JPH02233833A - 二軸式ガスタービン機関の制御装置 - 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コンプレッサタービンの
出口温度を温度センサを用いずに推定して機関を制御す
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、低振動で連続した高回転が
行える、灯油やメタノールなど多種類の燃料が使用でき
る、自動車に適した低速トルクの大きなトルク特性を持
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ＧＴの一般的な構成の一例を示すも
のである。

図において、Ｃはコンプレッサ、ＨＥは熱交換器、ＣＣ
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ＡＩを介して燃
料が供給されている。吸入空気（吸気）はコンプレッサ
Ｃにて圧縮され、熱交換器｝ＩＥ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ＧＧと呼ばれることがあり、この回転数Ｎ．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を経てパワターピン（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
となる．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Ｄを介して
車輪Ｗに伝達される． なお、アクチュエータＡＩ．　Ａ２を駆動する制御回路
ＣＯＮＴ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ＣＯＮＴは機関の運転状態に応じてアクチュエ
ータＡｔ，　Ａ２を介して燃料流量及び可変ノズルＶＮ
Ｏ開度を調整する． また、一般に、第６図の■の位置の吸気圧をＰ３、■の
位置の温度をＴ４というように、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を示し、ガスジエネレータＧＧの回転軸の回転数
がＮ，、減速歯車Ｒ／Ｇを経たパワタービンＰＴの出力
軸の回転数がＮ３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
ては、ガスジェネレータＧＧの加速、減速、定常運転時
に、燃焼器ＣＣの出口温度（コンプレッサタービンの入
口温度）Ｔ４、パワタービンの出口温度Ｔ，を組み合わ
せて制御している。例えば、機関が加速から定常に移る
場合、第７図に示すように、ガスジェネレータＧＧの加
速時には燃焼器ＣＣの出口温度Ｔ４を一定にする制御を
、ガスジェネレー夕ＧＧが定常の時はパワタービンの出
口温度Ｔ，を一定にする制御を従来行っている。

コンプレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ４は非常に高温
であるので直接検出することは困難である。

そこで、このコンプレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ４
の算出方法には従来いくつかの方法が提案されている．
例えば、特開昭５５−１２２６３号公報や特公昭５７−
４９７４６号公報では、出力タービンＰＴの出口温度　
　一ビンＣＴの入口温度Ｔ４を推定することができる二
Ｔ．を推定し、その温度からコンプレッサタービ　　軸
式ガスタービン機関の制御装置を提供することンＣＴの
入口温度Ｔ４を推定している．　　　　　　　　にある
．〔発明が解決しようとする課題〕 ところが、コンプレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ，を
推定する場合、従来の方法では温度のパラメータがどう
しても必要となっているが、機関内の温度の測定は温度
センサとして用いる熱電対の応答遅れや、熱交換器ＨＥ
や燃焼器ＣＣ等による温度分布により正確な情報を得る
ことが一般に困難であるという問題がある。特に、機関
の加速時や減速時には誤差が大きくなり、時としてコン
プレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ４が許容値を越え、
タービンが溶損に至って機関の破損などの問題が生じる
。

本発明の目的は、コンプレッサタービンＣＴの入口温度
Ｔ４を推定するに当たり、温度のパラメータを使用せず
、二軸式ガスタービン機関の特性を利用して、吸気また
は燃焼ガスの圧力とガスジエネレータＧＧの回転数のみ
から正確にコンプレッサタ〔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、第１図に示すように、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装置
であって、前記コンプレッサＣの出口圧力Ｐ３の検出手
段ＳＰ，と、前記コンプレッサタービンＣＴの出口圧力
Ｐ，の検出手段ＳＰ，と、両者Ｃ，ＣＴを結ぶ軸の回転
数Ｎ，の検出手段ＳＮ＋と、圧力ｐ，，　ｐ，とから一
義的に求められる回転数Ｎ，とコンプレッサタービンＣ
Ｔの出口温度Ｔ４の関係と前記検出手段ＳＰ３，ＳＰＳ
，ＳＮＩの検出値とから出口温度Ｔ４を演算する手段１
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、
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，とガスジエネレータＧＧの回転軸の
回転数Ｎ，とが各センサによって求められると、圧力Ｐ
ａｌ．　Ｐｉとから一義的に決まる回転数Ｎ．とコンプ
レッサタービンＣＴの出口温度Ｔ４の関係を用いてコン
プレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ４が算出される． 〔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）を付してある。

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ャＦ／Ｇ　、コンプレッサＣ、
熱交換器ＨＥ、燃焼器ＣＣ、コンブレツサ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１１Ｅ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ツサタービン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エー夕、Ａ２は
可変ノズルＶＮの開度αＳを調整するアクチュエー夕で
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１ｔ９Ａ／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
信号用の入力インクフェース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Ｉ
Ｎａからの信号をデジタル変換するアナログーデジタル
変換器Ａ／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、それぞれバスライン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ＳＮ．，及び車軸駆動回転数Ｎ，を検出
する回転数センサＳＮ，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１１
８の出口温度Ｔｚｓを検出する温度センサＳＴ３Ｓ，パ
ワターピンＰＴの出口温度Ｔ，を検出する温度センサＳ
Ｔ＆のような温度センサと、コンプレッサＣの出口圧力
Ｐ，を検出する圧カセンサＳＰ３，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ＳＰＳのよ
うな圧カ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＋，Ｎｚ，Ｎｐ，Ｐ：＋．Ｐｓ．
Ｔｏ，Ｔｓｓ．Ｔ，やアクセルペダルからのアナログ信
号θａｃｃ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、
シフトレバー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
ュエータ八２に対して可変ノズルＶＮＯ開度を指示する
信号α，、トルクコンバータのロックアップクラッチの
オンオフを指示する信号Ｓ，、変速機構の変速信号Ｓ．
，Ｓ２やスロットルワイヤ信号θ．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
て制御回路１０はコンプレッサ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、ガスジェネ
レータＧＧの回転数Ｎ，とから燃焼器ＣＣの出口温度Ｔ
４を算出して機関の制御を行う。よって、ここではまず
、圧力Ｐ３と圧力Ｐ，と回転数Ｎ．とから燃焼器ＣＣの
出口温度Ｔ４を算出する過程について説明する． 可変ノズルＶＮにより負荷制御される二軸式ガスタービ
ン機関では、その機関特性からタービン修正回転数Ｎ＋
／　ｆＴ４と、コンプレッサＣの出口圧力Ｐ，と、コン
プレッサタービンＣＴの出口圧力ＰＳとの比Ｐ　３　／
　Ｐ　ｓの関係は一義的に決まり、その関係は第４図に
示すように１本の曲線で近似できる。ここで、θ４は標
準大気温度（１５゜Ｃ）４を基準とし、コンプレッサタ
ービンＣＴの入口温度Ｔ４を無次元化したものであり、
次式■で定義される。

θ４＝Ｔ．／２７３．１６＋１５　　　・・・　■従っ
て、各二軸式ガスタービン機関において、第４図に示す
特性曲線を予め求めて制御回路ｌＯに記憶させておけば
、機関運転時に検出値として得られるＰ　３　／　Ｐ　
ｓとこの特性曲線よりＮＩ／　ｆＴ４が得られ、■式か
らコンプレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ４を演算によ
り求めることができる。なお、制御回路１０に記憶させ
るのは、Ｐ　３／　Ｐ　ｓとＮ　＋　／　ｆ”’ｉ”’
　ａとの関係ではなく、Ｐ：ｌ／ＰＳとＮ，／Ｊ″ｒ′
４との関係でも良い。

次に、機関の加速時および定常時の制御回路１０の制御
動作を第３図に示す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、ガスジエネレータＧＧの回
転数Ｎ，を検出し、ステップ３０２においてはコンプレ
ッサＣの出口圧力Ｐ，とコンブレツサタービンＣＴの出
口圧力Ｐ，とを検出する。そして、ステップ３０３にお
いて、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，との比の値Ｐ　３　／　Ｐ　
ｓを演算し、読み出し専用メモリＲＯＩ１に予め記憶さ
せておいた特性曲線（第４図）と前述の■式とからコン
プレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ４を演算により求め
る。

ステップ３０４ではステップ３０３で演算したコンプレ
ッサタービンＣＴの入口温度Ｔ４が目標値Ｔ４′と等し
いか否かが比較され、等しい場合（ＹＥＳ）はこのルー
チンを終了するが、等し《ない場合（ＮＯ）はステップ
３０５に進み、ガスジェネレータＧＧが加速状態か否か
を判定する．ガスジェネレータＧＧの加速状態と定常状
態の判別は、アクセルペダルの踏み込み量とアクセルペ
ダルの単位時間内の変化量やガスジェネレータＧＧの回
転軸の回転速度の変化率等で判定すれば良い。

ガスジェネレータＧＧが定常状態にあると判定された時
（ＮＯ）はステップ３０９に進み、続《ステップ３０９
からステップ３１１においてステップ３０３で演算した
コンプレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ４と目標値Ｔ４
″１との大小が比較され、Ｔ４≦Ｔ４′の場合はステッ
プ３０９からステップ３１０に進んで可変ノズルＶＮの
開度α，を閉じる制御が行われ、Ｔ．　＞７４”の場合
はステップ３０９からステップ３１１に進んで可変ノズ
ルＶＮの開度α，を開《制御が行われてステップ３０１
に戻り、コンプレッサタービンＣＴの入口温度Ｔ４が目
標値Ｔ４１になるようなフィードバック制御が行われる
。

一方、ステップ３０５においてガスジエネレータＧＧが
加速状態にあると判定された時（ＹＥＳ）はステップ３
０６に進み、続くステップ３０７からステップ３０Ｈに
おいてステップ３０３で演算したコンプレッサタービン
ＣＴの入口温度Ｔ，と目標値７４１１との差から燃料の
増減量が演算される。即ち、ステップ３０６ではコンプ
レッサタービンＣＴの入口温度Ｔ４と目標値Ｔ　４１１
との差ΔＴ４が演算され、ステップ３０７では目標燃料
流量Ｇｆゝと現在の燃料流量Ｇｆとの差ΔＧｆが演算さ
れ、ステップ３０８においてこの八Ｇｆを用いて現在の
燃料流ｌＧｆが補正される。この時、燃焼ガス流ｆｆｉ
　ｃ　ａは、コンプレッサタービンＣＴの流量特性より
第５図に示すＰ３／Ｐ５　　Ｇａｌπ／Ｐ＋特性から求
めることができる。また、Ｈをエンタルビ、ηＣＣを燃
焼器ＣＣの燃焼効率、　ＬＩＩＶをｌｋｇで何カロリー
出るかを示す低発熱量とすれば、燃焼器ＣＣの入出力の
エネルギバランスにより、次式■，■が成立する． Ｇ４Ｈ４”　　＝　　Ｇ３Ｓ＊Ｈ３Ｓ＋Ｇｆ”＊　　η
ｃｃ　＊　ＬＨＶ　　−　　　■ＧａＨａ　　　＝　　
Ｇｓｓ本｝１３ｓ＋Ｇｆ　　＊　　ηｃｃ＊ＬＨＶ　　
・・・　　■■式はステップ３０３での演算時のエネル
ギバランスであり、■式は目標値Ｔ４＊の時のエネルギ
バランスである。また、エンタルピＨは温度と空燃比の
関数であって、 Ｈ，＝ｆ　（Ｆ／Ａ，Ｔ４　）　　・・・　■が成り立
つ。よって、■式から■式より、ΔＧｆ＝Ｋ＊Ｇ，＊Δ
Ｔ４ が求められ、燃料の補正値を計算することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の二輪式ガスタービン機関
の制御装置によれば、温度のパラメータを使用せず、二
軸式ガスタービン機関の特性を利用して、温度分布に比
べて少ない圧力分布を温度センサより応答性の良い圧カ
センサを用いて得た吸気または燃焼ガスの圧力とガスジ
ェネレータＧＧの回転数のみから正確にコンプレッサタ
ービンＣＴの入口温度Ｔ４を算出することができる．こ
の結果、従来の熱平衡によりコンプレフサタービンＣＴ
の入口温度Ｔ４を機関各部の温度を検出して算出する方
法に比べて、温度分布、熱電対の応答遅れにより誤差が
排除でき、より正確にコンプレッサタービンＣＴの入口
温度Ｔ４が推定でき、この正確な温度Ｔ４を用いて機関
の制御を行えるので、タービン溶損等の不具合を信頬性
良く防止す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
明の二軸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Ｐ３／Ｐｓ−Ｎ＋／ｆ
Ｔ４の関係を示す特性図、７１．　５１ｍハｐｚ／ｐｓ
−ｃ４ｆｒ；／ｐｓ特性ヲ示ｔ特性図、第６図従来の二
軸式ガスタービン機関の一般的な構成を示す図、第７図
は従来のガスジェネレー夕が加速状態から過渡状態に移
行する時の制御特性を示す線図である。 １・・・温度演算手段、　　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・・
・パワターピン、　　ＳＮ，・・・回転数センサ、ＳＴ
３，　ＳＴ！ｓ．　ＳＴ＆　”’温度センサ、Ｓｈ，　
ＳＰｓ・・・圧カセンサ、ＶＮ・・・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装置であって、 前記コンプレッサ（Ｃ）の出口圧力（Ｐ＿３）の検出手
   段（ＳＰ＿３）と、 前記コンプレッサタービン（ＣＴ）の出口圧力（Ｐ＿５
   ）の検出手段（ＳＰ＿５）と、 両者（Ｃ）、（ＣＴ）を結ぶ軸の回転数（Ｎ＿１）の検
   出手段（ＳＮ＿１）と、 前記検出手段（ＳＰ＿３）、（ＳＰ＿５）、（ＳＮ＿１
   ）の検出値から出口温度（Ｔ＿４）を演算する温度演算
   手段（１）と、を備えた二軸式ガスタービン機関の制御
   装置。