JPH03194130A - Single shaft regenerative type gas turbine operating method - Google Patents
Single shaft regenerative type gas turbine operating methodInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、輸送機関、特に戦車、トラック、バス等大型
車両に用いられる１軸再生式ガスタービンエンジンの運
転方法に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a method of operating a single-shaft regenerative gas turbine engine used in transportation facilities, particularly large vehicles such as tanks, trucks, and buses.
１軸再生式ガスタービンは、従来車両用としては無段変
速機と組み合わせて使用されるか、または発電機および
電動機と組み合わせたハイブリッドシステムとして使用
されていた。Single-shaft regenerative gas turbines have traditionally been used in vehicles in combination with continuously variable transmissions or as hybrid systems in combination with generators and electric motors.
第３図は、Ｉ軸再生式ガスタービンと無段変速機を組み
合わせたシステムの一例を示す機能ブロック図である。FIG. 3 is a functional block diagram showing an example of a system that combines an I-shaft regenerative gas turbine and a continuously variable transmission.
図中（１）は圧縮機、（２）は熱交換器、（３）は燃焼
器、（４）はタービン、（５）は燃料制御装置、（６）
は減速装置、（７）は無段変速装置、（８）は負荷をそ
れぞれ示す。In the figure, (1) is a compressor, (2) is a heat exchanger, (3) is a combustor, (4) is a turbine, (5) is a fuel control device, and (6) is a
indicates a reduction gear, (7) indicates a continuously variable transmission, and (8) indicates a load.
この形式の場合、ガスタービンエンジンは負荷で要求す
る出力（即ち回転速度×トルク）を供給し、負荷で必要
な回転速度とトルクは無段変速機により変換して使用す
る。したがって部分負荷の運転は通常エンジン出力軸回
転は一定で運転され、エンジンの出力はトルクによって
決まるので、このトルクに対応する燃焼ガス温度になる
よう、燃料供給量の制御を行なっている。In this type, the gas turbine engine supplies the output required by the load (ie, rotational speed x torque), and the rotational speed and torque required by the load are converted and used by a continuously variable transmission. Therefore, in partial load operation, the engine output shaft rotation is usually kept constant, and since the engine output is determined by the torque, the amount of fuel supplied is controlled so that the combustion gas temperature corresponds to this torque.
次に第４図は１軸再生式ガスタービンのハイブリッドシ
ステムの一例を示す機能ブロック図である。図中の符号
（９）は発電機、（１０）は電動機をそれぞれ示す。符
号（１）、 （２）、 （３）、 （４）、 （８）は
それぞれ前記第３図について説明したものと同様である
。Next, FIG. 4 is a functional block diagram showing an example of a hybrid system of a single-shaft regenerative gas turbine. Reference numeral (9) in the figure represents a generator, and reference number (10) represents an electric motor. Symbols (1), (2), (3), (4), and (8) are the same as those explained with respect to FIG. 3 above, respectively.
この形式では、通常エンジンは効率の良い定格出力近傍
で運転し、エンジン出力は発電機により一旦電気出力と
して取出され、その電力は電動機により負荷駆動に使用
されるとともに、余剰電力はバッテリーに蓄電される。In this type, the engine is normally operated near its rated output, which is efficient, and the engine output is once extracted as electrical output by the generator.The electric power is used by the electric motor to drive the load, and the surplus power is stored in the battery. Ru.
■） ガスタービンを車両用エンジンとして使用する場
合、１軸再生式ガスタービンは２軸再生式ガスタービン
に比べ、構造が単純で部品点数が少なく、エンジンブレ
ーキも利くという長所がある反面、次のような問題点が
あった。■) When using a gas turbine as a vehicle engine, a single-shaft regenerative gas turbine has the advantages of a simpler structure, fewer parts, and better engine braking compared to a two-shaft regenerative gas turbine. There were some problems.
２） 車両用エンジンは、部分負荷で使用されることが
多いため、部分負荷で燃料消費率の低いことが要求され
るにもかかわらず、無段変速機と組合わせた第３図図示
のシステムの場合は、部分負荷で燃料消費率が高かった
。その原因は、回転数一定で負荷に応じたタービン出口
温度で運転されるため、負荷低下に伴ないタービン出口
温度は急激に低下するとともに、空気流量は増加して圧
縮機圧力比と効率は下がり、また熱交換器では修正流量
が増加するので熱交換器効率も低下することによる。2) Since vehicle engines are often used at partial loads, the system shown in Figure 3 combined with a continuously variable transmission is required despite the fact that low fuel consumption is required at partial loads. In the case of , the fuel consumption rate was high at partial load. The reason for this is that the turbine is operated at a constant rotation speed and a turbine outlet temperature that corresponds to the load, so as the load decreases, the turbine outlet temperature drops rapidly, and the air flow rate increases, causing the compressor pressure ratio and efficiency to decrease. This is because the heat exchanger efficiency also decreases as the corrected flow rate increases in the heat exchanger.
３）−力筒４図図示のハイブリッドシステムの場合は、
発電機および電動機という系統の異なった機器が必要に
なる。そして、その発電機や電動機にもそれぞれ損失を
伴うので、全体として効率を上げるためには、エンジン
の燃料消費率の低い定格出力点近傍で使用する必要があ
り、負荷レヘルが低い場合は余剰の出力を電力として蓄
えるために、充電装置や蓄電装置が必要となる。3)-In the case of the hybrid system shown in the diagram,
Different systems of equipment are required: a generator and an electric motor. In addition, the generator and electric motor each have losses, so in order to increase overall efficiency, it is necessary to use the engine near the rated output point where the fuel consumption rate is low, and if the load level is low, the surplus In order to store the output as electricity, a charging device or a power storage device is required.
４） 本発明は、１軸再生式ガスタービンエンジンと無
段変速機を組合わせた、上記３）記載のような発電機、
電動機等を必要としないシステムにおいて、上記２）に
記載された問題点を解消し、部分負荷で燃料消費率が悪
化しない運転方法を提示することを、目的とする。4) The present invention provides a generator as described in 3) above, which combines a single-shaft regenerative gas turbine engine and a continuously variable transmission;
The purpose of this invention is to solve the problem described in 2) above in a system that does not require an electric motor or the like, and to present an operating method that does not worsen the fuel consumption rate under partial load.
本発明は、前記従来の課題を解決するために、部分負荷
運転中にタービン出口のガス温度を検出し、同ガス温度
があらかじめ設定された温度範囲よりも低い時は燃料供
給量を減少させるとともに、上記ガス温度が上記温度範
囲よりも高い時は燃料供給量を増加させることを特徴と
する１軸再生式ガスタービンの運転方法を捉案するもの
である。In order to solve the above conventional problems, the present invention detects the gas temperature at the turbine outlet during partial load operation, and when the gas temperature is lower than a preset temperature range, reduces the fuel supply amount and The present invention proposes a method of operating a single-shaft regenerative gas turbine, characterized in that when the gas temperature is higher than the temperature range, the amount of fuel supplied is increased.
本発明においては前記のとおり、部分負荷運転中にター
ビン出口のガス温度が設定範囲よりも低い時には、燃料
供給量を減少させるので、回転数が低下する。そうする
と空気流量が減り、トルクが増大して、上記ガス温度が
上昇する。また上記ガス温度が設定範囲よりも高い時に
は、燃料供給量を増加させるので、上記と逆の経過によ
り、ガス温度が低下する。こうしてタービン出口ガス温
度が一定範囲に保持される。In the present invention, as described above, when the gas temperature at the turbine outlet is lower than the set range during partial load operation, the fuel supply amount is reduced, so the rotational speed is reduced. This reduces the air flow rate, increases the torque, and increases the gas temperature. Further, when the gas temperature is higher than the set range, the amount of fuel supplied is increased, so the gas temperature decreases due to the reverse process. In this way, the turbine outlet gas temperature is maintained within a constant range.
このように、タービン出口温度を一定範囲内に保ちつつ
、負荷に合わせて回転数を下げると、エンジンの作動点
は圧縮機の特性曲線上で圧縮機効率最良線にほぼ沿って
空気流量が減少するから、圧縮機効率の良い領域を使用
することになる。また負荷減少に伴なって熱交換器修正
流量が減少することと、熱交換器入口温度も高くなるこ
ととにより、負荷が下るに従がい、熱交換器効率は向上
する。In this way, by lowering the rotation speed according to the load while keeping the turbine outlet temperature within a certain range, the engine operating point will be approximately along the best compressor efficiency line on the compressor characteristic curve, and the air flow rate will decrease. Therefore, the area with high compressor efficiency will be used. Further, as the load decreases, the heat exchanger correction flow rate decreases and the heat exchanger inlet temperature also increases, so that the heat exchanger efficiency improves as the load decreases.
上記のように本発明では、高い要素効率と、タービン出
口温度を維持することの総合効果により、低負荷まで低
い燃料消費率を維持することができる。As described above, in the present invention, a low fuel consumption rate can be maintained even at low loads due to the high element efficiency and the overall effect of maintaining the turbine outlet temperature.
〔実施例］
第１図は本発明方法を実施する装置の一例を示す機能ブ
ロック図である。この図において、前記第÷図により説
明した従来のものと同様の部分については、冗長になる
のを避けるため、同一の符号を付は詳しい説明を省く。[Embodiment] FIG. 1 is a functional block diagram showing an example of an apparatus for implementing the method of the present invention. In this figure, in order to avoid redundancy, the same reference numerals are given to the same parts as those of the conventional one explained in FIG.
本実施例で新たに付加されるものとして、（１１）は圧
縮機入口温度センサ、（１２）はタービン出口ガス温度
センサ、（１３）は負荷制御装置をそれぞれ示す。Newly added items in this embodiment include (11) a compressor inlet temperature sensor, (12) a turbine outlet gas temperature sensor, and (13) a load control device.
負荷制御装置（１３）は次に述べるような機能を有する
。すなわち、エンジンの部分負荷運転中、タービン出口
ガス温度センサ（１２）により検知されたガス温度が、
予め設定された温度範囲よりも低い場合、負荷制御装置
（１３）は燃料制御装置（５）へエンジン回転速度を下
げる指令を送る。この指令を受けた燃料制御装置（５）
では燃料供給量を減少させる。The load control device (13) has the following functions. That is, during partial load operation of the engine, the gas temperature detected by the turbine outlet gas temperature sensor (12) is
If the temperature is lower than a preset temperature range, the load control device (13) sends a command to the fuel control device (5) to reduce the engine speed. Fuel control device that received this command (5)
Then reduce the fuel supply amount.
そうするとエンジン回転速度が低下する。このエンジン
回転速度低下（すなわち空気流量減少）に伴い、エンジ
ンは要求負荷量を満たすために、トルク増大即ちガス温
度上昇の方向へ移り、結局タービン出口ガス温度は設定
範囲内に入る。This will reduce the engine speed. As the engine speed decreases (that is, the air flow rate decreases), the engine moves toward an increase in torque, that is, a rise in gas temperature, in order to meet the required load amount, and eventually the turbine outlet gas temperature falls within the set range.
また、タービン出口ガス温度が設定範囲よりも高い場合
は、上記とは逆にエンジン回転速度を上げる（即ち空気
流量を増加させる）方向で制御を行なうことにより、タ
ービン出口ガス温度は下降し設定範囲内に入る。In addition, if the turbine outlet gas temperature is higher than the set range, by controlling the engine speed in the opposite direction (in other words, increasing the air flow rate), the turbine outlet gas temperature will decrease and fall within the set range. Go inside.
上記制御装置は次のような機能でも成立する。The above control device also has the following functions.
すなわち、圧縮機入口空気温度によりエンジン出力が変
化するので、圧縮機入口空気温度に対応するタービン入
口ガス温度一定の場合の出力と回転速度の関係をあらか
じめプログラム化し負荷制御装置に記憶させておいて、
制御することもできる。In other words, since the engine output changes depending on the compressor inlet air temperature, the relationship between the output and rotation speed when the turbine inlet gas temperature is constant, which corresponds to the compressor inlet air temperature, is programmed in advance and stored in the load control device. ,
It can also be controlled.
上記のような制御を速かかつ連続的に行なうことにより
、常にタービン出口ガス温度を設定範囲内に維持しつつ
、エンジンを運転することができる。したがって圧縮機
の流量は、圧縮機特性曲線上で圧縮機効率最良線にほぼ
沿って減少するから、圧縮機効率の低下が少なくなる。By performing the above control quickly and continuously, the engine can be operated while always maintaining the turbine outlet gas temperature within the set range. Therefore, since the flow rate of the compressor decreases approximately along the best compressor efficiency line on the compressor characteristic curve, the decrease in compressor efficiency is reduced.
更に、熱交換器の修正流量が負荷減少に伴なって減少し
、また熱交換器入口温度も高くなるから、熱交換器効率
が向上する。これらが総合的に作用して、燃料消費率が
低下する。Furthermore, the heat exchanger efficiency is improved because the corrected flow rate of the heat exchanger decreases as the load decreases and the heat exchanger inlet temperature also increases. These factors work together to reduce fuel consumption.
以下、上記作用について図面を用いて詳しく説明する。Hereinafter, the above operation will be explained in detail using the drawings.
第３図に例示された従来の１軸再生式ガスタービンの運
転方法においては、圧縮機入口空気温度一定の場合、部
分負荷運転中、圧縮機は第５図に示す回を定ライン上で
作動していた。したがって、負荷減少に伴ない、空気流
量は増加、圧力比は減少の方向へ移動するから、圧縮機
効率は低下する。また、空気流量の増加と圧力の低下に
よって熱交換器の修正流量が増大するから、熱交換器効
率は低下する。すなわち、従来の１軸再生式ガスタービ
ンの運転方法によれば、部分負荷運転時に圧縮機効率の
低下、熱交換器効率の低下、更に熱交換器入口温度の低
下が総合的に作用するため燃料消費率は高くなっていた
。In the conventional operating method of a single-shaft regenerative gas turbine illustrated in Fig. 3, when the compressor inlet air temperature is constant, the compressor operates on a constant line for the times shown in Fig. 5 during partial load operation. Was. Therefore, as the load decreases, the air flow rate increases and the pressure ratio decreases, resulting in a decrease in compressor efficiency. Heat exchanger efficiency also decreases because the increased air flow rate and decreased pressure increases the corrected flow rate of the heat exchanger. In other words, according to the conventional operating method of a single-shaft regenerative gas turbine, during partial load operation, a decrease in compressor efficiency, a decrease in heat exchanger efficiency, and a decrease in heat exchanger inlet temperature all act together, resulting in a decrease in fuel consumption. Consumption rates were high.
これに対し本実施例の１軸再生式ガスタービン運転方法
では、部分負荷運転時にタービン出口ガス温度がほぼ一
定に保たれるから、負荷減少によりエンジン回転速度を
下げた場合、圧縮機の作動は第５図に示すタービン出口
ガス温度一定ラインに沿って、空気流量、圧力ともに低
下する。圧縮機のこの作動ラインは圧縮機効率最良線に
ほぼ沿っているから、圧縮機効率は高効率が維持され、
また熱交換器修正流量が減少し、熱交換器効率は向」二
する。こうして、圧縮機効率および熱交換器効率の向上
と熱交換器入口温度が一定に維持されることによる熱回
収率の増加とが、圧力比低下によるサイクル効率低下を
おぎなうため、エンジンの燃料消費率は低下する。On the other hand, in the single-shaft regenerative gas turbine operating method of this embodiment, the turbine outlet gas temperature is kept almost constant during partial load operation, so when the engine speed is lowered due to load reduction, the compressor will not operate. Along the constant turbine outlet gas temperature line shown in FIG. 5, both the air flow rate and pressure decrease. This operating line of the compressor is almost along the best compressor efficiency line, so the compressor efficiency is maintained at high efficiency.
Also, the heat exchanger correction flow rate decreases, and the heat exchanger efficiency decreases. In this way, the improvement in compressor efficiency and heat exchanger efficiency and the increase in heat recovery rate due to the heat exchanger inlet temperature being maintained constant compensate for the decrease in cycle efficiency due to the decrease in pressure ratio, so the fuel consumption rate of the engine increases. decreases.
上記１軸再生式ガスタービンの従来の運転方法と本発明
による運転方法（タービン出口ガス温度一定力式）の部
分負荷運転時の燃料消費率特性は第６図に示される傾向
となる。また第７図は１軸再生式ガスタービンの代表的
な出力特性を示したものである。図中−点鎖線は等燃料
消費率ラインを示し、定格出力より出力が低下するに従
い燃料消費率は増加するが、回転数を一定とする従来の
運転方法に比べて、タービン出口ガス温度をほぼ一定と
する本発明の運転方法では燃料消費率の増加が少ないこ
とがわかる。The fuel consumption rate characteristics during partial load operation of the conventional operating method of the single-shaft regenerative gas turbine and the operating method of the present invention (turbine outlet gas temperature constant force type) have the tendency shown in FIG. Furthermore, FIG. 7 shows typical output characteristics of a single-shaft regenerative gas turbine. In the figure, the dotted line indicates a constant fuel consumption rate line, and as the output decreases below the rated output, the fuel consumption rate increases. It can be seen that the increase in fuel consumption rate is small in the operating method of the present invention in which the fuel consumption rate is kept constant.
次に第２図は、本発明方法を実施する装置の他の例を示
す機能ブロック図である。この例では、前記第１図によ
り説明した例に対し、アクセルペダル（１４）とそのア
クセルペダル変位センサ（１５）およびモード切替装置
（１６）が追加されている。Next, FIG. 2 is a functional block diagram showing another example of an apparatus for implementing the method of the present invention. In this example, an accelerator pedal (14), an accelerator pedal displacement sensor (15), and a mode switching device (16) are added to the example explained with reference to FIG.
モード切替装置（１６）は、アクセルペダル（１４）を
踏み込んだ時その変位量をアクセルペダル変位センサ（
１５）により検出させ、その変化速度を算出して、その
変化速度の大小により負荷制御装置の機能を固定または
作動に切替える。例えばアクセルペダルを急に踏み込ん
だ場合、すなわち急加速が必要な場合には、負荷制御装
置の機能を一旦固定させ、エンジン回転の加速を直接出
力軸の加速に直結させて、制御による応答遅れを最少と
するのである。The mode switching device (16) detects the amount of displacement when the accelerator pedal (14) is depressed by an accelerator pedal displacement sensor (
15), the rate of change is calculated, and the function of the load control device is switched to fixed or active depending on the magnitude of the rate of change. For example, when the accelerator pedal is suddenly depressed, that is, when sudden acceleration is required, the function of the load control device is temporarily fixed, and the acceleration of engine rotation is directly linked to the acceleration of the output shaft, thereby reducing the response delay due to control. It should be the minimum.
この運転モード切替えは、次の２つの要求を使い分ける
ために用いられる。すなわち、急激な負荷変動時等に良
好な過渡応答性が要求される場合は従来型の回転数一定
制御方式のモードで、また燃料経済性が要求される場合
は本発明のタービン出口ガス温度一定力式のモードで、
それぞれ運転する。このようなモード切替えにより、車
両用エンジンとしての特徴を更に高めることができる。This operation mode switching is used to selectively use the following two requests. In other words, when good transient response is required during sudden load changes, etc., the conventional constant rotation speed control mode is used, and when fuel economy is required, the turbine outlet gas temperature of the present invention is used. In constant force mode,
drive each. Such mode switching makes it possible to further enhance the characteristics of the vehicle engine.
本発明の運転方法においては、１軸再生式ガスタービン
を負荷に対応した回転数で運転することにより、タービ
ン出口ガス温度を設定範囲に保持し、部分負荷における
燃料消費率の悪化を抑止することができる。In the operating method of the present invention, by operating the single-shaft regenerative gas turbine at a rotation speed corresponding to the load, the turbine outlet gas temperature is maintained within a set range, and deterioration of fuel consumption rate at partial load is suppressed. I can do it.
第１図は本発明方法を実施する装置の一例を示す機能ブ
ロンク図、第２図は同しく他の例を示す機能ブロック図
である。第３図は１軸再生式ガスタービンと無段変速機
を組合わせた従来のシステムの一例を示す機能ブロック
図、第４図は従来の１軸再生式ガスタービンのハイブリ
ッドシステムの一例を示す機能ブロック図である。第５
図は１軸再生式ガスタービンの圧縮機特性図、第６図は
同じく燃料消費率特性比較図、第７図は同じく回転速度
・出力特性図である。
（１）・・・圧縮機；（２）・・・熱交換器；（３）・
・・燃焼器；（４）・・・タービン；（５）・・・燃料
制御装置；（６）・・・減速装置；（７）・・・無段変
速装置１（８）・・・負荷；（９）・・・発電機；
（１０）・・・電動機；（１１）・・・圧縮機
入口温度センサ；（１２）・・・タービン出口ガス温度
センサ；（１３）・・・負荷制御装置； （１４）・・
・アクセルペダル；（１５）・・・アクセルペダル変位
センサ；（１６）・・・モード切替装置。
６図
第５図FIG. 1 is a functional block diagram showing one example of an apparatus for implementing the method of the present invention, and FIG. 2 is a functional block diagram showing another example. Fig. 3 is a functional block diagram showing an example of a conventional system that combines a single-shaft regenerative gas turbine and a continuously variable transmission, and Fig. 4 is a functional block diagram showing an example of a conventional hybrid system of a single-shaft regenerative gas turbine. It is a block diagram. Fifth
The figure is a compressor characteristic diagram of a single-shaft regenerative gas turbine, FIG. 6 is a fuel consumption rate characteristic comparison diagram, and FIG. 7 is a rotation speed/output characteristic diagram. (1)... Compressor; (2)... Heat exchanger; (3)...
...Combustor; (4)...Turbine; (5)...Fuel control device; (6)...Reduction device; (7)...Continuously variable transmission 1 (8)...Load (9)... Generator;
(10)...Electric motor; (11)...Compressor inlet temperature sensor; (12)...Turbine outlet gas temperature sensor; (13)...Load control device; (14)...
- Accelerator pedal; (15)...Accelerator pedal displacement sensor; (16)...Mode switching device. Figure 6Figure 5
Claims (1)
ガス温度があらかじめ設定された温度範囲よりも低い時
は燃料供給量を減少させるとともに、上記ガス温度が上
記温度範囲よりも高い時は燃料供給量を増加させること
を特徴とする１軸再生式ガスタービンの運転方法。During partial load operation, the gas temperature at the turbine outlet is detected, and when the gas temperature is lower than a preset temperature range, the fuel supply amount is reduced, and when the gas temperature is higher than the temperature range, the fuel supply amount is reduced. A method of operating a single-shaft regenerative gas turbine characterized by increasing the supply amount.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33122789A JPH03194130A (en) | 1989-12-22 | 1989-12-22 | Single shaft regenerative type gas turbine operating method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33122789A JPH03194130A (en) | 1989-12-22 | 1989-12-22 | Single shaft regenerative type gas turbine operating method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03194130A true JPH03194130A (en) | 1991-08-23 |
Family
ID=18241315
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33122789A Pending JPH03194130A (en) | 1989-12-22 | 1989-12-22 | Single shaft regenerative type gas turbine operating method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03194130A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002063153A1 (en) * | 2001-02-08 | 2002-08-15 | Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha | Uniaxial gas turbine system |
-
1989
- 1989-12-22 JP JP33122789A patent/JPH03194130A/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002063153A1 (en) * | 2001-02-08 | 2002-08-15 | Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha | Uniaxial gas turbine system |
| US7028461B2 (en) | 2001-02-08 | 2006-04-18 | Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha | Uniaxial gas turbine system |
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