(57)【要約】【課題】エンジンＨｏｔ状態におけるエンジンの耐久性や信頼性を向上させると共に、エンジンＣｏｌｄ状態においては始動性能を向上させることができるガスタービンエンジンシステムを提供する。【解決手段】エンジンＨｏｔ状態にあることをエンジン始動直前の排気温度Ｔ６を代表値として検出し、燃料流量を補正するような制御を行うことで、エンジンＨｏｔ状態において排気温度Ｔ６が高い値になるとタービン入口温度の目標温度Ｔ４ｔを低く設定する。従って、始動燃料流量Ｇｆ＿ｓｔはエンジンＣｏｌｄ状態に対して減少することになるので、燃焼器１２での温度上昇を抑制し、エンジンＨｏｔ状態における過温度を防止する。【選択図】図１
2010156310.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮器、燃焼器、及びタービンを有するガスタービンエンジンと、
前記燃焼器に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記燃料供給部で供給する前記燃料を調整する制御手段と、
前記タービンの出口流路に設けられ、排気温度を検出する排気温度検出手段と、
前記ガスタービンエンジンの状態量を検出する状態量検出手段と、を備え、
前記制御手段は、前記状態量に基づいて空気流量を演算すると共に、前記排気温度及び前記空気流量に基づいて燃料流量を設定することを特徴とするガスタービンエンジンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンの運転制御を行うガスタービンエンジンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガスタービンエンジンシステムとして、エンジン始動時の燃料制御を行うものが知られている（例えば、特許文献１）。また、ガスタービンエンジンの始動燃料をエンジン回転数、もしくは圧縮器の出口圧力に対してスケジュール制御して運転する技術が知られていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００５−５１３３１９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、エンジン始動時の始動燃料を単にスケジュール制御したのみでは、エンジン停止直後の再スタート時や夏場のような外気が暑い状態（エンジンＨｏｔ状態）では、エンジンの着火及び始動時に燃焼温度が許容値をオーバーして過温度となることによって、エンジンの耐久性及び信頼性に影響が及ぼされる可能性があった。これは、エンジンＨｏｔ状態では、エンジンの燃焼状態が良くなり、また、圧縮器で過給した空気がエンジン内で熱を奪うことによって燃焼器へ流入する空気温度が上昇することによって、同一燃空比でも燃焼後の温度が上昇して燃焼器の出口温度（すなわちタービン入口温度）が上昇するためである。
【０００５】
一方、エンジンＨｏｔ状態で過温度状態とならないような燃焼スケジュールを設定すると、エンジンＣｏｌｄ時における燃焼温度が低くなってしまい、エンジンの始動性能が悪化する等の問題が発生する。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、エンジンＨｏｔ状態におけるエンジンの耐久性や信頼性を向上させると共に、エンジンＣｏｌｄ状態においては始動性能を向上させることができるガスタービンエンジンシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るガスタービンエンジンシステムは、圧縮器、燃焼器、及びタービンを有するガスタービンエンジンと、燃焼器に燃料を供給する燃料供給手段と、燃料供給部で供給する燃料を調整する制御手段と、タービンの出口流路に設けられ、排気温度を検出する排気温度検出手段と、ガスタービンエンジンの状態量を検出する状態量検出手段と、を備え、制御手段は、状態量に基づいて空気流量を演算すると共に、排気温度及び空気流量に基づいて燃料流量を設定することを特徴とする。
【０００８】
このようなガスタービンエンジンシステムによれば、エンジンＨｏｔ状態にあることをエンジン始動直前のタービン出口温度、すなわち排気温度に基づいて検出し、燃料流量を補正するような制御を行うことができる。従って、エンジンＨｏｔ状態においてタービン出口温度が高い値になるとタービン入口温度の目標値を低く設定することができる。この場合、燃料流量はエンジンＣｏｌｄ状態に対して減少することになるので、燃焼器での温度上昇が抑制され、エンジンＨｏｔ状態における過温度を防止することができる。よって、エンジンＨｏｔ状態におけるエンジンの耐久性や信頼性を向上させることができ、エンジンＣｏｌｄ状態においては燃料を増量することが可能となるため、始動時の始動性能を向上させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
エンジンＨｏｔ状態におけるエンジンの耐久性や信頼性を向上させると共に、エンジンＣｏｌｄ状態においては始動性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係るガスタービンエンジンシステムのブロック構成を示した図である。
【図２】本発明の本実施形態に係るガスタービンエンジンシステムの制御器における制御処理を示すフローチャートである。
【図３】始動燃料流量Ｇｆ＿ｓｔとエンジン回転数Ｎとの関係を示す線図である。
【図４】図２に示す空気流量算出処理を示すフローチャートである。
【図５】タービン流量特性を示す線図である。
【図６】従来のガスタービンエンジンシステムにおける始動特性を示す線図である。
【図７】本発明の実施形態に係るガスタービンエンジンシステムにおける始動特性を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明に係るガスタービンエンジンシステムの好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態に係るガスタービンエンジンシステム１のブロック構成を示した図である。図１に示すように、ガスタービンエンジンシステム１は、ガスタービンエンジン２と、ガスタービンエンジン２に燃料を供給するための燃料供給部（燃料供給手段）３と、ガスタービンエンジン２に供給される燃料を制御する制御器（制御手段）４と、ガスタービンエンジン２の状態量を検出する状態量検出センサ（状態量検出手段）６と、ガスタービンエンジン２の排気流路の排気温度を検出する排気温度センサ（排気温度検出手段）７とを備えて構成されている。
【００１３】
ガスタービンエンジン２は、吸入した空気を圧縮する圧縮器１１と、燃料供給部３から供給された燃料と圧縮器１１で圧縮された空気を混合させて燃焼させる燃焼器１２と、燃焼器１２からの燃焼ガスによって回転するタービン１３とを備えて構成されている。タービン１３に供給された燃焼ガスは、排気流路１４から排気される。
【００１４】
燃料供給部３は、燃料が貯留された燃料タンク２１と、燃料タンク２１と配管を介して接続されると共に燃料タンク２１から燃料をくみ上げる燃料ポンプ２２と、燃料ポンプ２２と配管を介して接続されると共に供給する燃料量を調節することのできる燃料アクチュエータ２３と、燃料アクチュエータ２３と配管を介して接続されると共にガスタービンエンジン２の燃焼器１２へ燃料を供給する燃料ノズル２４とを備えて構成されている。
【００１５】
状態量検出センサ６は、ガスタービンエンジン２に取り付けられており、ガスタービンエンジン２の各状態量を検出することのできるセンサによって構成されている。状態量検出センサ６は、具体的には、エンジン回転数Ｎ、燃焼器１２の入口空気温度Ｔ３、及び圧縮器１１の入口圧力Ｐ０と出口圧力Ｐ３を検出し、状態量信号として制御器４に出力する機能を有している。また、排気温度センサ７は、ガスタービンエンジン２の排気流路１４に設けられており、検出した排気温度Ｔ６を温度信号として制御器４に出力する機能を有している。
【００１６】
制御器４は、燃料アクチュエータ２３と電気的に接続されており、燃料アクチュエータ２３を制御することによって、ガスタービンエンジン２に供給される燃料量を調節する機能を有している。制御器４は、状態量検出センサ６からエンジン回転数Ｎ、燃焼器１２の入口空気温度Ｔ３、圧縮器１１の入口圧力Ｐ０及び出口圧力Ｐ３の状態量信号、及び排気温度センサ７から排気温度Ｔ６を受信すると共に、エンジンの起動信号である制御信号ＳＴを受信する。
【００１７】
次に、図２を参照して、本実施形態に係るガスタービンエンジンシステム１の動作について説明する。図２は、本実施形態に係るガスタービンエンジンシステム１の制御器４における制御処理を示すフローチャートである。
【００１８】
図２に示すように、まず、制御信号ＳＴ、排気温度Ｔ６、入口空気温度Ｔ３が入力される（ステップＳ１０）。次に、制御信号ＳＴがＨｉｇｈかＬｏｗかを判定する（ステップＳ２０）制御信号ＳＴがＨｉｇｈであればエンジンが起動運転状態になったと判定され次のステップへ移行する。一方、制御信号ＳＴがＬｏｗであればエンジン停止と判定し処理を停止するために始動燃料流量Ｇｆ＿ｓｔを０に設定し（ステップＳ６０）、制御信号ＳＴの状態を保存して（ステップＳ７０）図２の処理を終了し、再びステップ１０へ戻る。
【００１９】
Ｓ２０において制御信号ＳＴがＨｉｇｈであった場合は、次のステップにてエンジンの暖気状態が判断される。なお、通常の内燃機関の始動においては、スタータを用いてエンジンを初期回転数まで引き上げ、その後、燃料を供給して燃焼させてエンジンを自立運転させるようになっている。ガスタービンエンジン２においても同様であり、エンジンの始動時にはスタータを用い、エンジン回転数を規定回転数まで引き上げる構成となっている。Ｓ２０において制御信号ＳＴがＨｉｇｈであると判定されると、１サイクル前の制御信号ＳＴの処理状態ＳＴ−１を判定する（ステップＳ３０）。ここで、処理状態ＳＴ−１がＬｏｗであれば制御信号ＳＴが始めてＨｉｇｈになったと判定して、この時点の排気温度Ｔ６をその後の処理に用いるためにＴ６ｒｅｆとして保存する（ステップＳ４０）。一方、処理状態ＳＴ−１がＨｉｇｈであると判定されるとＳ４０の処理は省略される。
【００２０】
次に、エンジン回転数Ｎの判定を行う。まず、エンジン回転数ＮがＮ１以下か否かの判定を行う（ステップＳ５０）。Ｓ５０において、エンジン回転数ＮがＮ１以下であると判定されると、着火に必要な空気が燃焼器１２内に十分に流れていないと判定し、始動燃料流量Ｇｆ＿ｓｔを０に設定し（ステップＳ６０）、制御信号ＳＴの状態を保存して（ステップＳ７０）図２の処理を終了し、再びステップ１０へ戻る。一方、Ｓ５０において、エンジン回転数ＮがＮ１より大きいと判定されると、エンジン回転数ＮがＮ２以下であるか否かの判定を行う（ステップＳ８０）。ここで、エンジン回転数ＮがＮ１とＮ２の間の領域にあると判定されると、始動燃料流量Ｇｆ＿ｓｔをＡに設定し（ステップＳ９０）、制御信号ＳＴの状態を保存して（ステップＳ７０）図２の処理を終了し、再びステップ１０へ戻る。なお、始動燃料流量の設定値Ａは、燃焼器１２の着火特性に基づき予め決定されるものであり、燃焼器特性から決まる値である。
【００２１】
Ｓ８０において、エンジン回転数ＮがＮ２より大きいと判定されると、始動時の燃料制御を行うためにタービン１３の入口の目標温度Ｔ４ｔが設定される（ステップＳ１００）。ここでは、予め設定したＴ４ｓから前述の始動前のＴ６ｒｅｆを差し引くことによって、目標温度Ｔ４ｔが設定される。ここで、Ｔ４ｓは、始動時におけるタービン入口の許容最高温度である。目標温度Ｔ４ｔが設定されると、始動時における燃焼器１２へ流入する空気流量Ｇａが算出される（ステップＳ１１０）。空気流量Ｇａは、圧縮器１１の特性、あるいはタービン１３の特性から算出される。Ｓ１１０の詳細な処理については後述する。
【００２２】
次に、最終的な始動燃料流量Ｇｆ＿ｓｔを算出する（ステップＳ１２０）。ここで、タービン入口温度Ｔ４は、燃焼器１２へ流入する入口空気温度Ｔ３と燃焼器１２での燃焼による温度上昇分の和と考えることができる。従って、入口空気温度Ｔ３をセンサで検出し、空気流量Ｇａは前処理で算出されており、更にタービン入口温度の目標温度Ｔ４ｔが前処理で設定されているため、始動燃料流量Ｇｆ＿ｓｔは目標温度Ｔ４ｔ、空気流量Ｇａ、入口空気温度Ｔ３の関数として算出することができる。始動燃料流量Ｇｆ＿ｓｔが算出されると、制御信号ＳＴの状態を保存して（ステップＳ７０）図２の処理を終了し、再びステップ１０へ戻る。このようにして始動燃料流量Ｇｆ＿ｓｔを決定した場合、始動燃料流量Ｇｆ＿ｓｔとエンジン回転数Ｎの関係は、図３に示すようになる。
【００２３】
次に、図４を参照して、空気流量Ｇａの算出方法について詳細に説明する。図４は、図２に示す空気流量算出処理を示すフローチャートである。図４に示すように、空気流量算出処理では、ガスタービンエンジン２内の圧縮器１１の入口圧力Ｐ０と出口圧力Ｐ３が入力される（ステップＳ１１１）。次に、タービン膨張比Ｐ４／Ｐ６を算出する（ステップＳ１１２）。ここで、タービン入口圧力Ｐ４と圧縮器１１の出口圧力Ｐ３は燃焼器１２での圧損分だけ変化が生じることになるが、その差は僅かであり、更にタービン１３の出口圧力Ｐ６と圧縮器１１の入口圧力Ｐ０（すなわち大気圧力）は排気圧損分の差があるが、その差は僅かである。従って、タービン膨張比Ｐ４／Ｐ６≒圧縮比Ｐ３／Ｐ０として算出する。
【００２４】
次に、タービン流量特性Ｑ４を算出する（ステップＳ１１３）。タービン流量特性は、Ｑ４≡Ｇ４／√Ｔ４／Ｐ４の式で定義されるものであり、タービン膨張比Ｐ４／Ｐ６に対して図５に示す特性として与えられる。よって、タービン流量特性Ｑ４は、上述のタービン膨張比Ｐ４／Ｐ６の関数として算出する。
【００２５】
タービン流量特性Ｑ４を算出すると、タービン入口圧力Ｐ４を設定する（ステップＳ１１４）。上述のように、タービン入口圧力Ｐ４は、圧縮器１１の出口圧力Ｐ３より燃焼器１２の圧力損失分低下するため、Ｐ４＝Ｐ３（１−０．０５）として扱う。次に、タービンガス流量Ｇ４を算出する（ステップＳ１１５）。Ｓ１１３における算出式のうち、タービン流量特性Ｑ４とタービン入口圧力Ｐ４は既知であるため、始動時におけるタービン入口温度Ｔ４の目標値をＴ４ｓと仮定し、そのときのタービンガス流量Ｇ４をＧ４＝ｆ（Ｑ４，Ｔ４ｓ，Ｐ４）として算出する。
【００２６】
次に、空気流量Ｇａを算出する（ステップＳ１１６）。タービン流量特性Ｑ４は、空気流量Ｇａと燃焼器１２に供給する燃料流量Ｇｆの和と考えられるため、タービンガス流量Ｇ４から燃料流量Ｇｆを差し引くことによって、燃焼器１２へ流入する空気流量Ｇａを算出する。
【００２７】
なお、Ｓ１１４では、Ｐ４をＰ３の関数として扱っているが、Ｐ４を直接検出して用いてもよい。また、図４の処理ではタービン１３の特性を利用して空気流量Ｇａを算出しているが、圧縮器１１の特性を利用して空気流量Ｇａを算出してもよい。
【００２８】
次に、図６及び図７を参照して本実施形態に係るガスタービンエンジンシステム１の効果について説明する。図６は、従来のガスタービンエンジンシステムにおける始動特性を示す線図であり、図７は、本実施形態に係るガスタービンエンジンシステム１における始動特性を示す線図である。図６及び図７においては、エンジンＣｏｌｄ状態の始動特性を実線で示し、エンジンＨｏｔ状態の始動特性を破線で示している。なお、従来のガスタービンエンジンシステムでは、エンジンＣｏｌｄ状態でもエンジンＨｏｔ状態でも同一の燃料スケジュールで制御を行っている。
【００２９】
図６に示すように、従来のガスタービンエンジンシステムにあっては、エンジンの過温度を知るための代表値である排気温度Ｔ６を鑑みるに、エンジンＨｏｔ状態では排気温度Ｔ６が上昇してしまい、場合によってはエンジンが破損する可能性もある。
【００３０】
一方、本実施形態に係るガスタービンエンジンシステム１においては、エンジンＨｏｔ状態にあることをエンジン始動直前の排気温度Ｔ６を代表値として検出し、燃料流量を補正するような制御を行っているため、エンジンＨｏｔ状態において排気温度Ｔ６が高い値になるとタービン入口温度の目標温度Ｔ４ｔが低く設定される。従って、始動燃料流量Ｇｆ＿ｓｔはエンジンＣｏｌｄ状態に対して減少することになるので、燃焼器１２での温度上昇が抑制され、エンジンＨｏｔ状態における過温度を防止することができる。よって、エンジンＨｏｔ状態におけるエンジンの耐久性や信頼性を向上させることができ、エンジンＣｏｌｄ状態においては燃料を増量することが可能となるため、始動時の加速性能を向上させることができる。
【００３１】
なお、本実施形態では、エンジン回転数のＮ１からＮ２の間の領域は燃焼器１２での着火性を重視した設計となっており、本発明による補正は、エンジン回転数がＮ２以上の領域で行うこととしている。この場合、エンジンＨｏｔ状態に温度が上昇することとなるが、実際の運転では極短時間のため、エンジンへの支障はほとんどない。しかしながら、燃焼器１２での着火性に問題がなければＮ１からＮ２の領域でも本発明の制御を行うことができ、この場合はエンジンの耐久性及び信頼性は更に向上する。
【符号の説明】
【００３２】
１…ガスタービンエンジンシステム、２…ガスタービンエンジン、３…燃料供給部（燃料供給手段）、４…制御部（制御手段）、６…状態量検出センサ（状態量検出手段）、７…排気温度センサ（排気温度検出手段）、１１…圧縮機、１２…燃焼器、１３…タービン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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