JPH04232341A - ガスタービンエンジンの操作装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービンエンジン
システムを備えた設備におけるガスタービンエンジンの
操作装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般にガスタービンエンジン、特に小型
航空機用ガスタービンエンジンにおいては、始動及び運
転中に使用する電力発生に刷子付直流機によるスタータ
・ジェネレータ方式を採用し、エンジンの燃料や潤滑油
の提供は、ガスタービンエンジンの回転軸から取出した
動力により燃料ポンプや潤滑油ポンプを駆動して供給す
る方式を採用している。又航空機以外のガスタービンエ
ンジンを採用している諸設備でも同様である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】刷子付直流機によるス
タータ・ジェネレータ方式では、下記の如き問題点があ
った。

【０００４】■刷子付直流機の整流子と刷子は、消耗品
であって定期的に交換せねばならず人手と時間を要し非
経済的である。

【０００５】■直流機は交流機に比し構造が複雑で大型
且つ大重量であるので、ガスタービンエンジンを使用す
る自動車等の乗物類、例えば航空機の小型化、軽量化及
びスペースの有効利用化という目的に合わない。

【０００６】■ガスタービンエンジンは回転数が高いの
で、燃料ポンプや潤滑油ポンプと前記エンジンシャフト
との間、並びに刷子付直流機と前記エンジンシャフトと
の間に夫々減速歯車機構を介在せねばならず、ガスター
ビンエンジンを使用する自動車等の乗物類、例えば航空
機の小型化、軽量化及びスペースの有効利用化という目
的に合わない。

【０００７】■ガスタービンエンジンに供給する燃料は
、エンジンの回転速度を減速機により減速して燃料ポン
プを駆動し供給しているが、エンジンの回転数と必要な
燃料流量との関係は一定でないので、出力要求に応じて
変化する回転数に対し、燃料ポンプから常に必要な燃料
流量だけ吐出させることは困難であり、そのために燃料
ポンプから余剰の燃料を吐出させ、前記エンジンの燃焼
部に供給して余った燃料は吸入側へ戻して回収している
のが現状であり、パワーロスが大きい。

【０００８】本発明は、上記実情に鑑み、ガスタービン
エンジン設備の小型化、軽量化、及び保守の容易化、並
びにエンジン効率の向上を図り得るガスタービンエンジ
ンの操作装置を提供することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明はガスタ
ービンエンジンのシャフトと直結した同期機５と、始動
時には前記同期機５と接続され又運転時には前記同期機
５に対し遮断されるよう切換わるスイッチ６と、始動時
には外部電源とコンバータ９とが又運転時には同期機５
とコンバータ９とが接続するよう切換わるスイッチ７と
、前記コンバータ９と接続され且つ前記外部電源からの
電力をスイッチ６を介し同期機５に送るインバータ１０
と、からなるものである。

【００１０】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て前記インバータ１０とスイッチ２２と交流機器電源供
給端子２３とを直列接続して運転時にインバータ１０と
交流機器電源供給端子２３とがスイッチ２２の切換わり
により接続するようにしたものである。

【００１１】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
の発明においてポンプの駆動用モータとコンバータ９と
を接続して始動時には外部電源により又運転時には同期
機５によりポンプを駆動するようにしたものである。

【００１２】請求項４の発明は、請求項３の発明におい
て同期機５の回転速度、ガスタービンエンジンの圧力及
び温度、出力パワー指令等に基づきポンプの駆動用モー
タへの速度指示、スパークプラグ２４へのスパーク指示
等を出力するエンジン出力制御装置３０を備えたもので
ある。

【００１３】

【作用】請求項１の発明においては、始動時には外部電
源からスイッチ７、コンバータ９、インバータ１０及び
スイッチ６を介し同期機５に電力供給をなし得て該同期
機５をスタータとして作動せしめられ、運転時にはスイ
ッチ６が切換わり同期機５とインバータ１０が遮断され
又スイッチ７が切換わりコンバータ９と同期機５とが接
続されて該同期機５の出力をスイッチ７、コンバータ９
及びインバータ１０に供給し得て同期機５をジェネレー
タとして作動せしめられる。

【００１４】請求項２の発明においては、運転時におい
てインバータ１０の出力をスイッチ２２を介し交流機器
電源供給端子２３から交流機器に電力を供給し得て同期
機５を電源として利用できる。

【００１５】請求項３の発明においては、運転時に同期
機５の出力をスイッチ７及びコンバータ９を介しポンプ
の駆動用モータに供給できて同期機５を電源として利用
できる。

【００１６】請求項４の発明においては、エンジン出力
制御装置３０により、始動から運転時のポンプの駆動用
モータの速度制御、スパークプラグへのスパーク指示を
行い、ガスタービンエンジンの出力制御を行うことがで
きる。

【００１７】

【実施例】本発明の実施例を、図１に基づき航空機ガス
タービンエンジンを例にとり説明する。

【００１８】図中１は航空機ガスタービンエンジンであ
り、２は該航空機ガスタービンエンジン１を構成するタ
ービンであって空気流により回転力が生じコンプレッサ
３を駆動するものであり、４は該コンプレッサ３により
生ずる空気流と燃料との混合気体を燃焼する燃焼室であ
る。

【００１９】５は前記航空機ガスタービンエンジン１の
タービン２シャフトに直結した同期機であり、スタータ
・ジェネレータとして作動するもので、主巻線５ａとイ
グナイター電源用巻線５ｂとエンジン出力制御装置電源
用巻線５ｃと速度検出用巻線５ｄと永久磁石５ｅとから
構成されているものである。

【００２０】前記同期機５の主巻線５ａはスイッチ６の
「始動」側入力端子６ｂ、及びスイッチ７の「運転」側
入力端子７ａと夫々並列接続されていると共に、スイッ
チ７の「始動」側入力端子７ｂは外部交流電源供給端子
８と接続されており、且つスイッチ７の出力端子７ｃと
コンバータ９とインバータ１０が直列接続されている。

【００２１】又燃料ポンプ１１を駆動するモータ１２の
速度制御を行うモータ速度制御装置（オートマチック・
スピード・レギュレータ）１３と、潤滑油ポンプ１４を
駆動するモータ１５の速度制御を行うモータ速度制御装
置（オートマチック・スピード・レギュレータ）１６と
、直流機器電源供給端子１７とが夫々コンバータ９の出
力端子に並列接続されており、しかも前記航空機ガスタ
ービンエンジン１の燃焼室４内に配設された燃料ノズル
１８に、前記燃料ポンプ１１が配管１９に連結されてい
て燃料ポンプ１１から燃料を燃料ノズル１８に供給し得
るようになっている。

【００２２】更に前記インバータ１０、モータ速度制御
装置１３，１６の各入力端子に、外部直流電源供給端子
２０がスイッチ２１を介し接続されており、前記インバ
ータ１０の出力端子がスイッチ２２の「運転」側入力端
子２２ａに、前記スイッチ７の出力端子７ｃがスイッチ
２２の「始動」側入力端子２２ｂに、該スイッチ２２の
出力端子２２ｃが交流機器電源供給端子２３に夫々接続
されていると共に、前記スイッチ６の出力端子６ｃがス
イッチ２２の「運転」側入力端子２２ａに接続されてい
る。

【００２３】更に又、前記同期機５のイグナイター電源
用巻線５ｂと、前記航空機ガスタービンエンジン１の燃
焼室４に配設せるスパークプラグ２４から火花を生ぜし
めるイグナイター２５とが接続されており、又航空機ガ
スタービンエンジン１におけるコンプレッサ３の空気流
入側及び空気流出側に温度計２６，２７及び圧力計２８
，２９が夫々設けられており、これら温度計２６，２７
及び圧力計２８，２９からの検出温度値信号Ｔ及び検出
圧力値信号Ｐがエンジン出力制御装置３０に入力される
ようになっている。

【００２４】前記エンジン出力制御装置３０は、マイク
ロプロセッサとメモリ外部入出力部と電源部とからなり
、前記同期機５のエンジン出力制御装置電源用巻線５ｃ
とスイッチ２２の出力端子２２ｃとに接続されていて作
動電力が供給されるようになっている。

【００２５】前記同期機５の速度検出用巻線５ｄがエン
ジン出力制御装置３０及びインバータ１０に接続されて
いて同期機５の検出回転速度信号が入力されるようにな
っていると共に、エンジン出力制御装置３０はイグナイ
ター２５と接続されていてスパークプラグ２４のスパー
ク指示を行い得るようになっている。

【００２６】更にインバータ１０と、モータ速度制御装
置１３，１６とが前記エンジン出力制御装置３０に夫々
接続されていてインバータ１０には「始動」「運転」の
切換信号が又モータ速度制御装置１３，１６にはモータ
速度指示信号が夫々入力されるようになっていると共に
、スイッチ６，７，２２の切換作動部とエンジン出力制
御装置３０とが接続されていて該エンジン出力制御装置
３０の指示信号により始動時及び運転時におけるスイッ
チ６，７，２２の切換作動が行われるようになっている
。

【００２７】尚図中３１は、エンジン出力制御装置３０
にエンジンパワー指令信号を出力する操作レバーである
。

【００２８】次に前記コンバータ９、インバータ１０に
ついて図２に基づき説明する。

【００２９】コンバータ９は、ダイオードを組合わせて
入力を交流から直流に変換して出力するものである。

【００３０】又、インバータ１０は、複数のスイッチン
グトランジスタ（図では６個）のオン・オフ作動を、ス
イッチング制御回路１０１で制御することにより入力を
直流から交流に変換して出力するものである。

【００３１】前記インバータ１０について詳述するに、
電圧設定器１０２と加減算器１０３と増幅器１０４と前
記スイッチング制御回路１０１と保護回路１０５とが直
列接続されていて電圧設定器１０２の設定電圧値に基づ
きスイッチング制御回路１０１でスイッチングトランジ
スタを適宜オン・オフ作動して所望の出力（例えば３相
４００Ｈｚの交流電圧）が得られるようになっており、
前記保護回路１０５には出力側電圧検出器１０６と出力
側電流検出器１０７とが接続されていて両検出器１０６
，１０７からの検出電圧値及び検出電流値が設定値以上
（過大電圧、過大電流）の場合に保護回路１０５から信
号がスイッチング制御回路１０１に入力され該スイッチ
ング制御回路１０１の指令によりスイッチングトランジ
スタが適宜オン・オフ作動して出力側の機器を保護し得
るようになっている。又、前記出力側電圧検出器１０６
の出力端子が前記加減算器１０３に接続されていて該加
減算器１０３に検出電圧値がフィードバックされ設定電
圧値と比較され、加減算器１０３からの差信号がスイッ
チング制御回路１０１のスイッチング動作を補正して出
力電圧が設定電圧と一致するようになっている。即ち交
流定電圧装置として作動するようになっている。

【００３２】又インバータ１０においては、速度設定器
１０８と加減算器１０９と増幅器１１０とが直列接続さ
れており、前記エンジン出力制御装置３０により「始動
」と「運転」のモードが切換わるスイッチ１１１を介し
、前記スイッチング制御回路１０１に、所要周波数（例
えば４００Ｈｚ）の発振器１１２と前記増幅器１１０と
ロータ（回転子）位置変換器１１３とが夫々接続されて
いて「始動」モード時（図２の状態）にはスイッチ１１
１を介し増幅器１１０とロータ位置変換器１１３が又「
運転」モード時にはスイッチ１１１を介し発振器１１２
がスイッチング制御回路１０１に夫々接続するようにな
っている。又同期機５では極数とロータ回転数とから定
まる周波数の交流電力を発生するが、同期機５の回転速
度変化信号が速度検出用巻線５ｄからロータ位置変換器
１１３及び速度電圧変換器１１４に入力されるようにな
っていて、同期機５の回転速度変化によるロータ位置が
ロータ位置変換器１１３で検出され周波数信号としてス
イッチ１１１を介しスイッチング制御回路１０１に送ら
れ、又同期機５の回転速度変化による速度信号が速度電
圧変換器１１４で電圧信号に変換されて加減算器１０９
に入力され、該加減算器１０９で速度設定器１０８から
の設定信号と比較されその差信号（位相の進み、遅れの
位相補正信号）が増幅器１１０及びスイッチ１１１を介
しスイッチング制御回路１０１に送られ、該スイッチン
グ制御回路１０１のスイッチング動作を補正する。 即ち同期機５の速度制御装置として作動するようになっ
ている。更に前記速度設定器１０８における速度設定を
エンジン出力制御装置３０の速度指令又は作業員の速度
指令で行ってもよい。

【００３３】前記したように同期機５の速度制御は、該
同期機５のロータ（回転子）の回転角度を検出してどの
コイルを励磁するかによるが、加速時には同期機５のロ
ータ角度（位置）より進んだ角度（進み位相）を励磁し
、又減速時には同期機５のロータ角度（位置）より遅れ
た角度（遅れ位相）で励磁する。前記速度設定器１０８
で０からアイドル回転数までゆっくり変化するように速
度設定してもよいし、又始めからアイドル回転数に速度
設定してもよく、後者の場合には電流制限により最大ト
ルクで同期機５が加速され設定速度回転数で一定速度に
なる。更に同期機５が低速度時には、逆起電力が小さく
、そのままであるとインバータ１０から同期機５に電流
が流れ過ぎることが生じるが、この場合には、出力側電
流検出器１０７でインバータ１０の出力電流が検出され
て保護回路１０５に送られ該保護回路１０５の出力信号
に基づきスイッチング制御回路１０１のスイッチング作
動が補正され、インバータ１０の出力電圧が下げられて
出力電流が制限され、同期機５が保護されることになる
。

【００３４】以下、航空機ガスタービンエンジン１の操
作について説明する。

【００３５】先ず始動について述べる。

【００３６】外部交流電源供給端子８を外部交流電源と
接続し、操作レバー３１を停止位置からアイドル運転位
置へ進めて所要のエンジンパワー指示信号をエンジン出
力制御装置３０に出力し、該エンジン出力制御装置３０
によりスイッチ６，７，２２を「始動」側に切換える（
図１の状態）。この際、外部交流電源供給端子８に供給
された交流電力はスイッチ２２を介しエンジン出力制御
装置３０に供給され、該エンジン出力制御装置３０の作
動電源となっている。

【００３７】前記外部交流電源供給端子８に供給された
交流電源は、スイッチ７を介しコンバータ９に至り、該
コンバータ９で交流から直流に変換されて、インバータ
１０及びスイッチ６を介し同期機５の主巻線５ａに送ら
れ該同期機５が始動されて回転速度が増していくことに
なる。又航空機ガスタービンエンジン１のタービン２シ
ャフトに同期機５が直結されているので、該同期機５と
一体にタービン２が回転し、この回転により燃焼室４に
おける空気流量が点火できる空気流量になると、圧力計
２８，２９の検出圧力値及び同期機５の速度検出用巻線
５ｄの検出速度値等の入力信号に基づきエンジン出力制
御装置３０からモータ速度制御装置１３にモータ１２の
回転速度指示信号を出力し燃料ポンプ１１を適宜駆動し
て、燃料を配管１９を介し燃料ノズル１８に送り燃料を
燃焼室４に噴射する。一方イグナイター２５は同期機５
のイグナイター電源用巻線５ｂからの電力により作動可
能の状態にあり、いつでもスパークプラグ２４をスパー
クし得る状態にある。前記エンジン出力制御装置３０へ
の入力信号に基づく指示信号により燃料ノズル１８から
燃料を噴射すると共に、イグナイター２５へ指示信号を
送り作動させスパークプラグ２４に火花を生ぜしめて燃
料ノズル１８からの噴射燃料を着火し、この燃焼エネル
ギーでタービン２を加速し、同期機５の回転力と併せて
航空機ガスタービンエンジン１をアイドル回転数まで加
速する。その際、インバータ１０にも、エンジン出力制
御装置３０から「始動」モードの指示信号が送られてお
り、従ってインバータ１０は同期機５の速度制御装置と
して作動しており、又同期機５はスタータとして作動し
ている。更にモータ速度制御装置１６にもエンジン出力
制御装置３０からモータ１５の速度指示信号が送られ、
潤滑油ポンプ１４が適宜駆動し潤滑油が所要個所に適量
給油される。

【００３８】次に運転について述べる。

【００３９】航空機ガスタービンエンジン１のタービン
２及びコンプレッサ３の回転数が増加しアイドル回転数
に達すると、このアイドル回転数は同期機５の速度検出
用巻線５ｄで検出され、この検出速度値信号に基づきエ
ンジン出力制御装置３０からスイッチ６，７，２２及び
インバータ１０に「始動」から「運転」に切換える切換
指示信号が送られる。この状態にあっては、同期機５は
発電機として作動し、該同期機５により発電された電力
は航空機ガスタービンエンジン１の回転変化により電圧
及び周波数が変化するので、コンバータ９で直流に変換
してからインバータ１０で定電圧、一定周波数にする。 該インバータ１０は交流定電圧装置として作動している
。前記同期機５が発電圧調整器を備えていて励磁電流を
可変にできるものであれば、航空機ガスタービンエンジ
ン１の回転数が変化しても電圧を一定にできるので、直
流機器電源供給端子１７を機体の直流機器の電源として
用いることができる。

【００４０】通常、直流電源供給端子２０に接続した直
流電源と、直流機器電源供給端子１７とをスイッチ２１
を図示の如くオンにすることにより接続状態にして該直
流機器電源供給端子１７を機体の直流機器の電源として
用いることができる。又同期機５が発電機として作動時
に該同期機５と、スイッチ７、コンバータ９及びインバ
ータ１０並びにスイッチ２２を介し交流機器電源供給端
子２３とを接続状態にして該交流機器電源供給端子２３
を機体の交流機器の電源として用い、又直流機器電源供
給端子１７を機体の直流機器の電源として用いることが
できる。

【００４１】更に航空機ガスタービンエンジン１の減速
、停止は、操作レバー３１を停止位置にすることにより
行う。該操作レバー３１の指示信号に基づきエンジン出
力制御装置３０からモータ速度制御装置１３へ減速、停
止信号が送られ、燃料ポンプ１１による燃料ノズル１８
からの燃焼室４への燃料噴射がゆっくりと止められると
共に、航空機ガスタービンエンジン１は停止する。

【００４２】航空機ガスタービンエンジン１の始動時は
、外部交流電源供給端子８に外部交流電源を接続するこ
とにより行ったが、外部直流電源供給端子２０に外部直
流電源を接続してスイッチ２１をオンにし（図示の状態
）、インバータ１０で直流から交流に変換してスイッチ
６を介し同期機５に電力供給することにより航空機ガス
タービンエンジン１の始動を行ってもよい。

【００４３】尚、本発明は、図示し説明した実施例にの
み限定されるものではなく、例えば単軸型航空機ガスタ
ービンエンジンを例にとり説明したが、複軸型航空機ガ
スタービンエンジンの場合にはこのエンジンの動力取出
軸（パワーテイクオフシャフト）と同期機とを連結する
ことにより実施すること、燃料ポンプや潤滑油ポンプ以
外のポンプの駆動制御もエンジン出力制御装置の指示信
号により燃料ポンプや潤滑油ポンプと同様にして行うこ
と、更に同期機５の回転速度計を設けてスイッチ６，７
，２２の切換えを作業員が同期機５の回転速度に応じて
行うようにすること、更に又、航空機以外に自動車や船
舶等に用いるガスタービンエンジンに採用すること、等
は任意であり、その他、本発明の要旨を逸脱しない限り
種々の変更を加え得ることは勿論である。

【００４４】

【発明の効果】以上述べたように本発明のガスタービン
エンジンの操作装置によれば、下記の優れた効果を奏し
得る。

【００４５】（ｉ）請求項１〜４のいずれの発明におい
ても、同期機を使用しているので、刷子や整流子の保守
が不要となって機械部（軸受）の保守だけでよくなり、
保守の簡易化を図り得られ、又ガスタービンエンジンの
シャフトに直結できるので、減速歯車機構を用いる必要
がなくて重量軽減及び消耗部削減をなし得られガスター
ビンエンジン設備の軽量化、小型化及びスペースの有効
利用化の目的に合わせられる。

【００４６】（ｉｉ）請求項１〜４のいずれの発明にお
いても、コンバータ及びインバータを組合わせて使用す
るので、ガスタービンエンジン始動時に使用する外部電
源としては交流でも直流でもよくて便利であり、スター
タとジェネレータでコンバータとインバータとを夫々専
用に有するシステムに比し効率よく使用できる。

【００４７】（ｉｉｉ）請求項１〜４のいずれの発明に
おいても、ガスタービンエンジンシステムを用いる諸設
備（例えば陸上プラント設備、動力を回収し利用するコ
ンビネーションの発電設備、等）、航空機や船舶や自動
車等におけるガスタービンエンジンにも適用できて、汎
用性に富む。

【００４８】（ｉｖ）請求項３、４の発明においては、
燃料ポンプ等の油圧ポンプの駆動をガスタービンエンジ
ンの出力ではなく同期機の出力を利用して行うので、ガ
スタービンエンジンの補機駆動用減速歯車機構を省くこ
とができて重量軽減及び消耗部削減をなし得られガスタ
ービンエンジン設備の軽量化、小型化及びスペースの有
効利用化の目的に合わせられ、しかも燃料ポンプにあっ
ては常に必要量のポンプ吐出ができるので、従来の如く
余った燃料を吸入側で回収する必要がなくてエネルギー
の効率向上をなし得る。

【００４９】（ｖ）請求項４の発明においては、同期機
でスタータ及びジェネレータの作動を自動的に行わせて
いるので、ガスタービンエンジン設備の小型化をなし得
られ、電源遮断時でもガスタービンエンジンの制御を継
続できて信頼性の向上、並びに前記ガスタービンエンジ
ン効率の向上をなし得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスタービンエンジンの操作装置の回
路図である。

【図２】本発明のガスタービンエンジンの操作装置にお
けるコンバータ及びインバータの詳細を示す回路図であ
る。

【符号の説明】

１　　　　航空機ガスタービンエンジン２　　　　ター
ビン ３　　　　コプレッサ ４　　　　燃焼室 ５　　　　同期機 ６，７　　　　スイッチ ８　　　　外部交流電源供給端子 ９　　　　コンバータ １０　　　　インバータ １１　　　　燃料ポンプ １２　　　　モータ １３　　　　モータ速度制御装置 １８　　　　燃料ノズル ２２　　　　スイッチ ２３　　　　交流機器電源供給端子 ２４　　　　スパークプラグ ２５　　　　イグナイター ３０　　　　エンジン出力制御装置 ３１　　　　操作レバー

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ガスタービンエンジンのシャフトと直
   結した同期機５と、始動時には前記同期機５と接続され
   又運転時には前記同期機５に対し遮断されるよう切換わ
   るスイッチ６と、始動時には外部電源とコンバータ９と
   が又運転時には同期機５とコンバータ９とが接続するよ
   う切換わるスイッチ７と、前記コンバータ９と接続され
   且つ前記外部電源からの電力をスイッチ６を介し同期機
   ５に送るインバータ１０と、からなることを特徴とする
   ガスタービンエンジンの操作装置。
2. 【請求項２】　　前記インバータ１０とスイッチ２２と
   交流機器電源供給端子２３とを直列接続して運転時にイ
   ンバータ１０と交流機器電源供給端子２３とがスイッチ
   ２２の切換わりにより接続するようにした請求項１に記
   載のガスタービンエンジンの操作装置。
3. 【請求項３】　　ポンプの駆動用モータとコンバータ９
   とを接続して始動時には外部電源により又運転時には同
   期機５によりポンプを駆動するようにした請求項１又は
   請求項２に記載のガスタービンエンジンの操作装置。
4. 【請求項４】　　同期機５の回転速度、ガスタービンエ
   ンジンの圧力及び温度、出力パワー指令等に基づきポン
   プの駆動用モータへの速度指示、スパークプラグ２４へ
   のスパーク指示等を出力するエンジン出力制御装置３０
   を備えた請求項３に記載のガスタービンエンジンの操作
   装置。