JP2004011459A

JP2004011459A - 舶用２軸型ガスタービンの過回転防止装置とその方法

Info

Publication number: JP2004011459A
Application number: JP2002162742A
Authority: JP
Inventors: Takahisa Ishizuka; 石塚　貴久
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2002-06-04
Filing date: 2002-06-04
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】短い水吸入経路内に空気が混入し、出力軸にかかる負荷が急激に減少する場合でも、過大な負荷空間や負荷重量を必要とせずに、かつ出力タービンの高い応答性を維持したまま、出力タービンの過回転（オーバースピード）を効果的に防止できる舶用２軸型ガスタービンの過回転防止装置とその方法を提供する。
【解決手段】出力タービン６がフリータービンであり、圧縮機、燃焼器、タービンからなるガスタービン主機５の排気ガスで出力タービンを回転駆動する舶用２軸型ガスタービンの過回転防止装置であって、出力タービン６の回転速度Ｎを検出する速度センサ１２と、検出された回転速度Ｎの加速率の大きさによりガスタービン主機５の燃料流量を制御する過回転制御装置１４とを備え、急激な負荷減少を出力タービンの上昇加速度により判断し過回転を防止する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、舶用２軸型ガスタービンの過回転防止装置とその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、ウォータジェット高速艇の模式図である。ウォータジェット高速艇とは、船外から低速で水を取り入れ、水ポンプ１でエネルギを与えて高速で後方へ噴出させ、そのとき働く推力によって推進する高速艇である。水ポンプ１には、斜流ポンプや軸流ポンプが用いられる。
【０００３】
ウォータジェット高速艇に用いられる推進装置は、原動機からの動力を水ポンプ１の羽根車１ａ（インペラ）に伝達するインペラ駆動軸２、ノズル３等から構成される。船底の吸入口から取り入れた水（海水）は吸入管路部４を通って、インペラ１ａで旋回流のエネルギが与えられ、その旋回流は案内羽根１ｂ（ディフーザ）によって軸方向に整流され、ノズル３から後方へ噴出され、その反力が船体の推進力となる。
【０００４】
さらに、図示しないノズル部にデフレクタやリバーサを設け、ジェット噴流の向きを変えて、船の推進方向を舵なしで変えたり、後退や停止状態に保持することもできるようになっている。
【０００５】
上述したウォータジェット推進装置を用いた高速艇では、図４に示すように、原動機として２軸型ガスタービンが用いられる。この２軸型ガスタービンは、出力タービン６がフリータービンであり、圧縮機５ａ、燃焼器５ｂ、タービン５ｃからなるガスタービン主機５の排気ガスで出力タービン６を回転駆動し、インペラ駆動軸２に動力を伝達するようになっている。この２軸型ガスタービンは、出力タービン６の速度制御範囲が広く、かつ応答性が高い、等の特徴を有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したウォータジェット推進装置に用いる２軸型ガスタービンにおいて、海水吸入口に空気が混入すると、出力軸にかかる負荷が急激に減少する。この場合、２軸型ガスタービンの出力タービン６がフリータービンのため、ガスタービン出力を速やかに低減させないと過回転（オーバースピード）となり、過回転となった場合は、出力タービンや水ポンプなどの点検を通常の点検期間を待たずに行う必要があり、点検コストが増加ずる問題が生じる。
【０００７】
この問題を解決するために、従来は、いくつかの手段が提案され適用されていた。
第１の手段は、海水吸入経路（吸入管路部４）内に圧力センサを設置し、圧力の変化を監視して負荷抜けを予測するものである。しかし、この手段は、水吸入経路が十分長いか、速度が遅い場合にしか、機能を十分に発揮できず、高速艇で吸入経路が短い場合には、圧力変化を認識して出力を下げても、出力タービン６の過回転（オーバースピード）を防止できなかった。
【０００８】
また、第２の手段は、出力軸にフライホイールを取り付け、急激な負荷変動を抑制するものである。この手段は、過回転（オーバースピード）を防止できるが、その反面、出力タービン６の応答性が低下するばかりでなく、フライホイールを設置するには十分な空間と重量的余裕が必要となり、高速艇の動特性が低下する問題点がある。
【０００９】
本発明は上述した種々の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、短い水吸入経路内に空気が混入し、出力軸にかかる負荷が急激に減少する場合でも、過大な負荷空間や負荷重量を必要とせずに、かつ出力タービンの高い応答性を維持したまま、出力タービンの過回転（オーバースピード）を効果的に防止できる舶用２軸型ガスタービンの過回転防止装置とその方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、出力タービン（６）がフリータービンであり、圧縮機（５ａ）、燃焼器（５ｂ）、タービン（５ｃ）からなるガスタービン主機（５）の排気ガスで出力タービンを回転駆動する舶用２軸型ガスタービンの過回転防止装置であって、出力タービン（６）の回転速度Ｎを検出する速度センサ（１２）と、検出された回転速度Ｎの加速率の大きさによりガスタービン主機（５）の燃料流量を制御する過回転制御装置（１４）とを備え、急激な負荷減少を出力タービンの上昇加速度により判断し過回転を防止する、ことを特徴とする舶用２軸型ガスタービンの過回転防止装置が提供される。
【００１１】
また、本発明によれば、出力タービン（６）がフリータービンであり、圧縮機（５ａ）、燃焼器（５ｂ）、タービン（５ｃ）からなるガスタービン主機（５）の排気ガスで出力タービンを回転駆動する舶用２軸型ガスタービンの過回転防止方法であって、出力タービン（６）の回転速度Ｎを１０ｍｓｅｃ以下の短い周期でサンプリングし、今回値−前回値の差分ΔＮが正であり、かつ所定のしきい値を超える場合にガスタービン主機（５）の燃料流量を急減又は遮断し、これにより出力タービンの過回転を防止する、ことを特徴とする舶用２軸型ガスタービンの過回転防止方法が提供される。
【００１２】
上記本発明の装置及び方法は、急激な負荷の減少を出力タービンの上昇レートにより判断し、過回転を防止させるものである。すなわち、例えばウォータジェット推進装置に空気が混入し、負荷抜けが生じた場合、ガスタービンが運転中であれば、出力タービンは急激な加速度を持って上昇するが、本発明では出力タービンの上昇加速度から負荷抜けを類推してガスタービン主機の燃料流量を急減又は遮断し、これにより出力タービンの過回転を防止する。
【００１３】
また、ガスタービン主機の出力タービン回転数を１０ｍｓｅｃ以下の短い周期でサンプリングし、前回値と今回値の差が正方向で一定値以上（今回計測回転数−前回計測回転数）（しきい値）になれば、負荷抜けが発生したと認識し、出力を低減若しくはガスタービン主機を停止させるので、負荷抜けを早期に検知して出力タービンの過回転を防止することができる
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
【００１５】
図１は、本発明の過回転防止装置を備えたウォータジェット高速艇の模式図である。この図において、舶用２軸型ガスタービンは、出力タービン６がフリータービンであり、圧縮機５ａ、燃焼器５ｂ、タービン５ｃからなるガスタービン主機５の排気ガスで出力タービン６を回転し、ウォータジェット推進装置のインペラ駆動軸２を回転駆動する。船底の吸入口から取り入れた水（海水）は吸入管路部４を通って、インペラ１ａで旋回流のエネルギが与えられ、その旋回流は案内羽根１ｂ（ディフーザ）によって軸方向に整流され、ノズル３から後方へ噴出され、その反力で船体が推進するようになっている。
なお後述する例では、２台のガスタービン主機５及び出力タービン６により、２台のウォータジェット推進装置を並列に運転するようになっている。
【００１６】
本発明の過回転防止装置１０は、速度センサ１２と過回転制御装置１４を備える。速度センサ１２は、インペラ駆動軸２に隣接して設けられた非接触式又は接触式のセンサであり、出力タービン６の回転速度Ｎを検出する。この検出は連続的に常時行っても、１０ｍｓｅｃ以下の短い周期でサンプリングしてもよい。
過回転制御装置１４は、検出された回転速度Ｎの加速率の大きさを演算し、その大きさにより、燃料制御弁１１ａ及び燃料遮断弁１１ｂにより、ガスタービン主機５の燃料流量を制御するようになっている。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
図２は、本発明の過回転制御方法の制御ブロック図である。この例では、２台の出力タービン６の回転数（回転速度Ｎ１，Ｎ２）が１０ｍｓｅｃ以下の短い周期Δｔで同時にサンプリングされ、ＨＳＳ（高値信号選択器）で、高い方の値Ｎ（Ｎ１またはＮ２）が選択される。
【００１８】
加速率演算器Ｓ１で、今回計測値−前回計測値の差分ΔＮを演算し、回転速度Ｎの加速率ｄＮ／ｄｔ（＝ΔＮ／Δｔ）を所定のしきい値（３１００ｒｐｍ／ｓｅｃ、５０００ｒｐｍ／ｓｅｃ）と比較する。また並行して回転速度Ｎを運転中の出力タービン６の最低速度（５２００ｒｐｍ）と比較する。
【００１９】
ガスタービンが運転中（Ｎが５２００ｒｐｍ以上）であり、かつ加速率＝ΔＮ／Δｔが３１００ｒｐｍ／ｓｅｃ以上の場合には、燃料流量を絞る必要がある「加速率大」信号を出力する。また、ガスタービンが運転中（Ｎが５２００ｒｐｍ以上）であり、かつ加速率＝ΔＮ／Δｔが５０００ｒｐｍ／ｓｅｃ以上の場合には、緊急遮断が必要な「加速率過大／トリップ」信号を出力する。
ただし、ノイズなどの対策として連続３回同様の事象が発生したときにのみ動作するように設定するのがよい。
【００２０】
「加速率大」信号が出力されると、出力切替器Ｓ２が定格（１００％）から最小（１３．８３％）に切替えらえ、ＬＳＳ（低値信号選択器）により、ガスゼネレータ回転数制御、出力タービン入口ガス温度制御、圧縮機吐出圧力制御のうち最も低い設定流量が出力され、燃料制御弁１１ａの開度がこの減速流量に制御される。なおこの場合には、ガスタービンは急減速した後、「加速率大」信号がリセットされた後に元の速度に復帰する。
【００２１】
また、「加速率過大／トリップ」信号が出力されると、燃料遮断弁１１ｂが閉鎖され、燃焼器への燃料供給が停止して、ガスタービンが急減速し停止する。
【００２２】
図３は、本発明の実施例を示すシムレーション結果である。この図において、（Ａ）は回転速度Ｎの大きさのみで制御した従来例、（Ｂ）は本発明の例である。また各図において、横軸は時間、縦軸は実線が回転速度Ｎ、破線が回転速度Ｎの加速率ｄＮ／ｄｔである。
図３（Ａ）から、回転速度Ｎの大きさのみの制御では、出力タービン６の回転速度Ｎが最高回転数が約７８００ｒｐｍまで達しており、このタービンの場合、過回転（オーバースピード）であり機器の点検を通常の点検期間を待たずに行う必要がある。
これに対して本発明の図３（Ｂ）では、同一条件で、最高回転数が約７６００ｒｐｍまで低減できることがわかる。
【００２３】
上述したように、本発明の装置及び方法によれば、例えばウォータジェット推進装置に空気が混入し、負荷抜けが生じた場合でも、出力を低減若しくはガスタービン主機を停止させるので、負荷抜けを早期に検知して出力タービンの過回転を防止することができる。
【００２４】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。
【００２５】
【発明の効果】
上述したように、本発明の舶用２軸型ガスタービンの過回転防止装置とその方法は、短い水吸入経路内に空気が混入し、出力軸にかかる負荷が急激に減少する場合でも、過大な負荷空間や負荷重量を必要とせずに、かつ出力タービンの高い応答性を維持したまま、出力タービンの過回転（オーバースピード）を効果的に防止できる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の過回転防止装置を備えたウォータジェット高速艇の模式図である。
【図２】本発明の過回転制御方法の制御ブロック図である。
【図３】本発明の実施例を示すシムレーション結果である。
【図４】従来のウォータジェット高速艇の模式図である。
【符号の説明】
１　水ポンプ、１ａ　インペラ、１ｂ　案内羽根（ディフーザ）、
２　インペラ駆動軸、３　ノズル、４　吸入管路部、
５　ガスタービン主機、５ａ　圧縮機、５ｂ　燃焼器、
５ｃ　タービン、６　出力タービン、
１０　過回転防止装置、
１１ａ　燃料制御弁、１１ｂ　燃料遮断弁、
１２　速度センサ、１４　過回転制御装置

Claims

出力タービン（６）がフリータービンであり、圧縮機（５ａ）、燃焼器（５ｂ）、タービン（５ｃ）からなるガスタービン主機（５）の排気ガスで出力タービンを回転駆動する舶用２軸型ガスタービンの過回転防止装置であって、
出力タービン（６）の回転速度Ｎを検出する速度センサ（１２）と、検出された回転速度Ｎの加速率の大きさによりガスタービン主機（５）の燃料流量を制御する過回転制御装置（１４）とを備え、急激な負荷減少を出力タービンの上昇加速度により判断し過回転を防止する、ことを特徴とする舶用２軸型ガスタービンの過回転防止装置。
出力タービン（６）がフリータービンであり、圧縮機（５ａ）、燃焼器（５ｂ）、タービン（５ｃ）からなるガスタービン主機（５）の排気ガスで出力タービンを回転駆動する舶用２軸型ガスタービンの過回転防止方法であって、
出力タービン（６）の回転速度Ｎを１０ｍｓｅｃ以下の短い周期でサンプリングし、今回値−前回値の差分ΔＮが正であり、かつ所定のしきい値を超える場合にガスタービン主機（５）の燃料流量を急減又は遮断し、これにより出力タービンの過回転を防止する、ことを特徴とする舶用２軸型ガスタービンの過回転防止方法。