JPH0545800Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この考案は２軸ガスタービンの制御装置、特に
制御上の異常に対処するものに関する。

（従来の技術） 部分負荷時の効率低下の原因としてサイクルの
マツチング温度と圧力比の低下があり、温度低下
を防ぐ方法として可変ノズル（可変静翼）が採用
される（昭和55年１月(株)山海堂発光「自動車工学
全書６巻」第165頁、特開昭52−47113号公報参
照）。

これについて説明すると、可変ノズルは、例え
ばすべてのノズルブレードがそれぞれの回転中心
軸の回りに回転でき、ノズルブレードを回転させ
ると翼列のスロート部面積が変化する構造であ
る。ここに、可変ノズルのアクチユエータには油
圧ピストンを用いるものが多く、油圧ピストンは
電気油圧サーボバルブにて駆動制御される。そし
て、これら油圧機器（油圧ピストンとサーボバル
ブ）にはオイルポンプからの一定油圧が供給路を
介して供給される。

たとえば、設計点でのノズルブレード角度（ノ
ズル角度）からスロート部面積が小さくなる方向
（閉じる方向）にノズルブレードを動かすと出力
タービンの通路面積が狭くなり、コンプレツサタ
ービンと出力タービンの膨張比のうち、出力ター
ビンにかかる比率が増加し、コンプレツサタービ
ンの出力が低下する。したがつて、同じコンプレ
ツサタービン回転速度を維持するためには、コン
プレツサタービンの入口温度を高くすれば良い。

そこで、部分負荷時において可変ノズルを閉じ
ていくと、マツチング温度を下げずに運転するこ
とができる。

（考案が解決しようとする問題点） ところで、このような装置ではガスタービンの
保護のため、異常を検出した場合に即座に燃焼器
への燃料供給を遮断し、これによりガスタービン
を緊急停止させるようにしているが、異常の種類
によつてはコンプレツサタービンへの負担となら
ないノズル角度にて停止されず、再始動が困難と
なる場合がある。その場合とは制御系に異常が生
じた場合である。たとえば、制御系をマイクロコ
ンピユータで構成する場合、制御を司るCPUが
強い電波等からの障害を受けると、予めプログラ
ミングした動作を行わずに勝手な動作を行う。こ
こに、CPUがこのような勝手な動作を行うこと
を「暴走」と称し、暴走により可変ノズルが所定
範囲を外れた位置（たとえば可変ノズルが全閉に
近い位置）で停止されることがあり、こうした場
合にはコンプレツサタービンへの大きな負荷とし
て作用するので着火を行つてもガス発生機を回転
することができない。

ただし、始動時に可変ノズルを自由に駆動でき
るのならばこうした問題も解決されるが、実際に
は駆動することは困難である。その理由は可変ノ
ズルを駆動するための油圧源が出力タービンにて
駆動されるオイルポンプ（補機）であり、補機類
は出力側に取り付けることが電気事業法の規定に
より義務付けられているからである。したがつ
て、出力タービンが所定の回転以上となる始動後
と相違して、始動時には一定油圧が得られないこ
とから、分解調整しない限り可変ノズルを駆動す
ることができないのである。

この考案はこのような従来の問題点に着目して
なされたもので、暴走が判別されたときにはガス
タービンを緊急停止させるとともに、タービン停
止までに残留油圧を利用して可変ノズルを始動に
最適な位置にまで駆動させ、再始動に備えさせる
ようにした装置を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） この考案は、第１図に示すように、可変ノズル
５Ａと有する出力タービン５と、この出力タービ
ン５にて駆動され油圧を発生するオイルポンプ６
と、発生した油圧を作動圧として前記可変ノズル
５Ａのノズル角度を増減する油圧機器（たとえば
電気油圧サーボバルブ）７と、この油圧機器７へ
の制御信号にてガス発生機１のガス温度を制御す
る手段８とを備えた２軸ガスタービンの制御装置
において、運転中に前記制御手段８の行う制御に
暴走が発生したかどうかを判別する手段９と、暴
走が判別された場合に前記ガス発生機１の回転を
緊急停止させる（たとえば燃焼器４への燃料供給
を遮断する）手段１０と、同じく暴走が判別され
た場合に前記可変ノズル５Ａのノズル角度を始動
に最適な位置とする制御信号を前記油圧機器７に
向け出力する手段１１とを設けた。なお、暴走時
出力手段１１からの信号をガス温度制御手段８に
入力させる構成としても構わない。また、２はコ
ンプレツサ２，３はコンプレツサタービンであ
る。

（作用） ガス温度制御手段８に暴走が生じると、安全性
確保のため燃料供給の遮断等によりガスタービン
が緊急停止されるが、暴走による誤つた制御信号
にて油圧機器７が駆動され、可変ノズル５Ａがた
とえば全閉位置のような位置に停止されてしまう
ことがある。このような位置は始動時の位置とし
ては不適当であり、着火してもガス発生機１が回
転することができず、したがつて始動が不可能と
なる。

これに対して、この考案によれば暴走発生より
ガスタービン停止までに、油圧機器７に作用して
いる残留油圧を利用して可変ノズル５Ａが始動に
適当な位置へと駆動される。これによりノズル角
度の異常からの回復が自動的になされたことにな
り、引き続いて着火が行なわれると、ガス発生機
１が容易に起動される。

（実施例） 第２図はこの考案の一実施例のシステム図であ
る。同図において、１はコンプレツサ２、コンプ
レツサタービン３及び燃焼器４から構成されるガ
ス発生機、５は可変ノズル５Ａを有する出力ター
ビン、２１は出力タービン５にて駆動されるオイ
ルポンプである。なお、２２Ａ〜２２Ｃはタービ
ン軸５Ｂの回転をポンプ駆動軸２１Ａに伝達する
歯車機構である。

オイルポンプ２１の発生した油圧が供給される
電気油圧サーボバルブ２３は制御量（たとえば電
流値）に応じて可変ノズル５の油圧アクチユエー
タ（たとえば油圧ピストン）を変位させる。ここ
に、サーボバルブ２３に付与する制御量の大小に
て可変ノズル５Ａを自在に開閉することができ
る。ただし、サーボバルブ２３の作動が安定する
のは一定油圧が得られる場合に限り、したがつて
始動時にはオイルポンプ２１によつては油圧アク
チユエータを駆動することがきない。

３０はガスタービンに関する制御を集中的に行
うコントロールユニツトで、単に負荷制御（具体
的には燃焼器４に加える燃焼流量と可変ノズル５
Ａのノズル角度）を行うだけでなく異常からの保
護、さらにはシーケンシヤルな始動時制御を行
う。たとえば、ノズル角度についてはガス発生機
１の回転速度に応じて設定した目標ガス温度が得
られるように、制御信号をサーボバルブ２３に出
力する。なお、同制御は閉ループ制御とされ、実
際のノズル角度を検出するセンサ（たとえばポテ
ンシヨンメータ）２４からの信号がフイードバツ
クされている。

また、異常からの保護については、ガスタービ
ン運転中のガス発生機回転速度がオーバースピー
ドになつたり、コンプレツサタービン３の入り口
ガス温度が過度に昇温したときには燃焼器４への
燃料供給路に介装した電磁遮断弁２５が閉じられ
る。ただし、本考案では制御系に生じる異常を問
題とする。すなわち、コントロールユニツト３０
をインターフエース回路３１、ROM３２、
RAM３３、CPU３４からなるマイクロコンピユ
ータで構成する場合、CPU３４が電波障害等を
受けて暴走する場合がある。ここに、暴走を生じ
ると制御不能となるので、安全のためガスタービ
ンを停止させるとともに、CPU３４を正常な状
態に復帰させるためリセツトすることが必要とな
る。

このため、暴走判別回路３５が設けられる。こ
こに、暴走を生じたかどうかはCPU３４に一定
周期のパルス（PRUNパルス）を出力させるよ
うにしておくと、暴走発生時にはPRUNパルス
を発生しなくなるので、PRUNパルスが発生し
ている場合と発生していない場合とを判定し、
PRUNパルスが発生しなくなると、CPU３４に
対してリセツトパルスを出力させるように回路構
成すれば良い。

たとえば、第３図はその具体的回路例で、第４
図は回路各部（ＡないしＥ）の電圧信号波形であ
る。第３図においてＡ点に入力されるPRUNパ
ルスS_Aは反転器（トランジスタ）Q₁で反転され、
この反転信号がコンデンサC₁と抵抗R₃からなる
微分回路を通ると、微分波形S_Bが得られる。ここ
に、第４図に示すPRUNパルスS_Aは暴走を生じ
たために途中からパルスを発生しなくなつた場合
を示しており、S_Aの立ち下がりに同期して立ち
上がる微分波形S_BがＢ点において得られている。
なお、S_Aの立ち上がりに同期して立ち下がらな
いのはダイオードD₁にて逆方向電流が阻止され
るからである。

この微分波形S_BはコンデンサC₂と抵抗R₄から
なる平滑回路にて平滑化され、平滑化された信号
S_Cは比較器（集積回路）IC₁に入力される。比較
器IC₁では信号S_Cが基準値V_cと比較され、V_cより
大きいとハイレベル、小さいとローレベルとなる
信号S_Dを出力する。すなわち、第４図に示す微分
波形S_Bが立ち上がる限り、信号S_Dがハイレベルと
なるようにV_Cを定めてあり、微分波形S_Bが立ち
上がらなくなると、S_CはV_Cを横切りローレベル
となる。なお、V_Cは基準電圧V_CCを抵抗R₅とR₆
にて分圧することにより得られる。

信号S_Dの入力される集積回路IC₂も比較器とし
て機能し、S_Dが基準値V_Dよりも大きいとハイレ
ベル、小さいとローレベルとなる信号S_Eを発生す
る。ただし、このIC₂は出力が一度ハイレベルに
なると、入力がハイレベルに保持されない限り発
振器を構成し、所定の周期を有するパルスを発生
する。すなわち、第４図に示す信号S_Dによれば、
S_DがV_Dを横切る時点からパルスを発生している。
なお、基準値V_Dも抵抗R₇とR₈から得られるV_CC
の分圧である。

そして、この信号S_Eは反転器（トランジスタ）
Q₂にて反転された後CPU３４に入力される。こ
こに、S_EはCPU３４に対するリセツトパルスを
含んでいる。逆にいえば、一定周期ごとに
PRUNパルスが暴走判別回路３５に出力されて
いる限りIC₂が発振器を構成することはなく、し
たがつて、CPU３４が運転途中にリセツトされ
ることはない。

第５図はCPU３４で実行される主プログラム
で、リセツトパルスの入力にて開始される。ここ
に、リセツトされる場合としてガスタービン始動
のために電源をONにする場合と判別回路３５か
らのリセツト（暴走判別からのリセツト）による
場合とがあるので、まずいずれの場合であるかを
判別する（ステツプ41）。たとえば、電源ONに
よる場合は初期値データを格納するためのRAM
に未だ初期値が格納されておらず、これに対して
暴走判別からのリセツトの場合は既に初期値デー
タが格納されているので、RAMのデータをチエ
ツクすれば、いずれであるかが判別される。

したがつて、電源ONである場合は前記RAM
に初期値を格納し、他の制御（始動時制御）のた
めの初期化を行うが（ステツプ41〜43）、暴走判
別からのリセツトによる場合であると判別した場
合は、ステツプ44以降へと進む。ここに、制御上
に暴走を発生した場合には、運転状態とサーボバ
ルブ２３への制御量とが対応しなくなるので、安
全のため制御上の異常以外の場合と同様に電磁遮
断弁２５に遮断信号を出力し、これにより燃焼器
４への燃料供給を停止させる（ステツプ45）。

さらに、この燃料停止の前に可変ノズル５Ａの
ノズル角度が始動時の目標位置となるように、サ
ーボバルブ２３に向け制御信号を出力する（ステ
ツプ44）。ここに、可変ノズル５Ａを駆動するに
は、オイルポンプ２１が一定値以上の油圧を発生
していることが前提となるので、始動時に可変ノ
ズル５Ａを駆動することは分解でもしない限り不
可能である。しかしながら、暴走判別により燃料
供給を停止しても、即座にガスタービンが停止す
るわけではなく、可変ノズル５Ａを始動位置へと
駆動するに要する時間に比べたら、サーボバルブ
２３に作用している残留油圧が一定値以下に低下
するまでの時間のほうがはるかに長いので、ガス
タービンが回転停止するまでに可変ノズル５Ａを
始動時の目標位置まで駆動することは十分可能で
ある。

第６図はCPU３４内で実行させる定時刻ルー
チンで、当ルーチンにおいて一定周期のPRUN
パルスが出力される。このパルスが暴走判別回路
３５に出力されることは前述した。

次に、この例の作用を説明すると、CPU３４
に暴走が発生すると運転状態とサーボバルブ２３
への制御量とが対応しなくなるので、ガスタービ
ンを緊急的に一旦停止することが望ましい。この
ため、暴走したがどうかが暴走判別回路３５にて
チエツクされ、暴走が判別された場合には燃料供
給が即座に停止される（ステツプ41，45）。これ
により第１に安全が確保される。

かつ、燃料供給の停止と同時に可変ノズル５Ａ
が始動時の目標位置へと駆動される（ステツプ
41，44）。ここに、ガスタービンを始動するには
可変ノズル５Ａが所定の範囲にあることが必要で
あるが、この例ではこの条件が満足されるように
必ず始動位置へと駆動されるので、再始動が容易
となる。

燃料供給が停止されるのは異常からの緊急措置
であり、従来例のように一律に燃料供給の停止だ
けでよしとすることは、異常の内容によつては不
十分な対処となる。ここに、CPU３４に生じる
暴走の場合がそうで、この場合には暴走の生じた
時点以降のノズル角度制御になんら保証がなく、
したがつて始動時の目標位置に停止されないこと
が考えられ、この場合に始動困難に陥るからであ
る。

したがつて、分解調整することなく始動を行わ
せるには暴走発生からガスタービン停止までにノ
ズル角度を始動時の目標位置へと移動させておく
ことである。ここに、オイルポンプ２１が出力タ
ービン５にて駆動されるところから、始動時に可
変ノズルを駆動することは不可能であるけれど
も、運転途中の緊急停止の場合にはサーボバルブ
２３への油圧供給系や機械駆動部品に異常がない
限り、ガスタービンの停止まであるいはその後の
所定時間までの間は十分な油圧（残圧）が利用で
きるので、サーボバルブ２３に制御信号を出力し
さえすれば容易に駆動することが可能である。す
なわち、この例では残圧を有効利用することに着
目したものであり、これにより安全性の確保と再
始動性とを両立させることが可能となる。

なお、通常の負荷制御においてはセンサ２４か
らのノズル角度検出値に基づく閉ループ制御を採
用しているのだから、暴走発生時のノズル角度制
御についても閉ループ制御とすることにより、作
動を確実に行わせることができる。そこで、第５
図のステツプ46では、センサ検出値に基づいて可
変ノズル５Ａが目標位置に到達したかどうかの判
別を行い、目標位置に達したことが判別されると
制御を停止している。

また、暴走は定常運転時に限らず始動途中でオ
イルポンプ２１が十分な油圧を発生していない場
合においても発生することが考えられるが、この
場合には可変ノズル５Ａが始動時の位置から動い
ていないので、次回の始動に問題が生じることは
ない。

次に、第７図はこの考案の他の実施例のシステ
ム図で、第２図との相違は暴走判別回路３５の機
能をCPU３４Ａ自体に持たせた点にある。ここ
に、暴走判別機能を有する例にウオツチドツグタ
イマと称するものがあり、このタイマによれば第
３図に示す回路の代用が可能である。したがつ
て、この場合にはPRUNパルスを発生させる代
わりにこのタイマを第８図に示す定時刻ルーチン
において初期化しておけば足りる。

この例によれば第１実施例よりもコスト的に有
利である。

（考案の効果） 以上説明したように、この考案は出力タービン
にて駆動するオイルポンプを、出力タービンに設
けた可変ノズルを駆動するための油圧源とする２
軸ガスタービンにおいて、制御上の暴走が判別さ
れた場合に、ガスタービンを緊急停止するととも
に、可変ノズル駆動用の油圧機器に作用する残留
油圧を利用して、可変ノズルを始動に最適な位置
へと制御するように構成したので、暴走からの安
全性の確保と再始動性とを両立させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の構成図、第２図はこの考案
の一実施例のシステム図、第３図はこの実施例の
暴走判別回路の回路図、第４図は同回路の各部の
電圧波形図、第５図と第６図はこの実施例の演算
内容を示す流れ図である。第７図はこの考案の他
の実施例のシステム図、第８図はこの他の実施例
の演算内容を示す流れ図である。 １……ガス発生機、４……燃焼器、５……出力
タービン、５Ａ……可変ノズル（可変静翼）、６
……機械駆動式のオイルポンプ、７……油圧機
器、８……ガス温度制御手段、９……暴走判別手
段、１０……緊急停止手段、１１……暴走時出力
手段、２１……オイルポンプ、２２Ａ〜２２Ｃ…
…歯車機構、２３……電気油圧サーボバルブ、２
４……ノズル角度センサ、２５……電磁遮断弁、
３０……コントロールユニツト、３２……
RAM、３４，３４Ａ……CPU、３５……暴走判
別回路、R₁〜R₁₃……抵抗、Q₁，Q₂……トランジ
スタ、C₁〜C₃……コンデンサ、IC₁，IC₂……集積
回路。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 可変ノズルを有する出力タービンと、この出力
   タービンにて駆動され油圧を発生するオイルポン
   プと、発生した油圧を作動圧として前記可変ノズ
   ルのノズル角度を増減する油圧機器と、この油圧
   機器への制御信号にてガス発生機のガス温度を制
   御する手段とを備えた２軸ガスタービンの制御装
   置において、運転中に前記制御手段の行う制御に
   暴走が発生したかどうかを判別する手段と、暴走
   が判別された場合に前記ガス発生機の回転を緊急
   停止させる手段と、同じく暴走が判別された場合
   に前記可変ノズルのノズル角度を始動に最適な位
   置とする制御信号を前記油圧機器に向け出力する
   手段とを設けたことを特徴とする２軸ガスタービ
   ンの制御装置。