JPS5949411B2 - ガスタ−ビン制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はポンプ、圧縮機、発電機のような被駆動装置
を１軸タービンで定回転駆動するガスタービン制御装置
に関し、２軸またはそれ以上の多軸のフリータービン式
ガスタービンで車両駆動するような可変速度の場合にも
適用し得るガスタービン制御装置に関するものである。

ガスタービンは主としてタービン部分の、安全温度限界
内で、最大限の出力を発生させたいので、圧縮機入口空
気温度Ｔ１の推移に応動して変動する出力定格、すなわ
ち、Ｔ１バイアス付出力定格を定める場合が多い。

即ち、Ｔ１の推移に関係しないＴ１フラット定格を定め
る場合には、タービン部分の温度が最も高くなるＴ１最
大の時の出力が、定格出力となり、低いＴ１においては
、タービン部分の温度が低下するので、ガスタービンの
出力発生能力に余裕のある状態で使用することとなり、
換言すれば、Ｔ１が低い時にガスタービンの能力限界ま
で使用しないので、不経済となる。第１図にＴ１バイア
ス付定格を例示し、同図中、横軸はＴ１で、縦軸は出力
ＰＳである。曲線ａは連続定格出力曲線で、連続的に使
用してもガスタービンの予定寿命が影響されない出力上
限値、曲線ｂは曲線ａよりも１０％程度高い水準にある
最大出力限界曲線で、直ちに危険ではないが、予定寿命
に影響し、一定の使用時間制限をもうけて、運転が許可
される。

曲線Ａ，ｂは、個々の設計されたガスタービン毎に異な
るが、右下りの傾斜が、たとえばＴ１＝１０゛Ｃの上昇
に対し、ＰＳの低下は１０％程度となる。

このようなガスタービンにおいて、曲線ａ以下の出力状
態、即ちＡ領域では自由な使用を許し、曲線ａとｂの間
のＢ領域では、運転状態がその領域に突入したならば、
先ず警報を発し、被，駆動装置あるいはさらにその負荷
装置の制御部に負荷軽減の自動操作を開始させる信号を
発信し、それでもなお一定時間、Ｂ領域内に運転状態が
とどまるならば、ガスターピンの出力を曲線ａ上又は、
その近傍に引き下げ、なお、十分に低水準に負荷状態が
下がらない場合は、ガスタービンを遮断停止し、曲線ａ
の上方のＣ領域に運転状態を突入させない自動的な出力
水準制御装置の具体的な方法を提供する。

この制御装置は、ガスタービンとその被駆動装置の用途
が、緊急非常時等に使用される場合に上記したＢ領域内
での自動的運転制限を解除し、さらに、自動遮断停止機
能の停止を可能にするのに、操作及び、構成部材のいず
れもが簡単で経済的に行ない得るものであり、さらにま
た被駆動装置の都合で、Ｔ１フラツト定格にするにも、
同じく簡５単、経済的になし得るものとしてある。

大気圧力変動の少ない環境で使用される例えば定置され
たガスタービンにおいては、ガスタービンの出力は燃料
流量ＷＦによつてほぼ定まり、第１図の曲線ａ及びｂは
、第２図の燃料流量曲線ａ″こ及びＢ５に置換できる。

第２図の曲線Ａ５は連続定格燃料流量ＷＦＲ曲線、曲線
ｂ′は最大限界燃料流量ＷＦＭＸ曲線と仮称する。

曲線ａ″と曲線ｂ″の示す燃料流量差は以後Ｘで代表呼
称する。 ４以下、この発明の実
施例を図面にしたがつて説明する。第３図において、外
部装置（図示せず）から燃料流ｄは、ポンプ１で加圧さ
れ、流量計量弁装置２の流入口２ａに流入し、弁開閉軸
３の弁開角φによつて定まつた燃料流量ＷＦが、流出口
２ｂより、今開らかれている遮断弁４を通過して、最終
的にはガスタービン１００の燃焼室１０１内に噴射され
て燃焼される。なお、１０２は圧縮機、１０３はタービ
ン、１０４は発電機のような被駆動装置である。２ｃは
ポンプ１による吐出流量とＷＦの差即ち余じようの燃料
流を、ポンプ１の入口側に帰還させるバイパスロである
。

５は、最小値選択機で、回転自由の出力軸６は、弁開閉
軸３に軸結されており、受板部７が設けてある。

８は出力軸６に常時弁開方向に開弁させるようにばね力
を付勢しているスプリングである。

９はガスタービン１００を減速する時、失火を防止する
ための減速燃料流量ＷＤＥＣを定める目的の減速レバー
であるが、図示以外の方法によつてもさしつかえないも
のである。

１０は調速レバー、１１は出力上限レバー、１２は加速
レバーで、いずれも入力レバー軸１３の回りに各々独立
に回転自在な信号入力レバーである。

弁開角φ、即ち燃料流量ＷＦは上記３個の信号入力レバ
ー１０，１１，１２のうちの最下位のもので決定される
。２０は調速機で、回転検出器２１、回転設定器２２、
調速演算器２３、信号一角度位置変換機２４からなり、
連結棒２５を介して、調速レバー１０と連結されガスタ
ービン１００の調速機能をはたす公知のものである。

３０は回転変換機で、回転一油圧力変換機３１及び油圧
カー位置変換機３２より成り、加速レバー１２と連結さ
れていて、急加速時の圧縮機１０２のサージ防止のため
の加速燃料流制限及び、前記減速レバー９との組合せに
よつて、急減速時における失火防止のための減速燃料制
限機能をはたす公知のものである。

４０は電動サーボ式の出力上限設定機、４１は電動サー
ボ作動機で、電動機４２で歯車機構４３を介して、回転
駆動される作動機レバー４４と、今１つの歯車機構４５
を介して、ワイパー４６が回転駆動されるポテンシオメ
ータ４７を有し、連結棒４８を介して出力上限レバー１
１の位置決めを行なう。

５０は定電圧発生器、５１，５２は低燃料流量信号電圧
ＥＰＰをＭ点に発生させる非感温抵抗体よりなる抵抗分
圧型の低然料流量信号発信器、５３，５４，５５は同じ
く非感温抵抗体よりなる抵抗分圧型の高燃料流量信号発
信器で、Ｎ点に高燃料流量信号電圧ＥＰＦを発生させる
ようになつている。

５６，５７は同じく抵抗分圧型のＴ１信号発信器で、５
６はガスタービン１００の圧縮機１０２の流入空気中に
配置されたＴ１検出用の感温抵抗体、５７は非感温抵抗
器であり、０点にＴ１信号電圧ＥＴｌを発生させるもの
である。

６０はＯ点のＴｌ５信号電圧ＥＴｌを受けて上限出力Ｔ
１補正信号電圧ＥＴＢを発生出力するＴ１増巾器、６１
は起動燃料積分器、６２は加算器で、３つの入力端子６
２ａ，６２ｂ，６２ｃから受けた入力信号を加算して上
限出力燃料信号Ｅを出力端子６２ｄに出１Ｃ力する。

６３は電気サーボ増巾器で、正入力端子６３ａと負入力
端子６３ｂと電動機４２に電気接続された出力端子６３
ｃを有する。

７０は第１起動燃料継電器８４の常開接点、７１はその
常閉接点、７２は第２起動燃料継電器１．８５の常開接
点、７３はその常開接７へ ７４は出力上限変更継電器
９８の常開接点である。

８０はガスタービンの起動指令器で、起動スイツチ８１
、停市スイツチ８２、起動指令演算器８３及び前記の第
１起動燃料継電器８４の励磁コイル９６及び２第２起動
燃料継電器８５の励磁コイル９７とその他の図示してい
ない保安その他の機能器を含むものよりなつている。

１４は近接検出器で、出力上限レバー１１に取りつけら
れ、受板部７と出力上限レバー１１の相乏互関係が第２
図で説明した燃料流量差Ｘ以内に相接近した時、近接信
号を発信するものである。

９０は近接信号積分器、９１は負荷水準判定器、９２は
前記した出力土限変更継電器９８の励磁コイル、９３は
警報発信器、９４は遮断弁４の制御．′器、９５はガス
タービン１００の被駆動装置１０４の負荷制御装置であ
る。

つぎに、上記構成の作動について説明する。

調速機２０の回転設定器２２は定格回転の１００％回転
に設定してあるからガスタービン回転が１００％に達す
るまでは調速レバー１０は開きうる最大限の位置ＷＧＭ
Ｘにあり、１００％回転の近傍で急しゆんな推下線をた
どり調速作動を行なう。もし、さらに回転が上昇した場
合には閉じうる最低限の低位置ＷＧＭＮにとどまる。こ
れらは第４図において、曲線ＷＧで示されている。回転
変換機３０１加速レバー１２および減速レバー９からな
る加速燃料流量制限及び減速燃料流量制限はそれぞれガ
スタービンの圧縮機サージ及び燃焼の失火を防『する回
転速度に関連した曲線ＷＡＣＣ及びＷＤＥＣで示されて
いる。出力上限設定機４０は、起動指令器８０と関連し
て時間経過的に作動される。

起動スイツチ８１が作動させられると、起動指令演算機
８３は、ガスタービンの起動機（図示せず）、点火栓系
統（図示せず）遮断弁制御器９４に作動開始信号を伝送
するとともに、第１燃料継電器８４の励磁コイル９６を
励起し、その常開接点７０を閉じ、常閉接点７１を開と
する。Ｍ点の低燃料流量信号電圧ＥＰＰが起動燃料積分
器６１の入力端子６１ａに印加され、出力端子６１ｂに
は時間経過とともに増大する起動燃料流量信号電圧ＥＰ
Ｓが出力され、次の加算器６２の第１の入力端子６２ａ
に伝送される。

加算器６２の他の入力端子６２ｂ及び６２ｃには未だ入
力がないので、電圧ＥＰＳはそのまま出力端子６２ｄに
出力され、電気サーボ増巾器６３の正入力端子６３ａに
伝送される。もう１つの電気サーボ増巾器６３の負入力
端子６３ｂにはポテンシヨメータ４７のワイパー４６の
電圧が、作動機レバー４４に対応した信号電圧を印加さ
れており、出力端子６３ｃの出力が、次の電動機４２に
接続されているので、電圧ＥＰＰの時間経過に応じて、
出力上限レバー１１を燃料流量ＷＦ増大の方向に駆動し
、ガスタービン１００の回転が上昇を続ける。ガスター
ビンの回転があらかじめ定めたＮ１回転に達した時、回
転検出回路（図示せず）からの回転信号を受けた起動指
令演算器８３は第２起動燃料継電器８５の励磁コイル９
６を励磁し、その常開接点Ｒ２，ｒ３を閉じる。これに
よつて、Ｎ点の高燃料流量信号電圧ＥＰＦは加算器６２
の入力端子６２ｂに印加し、同時にＴ１増巾器６０によ
つて発生されている上限出力Ｔ１補正信号電圧ＥＴＢを
同じく入力端子６２ｃに印加するから、加算器６２の出
力端子６２ｄには、これらの加算された信号電圧が出力
され、その結果、出力上限設定機４０は高い燃料流ＬＷ
ＳＦ位置に出力上限レバー１１を設定する。

ガスタービンは加速を続け、１００％回転に達した時、
前記したごとく調速機２０の調速動作状態となり、それ
まで主として出力上限レバー１１によつて定められてい
た弁開角φは調速レバー１０によつて定まるようになり
、その時の被駆動装置１０４の負荷状態は通常、相当低
い状態にあるから、燃料流量ＷＦはＷＳＦより少なくと
も前記したＸもより低い。上に述べた調速動作状態に入
るまでは、出力上限レバー１１は受板７に接しているか
ら、近接検出器１４は近接信号を発しており、負荷水準
判定器９１の働きによつて出力上限変更継電器９８の励
磁コイル９２は励磁されており、その常開接点７４は閉
じているが、調速動作状態に入つて、燃料流量ＷＦｌ）
′ＷＳＦよりもＸ以上低い状態となれば、近接検出器１
４の近接信号が消失し、近接信号積分器９０の働きで所
定の時間を経過した後、負荷水準判定器９１が励磁コイ
ル９２の励磁を開放し常開接点７４は開となる。

そのためにＮ点の高燃料流量信号電圧ＥＰＦが最終的な
燃料流量に換算してＸだけ増大するように抵抗体５３，
５４及び５５の抵抗値を選択してあり、その結果、出力
土限レバー１１は、ＷＳＭＸの位置まで移動する。

この場合、第４図のＷＳＭＸ及びＷＳＦは第２図のＷＦ
ＭＸ及びＷＦＲにそれ二ぞれ一致するものとしてある。
以上に述べた諸変数の時間的変化を第５図に示す。

出力上限レバー１１の作動は時間経過に関連したもので
あるが、被駆動装置１０４の起動中の負荷条件が定まる
ならば、回転上昇の時間的経過２も定まるから、出力上
限レバー１１の作動を回転速度に関連づけることができ
る。第４図の曲線ＷＳはこのようにして得られた出力上
限レバー１１の作動を最終的な燃料流量に変換して示し
たものである。

第４図において実際の３起動中の燃料流量ＷＦはＥ，ｆ
，ｇ，ｈ，ｉ，ｊ，ｋの経路をたどる。上記実施例にお
ける変形手段としてつぎのようなものが案出される。

出力上限設定機４０の起動燃料積分器６１がない場合は
第４図に示した起動３．中の燃料流量ＷＦ等の変せんは
多少異なり、第６図に示すとおりとなるが、起動中のタ
ービン部のより急激な温度上昇率を許るし、より速みや
かな起動が可能となり、両者の得失は相半ばするところ
となる。 ４
，さらに起動指令器８０における第１起動燃料継電器８
４の励磁コイル９６を除去して、第１起動燃料継電器８
４の励磁コイル９６の個所に第２起動燃料継電器８５の
励磁コイル９７を接続し、５１と５２で示す低燃料流量
信号発生器５１，５２を取り去り、各接点７０，７１お
よび起動燃料積分器６１も取り去つた場合には、さらに
速みやかな起動が可能となるがタービン１０３の温度上
昇は許し得る最大限度のものとなり、目的によつては、
より望ましいものとすることもできる。この場合の起動
中の燃料流量ＷＦ等の変せんを第７図に示す。ここに述
べた変更は、この発明の関連要素をなすが、基本的なも
のではないことは容易に理解されるであろう。土述した
起動が完了し、定回転運転しているガスタービン１００
において、Ｔ１が例えば上昇した場合、感温抵抗体５６
の電気抵抗値が大となるか呟０点のＴ１信号電圧ＥＴｌ
は低下し、Ｔ１増巾器６０からの出力である上限出力Ｔ
１補正信号電圧ＥＴＢが低下する。

したがつて、加算器６２の出力する上限出力燃料信号Ｅ
が低下し、出力上限レバー１１がＴ１上昇に応じて引下
げられる。この時のＴ１と出力上限レバー１１の関係は
第２図の曲線ｂ″に示すＷＦＭＸに一致するようにして
ある。次に、定回転運転中に、被駆動装置１０４の負荷
が増大したならば、調速機２０の働きにより、一定回転
を維持するために燃料流量ＷＦが増大される。この増大
された燃料流量ＷＦが第１図のＢ領域に突入したならば
、近接検出器１４が近接信号を発生し、近接信号積分器
９０の積分動作によつて所定の時間的なおくれをもつて
、次の負荷水準判定器９１の入力端子９１ａに伝達され
る。負荷水準判定器９１は直ちに出力端子９１ｂを通じ
て警報発信器９３の入力端子９３ａに伝達し、警報装置
（図示せず）を作動させ、あるいは、さらに被駆動装置
１０４の負荷制御装置９５の入力端子９５ａ伝達し、負
荷軽減機能を行なわせるなどをするものである。同時に
、負荷水準判定器９１はタイマー装置を備えているから
、これを発動させ、時間経過が第１図のＢ領域内で許容
される限界時間に等しい第１の時間が経過後に、励磁コ
イル９２を励磁し、常開接点７４を閉じ、Ｎ点の高燃料
流量信号電圧ＥＰＦを引き下げ、加算器６２の出力端子
６２ｄの土限出力燃料信号Ｅを引き下げるから、出力上
限設定機４０は出力上限レバー１１を弁閉方向に引き下
げる。この引き下げられる量は第２図のＸになつており
、引き下げられた出力上限レバーの位置は、弁開角φを
介して燃料流量ＷＦに換算して第２図のＷＦＲ曲線Ａ５
となつているので、ガスタービン１００の出力水準は強
制的に第１図の曲線ａまで低下させられる。近接検出器
１４と受け板７との相対位置関係はまだ近接信号の発信
を続けている状態にあるから、負荷水準判定器９１の警
報動作及び負荷軽減動作も続行している。もし、負荷制
御装置９５による自動操作、あるいは警報にもとずく手
動操作で負荷軽減量が燃料流量ＷＦを第２図のＷＦＲ曲
線ａ″よりさらにＸ低位の水準以下となる量を越える以
前に、負荷水準判定器９１のタイマー装置の第２の時間
を経過したならば出力端子９１ｃに信号を発信して、遮
断弁制御器９４の入力端子９４ａに伝達し、遮断弁４を
閉としてガスタービン１００を停止させるようにしてあ
る。

負荷水準判定器９１は、さらに、入力端子９１ａの入力
信号が消失した時は、すべての機能を復帰するようにな
つているから、その第１の時間以内に燃料流量ＷＦが第
２図のＷＦＲ曲線Ａ５以下となるか、第２の時間以内に
燃料流量ＷＦがＷＦＲ−Ｘ以下となつた場合は、近接検
出器１４の近接信号が消失し、近接信号積分器田によつ
て、ある時間おくれをもつて出力上限レバー１１は第２
図のＷＦＭＸ曲線ｂ′に復帰する。近接検出器１４が取
り付けられている出力上限レバー１１の動きは出力上限
設定機４０が電動サーボ作動機であるので、振動もなく
滑らかであるのに対し、近接信号積分器９０のもう１つ
の働きは受板７が振動的であるから、検出信号が多くの
振動成分を含むので、これを積分演算して滑らかな信号
と化し、関連する系統の動作を安定なものとするもので
あるので、完全な積分動作が要求されるものでもなく、
近似的に、積分機能をはたせば良い。第３図に示した各
継電器８４，８５，９８は電磁接点型であるが、無接点
のものであつても何らさしつかえない。

同様に、流量計量弁装置２、最小値選択機５、調速機２
０、回転変換機３０のいずれも第３図に示すところに完
全に一致した構造を有するものである必要はなく、各々
他の公知のものが適用できる。なお、前に述べた緊急非
常時に使用する場合、第１図のＢ領域内での自動的な運
転制限動作を解除するためには、第３図のＵ点に開閉接
点を挿入しこれを開としておき、運転制限操作を運転監
視員の手動操作に依存すれば良い。

自動遮断停市機を停市させるには、Ｖ点に開閉接点を挿
入し、上記同様とすれば良い。又Ｔ１フラツト定格とＴ
１バイアス定格の切換え可能なものとするには、感温抵
抗器５６を排感温抵抗器に置換すればよい。さらに、永
久的にＴ１フラツト定格とするには、各信号発生器５６
，５７、増巾器６０を取り去れば良い。以上のいずれの
変更方法も、簡単な改造によつて行なうことができ、初
期の目的に合致する。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第４図ないし第７図は諸特性図、第３
図はこの発明に係るガスタービン制御装置の一例を示す
プロツク系統図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ガスタービンに燃料を加圧供給する燃料加圧供給源
   １と、ガスタービンに対する供給燃料の流量制御弁機構
   ２と、ガスタービンを指令された一定回転に回転保持す
   るための調速機２０と、ガスタービンの出力水準が連続
   定格出力曲線の上下領域のいずれにあるかを判別する出
   力水準判別器９１と、定格回転における燃料流量の上限
   値を指令する最大燃料流量信号発生器５１と、圧縮機１
   ０２の入口空気温度Ｔ＿１を検出して最大燃料流量信号
   に加算される温度補正信号を発生する補正信号発生器５
   ６、５７、６０と、上記両信号発生器からの出力信号を
   加算する加算器６２と、加算器６２の出力が印加されて
   最少値選択機５の出力上限レバー１１の位置を設定する
   出力上限レバー操作機構４１、６３と、連続定格出力曲
   線以上への燃料流量の増大時に回転する出力上限レバー
   １１の限界位置を検出し出力水準判別器９１に一定の負
   荷増大信号を伝達する検出器１４と、連続定格出力曲線
   を越えた出力領域において出力水準判別器９１からの信
   号を受け負荷増大の警報を発信する警報発信器９３と、
   連続定格出力曲線を越えた出力領域において出力水準半
   別器９１からの信号を受け定格回転時に増大したターピ
   ンへの負荷を低く制御する信号を発信する負荷軽減用の
   発信手段と、定格回転時における連続定格出力曲線を越
   えた時点から一定時間経過後に加算器６２からの上限出
   力燃料信号Ｅを引き下げて出力上限レバー１１を弁閉方
   向に制御する制御回路とを具備してなることを特徴とす
   るガスタービン制御装置。