ジェットエンジンの電動モーターを用いた回転試験の制御及び計測システム

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"LabVIEWは様々なタイプの信号の入力や出力に対応しているほか、それぞれの要求に合わせて計測や解析・表示を簡単に構築することができるため、計測及び制御装置をLabVIEW中心のシンプルなシステムにし、短期間に低コストで扱いやすいシステムを構築することができました。"

- 東京大学大学院 工学系研究科航空宇宙工学専攻, 宇佐美 敦氏

The Challenge:
本研究では、低圧チャンバー内でジェットエンジンを電動モーターによって回転させ、その性能の評価や飛行実験に向けての問題点の抽出を行うことを目的とする。

The Solution:
計測システムの概要としては、LabVIEWアナログ入力によって、圧力、温度、電圧、トルクなど、カウンタ入力によって回転数を計測し、データ集録を行う。

Author(s):
東京大学大学院 工学系研究科航空宇宙工学専攻 - 宇佐美 敦氏

背景

 JAXAを中心として無人飛行実験機による微小重力落下実験が計画されている(BOV計画)。この実験では、実験機を気球によって高度40 kmまで上昇させた後、落下させ、微小重力環境を得る。本実験機は、JAXAで開発中の超音速用予冷ターボジェットエンジンを搭載し、空気抵抗を相殺して微小重力環境持続時間の延長を図るほか、エンジン自体の飛行実験も同時に行う計画である。

 本実験機では、超高々度での静止状態という通常のジェットエンジンの作動条件とは全く異なる低圧環境下でのエンジン始動が要求される。そのような環境下における始動方法として、電動モーターを用いて圧縮機を強制的に回転させ、着火が可能な高圧環境を作り出す方法が検討されている。

 低圧環境下においてモーターを用いジェットエンジンを回転させると、レイノルズ数の低下および大幅な非設計点での作動のためにエンジン効率の低下が予想される。しかし、これまで想定されなかった条件下での作動のため、このような作動状態に関する研究はなされていない。

 そこで本研究では、低圧チャンバー内でジェットエンジンを電動モーターによって回転させ、その性能の評価や飛行実験に向けての問題点の抽出を行うことを目的とする。

ソリューション

供試エンジン、電動モーターには、模型飛行機用に市販されている小型エンジン、DCブラシレスモーターを使用する。高空状態を模擬した低圧チャンバー内にて、高速回転実験を行う。

 計測システムの概要としては、LabVIEWアナログ入力によって、圧力、温度、電圧、トルクなど、カウンタ入力によって回転数を計測し、データ集録を行う。アナログ入力はPCI-6035Eで16点を50 Hzのサンプリングで計測し、パルスで出力される回転数はPCI-6601でパルス間隔を計測した。また、電源や流量調整用のモーターの運転状態を監視するため、PCI-6035Eのデジタル入力を用いアラーム信号を、PCI-6601でエンコーダー信号の計測を行った。

 データの解析は、計測した圧力、温度などから圧力比、仕事量、効率といったエンジン状態量をリアルタイムで算出することで行った。

 制御システムの概要としては、LabVIEWのアナログ及びカウンタ出力等によって、モーター電源電圧、スロットル、流量調節用弁開度を制御し、ジェットエンジンの回転数と流量(これらはジェットエンジン試験における主要パラメタである)を調整する。具体的には、電源電圧の制御をPCI-6035Eのアナログ出力により、流量調節用のモーターの制御をPCI-6601のデジタル出力、モーターのスロットルの制御を同じくPCI-6601のカウンタのパルス出力により行った。なお、電源電圧の制御は、圧力や流量の変動によらず回転数一定になるようにPID制御を用いた。

 また、ひずみゲージによってエンジンの振動を10 kHzで計測し、もう一台のPCでリアルタイムでFFT解析を行い、エンジンの振動を監視する。これにより異常振動を検知することができるため、回転試験における安全対策として重要な役割を果たしている。実験後にこの振動データと回転数を用い、キャンベル線図を書かせて、より詳しい振動の解析を行う。

結果

 構築したシステムにより、エンジンを低圧チャンバーに入れて0.03気圧・35000 rpmまで安定して回転させることができた。

 実験に使用したフロントパネルを図2、図3に示す。

図2.計測制御用フロントパネル

図3.振動計測用フロントパネル

 計測制御用フロントパネルには、エンジンの各位置における圧力や温度をグラフで表示するほか、エンジンの性能をリアルタイムで計算し表示する。また、電源などの運転状態もモニターできるので、実験装置全体の状態を把握しながらエンジン試験をできるようになっている。

 振動計測用フロントパネルには、2つのセンサーからの信号の元データとFFT結果を表示し、異常振動が現れた際には非常停止を行う。

 計測結果の一例を図4、図5に示す。図4は回転数と温度の時間変化の一部を表し、図5は回転数と振動のFFT結果を用いて描いたグラフで、キャンベル線図と呼ばれるグラフである。横軸は回転数・縦軸は振動の周波数で色が濃い部分ほど振動が大きいことを示している。回転数のN倍の振動といくつかの固有振動数がはっきりと見られ、これをもとに共振回転数などの危険速度を推測することができるため、その回転数をあらかじめ避けての運転が可能となる。

図5.キャンベル線図

 回転数一定でチャンバー圧を減少させた際のコンプレッサーの圧力比を、図6 に示す。チャンバー圧の低下に伴い圧力比が減少しており、低圧下では性能が低下していくことがわかった。

 図7にタービン前後の温度差のチャンバー圧を減少させた際の変化を示す。ΔTが正なのは、タービンを通ることにより空気が仕事をされていることを示しており、通常ではタービンが空気に仕事をするのに対して逆になっていることを表している。これは、燃料を燃やさずにエンジンをモーターで回しているために、タービンの設計点から大幅にずれた点で運転されているためであると考えられる。この温度上昇に消費されたエネルギーは、始動の際には完全に無駄になってしまう。その量は、流量がより少ないほど多く、またチャンバー圧が低下するほど増加してしまうことが分かった。

図6.コンプレッサーの圧力比

図7.タービンでの温度上昇

 これらの結果より、低圧下でモーターを用い駆動し始動するには、コンプレッサーの性能低下の他に、タービンでのエネルギー損失が問題になることがわかった。

まとめ

 エンジンの回転試験を行う際には、いろいろな種類のセンサを用い計測を行う必要がある。そのため、センサからの出力信号がいろいろな形で来るため計測装置もそれに合わせた物が必要になってしまう。また、制御項目もいくつかあり、それに合わせて信号を送る必要がある。そのため、それぞれに合わせた計測装置や制御装置を使うと数が多くなり、コストがかかってしまうほか、表示・制御がそれぞれの装置に分散してしまい、扱いにくくなってしまう。

 しかし、LabVIEWは様々なタイプの信号の入力や出力に対応しているほか、それぞれの要求に合わせて計測や解析・表示を簡単に構築することができるため、計測及び制御装置をLabVIEW中心のシンプルなシステムにし、短期間に低コストで扱いやすいシステムを構築できた。

 また、エンジンの回転試験では安全対策のために監視すべき項目が多数存在するが、シンプルなシステムを構築できたために、最低1人で監視及び運転・計測のすべてを行うことが可能となり必要な人数を大幅に削減できた。

Author Information:
東京大学大学院 工学系研究科航空宇宙工学専攻
宇佐美 敦氏

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