JPH02185627A

JPH02185627A - 二軸式ガスタービン機関の制御装置

Info

Publication number: JPH02185627A
Application number: JP385089A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Fukuda; 大喜福田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1989-01-12
Filing date: 1989-01-12
Publication date: 1990-07-20

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の制御装置に関し、特
に、二軸式ガスタービン機関の吸気温度センサの異常時
も機関を破損させることなく燃料を制御することができ
る制御装置に関する。

〔従来の技術〕

二軸式ガスタービン機関は、（１）回転運動だけなので
、低振動で連続した高回転が行える、（２）連続燃焼機
関なので、ガソリン、軽油はもとより、灯油やメタノー
ルなど多種類の燃料が使用できる、（３）低速トルクが
大きいという自動車に適したトルク特性を持っている等
の特徴を備えているので、近年、自動車用機関としての
実用化が検討されている。

第４図は自動変速機付の自動車に搭載される従来の二輪
式ガスタービン機関の一般的な構成の−例を示すもので
ある。

図において、Ｃはコンプレッサ、ＩＩ８は熱交換器、Ｃ
Ｃは燃焼器、ＣＴはコンプレッサタービンであり、コン
プレッサＣとコンプレッサタービンＣＴとは回転軸にて
直結され、燃焼器ＣＣにはアクチュエータ＾ｌを介して
燃料が供給されている。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ＨＢ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。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６Ｇと呼ばれることがあり、このコン
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、アクチユエータ＾２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。

以上が二軸式ガスタービンＧＴの構成であり、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、シフト状態に応じた回転数
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＾１は制御回路Ｃ０ＮＴからの指
令によって燃料を燃焼器ＣＣに供給し、アクチユエータ
Ａ２は制御回路Ｃ０ＮＴからの指令によって可変ノズル
ＶＮの開度を調整する。この制御回路Ｃ口ＮＴには、ア
クセルペダル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ており、制御回路Ｃ０ＮＴ
は機関の運転状態に応じてアクチュエータ＾１．＾２を
駆動する。

また、一般に、第４図の■の位置の吸気圧をＰ３、■の
位置の温度をＴ、というように、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を示し、ガスジェネレータＧＧの回転軸の回転数
がＮ１、減速歯車ｆｌ／Ｇを経たパワタービンＰＴの出
力軸の回転数がＮ、で表わされる。

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、ガスジェネレータＧＧの加速流、及びガスジェネレ
ータ６Ｇが定常に移行してからある定められた時間内の
燃料制御を、燃焼器ＣＣの出口温度Ｔ、を基にして行う
装置を本出願人は既に提案した（特願昭６３−１８５５
４７号参照）。この制御装置における燃料制御は、コン
プレッサＣの吸気の出口圧力Ｐ３とコンプレッサタービ
ンＣＴの吸気人口温度の目標値Ｔ４Ｓ１！？から吸入空
気流量Ｇａを求め、この求めた空気流量Ｇａと入口温度
の目標値Ｔ　４　Ｓ　ＩＩ　？と、実際に計測して得ら
れる燃焼器ＣＣの吸気の入口温度Ｔ３５から、機関に供
給する燃料流量Ｇｆを算出するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、この制御装置ではガスタービン機関の燃焼器
ＣＣの入口温度Ｔｓｓを、温度センサとして熱電対等を
用いて計測しているために、熱電対の断線時に燃料流１
１Ｇｆの演算が不能になり、燃料制御が出来なくなると
いう問題がある。この理由を以下に説明する。

ガスタービン機関のコンプレッサタービンＣＴの吸気人
口温度Ｔ４はＫを定数、Ｇｆを燃料流量、６ａを空気流
量、’Ｉ”３５を燃焼器ＣＣの入口温度として、次式■
で求められる。

Ｔ４　＝　Ｋ　−Ｇｆ／Ｇａ＋　’ｒ、ｓ＋ＨＨ−Ｈ■
コンプレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ、は機関内で最
も高い温度であり、ガスタービン機関の燃料制御におい
てはこの温度Ｔ、を如何に許容最高温度近傍で使用する
かが機関の熱効率上で重要である。このため、燃焼器Ｃ
Ｃの入口温度Ｔ３５は０式において重要な要素を占めて
いる。従って、燃焼器ＣＣの入口温度Ｔ３５を検出する
ための熱電対が断線すると、その検出値は検出回路の回
路構成にもよるが、（ａ）０の値を示す場合と、（ハ）
通常ではありえない大きな値を示す場合の２通りが考え
られる。

（ａ）の場合は０式においてＴ’３５の項が小さな値を
持つことになるため燃料流量Ｇｆが増加し、実際のコン
プレッサタービンＣＴの人口温度Ｔ４が上昇し、最悪事
態では機関の破損を招く。一方、（ハ）の場合は０式に
おいてＴｓｓの項が大きくなるため、燃料流ｌＧｆが減
少し、機関の運転が不可能になる。このように、（ａ）
、（６）何れの場合もガスタービン機関を搭載した車両
は走行不可能に陥る。

本発明は二軸式ガスタービン機関のこのような問題に対
し、燃焼器ＣＣの入口温度Ｔ３５を求めるためのセンサ
の故障時に、燃焼器ＣＣの入口温度Ｔ３５を固定定数化
することにより、車両を停止させることなく走行可能に
する二軸式ガスタービン機関の制御装置をを提供するこ
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
、第１図に示すように、燃焼器ＣＣからの燃焼ガスに駆
動されて燃焼器ＣＣへの吸気を圧縮するガスジェネレー
タＧＧと、このガスジェネレータＧＧからの燃焼ガスに
駆動されて負荷を駆動する出力タービンＰＴと、前記燃
焼器ＣＣへの吸気温度Ｌｓを検出する手段と、コンプレ
ッサ出口空気流量Ｇａを求める手段と、これら吸気温度
７３５　と空気流量Ｇａより燃料流量を算出する手段と
を備えた二軸式ガスタービン機関の制御装置であって、
前記燃焼器ＣＣへの吸気温度Ｔ３５が所定範囲内にある
か否かを判定する吸気温度判定手段ｌと、前記吸気温度
’Ｌｓが前記所定範囲外にある時は、前記吸気温度Ｔ＋
ｓを所定値に補正して出力し、それ以外の時は補正を行
わない吸気温度補正手段２と、この吸気温度補正手段２
からの出力に応じて燃料流量Ｇｆを制御する燃料流量制
御手段３とを備えている。

〔作　用〕

本発明の二軸式ガスタービン機関の制御装置によれば、
二軸式ガスタービン機関を搭載した車両において、検出
された燃焼器ＣＣへの吸気温度Ｌｓが所定範囲内にある
場合はその値を基に燃料流量Ｇｆが演算され、検出され
た吸気温度’Ｉ”３５が所定範囲内に無い場合はその値
に代わる補正値を基に燃料流量Ｇｆが演算される。

〔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２図は自動変速機付き車両に搭載された本発明の二軸
式ガスタービン機関の一実施例の構成を示すものであり
、第４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
、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６Ｇ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Ｈ６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１１ε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、Ａ
２は可変ノズルＶＮの開度α、を調！するアクチュエー
タである。

ガスタービンＧＴの減速歯車１ｔ／Ｇには自動変速機付
／Ｔが接続されており、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によって減速されて自動
変速機＾／ＴのトルクコンバータＴ／Ｃを介して変速機
構Ｔ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。なお、このトルクコンバータＴ
／ＣにはロックアツプクラッチＬ／Ｃが設けられている
。

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ｌＯには、アナログ信号用の入力インタフェース
ＩＮａ　、デジタル信号用の人力インタフェース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−デジタル変換器へ／Ｄ　。

中央処理ユニットｃｐｕ　、ランダムアクセスメモリＲ
ＡＭ　、読み出し専用メモＩＪＲＯＭ、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６
Ｇの回転数Ｎ、を検出する回転数センサＳＮ、。

コンプレッサＣの出口温度Ｔ、を検出する温度センサｓ
’ｒｓ、熱交換器ＨＨの出口温度Ｔｓｓを検出する温度
センサ５Ｔｓｓ、　パワタービンＰＴの出口温度を検出
する温度センサＳＴ、、減速歯車Ｒ／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ＳＮ３゜
及び車軸駆動回転数Ｎｐを検出する回転数センサＳＮＦ
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　１．　Ｎａ、　Ｎｐ、　Ｐ　３
．　Ｔ３５。

Ｔｓやアクセルペダルからのアナログ信号等が入力され
、デジタル信号用の人力インタフェース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＾１に対して燃料流量を指示する信号Ｇｆ。

アクチュエータ＾２に対して可変ノズルＶＮの開度を指
示する信号αＳｓＦ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３３％変速
機構Ｔの変速信号Ｓｌ、Ｓ２やスロットルワイヤ信号θ
ＴＩＩ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、通常の機関運転状！Ｉ４（ガスジェネレータＧＧの
回転数がアイドル回転数より高い状態）において、熱交
換器ＨＥの出口温度７３５を検出する温度センサ５Ｔ３
５の異常を検出するために、センサ５Ｔｓｓの検出値Ｔ
３５’　　のあり得ない下限値及び上限値を設け、実際
に熱電対等の温度センサを用いて検出した熱交換器ＨＥ
の出口温度Ｔ’ａｓがこの下限値と上限値の領域を外れ
た場合に、前記温度センサ５Ｔ３５が故障したと判断す
るようにしている。

ところで、コンプレッサタービンＣＴの人口温度Ｔ４は
前にも述べたように、次式■で与えられる。

Ｔ４　＝Ｋ　−Ｇｆ／Ｇａ　十Ｔ３５　　”・・”■こ
の０式において、Ｔ’３５の値を大きくすると、燃料流
量Ｇｆが少なくなり、機関の運転に支障を来すようにな
り、また、Ｔ３５の値を小さくすると燃料流ｌＧｆが多
くなって実際のコンプレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ
、が上昇し、機関が破損する恐れがある。

そこで、本発明の二軸式ガスタービン機関の制御装置で
は、更に、温度センサ５Ｔ３５の異常時には、温度セン
サ５Ｔ３５からの検出値Ｔ３５’　　を実際の機関の運
転状態における熱交換器能の出口温度Ｔｓｓの上限値に
補正することにより、ガスタービン機関を搭載する車両
が停止することなく走行できるようにしている。このよ
うな制御は実際には制御回路１０によって行われるので
、温度センサ５Ｔ３５が正常の時、及び異常の時の制御
回路１０の動作を次に第３図のフローチャートを用いて
説明する。

ステップ３０１においては、制御回路ｌＯに機関の運転
状態パラメータが人力される。この運転状態パラメータ
は、例えば、ガスジェネレータＧ６の回転数Ｎ１、アク
セル開度θ、Ｃ，、コンプレッサタービンＰＴの出口温
度Ｔ６、熱交換器■εの出口温度Ｔｓｓの検出値’ｒ３
５’　　、コンプレッサＣの出口圧力Ｐ３、自動変速機
へ／Ｔの入力回転数Ｎ３等である。

ステップ３０２ではガスジェネレータＧＧの回転数Ｎ１
がアイドル回転数近傍の設定回転数、例えばアイドル回
転数（Ｎｓｄｔ＊−ΔＮ）以上であるか否かが判定され
る。なお、ここでΔＮはアイドル回転数Ｎ１ｄＬ、のｌ
Ｏ％程度の値とする。そして、ガスジェネレータ６Ｇの
回転数Ｎ＋が（Ｎ１ｄｔ＊−ΔＮ）以上の場合（ＹＥＳ
）にはステップ３０３に進んで以後温度センサ５Ｔ３５
からの燃焼器ＣＣの入口温度Ｔ３５の検出値Ｔ３５’　
　が正常か否かの判定が行われるが、回転数Ｎ＋が（Ｎ
、ｄＬ、−ΔＮ）未満の場合（Ｎ口）にはこの判定は行
われない。即ち、Ｎｒ　＜Ｎｔｄｔ＊−ΔＮの場合には
ステップ３０６に進み、現在の温度センサ５Ｔ３５から
の検出値７３８’　　がそのまま熱交換器＋１１３の出
口温度Ｔ３５とおかれてステップ３０７に進む。

一方、Ｎ、≧Ｎ、ｄ、。−ΔＮの時に進んでくるステッ
プ３０３では、まず温度センサ５Ｔ３５からの検出値Ｔ
３．°　　が熱交換器ＨＥの出口温度Ｔコ、の上限値で
あるＴ３５−（＝　６００℃）以上であるか否か々（判
定される。そして、Ｔ３５’　　＜６００℃の時はステ
ップ３０４に進み、ここで温度センサｓ’ｒｚｓからの
検出値Ｔ３５’　が熱交換器Ｈεの出口温度７３５の下
限値である’ｒｊｓ−，（＝　１５０℃）未満であるか
否かが判定される。ステップ３０３及びステップ３０４
における判定で１５０℃≦’ｒｓｓ’　　５６００℃と
判定された時（ステップ３０３．３０４で共にＮＯ）は
ステップ３０６に進み、温度センサ５Ｔｊｓからの検出
値Ｔ３５’　　は正常であるとみなされてこの値が熱交
換器ＨＢの出口温度Ｔ３゜とおかれてステップ３０７に
進む。一方、ステップ３０３において’ｒｓｓ’　　≧
６００℃と判定された時、或いはステップ３０４におい
てＴ３％’　　＜１５０℃と判定された時は、温度セン
サ５Ｔ３５からの検出値Ｔ３５’は異常であるとみなさ
れてステップ３０５に進み、ここでガスタービン機関を
安全に運転するために熱交換器Ｈ８の出口温度Ｔ’ａｓ
が補正値、つまり上限値６００℃に設定されてステップ
３０７に進む。

ステップ３０７ではステップ３０５或いはステップ３０
６にて設定された熱交換器Ｈεの出口温度Ｔ”ｓｓに基
づいて燃料流量Ｇｆが演算される。この演算は前述した
ように、コンプレッサＣの吸気の出口圧力Ｐ、とコンプ
レッサタービンＣＴの吸気入口温度の目標値Ｔ　４　Ｓ
　ｅ　ｔから吸入空気流１１　Ｇ　ａを求め、この求め
た空気流量Ｇａと人口温度の目標値Ｔ４ＳＥＴと、ステ
ップ３０５或いはステップ３０６にて設定された熱交換
器１１εの出口温度Ｔ　３　ｓから、機関に供給する燃
料流ｌＧｆを算出するものである。この後、ステップ３
０８にて所定のサイクルタイムだけ時間が調整され、時
間調整後は再びステップ３０１に戻って前述の制御が繰
り返される。

このように、本発明の二軸式ガスタービン機関の制御装
置では、従来、燃焼器ＣＣへの吸気入口部に設けられた
温度センサ５Ｔ３５の検出値をそのまま燃焼器ＣＣの入
口温度Ｔ’ｓｓとして燃料流ｌＧｆの演算を行っていた
のに対し、温度センサ５Ｔ３５の出力が正常か異常かを
判断し、異常時には検出値を補正して燃料流量Ｇｆの演
算を行うようにしているので、温度センサ５Ｔｚｓの、
故障時にもフェイルセーフで機関が支障なく運転される
。

〔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
の制御装置によれば、燃焼器ＣＣの入口温度Ｔ３５を求
めるためのセンサが故障時しても、センサの検出値を補
正して燃料流量を演算するので、機関が破損する恐れが
なく、また、車両を停止させることなく走行させること
ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示すブロック図、第２図は本発
明の二輪式ガスタービン機関の制御装置の構成を示す全
体概要図、第３図は第２図の制御回路の制御手順の概略
を示すフローチャート、第４図は従来の二軸式ガスター
ビン機関の一般的な構成を示す図である。１・・・吸気温度判定手段、２・・・吸気温度補正手段
、３・・・燃料流量制御手段、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、、　ＳＮ、。ＳＮ、・・・回転数センサ、ＳＴ、、　ＳＴ、、、　Ｓ
Ｔ、・・・温度センサ、ＶＮ・・・可変ノズル。第１　回

Claims

【特許請求の範囲】燃焼器（ＣＣ）からの燃焼ガスに駆動されて燃焼器（Ｃ
Ｃ）への吸気を圧縮するガスジェネレータ（ＧＧ）と、
このガスジェネレータ（ＧＧ）からの燃焼ガスに駆動さ
れて負荷を駆動する出力タービン（ＰＴ）と、前記燃焼
器（ＣＣ）への吸気温度（Ｔ＿３＿５）を検出する手段
と、コンプレッサ出口空気流量（Ｇａ）を求める手段と
、これら吸気温度（Ｔ＿３＿５）と空気流量（Ｇａ）よ
り燃料流量を算出する手段とを備えた二軸式ガスタービ
ン機関の制御装置であって、前記燃焼器（ＣＣ）への吸気温度（Ｔ＿３＿５）が所定
範囲内にあるか否かを判定する吸気温度判定手段（１）
と、前記吸気温度（Ｔ＿３＿５）が前記所定範囲外にあ
る時は、前記吸気温度（Ｔ＿３＿５）を所定値に補正し
て出力し、それ以外の時は補正を行わない吸気温度補正
手段（２）と、この吸気温度補正手段（２）からの出力に応じて燃料流
量（Ｇｆ）を制御する燃料流量制御手段（３）と、を備
えた二軸式ガスタービン機関の制御装置。