JPS6319688B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、圧縮機とタービンとに可変式ベーン
および可変式ノズル翼をそれぞれ有するガスター
ビンエンジンの制御装置に関し、特にガスタービ
ンエンジンの過渡状態において圧縮機に発生する
サージングを防止するようにした制御装置に関す
るものである。

例えば、自動車用のガスタービンエンジンにお
いては、加減速の頻度が多いのでエンジンの運転
状態の大半が過渡状態または部分負荷状態におか
れていると考えてよい。従つて、かかるガスター
ビンエンジンでは、過渡性能や部分負荷性能の改
善が殊に重要な課題となるが、部分負荷性能を向
上させるためにタービンのノズル翼を可変ノズル
翼となし、更に、圧縮機のデイフユーザベーンを
も可変構造とすることが検討されてきた。また、
過渡性能を向上させるためには、特に、加速時に
おいて圧縮機に発生しがちなサージングを防止す
る必要がある。

第１図は圧縮機のデイフユーザやタービンのノ
ズル翼に可変機構を有しない従来のガスタービン
エンジンの一例を示すもので、ここで１は圧縮機
であり、圧縮機１は軸２を介してタービン３に連
結されている。また、圧縮機（遠心圧縮機）１は
第２図に示す如くインペラ４とデイフユーザ部５
を有する。インペラ４は圧縮機１の回転部分であ
り、インペラ４には反りを持つ半径方向の複数羽
根６が形成されていて、軸２の囲りに高速回転す
る。インペラ４の外周部に沿つて外方に設けられ
たデイフユーザ部５には、複数のデイフユーザベ
ーン７が等間隔に配設されており、ベーン７はデ
イフユーザ裏板８と裏板８に対向する壁部（図示
せず）に挾持されて各ベーン７の間に圧縮空気の
流出通路９を形成している。第３図はタービン
（半径流タービン）３の構成を示し、ここで１０
はタービンロータである。タービンロータ１０に
は半径方向の複数の動翼１１が形成されていて、
軸２の囲りに高速回転する。１２はタービンロー
タ１０の外周部に沿つて設けられたタービンノズ
ル部であり、タービンノズル部１２には複数枚の
ノズル翼１３が等間隔に配設され、各翼間に高温
ガスの流入通路（ノズル）１４を形成している。

このように構成されたガスタービンの圧縮機１
とタービン３にあつて、圧縮機１のインペラ４に
よつて圧縮された空気は高速の空気流となつてデ
イフユーザ部５に流入し、ここで減速されると共
に更に圧力が高められて第１図に示す如く燃焼器
１５に送られる。かくして、燃焼器１５で燃料の
燃焼により発生した高温高圧のガスはタービン３
のノズル部１２からタービンロータ１０に流入
し、これによりタービンロータ１０が回転駆動さ
れる。タービン３の出力の一部は圧縮機１を駆動
すると共に残余の軸出力は軸１６を介して減速機
１７に伝達され、更に軸１８を介して負荷１９に
伝達されて負荷１９を駆動する。自動車ではこの
負荷１９は駆動輪に相当する。

しかしながら、このような従来の可変機構を有
しない圧縮機１やタービン３で構成されたガスタ
ービンエンジンにあつては、圧縮機１のデイフユ
ーザベーン７やタービン３のノズル翼１３が予め
設定した運転条件に最適の角度で固定されてい
る。従つて、圧縮機１およびタービン３のそれぞ
れの性能特性が固定化されてしまい、圧縮機１と
タービン３とのマツチングの条件を勘案すると、
エンジンの部分負荷時または無負荷時に回転数を
無条件に下げる訳にいかない。一般には、その下
げられる限度はエンジンの定格出力回転数の40〜
50％程度までである。このために、かかる運転状
態における燃料効率は極めて低いものとなり、燃
料消費率が増大する。

そこで、かかる問題点を解消するために、低負
荷時において、回転数は定格の40〜50％程度であ
つても、圧縮機１のデイフユーザベーン７やター
ビン３のノズル翼１３の取付ける角度を運転条件
に即応して変化させることにより、デイフユーザ
部５やノズル部１２を通過する空気やガスの流量
を低減し、以て燃料流量をも低減して燃料を節減
することが検討されてきた。

第４図は可変式としたデイフユーザベーンの一
例を示すもので、２０はデイフユーザベーンであ
り、２１はデイフユーザベーン２０に形成された
スロツトである。このスロツト２１にはリングプ
レート２２に設けられたピン２３が摺動自在に嵌
め込まれている。またリングプレート２２は裏板
８の外周部に沿つて設けられ第２図示の回転軸２
の囲りに回動自在としてある。２４はデイフユー
ザ裏板８に埋め込み回動自在としたピボツトピン
であり、このピボツトピン２４にデイフユーザベ
ーン２０のインペラ４側の端部が固着されてい
る。このように構成されたデイフユーザ部２５で
のガスタービンの定格点出力時におけるデイフユ
ーザベーン２０の位置が実線Ａで示されている。
いま、このＡの状態から、リングプレート２２を
時計方向に回動させることによりデイフユーザベ
ーン２０を破線で示すＣの位置に向つて動かした
とすると、ベーン２０の間に形成されている流出
通路９が狭められることとなり、空気の流量を絞
ることができる。デイフユーザベーン２０のＣの
位置は例えばガスタービンの無負荷点における好
適のノズル翼の姿勢である。

第５図は、可変式としたタービンノズルのノズ
ル翼の一例を示す。ここで、２６はノズル部１２
に設けられた可変式のノズル翼であり、ノズル翼
２６はノズル背板２７の回動自在としたピン２８
に取付けられている。また、実線で示されるノズ
ル翼２６の位置はタービンの定格点出力における
ノズル翼２６の好適な姿勢を示す。このＡの位置
からピン２８を時計方向に回動させることにより
ノズル翼２６を破線で示すＣの位置に可変するこ
とができる。ノズル翼２６のＣの位置は、例え
ば、タービンの無負荷点に好適なノズル翼２６の
姿勢を示すもので、このようなノズル翼２６の時
計方向への回動により流入通路１４を狭め、以
て、タービンロータ１０に流入するガスの流量を
絞ることができる。

次いで、遠心圧縮機１の特性および圧縮機１と
タービン３のマツチングの問題点について説明す
る。

第６図は遠心圧縮機１の特性曲線を示すもの
で、ここで、横軸は修正流量G^*、縦軸は圧力比
πであり、またパラメータとして修正回転数N^*
が示されている。

第６図においてＡで示される曲線群はガスター
ビンが定格状態で運転されているときの圧縮機１
の特性曲線を示すもので、曲線のうち一点鎖線Ｕ
は本例における運転線である。すなわち、ガスタ
ービンの運転状態において圧縮機１はこの運転線
Ｕ上の何れかの作動点で作動していることを示
す。また、破線はサージング線Ｓであり、このサ
ージング線Ｓより左側ではサージングが発生して
圧縮機１は運転不能となる。

そこで、いま第４図に示したような可変式デイ
フユーザベーン２０を第４図中のＡの位置からＣ
の位置に向けて変化させていくと、ベーン２０の
変化角度に応じてデイフユーザ部２５における流
量が低減していき、第６図においてＡで示される
特性曲線は、例えば低負荷点ならＢ、無負荷点な
らＣで示される特性曲線のように変化してゆく。
なお曲線群ＢおよびＣにおいて一点鎖線ならびに
破線はそれぞれの状態における運転線（UB、
UC）ならびにサージング線（SB、SC）を示す。

しかしながら、タービン３のノズル翼１３が可
変でない限り、タービン３の特性の方が変わらな
い。そこで、このようにデイフユーザベーン２０
のみを可変式となして、ノズル翼１３が可変でな
い場合には、圧縮機１から燃焼器１５に向けて流
出する空気の流量に絞られて低減しているにもか
かわらず、タービン３は元の流量に適した運転特
性で運転されてしまい、圧縮機とタービン３とが
マツチングできないことになる。すなわち、エン
ジンは運転不能状態に陥るか、または仮に運転状
態を保持し得たとしても極めて効率の悪い状態と
なる。このようなガスタービンにおけるマツチン
グの問題から、圧縮機１においてデイフユーザベ
ーン２０を変化させると共に、タービン３におい
てもデイフユーザベーン２０の変化に対応した流
量が得られるように、可変ノズル翼２６を同時に
採用することが必要となる。

ここで、圧縮機１およびタービン３の特性に影
響を及ぼす流量の変化は、デイフユーザベーン２
０およびノズル翼２６の翼角を変化させ、これに
より、デイフユーザ部２５およびノズル部１２に
おけるスロート面積をそれぞれ変化させることに
より行つている。第７図には、ガスタービンの
種々の運転状態でマツチングするようなデイフユ
ーザ部２５におけるスロート面積とノズル部１２
におけるスロート面積との相対関係を示した。こ
こで横軸はノズル部１２におけるスロート面積
（％）を示し、縦軸はデイフユーザ部２５におけ
るスロート面積（％）を示す。なおＡは定格点、
Ｃは無負荷点を示す。

すなわち、このように圧縮機１およびタービン
３を共に可変機構となして、しかも、圧縮機１の
デイフユーザベーン２０の翼角を、第７図に示す
ように、タービン３のノズル翼２６の翼角に対応
して変位させ、以てデイフユーザ部２５における
スロート面積が、常に、運転条件に応じてノズル
部１２におけるスロート面積に対応する如く変化
させることによつて、低負荷点または無負荷点に
おいてさほどエンジン効率を低下させることな
く、ガス流量、すなわち必要燃料流量を絞ること
ができ、以て燃料消費量を低減することができ
る。

しかしながら、このような可変機構が圧縮機１
およびタービン３に構成されたとしてもなお次の
様な問題点がある。今、ガスタービンを定格運転
し、圧縮機１が第６図のＡに示す運転線Ｕ上のあ
る運転点で運転されているものとする。ここで、
減速しようとする場合に、ノズル翼２６をベーン
２０よりも早く閉じたり、逆に加速時にベーン２
０をノズル翼２６よりも早く開いたりすると、圧
縮機１の運転点がサージング線５の左側に移行し
てしまうのでサージングが発生してしまう。すな
わち、圧縮機１およびタービン３の制御装置にお
いては上述したような動作が起らないような配慮
がなされないとエンジンを破損に至らしめる虞れ
があつた。

本発明の目的は、このような問題点に着目し
て、圧縮機１とタービン３とに可変機構を設けて
制御するにあたり、過渡状態において圧縮機のデ
イフユーザベーンが行う変位動作とタービンのノ
ズル翼が行う変位動作との間に極く僅かな時間的
遅れを持たせることにより過渡時に発生するサー
ジングを防止するようにしたガスタービンの制御
装置を提供することにある。

以下に図面に基づいて本発明を詳細に説明す
る。

第８図は本発明の一実施例を示すもので、ここ
で３０はガスタービンエンジンである。ガスター
ビン３０において、３１は可変式ベーンを有する
圧縮機１のデイフユーザベーン駆動装置であり、
３２は可変式ノズル翼を有するタービン３のノズ
ル翼駆動装置である。これらの駆動装置３１およ
び３２は電動モータまたは電動油圧サーボバルブ
を用いた油圧回路で構成できる。また、ベーンお
よびノズル翼の可変機構としては例えば第４図お
よび第５図で示したようなものを用いる。

３３はガスタービンエンジンの燃料供給装置で
あり、例えば燃料制御機構を有する燃料噴射弁
（図示せず）等で構成し、マイクロコンピユータ
等で構成した駆動信号発生手段としてのコントロ
ーラ３４からの指令信号を受けて、第１図に示し
た燃焼器１５に送る燃料流量等を制御する。３５
は運転状態検出装置であり、例えばエンジン３０
におけるタービン回転数や所要部の温度等を検出
し、それらの検出信号をコントローラ３４に供給
する。３６はエンジン３０に送出する加減速の指
令信号を発生させる回転数指令信号発生装置（以
下で指令装置と呼ぶ）である。指令装置３６は例
えば自動車ではアクセルペダルである。すなわ
ち、このアクセルペダルの踏み代に応じてエンジ
ンの目標回転数に対応する指令信号を差動増幅器
３７に向けて出力する。差動増幅器３７には圧縮
機回転数検出器３８からの回転数検出出力と指令
装置３６からの指令信号とを入力し、その差出力
ΔNを取り出す。この差出力ΔNをコントローラ
３４に供給することによつてコントローラ３４で
は燃料供給信号を発生し、この供給信号を燃料供
給装置に出力する。このとき、同時にコントロー
ラ３４では運転状態検出装置３５からの信号と差
出力ΔNに基づきデイフユーザベーン２０および
ノズル翼２６の角度設定の駆動信号を発生してこ
れをデイフユーザベーン駆動装置３１およびノズ
ル翼駆動装置３２に向けて出力する。これによ
り、加速時にはベーン２０おびノズル翼２６が開
く方向に駆動され、減速時には逆に絞る方向に駆
動される。

一点鎖線で囲んで示すブロツク３９は、エンジ
ン３０の過渡状態において、デイフユーザベーン
２０の変位動作とノズル翼２６の変位動作との間
の時間遅れを持たせるために設けた過渡制御装置
である。この過渡制御装置３９は遅延回路４０と
４１および二連スイツチ４２ならびにスイツチ作
動信号発生回路４３によつて作動するスイツチ駆
動装置４４を有する。ここで、遅延回路４０およ
び４１の各遅延時間は、デイフユーザベーン２０
およびノズル翼２６をそれぞれ駆動する駆動装置
３１および３２の動特性をそれぞれ勘案し、実験
等によつて得られた最適値に設定しておく。

スイツチ作動信号発生回路４３は加減速判断手
段としての比較回路を有する信号発生回路であ
り、エンジンの加減速を判断してスイツチ４２の
切換えを行う信号を発生する。すなわち、回路４
３には比較信号として加速時用のΔN_ACおよび減
速時用のΔN_DEを予め設定しておく。かくして差
動増幅器３７から差出力ΔNが入力すると、この
差出力ΔNを比較信号ΔN_ACおよびΔN_DEと比較し
て、 ΔN＞ΔN_AC＞０の場合は加速状態と判断し、 ΔN＜ΔN_DE＜０の場合は減速状態と判断して
スイツチ作動装置４４に作動信号を送る。

作動信号を供給されたスイツチ作動装置４４に
あつて、作動信号が加速の判断に基づくものであ
れば、二連スイツチ４２の２つの可動接点４２Ｄ
および４２Ｔを、第８図に示す如く、接点DSA
およびTSAに接触させるように回動させ、作動
信号が減速の判断に基づくものであれば可動接点
４２Ｄおよび４２Ｔを接点DSBおよびTSBに接
触させるように回動させる。

このように構成した過渡制御装置３９におい
て、コントローラ３４からデイフユーザベーン駆
動装置３１に送られる駆動信号DSは遅延回路４
０を介してスイツチ４２の接点DSAに供給され
ると共に接点DSBにも供給される。また、コン
トローラ３４からタービンノズル翼駆動装置３２
に向けての駆動信号TSは遅延回路４１を介して
スイツチ４２の接点TSBに供給されると共に接
点TSAにも供給される。

そこで、このような過渡制御装置３９を設けた
ガスタービンエンジン３０において加速が行われ
る場合には、差動増幅器３７によつて発生した差
出力によりコントローラ３４から燃料供給装置３
３に燃料流量を増加させる供給信号が送られると
同時に、駆動装置３１および３２に向けてはそれ
ぞれ差出力ΔNに見合つたデイフユーザ２０およ
びノズル翼２６の駆動信号DSおよびTSが送られ
る。このとき、スイツチ作動信号発生回路４３で
は、ΔN＞ΔN_AC＞０による加速判断に基づいた
作動信号がスイツチ作動装置４４に送られるの
で、作動装置４４はスイツチ４２の可動接点４２
Ｄおよび４２Ｔを回動してそれぞれ接点DSAお
よびTSAに接続する。よつて、まずタービン３
のノズル翼２６が信号TSによつて開く方向に変
位し、設定した時間遅れの後圧縮機３のデイフユ
ーザベーン２０が信号DSによつて開く方向に変
位する。

また、ガスタービン３０において減速が行われ
る場合には、同様にして、供給燃料の流量が低減
されると同時に、駆動装置３１および３２に向け
ては、差出力ΔNに見合うだけデイフユーザベー
ン２０およびノズル翼２６を絞る方向に駆動する
駆動信号が送られる。また、スイツチ作動信号発
生回路４３では、ΔN＜ΔN_DE＜０による減速判
断に基づいた駆動信号がスイツチ作動装置４４に
供給されて可動接点４２Ｄおよび４２Ｔをそれぞ
れ接点DSBおよびTSBに接続する。よつて、ま
ず圧縮機１のデイフユーザベーン２０が信号DS
によつて絞られ、その後所定の時間遅れでノズル
翼２６が絞られる。すなわち過渡状態におけるデ
イフユーザベーン２０およびノズル翼２６の変位
動作が上述したような時間遅れをもつて行われる
ので圧縮機１においてサージングが発生するよう
なことがない。

次にコントローラ３４からデイフユーザベーン
駆動装置３１およびノズル翼駆動装置３２に供給
する駆動信号の発生装置について述べる。第９図
はコントローラ３４に組み込まれるかかる駆動信
号発生装置の一例を示すもので、ここで５０およ
び５１は関数発生器である。関数発生器５０は、
圧縮機１の回転数Ｎと回転数Ｎに対応する好適な
デイフユーザベーン２０の姿勢を示す角度との関
係に基いた出力特性を有し、コントローラ３４で
は、得られた回転数検出信号を関数発生器５０に
入力させることにより、過度時における最適なデ
イフユーザベーン角度に変位させる駆動信号をデ
イフユーザ駆動装置３１に供給することができ
る。

更に、関数発生器５０で得られたデイフユーザ
ベーン角度信号を関数発生器５１に入力させる。
関数発生器５１は、いかなる運転状態にあつても
圧縮機とタービンとが適切にマツチングするよう
に定めたデイフユーザベーン角度とタービンノズ
ル翼角度との関係に基いた出力特性を有する。よ
つて、関数発生器５１では、入力したデイフユー
ザベーン２０の角度を対応するノズル翼２６のマ
ツチングに好適な角度が得られ、コントローラ３
４では同様にして、ノズル翼２６の角度を変位さ
せる駆動信号をノズル翼駆動装置３２へ供給す
る。

第１０図は駆動信号発生装置の他の実施例を示
すもので、ここで６０および６１は関数発生器で
ある。本例では、関数発生器６０が圧縮機回転数
Ｎと回転数Ｎに対応する好適なデイフユーザベー
ン２０の角度との関係に基いた出力特性を有し、
また、関数発生器６１が圧縮機回転数Ｎと回転数
Ｎに対応する好適なタービンノズル翼２６の角度
との関係に基いた出力特性を有するようになし、
これらの関数発生器６０および６１を並列にして
用いる。すなわち、コントローラ３４に入力する
回転数検出信号を関数発生器６０および６１に同
時に供給して、それぞれの関数発生器６０および
６１から圧縮機回転数に見合うデイフユーザベー
ン２０およびノズル翼２６の角度を得るようにし
たもので、このような関数発生器を用いても同様
にしてコントローラ３４から過渡時における駆動
装置３１および３２への駆動信号が得ることがで
きる。

以上説明してきたように、本発明によれば、ガ
スタービンエンジンの加減速を検出し、加速時に
はタービンノズル翼を開く方向に駆動してから所
定の時間遅れでデイフユーザベーンを開く方向に
駆動し、減速時にはデイフユーザベーンを閉じる
方向に駆動してから所定の時間遅れでタービンノ
ズル翼を閉じる方向に駆動するようにしたので、
圧縮機およびタービンに可変機構を有するガスタ
ービンエンジンの運転過渡時において、圧縮機の
サージング発生を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のガスタービンエンジンの構成の
概要を示すブロツク図、第２図はその遠心圧縮機
のインペラとデイフユーザの構成の一例を示す正
面図、第３図はその半径流タービンのタービンロ
ータとタービンノズル部との構成の一例を示す線
図、第４図は従来の可変式デイフユーザベーンを
有するデイフユーザ部の可変機構の一例を示す線
図、第５図は従来の可変式ノズル翼を有するター
ビンノズル部の可変機構の一例を示す線図、第６
図は圧縮機の特性曲線図、第７図はベーンデイフ
ユーザ部のスロート面積とタービンノズル部のス
ロート面積の好適な相対関係の一例を示す線図、
第８図は本発明ガスタービン制御装置の構成の一
例を示すブロツク図、第９図および第１０図はそ
れぞれその駆動信号発生部の構成の一例を説明す
る説明図である。 １……圧縮機、２……軸、３……タービン、４
……インペラ、５……デイフユーザ部、６……羽
根、７……デイフユーザベーン、８……裏板、９
……流出通路、１０……タービンロータ、１１…
…動翼、１２……タービンノズル部、１３……ノ
ズル翼、１４……流入通路、１５……燃焼器、１
６，１８……軸、１７……減速機、１９……負
荷、２０……デイフユーザベーン、２１……スロ
ツト、２２……リングプレート、２３……ピン、
２４……ピポツトピン、２５……デイフユーザ
部、２６……ノズル翼、２７……背板、２８……
ピン、３０……ガスタービンエンジン、３１，３
２……駆動装置、３３……燃料供給装置、３４…
…コントローラ、３５……運転状態検出装置、３
６……指令装置、３７……差動増幅器、３８……
圧縮機回転数検出器、３９……過渡制御装置、４
０，４１……遅延回路、４２……二連スイツチ、
４２Ｄ，４２Ｔ……可動接点、４３……スイツチ
作動信号発生回路、４４……スイツチ駆動装置、
DS，TS……駆動信号、DSA，TSA，DSB，
TSB……接点、５０，５１，６０，６１……関
数発生器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 可変式デイフユーザベーンを有する圧縮機
   と、可変式ノズル翼を有するタービンと、前記可
   変式デイフユーザベーンおよび前記可変式ノズル
   翼をそれぞれ駆動するベーン駆動装置およびノズ
   ル翼駆動装置とを備えたガスタービンエンジンの
   制御装置において、ベーン駆動信号およびノズル
   翼駆動信号を取り出して前記ベーン駆動装置およ
   びノズル翼駆動装置にそれぞれの信号を供給する
   駆動信号発生手段と、前記ガスタービンエンジン
   の加速および減速を判断する加減速判断手段と、
   該加減速判断手段によつて加速と判断されたとき
   には、前記ノズル翼駆動信号を前記ノズル翼駆動
   装置に供給した後に所定遅延時間をおいて前記ベ
   ーン駆動信号を前記ベーン駆動装置に供給し、減
   速と判断されたときには、前記ベーン駆動信号を
   前記ベーン駆動装置に供給した後に所定遅延時間
   をおいて前記ノズル翼駆動信号を前記ノズル翼駆
   動装置に供給する過渡制御装置とを有し、加速時
   には前記ノズル翼および前記ベーンを開くように
   し、減速時には前記ベーンおよび前記ノズル翼を
   絞るようにしたことを特徴とするガスタービンエ
   ンジンの制御装置。