JP2005069093A - ガスタービンエンジンの加減速制御装置及び加減速制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料温度の変化により燃料の比重が変化した場合でも、加減速に必要な所望の質量流量で燃料を供給できるガスタービンエンジンの加減速制御装置及び加減速制御方法を提供する。
【解決手段】 本発明に係るガスタービンエンジンの加減速制御装置は、所定のデータに基づいてガスタービンエンジン１０の加減速に必要な燃料質量流量を求め、燃料質量流量信号を出力する燃料流量算出部４ａと、燃料質量流量信号を受け、予め設定された燃料質量流量と燃料流量制御弁２０の弁開度との相関関係を示す燃料御弁特性Ｍ２に基づいて燃料流量制御弁２０の弁開度を求め、弁開度信号を出力する弁開度算出部４ｂと、燃料温度から求まる燃料比重に基づき、燃焼器２に供給する燃料質量流量を燃料流量算出部により求めた燃料質量流量と一致させるように、弁開度算出部４ｂへの燃料質量流量信号を補正する燃料流量補正部４ｃとを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの加減速制御装置及び加減速制御方法に関する。

図３は、従来の一般的なガスタービンエンジンの構成を示す図である。この図に示すように、ガスタービンエンジン４０は、圧縮機３１と、燃焼器３２と、タービン３３と備え、圧縮機３１で空気を圧縮し、燃料４４を圧縮空気と混合して燃焼器３２で燃焼させて燃焼ガス４２を生成し、生成した燃焼ガス４２によりタービン３３を駆動させ、排ガス４３を排出するようになっている。図中４６は、燃料４４と潤滑油４５との間で熱交換を行わせ、潤滑油４５を冷却する潤滑油冷却器である。タービン３３の軸には、例えばガスタービン船の場合には図示しないギヤボックスを介してプロペラ３５が接続され、プロペラ３５の回転により推進力を得るようになっている。

また、図３に示すように、このようなガスタービンエンジン４０は、タービン回転速度を所定の回転速度まで加減速させるための加減速制御装置３４を備えている。この加減速制御装置３４は、圧縮機入口空気温度と圧縮機吐出圧力等のデータからガスタービンエンジン４０が加減速する際に必要な燃料質量流量を求め、燃料質量流量信号を出力する燃料流量算出部３４ａと、燃料質量流量信号を受け、燃料流量制御弁の弁開度を求め、弁開度信号を出力する弁開度算出部３４ｂとを有し、この弁開度信号に基づいて燃料流量制御弁４４の弁開度を調節してガスタービンエンジンの加減速を制御している。なお、このようなガスタービンエンジンの加減速制御に関する技術は、例えば、下記特許文献１に開示されている。

特許文献１の「ガスタービンエンジンの加減速制御装置」は、エンジン負荷量の変動に伴って所要の回転数に移行させるために燃料流量を制御する燃料流量制御手段を有するガスタービンエンジンの加減速制御装置において、燃料流量制御手段は、所定の上限値を超えないようにエンジン温度の目標値を設定すると共に、目標値に向けて変化する過渡状態にある現在のエンジン温度を推定し、該エンジン温度の推定値と目標値との差に基づいて、エンジン温度の目標値に対応して求められた燃料流量を補正するようにしたものである。

特開２００２−１３８８５７号公報

燃料流量制御弁は、燃料計量部の前後差圧を一定に保ちながら、燃料計量部の開度面積に比例した燃料が流れることにより燃料の体積流量を制御している。しかし、燃料温度はガスタービンエンジンの運転状態により変動するものであり、燃料温度が変動するとこれに伴い燃料比重も変動する。図４は、燃料温度と燃料質量流量との関係を示す図であり、横軸に燃料温度（℃）をとり、縦軸に燃料質量流量の変化率（％）をとっている。この図から分かるように、燃料温度の影響により、燃料温度が約３０℃変動すると、燃料質量流量は約１％変化する。

このため、従来のガスタービンエンジンの加減速制御装置では、燃料の体積流量は燃料流量制御弁の弁開度に応じた流量となるが、燃料温度が上昇した場合には燃料温度の上昇に伴い燃料比重が小さくなり、その結果燃料の質量流量が減少してしまい、所望の加速度でもってタービン回転速度を増加させることができなくなり、負荷変動に対する応答性が悪くなるという問題があった。

本発明は上述した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、燃料温度の変化により燃料の比重が変化した場合でも、加減速に必要な所望の質量流量で燃料を供給できるガスタービンエンジンの加減速制御装置及び加減速制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明によれば、タービン回転速度を所定の回転速度まで加減速させるために、燃焼器に供給する燃料流量を燃料流量制御弁の弁開度を調節して制御するガスタービンエンジンの加減速制御装置であって、所定のデータに基づいてガスタービンエンジンの加減速に必要な燃料質量流量を求め、燃料質量流量信号を出力する燃料流量算出部と、燃料質量流量信号を受け、予め設定された燃料質量流量と前記燃料流量制御弁の弁開度との相関関係を示す燃料制御弁特性に基づいて前記燃料流量制御弁の弁開度を求め、弁開度信号を出力する弁開度算出部と、燃料温度から求まる燃料比重に基づき、前記燃焼器に供給する燃料質量流量を前記燃料流量算出部により求めた燃料質量流量と一致させるように、前記弁開度算出部への燃料質量流量信号を補正する燃料流量補正部とを備える、ことを特徴とするガスタービンエンジンの加減速制御装置が提供される。

また、上記ガスタービンエンジンの加減速制御装置において、好ましくは、前記燃料流量補正部は、燃料と潤滑油との間で熱交換を行って潤滑油を冷却する潤滑油冷却器の潤滑油出口側の潤滑油温度に基づいて前記潤滑油冷却器の燃料出口側の燃料温度を推定し、推定した燃料温度から前記燃料比重を求める。

また本発明によれば、タービン回転速度を所定の回転速度まで加減速させるために、燃焼器に供給する燃料流量を燃料流量制御弁の弁開度を調節して制御するガスタービンエンジンの加減速制御方法であって、所定のデータに基づいてガスタービンエンジンの加減速に必要な燃料質量流量を求め、燃料質量流量信号を出力する燃料流量算出ステップと、燃料質量流量信号を受け、予め設定された燃料質量流量と前記燃料流量制御弁の弁開度との相関関係を示す燃料制御弁特性に基づいて前記燃料流量制御弁の弁開度を求め、弁開度信号を出力する弁開度算出ステップと、燃料温度から求まる燃料比重に基づき、前記燃焼器に供給する燃料質量流量を前記燃料流量算出ステップにより求めた燃料質量流量と一致させるように、前記弁開度算出ステップで用いられる燃料質量流量信号を補正する燃料流量補正ステップとを備える、ことを特徴とするガスタービンエンジンの加減速制御方法が提供される。

また、上記ガスタービンエンジンの加減速制御方法において、好ましくは、前記燃料流量補正ステップにおいて、燃料と潤滑油との間で熱交換を行って潤滑油を冷却する潤滑油冷却器の潤滑油出口側の潤滑油温度に基づいて前記潤滑油冷却器の燃料出口側の燃料温度を推定し、推定した燃料温度から前記燃料比重を求める。

本発明に係るガスタービンエンジンの加減速制御装置は、燃料温度から求まる燃料比重に基づき、燃焼器に供給する燃料質量流量を前記燃料流量算出部により求めた燃料質量流量と一致させるように、前記弁開度算出部への燃料質量流量信号を補正する燃料流量補正部を備えるので、燃料温度の変動により燃料比重が変動しても、燃焼器へ供給される燃料質量流量とガスタービンエンジンの加減速に必要な燃料質量流量との間で誤差が生じることがない。したがって、燃料温度の影響を受けることなく、ガスタービンエンジンの加減速に必要な燃料質量流量を燃焼器に正確に供給することができる。

また、本発明に係るガスタービンエンジンの加減速制御方法は、燃料温度から求まる燃料比重に基づき、前記燃焼器に供給する燃料質量流量を前記燃料流量算出ステップにより求めた燃料質量流量と一致させるように、前記弁開度算出ステップで用いられる燃料質量流量信号を補正する燃料流量補正ステップを備えるので、燃料温度の変動により燃料比重が変動しても、燃焼器へ供給される燃料質量流量とガスタービンエンジンの加減速に必要な燃料質量流量との間で誤差が生じることがない。したがって、燃料温度の影響を受けることなく、ガスタービンエンジンの加減速に必要な燃料質量流量を燃焼器に正確に供給することができる。

また、上記ガスタービンエンジンの加減速制御装置及び加減速制御方法において、燃料と潤滑油との間で熱交換を行って潤滑油を冷却する潤滑油冷却器の潤滑油出口側の潤滑油温度に基づいて潤滑油冷却器の燃料出口側の燃料温度を推定し、推定した燃料温度から燃料比重を求めるので、ハードウェア上の計測項目を増加させることなく、燃料温度を認知することができる。したがって、システムを簡素化することができ、既存のガスタービンエンジンにも適用することが可能となる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係るガスタービンエンジンの加減速制御装置及び加減速制御方法の実施形態の構成を示す図である。この図に示すように、ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１と、燃焼器２と、タービン３と、加減速制御装置４を備え、圧縮機１で空気を圧縮し、燃料１４を圧縮空気と混合して燃焼器２で燃焼させて燃焼ガス１２を生成し、生成した燃焼ガス１２によりタービン３を駆動させ、排ガス１３を排出するようになっている。タービン回転速度を所望の回転速度に加減速するときには、加減速制御装置４により燃料流量制御弁２０の弁開度を調節し、燃焼器２への燃料流量を制御する。また、図中１６は、燃料１４と潤滑油１５との間で熱交換を行わせ、潤滑油１５を冷却する潤滑油冷却器である。なお、タービン３の軸には、例えばガスタービン船の場合には図示しないギヤボックスを介してプロペラ５が接続され、プロペラ５の回転により推進力を得るようになっている。

図２は、加減速制御装置４による加減速制御の内容を説明する図である。以下、図１及び図２を参照して説明する。図２に示すように加減速制御装置４は、燃料流量算出部４ａと、弁開度算出部４ｂと、燃料流量補正部４ｃとを有している。

燃料流量算出部４ａは、温度検出部２１により検出された圧縮機入口空気温度（ガスゼネレータ入口温度）、圧力検出部２３により検出された圧縮機吐出空気圧力、タービン目標回転数、タービン回転数、等を含む所定のデータを入力し、このデータに基づいてガスタービンエンジンの加減速に必要な燃料質量流量を求め、燃料質量流量信号を出力する。このとき、燃料質量流量は、図２に示すような予め設定されたガスゼネレータ加減速スケジュールマップＭ１を用いて算出される。このガスゼネレータスケジュールマップＭ１は、圧縮機入口空気温度ごとに異なるラインを示し、この図では、圧縮機入口空気温度が１５℃の場合の概形を示している。

弁開度算出部４ｂは、燃料質量流量信号を受け、予め設定された燃料質量流量と燃料流量制御弁２０の弁開度との相関関係を示す燃料制御弁特性マップＭ２に基づいて燃料流量制御弁２０の弁開度を求め、弁開度信号を出力する。

燃料流量補正部４ｃは、燃料温度から求まる燃料比重に基づき、燃焼器２に供給する燃料質量流量を燃料流量算出部４ａにより求めた燃料質量流量と一致させるように、弁開度算出部４ｂへの燃料質量流量信号を補正する。すなわち、燃料温度が上昇して燃料比重が基準値以下となった場合には、燃料流量算出部４ａにより求めた燃料質量流量を燃料質量流量信号としてそのまま弁開度算出部４ｃの入力信号とすると、燃料比重が減少した分燃料質量流量が減少するため、この燃料比重の減少による燃料質量流量の減少分を補填できるように、燃料流量指令信号を補正して燃料流量制御弁２０の弁開度を増大させるようにする。これとは反対に、燃料温度が下降して燃料比重が基準値以上となった場合は、燃料流量指令信号を補正して燃料流量制御弁２０の弁開度を減少させるようにする。

このとき、燃料１４と熱交換を行う潤滑油１５の温度に基づいて潤滑油冷却器１６の燃料出口側の燃料温度Ｔ_fを推定し、燃料温度Ｔ_fから燃料比重を求めるようにする。潤滑油１５の温度は監視用計測項目であるため、これを用いることにより新たなハードウェア上の計測項目を増加させる必要がない。

燃料温度Ｔ_fは、Ｔ_f＝Ｔ_LO＋ａなる計算式から求められる。ここで、Ｔ_LOは潤滑油冷却器１６の潤滑油出口側の潤滑油温度、ａは潤滑油温度Ｔ_LOから求まる補正量であり、この補正量ａは、図２に示すように、タービン回転数（ガスゼネレータ回転数）Ｎと潤滑油給油温度Ｔ_LOから予め設定された相関マップＭ３を用いて求められる。なお、潤滑油温度Ｔ_LOは温度検出部２２で検出され、その出力信号が加減速制御装置４の燃料流量補正部４ｃに入力されるようになっている。

そして、このようにして推定した燃料温度Ｔ_fから燃料比重を求め、燃焼器２に供給する燃料質量流量が燃料流量算出部４ａにより求めた燃料質量流量となるように、弁開度算出部４ｂへの燃料質量流量信号を補正する。

このように、本発明に係るガスタービンエンジンの加減速制御装置および加減速制御方法によれば、燃料温度から求まる燃料比重に基づき、燃焼器への燃料質量流量をガスタービンエンジンの加減速に必要な燃料質量流量と一致させるように、燃料質量流量信号を補正するので、燃料温度の変動により燃料比重が変動しても、燃焼器へ供給される燃料質量流量とガスタービンエンジンの加減速に必要な燃料質量流量との間で誤差が生じることがない。したがって、燃料温度の影響を受けることなく、ガスタービンエンジンの加減速に必要な燃料質量流量を燃焼器に正確に供給することができる。

また、燃料と潤滑油との間で熱交換を行って潤滑油を冷却する潤滑油冷却器の潤滑油出口側の潤滑油温度に基づいて潤滑油冷却器の燃料出口側の燃料温度を推定し、推定した燃料温度から燃料比重を求めるので、ハードウェア上の計測項目を増加させることなく、燃料温度を認知することができる。したがって、システムを簡素化することができ、既存のガスタービンエンジンにも適用することが可能となる。

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変更し得ることは勿論である。

本発明の実施形態の構成を示す図である。 本発明における加減速制御の内容を説明する図である。 従来のガスタービンエンジンの加減速制御装置の構成を示す図である。 燃料温度と燃料質量流量との関係を示す図である。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
４ 加減速制御装置
４ａ 燃料流量算出部
４ｂ 弁開度算出部
４ｃ 燃料流量補正部
５ プロペラ
１０ ガスタービンエンジン
１１ 空気
１２ 燃焼ガス
１３ 排ガス
１４ 燃料
１５ 潤滑油
１６ 熱交換器
２０ 燃料流量制御弁
２１、２２ 温度検出部
２３ 圧力検出部

Claims (4)

1. タービン回転速度を所定の回転速度まで加減速させるために、燃焼器に供給する燃料流量を燃料流量制御弁の弁開度を調節して制御するガスタービンエンジンの加減速制御装置であって、
   所定のデータに基づいてガスタービンエンジンの加減速に必要な燃料質量流量を求め、燃料質量流量信号を出力する燃料流量算出部と、
   燃料質量流量信号を受け、予め設定された燃料質量流量と前記燃料流量制御弁の弁開度との相関関係を示す燃料制御弁特性に基づいて前記燃料流量制御弁の弁開度を求め、弁開度信号を出力する弁開度算出部と、
   燃料温度から求まる燃料比重に基づき、前記燃焼器に供給する燃料質量流量を前記燃料流量算出部により求めた燃料質量流量と一致させるように、前記弁開度算出部への燃料質量流量信号を補正する燃料流量補正部とを備える、ことを特徴とするガスタービンエンジンの加減速制御装置。
2. 前記燃料流量補正部は、燃料と潤滑油との間で熱交換を行って潤滑油を冷却する潤滑油冷却器の潤滑油出口側の潤滑油温度に基づいて前記潤滑油冷却器の燃料出口側の燃料温度を推定し、推定した燃料温度から前記燃料比重を求める、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加減速制御装置。
3. タービン回転速度を所定の回転速度まで加減速させるために、燃焼器に供給する燃料流量を燃料流量制御弁の弁開度を調節して制御するガスタービンエンジンの加減速制御方法であって、
   所定のデータに基づいてガスタービンエンジンの加減速に必要な燃料質量流量を求め、燃料質量流量信号を出力する燃料流量算出ステップと、
   燃料質量流量信号を受け、予め設定された燃料質量流量と前記燃料流量制御弁の弁開度との相関関係を示す燃料制御弁特性に基づいて前記燃料流量制御弁の弁開度を求め、弁開度信号を出力する弁開度算出ステップと、
   燃料温度から求まる燃料比重に基づき、前記燃焼器に供給する燃料質量流量を前記燃料流量算出ステップにより求めた燃料質量流量と一致させるように、前記弁開度算出ステップで用いられる燃料質量流量信号を補正する燃料流量補正ステップとを備える、ことを特徴とするガスタービンエンジンの加減速制御方法。
4. 前記燃料流量補正ステップにおいて、燃料と潤滑油との間で熱交換を行って潤滑油を冷却する潤滑油冷却器の潤滑油出口側の潤滑油温度に基づいて前記潤滑油冷却器の燃料出口側の燃料温度を推定し、推定した燃料温度から前記燃料比重を求める、ことを特徴とする請求項３に記載のガスタービンエンジンの加減速制御方法。
   

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