JPH10317990A - ガスタービン等の起動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービン等の起動装置においては、ガス
タービンの点火に適した狭いレンジの回転数に調節した
回転を行う様に制御することは、各種機器を重装備せね
ばならず、これを簡便な装備で的確に行うことが求めら
れている。本発明は、この様なニーズに合致した好まし
いガスタービン等の起動装置を得ることを課題とする。 【解決手段】 モータ等の駆動用電力源装置と、トルク
変換機構とを組合せてなるガスタービン等の起動装置に
おいて、前記トルク変換機構の入出力伝達トルク特性を
変える機構を組み入れてガスタービン等の起動装置を構
成し、トルク変換機構の入出力伝達トルク特性を変える
ことによりガスタービンの起動時における回転数を自由
に調節できるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はトルク変換機構を採
用している可変速の駆動装置全般に適用可能であり、ガ
スタービン起動時の燃焼用空気をガスタービン圧縮機を
低速回転することで確保する方式のガスタービンに適用
して好ましい、ガスタービン等の起動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】点火操作時の燃焼用空気をガスタービン
圧縮機を低速回転することで確保する方式のガスタービ
ンにおいては、点火操作時に燃料と燃焼用空気の比率、
即ち、「燃空比」を定められた或る範囲内に維持、調節
する必要がある。

【０００３】このために「燃空比」を制御する方法とし
ては、ガスタービン圧縮機の回転数、すなわち、起動用
装置の回転数を制御して空気量の方で制御するか、また
は、燃料流量を調節して制御する方法が考えられる。

【０００４】起動用装置の回転数を自由に制御するには
大がかりな機構を必要とし、起動時しか使用しないガス
タービン用の起動装置にその様な回転数制御機構を採用
するのは経済的でなく、決して好ましいものではない。

【０００５】しかし、ガスタービン用の起動装置の出力
容量は、点火操作時の比較的低い回転数に維持するだけ
では不十分であり、点火後も更に起動装置でガスタービ
ンを助力して、ガスタービンが十分自立できる高速回転
状態まで加速できるように、より大きな出力の装置とし
て計画されている。

【０００６】図７に点火作用の進捗状況について示す様
に、前記した装置では出力が過剰であることにより、点
火に最適な回転数領域（回転数がｎ₁ 〜ｎ₂ ）を短時間
ｔ₁〜ｔ₂ 程度の間に通り過ぎてしまい、回転が飽和し
たときには空気量が相当過剰な状態になってしまう。

【０００７】また、この空気量が過剰となった状態にな
ってから燃料量を増やして「燃空比」をバランスさせる
にしても、空気の流速が速くなり過ぎて点火できないこ
とになる。そして点火に失敗した時のガスタービン回転
数は波線［Ｆ］に示すようにほぼ一定回転数の状態を推
移する。

【０００８】他方、タイミングよく点火できた場合に
は、タービン出力が大きく成り過ぎ、実線［Ｓ］で示す
様に急加速してしまうという不都合があり、究明し解決
を要する事項を多々含んでいる。

【０００９】従って従来の方式では、これら問題点を含
みつつも先ずは点火を確保するべくガスタービン起動時
に昇速過程の回転数を監視しておき、点火に最適な回転
数ｎ ₁ 〜ｎ₂ に到達したタイミングで燃料を噴射して点
火操作を開始していた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】前記したような従来の
方式では、短時間の間に点火に最適な回転数領域を通り
過ぎてしまう問題があり、点火のチャンスが少なかっ
た。

【００１１】更に一度点火に失敗すると、起動装置を一
旦停止してから冷却期間を置いた後に再度起動を試みる
必要があり、ガスタービンを決められた時間内で確実に
起動させるのが難しかった。

【００１２】また、起動信頼性を高めるために起動装置
の回転数制御を行う場合には、駆動用動力源装置として
のモータ等の出力制御機構を備える必要があり、特に大
型のガスタービン用で起動装置の容量が大きくなると、
設備の設置スペースや設備費用が加速的に大きくなる問
題があって採用が困難であった。

【００１３】本発明はこれら従来のものにおける種々の
問題点を解消し、起動装置に簡易な機構を付加すること
によって回転数を制御可能とし、信頼性の高いガスター
ビン用の起動装置を提供することを課題とするものであ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するべくなされたもので、モータ等の駆動用電力源装置
と、トルク変換機構とを組合せてなるガスタービン等の
起動装置において、前記トルク変換機構の入出力伝達ト
ルク特性を変える機構を組み入れたガスタービン等の起
動装置を提供し、トルク変換機構の入出力伝達トルク特
性を変えることによりガスタービンの起動時における回
転数を自由に調節できるようにしたものである。

【００１５】また、請求項２の発明は、前記トルク変換
機構を油圧インペラ要素とタービン要素でなるトルクコ
ンバータ方式とし、前記入出力伝達トルク特性を変える
機構を設定圧力を調節可能なリリーフ弁としたガスター
ビン等の起動装置を提供し、トルクコンバータ方式によ
るトルク変換機構に設定圧力を調節可能なリリーフ弁を
付加して、トルクコンバータの排出する油量を連続的に
調節することで油圧を変え、この圧力設定をガスタービ
ンの要求する回転数に応じて調節するようにしたもので
ある。

【００１６】また、請求項３の発明は、前記設定圧力を
調節可能なリリーフ弁に替えて、オリフィスと、同オリ
フィスの流れを遮断する開閉操作可能な弁機構とでなる
内部油のリリーフ系統を複数系統装備したガスタービン
等の起動装置を提供し、前記リリーフ弁に替えて流量を
固定的に設定するオリフィスと、流れを遮断する弁機構
とを配置したリリーフ系統を複数設置し、同リリーフ系
統を段階的に開閉操作することで油量を変え、油圧を段
階的に変えて段階的に設定された回転数に調節するよう
にしたものである。

【００１７】また、請求項４の発明は、前記リリーフ系
統を構成するオリフィスの径をそれぞれ異なる大きさと
したガスタービン等の起動装置を提供し、各リリーフ系
統のオリフィスのサイズは同一とせずにそれぞれを大小
異なるサイズとしてこれら異なるサイズのオリフィスの
組み合わせを変えることにより、系統数より多くの種類
の回転数に調節できるようにしたものである。

【００１８】更にまた、請求項５の発明は、ガスタービ
ン主軸側の回転数が設定目標回転数の許容範囲上限また
は下限に達したことを検出し、同検出信号で前記リリー
フ系統を断続的に操作する機構を設けたガスタービン等
の起動装置を提供し、ガスタービン側の回転数が要求回
転数の許容上限、または許容下限に達したことを検出す
る回転数検出機構を付加して、これらの信号でリリーフ
系統の遮断機構を断続的に開閉するようにすることによ
り、リリーフ系統のオリフィスサイズ、油量で決定され
る回転数に限らず、任意の設定目標回転数に対してその
許容範囲の上限と下限との間で、任意の回転数に調節で
きるのようにしたものである。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の第１形態を図１、
図２に基づいて説明する。

【００２０】まず、ガスタービンが起動時点火前の状態
において、その回転を維持するのに必要とする要求トル
クとガスタービン回転数との関係を図２に示すと、起動
時点火前のガスタービンの要求トルク［Ｃ］は、ほぼ右
上がりの指数函数的な特性である。

【００２１】これに対してガスタービン用起動装置の出
力トルク特性は、全体として右下がりの特性が適当であ
る。これはガスタービン点火後には、回転上昇と共にガ
スタービンの要求トルクは急激に減少して行き遂には要
求トルクが負、即ち自力昇速するようになるためであ
る。

【００２２】この関係からガスタービン起動時の点火前
の状態では、例えば図の［Ａ］に示される様な出力トル
ク特性の場合には、両特性カーブの交点（ａ）のガスタ
ービン回転数Ｎａでトルクがバランスして回転が飽和、
静定する。

【００２３】同様に図の［Ｂ］に示される様な出力トル
ク特性の場合には、両特性カーブの交点（ｂ）のガスタ
ービン回転数Ｎｂでトルクがバランスして回転が飽和、
静定する。

【００２４】この様に、ガスタービン用起動装置の出力
特性を図の［Ａ］や図の［Ｂ］の様に変化させることに
より、ガスタービンの起動時回転数を自由に調節できる
ものである。

【００２５】ここで起動装置の出力トルク特性を図の
［Ａ］や図の［Ｂ］の様に変化させるには、駆動用動力
源装置の回転数や出力を調節して行う方法もあるが、そ
の様な方法では駆動用動力源装置がモータ等の場合には
特別な装置を必要とし、特に大容量の場合には設備の設
置スペースや設備費用が加速的に大きくなる。

【００２６】従って本実施の形態では、以下詳細に説明
する様に、駆動用動力源装置は単純な誘導電動機等を一
定回転数で運転したまま、ガスタービンとの間に挿入し
たトルク変換機構の入出力伝達トルク特性を変化させて
行うようにしている。

【００２７】図１において、１は駆動用動力源装置で誘
導電動機が用いられ、その駆動力は入力軸２１からトル
ク変換機構２を経て出力軸２２に伝わり、歯車９を介し
てガスタービン１０を駆動する。

【００２８】ここでトルク変換機構２は油圧式のいわゆ
るトルクコンバータで、インペラ要素２３、タービン要
素２４およびステータ２５を有して構成されている。

【００２９】トルク変換機構２の作動油は、油タンク４
から補給油ポンプ５、補給油クーラ６を経て補給油入口
２６から供給され、一定の作動の後補給油出口２７を経
てリリーフ弁３に入り、油タンク４へ戻る。

【００３０】なお、８は回転数設定器で、可変機構７を
介してリリーフ弁３を調節するように構成されている。

【００３１】前記の様に構成された本実施の形態では、
トルク変換機構の油圧式インペラ要素２３は一種のポン
プであるから、この作動用の油を外部からの補給油ポン
プ５、補給油クーラ６を経由してトルク変換機構の補給
油入口２６からサーキット内に補給している。

【００３２】また、サーキット内の油の一部をステータ
２５の前等から外部に補給油出口２７を経由して抜き出
している。これはサーキット内の油の圧力を保つこと
と、内部ロスで発熱した熱を冷やすのが目的である。

【００３３】通常この補給油量はオリフィス等で一定油
量を確保する様に配慮されているが、本実施の形態で
は、補給油出口２７に設定圧力を調節可能なリリーフ弁
を設置して、サーキット内の油圧を下げることでトルク
変換機構２内の吸収動力を下げるようにしている。

【００３４】なお、このリリーフ圧力設定をガスタービ
ンの回転数設定器からの信号によって調節すれば、トル
ク変換機構２の入出力特性を変えてガスタービンの回転
数調節が可能となる。

【００３５】次に本発明の実施の第２形態について図
３、および図４に基づいて説明する。なお、前記実施の
第１形態のものと同一の部分については、図中同一の符
号を付して示し、重複する説明は省略する。

【００３６】本実施の形態では前記実施の第１形態のも
のが補給油出口２７に調節可能なリリーフ弁を設けてト
ルク変換機構２の吸収動力を変化させていたのに対し、
この部位に変更を加えたものである。

【００３７】即ち、本実施の形態では、オリフィス１
３、１４とその流れを遮断する開閉操作可能な弁機構１
１、１２とでなる内部油のリリーフ系統を複数系統装備
しておき、サーキット内の油を抜き出す量を弁の開閉で
変えるようにすることにより、サーキット内の油圧を下
げてトルク変換機構の吸収動力を下げることができるよ
うにしたものである。

【００３８】このリリーフ量を決めるオリフィスサイズ
を、目的とするガスタービンの回転数に合わせて予め設
定しておけば、対応する弁の開閉操作だけでガスタービ
ンの回転数を目標値に制御できる。

【００３９】更にオリフィス１３と１４の孔径を同一と
することなく、それぞれ大小異なる孔径としておけば、
リリーフ系統が例えば２系統であっても３種類の流量を
設定可能となり設備を増やすことなく多くの種類のガス
タービン回転数調節が可能となるので、更に好都合であ
る。

【００４０】その様子を図４により更に詳細に説明す
る。即ち、オリフィス１３と１４が同一孔径の場合には
弁機構１１と弁機構１２のいずれを開操作しても結果と
してリリーフする油量Ｑはオリフィス１３の流量である
Ｑａで両者同じである。

【００４１】また、弁機構１１と弁機構１２の両方を開
いた時には、リリーフ油量Ｑは２×Ｑａとなるので、前
記のものと併せ、合計２種類の油量調節ができる。

【００４２】一方、オリフィス１３と１４が大小異なる
孔径の場合には、弁機構１１を開操作した時のリリーフ
する油量Ｑはオリフィス１３の流量であるＱａであり、
また、弁機構１２を開操作した時のリリーフする油量は
オリフィス１４の流量であるＱｂとなり、更に弁機構１
１と弁機構１２の両方を開いた時のリリーフ油量ＱはＱ
ａ＋Ｑｂとなり、合計３種類の油量調節ができる。

【００４３】なおここではリリーフ系統数を２系統で行
った例を示したが、これが３系統以上でもよいのは勿論
であり、系統数が多いほど多くの種類の調節が可能とな
り、例えば３系統であれば組み合わせの種類は７通りに
増える。

【００４４】なお、このように本実施の形態では、調節
できるガスタービンの回転数の種類は増えるが、そのま
までは任意の値に調節することはできない。

【００４５】そこで、本発明の実施の第３形態を図５お
よび図６に基づいて説明する。なお、前記実施の第２、
第３形態と同一の部分については図中に同一の符号を付
して示し重複する説明は省略する。

【００４６】本実施の形態では図５に示される様にガス
タービンの回転数を検出する機構１７からの回転数信号
を受けて、設定目標回転数の許容範囲上限または下限に
達したことを検出する機構１６を付加して、これらの信
号でリリーフ系統の弁機構を断続的に開閉すれば、リリ
ーフ系統のオリフィスの組み合わせで決められる回転数
以外の任意の回転数に調節できる。

【００４７】この様子を図６を用いて説明する。まず、
起動装置を始動する時は駆動用動力源１を始動し、同時
にリリーフ系統の弁機構１１のみを開いてオリフィス１
３で設定された流量がリリーフする状態にする。

【００４８】この時にトルク変換機構２の出力特性は図
６（ａ）に［Ｍ］で示した特性になる。ガスタービンが
設定目標回転数の許容上限に達すると、リリーフ系統の
弁機構１２も開いてオリフィス１４で設定された流量も
リリーフする状態にする。

【００４９】この時トルク変換機構２の出力特性は図６
（ａ）に［Ｎ］で示した特性になり、トルクが減少して
ガスタービン回転数はゆっくりと降下する。その後ガス
タービン回転数が設定目標回転数の許容下限に達する
と、再びトルク変換機構２の出力特性が［Ｍ］の特性に
なる様にリリーフ系統の弁機構１２を閉じる。以降この
繰り返しで、設定目標回転数の許容範囲内にガスタービ
ン回転数を調節できる。

【００５０】この様に本実施の形態によれば、目標回転
数はリリーフ系統のオリフィス孔径で決まる回転数に係
わらず任意の値に調節が可能となり、設備を取り替えた
り増設する必要がなく、ガスタービンの点火前の回転数
を自由に変えることが可能となり、ガスタービンの点火
の信頼度が向上できる。

【００５１】なお前記各実施の形態では、トルク変換機
構２の外側で入出力伝達トルク特性を変えるものについ
て説明してきたが、この様にトルク変換機構毎に固有
で、一定の特性を可変にする方法としては、トルク変換
機構内にスリップ運転が可能なクラッチを設けてこれを
滑らせてトルク変換機構の入力回転数を下げるとか、ま
た、トルク変換機構内のステータ要素を可動にしてトル
クを変化させるようにしてもよい。

【００５２】以上、本発明を図示の実施の形態について
説明したが、本発明はかかる実施の形態に限定されず、
本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えて
よいことはいうまでもない。

【００５３】

【発明の効果】以上本発明によれば、モータ等の駆動用
電力源装置と、トルク変換機構とを組合せてなるガスタ
ービン等の起動装置において、前記トルク変換機構の入
出力伝達トルク特性を変える機構を組み入れて構成して
いるので、トルク変換機構の入出力伝達トルク特性を変
えることによりガスタービンの起動時における回転数を
自由に調節でき、これまで使用してきた起動装置機構
を、大幅に変えることなく殆どそのままで、回転数を最
適な値に調節可能となる。従って、ガスタービンの回転
数を最適な状態にして点火操作が可能となるので、ガス
タービンの点火が確実となり、起動の信頼性を大幅に向
上したガスタービンを得ることができたものである。

【００５４】また、請求項２の発明によれば、ガスター
ビン等の起動装置は前記トルク変換機構を油圧インペラ
要素とタービン要素でなるトルクコンバータ方式とし、
前記入出力伝達トルク特性を変える機構を設定圧力を調
節可能なリリーフ弁として構成しているので、このリリ
ーフ弁によりトルクコンバータの排出する油量を連続的
に調節することで油圧を変え、ガスタービンの起動時に
おける回転数を自由に調節可能にし、これによりガスタ
ービンの回転数を最適な状態にして点火操作を可能と
し、以てガスタービンの点火を確実にして起動の信頼性
を大幅に向上したガスタービンを得ることができたもの
である。

【００５５】また、請求項３の発明によれば、ガスター
ビン等の起動装置は前記設定圧力を調節可能なリリーフ
弁に替えて、オリフィスと、同オリフィスの流れを遮断
する開閉操作可能な弁機構とでなる内部油のリリーフ系
統を複数系統装備して構成しているので、この複数設置
したリリーフ系統を段階的に開閉操作することで油量を
変え、油圧を段階的に変えて段階的に設定された回転数
に調整できるようにし、これによりガスタービンの回転
数を最適な状態にして点火操作を可能とし、以てガスタ
ービンの点火を確実にして起動の信頼性を大幅に向上し
たガスタービンを得ることができたものである。

【００５６】また、請求項４の発明によれば、ガスター
ビン等の起動装置は前記リリーフ系統を構成するオリフ
ィスの径をそれぞれ異なる大きさとして構成しているの
で、この様に各リリーフ系統のオリフィスのサイズは同
一とせずにそれぞれを大小異なるサイズとしてこれら異
なるサイズのオリフィスの組み合わせを変えることによ
り、系統数より多くの種類の回転数に調節できるように
し、これによりガスタービンの回転数を最適な状態にし
て点火操作を可能とし、以てガスタービンの点火を確実
にして起動の信頼性を大幅に向上したガスタービンを得
ることができたものである。

【００５７】更にまた、請求項５の発明によれば、ガス
タービン等の起動装置はガスタービン主軸側の回転数が
設定目標回転数の許容範囲上限または下限に達したこと
を検出し、同検出信号で前記リリーフ系統を断続的に操
作する機構を設けて構成しているので、ガスタービン側
の回転数が要求回転数の許容上限、または許容下限に達
したことを検出し、これらの信号でリリーフ系統の遮断
機構を断続的に開閉するようにすることにより、リリー
フ系統のオリフィスサイズ、油量で決定される回転数に
限らず、任意の設定目標回転数に対してその許容範囲の
上限と下限との間で任意の回転数に調節できるのように
し、これによりガスタービンの回転数を最適な状態にし
て点火操作を可能として、以てガスタービンの点火を確
実にして起動の信頼性を大幅に向上したガスタービンを
得ることができたものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の第１形態に係るガスタービンの
起動装置の構成概念図。

【図２】ガスタービンの起動装置における起動時の作用
を示す説明図。

【図３】本発明の実施の第２形態に係るガスタービンの
起動装置の構成概念図。

【図４】図３に示す実施の形態における作用説明図。

【図５】本発明の実施の第３形態に係るガスタービンの
起動装置の構成概念図。

【図６】図５に示す実施の形態における作用説明図。

【図７】従来の装置における作用説明図。

【符号の説明】

１ 駆動用動力源装置 ２ トルク変換機構 ３ リリーフ弁 ４ 油タンク ５ 補給油ポンプ ６ 補給油クーラ ７ 可変機構 ８ 回転数設定器 ９ 歯車 １０ ガスタービン １１ 弁機構 １２ 弁機構 １３ オリフィス １４ オリフィス １５ 開閉機構 １６ 回転数検出機構 １７ 回転数検出機構 ２１ 入力軸 ２２ 出力軸 ２３ インペラ要素 ２４ タービン要素 ２５ ステータ ２６ 補給油入口 ２７ 補給油出口

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 モータ等の駆動用電力源装置と、トルク
   変換機構とを組合せてなるガスタービン等の起動装置に
   おいて、前記トルク変換機構の入出力伝達トルク特性を
   変える機構を組み入れたことを特徴とするガスタービン
   等の起動装置。
2. 【請求項２】 前記トルク変換機構を油圧インペラ要素
   とタービン要素でなるトルクコンバータ方式とし、前記
   入出力伝達トルク特性を変える機構を設定圧力を調節可
   能なリリーフ弁としたことを特徴とする請求項１に記載
   のガスタービン等の起動装置。
3. 【請求項３】 前記設定圧力を調節可能なリリーフ弁に
   替えて、オリフィスと、同オリフィスの流れを遮断する
   開閉操作可能な弁機構とでなる内部油のリリーフ系統を
   複数系統装備したことを特徴とする請求項２に記載のガ
   スタービン等の起動装置。
4. 【請求項４】 前記リリーフ系統を構成するオリフィス
   の径をそれぞれ異なる大きさとしたことを特徴とする請
   求項３に記載のガスタービン等の起動装置。
5. 【請求項５】 ガスタービン主軸側の回転数が設定目標
   回転数の許容範囲上限または下限に達したことを検出
   し、同検出信号で前記リリーフ系統を断続的に操作する
   機構を設けたことを特徴とする請求項３に記載のガスタ
   ービン等の起動装置。