気流量検出処理で求めた燃焼器１１の流入空気流量Ｇａを入力する（Ｓ２０）。そして、エンジン制御ＥＣＵ２では、圧縮機１０の出口空気圧力Ｐ３を用いて、式（１２）によりタービン１２の入口ガス圧力Ｐ４を演算する（Ｓ２１）。さらに、エンジン制御ＥＣＵ２では、チョーク時のタービン流量係数Ｑ４、タービン１２の入口ガス圧力Ｐ４と燃焼器１１の流入空気流量Ｇａを用いて、式（１３）によりタービン１２の入口ガス温度Ｔ４を演算する（Ｓ２２）。
【００４８】
通常、エンジン制御ＥＣＵ２では、この演算された入口ガス温度Ｔ４がタービン許容最高温度以内になるように燃料流量Ｇｆを設定し、燃焼制御を行う。
【００４９】
抽気型のガスタービンエンジンでは、圧縮機で過給した全空気流量Ｇａ＿ｔからエンジン外部で使用される抽気流量Ｇａ＿ｅを差し引いた残りの空気流量（すなわち、流入空気流量Ｇａ）が燃焼器側に流れることになる。この燃焼器側に流れる燃焼器流入空気流量Ｇａは、上述の燃焼器流入空気流量検出処理により検出可能であるので、ここでは圧縮機で過給した全空気流量Ｇａ＿ｔを求めることができれば、抽気流量Ｇａ＿ｅを求めることができる。
【００５０】
以下、図７〜図９を参照して、抽気流量検出処理について説明する。図７は図１のエンジン制御ＥＣＵにおけるタービン出力検出処理の流れを示すフローチャートである。図８は、圧縮機効率特性を示す図である。図９は図１のエンジン制御ＥＣＵにおける圧縮機全空気流量検出処理の流れを示すフローチャートである。
【００５１】
まず、図７のフローチャートに沿って、エンジン制御ＥＣＵ２におけるタービン出力検出処理について説明する。エンジン制御ＥＣＵ２では、以下の処理を一定時間毎に繰り返し行っている。エンジン制御ＥＣＵ２では、各種センサから検出信号を受信し、タービン１２の出口圧力ガスＰ６、圧縮機１０の出口空気圧力Ｐ３、燃焼器流入空気流量Ｇａ、及び燃料流量Ｇｆを入力する。
【００５２】
また、エンジン制御ＥＣＵ２では、タービン入口ガス温度検出処理で求めたタービン１２の入口ガス温度Ｔ４を入力する（Ｓ３０）。そして、エンジン制御ＥＣＵ２では、圧縮器１０の出口空気圧力Ｐ３を用いて、式（１２）によりタービン１２の入口ガス圧力Ｐ４を演算する（Ｓ３１）。また、エンジン制御ＥＣＵ２では、式（１４）によりタービン１２のガス流量Ｇ４を演算する（Ｓ３２）。
【００５３】
【数８】
0004985526.tif 000009
【００５４】
また、エンジン制御ＥＣＵ２では、タービン入口ガス温度Ｔ４、タービンの膨張比（＝タービン入口ガス圧力Ｐ４／タービン出口ガス圧力Ｐ６）、演算したタービン１２のガス流量Ｇ４を用いて、式（１５）によりタービン出力Ｌｔを演算する（Ｓ３３）。式（１５）において、Ｊは熱の仕事当量であり、Ｃｐｇはガスの比熱であり、κは比熱比であり、ηｔは変数である。このηｔは、タービン１２のガス流量Ｇ４とタービン膨張比に基づき、タービン特性マップ等の手段から容易に推定可能なものである。
【００５５】
【数９】
0004985526.tif 000010
【００５６】
圧縮機１０の消費馬力は、式（１６）から求めることができる。式（１６）において、Ｊは熱の仕事当量であり、Ｃｐａは空気の比熱であり、Ｇａ＿ｔは全空気流量であり、Ｐ３／Ｐ０は圧縮機の圧力比であり、κは比熱比であり、Ｔ０は大気温度であり、ηｃは圧縮機効率である。
【００５７】
【数１０】
0004985526.tif 000011
【００５８】
ガスタービンエンジンが定常負荷運転を実施している場合には、タービン出力Ｌｔと圧縮機の消費馬力Ｌｃとが、ほぼバランスしていると考えることができる。したがって、タービン出力Ｌｔは圧縮機の消費馬力Ｌｃとほぼ等しいと考えても差し支えない。その結果、タービン出力Ｌｔ＝圧縮機の消費馬力Ｌｃと仮定した場合、式（１６）中の圧縮機効率ηｃ、大気温度Ｔ０、圧縮機の圧力比Ｐ３／Ｐ０及びタービン出力Ｌｔが判れば、圧縮機１０で過給された全空気流量Ｇａ＿ｔは式（１７）から求めることができる。
【００５９】
【数１１】
0004985526.tif 000012
【００６０】
式（１７）の演算を行う上で圧縮機効率ηｃが必要となるが、この圧縮機効率ηｃは、通常では、エンジン回転数Ｎ及び圧縮機の圧力比Ｐ３／Ｐ０と関係している。図８には、横軸を圧縮機圧力比（＝圧縮機出口空気圧力Ｐ３／大気圧力Ｐ０）とし、縦軸を圧縮機効率ηｃとし、各エンジン回転数Ｎにおける効率特性を示している。このように圧縮機効率ηｃをマップ化しておけば、エンジン回転数Ｎと、圧縮機の圧力比Ｐ３／Ｐ０から圧縮機効率ηｃを容易に導くことが可能である。
【００６１】
次に、図９のフローチャートに沿って、エンジン制御ＥＣＵ２における全空気流量の検出処理について説明する。エンジン制御ＥＣＵ２では、以下の処理を一定時間毎に繰り返し行っている。エンジン制御ＥＣＵ２では、各種センサから検出信号を受信し、大気温度Ｔ０、燃焼器１１の入口空気温度Ｔ３、大気圧力Ｐ０、圧縮機１０の出口空気圧力Ｐ３及びエンジン回転数Ｎを入力する。また、エンジン制御ＥＣＵ２では、燃焼器流入空気流量検出処理で求めた燃焼器１１の流入空気流量Ｇａ、タービン出力検出処理で求めたタービン出力Ｌｔを入力する（Ｓ４０）。
【００６２】
そして、エンジン制御ＥＣＵ２では、圧縮機１０の出口空気圧力Ｐ３を大気圧力Ｐ０で除算し、圧力比を演算する（Ｓ４１）。また、エンジン制御ＥＣＵ２では、エンジン回転数ＮとＳ４１処理で演算した圧力比Ｐ３／Ｐ０を用いて、図８に示すマップから圧縮機効率ηｃを演算する（Ｓ４２）。
【００６３】
続いて、エンジン制御ＥＣＵ２では、大気温度Ｔ０、タービン出力Ｌｔ、圧縮機効率ηｃ及び圧力比Ｐ３／Ｐ０を用いて、式（１７）により全空気流量Ｇａ＿ｔを演算する（Ｓ４３）。式（１７）において、Ｊは熱の仕事当量であり、Ｃｐａは空気の比熱であり、κは比熱比である。また、エンジン制御ＥＣＵ２では、演算した全空気流量Ｇａ＿ｔと燃焼器１１の流入空気流量Ｇａを用いて、式（１８）により抽気流量Ｇａ＿ｅを演算する（Ｓ４４）。
【００６４】
【数１２】
0004985526.tif 000013
【００６５】
続いて、エンジン制御ＥＣＵ２では、圧力比Ｐ３／Ｐ０、燃焼器入口温度Ｔ３及び演算した抽気流量Ｇａ＿ｅを用いて、式（１９）により抽気出力Ｌｅを演算する（Ｓ４５）。式（１９）において、Ｊは熱の仕事当量であり、Ｃｐａは空気の比熱であり、κは比熱比である。エンジン制御ＥＣＵ２では、この実際の抽気出力Ｌｅと負荷制御ＥＣＵ５からの要求出力に基づいて燃焼器１１に供給する燃料流量Ｇｆを設定し、燃焼制御を行う。
【００６６】
【数１３】
0004985526.tif 000014
【００６７】
本実施形態によれば、圧縮機１０の定常運転時における圧縮機消費馬力Ｌｃの値をタービン出力Ｌｔの値と等しくとすることにより、圧縮機１０に流入する全空気流量Ｇａ＿ｔを正確に算出することが可能となる。従って、算出した全空気流量Ｇａ＿ｔから燃焼器１１に流れる空気流量Ｇａを差し引くと、抽気流量Ｇａ＿ｅを容易に求めることができる。更に、求められた抽気流量Ｇａ＿ｅを利用し、抽気出力Ｌｅを高精度に算出することができる。しかも、圧縮機１０の定常運転時における圧縮機消費馬力Ｌｃとタービン出力Ｌｔとの関係に基づくので、特別な装置や検出器を用いずに圧縮機１０に流入する全空気流量Ｇａ＿ｔを正確に求めることができる。
【００６８】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
【００６９】
例えば、本実施の形態ではガスタービンエンジンシステムとして一基の一軸式のガスタービンエンジンを用いて垂直離着陸機に適用する例を示したが、複数のガスタービンエンジンによって構成されるシステムにも適用可能であり、複数の軸式のガスタービンエンジンにも適用可能であり、１つの負荷装置しか備えないシステムにも適用可能であり、抽気した圧縮空気をエネルギとして利用する様々な他の負荷装置に適用可能である。
【００７０】
また、本実施の形態ではタービン入口ガス圧力Ｐ４を圧縮機出口空気圧力Ｐ３で簡易的に求める構成としたが、他の方法によって求める方法としてもよいし、あるいは、センサなどで計測するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本実施の形態に係るガスタービンエンジンシステムの構成図である。
【図２】図１の負荷装置の一例である。
【図３】ガスタービンエンジンのタービンの流量特性であり、タービン膨張比とタービン流量係数との関係を示す図である。
【図４】ガスタービンエンジンの燃焼器での温度特性であり、パラメータを燃焼器入口空気温度とした場合の燃焼器燃空比と燃焼器での上昇温度との関係を示す図である。
【図５】図１のエンジン制御ＥＣＵにおける燃焼器流入空気流量検出処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】図１のエンジン制御ＥＣＵにおけるタービン入口ガス温度検出処理の流れを示すフローチャートである。
【図７】図１のエンジン制御ＥＣＵにおけるタービン出力検出処理の流れを示すフローチャートである。
【図８】圧縮機効率特性を示す図である。
【図９】図１のエンジン制御ＥＣＵにおける圧縮機全空気流量検出処理の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７２】
１…ガスタービンエンジンシステム、２…エンジン制御ＥＣＵ、３…ガスタービンエンジン、１０…圧縮機、１１…燃焼器、１２…タービン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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