JPH0472430A - ガスタービン機関の制御方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスタービン機関の制御方法に関し、特に、二
軸式ガスタービン機関の空気流量Ｇａとコンプレッサタ
ービンＣＴの入口温度Ｔ４を演算により求めて機関を制
御する制御方法に関する。

〔従来の技術〕

一軸式ガスタービン機関は、低振動、使用燃料の多様性
、大きな定速トルク等の点で、近年、自動車用機関とし
ての実用化が検討されている。第６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
針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Ａ１
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。そして
、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
した回転数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。

なお、アクチュエータＡ１、　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にはアクセルペダル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６図に示す吸気圧Ｐや温度Ｔに付
された添え字はＯ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を効率
良く制御するには、コンプレッサタービンＣＴの入口温
度Ｔ４を出来るだけ高い温度にすれば良く、このために
空気流量Ｇａと燃料流量Ｇｆを制御する必要がある。と
ころが、二軸式ガスタービン機関では、燃料流量Ｇｆは
測定可能であるが、空気流量Ｇａは測定できない。そこ
で、従来は測定したコンプレッサＣの出口圧力Ｐ３とコ
ンプレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ、により空気流ｔ
Ｇａを求めて二軸式ガスタービン機関の制御を行ってい
た（実開平１−１６６７３５号公報参照）。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、従来の二軸式ガスタービン機関の制御方
法では、コンプレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ、は分
布があり、計測が正しくできなかった。従って、従来の
制御方法では、正しくないコンプレッサタービンＣＴの
入口温度Ｔ４を用いて空気流量Ｇａを演算しているため
に、演算された空気流量Ｇａには誤差が含まれており、
燃空比から算出する燃料流量ＧｆＯ値にも誤差が含まれ
ていた。このため、従来の制御ではコンプレッサタービ
ンＣＴの溶損等の危険を伴わないように、コンプレッサ
タービンＣＴの入口温度Ｔ４の目標値を下げざるを得す
、二軸式ガスタービン機関の性能を十分に発揮させるこ
とができないという問題があった。

本発明の目的は、従来の二軸式ガスタービン機関の制御
における課題を解消し、演算によって空気流量Ｇａ及び
コンプレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ４を精度良く実
際の値に近づけることにより、二軸式ガスタービン機関
の性能を十分に発揮させることができる制御方法を提供
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は、コンプレッサＣとこれと
同軸のコンプレッサタービンＣＴ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の制御方法であって、ガスジェネ
レータＧＧの回転速度Ｎ１と、コンプレッサＣの出口圧
力Ｐ３と、コンプレッサタービンＣＴの出口圧力Ｐ、と
、燃焼器ＣＣの入口温度Ｔ３Ｓと燃料流量Ｇｆを検出す
る運転状態パラメータ検出段階と、検出した運転状態パ
ラメータＮＩ。

ｐ、、ｐ、と、燃焼器ＣＣの出口温度の仮定価Ｔ４’を
用いて、空気流量関係式から空気流量の推定値Ｇａ’を
演算する空気流量演算段階と、検出した運転状態パラメ
ータＴ：＋ｓ、Ｇｆと、空気流量の推定値Ｇａとを用い
て、燃空圧関係式から燃焼器ＣＣの出口温度Ｔ４”を演
算する温度演算段階とを備え、得られた燃焼器ＣＣの出
口温度Ｔ４”を仮定値として空気流量演算段階と温度演
算段階とを所定回数繰り返し、精度の高められた空気流
量の推定値Ｇａ’　　と燃焼器ＣＣの出口温度Ｔ、”を
用いて機関を制御することを特徴としている。

〔作用〕

本発明の二軸式ガスタービン機関の制御方法によれば、
燃焼器ＣＣの出口温度の仮定値Ｔ　、　ｌが機関の運転
状態の範囲内で設定され、この値と運転状態パラメータ
Ｎ１．Ｐ３．Ｐ５の実測値とを空気流量関係式に代入し
て空気流量の推定値Ｇａ”が演算される０次いで、運転
状態パラメータＴ３ｓ、　Ｇｆの実測値と空気流量の演
算値Ｇａ’　とを用いて、燃空比関係式から燃焼器ＣＣ
の出口温度Ｔ４”が演算される。

演算された燃焼器ＣＣの出口温度Ｔ、”は最初に仮定し
た燃焼器ＣＣの出口温度Ｔ　、　ｌよりも実際の値に近
いので、この燃焼器ＣＣの出口温度Ｔ４”を仮定値とし
て前述の演算が繰り返され、所定回の演算を繰り返して
精度の高められた空気流量の推定値Ｇａ“と燃焼器ＣＣ
の出口温度Ｔ４”を用いて二軸式ガスタービン機関が制
御される。

Ｃ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図は本発明を適用する二軸式ガスタービン機関の構
成の一例を示すものであり、第６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、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、
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
ｌ／Ｎを経て出力タービン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。Ａ１は
燃焼器ＣＣに燃料を供給するアクチューエータ、Ａ２は
可変ノズルＶＮの開度α、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の出力タービン
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に内蔵されるトルクコンバータを介して変速
機構に伝えられ、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。

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
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ＨＡ／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ガスジェネレータＧ
Ｇの回転数Ｎ１を検出する回転数センサＳＮ。

減速歯車１？／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ＳＮ、、及び車軸駆動回転数Ｎ
。

を検出する回転数センサＳＮＦのような回転数センサと
、大気温度を検出する温度センサＳＴ、、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ＨＥの出口温度７１５を検出する温度センサＳＴ、、
、パワタービンＰＴの出口温度Ｔ６を検出する温度セン
サＳＴ、のような温度センサと、コンプレ・ン＋Ｃの出
口圧力Ｐ、を検出する圧カセンサＳＰｓ、コンプレッサ
タービンＣＴの出口圧力Ｐ、を検出する圧力センサＳＰ
、のような圧力センサ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、、Ｎ、、ＮＰ、　ｐｊ、　ｐ５
．　ＴＩ）Ｉ　７３５゜Ｔ６やアクセルペダルからのア
ナログ信号θｉｃｃ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Ａ２に対して可変ノズルＶＮの開度を指示する
信号α５、トルクコンバータのロックアツプクラッチの
オンオフを指示する信号Ｓ３、変速機構の変速信号Ｓ、
、Ｓ、やスロットルワイヤ信号θい等が出力される。

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、＠種回路１０はコンプレッサタービンＣＴの入口温
度Ｔ４と空気流量Ｇａとを検出した機関の運転状態パラ
メータを基に演算によって算出して機関の制御を行う。

この過程を第２図のフローチャートを用いて説明する。

ステップ２０１では機関の運転状態パラメータとして、
ガスジェネレータＧＧの回転速度Ｎ０．コンプレッサＣ
の出口圧力Ｐ３＋コンプレッサタービンＣＴの出口圧力
Ｐ　Ｓ＋燃焼器ＣＣの入口温度Ｔ３１．及び、燃料流量
Ｇｆを読み込む。続くステップ２０２ではコンプレッサ
Ｃの出口圧力Ｐ３の値から、弐Ｐ、＝ｒ（Ｐｉ）の関係
式を用いてコンプレッサタービンＣＴの入口圧力Ｐ４を
演算により求める。

そして、ステップ２０３において二軸式ガスタービン機
関が加速状態か否かを判定し、加速状態の時（ＹＥＳ）
はステップ２０４に進み、加速状態でない時（ＮＯ）は
ステップ２０８に進む。まず、機関が加速状態の時の制
御について説明する。

機関が加速状態の時は、コンプレッサタービンＣＴの入
口温度Ｔ４が所定温度になるように燃料を噴く制御がな
される。即ち、機関が加速状態の時は、制御側からコン
プレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ４を与えることがで
きる。従って、ステップ２０４においては、このコンプ
レッサタービンＣＴの入口温度Ｔ４として例えば、１２
００℃を与える。次いで、ステップ２０５ではＴ、　＝
１２００°Ｃとして式、Ｇａ＝ｆ（Ｎ　、、　Ｐ　、、
　Ｐ　Ｓ、　ＪＴ、　”）を用いて空気流量Ｇａを演算
する。この演算は予め続出専用メモリＲＯＭにマツプの
形で記憶したＰ４／Ｐ５とタービン容量Ｑ４の関係式（
第３図）に基づいて行われる。続くステップ２０６は後
述する収束演算用カウンタＣ■の値をクリアするもので
あり、ステップ２０７は現在のコンプレッサタービンＣ
Ｔの入口温度Ｔ４の価をＴ４＋とじて記憶しておくため
の処理である。

このようにして、機関の加速時はコンプレッサタービン
ＣＴの入口温度Ｔ４と空気流量ＧａＯ値を得ることがで
きるので、これらの値を用いて機関を制御できる。

次に、機関が定常時の制御について説明する。

機関の定常時は回転数制御が行われるので、燃料流量Ｇ
ｆの値はステップ２０１によりＧｆとして実測値を得る
ことができるが、コンプレッサタービンＣＴの入口温度
Ｔ４と空気流量Ｇａの値が不明である。

そこで、ステップ２０８からステップ２１５において、
コンプレッサタービンＣＴの人口温度Ｔ４と空気流量Ｇ
ａＯ値を演算により求める。

ステップ２０８においては、コンプレッサタービンＣＴ
の入口温度Ｔ４の値として所定値を仮定すると共に、仮
定したコンプレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ４と燃焼
器ＣＣの入口温度Ｔａｓとの差ΔＴ４を温度上昇分とし
て演算する。この実施例では前回のこのルーチンにおけ
るコンプレッサタービンＣＴの入口温度−１−、＋をコ
ンプレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ４とする。

次いで、ステップ２０９において仮定したコンプレッサ
タービンＣＴの入口温度Ｔ４”を用いてステップ２０５
と同様に空気流量ＧａＯ値を演算により求める。そして
、ステップ２１０においてステップ２１０で検出した燃
料流量ＧｆＯ値とステップ２０９で演算した空気流量Ｇ
ａの値とを用いて燃空比Ｇｆ／Ｇａ＝ＦＡを演算する。

この後、続出専用メモリＲＯＭにマツプとして予め記憶
させておいたＦ＾−ΔＴ４の特性曲線（第４図）とステ
ップ２１０で演算した燃空比ＦＡとからこのときのΔＴ
、を演算して求める。

温度上昇分ΔＴ４はコンプレッサタービンＣＴの入口温
度Ｔ４と燃焼器ＣＣの入口温度Ｔｚｓとの差であるので
、ステップ２０１で読み込んだ燃焼器ＣＣの入口温度Ｔ
ｉｓとΔＴ４からこのときのコンプレッサタービンＣＴ
の入口温度Ｔ４をＴ４”として演算により求める。そし
て、ステップ２１３において収束演算用カウンタＣＩの
値を１だけインクリメントしてステップ２１４に進み、
ここでステップ２１２で演算したコンプレッサタービン
ＣＴの入口温度Ｔ４”をＴ４“とじて読書可能メモリＲ
Ａ？Ｉに記憶する。

ステップ２１５はステップ２１３でインクリメントした
収束演算用カウンタＣＩの値が所定値、例えば３を超え
たか否かを判定する。そして、ＣＩ≦３の場合（ＮＯ）
はステップ２０８に進んで、以上説明したステップ２０
８からステップ２１５の手順を繰り返す。

一方、ＣＩ＞３の場合（ＹＥＳ）は演算値の精度が十分
であるとしてステップ２１６に進み、コンプレッサター
ビンＣＴの入口温度Ｔ４の値を演算して求めた［Ｔ、’
とする。そして、ステップ２１７で収束演算用カウンタ
Ｃ１の値をクリアしてこのルーチンを終了する。

このように機関が定常状態にあると判定された時は、コ
ンプレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ、の値を仮定し、
この仮定値と実際に検出した機関の運転状態パラメータ
から空気流量Ｇａを演算し、演算した空気流量ＧａＯ値
と機関の運転状態パラメータとからコンプレッサタービ
ンＣＴの入口温度Ｔ４を演算により求める。そして、こ
の演算によって求めたコンプレッサタービンＣＴの入口
温度Ｔ４を新たな仮定値として再度空気流量Ｇａとコン
プレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ４を演算する。この
手順の所定回数の繰り返しにより、演算された空気流量
ＧａとコンプレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ４は実際
の値に近い値となるので、この演算値を用いて二軸式ガ
スタービン機関を制御できる。

ここで、ステップ２０８からステップ２１５における手
順で求めたコンプレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ４と
空気流量Ｇａが真の値にほぼ等しくなる理由について説
明する。

第３図のＰ、／ｐｓ−Ｇ４特性において、タービン容量
Ｑ４の真価が点Ａであり、既知の機関の運転状態パラメ
ータがＰ、、Ｐ５およびＮ、であった場合について考え
てみる。仮に、コンプレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ
４の仮定値下４′を真価Ｔ４より大きく仮定した場合、
Ｎ、／ＪＴ、’の値は真の値よりも小さくなる。ここで
、ｐ、／ｐｓは既知であるので、タービン容ＩＱ、は真
のＱ、より大きく計算され、例えば、第３図の点Ｂのよ
うに計算される。

このように、Ｑ４＝Ｇ、ＪＴ、／Ｐ、で表されているＧ
４が大きくなると（但し、Ｇ４は燃焼器ＣＣの出口流量
）、仮定値Ｔ４”を基にして計算で求められるＧ４’は
実際よりも大きく計算される。即ち、ＮＩ＋Ｐ４．Ｐｓ
が既知で７４’　＞　Ｔ　４の場合は、Ｇ４′＞Ｇ、と
なる、従って、仮定値Ｔ　４１を基にして求められる燃
空比ＦＡ”　＝Ｇｆ　／Ｇ、”は、実際の燃空比ＦＡよ
りも小さくなる。すると、第４図から、実際よりも小さ
い燃空比ＦＡ’　より求められるΔＴ４も実際の値より
も小さくなる。そして、ΔＴ、＝Ｔ＝　　ＴｘｓでＴ３
Ｓは既知であるので、真（Ｉ！Ｔ　ａより大きい仮定値
Ｔ４’を基にして計算で求められる演算値Ｔ４”は仮定
値Ｔ　、　Ｉよりも小さくなって真価Ｔ４に近づくこと
になる。

従って、この演算値Ｔ４”を仮定値として以上の手順を
繰り返せば、次に得られる演算値Ｔ４”は更に真のコン
プレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ４に近づく　（収束
する）ことになる。そして、真価に近いコンプレッサタ
ービンＣＴの入口温度Ｔ４で演算した空気流量Ｇａも真
価に近いことになる。なお、最初のコンプレッサタービ
ンＣＴの入口温度の仮定値Ｔ　４’を真価よりも小さく
した場合には、前述の大小関係が逆になり、演算された
コンプレッサタービンＣＴの入口温度１−　、　＋は逆
に大きくなって真価に近づく　（収束する）ことになる
。

第５図は以上の演算（収束演算）の回数とコンプレッサ
タービンＣＴの入口温度Ｔ４の誤差との関係を示したも
のである。実線はコンプレッサタービンＣＴの入口温度
の仮定値Ｔ　、　Ｉの値を、真値下。

よりも遥かに太き（仮定した場合の演算回数と誤差の値
を示すものであり、破線はコンプレッサタービンＣＴの
入口温度の仮定値１−　、　ｌの値を、真（Ｊ　Ｔ　ａ
よりも僅かに大きく仮定した場合の演算回数と誤差の値
を示すものであり、−点鎖線はコンプレッサタービンＣ
Ｔの入口温度の仮定値Ｔ４”の値を、真値Ｔ４よりも遥
かに小さく仮定した場合の演算回数と誤差の値を示すも
のである。この図より、収束演算の回数は其はど多く行
わなくても、仮定した値が真価に近づくことが分かる。

よって、前述のフローチャートにおけるステップ２１５
では、演算回数を３回に留めているのである。

以上より、コンプレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ４を
真価より大きく、或いは小さく仮定した場合でも、仮定
値を用いて演算して得られるコンプレッサタービンＣＴ
の入口温度の演算値Ｔ、ｌは、演算を繰り返すほど収束
値、即ち、真価に限り無く漸近していく。よって、以上
のような手順で演算された真価に近いコンプレッサター
ビンＣＴの入口温度Ｔ４と空気流量Ｇａを用いて二軸式
ガスタービン機関の制御を行えば、機関の性能を十分に
発揮させることができる。

〔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
の制御方法によれば、コンプレッサタービンＣＴの入口
温度Ｔ４の計測を行うことなく、精度の高い空気流量Ｇ
ａとコンプレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ４とを演算
により求めることができるので、コンプレッサタービン
ＣＴの入口温度を計測するセンサが不要であり、二軸式
ガスタービン機関の性能を十分に発揮させることができ
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を適用する二軸式ガスタービン機
間の構成を示す全体概要図、 第２図は本発明の手順を示すフローチャート、第３図は
Ｑ、−Ｐ、／Ｐ、特性を示す線図、第４図はＦ＾−ΔＴ
４特性を示す線図、第５図は収束演算回数とコンプレッ
サタービンＣＴの入口温度の誤差との関係を示す特性図
、第６図は従来の二軸式ガスタービン機関の構成を示す
構成図である。 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・・・熱交換機、 ＰＴ・・・パワタービン、 ＳＮ、・・・回転数センサ、 ＳＴ３．５Ｔｆｆｓ、　ＳＴｂ’＝温度センサ、ｓｐ３
．　ｓｐ、・・・圧力センサ、 νＮ・・・可変ノズル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 コンプレッサ（Ｃ）とこれと同軸のコンプレッサタービ
   ン（ＣＴ）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
   タービン機関の制御方法であって、 ガスジェネレータ（ＧＧ）の回転速度（Ｎ＿１）と、コ
   ンプレッサ（Ｃ）の出口圧力（Ｐ＿３）と、コンプレッ
   サタービン（ＣＴ）の出口圧力（Ｐ＿５）と、燃焼器（
   ＣＣ）の入口温度（Ｔ＿３＿５）と燃料流量（Ｇｆ）を
   検出する運転状態パラメータ検出段階と、 検出した運転状態パラメータ（Ｎ＿１、Ｐ＿３、Ｐ＿５
   ）と、燃焼器（ＣＣ）の出口温度の仮定値（Ｔ＿４′）
   を用いて、空気流量関係式から空気流量の推定値（Ｇａ
   ′）を演算する空気流量演算段階と、 検出した運転状態パラメータ（Ｔ＿３＿５、Ｇｆ）と、
   空気流量の推定値（Ｇａ′）とを用いて、燃空比関係式
   から燃焼器（ＣＣ）の出口温度（Ｔ＿４″）を演算する
   温度演算段階とを備え、 得られた燃焼器（ＣＣ）の出口温度（Ｔ＿４″）を仮定
   値として空気流量演算段階と温度演算段階とを所定回数
   繰り返し、精度の高められた空気流量の推定値（Ｇａ′
   ）と燃焼器（ＣＣ）の出口温度（Ｔ＿４″）を用いて機
   関を制御することを特徴とするガスタービン機関の制御
   方法。