JPS624540B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ガスタービンの起動時燃料制御装置
の改良、ことに車両用のこの種装置の起動時燃料
制御回路に関する。

第１図および第２図は従来の熱交換器付二軸ガ
スタービンとその制御装置を示している。すなわ
ち、従来の二軸ガスタービンにおいては、大気か
らの空気をコンプレツサ１で圧縮し、熱交換器４
で排気熱により加熱して燃焼器５に導く。燃焼器
５には燃料ポンプ８からの燃料を、燃料調整弁駆
動機構７により制御される燃料調整弁６を介して
供給し、ここで燃焼せしめる。燃焼器５で生成す
る燃焼ガスはまずガスゼネタービン（以下、ガス
ゼネと略す）２を駆動し、次にバリアブルベーン
９を介してパワータービン３を駆動した後、熱交
換器４を介して排出される。パワータービン３の
出力軸は負荷１１にリンクされている。なお、参
照番号１３はガスゼネ回転数設定器、１４はガス
ゼネ回転数検出器、１５はパワータービン回転数
検出器、１６はガスゼネ入口温度検出器、１７は
コンプレツサ吸気温度検出器、１０はバリアブル
ベーン駆動機構である。この二軸ガスタービンの
制御は上述の燃料調整弁駆動機構７およびバリア
ブルベーン駆動機構１０で行なわれ、これらはコ
ンバータ１８，１９を介して燃料・バリアブルベ
ーン制御装置２０で制御される。この制御装置の
詳細は第２図に示される。

燃料・バリアブルベーン制御装置２０は、アク
セルペダル１２（第１図参照）の踏込み程度に応
じてガスゼネ回転数設定器１３より出力される定
常運転時ガスゼネ回転数設定値Ｎ_G ^*と、ガスゼ
ネ回転数検出器１４から得たガスゼネ回転数測定
値Ｎ_Gと、パワータービン回転数検出器１５から
得たパワータービン回転数測定値Ｎ_Pと、ガスゼ
ネ入口温度検出器１６から得たガスゼネ入口温度
T₇の測定値T₇と、コンプレツサ吸気温度検出器
１７から得たコンプレツサ吸気温度T₁の測定値
T₁とを入力して、吸気温度補正を含む適当な制
御演算した後、起動時あるいは通常運転時のバリ
アブルベーン開度指令VGおよび燃料流量指令Gf
を出力する。これらの指令信号はそれぞれコンバ
ータ１９および１８にて操作信号に変換されてバ
リアブルベーン駆動機構１０および燃料調整弁駆
動機構７に供給される。この燃料・バリアブルベ
ーン制御装置２０は、上記のように２つの指令を
出力する機能を持つが、特に車両用ガスタービン
向きとしては次の機能が具備されている。すなわ
ち、 (1) 低燃費を維持できるように計画したガスゼネ
入口温度および燃料計画線上で、定常時の運転
を行なう。

(2) 急加減速性能を向上させる。

(3) 過大な燃料投入による、ガスタービン材料の
オーバヒート防止、およびパワーのアンバラン
スによる回転部のオーバスピードの防止。

燃料・バリアブルベーン制御装置２０は、第２
図に示すように、ガスゼネ回転数測定値Ｎ_Gを受
けて起動時燃料計画線Ｇ_fSOを出力する起動時燃
料流量設定器２１と、ガスゼネ回転数測定値Ｎ_G
およびコンプレツサ吸気温度測定値T₁を受けて
定常運転時ガスゼネ入口温度T₇ ^*を出力する関
数発生器（ガスゼネ入口温度計画線）２２と、ガ
スゼネ入口温度測定値T₇を受けて位相進み補償
したガスゼネ入口温度Ｔ_7Cを出力する進み補償回
路２３と、関数発生器２２および進み補償回路２
３の出力を比較する比較器２４と、この比較器２
４の出力を受けてオーバ・ヒート防止用燃料減量
指令ΔＧ_fOHを出力するオーバ・ヒート防止用調
節器２５と、この調節器２５と起動時燃料流量設
定器２１との出力を受けて起動時燃料流量指令Ｇ
_fSを出力する加算器２６と、燃料信号切換スイツ
チ２７と、ガスゼネ回転数測定値NGを受けて燃
料信号切換スイツチ２７の運転モード切換信号Ｓ
_GTを出力する運転モード切換判定回路２８と、信
号Ｎ_G ^*，Ｎ_G，Ｎ_P，T₇，T₁を受けて燃料流量指
令Ｇ_fAおよびバリアブルベーン開度指令VGをそ
れぞれ出力する通常運転時燃料制御回路２９およ
び起動／通常運転時バリアブルベーン制御回路３
０とを包含し、車両用ガスタービン用として、起
動からアイドリング回転数までの範囲の起動制
御、およびアイドリング回転数から定格回転数に
至る範囲の通常運転時制御を行なう。

以下に、制御装置２０の燃料流量の制御方式に
ついて述べる。起動時の燃料流量は、通常は、設
定器２１によりあらかじめ定められた設定信号Ｇ
_fSOで決まる。エンジン起動中、種々の要因によ
り、ガスゼネ入口温度T₇が異常に上昇すると、
タービン材料の熱疲労等の原因となつて好ましく
ないので、関数発生器２２により定められたガス
ゼネ入口温度計画線T₇ ^*を超過した程度に応じ
て燃料流量を減ずることで対処する。具体的に
は、補償回路２３で検出器の遅れを補償したガス
ゼネ入口温度信号Ｔ_7Cと、関数発生器２２の出力
T₇ ^*との偏差（T₇ ^*−Ｔ_7C）を比較器２４によ
り求め、調節器２５に送出する。調節器２５は、
偏差（T₇ ^*−Ｔ_7C）の正負に応じて、次に示す
信号ΔＧ_fOHを出力する。（ここで、T₇ ^*Ｔ_7Cの
時を過熱状態と呼ぶことにする。） ΔＧ_fOH＝Ｋ_OH×（T₇ ^*−Ｔ_7C） ；T₇ ^*−Ｔ_7CＯ ＝０ ；T₇ ^*−Ｔ_7CＯ 但し、Ｋ_OHは、ゲインであり、適当に定めるも
のとする。（Ｋ_OH＞Ｏ） すなわち、調節器２５は、T₇が過熱状態の時
に負の信号を加算器２６に送出し、起動時燃料計
画線Ｇ_fSOと加算する結果、起動時燃料流量指令
信号Ｇ_fSは減じられる。Ｇ_fS＝Ｇ_fSO＋ΔＧ_fOH 加算器２６の出力Ｇ_fSと通常運転時燃料制御回
路２９の出力Ｇ_fAとは、切換スイツチ２７に送出
され、ガスタービンの運転モードに応じて、いず
れかの信号が燃料流量指令Ｇ_fとして選択され
る。切換スイツチ２７の出力はコンバータ１８を
経て駆動機構７に送出され、燃料調整弁６を通過
して燃焼器５に供給される燃料流量を制御する。

ここで、切換スイツチ２７の動作について説明
する。

判定回路２８は、回転数信号Ｎ_Gを入力し、あ
らかじめ決められたモード切換回転数Ｎ_GTと比較
し、Ｎ_G＜Ｎ_GTの時、Ｓ_GT＝Ｏ、Ｎ_GＮ_GTの時Ｓ
_GT＝１を切換スイツチ２７へ出力する。切換スイ
ツチ２７は、信号Ｓ_GTを受け、Ｓ_GT＝０の時、接
点ｂとｃを接続し、Ｓ_GT＝１の時接点ａとｃを接
続する。しかるに、起動時は、切換スイツチ２７
は、加算器２６の出力Ｇ_fSをコンバータ１８に伝
え、起動完了後は、Ｓ_GT＝１となるため回路２９
の出力Ｇ_fAをコンバータ１８に伝える。また、切
換スイツチ２７は、一旦接点がｂ−ｃ接続からａ
−ｃ接続に切換わつたら、次の起動まで、接続状
態を変えないものとしている。

このような従来の制御装置２０においては、ガ
スタービンの起動時の燃料流量はコールド・スタ
ートを基準として設定されており、エンジン停止
後、熱交換器のコア温度はすぐには下がらないた
め、燃焼器入口温度がコールド・スタート前の状
態に低下するまで長時間を要していた。しかる
に、エンジン停止直後再起動させようとすると、
燃焼器入口温度が高い状態のままなので、ガスゼ
ネ入口温度T₇およびガスゼネ回転数Ｎ_Gが急上昇
し、タービン材料に対して過度な熱疲労を加える
ことになり、ガスタービン運転上好ましくないと
いう欠点があつた。

本発明の目的は、この従来装置の欠点を改善せ
んとするものである。すなわち、再生式ガスター
ビンを起動させる際、ガスタービンの起動前の状
態（ホツト・スタートまたはコールド・スター
ト）によつて、燃料流量を調節し、これによつて
ガスゼネ入口温度T₇の急上昇によるタービン材
料の熱疲労等を防止することを目的とする。

本発明によれば、従来、起動時の燃料流量をコ
ールド・スタートを基準に設定していたのを、エ
ンジン起動前のガスゼネ入口温度T₇および、コ
ンプレツサ入口温度T₁を検知し、エンジンの初
期状態によつて起動時の燃料流量を調節するよう
にし、これにより、ホツト・スタート時でも、ガ
スゼネ入口温度T₇の急上昇によるタービン材料
の熱疲労等を防止できるようにしている。

本発明の好適な実施例である再生式ガスタービ
ンの制御回路は、起動前のガスゼネ入口温度を検
知・記憶し、これをあらかじめ設定したホツト・
スタート判定基準温度と比較し、検知した起動前
温度が高い場合には、起動時燃料流量を減量さ
せ、起動前温度が低い場合はそのままとする信号
を求める回路ａ、吸気温度をあらかじめ設定した
基準吸気温度と比較し、吸気温度が高い場合に
は、起動時燃料流量を減量させ、吸気温度が低い
場合はそのままとする信号を求める回路ｂ、回路
ａ，ｂの出力を比較し、最小値を求める回路ｃ、
ガスタービンの各状態量を入力とし、起動／停止
条件を判定し、回路ａ内に含まれるガスゼネ入口
温度記憶回路のコントロール・フラグを判定する
回路ｄ、ガスゼネ回転数の関数として起動時の燃
料流量計画値を出力する回路ｅ、ガスゼネ回転数
とコンプレツサ吸気温度の関数として設定された
ガスゼネ入口温度計画線とガスゼネ入口温度を比
較し、過熱時に燃料流量を減量させる信号を求め
る回路ｆ、回路ｃ，ｅ，ｆの出力を加算して、起
動時燃料流量指令値を求める回路ｇ、ガスゼネタ
ービン回転数Ｎ_Gを運転モード切換回転数Ｎ_GTと
比較し、Ｎ_G＜Ｎ_GTの時は、回路ｇの出力を燃料
流量指令値とし、Ｎ_GＮ_GTの時は別置の通常運
転時燃料制御回路の出力を燃料流量指令値として
運転モードの切換を行なう回路ｈ、から成り、ホ
ツト・スタート時でもガスゼネタービンの過熱を
防止し、タービン材料の熱疲労を防ぐようにして
いる。

以下第３図に例示した本発明の好適な実施例に
ついて詳述する。

第３図において、本発明に係わる要素と他の要
素との接続関係を明らかにするため周辺の要素も
示してあり、同一要素は第２図の要素と同一参照
番号で示してある。

第３図によれば、燃料・バリアブルベーン制御
装置２０は、第２図に示した要素のほか、基準吸
気温度設定器５１と、この設定器５１の出力信号
Ｔ_1Dおよびコンプレツサ吸気温度測定値T₁を比
較する比較器５２と、この比較器５２の出力を受
けて起動時燃料流量減量信号ΔＧ_f1を出力するゲ
インＫ_T1を持つた調節器５３と、位相進み補償さ
れたガスゼネ入口温度Ｔ_7Cを受けて起動前ガスゼ
ネ入口温度Ｔ_7Iを出力する起動前ガスゼネ入口温
度記憶回路５４と、ホツト・スタート判定基準温
度設定器５５と、この設定器５５の出力信号であ
るホツト・スタート判定基準温度Ｔ_7ISおよび記
憶回路５４の出力信号であるガスゼネ入口温度Ｔ
_7Iを比較する比較器５６と、この比較器５６の出
力を受けて起動時燃料流量減量信号ΔＧ_f2を出力
するゲインＫ_T7を持つた調節器５７と、２つの減
量信号ΔＧ_f1およびΔＧ_f2を受けて加算器２６に
ホツト・スタート時燃料減量信号を供給する最小
値選択回路５８とを包含する。さらに、信号Ｎ_G
^*，Ｎ_G，Ｎ_P，Ｔ_7C，T₁を受けて起動指令フラ
グＦ_STRTおよびエンジン停止指令フラグＦ_STPを
出力する起動／停止条件判定回路５９と、フラグ
Ｆ_STPを反転したフラグＦ_STPとするNOT要素６
０と、フラグＦ_STRTおよびＦ_STPを受けて起動前
ガスゼネ入口温度記憶回路コントロール用フラグ
Ｆ_Mを出力するAND要素６１とを包含している。

ここで、NOT要素６０およびAND要素６１は
論理要素であり、フラグＦ_M，Ｆ_STRT，Ｆ_STPは論
理信号を表わしている。

これらのフラグは一例として下記の論理信号を
割当ててある。

Ｆ_M＝“１”：記憶回路５４の出力信号Ｔ_7Iを保
持させる。

Ｆ_M＝“０”：記憶回路５４の出力信号Ｔ_7Iを入
力信号Ｔ_7Cに追従させる。

Ｆ_STRT＝“１”：エンジン起動。

Ｆ_STP＝“１”：エンジン停止。

次に、この制御装置２０の作用について説明す
る。

記憶回路５４は、補償回路３２の出力信号Ｔ_7C
を入力とし、コントロール・フラグＦ_M（＝“１”
または“０”）によつて、出力信号Ｔ_7Iを保持ま
たは追従させる機能をもつ。すなわち、Ｆ_M＝
“０”（エンジン起動前）の時、出力信号Ｔ_7Iを入
力信号Ｔ_7Cに追従させておき、Ｆ_M＝“１”（エン
ジン起動）になると同時に出力信号Ｔ_7Iを保持す
ることにより、エンジン起動直前のガスゼネ入口
温度を記憶することができる。

記憶回路５４の出力Ｔ_7Iは、比較器５６に送出
され、設定器５５の出力Ｔ_7ISとの偏差（Ｔ_7IS−
Ｔ_7I）を求める。Ｔ_7IS−Ｔ_7I＜０の状態をホツ
ト・スタート、Ｔ_7IS−Ｔ_7I０をコールド・ス
タートと定義し、燃料流量を調節する。偏差信号
（Ｔ_7IS−Ｔ_7I）は、調節器５７に送出される。Ｔ
_7IS−Ｔ_7I＜０の時は、ホツト・スタート状態な
ので、ガスゼネ入口温度T₇の急上昇を防ぐた
め、調節器５７は、ホツト・スタートの程度に応
じて、燃料減量信号ΔＧ_f2（＜０）を最小値選択
回路５８に出力する。一方、Ｔ_7ISＴ_7I０の時
は、コールド・スタートなので、燃料を減量する
必要はなく、調節器５７はΔＧ_f2＝０を出力す
る。

次に、吸気温度信号T₁は、比較器５２に導か
れ、設定器５１の出力Ｔ_1Dとの偏差（Ｔ_1D−T₁）
は、調節器５３に送出され、吸気温度による起動
時の燃料流量の補正を行なう。Ｔ_1D−T₁＜０の
時は、吸気温度が高く、ガスゼネ入口温度T₇が
急上昇する恐れがあるため、調節器５３は吸気温
度の高さの程度に応じて、燃料減量信号ΔＧ_f1
（＜Ｏ）を最小値選択回路５８に送出する。一
方、Ｔ_1D−T₁０の時は吸気温度が低いので燃
料を減量する必要はなく、調節器５３はΔＧ_f1＝
０を出力する。

最小値選択回転５８は、燃料減量信号ΔＧ_f1，
ΔＧ_f2を入力し、いずれか値の小さい方の信号を
ホツト・スタート時燃料減量信号ΔＧ_fIとして、
加算器２６に送出する。

ここで、記憶回路５４のコントロール・フラグ
Ｆ_Mの演算回路５９，６０，６１について述べ
る。判定回路５９は、信号Ｎ_G ^*，Ｎ_G，Ｎ_P，Ｔ_7
Ｃ，T₁を入力とし、これらから、起動指令フラグ
Ｆ_STRT＝“１”または“０”および停止指令フラ
グＦ_STP＝“１”または“０”を判定する。なお、
起動指令フラグと停止指令フラグを独立にしたの
は、エンジン起動中でもエンジンおよび補機類の
保護のため種々の条件でエンジンを停止させるこ
ともあるためである。コントロール・フラグＦ_ST
ＲＴおよびＦ_STPより、NOT要素６０、AND要素６
１を用いて次式のように求める。

Ｆ_M＝Ｆ_STRT・_STP 起動前は、Ｆ_STRT＝Ｆ_STP＝“０”ゆえ、Ｆ_M＝
“０”。

起動指令により、Ｆ_STRT＝“１”となり、Ｆ_M＝
“１”。

ここで、起動中に何らかの原因で停止させる場
合、Ｆ_STRT＝“１”、Ｆ_STP＝“１”ゆえ、Ｆ_M＝
“０”となる。

第４図はこの制御装置によるガスゼネ入口温度
T₇およびガスゼネ回転数Ｎ_Gの起動からアイドリ
ング回転数までの変化を示したものである。第４
図ａでは、従来の制御装置によるガスゼネ入口温
度の変化を点線で示し、本発明による効果を実線
で示してある。

本発明によれば、燃料・バリアブルベーン制御
回路を第３図に示した構成とすることにより、起
動直前のガスゼネ入口温度Ｔ_7Iを検知し、ホツ
ト・スタートの程度に応じて燃料流量を減量し、
これによつて、ガスゼネ入口温度T₇が急上昇す
るのを防止し、タービン材料の熱疲労を防ぐこと
ができるといつた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は熱交換器付二軸ガスタービンの系統
図、第２図はその制御回路の従来例を示す図、第
３図は本発明による制御回路を示す図、第４図ａ
はガスゼネ入口温度の変化を、ｂはガスゼネの変
化を時間を関数として示す図である。 １……コンプレツサ、２……ガスゼネタービ
ン、３……パワータービン、４……熱交換器、５
……燃焼器、６……燃料調整弁、７……燃料調整
弁駆動機構、８……燃料ポンプ、９……バリアブ
ルベーン、１０……バリアブルベーン駆動機構、
１１……負荷、１２……アクセル・ペダル、１３
……ガスゼネ回転数設定器、１４……ガスゼネ回
転数検出器、１５……パワータービン回転数検出
器、１６……ガスゼネ入口温度検出器、１７……
コンプレツサ吸気温度検出器、１８，１９……コ
ンバータ、２０……燃料・バリアブルベーン制御
装置、２１……起動時燃料流量設定器、２２……
関数発生器、２３……進み補償回路、２４……比
較器、２５……オーバ・ヒート防止用調節器、２
６……加算器、２７……燃料信号切換スイツチ、
２８……運転モード切換判定回路、２９……通常
運転時燃料制御回路、３０……起動／通常運転時
バリアブルベーン制御回路、５１……基準吸気温
度設定器、５２，５６……比較器、５３，５７…
…調節器、５４……起動前ガスゼネ入口温度記憶
回路、５５……ホツト・スタート判定基準温度設
定器、５８……最小値選択回路、５９……起動／
停止条件判定回路、６０……NOT要素、６１…
…AND要素。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 起動前のガスゼネ入口温度を検知して記憶
   し、これをあらかじめ設定したホツト・スタート
   判定基準温度と比較して検知した起動前の温度が
   前記基準温度より高い場合に起動時燃料流量を減
   量させる信号を出力する回路５４，５５，５６，
   ５７、吸気温度をあらかじめ設定した基準吸気温
   度と比較して吸気温度が基準吸気温度より高い場
   合に起動時燃料流量を減量させる信号を出力する
   回路５１，５２，５３、前記２つの減量信号のう
   ち最小値の信号を出力させる回路５８、およびガ
   スタービンの各状態量からタービンの起動／停止
   条件を判定して前記起動前のガスゼネ入口温度の
   検知および記憶を制御する回路５９，６０，６１
   を包含させ、起動時燃料計画線およびオーバ・ヒ
   ート防止用燃料減量指令から求めた起動時燃料流
   量指令に、更に前記最小値の減量信号を付加した
   ことにより、ホツト・スタート時におけるガスゼ
   ネタービンの過熱を防止したことを特徴とする、
   ガスタービンの起動時燃料制御回路。