JPH0441935A - 二軸式ガスタービン機関 - Google Patents

二軸式ガスタービン機関

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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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は二軸式ガスタービン機関に関し、特に、動力伝
達装置の改良により発進加速性を向上させた二軸式ガス
タービン機関に関する。
〔従来の技術〕
二軸式ガスタービン機関は、低振動、使用燃料の多様性
、大きな低速トルク等の点で、近年、自動車用機関とし
ての実用化が検討されている。第8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。
二軸式ガスタービン機関では、クラッチ内蔵のスタータ
SHによってフロントギヤF/Gが回転して起動すると
、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、アクチュエータ酎
により燃料が供給される燃焼器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Cと同軸のコン
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、コンプレッサタービ
ンCTの回転速度がコンプレッサ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。
なお、アクチュエータAI、 A2は制御回路C0NT
によって機関の運転状態に応じて駆動され、この為、制
御回路C0NTにはアクセルペダノL/AP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
される。また、一般に、第8図に示す吸気圧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を示す。
以上のように構成された二軸式ガスタービン機関では、
従来、パワタービンPTの回転速度N2は減速歯車R/
Gによって減速されて回転速度N、となって自動変速機
A/Tに伝えられ、シフト状態に応じた回転速度に変換
された後に差動歯車りを介して車輪Wに伝達されるよう
になっている。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところが、従来の二軸式ガスタービン機関を搭載した車
両においては、車両発進直後の加速応答性が悪いという
問題があった。これを第9図を用いて説明する。
第9図は二軸式ガスタービン機関を搭載した車両と、一
般のガソリン機関を搭載した車両の発進加速特性を比較
して示すものである。なお、機関の定格出力はガソリン
機関、二軸式ガスタービン機関とも同じである。この図
から分かるように、二軸式ガスタービン機関搭載車両は
、0〜2秒間の発進加速の応答性がガソリン機関搭載車
両よりも劣り、2秒以後の二軸式ガスタービン機関搭載
車両は加速特性はガソリン機関搭載車両と同程度となっ
ている。よって、二軸式ガスタービン機関搭載車両は、
発進直後の加速応答性が劣っていることが分かる。
この理由を以下に説明する。第10図は二軸式ガスター
ビン機関搭載車両の発進加速特性を示す線図である。時
間1<0では二軸式ガスタービン機関はアイドリング状
態で、車両は停止している。
t≧0でアクセルをフル状態にしたとする。1−〇から
燃料流量GfはガスジェネレータGGの入口温度が目標
値、例えば、1100°Cになるように制御され、可変
ノズルVNはガスジェネレータGGと車両が最適加速す
るように制御される。ここで、機関が定格回転速度にな
るまでの時間0<t<tlにガスジェネレータGGを加
速しなければならないので、コンプレッサタービンCT
は定常運転よりもガスジェネレータGGを加速する分だ
け大きな出力を出さなければならない。従って、その分
出力タービンPTの出力は減少させなければならない。
ここで、ガスジェネレータGGの加速中の車両加速を良
くしようとして、可変ノズルVNをより閉じ側に制御す
ると、コンプレッサタービンCTの出力が低下し、ガス
ジェネレータGGの加速が低下して1.が大きくなり、
却って車両加速が悪化する。このため、ガスジェネレー
タGGと車両加速の両方を満足させる可変ノズルVNの
最適制御があり、その最適制御で制御した結果が前述の
第9図の特性である。よって、二軸式ガスタービン機関
搭載車両の発進直後の加速応答性は悪いのが定説になっ
ていた。
本発明の目的は、前記従来の二軸式ガスタービン機関を
搭載した車両における発進直後の加速特性の悪さを解消
し、動力伝達機構における減速比を運転状態に応じて変
更することにより、燃費を悪化させることなく、二軸式
ガスタービン機関搭載車両の発進直後の加速応答性を向
上させることができる二軸式ガスタービン機関を提供す
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
、同軸のコンプレッサCとコンプレッサタービンCTを
備えたガスジェネレータGGと、燃焼器CCと、可変ノ
ズルVNと、別軸の出力タービンPTとを備えた二軸式
ガスタービン機関において、出力タービンPTの出力軸
と変速装置の入力軸との間に、機関の運転状態に応じて
減速比を変更すてことができる自動変速機構を新たに設
けたことを特徴とするものである。
〔作用〕
本発明の二輪式ガスタービン機関によれば、機関の運転
状態に応じて減速比を変更することができる自動変速機
構により、アイドリング状態のときに、変速機の入力軸
の回転速度N3を変えることなく、出力タービンPTの
出力軸の回転速度N2、或いは出力タービンPTの出力
軸の回転速度N2に加えてガスジェネレータGGの回転
速度Nl、が燃料流量Gfを増大させることなく高く保
持される。
この結果、本発明の二軸式ガスタービン機関を搭載した
車両の発進直後の加速応答性が向上する。
〔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1図は自動変速機付き車両に搭載された本発明の二輪
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8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)を付しである。
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9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F/G 、コンプレッサC1
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。なお、コンプレッサCとコンプレッサター
ビンCTとはガスジェネレータGGと呼ばれる。
吸気はコンプレッサCにて圧縮され、熱交換器+11E
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。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11E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α5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にはこの実施例では
無段変速装置1cVTを介して自動変速機A/Tが接続
されている。そして、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と無段変速装置CVTに
よって減速されて自動変速機構/Tに伝えられ、ここで
ロックアツプクラッチL/Cを備えたトルクコンバータ
T/Cと変速機構TM4こよってシフト状態に応じた回
転速度に変換される。自動変速器A/Tの出力は差動歯
車りを介して車輪Wに伝達されて車両の駆動が行われる
ガスタービンGTおよび自動変速機Δ/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
INa 、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、それぞれパスライン11で接続されている。
また、二軸式ガスタービン機関には、大気温を検出する
温度センサSTo、ガスジェネレータGGの回転速度N
、を検出する回転速度センサSN+、コンプレッサCの
出口温度T3と出口圧力P、を検出する温度センサSh
 と圧カセンサsp3.熱交換器Ht!の出口温度T:
15を検出する温度センサS’hs、パワタービンPT
の出口温度を検出する温度センサST、、出力タービン
PTの出力軸の回転速度を検出する回転速度センサSN
Z、自動変速器A/Tの入力軸の回転速度N3を検出す
る回転速度センサSN3.及び車軸駆動回転速度Npを
検出する回転速度センサSN、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N r、 Nz、 N3. Np、
 P z、 To。
T3S、  Tl、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−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
ュエータ舷に対して可変ノズルVNO開度を指示する信
号α8、無段変速装置CVTの変速制御信号i cvt
、 トルクコンバータT/CのロックアツプクラッチL
/Cのオンオフを指示する信号S1、変速機構TMの変
速信号S、、S、やスロットルワイヤ信号θ7H等が出
力される。
第2図は第1図の無段変速装置CVTの一例の構成を示
す断面図である。無段変速装置CVTは、入力軸21に
設けられた固定フランジ22Aと可働フランジ22Bと
を有する入力プーリ22と、出力軸25に設けられた固
定フランジ26Aと可動フランジ26Bとを有する出カ
ブ−IJ26と、入力プーリ22と出力プーリ26との
間に掛は渡された■ベルト24とから構成されており、
可働フランジ22Bは第1アクチユエータ23により入
力プーリ22のスリーブ部22C上を矢印で示す軸方向
に摺動でき、可働フランジ26Bは第2アクチユエータ
27により出力プーリ26のスリーブ部26C上を矢印
で示す軸方向に摺動できるようになっている。
この第1アクチユエータ23と第2アクチユエータ27
とは、第1図の制御回路10からの無段変速装置fcV
Tの変速制御信号i CVTにより動作する。第2図の
状態は入力プーリ22の有効径が小さく、出力プーリ2
6の有効径が大きい状態であるので、入力軸21の回転
速度は減速されて出力軸25に伝えられる。なお、この
状態から第1アクチユエータ23により可動フランジ2
2Bが固定フランジ22A側に移動し、可動フランジ2
6Bが固定フランジ26Aから離れる側に移動すると、
入カブ−IJ22の有効径が大きくなり、出力プーリの
有効径が小さくなるので、出力軸25の回転速度が大き
くなる。
ところで、二軸式ガスタービン機関においては、機関の
出力軸の回転速度N、のアイドル時の回転速度N38は
、車両停車時のトルクコンバータT/Cの損失が大きく
なって燃費が悪化するのを防止するために、通常、N 
3+ = 80Orpm程度に設定されている。ここで
、出力タービンPTの出力PSrtは、P S P?=
J−CP−Ts・G、・η56・(1−一−コP)(P
a/P6) 但し、C2:定圧比熱、Cv:定圧比熱、K :比熱比
(=CP/Cい、J:熱の仕事当量、T、:出力タービ
ンの入口温度、 G、:出力タービンの入口ガス流量、 η、6:出力タービンの効率、 ps(P6):出力タービンの入口(出口)圧力。
であり、減速歯車R/Gのギヤ比を10とすると、出力
タービンPTのアイドル回転速度N2iは、Nz== 
800X10=800Orpmとなる。一方、出力ター
ビンPTの効率η、6は第3図のように表されるので、
前述の式とこの線図により、出力タービンPTのアイド
ル回転速度N2.を高くすれば、出力タービンPTの効
率η、6が大きくなって出力タービンPTの出力PS、
、が大きくなり、車両の発進レスポンスが向上すること
が分かる。
なお、出力タービンPTのアイドル回転速度N2iを高
くするためにアイドル時の自動変速器A/Tの入力軸の
回転速度N1.を高くすると、車両停車時のトルクコン
バータT/Cの損失が増大し、燃費が悪化する問題があ
る。そこで、出力タービンPTのアイドル回転速度N!
iを高くするには、減速歯車R/Gの減速比を大きくす
れば良いことになるが、この時は出力タービンPTの作
動域が狭くなり、変速段数を増加しなければならない等
の自動変速器A/Tの減速比の選択に問題が生じること
になる。
以上の説明を表にすると下表のようになる。
この表から分かるように、減速歯車R/Gの減速比を2
0にすると、自動変速器A/Tの入力軸の回転速度N3
は800〜2650rpmの動作域になってしまうので
、従来の自動変速器A/Tの入力軸の回転速度N、は8
00〜5300rpmの動作域に比べて動作機器が小さ
くなり、自動変速器A/Tの変速比の選択が困難になっ
てしまう。
第4図はガスジェネレータGGがアイドル回転速度で、
機関出力が一定(自動変速器A/Tの入力軸の回転速度
N、がアイドル時の回転速度N3.の時に消費するトル
クコンバータT/Cの損失、補機馬力等の和と同程度の
出力、即ち数馬力程度)の状態での出力タービンPTの
回転速度N2と燃料流量Gfとの関係を示すものである
。この図から出力タービンPTの回転速度N2を高くし
ても、機関出力が一定であれば、燃料流量6fが一定で
あることが分かる。
以上のことから、この実施例では、第1図、第2図のよ
うに構成した二軸式ガスタービン機関を搭載した車両に
おいて、無段変速装置CVTを用いて出力タービンPT
のアイドル時の回転速度N2iを従来よりも高くする制
御を行う。この制御の実施例について、第5図を用いて
説明する。
第5図において、時間1<0は機関のアイドル状態を示
しており、車両は停止している。この実施例においては
自動変速器A/Tの入力軸のアイドル時の回転速度N1
.は800rpmとする。また、無段変速装置CVTの
変速比1 cvtは、アイドル時にI CVL =2.
6とし、減速歯車R/Gの減速比を従来と同じ10とす
る。更に、この実施例ではアイドル時のガスジェネレー
タGGの回転速度N I iを従来と同じ値にしている
。すると、この実施例におけるアイドル時の出力タービ
ンPTの回転速度N t i*は、Nzi″−800X
 2.6  X 10 =20800 (rpm)とな
る (第5図(b)参照)。第8図に示した従来の二軸
式ガスタービン機関では、アイドル時の出力タービンP
Tの回転速度N、8は8000rpmであるので、この
実施例の出力タービンPTの効率η、6は第3図からも
分かるように、大幅に向上する。
続いて時刻1=0においてアクセルペダルがフルに踏み
込まれたとすると、ガスジェネレータGGの回転速度N
Iが第5図(a)に示すように次第に大きくなり、同時
に出力タービンPTの回転速度N2も第51F(b)に
示すように次第に大きくなり、この結果、第5図(C)
に示すように自動変速器A/Tの人力軸の回転速度N、
が大きくなり、第5図(d)に示すように車両は加速し
ていく。この時、時刻L!において出力タービンPTの
回転速度N2が定格回転速度N、になるので、時刻t 
< t rではN2=NtRになるように無段変速装置
CVTの変速比1cvtを第5図(e)のように制御し
て、自動変速器A/Tの入力軸の回転速度N3を加速し
ていく。この後、時刻む=tzにN2=NtRとなる。
なお、時刻t = t sにおいて自動変速器A/Tの
入力軸の回転速度N3と無段変速装置CVTの変速比!
 CVTに変化が見られるが、これは自動変速器A/T
が変速を行ったことによるものであり、本発明とは直接
関係がないのでその説明は省略する。
以上のようにして発進加速を行うと、出力タービンPT
の回転速度N2のアイドル状態から定格状態までの加速
を、従来の800Orpmから5300Orpmに比べ
て、2080Orpmから53000rpmまでとする
ことができ、第3図の出力タービンPTの効率η56の
高効率域を使用することができる。この結果、前述の式
から出力タービンPTの出力PSryが増大することに
なり、車両の発進時の応答性が大幅に向上する。これに
より、ガソリン車より優れた発進時の応答性が得られる
なお、以上の制御において、アイドル時の出力タービン
PTの回転速度Ntiを2080Orpmとしたが、無
段変速装置CVTの出力軸の回転速度N3は800rp
mテアリ、トルクコンバータT/Cの損失馬力、補機駆
動馬力等は変化しないので、第4図から分かるように、
アイドル時の燃費は従来の二軸式ガスタービン機関と変
わらず、燃費の悪化はない。
次に、第1図の構成の二軸式ガスタービン機関を用いた
別の制御の実施例について第6図により説明する。第5
図の実施例の制御では、アイドル時のガスジェネレータ
GGの回転速度Nl+を従来と同じ値にしているが、第
6図の実施例ではアイドル時のガスジェネレータGGの
回転速度N I i  を、(a)に示すように、N、
、” >N目に保持している。
この状態は可変ノズルVNの開度α、を開けることによ
って実現することができる。即ち、この実施例は、可変
ノズルVNを開くことで出力タービンPTの回転速度N
2のエネルギをガスジェネレータGGの回転速度N1側
に少し持たせることにより、加速性能を一層向上させよ
うとするものである。
可変ノズルVNを開くと、出力タービンPTの回転速度
N2が少し減り、ガスジェネレータGGの回転速度N、
が上昇するが、燃料流量Gfは変わらない。
これは、同じ馬力を機関から出力させる場合に、燃料流
量Gfは前述のように無段変速装置cVTによって効率
が上昇した分だけ減っているからであり、従来と同じ燃
料流量Gfに設定するとガスジェネレータGGの回転速
度N、をその分高(できるからである。以上のような理
由から、この実施例ではアイドル時に可変ノズルVNを
開いてガスジェネレータGGの回転速度N1を高くする
と共に、出力タービンPTの回転速度N2も高くしてい
る。
このような制御において、時刻1=0以鋒で発進加速が
行われると、第6図(a)に示すようにガスジェネレー
タGGの加速時間が短くなるので、同図(ト))に示す
ように出力タービンPTの回転速度N2の加速時間が短
くなり、出力タービンPTの回転速度N2が定格回転速
度N2Rに達する時間tを1.<1+のように短くする
ことができ、加速性能が更に向上する。
なお、第1図の実施例では無段変速装置CVTを減速歯
車R/Gと自動変速器A/Tとの間に新たに設けたが、
無段変速装置CVTに減速歯車R/Gの機能を兼ねさせ
ることも可能である。第7図は無段変速装置CVTに減
速歯車R/Gの機能を兼ねさせた本発明の他の実施例で
あり、無段変速装置CVTは出力タービンPTの出力軸
と自動変速器A/Tの入力軸との間に設けられている。
この実施例の二軸式ガスタービン機関は第1図の実施例
の二軸式ガスタービン機関に比べて駆動系統が簡素化で
きる。
また、無段変速装置CVTの変速比の幅を、例えば0.
5〜6のように大きくとることができれば、第1図およ
び第7図のトランスミッションTMをも省略することが
でき、駆動機構を更に簡素化することができる。
更に、前述の実施例では出力タービンPTの出力軸と変
速装置の入力軸との間に設置する減速比を変更可能な自
動変速機構として、無段変速装置CVTを用いて説明し
たが、この自動変速機構としては無段変速装置CVTの
他に電子制御されたクラ・ンチ(湿式と乾式の両方が考
えられる)を使用することもできる。この電子制御クラ
ッチでは、クラッチの入力軸の回転速度と出力軸の回転
速度とを常に検出し、クラッチ板の滑り係合によって入
力側の回転速度と出力側の回転速度の減速比を自由に制
御可能である。
〔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
によれば、自動変速機構における減速比を運転状態に応
じて変更することにより、燃費を悪化させることなく、
二軸式ガスタービン機関搭載車両の発進直後の加速応答
性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図は本発明の二軸式ガスタービン機関の一実施例の
構成を示す構成図、 第2図は第1図の無段変速装置の一例の構成を示す断面
図、 第3図は出力タービンの効率を示す特性図、第4図は出
力タービンPTの回転速度と燃料流量の関係を示す線図
、 第5図は第1図の二軸式ガスタービン機関の制御の一実
施例を示すもので、第1図の装置の各部におけるセンサ
出力、制御出力を時間と共に示す特性図、 第6図は第1図の二軸式ガスタービン機関の制御の別の
実施例を示すもので、第1図の装置の各部におけるセン
サ出力、制御出力を時間と共に示す特性図、 第7図は無段変速装置の機関への別の取り付は方法を説
明する図、 第8図は従来の二軸式ガスタービン機関の構成を示す図
、 第9図は従来の二軸式ガスタービン機関とガソリン機関
の加速特性を比較して示す線図、第10図は第8図の二
軸式ガスタービン機関の制御特性を示す特性図である。 10・・・制御皿回路、 21・・・入力軸、 22・・・入力プーリ、 22A・・・固定フランジ、22B・・・可動フランジ
、23、27・・・アクチュエータ、 24・・・■ベルト、 25・・・出力軸、 26・・・出力プーリ、 26八・・・固定フランジ、26B・・・可動フランジ
、C・・・コンプレッサ、 CC・・・燃焼器、 CT・・・コンプレンサタービン、 CVT・・・無段変速装置、 HE・・・熱交換機、 PT・・・パワタービン、 SN+ 、SNz、 SNs・・・回転速度センサ、V
N・・・可変ノズル、

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 同軸のコンプレッサ(C)とコンプレッサタービン(C
    T)を備えたガスジェネレータ(GG)と、燃焼器(C
    C)と、可変ノズル(VN)と、別軸の出力タービン(
    PT)とを備えた二軸式ガスタービン機関において、出
    力タービン(PT)の出力軸と変速装置の入力軸との間
    に、機関の運転状態に応じて減速比を変更することがで
    きる自動変速機構を新たに設けたことを特徴とする二軸
    式ガスタービン機関。
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