JP2855619B2

JP2855619B2 - 二軸式ガスタービン機関の制御装置

Info

Publication number: JP2855619B2
Application number: JP18554788A
Authority: JP
Inventors: 厚渡辺
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1988-07-27
Filing date: 1988-07-27
Publication date: 1999-02-10
Anticipated expiration: 2014-02-10
Also published as: JPH0237119A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は二軸式ガスタービン機関の制御装置に関し、
特に、二軸式ガスタービン機関の定常状態の性能を向上
させることができる制御装置に関する。

〔従来の技術〕

二軸式ガスタービン機関は、（１）回転運動だけなの
で、低振動で連続した高回転が行える、（２）連続燃焼
機関なので、ガソリン、軽油はもとより、灯油やメタノ
ールなど多種類の燃料が使用できる、（３）低速トルク
が大きいという自動車に適したトルク特性を持っている
等の特徴を備えているので、近年、自動車用機関として
の実用化が検討されている。

第10図は自動変速機付の自動車に搭載される従来の二
軸式ガスタービン機関の一般的な構成の一例を示すもの
である。

図において、Ｃはコンプレッサ、HEは熱交換器、CCは
燃焼器、CTはコンプレッサタービンであり、コンプレッ
サＣとコンプレッサタービンCTとは回転軸にて直結さ
れ、燃焼器CCにはアクチュエータA1を介して燃料が供給
されている。吸入空気（以下吸気という）はコンプレッ
サＣにて圧縮され、熱交換器HEにて加熱され、燃焼器CC
にて燃料と混合されて燃焼し、その燃焼ガスがコンプレ
ッサタービンCTを回転させる。このコンプレッサタービ
ンCTとコンプレッサＣとは総称してガスジェネレータGG
と呼ばれることがあり、このコンプレッサタービンCTの
回転数がコンプレッサＣの圧縮度を左右する。コンプレ
ッサタービンCTを駆動した燃焼ガスは、アクチュエータ
A2に調整される可変ノズルVNを経てパワタービン（出力
タービン）PTを駆動した後、熱交換器HEを経て排気ガス
となって大気に排出される。

以上が二軸式ガスタービンGTの構成であり、パワター
ビンPTの回転は減速歯車R/Gによって減速されて自動変
速機A/Tに伝えられ、シフト状態に応じた回転数に変換
された後に差動歯車Ｄを介して車輪Ｗに伝達される。

なお、アクチュエータA1は制御回路CONTからの指令に
よって燃料を燃焼器CCに供給し、アクチュエータA2は制
御回路CONTからの指令によって可変ノズルVNの開度を調
整する。この制御回路CONTには、アクセルペダルの開度
や図示しないセンサからの機関の運転状態パラメータが
入力されており、制御回路CONTは機関の運転状態に応じ
てアクチュエータA1,A2を駆動する。

また、一般に、第10図のの位置の吸気圧をP₃、の
位置の温度をT₄というように、吸気圧Ｐや温度Ｔに付さ
れた添え字は、○で囲まれた番号の位置の吸気圧Ｐや温
度Ｔを示し、ガスジェネレータGGの回転軸の回転数が
N₁、減速歯車R/Gを経たパワタービンPTの出力軸の回転
数がN₃で表わされる。

以上のように構成された二軸式ガスタービン機関にお
いては、ガスジェネレータGGの加速、減速、定常運転時
に、燃焼器CCの出口温度（コンプレッサタービンの入口
温度）T₄、パワタービンの出口温度T₆を組み合わせて制
御している。例えば、機関が加速から定常に移る場合、
第11図に示すように、ガスジェネレータGGの加速時には
燃焼器CCの出口温度T₄を一定にする制御を、ガスジェネ
レータGGが定常の時はパワタービンの出口温度T₆を一定
にする制御を従来行っていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、タービン出口温度のセンサに応答遅れがあ
るために、ガスジェネレータGGが定常状態に移行した後
のタービン出口温度のセンサ出力温度は実際のタービン
の出口温度T₆よりも低くなるという問題がある。このた
め、従来のようにガスジェネレータGGが加速状態の時に
燃焼器CCの出口温度T₄を一定に制御し、ガスジェネレー
タGGが定常状態に移行した後にパワタービンの出口温度
T₆を一定に制御すると、ガスジェネレータGGが定常に移
行した直後に実際のタービンの出口温度T₆よりもセンサ
出力温度が低くなるために、燃焼器CCの出口温度T₄が異
常に高くなり、機関の破損などの問題が生じる。

そこで、ガスジェネレータGGの加速後にパワタービン
の出口温度T₆を一定にして制御を行なう場合、制御に余
裕を持たせて目標値を低く設定すると、機関出力が減少
して車両の加速性能が悪化するという問題が新たに生じ
る。

本発明の目的は、ガスジェネレータGGが定常状態に移
行した直後の燃焼器CCの出口温度T₄の過熱を防止し、機
関の破損を防止すると共に、ガスジェネレータGGを加速
状態からスムーズに定常状態に移行させて、機関の加速
性能を向上させることができる二軸式ガスタービン機関
の制御装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的を達成する本発明の二軸式ガスタービン機関
は、第１図に示すように、コンプレッサＣに直結され、
燃焼器CCからの燃焼ガスによって駆動されるコンプレッ
サタービンCTと、負荷に連絡された出力タービンPTと、
この出力タービンPTとコンプレッサタービンCTとの間に
設けられた可変ノズルVNと、コンプレッサＣと燃焼器CC
との間に設けられた熱交換器HEと、前記各部の温度、吸
気圧力、回転数を検出するセンサとを備えた二軸ガスタ
ービン機関の制御装置であって、機関の加速時に前記熱
交換器HEの出口温度T₃₅と空気流量Gaと、コンプレッサ
Ｃの出口圧力P₃から、燃焼器CCの出口温度T₄が目標値に
なるように燃料流量Gfを制御する燃料流量制御手段３
と、機関の加速状態が終了して定常状態に移行した後の
所定時間は、コンプレッサＣの回転速度N₁を一定に保ち
ながら、燃焼器CCの出口温度T₄を目標値にするように燃
料流量Gfと可変ノズルVNの開度を制御する定常初期制御
手段４とを備えている。

〔作用〕

本発明の二軸式ガスタービン機関の制御装置によれ
ば、二軸式ガスタービン機関を搭載した車両の加速状態
が検出されると、ガスジェネレータGGの加速状態を維持
しながら燃焼器CCの出口温度T₄を目標値にするように燃
料流量Gfが制御され、、機関が加速状態から定常状態に
移行した直後の所定時間は、ガスジェネレータGGの回転
を一定に保持しながら、燃焼器CCの出口温度T₄が目標値
になるように燃料流量Gfと可変ノズルVNの開度が制御さ
れる。

〔実施例〕以下添付図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明す
る。

第２図は自動変速機付き車両に搭載された本発明の二
軸式ガスタービン機関の一実施例の構成を示すものであ
り、第７図に示した二軸式ガスタービン機関と同じ構成
部品については同じ符号（記号）を付してある。

図においてGTはガスタービンであり、このガスタービ
ンGTには燃料ポンプ，オイルポンプ，スタータモータ等
が接続するフロントギヤ３、コンプレッサＣ、熱交換器
HE、燃焼器CC、コンプレッサＣに回転軸で直結されたコ
ンプレッサタービンCT、可変ノズルVN、パワタービン
（出力タービン）PT及び減速歯車R/G等がある。吸気は
コンプレッサＣにて圧縮され、熱交換器HEにて過熱さ
れ、燃焼器CCにて燃料と混合されて燃焼し、その燃焼ガ
スがコンプレッサタービンCTを回転させる。コンプレッ
サタービンCTを駆動した燃焼ガスは、可変ノズルVNを経
てパワタービンPTを駆動した後、熱交換器HEを経て排気
ガスとなって大気に排出される。A1は燃焼器CCに燃料を
供給するアクチュエータ、A2は可変ノズルVNの開度α_S
を調整するアクチュエータである。

ガスタービンGTの減速歯車R/Gには自動変速機A/Tが接
続されており、ガスタービンGTのパワタービンPTの回転
は減速歯車R/Gによって減速されて自動変速機A/Tのトル
クコンバータT/Cを介して変速機関Ｔに伝えられ、シフ
ト状態に応じた回転数に変換されて車軸駆動出力とな
る。なお、このトルクコンバータT/Cにはロックアップ
クラッチL/Cが設けられている。

ガスタービンGTおよび自動変速機A/Tを制御する制御
回路10には、アナログ信号用の入力インタフェースIN
a、デジタル信号用の入力インタフェースINd、入力イン
タフェースINaからの信号をデジタル変換するアナログ
−デジタル変換器A/D、中央処理ユニットCPU、ランダム
アクセスメモリRAM、読み出し専用メモリROM、および出
力回路OUT等があり、それぞれバスライン11で接続され
ている。

また、二軸式ガスタービン機関にはガスジェネレータ
GGの回転数N₁を検出する回転数センサSN₁，コンプレッ
サＣの出口温度T₃を検出する温度センサST₃，熱交換器H
Eの出口温度T₃₅を検出する温度センサST₃₅，パワタービ
ンPTの出口温度を検出する温度センサST₆、減速歯車R/G
を経たガスタービンGTの回転数N₃を検出する回転数セン
サSN₃，及び車軸駆動回転数N_Pを検出する回転数センサS
N_P等が設けられている。

アナログ信号用の入力インタフェースINaには、前述
のセンサからの信号N₁，N₃，N_P，P₃，T₃₅，T₆やアクセ
ルペダルからのアナログ信号等が入力され、デジタル信
号用の入力インタフェースINdにはキースイッチからの
オンオフ信号、シフトレバーからのシフト位置信号、ブ
レーキからのブレーキ信号等のデジタル信号が入力され
る。

一方、出力回路OUTからは，燃焼器CCのアクチュエー
タA1に対して燃料流量を指示する信号Gf、アクチュエー
タA2に対して可変ノズルVNの開度を指示する信号α_S、
トルクコンバータT/CのロックアップクラッチL/Cのオン
オフを指示する信号S₃、変速機構Ｔの変速信号S₁，S₂や
スロットルワイヤ信号θ_TH等が出力される。

まず、上のように構成された二軸式ガスタービン機関
における過渡時および定常時の制御回路10の動作の概要
を第３図のフローチャートを用いて説明する。

ステップ301においては、制御回路10に機関の運転状
態パラメータが入力される。この運転状態パラメータ
は、例えば、ガスジェネレータGGの回転数N₁、アクセル
開度θ_acc、コンプレッサタービンPTの出口温度T₆、熱
交換器HEの出口温度T₃₅、コンプレッサＣの出口圧力
P₃、自動変速機A/Tの入力回転数N₃等である。ステップ3
02ではアクセル開度θ_accの関数であるガスジェネレー
タGGの回転数の目標値N_1setが演算される。

そして、ステップ303にて機関の運転状態パラメータ
からガスジェネレータGGが定常状態か否かが判定され
る。この機関の過渡状態と定常状態の判別は、アクセル
ペダルの踏み込み量とアクセルペダルの単位時間内の変
化量やガスジェネレータGGの回転軸の回転速度の変化率
等で判定すれば良い。

ガスジェネレータGGが定常状態にあると判定された時
（YES）はステップ304に進み、続くステップ304からス
テップ307において定常状態の制御が行われ、ガスジェ
ネレータGGが過渡状態にあると判定された時（NO）はス
テップ308に進み、続くステップ309からステップ311に
おいて過渡状態の制御が行われる。

定常状態のときは、ステップ304にて時間カウンタT
_GACに１を加算して時間を計数し、続くステップ305にて
計数した時間が基準値Ktより大きいか否か、即ち、定常
状態に移行してから所定時間が経過したか否かが判定さ
れる。そして、定常状態に移行してから所定時間がまだ
経過していないとき（T_GAC≦Kt）はステップ306に進
み、ガスジェネレータGGが燃焼器CCの出口温度T₄を基に
して制御される。この制御は後にその制御例を詳述する
が、ガスジェネレータGGの回転数N₁を一定に保ちなが
ら、燃焼器CCの出口温度T₄を目標値T_4setにするように
燃料流量Gfと可変ノズルVNの開度α_Sを制御するもので
ある。

また、定常状態に移行してから所定時間が経過したと
き（T_GAC＞Kt）はステップ307に進み、そして、パワタ
ービンの出口温度T₆を基にして制御される。このときの
制御は、コンプレッサタービンの出口温度を測定する温
度センサの応答性が問題とならなくなるので、ガスジェ
ネレータGGの回転数N₁を一定にした状態で、パワタービ
ンの出口温度T₆が目標値T_6setになるように燃料流量Gf
と可変ノズルVNの開度α_Sを制御するものである。

一方、過渡状態のときは、ステップ308にて時間カウ
ンタT_GACの値がクリアされ、続くステップ309にてステ
ップ302で演算されたガスジェネレータGGの回転数の目
標値N_1setに対して、現在のガスジェネレータGGの回転
数N₁が小さいか否か、即ち、過渡状態が加速状態か減速
状態かが判定される。そして、加速状態のとき（N_1set
＞N₁）のときはステップ310に進み、ガスジェネレータG
Gが燃焼器CCの出口温度T₄を基にして制御される。この
ときの制御は、ガスジェネレータGGを加速してその回転
数N₁を増大しながら、燃焼器CCの出口温度T₄が目標値T
_4setになるように燃料流量Gfを制御するものである。ま
た、減速状態のとき（N_1set≦N₁）はステップ311に進
み、減速時の制御が行われる。

ステップ306、ステップ307、ステップ310またはステ
ップ311が終了するとステップ312に進み、演算した可変
ノズルVNの開度α_Sや燃料流量Gf等がガスタービンGTに
出力される。そして、ステップ313にて所定のサイクル
タイムだけ時間が調整され、時間調整後は再びステップ
301に戻って前述の制御が繰り返される。

このように、本発明ではガスジェネレータGGが加速時
から定常状態に移行する場合、ガスジェネレータGGの加
速中は燃焼器CCの出口温度T₄を基にして制御が行われ、
ガスジェネレータGGが定常に移行してからある定められ
た時間内は燃焼器CCの出口温度T₄を基にした制御が行わ
れ、それ以後はパワタービンの出口温度T₆を基にしてガ
スジェネレータGGの制御が行われる。

次に、ガスジェネレータGGが定常状態に移行してから
所定時間がまだ経過していないときの制御の一例につい
て説明する。

まず、燃焼器CCの入出力関係に注目してみると、第４
図に示すように、燃焼器CCの燃焼効率をη_CCとした時
に、燃焼器CCへの入力は燃料流量Gf、エンタルピhf,
h₃₅、空気流量G₃₅および1kgで何カロリー出るかを示す
低発熱量LHVであり、出力は空気流量G₄とエンタルピh₄
である。よって、燃焼器CCの入出力のエネルギバランス
により、次の式が成立する。

但し、hf＝０である。

よって、この式に燃料流量Gfと熱交換機出口空気温
度T₃₅を与えてエンタルピh₄を演算する。なお、エンタ
ルピは温度と空燃比の関数ｈ＝ｆ（F/A,T） … であるので、式のエンタルピh₄から燃焼器CCの出口温
度T₄を求めることができる。また、 ΔT₄＝T₄−T₃₅ … とおくと、Gf/G₃₅とΔT₄との関係は式と式から次式
のように表される。

Gf/G₃₅＝ｆ（ΔT₄，T₃₅） … そして、このの関係を図に示すと、第５図のような
る。また、燃焼器CCの出口温度T₄をパラメータとしたと
きの、コンプレッサＣの出口圧力P₃に対する空気流量Ga
の特性は第６図のようになる。この図より次式が成立す
る。

Ga＝ｆ（P₃，T₄） … また、熱交換器HEのシールから洩れる空気量をGl、ター
ビンの背面を冷却した空気をG_tcとしたときに、熱交換
器HEの出口空気流量G₃₅は、 G₃₅＝Ga・（１−（Gl＋G_tc）／G_a）＝Ga・（１−k_L） … 但し、k_Lは定数でタービン冷却空気割合となる。

そこで、前述の式にコンプレッサ出口圧力P₃とター
ビン入口温度の目標値T_4setとを代入して吸入空気量Ga
を求め、更に、式に吸入空気量Gaを代入して熱交換器
HEの出口空気流量G₃₅を演算する。なお、ΔT₄は式のT
₄にタービン入口温度目標値T_4setを代入して求める。

この時点では熱交換器HEの出口空気流量G₃₅、ΔT₄、
および熱交換器HEの出口温度T₃₅が既知であるので、前
述の式にこれらG₃₅、ΔT₄4およびT₃₅を代入して燃料
流量Gfを演算する。ここで演算されたGfがタービン入口
温度T₄を目標値T_4setにするための目標燃料流量G_fsetと
なる。

第７図はガスタービン機関における燃料比例ライン特
性を示すものであり、図におけるGfaは加速時の機関の
サージ限界を示す燃料流量の上限、Gfdは減速時の燃焼
器の吹き消え限界を表す燃料流量の下限を示すものであ
る。この図に示すように、目標燃料流量G_fsetとガスジ
ェネレータGGの回転数N₁の目標値N_1setで決まるＢ点を
通る比例制御ラインGflは次式で表される。

Gfl＝−ａ・N₁＋ａ・N_1LZ … 但し、ａ＝Kg・｜N_1set−N₁｜ N_1LZ＝（G_fset＋ａ・N_1set）/a ここで、第３図のステップ302に示したように、 N_1set＝ｆ（θ_acc） … であるので、式のN₁に制御回路10への入力信号のガス
ジェネレータGGの回転数N₁を代入してGf1を求め、これ
を制御回路10から出力する。例えば、制御回路10への入
力信号が第７図のN_1inであれば、Ａ点の燃料流量Gfを出
力する。

一方、可変ノズルVNの開度α_Sは、式で求められたG
f1とG_fsetとを比較し、 Gfl＞G_fset であれば可変ノズルVNの開度α_Sを可変ノズルVNが開ら
く側に制御し、 Gfl≦G_fset であれば可変ノズルVNの開度α_Sを可変ノズルVNが閉じ
る側に制御する。このときの可変ノズルVNの開度α
_Sは、K_scを定数として、例えば式で表される。

α_S＝K_SC＋K_S・∫（G_fset−Gfl）dt … ここで、式のα_Sが大きくなる程（例えば５と10の
ように）可変ノズルVNは閉じることになる。

以上のように、燃料流量Gfと可変ノズルVNの開度α_S
を制御することにより、N₁＝N_1set、T₄＝T_4setに制御す
ることができる、即ち、ガスジェネレータGGの回転数N₁
をN_1setに保ちながら燃焼器CCの出口温度T₄を目標値T
_4setにすることができる。

第９図は以上の手順をブロック図で表したものであ
り、入力信号としてアクセル開度θ_acc、ガスジェネレ
ータGGの回転数N₁、熱交換器HEの出口温度T₃₅、コンプ
レッサＣの出口圧力P₃が与えられれば、式〜式から
燃料流量Gfと可変ノズルVNの開度α_Sとが演算されるこ
とを示している。

次に、式〜式における実際の例を示すと次のよう
になる。

式では、低発熱量LHVは10400、η_CCは0.999、式では、第５図をマップ化して近似し、制御回路に入
力する。

次では、G_a＝0.1508 P₃＋0.01494×｛（1200−T₄）/1
00）^1.5−0.1123、式では、Klは例えば0.05、式では、Kg＝0.002としてN_1setとN₁は回転数（rpm）
で与え、また、ａは上限値と下限値とを設けてその間の
値、例えば0.001＜ａ＜0.01（g/rpm）とし、式では、θ_acc＝０のときアクセル全開、θ_acc＝１の
ときアクセル全開として、N_1set＝（N_R/2.0）＋θ
_acc（N_R/2.0）とし、N_RはガスジェネレータGGの定格回
転数を示し、式では、K_SC＝0.0、K_S＝0.1とし、可変ノズルVNの開
度α_Sは、ノズル全開時にα_S＝０、全閉時にα_S＝10.0
とする。

第８図は本発明の制御方法を従来の制御方法と比較し
て示すものである。図において、破線で示す特性が従来
の二軸式ガスタービン機関の制御装置によるものであ
り、実線で示す特性が本発明の制御装置によるものであ
る。従来の制御では時刻t₀から時刻t₁まで、燃焼器CCの
出口温度t₄でガスジェネレータGGを加速し、ガスジェネ
レータGGが定常になった時刻t₁はパワタービンの出口温
度t₆を一定にして制御を行っている。この結果、従来の
制御では、タービン出口温度センサST₆の応答遅れによ
り実際の温度よりもセンサ検出温度よりが低くなり、燃
料流量Gfが多くなると共に、可変ノズルVNの開度α_Sが
大きくなって可変ノズルVNが閉じるために、時刻t₁から
暫くの間は燃焼器CCの出口温度T₄が異常に高くなり、機
関が破損する恐れがあった。

ところが、本発明の制御では、ガスジェネレータGGの
加速直後の所定時間は、ガスジェネレータGGの回転数N₁
を一定に保ちつつ、燃焼器CCの出口温度T₄を目標値T
_4setに制御できるので、従来の制御に比較して機関の破
損を防止することができる。また、加速時に燃焼器CCの
出口温度T₄を精度良く制御できるので、機関出力を最大
にして運転することが可能になり、車両の加速性能が大
きく向上する。また、本発明の制御において利用する熱
交換器HEの出口温度、即ち、タービン入口温度T₃₅はパ
ワタービンの出口温度T₆に比べて温度が低い上に、加速
状態と定常状態の温度差がタービンの出口温度T₆よりも
小さいので、温度センサST₃₅に低温にて精度の良いもの
を使用することができ、制御の精度も向上するという利
点がある。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の二軸式ガスタービン機
関の制御装置によれば、ガスジェネレータGGが定常状態
に移行した直後の燃焼器CCの出口温度T₄の過熱を防止
し、機関の破損を防止すると共に、ガスジェネレータGG
の加速状態からスムーズに定常状態に移行させて、機関
の加速性能を向上させることができるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示すブロック図、第２図は本発
明の二軸式ガスタービン機関の制御装置の構成を示す全
体概要図、第３図は第２図の制御回路の制御手順の概略
を示すフローチャート、第４図は燃焼器の入出力特性を
説明する図、第５図はGf/G₃₅−ΔT₄特性を示す線図、第
６図はコンプレッサ出口圧力−空気流量特性を示す線
図、第７図は燃料比例制御ラインを示すN₁−Gf特性図、
第８図は本発明の制御による効果を従来の制御と比較し
て示すタイムチャート、第９図は本発明の制御の手順の
流れを示すブロック図、第10図は従来の二軸式ガスター
ビン機関の一般的な構成を示す図、第11図は従来のガス
ジェネレータが加速状態から定常状態に移行する時の制
御特性を示す線図である。３…燃料流量制御手段、10…制御回路、Ｃ…コンプレッ
サ、CC…燃焼器、CT…コンプレッサタービン、HE…熱交
換器、PT…パワタービン、SN₁，SN₃，SN_P…回転数セン
サ、ST₃，ST₃₅，ST₆…温度センサ、VN…可変ノズル。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】コンプレッサ（Ｃ）に直結され、燃焼器
（CC）からの燃焼ガスによって駆動されるコンプレッサ
タービン（CT）と、負荷に連絡された出力タービン（P
T）と、この出力タービン（PT）と前記コンプレッサタ
ービン（CT）との間に設けられた可変ノズル（VN）と、
前記コンプレッサ（Ｃ）と前記燃焼器（CC）との間に設
けられた熱交換器（HE）と、前記各部の温度、吸気圧
力、回転数を検出するセンサとを備えた二軸ガスタービ
ン機関の制御装置であって、機関の加速時に前記熱交換器（HE）の出口温度（T₃₅）
と空気流量（Ga）と、前記コンプレッサ（Ｃ）の出口圧
力（P₃）から、前記燃焼器（CC）の出口温度（T₄）が目
標値になるように燃料流量（Gf）を制御する燃料流量制
御手段（３）と、機関の加速状態が終了して定常状態に移行した後の所定
時間は、前記コンプレッサ（Ｃ）の回転速度（N₁）を一
定に保ちながら、前記燃焼器（CC）の出口温度（T₄）を
目標値にするように燃料流量（Gf）と前記可変ノズル
（VN）の開度を制御する定常初期制御手段（４）と、を備えた二軸式ガスタービン機関の制御装置。