JP4771411B2 - Start control method for gas turbine engine - Google Patents
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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。 The present invention relates to a gas turbine engine including a starter motor and a lubricating oil pump, and to a start control method used to start the gas turbine engine.
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。 FIG. 4 is a timing chart for explaining a start control sequence of a conventional gas turbine engine. In a conventional gas turbine engine, when a start signal is input, the lubricating oil pump is driven (ON) to supply lubricating oil to bearings of rotating shafts such as the output shaft of the starter motor and the output shaft of the engine. Then, it is determined whether the lubricating oil is sufficiently supplied to the bearing based on the pressure of the lubricating oil. After the hydraulic pressure detection sensor detects a predetermined pressure value (ON), the starter motor is started (ON). I was trying to start the engine.
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)。 Conventionally, the lubricating oil pump is driven together with the input of the start signal, the lubricating oil pump is stopped once, and then the lubricating oil pump and the starter motor are simultaneously driven to lubricate the sliding portion of the engine. A technique for preventing the state from becoming excessive or insufficient depending on the lubricating oil temperature has been proposed (Patent Document 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。
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。 However, in the conventional start control method of the gas turbine engine as described above, when the environmental temperature is low, the viscosity of the lubricating oil increases, and the lubricating oil is supplied to the bearing of the rotating shaft including the output shaft of the starter motor. Since the starter motor is started, there is a problem in that it is difficult to smoothly increase the engine speed because the bearing loss on the rotating shaft increases.
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。
In
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。 The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and suppresses bearing loss in the rotating shaft including the output shaft of the starter motor even when the ambient temperature is low and the viscosity of the lubricating oil is high. An object of the present invention is to provide a start control method for a gas turbine engine that can smoothly increase the rotational speed of the engine.
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。 A start control method for a gas turbine engine according to the present invention includes a starter motor and a gas turbine engine including a lubricant pump that supplies lubricant to a bearing of a rotary shaft including an output shaft of the starter motor. When the start signal is input, the lubricating oil pump is driven for a predetermined time, and after the lubricating oil pressure reaches a predetermined value, the lubricating oil pump is stopped and then the starter motor is started. The configuration is such that the driving of the pump is resumed, and the above configuration is used as means for solving the conventional problems.
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。 In this type of gas turbine engine, a single-shaft engine having a compressor impeller and a turbine rotor on the same engine output shaft, and a compressor impeller and a turbine rotor on each of an engine input shaft and an engine output shaft are provided. There is a two-axis type, and the one-axis type rotates the engine output shaft with a starter motor, and the two-axis type rotates the engine input shaft with a starter motor. At this time, the output shaft of the starter motor may be integrated with the engine output shaft or the engine input shaft, or may be separated from these and connected by a power transmission mechanism.
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。 Therefore, in the present invention, as the rotation shaft, in addition to the output shaft of the starter motor, an engine output shaft or an engine input shaft integrated with the output shaft of the starter motor, an engine output shaft separate from the output shaft of the starter motor, or Includes engine input shaft.
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、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。 Also, starting control method for a gas turbine engine according to the present invention, as a more preferred embodiment, the rotation of the engine is started by the scan Tatamota when it has the critical speed of the rotary shaft system while reaching the rated speed, It is characterized in that the drive of the lubricating oil pump is resumed when the engine speed is lower than the critical speed.
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。 According to the start control method of the gas turbine engine of the present invention, the initial lubricating oil is supplied to the bearing of the rotating shaft including the output shaft of the starter motor, and the starter motor is started with the lubricating oil pump stopped. Even when the ambient temperature is low and the viscosity of the lubricating oil is high, the starter motor starts up and the initial lubricating oil temperature rises quickly and the viscosity decreases quickly, allowing the starter motor to start smoothly. The engine can be started, and then the supply of the lubricating oil is restarted, so that the engine speed can be increased smoothly while suppressing bearing loss in the rotating shaft.
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。 According to the start control method for a gas turbine engine of the present invention, after the start of the initial drive of the lubricant pump, after the lubricant pressure reaches a predetermined value, the lubricant pump is temporarily stopped to start the starter motor. Therefore, the engine can be started by starting the starter motor after reliably obtaining a state where the pressure of the lubricating oil has reached a predetermined value, that is, a state where the initial lubricating oil is supplied to the bearing.
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。 Furthermore, according to the start control method for a gas turbine engine of the present invention, the drive of the lubricating oil pump is resumed when the engine speed is lower than the critical speed of the rotating shaft system. When passing through the shaft, sufficient lubricating oil is supplied to the bearing of the rotating shaft, so that the bearing can be smoothly rotated and the life of the bearing can be extended.
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。 Further, according to the start control method considering the critical speed of the rotating shaft system as described above, when the bearing of the rotating shaft including the output shaft of the starter motor is a high-speed bearing supported by a squeeze film damper, As a result, it is possible to achieve a smooth rotation operation of the high-speed bearing and to extend the life of the high-speed bearing.
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。
Hereinafter, an embodiment of a start control method for a gas turbine engine according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram for explaining a
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。
The illustrated
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。
The output shaft 6 is provided with a compressor impeller 7 disposed in the intake passage 5 and a turbine rotor 8 disposed in a
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。 The output shaft 6 is held in the housing 4 by a plurality of high-speed bearings 9 supported by squeeze film dampers (oil films). That is, a gap is provided between the housing 4 and each high-speed bearing 9 to allow the radial displacement of each high-speed bearing 9 and restrict movement in the axial direction, and the squeeze is squeezed by the lubricating oil supplied to the gap. A film damper is formed.
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。
Further, the
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。
The
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。
Although the illustration of the inside of the heat exchanger 14 is omitted, the combustion gas passage extending from the
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。
In addition to the above-described configuration, the
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。
Furthermore, the
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。
FIG. 2 is a timing chart for explaining a start control sequence which is an embodiment of the start control method of the
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。
In the start control method of this embodiment, when a start signal is input, first, the
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。
Then, the starter motor 2 is started (ON) while the lubricating
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。
Thereby, the
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。
In the start control method described above, the initial lubricating oil is supplied to the high-speed bearing 9 and the squeeze film damper of the output shaft 6, the lubricating
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。 In the start control method, after the starter motor 2 is started as described above, the supply of the lubricating oil is resumed, so that the engine speed can be increased smoothly while suppressing the bearing loss of the output shaft 6. Realizes a smooth start of the engine.
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。
Also, according to the start control method, after starting the initial drive of the lubricating
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。
FIG. 3 is a timing chart for explaining a start control sequence which is another embodiment of the start control method of the
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。
Here, this type of small
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。
For this reason, in the
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。
Therefore, in this embodiment, after the start signal is input, the lubricating
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。 As a result, according to the start control method, the same effect as in the previous embodiment can be obtained, and the high speed bearing 9 and the squeeze film can be obtained before the rotational speed of the engine (output shaft 6) passes the critical speed. Sufficient lubricating oil is supplied to the damper to realize smooth operation of the high speed bearing 9 and the squeeze film damper when passing through the dangerous speed, and to reduce the load applied to them to extend the life of the bearings. be able to.
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。 It should be noted that the gas turbine engine start control method according to the present invention is not limited to the above-described embodiments in the details of the configuration and the structure of the applicable gas turbine engine, and is not limited to the scope of the present invention. Details and the like can be changed as appropriate.
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。 In addition, since the gas turbine engine start control method according to the present invention deals with a case where the environmental temperature is low and the viscosity of the lubricating oil is high, for example, a temperature sensor for measuring the temperature of the lubricating oil is used to measure the temperature. When the value is equal to or lower than the predetermined value, the above-described control (the control shown in FIGS. 2 and 3) is performed, and the measured value of the temperature sensor does not reach the predetermined value due to conditions such as the environmental temperature or immediately after the engine is stopped. That is, when the viscosity of the lubricating oil is low, for example, it is possible to perform the same control as the conventional one (control shown in FIG. 4).
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。 However, the start control method of the gas turbine engine can be applied not only when the environmental temperature is low and the viscosity of the lubricating oil is high, but also when the environmental temperature is high and the viscosity of the lubricating oil is low. As a result, the engine can be started well without being influenced by the environmental temperature.
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
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