JPH0237120A - 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過渡状態の性能を向上さ
せ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７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
ｏ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Ａ１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ＨＥ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、アクチュエータ＾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ＨＢ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゛Ｃ車輪Ｗに伝達さ
れる。

なお、アクチュエータＡ１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、アクチュエータ
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Ｃ０ＮＴ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Ａｌ、　Ａ２
を駆動する。

また、一般に、第７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、○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の過渡運転時、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）Ｔ１、パワタービンの出口温度Ｔ６を組み合わ
せて制御している。このうち、既関の過渡状態、例えば
、機関の加速状態のときには、パワタービンの出口温度
Ｔ６から燃焼器ＣＣの出口温度Ｔ４を推定してガスジェ
ネレータＧＧを制御していた。即ち、パワタービンＰＴ
の出力軸の回転数Ｎ、を一定とした場合のパワタービン
の出口温度Ｔ６と燃焼器ＣＣの出口温度Ｔ、との関係を
示す第８図、及びガスジェネレータＧＧの回転軸の回転
数Ｎ１を一定とした場合のパワタービンの出口温度Ｔｌ
ｌ　と燃焼器ＣＣの出口温度Ｔ、との関係を示す第９図
から、燃焼器ＣＣの出口温度Ｔ、をパワタービンの出口
温度Ｔ６、ガスジェネレータＧＧの回転軸の回転数Ｎ２
、及びパワタービンＰＴの出力軸の回転数Ｎ、の関数と
して求めていた。また、この際、パワタービンの出口温
度Ｔ６の温度センサとして用いられる熱電対は、急激な
温度変化に対しては追従できず、温度変化に対する応答
遅れを補正して燃焼器ＣＣの出口温度Ｔ４を推定し、燃
焼器ＣＣの出口温度Ｔ、を制御していた（特公昭５７−
４９７４６号公報参照）。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、加速や減速等の過渡時に、パワタービンの出
口温度Ｔ６を検出するセンサの温度変化に対する応答遅
れを正確に補正することは困難であり、精度良く燃焼器
ＣＣの出口温度Ｔ、を推定することができないという問
題がある。特に、自動車用の二軸式ガスタービン機関で
は、ガスジェネレータＧＧを機関のアイドル状態から定
格状態まで加速する時間が、１〜数秒以内であり、非常
に短時間のうちに大きなパワタービンの出口温度Ｔ６の
変化が生じて、パワタービンの出口温度Ｔ６の補正が離
しく、その結果、燃焼器ＣＣの出口温度Ｔ４を精度良く
推定できなかった。

また、従来はこの精度の良くない燃焼器ＣＣの出口温度
Ｔ、を基にして燃料流量Ｇｆを制御していたので、燃焼
器ＣＣの出口温度Ｔ４の制御精度が悪い上に、フィード
バック制御を行っていたので、ハンチング等の問題も生
じていた。

本発明の目的は、ガスジェネレータＧＧの過渡状態にお
ける燃焼器ＣＣの出口温度Ｔ４をフィードバツク制御で
はなく、オーブンループ制御により、精度良く推定でき
、高精度、高応答圧のタービン入口温度制御を行うこと
ができる二軸式ガスタービン機関の制御装置を提供する
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の
制御装置は、第１図に示すように、コンプレッサＣに直
結され、燃焼器ＣＣからの燃焼ガスによって駆動される
コンプレッサタービンＣＴと、負荷に連絡された出力タ
ービンＰＴと、この出力タービンＰＴと前記コンプレッ
サタービンＣＴとの間に設けられた可変ノズルＶＮと、
前記コンプレッサＣと前記燃焼器ＣＣとの間に設けられ
た熱交換器Ｈ８と、各部の温度、吸気圧力、回転数を検
出するセンサとを備えた二軸ガスタービン機関の制御装
置であって、機関の運転状態パラメータから機関の過渡
状態を検出する過渡状態検出手段１と、機関の過渡時に
前記熱交換器ＨＥの出口温度と、前記コンプレッサＣの
出口圧力から、前記燃焼器ＣＣの出口温度が一定になる
ように燃料流量を制御する燃料流量制御手段２とを備え
ていることを特徴としている。

〔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の過渡状態が検
出されると、予め制御装置に記憶された関係式と、制御
装置に人力される熱交換器ＨＨの出口温度Ｔ　３ｓ　ｓ
コンプレッサＣの出口圧力Ｐ３、等の信号により直接燃
料流量Ｇｆが算出され、これが制御装置から出力される
。この燃料流量Ｇｆから燃焼器ＣＣの出口温度Ｔ４は目
標値に精度良く制御される。

〔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７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３、コンプレッサＣ１熱交換
器ＨＥ、燃焼器ＣＣ１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。吸気はコンプレッサＣに
て圧縮され、熱交換器ＨＥ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Ｃ
Ｔ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Ｈａ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は可燃ノズルＶＮの開度を調整するアクチュエータで
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１０には、アナログ信号用の人力インタフェース
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Ａ／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！ＪＲＯＭ、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Ｇ
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、を抄出する温度センサＳＴ、、
熱交換器１１８の出口温度Ｔ３Ｓを検出する温度センサ
ＳＴ　ｓ　ｓ、　　パワタービンＰＴの出口温度を検出
する温度センサＳＴ６．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Ｎ、を検出する回転数センサＳＮ、
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［Ｎａには、前述
のセンサからの信号Ｎ　ｌ＋　Ｎ　ｆｆ＋　ＮＰ＋　Ｐ
　３１　Ｔｓｓ＊Ｔ６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−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人力される。

一方、出力回路ＯＵＴからは、燃焼器ＣＣのアクチュエ
ータＡＩに対して燃料流量を指示する信号Ｇｆ。

アクチュエータＡ２に対して可変ノズルＶＮＯ開度を指
示する信号α８、トルクコンバータＴ／Ｃのロックアツ
プクラッチし／Ｃのオンオフを指示する信号Ｓ３、変速
機Ｔの変速信号Ｓ、、Ｓ２やスロットルワイヤ信号Ｏｔ
ｏ等が出力される。

次に以上のように構成された二軸式ガスタービン機関に
おける過渡時の制御回路１０の動作を第３図のフローチ
ャート及び第４図から第６図の特性図を用いて説明する
。

ステップ３０１においては、制御口１ｉ！８１０に機関
の運転状態パラメータが入力される。この運転状態パラ
メータは、例えば、ガスジェネレータＧＧの回転数Ｎ３
、アクセル開度θａｃｃ　’１パワタービンＰＴの出口
温度Ｔ６、熱交換器１１８の出口温度Ｔ’ｓｓ、コンプ
レッサＣの出口圧力Ｐ３、自動変速機Ａ／Ｔの入力回転
数Ｎ３等である。

そして、ステップ３０２にて機関の運転状態パラメータ
からガスジェネレータＧＧが過渡状態か否か、例えば加
速状態か否かが判定される。この機関の過渡状態は、ア
クセルペダルの踏み込み量と、アクセルペダルの踏み込
み量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が過渡状態にあると判定された時
（ＹＥＳ）　はステップ３０３に進み、続くステップ３
０３からステップ３０５において過渡状態の制御が行わ
れる。一方、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３０６に進み、ここで
従来のガスジェネレータＧＧの定常状態の制御が行われ
、可変ノズルＶＮの開度α、と燃料流量Ｇｆが演算され
るが、この制御は直接本発明には関係がないので、ここ
ではその説明を省略する。

次に、前述のステップ３０３からステップ３０５におけ
るガスジェネレータＧＧが過渡状態、例えば加速中の制
御について説明する。

まず、燃焼機ＣＣの入出力関係に注目してみると、燃焼
機ＣＣの燃焼効率をη。。とじた時に、燃焼機ＣＣへの
入力は燃料流ｌＧｆ、エンタルピｈｆ、　ｈｓｓ、空気
流ｍ　Ｇ　３Ｓおよび１ｋｇで何カロリー出るかを示す
低発熱ＩＬＨＶであり、出力は空気流ｍＧ、とエンタル
ピｈ、である。よって、燃料器ＣＣの入出力のエネルギ
バランスにより、次の式■が成立する。

但し、ｈｆ＝Ｑである。

よって、ステップ３０３ではこの式■に燃料流口Ｇｆと
熱交換機出口空気温度Ｔ３．を与えてエンタルピｈ、を
演算する。なお、エンタルピは温度と燃空比の関数、 ｈ＝ｆ（Ｆ／Δ　、　　Ｔ）　　・・・■であるので、
エンタルピｈ４から燃焼器ｃｃの出口温度Ｔ、を求める
ことができる。ここで、ΔＴａ　＝Ｔ、−Ｔ３！、　　
・・・・・・■と置くと、■式、■式、■式から燃空比
Ｇｆ／Ｇ３ＳとΔＴ、とＴ３Ｓの関係を予め計算して求
めておくことができる。これを次式■に示ず。

Ｇｆ／Ｇ３５＝ｆ　　（ΔＴ４　、　Ｔ３Ｓ）　　・・
・■そして、・この■の関係を図に示すと、第６図のよ
うなる。また、燃焼器ＣＣの出口温度Ｔ、をパラメータ
としたときの、コンプレッサＣの出口圧力Ｐ３に対する
空気流ＩＧ、の特性は第４図のようになる。この図より
次式が成立する。

Ｇ、＝ｆ　　（Ｐ、、Ｔ、）　　・・・・・・■また、
熱交換器１１Ｆ、のシールから洩れる空気量をＧｌ、タ
ービンの背面を冷却した空気をＧ、ｃとしたときに、熱
交換器ＨＥの出口空気流量Ｇ３Ｓは、Ｇ３５＝Ｇ、　　
・（１（Ｇｊｉ！十〇ｔｃ）　／Ｇ−＝Ｇ、　　・　（
１−ｋＬ　）　　　・・・・・・■但し、ｋ、は定数で
約３％程度の値 となる。このように、ステップ３０３では０式に熱交換
器出口温度Ｔ３Ｓと燃焼器ＣＣの出口温度、すなわち、
タービン入口温度の目標値Ｔ　ｓ　ｓ　Ｅ　Ｔを代入し
てΔＴ４を演算する。

そして、ステップ３０４では前述の０式にコンプレッサ
出口圧力Ｐ３とタービン入口温度の目標値Ｔ　４　ｓ　
＠Ｌとを代入して吸入空気量Ｇａを求め、更に、０式に
吸入空気量Ｇａを代入して熱交換器旺の出口空気流量Ｇ
３Ｓを演算する。

この時点では熱交換器ＨＢの出口空気流ｆｆ１Ｇ３ｓ、
ΔＴ４　、および熱交換器ＨＨの出口温度Ｔ３Ｓが既知
であるので、続くステップ３０５において、前述の０式
にこれらＧ３Ｓ、ΔＴ、およびＴ３Ｓを代入して燃料流
量Ｇｆを演算する。

ステップ３０５またはステップ３０６が終了するとステ
ップ３０７に進み、演算した可変ノズルＶＮの開度α、
や燃料流ｌＧｆ等がガスタービンＧＴに出力される。そ
して、ステップ３０９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。

以上のような動作で燃料流、ｌＧｆが制御回路１０から
出力されると、燃焼器ＣＣの出口温度Ｔ４は目標値の’
ｒ、ｓｅＬに精度良く制御される。

従来の二軸式ガスタービン機関の制御装置では、過渡時
にパワタービンの出口温度Ｔ６から燃焼器ＣＣの出口温
度Ｔ４を推定していたために、燃焼器ＣＣの出口温度Ｔ
４の誤差が非常に大きくなり、この誤差の大きな燃焼器
ＣＣの出口温度Ｔ、を基にして燃料流量Ｇｆを制御して
いたために、燃焼器ＣＣの出口温度Ｔ４の制御精度が悪
く、また、フィードバック制御のためにハンチング等の
問題もあった。ところが、本発明では前述の実施例に示
したように、予め作成された前述の式■から■を制御回
路１０内に記１．αさせておき、目標とする燃焼器ＣＣ
の出口温度Ｔ　４　ｓ　＠ｔと制御回路１０への入力信
号である熱交換器ＨＨの出口温度’Ｉ”３５やコンプレ
ッサＣの出ロ圧力Ｐ３等により、直接燃料流ｌＧｆを演
算して出力する。これにより、燃焼器ＣＣの出口温度Ｔ
、のフィードバック制御ではなく、オープンループ制御
を実行することができるようになり、過渡時にハンチン
グ等の問題がなく、高精度、高応答性のガスジェネレー
タ制御制御が行える。

〔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、ガスジェネレータの過渡時にハン
チング等の問題がなく、高精度、高応答性のガスジェネ
レータ制御が行え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一例を示すフロ
ーチャート、第４図はコンプレッサ出口圧カー空気流量
特性を示す線図、第５図は燃焼器の入出力特性を説明す
る図、第６図はＧｆ　／Ｇ３５−ΔＴ、特性を示す線図
、第７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、第８図および第９図はそれぞれ変速機の人
力回転数Ｎ３、ガスジェネレータの回転数Ｎ＋を固定し
た時のコンプレッサタービンの出口温度−燃焼器ＣＣの
出口温度特性を示す線図である。 １・・・過渡状態検出手段、 ２・・・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、ＳＮＩ
、　ＳＮ３．　ＳＮＰ・・・回転数センサ、Ｓｒ１．５
Ｔ３Ｓ、　ＳＴｓ・・・温度センサ、ＶＮ・・・可変ノ
ズル。 第 回 第２図の制御回路１０の動作を示すフロチャ ト 第 図 Ｐ３ （Ｋ９／ｃｍ２） 第４ 回 Ｇ１／Ｇ３５ 第 日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 コンプレッサ（Ｃ）に直結され、燃焼器（ＣＣ）からの
   燃焼ガスによって駆動されるコンプレッサタービン（Ｃ
   Ｔ）と、負荷に連絡された出力タービン（ＰＴ）と、こ
   の出力タービン（ＰＴ）と前記コンプレッサタービン（
   ＣＴ）との間に設けられた可変ノズル（ＶＮ）と、前記
   コンプレッサ（Ｃ）と前記燃焼器（ＣＣ）との間に設け
   られた熱交換器（ＨＥ）と、各部の温度、吸気圧力、回
   転数を検出するセンサとを備えた二軸ガスタービン機関
   の制御装置であって、 機関の運転状態パラメータから機関の過渡状態を検出す
   る過渡状態検出手段（１）と、 機関の過渡時に前記熱交換器（ＨＥ）の出口温度と、前
   記コンプレッサ（Ｃ）の出口圧力から、前記燃焼器（Ｃ
   Ｃ）の出口温度が一定になるように燃料流量を制御する
   燃料流量制御手段（２）と、 を備えた二軸式ガスタービン機関の制御装置。