JP2006144617A - ガスタービンエンジンの燃料制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 寒冷時の初回始動において、その始動時間を短縮することができ、ガスタービンエンジンの始動性の向上を図ることができる、ガスタービンエンジンの燃料制御方法および装置を提供する。
【解決手段】 燃料スケジュールは、標準スケジュールと、エンジン始動時に標準スケジュールより燃料流量を増大させるように設定された変更スケジュールＳ１，Ｓ２とを含む。そして、エンジンの始動にあたり、その始動直後におけるエンジン排気温度を温度検出器２２で検出し、エンジン排気温後が寒冷時の初回始動であると判断できる所定温度以下である場合には、変更スケジュールに従って燃料を供給する。また、変更スケジュールは、始動時におけるエンジン排気温度に応じて燃料流量が異なるように設定された複数のスケジュールを含み、エンジン排気温度の測定値に応じて、複数の変更スケジュールのうちエンジン異常を生じない範囲で最もエンジン始動時間を短縮できるスケジュールを選択し、これに従って燃料を供給する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの燃料制御方法および装置に関する。

ガスタービンエンジンは、各種の航空、船舶、及び産業の用途に用いられる。一般的に、ガスタービンエンジンは、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを備え、圧縮機で空気を圧縮し、燃料を圧縮空気と混合して燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスによりタービンを駆動させ、排ガスを排出するようになっている。

また、ガスタービンエンジンは、エンジン回転数に応じて供給すべき燃料流量が決められており、これを制御するための燃料制御装置を備えている。近年、ガスタービンエンジンの制御にＦＡＤＥＣ（Ｆｕｌｌ−Ａｕｔｈｏｒｉｔｙ Ｄｉｄｉｔａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ）と呼ばれる電子制御システムが導入され、予め設定された燃料スケジュールに従って燃料流量を制御することで、エンジンの始動、加速、減速といったエンジンコントロールを適切に行うことが可能になっている。

図３は、ガスタービンエンジンの燃料スケジュールの一例を示す燃料スケジュールマップであり、横軸にＮｇ、縦軸にＷｆ／Ｐ３（燃空比）をとっている。ここで、Ｎｇはタービン回転数、Ｗｆは燃料流量、Ｐ３は圧縮機出口圧力である。また、図中、Ａは始動燃料スケジュール、Ｂは加速燃料スケジュール、Ｃは減速燃料スケジュール、Ｄはイニシャルライン、Ｅはドループライン、Ｆはエンジン定常ラインを示している。

エンジン始動時における燃料スケジュールマップ上のＷｆ／Ｐ３の動きは、図３の点線で示すルートを辿ることになる。すなわち、イニシャルラインＤからスタートし、始動燃料スケジュールＡに移行し、次いで始動燃料スケジュールＡから加速燃料スケジュールＢへ移行し、次いで加速燃料スケジュールＢからドループラインＥを経てエンジン定常ラインＦに到達し、ここでエンジンはアイドル状態となり始動完了となる。

なお、ガスタービンエンジンに関連する先行技術文献として、下記特許文献１、２が開示されている。

実開平５−８７２４２号公報 特開２００４−３４７４号公報

気温が例えば０℃以下となるような寒冷時にガスタービンエンジンを始動する場合、エンジンや補機が冷やされている影響でその始動時間が長くなる場合がある。例えば、航空機用ガスタービンエンジンでは、始動運転開始後、所定時間内（例えば、６０秒以内）にエンジンがアイドル回転数に到達しない場合には、一旦始動を停止して再始動を行う必要がある。２回目以降の始動はエンジン及び補機が温まるため、始動時間は正常に戻る。

しかし、このように一回目の始動（初回始動）で始動時間が長くなり、２回目の始動が必要になることは、運用上支障をきたす可能性がある。そのため、寒冷時の初回始動において、その始動時間を短縮し、ガスタービンエンジンの始動性の向上を図ることが要求される。

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、寒冷時の初回始動において、その始動時間を短縮することができるガスタービンエンジンの燃料制御方法および装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のガスタービンエンジンの燃料制御方法は、予め設定された燃料スケジュールに従ってガスタービンエンジンの燃焼器に燃料を供給するガスタービンエンジンの燃料制御方法であって、前記燃料スケジュールは、標準スケジュールと、エンジン始動時に標準スケジュールより燃料流量を増大させるように設定された変更スケジュールとを含み、エンジンの始動にあたり、その始動直後におけるエンジン排気温度を測定し、エンジン排気温度が所定温度以下である場合には、変更スケジュールに従って燃料を供給する、ことを特徴としている（請求項１）。

上記本発明のガスタービンエンジンの燃料制御方法において、好ましくは、前記変更スケジュールは、始動時におけるエンジン排気温度に応じて燃料流量が異なるように設定された複数のスケジュールを含み、エンジン排気温度の測定値に応じて、前記複数の変更スケジュールのうちエンジン異常を生じない範囲で最もエンジン始動時間を短縮できるスケジュールを選択し、これに従って燃料を供給する（請求項２）。

上記本発明のガスタービンエンジンの燃料制御方法において、好ましくは、前記燃料スケジュールにおいて、前記変更スケジュールは標準スケジュールより燃空比が高く設定されている（請求項３）。

また、本発明のガスタービンエンジンの燃料制御装置は、予め設定された燃料スケジュールに従ってガスタービンエンジンの燃焼器に燃料を供給するガスタービンエンジンの燃料制御装置であって、エンジン始動直後におけるエンジン排気温度を検出する温度検出手段と、前記燃料スケジュールに従って燃焼器への燃料流量を制御する制御手段とを備え、前記燃料スケジュールは、標準スケジュールと、エンジン始動時に標準スケジュールより燃料流量を増大させるように設定された変更スケジュールとを含み、前記制御手段は、エンジンの始動にあたり、検出されたエンジン排気温度が所定温度以下である場合には、変更スケジュールに従って燃料を供給する制御を行う、ことを特徴としている（請求項４）。

上記本発明のガスタービンエンジンの燃料制御装置において、好ましくは、前記変更スケジュールは、始動時におけるエンジン排気温度に応じて燃料流量が異なるように設定された複数のスケジュールを含み、前記制御手段は、エンジン排気温度の測定値に応じて、前記複数の変更スケジュールのうちエンジン異常を生じない範囲で最もエンジン始動時間を短縮できるスケジュールを選択し、これに従って燃料を供給する制御を行う（請求項５）。

上記本発明のガスタービンエンジンの燃料制御装置において、好ましくは、前記燃料スケジュールにおいて、前記変更スケジュールは標準スケジュールより燃空比が高く設定されている（請求項６）。

本発明では、エンジン始動時においてエンジン排気温度を検出し、この温度が寒冷時の初回始動であると判断できる所定温度以下である場合には、寒冷時の初回始動であると判定し、標準スケジュールより燃料流量を増大させた変更スケジュールに従って燃料を供給する。これにより、寒冷時の初回始動である場合には、その始動時における燃料流量を増大させてエンジン始動時間を短縮することができる。

また、変更スケジュールは、始動時におけるエンジン排気温度に応じて燃料流量が異なるように設定された複数のスケジュールを含み、エンジン排気温度の測定値に応じて、複数の変更スケジュールのうちエンジン異常を生じない範囲で最もエンジン始動時間を短縮できるスケジュールを選択し、これに従って燃料を供給するので、寒冷の程度に応じて燃料流量をきめ細かく制御し、エンジン始動性能の適正化を図ることができる。

つまり、本発明によれば、寒冷時の初回始動において、その始動時間を短縮することができ、ガスタービンエンジンの始動性の向上を図ることができる、という優れた効果が得られる。

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。なお、各図において、同一部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明に係るガスタービンエンジンの燃料制御装置の概略図である。この燃料制御装置によって本発明のガスタービンエンジンの燃料制御方法を実施することができる。

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。ガスタービンエンジン１０が航空機用エンジン、例えばターボジェットエンジンである場合は、排気ガスを後方に高速噴射して推進力を得る。また、船舶用エンジンである場合は、タービン軸にギヤボックスを介してプロペラが接続され、プロペラの回転により推進力を得る。

また、ガスタービンエンジン１０は、燃料制御装置２０を備えている。この燃料制御装置２０は、エンジン排気温度を検出する温度検出手段としての温度検出器２２と、燃焼器２への燃料流量を制御する制御手段２４とを備えている。

温度検出器２２は、タービン出口側に配設され、エンジン始動時におけるエンジン排気温度（排ガス温度）を検出する。

制御手段２４は、予め設定された燃料スケジュールに基づいてエンジンに必要な燃料流量を求める燃料流量制御器２６と、この燃料流量制御器２６からの信号を受けて弁開度を調節する燃料流量制御弁２８とを備えている。燃料流量制御器２６には温度検出器２２の出力側が接続され、温度検出器２２からの出力がこれに入力されるようになっている。

図２は、燃料流量制御器２６で設定されている燃料スケジュールを示す燃料スケジュールマップである。図２に示すように、この燃料スケジュールには、始動燃料スケジュールＡ、加速燃料スケジュールＢ、減速燃料スケジュールＣが含まれており、エンジン始動時、加速時、減速時には、それぞれの燃料スケジュールに従って燃料流量が決定され、燃料流量制御弁２８の弁開度を調節し、燃焼器２への燃料流量を制御する。なお、Ｄはイニシャルライン、Ｅはドループライン、Ｆはエンジン定常ラインを示す。

また、図２に示すように、この燃料スケジュールは、寒冷時の初回始動時以外で使用される標準スケジュールのほか、複数の変更スケジュールＳ１，Ｓ２を含んでいる。この変更スケジュールは、始動燃料スケジュールＡおよび加速燃料スケジュールＢに関し、燃料流量を増大させるように変更したもので、エンジン始動直後におけるエンジン排気温度が寒冷時の初回始動であると判断できる温度（例えば５℃）以下である場合に、エンジン始動時間が短縮するように標準スケジュールよりも燃料流量を増大させるように設定したスケジュールである。

また、変更スケジュールは、始動時におけるエンジン排気温度に応じて燃料流量が異なるように予め複数設定されている。燃料流量の過度の増大は、エンジンストールやエンジン温度の異常上昇などのエンジン異常を生じる恐れがある。したがって、各変更スケジュールはこれらのエンジン異常が生じない範囲でエンジン排気温度に応じて設定される。なお、この例では、変更スケジュールの数は二つであるが、ガスタービンエンジンの種類、特性等によって、適正数に設定することができる。

燃料流量制御器２６は、ガスタービンエンジンが寒冷時の初回始動であるか否かを判定し、その結果、寒冷時の初回始動であると判定した場合には、標準スケジュールではなく変更スケジュールに従って燃料を供給する。このときの判定は、始動直後のエンジン排気温度に基づいて行う。すなわち、ガスタービンエンジンが寒冷時の初回始動である場合は、エンジンが冷えており、始動直後のエンジン排気温度も低いことから、これが予め設定した所定温度以下であるときは寒冷時の初回始動であると判定する。逆に、エンジン排気温度が所定温度を超えるときは寒冷時の始動でないと判定する。寒冷時の初回始動であると判断する温度（所定温度）は、例えば５℃に設定する。

また、燃料流量制御器２６は、エンジン排気温度の測定値に応じて、複数の変更スケジュールのうちエンジン異常を生じない範囲で最もエンジン始動時間を短縮できるスケジュールを選択するようになっている。

このように構成された燃料制御装置２０のエンジン始動時の動作について、まず、寒冷時でない場合（エンジン排気温度が所定温度を超える場合）について説明する。始動運転開始直後、温度検出器２２によってエンジン排気温度が検出され、その検出値が燃料流量制御器２６に入力され、燃料流量制御器２６において寒冷時の初回始動であるか否かが判定される。しかし、エンジン排気温度は所定温度を超えているため、寒冷時の初回始動でないと判定され、燃料スケジュールの変更は行われず、標準スケジュールに従って燃料が供給される。したがって、エンジン始動時における図２に示した燃料スケジュールマップ上のＷｆ／Ｐ３の動きは、図中の点線で示すルートを辿ることになる。すなわち、図中の点ｐ１からイニシャルラインＤを辿り、始動燃料スケジュールＡとの交点ｐ２まで移動し、次いで、始動燃料スケジュールＡに乗って加速燃料スケジュールＢとの交点ｐ３まで移動する。次いで、加速燃料スケジュールＢに乗ってドループラインＥとの交点ｐ４まで移動し、ここからドループラインＥを経てエンジン定常ラインＦまで到達し、ここでエンジンはアイドル状態となる。

次に、寒冷時の初回始動の場合（エンジン排気温度が所定温度以下である場合）について説明する。始動運転開始直後、温度検出器２２によってエンジン排気温度が検出され、その検出値が燃料流量制御器２６に入力され、燃料流量制御器２６において寒冷時の初回始動であるか否かが判定される。このとき、エンジン排気温度が所定温度以下である場合には、燃料流量制御器２６において寒冷時の初回始動であると判定される。そして、燃料流量制御器２６は、エンジン排気温度の測定値に応じて、変更スケジュールＳ１，Ｓ２のうちエンジン異常を生じない範囲で最もエンジン始動時間を短縮できるスケジュールを選択する。

このとき、例えば、変更スケジュールＳ１が選択された場合には、エンジン始動時における図２に示した燃料スケジュールマップ上のＷｆ／Ｐ３の動きは、図中の二点鎖線で示すルートを辿ることになる。すなわち、図中の点ｐ１からイニシャルラインＤを辿って変更スケジュールＳ１との交点ｐ２´まで移動し、次いで、変更スケジュールＳ１に乗ってドループラインＥとの交点ｐ４´まで移動し、ここからドループラインＥを経てエンジン定常ラインＦまで到達し、ここでエンジンはアイドル状態となる。なお、変更スケジュールＳ２が選択された場合は、Ｗｆ／Ｐ３の動きは上述の変更スケジュールＳ１の例に倣って変化する。このように、寒冷時の初回始動であることが自動的に判定され、燃料流量が増大されるため、エンジン始動時間の短縮化を図ることが可能となる。

このように、本発明では、エンジン始動時においてエンジン排気温度を検出し、この温度が寒冷時の初回始動であると判断できる所定温度以下である場合には、寒冷時の初回始動であると判定し、標準スケジュールより燃料流量を増大させた変更スケジュールに従って燃料を供給する。これにより、寒冷時の初回始動である場合には、その始動時における燃料流量を増大させてエンジン始動時間を短縮することができる。また、変更スケジュールは、始動時におけるエンジン排気温度に応じて燃料流量が異なるように設定された複数のスケジュールを含み、エンジン排気温度の測定値に応じて、複数の変更スケジュールのうちエンジン異常を生じない範囲で最もエンジン始動時間を短縮できるスケジュールを選択し、これに従って燃料を供給するので、寒冷の程度に応じて燃料流量をきめ細かく制御し、エンジン始動性能の適正化を図ることができる。

つまり、本発明によれば、寒冷時の初回始動において、その始動時間を短縮することができ、ガスタービンエンジンの始動性の向上を図ることができる、という優れた効果が得られる。

なお、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

本発明の実施形態を示す概略図である。 本発明の実施形態によるガスタービンエンジンの燃料スケジュールを示す図である。 ガスタービンエンジンの燃料スケジュールの一例を示す図である。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
１０ ガスタービン
１１ 空気
１２ 燃焼ガス
１４ 燃料
２０ 燃料制御装置
２２ 温度検出器（温度検出手段）
２４ 制御手段
２６ 燃料流量制御器
２８ 燃料流量制御弁
Ａ 始動燃料スケジュール
Ｂ 加速燃料スケジュール
Ｃ 減速燃料スケジュール
Ｄ イニシャルライン
Ｅ ドループライン
Ｆ エンジン定常ライン
Ｓ１，Ｓ２ 変更スケジュール

Claims (6)

1. 予め設定された燃料スケジュールに従ってガスタービンエンジンの燃焼器に燃料を供給するガスタービンエンジンの燃料制御方法であって、
   前記燃料スケジュールは、標準スケジュールと、エンジン始動時に標準スケジュールより燃料流量を増大させるように設定された変更スケジュールとを含み、
   エンジンの始動にあたり、その始動直後におけるエンジン排気温度を測定し、エンジン排気温度が所定温度以下である場合には、変更スケジュールに従って燃料を供給する、ことを特徴とするガスタービンエンジンの燃料制御方法。
2. 前記変更スケジュールは、始動時におけるエンジン排気温度に応じて燃料流量が異なるように設定された複数のスケジュールを含み、
   エンジン排気温度の測定値に応じて、前記複数の変更スケジュールのうちエンジン異常を生じない範囲で最もエンジン始動時間を短縮できるスケジュールを選択し、これに従って燃料を供給する、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燃料制御方法。
3. 前記燃料スケジュールにおいて、前記変更スケジュールは標準スケジュールより燃空比が高く設定されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービンエンジンの燃料制御方法。
4. 予め設定された燃料スケジュールに従ってガスタービンエンジンの燃焼器に燃料を供給するガスタービンエンジンの燃料制御装置であって、
   エンジン始動直後におけるエンジン排気温度を検出する温度検出手段と、
   前記燃料スケジュールに従って燃焼器への燃料流量を制御する制御手段とを備え、
   前記燃料スケジュールは、標準スケジュールと、エンジン始動時に標準スケジュールより燃料流量を増大させるように設定された変更スケジュールとを含み、
   前記制御手段は、エンジンの始動にあたり、検出されたエンジン排気温度が所定温度以下である場合には、変更スケジュールに従って燃料を供給する制御を行う、ことを特徴とするガスタービンエンジンの燃料制御装置。
5. 前記変更スケジュールは、始動時におけるエンジン排気温度に応じて燃料流量が異なるように設定された複数のスケジュールを含み、
   前記制御手段は、エンジン排気温度の測定値に応じて、前記複数の変更スケジュールのうちエンジン異常を生じない範囲で最もエンジン始動時間を短縮できるスケジュールを選択し、これに従って燃料を供給する制御を行う、ことを特徴とする請求項４に記載のガスタービンエンジンの燃料制御装置。
6. 前記燃料スケジュールにおいて、前記変更スケジュールは標準スケジュールより燃空比が高く設定されている、ことを特徴とする請求項４又は５に記載のガスタービンエンジンの燃料制御装置。

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