JP2007146811A - ガスタービンエンジンの始動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のガスタービンエンジンの始動制御方法では、環境温度が低くて潤滑油の粘性が高くなると、スタータモータの出力軸を含む回転軸における軸受損失が増大し、エンジンの円滑な始動が困難になるという問題点があった。
【解決手段】ガスタービンエンジン１を始動するに際し、始動信号の入力後、潤滑油ポンプ２１を所定時間駆動してスタータモータ２及びエンジンの出力軸６の高速軸受９に潤滑油を供給し、潤滑油ポンプ２１を一旦停止させてからスターターモータ２を起動させ、その後、潤滑油ポンプ２１の駆動を再開する始動制御方法とすることで、出力軸６の軸受損失を抑制しつつエンジンの回転数を円滑に上昇させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、スタータモータ及び潤滑油ポンプを備えたガスタービンエンジンに関し、このガスタービンエンジンを始動するのに用いられる始動制御方法に関するものである。

図４は、従来のガスタービンエンジンの始動制御シーケンスを説明するタイミングチャートである。従来のガスタービンエンジンは、始動信号が入力されると、潤滑油ポンプを駆動（ＯＮ）してスタータモータの出力軸やエンジンの出力軸などの回転軸の軸受に潤滑油を供給し、この際、軸受に潤滑油が充分に供給されているか否かを潤滑油の圧力により判断することとし、油圧検出センサが所定の圧力値を検出（ＯＮ）した後、スタータモータを起動（ＯＮ）してエンジンを始動するようにしていた。

また、従来においては、始動信号の入力とともに潤滑油ポンプを駆動し、この潤滑油ポンプを一旦停止させた後、同潤滑油ポンプとスタータモータを同時に駆動することにより、エンジンの摺動部の潤滑状態が潤滑油温度によって過不足を生じないようにする技術が提案されている（特許文献１）。

なお、特許文献１は、エンジン始動装置に関するもので、ガスタービンエンジンに関するものではなく、また、ガスタービンエンジンではエンジンの始動後も潤滑油ポンプを駆動し続けるのに対して、特許文献１のエンジン始動装置ではスタータモータの停止とともに潤滑油ポンプも停止する。
特開２０００−３１０１７２号公報

ところが、上記したような従来のガスタービンエンジンの始動制御方法では、環境温度が低い場合、潤滑油の粘性が高くなり、その潤滑油をスタータモータの出力軸を含む回転軸の軸受に供給しながらスタータモータを起動させることになるため、回転軸における軸受損失が増大して、エンジンの回転数を円滑に上昇させることが困難になるという問題点があった。

なお、特許文献１では、一旦停止させた潤滑油ポンプとスタータモータを同時に駆動するため、環境温度が低くて潤滑油の粘性が高い場合には、その潤滑油をスタータモータの出力軸を含む回転軸の軸受に供給しつつスタータモータを起動させることになり、結果として回転軸における軸受損失の改善には至らない。

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたものであって、環境温度が低くて潤滑油の粘性が高い場合でも、スタータモータの出力軸を含む回転軸における軸受損失を抑制してエンジンの回転数を円滑に上昇させることができるガスタービンエンジンの始動制御方法を提供することを目的としている。

本発明のガスタービンエンジンの始動制御方法は、スタータモータと、スタータモータの出力軸を含む回転軸の軸受に潤滑油を供給する潤滑油ポンプを備えたガスタービンエンジンにおいて、同ガスタービンエンジンを始動するに際し、始動信号が入力された後、潤滑油ポンプを所定時間駆動し、潤滑油ポンプを一旦停止させてからスタータモータを起動させ、その後、潤滑油ポンプの駆動を再開する構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

なお、この種のガスタービンエンジンでは、圧縮機インペラとタービンロータを同一のエンジン出力軸に備えた１軸式のものや、圧縮機インペラとタービンロータをエンジン入力軸とエンジン出力軸の夫々に備えた２軸式のものなどがあり、１軸式ではスタータモータでエンジン出力軸を回転駆動し、２軸式ではスタータモータでエンジン入力軸を回転駆動する。このとき、スタータモータの出力軸は、エンジン出力軸やエンジン入力軸と一体の場合と、これらと別体にして動力伝達機構で連結する場合がある。

そこで、本発明において、回転軸としては、スタータモータの出力軸のほか、スタータモータの出力軸と一体化したエンジン出力軸又はエンジン入力軸や、スタータモータの出力軸と別体のエンジン出力軸又はエンジン入力軸などが含まれる。

また、本発明に係わるガスタービンエンジンの始動制御方法は、より好ましい実施形態として、潤滑油ポンプの初期の駆動開始後、潤滑油の圧力が所定値に達した後に潤滑油ポンプを一旦停止させることを特徴とする。さらに、スタータモータによるエンジンの回転開始から定格回転数に至る間に回転軸系の危険速度を有している場合に、エンジンの回転数が危険速度よりも低い段階で潤滑油ポンプの駆動を再開することを特徴としている。

本発明のガスタービンエンジンの始動制御方法によれば、スタータモータの出力軸を含む回転軸の軸受に初期の潤滑油を供給し、潤滑油ポンプを停止状態にしてスタータモータを起動することから、環境温度が低くて潤滑油の粘性が高い場合であっても、スタータモータの起動とともに初期の潤滑油の温度が速やかに上昇し且つ粘性が速やかに低下して、スタータモータを円滑に起動させてエンジンを始動させることができ、その後、潤滑油の供給を再開することで、回転軸における軸受損失を抑制しつつエンジンの回転数を円滑に上昇させることができる。

また、本発明のガスタービンエンジンの始動制御方法によれば、潤滑油ポンプの初期の駆動開始後、潤滑油の圧力が所定値に達した後に潤滑油ポンプを一旦停止させてスタータモータを起動するので、潤滑油の圧力が所定値に達した状態すなわち軸受に初期の潤滑油が供給された状態を確実に得たうえでスタータモータを起動してエンジンを始動させることができる。

さらに、本発明のガスタービンエンジンの始動制御方法によれば、エンジンの回転数が回転軸系の危険速度よりも低い段階で潤滑油ポンプの駆動を再開することから、エンジンの回転数が危険速度を通過する際に、回転軸の軸受に充分な潤滑油を供給して、軸受の円滑な回転動作の実現と軸受の長寿命化を図ることができる。

また、上記のように回転軸系の危険速度を考慮した始動制御方法によれば、スタータモータの出力軸を含む回転軸の軸受が、スクイズフィルムダンパで支持された高速軸受である場合に、より一層好適なものとなり、高速軸受の円滑な回転動作の実現と高速軸受の長寿命化を図ることができる。

以下、図面に基いて、本発明のガスタービンエンジンの始動制御方法の一実施例を説明する。図１は本発明の始動制御方法が適用可能なガスタービンエンジン１を説明する図である。

図示のガスタービンエンジン１は、１軸再生式のエンジンであって、発電機兼用のスタータモータ２と、エンジンケース３を備えると共に、スタータモータ２のハウジング４とエンジンケース３との間に吸気経路５を形成している。また、このガスタービンエンジン１は、回転軸として、スタータモータ２の出力軸とエンジン出力軸とを一体化した出力軸６を備えている。

出力軸６には、吸気経路５内に配置した圧縮機インペラ７と、後記する燃焼ガス流路１３内に配置したタービンロータ８が同軸状に設けてあり、当該出力軸６、圧縮機インペラ７及びタービンロータ８が互いに一体で回転する。

また、出力軸６は、ハウジング４内において、スクイズフィルムダンパ（油膜）によって支持された複数の高速軸受９により保持してある。すなわち、ハウジング４と各高速軸受９との間には、各高速軸受９の径方向の変位を許容し且つ軸線方向の移動を拘束する隙間が設けてあり、この隙間に供給した潤滑油によってスクイズフィルムダンパを形成している。

さらに、当該ガスタービンエンジン１は、潤滑油ポンプ２１や潤滑油の圧力を検出する油圧検出センサ２２等を含む潤滑油供給手段を備えており、上記高速軸受９の近傍に配置したノズルから潤滑油を供給して、スクイズフィルムダンパを形成すると共に、別のノズルから潤滑油を噴射して高速軸受９の内部を潤滑する。この潤滑油供給手段は、上記高速軸受９に潤滑油を供給するほか、それ以外の回転軸の軸受や動力伝達機構の摺動部分にも潤滑油を供給することが可能である。

エンジンケース３には、点火プラグ１０や燃料噴射弁１１を備えた燃焼器１２と、燃焼器１２に連続する燃焼ガス流路１３と、燃焼ガス流路１３に連続する熱交換器１４が収容してあり、これらと当該エンジンケース３との間に空気流路１５を形成していると共に、燃焼ガス流路１３内に先のタービンロータ８が配置してある。

熱交換器１４は、内部の図示を省略したが、燃焼ガス流路１３から外部に至る燃焼ガス流路と、当該熱交換器１４の上部及び下部に設けた導入部１６から燃焼器１２への空気供給部１７に至る熱交換用空気流路とを備えており、燃料ガスと空気との間で熱交換を行って運転の高効率化を実現する。

また、ガスタービンエンジン１は、上記構成のほか、発電機兼用のスタータモータ２に接続するバッテリーや、燃料タンク及び燃料ポンプなどを含む燃料供給手段を備えると共に、エンジン全般の制御を行うための電子制御手段を備えている。電子制御手段は、始動スイッチ、停止スイッチ、及び油圧検出センサ２２等からの信号を入力すると共に、これらの信号に基いて潤滑油ポンプ２１やスタータモータ２を制御し、エンジン始動、回転数調整及びエンジン停止などを行うものとなっている。

さらに、ガスタービンエンジン１は、エンジン全体を収容する筐体や、筐体内に外気を導入する冷却ファンなどを設けてユニット化することで、コンパクトで運搬が容易になると共に、発電や各種機械の駆動源として多目的に使用し得るものとなり、また、発電機兼用のスタータモータ２を用いることで、全体構造の簡略化及び小型化を実現している。

図２は、上記ガスタービンエンジン１の始動制御方法の一実施例である始動制御シーケンスを説明するタイミングチャートである。

この実施例の始動制御方法では、始動信号が入力されると、まず潤滑油ポンプ２１を起動（ＯＮ）して高速軸受９及びスクイズフィルムダンパに初期の潤滑油を供給し、所定時間駆動したところで潤滑油ポンプ２１を一旦停止（ＯＦＦ）させる。このとき、当該始動制御方法では、潤滑油ポンプ２１の駆動開始後、供給される潤滑油の圧力を油圧検出センサ２２で検出しており、潤滑油の圧力が所定値に達した後（油圧検出センサ２２からの信号がＯＮになった後）に、潤滑油ポンプ２１を一旦停止させる。

そして、潤滑油ポンプ２１が停止している状態でスタータモータ２を起動（ＯＮ）させ、出力軸６とともに圧縮機インペラ７及びタービンロータ８を回転させ、その後、高速軸受９及びスクイズフィルムダンパにおける油膜が切れる前に潤滑油ポンプの駆動を再開（ＯＮ）する。

これにより、ガスタービンエンジン１は始動に至る。すなわち、外気を圧縮機インペラ７で圧縮して燃焼器１２に導入すると共に、燃焼器１２において、圧縮空気と燃料噴射弁１１から噴射した燃料とを混合燃焼させ、その燃焼ガスでタービンロータ８を回転駆動する。その後、スタータモータ２は発電機として機能する。

上記の始動制御方法では、出力軸６の高速軸受９及びスクイズフィルムダンパに初期の潤滑油を供給し、潤滑油ポンプ２１を一旦停止させてスタータモータ２を起動するので、環境温度が低くて潤滑油の粘性が高い場合、潤滑油を供給しつつスタータモータ２を起動していた従来の始動制御方法では軸受損失が大きいのに対して、スタータモータ２の起動とともに初期の潤滑油の温度が速やかに上昇し且つ粘性が速やかに低下することとなり、スタータモータ２を円滑に起動させて当該エンジン１を始動させることができる。

そして、当該始動制御方法では、上記の如くスタータモータ２を起動した後、潤滑油の供給を再開するので、出力軸６の軸受損失を抑制しつつエンジンの回転数を円滑に上昇させることができ、エンジンの円滑な始動を実現する。

また、当該始動制御方法によれば、潤滑油ポンプ２１の初期の駆動開始後、潤滑油の圧力が所定値に達した後に潤滑油ポンプ２１を一旦停止させてスタータモータ２を起動するので、潤滑油の圧力が所定値に達した状態すなわち高速軸受９及びスクイズフィルムダンパに初期の潤滑油が充分に供給された状態を得たうえでスタータモータ２が起動することとなり、制御の確実性がより一層高められる。

図３は、図１に示すガスタービンエンジン１の始動制御方法の他の実施例である始動制御シーケンスを説明するタイミングチャートである。

ここで、この種の小型のガスタービンエンジン１は、一般に定格回転数が非常に高く（例えば５００００〜１０００００ｒｐｍ）、定格回転数に達するまでに回転軸系の危険速度を通過させて、定格回転数である高速回転域での振動が小さくなるように回転軸の形状を設計する場合がある。このような回転軸系では、高速軸受９をスクイズダンパ（油膜）で支持することにより、危険速度及び高速回転域での振動を減衰させる方式が有効であることが周知である。

このため、ガスタービンエンジン１では、出力軸６の回転数が危険速度を通過する際、出力軸６や軸受類にかかる負担も大きくなることから、危険速度を通過する際にもこれらの回転動作が円滑に行われるようにする必要がある。

そこで、この実施例では、始動信号の入力後、潤滑油ポンプ２１を所定時間駆動し、油圧が所定値に達した後に潤滑油ポンプ２１を一旦停止させ、その後、スタータモータ２の起動と、潤滑油ポンプ２１の駆動再開を順に行うのであるが、エンジン（出力軸６）の回転数が起動０から定格回転数Ｎに至る間において、危険速度Ｎｃよりも低い段階の速度Ｎｘで潤滑油ポンプ２１の駆動を再開する。

これにより、当該始動制御方法によれば、先の実施例と同様の効果を得ることができるうえに、エンジン（出力軸６）の回転数が危険速度を通過する前に高速軸受９やスクイズフィルムダンパに充分な潤滑油を供給して、危険速度を通過する際の高速軸受９やスクイズフィルムダンパの円滑な動作を実現し、且つこれらに加わる負担を軽減して軸受類の長寿命化を図ることができる。

なお、本発明に係わるガスタービンエンジンの始動制御方法は、構成の細部や適用可能なガスタービンエンジンの構造が上記実施例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構成の細部等を適宜変更することができる。

また、本発明に係わるガスタービンエンジンの始動制御方法は、環境温度が低くて潤滑油の粘性が高い場合に対処したものであるから、例えば潤滑油の温度を測定する温度センサを用い、その測定値が所定値以下である場合に、上記した制御（図２及び図３に示す制御）を行うようにし、環境温度やエンジン停止直後といった条件により温度センサの測定値が所定値に達していない場合すなわち潤滑油の粘性が低い場合には、例えば従来と同様の制御（図４に示す制御）を行うようにすることも可能である。

しかし、当該ガスタービンエンジンの始動制御方法は、環境温度が低くて潤滑油の粘性が高い場合だけでなく、環境温度が高くて潤滑油の粘度が低い場合にも勿論適用することができるので、結果として、環境温度に左右されることなくエンジンを良好に始動し得るものとなる。

本発明の始動制御方法が適用可能なガスタービンエンジンを説明する断面図である。 本発明に係わる始動制御方法の一実施例である始動制御シーケンスを説明するタイミングチャートである。 本発明に係わる始動制御方法の他の実施例である始動制御シーケンスを説明するタイミングチャートである。 従来の始動制御シーケンスを説明するタイミングチャートである。

符号の説明

１ ガスタービンエンジン
２ スタータモータ
６ 出力軸
９ 高速軸受
２１ 潤滑油ポンプ
２２ 油圧検出センサ

Claims (3)

1. スタータモータと、スタータモータの出力軸を含む回転軸の軸受に潤滑油を供給する潤滑油ポンプを備えたガスタービンエンジンにおいて、同ガスタービンエンジンを始動するに際し、始動信号が入力された後、潤滑油ポンプを所定時間駆動し、潤滑油ポンプを一旦停止させてからスターターモータを起動させ、その後、潤滑油ポンプの駆動を再開することを特徴とするガスタービンエンジンの始動制御方法。
2. 潤滑油ポンプの初期の駆動開始後、潤滑油の圧力が所定値に達した後に潤滑油ポンプを一旦停止させ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始動制御方法。
3. スタータモータによるエンジンの回転開始から定格回転数に至る間に回転軸系の危険速度を有している場合に、エンジンの回転数が危険速度よりも低い段階で潤滑油ポンプの駆動を再開す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始動制御方法。

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