(57)【要約】【課題】ガスタービンの耐久性能において改良されたモータアシストガスタービンエンジンを提供する。【解決手段】要求された出力をガスタービンと電動機により賄うモータアシストガスタービンエンジンにおいて、出力要求に対しガスタービンの出力はガスタービンの所定の部位の温度を所定の上限値以下に抑える範囲内にて制御され、残る出力要求分を電動機により賄う。所定の部位が燃焼器であれば、燃焼器入口空気温度と燃焼器の温度を上限値以下とする燃焼器内空気温度上昇値より熱力学的に燃空比を推定し、供給空気の流量に該燃空比を乗じた燃料流量以下に供給燃料の流量を制限する。【選択図】図２
2018189032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
要求された出力をガスタービンと電動機により賄うモータアシストガスタービンエンジンにして、出力要求に対しガスタービンの出力はガスタービンの所定の部位の温度を所定の上限値以下に抑える範囲内にて制御され、残る出力要求分を電動機により賄うようになっていることを特徴とするモータアシストガスタービンエンジン。
【請求項２】
目標定常運転時にガスタービンの出力はガスタービンの前記所定の部位の温度を前記所定の上限値より低い所定の目標値に維持するように制御され、残る出力要求分を電動機により賄い、前記目標定常運転より出力要求が増大したときガスタービンの出力はガスタービンの前記所定の部位の温度を前記所定の上限値以下に抑える範囲内にて制御され、残る出力要求分を電動機により賄うようになっていることを特徴とする請求項１に記載のモータアシストガスタービンエンジン。
【請求項３】
ガスタービンの前記所定の部位の温度を前記上限値以下に抑えることは、燃焼器入口空気温度と燃焼器の温度を前記上限値以下とする燃焼器内空気温度上昇値より熱力学的に燃空比を推定し、供給空気の流量に前記の推定された燃空比を乗じた燃料流量以下に供給燃料の流量を制限することにより行なわれるようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載にモータアシストガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出力要求に対し主としてガスタービンにより対応するがその一部を適宜に電動機により補助的に賄うモータアシストガスタービンエンジンに係る。
【背景技術】
【０００２】
要求された出力をガスタービンと電動機により賄うに当たって、出力要求にガスタービンでは応じきれない分の出力を電動機により補うことが、例えば下記の特許文献１に記載されている如く知られている。この特許文献では、レシプロエンジンの過給機が該エンジンの排気にて作動するガスタービンにより駆動されると共に電動機によってもアシスト駆動されるようになっており、電動アシストを過不足なく適正に制御すべく、レシプロエンジンの目標トルクから目標燃料噴射量と目標過給圧を算出し、目標過給圧と目標空気量に基づいて排気ガスタービンの目標タービン出力を算出すると共に排気情報に基づいて排気ガスタービンの実タービン出力を算出し、目標タービン出力と実タービン出力の差に基づいて過給機に必要な電動アシストを算出して電動機を作動させるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６-２４２０６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ガスタービンにおいては、燃焼器やタービン入口部の温度耐性における余裕が少ない上に、出力要求に応じて燃料噴射量が増大すると、それによってタービン回転速度が増大し、空気流量が増大する以前に、即座に、燃焼器およびタービン入口温度が上昇するので、ガスタービンの耐久性能の向上には燃焼器やタービン入口部の温度の上限、特に出力要求が増大する加速時の燃焼器やタービン入口部の温度の上限の制御が重要である。この点に関し、モータアシストガスタービンエンジンであれば、出力要求の急増には先ずアシスト電動機によって対処できるので、出力要求の変化に対応するガスタービンとアシスト電動機の協調制御は、モータアシストガスタービンエンジンにおけるガスタービンの耐久性能を向上させる観点から格別の意義を有することが想到される。
【０００５】
本発明は、上記の点に着目し、ガスタービンの耐久性能において改良されたモータアシストガスタービンエンジンを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決すべく、本発明は、要求された出力をガスタービンと電動機により賄うモータアシストガスタービンエンジンにして、出力要求に対しガスタービンの出力はガスタービンの所定の部位の温度を所定の上限値以下に抑える範囲内にて制御され、残る出力要求分を電動機により賄うようになっていることを特徴とするモータアシストガスタービンエンジンを提案するものである。
【０００７】
かかるモータアシストガスタービンエンジンは、更に、目標定常運転時にガスタービンの出力はガスタービンの前記所定の部位の温度を前記所定の上限値より低い所定の目標値に維持するように制御され、残る出力要求分を電動機により賄い、前記目標定常運転より出力要求が増大したときガスタービンの出力はガスタービンの前記所定の部位の温度を前記所定の上限値以下に抑える範囲内にて制御され、残る出力要求分を電動機により賄うようになっていてよい。
【０００８】
ガスタービンの前記所定の部位の温度を前記上限値以下に抑えることは、燃焼器入口空気温度と燃焼器の温度を前記上限値以下とする燃焼器内空気温度上昇値より熱力学的に燃空比を推定し、供給空気の流量に前記の推定された燃空比を乗じた燃料流量以下に供給燃料の流量を制限することにより行なわれてよい。
【発明の効果】
【０００９】
上記の如く、要求された出力をガスタービンと電動機により賄うモータアシストガスタービンエンジンにおいて、出力要求に対しガスタービンの出力はガスタービンの所定の部位の温度を所定の上限値以下に抑える範囲内にて制御され、残る出力要求分を電動機により賄うようになっていれば、電動機の負荷変動に対する機敏性を活かし、モータアシストガスタービンエンジンにおいて要求出力が広い範囲で変化しても、ガスタービンの高温部の温度を所定の上限値以下に抑え、ガスタービンの耐久性能において大きく改善されたモータアシストガスタービンエンジンを得ることができる。
【００１０】
かかるモータアシストガスタービンエンジンが、更に、目標定常運転時にガスタービンの出力はガスタービンの前記所定の部位の温度を前記所定の上限値より低い所定の目標値に維持するように制御され、残る出力要求分を電動機により賄い、前記目標定常運転より出力要求が増大したときガスタービンの出力はガスタービンの前記所定の部位の温度を前記所定の上限値以下に抑える範囲内にて制御され、残る出力要求分を電動機により賄うようになっていれば、エンジンの目標定常運転時には、ガスタービンの前記所定の部位の加熱状態により好ましい余裕を持たせると同時に、臨時に目標定常運転より増大した出力要求がなされ、燃料噴射量が増大したときにも、その温度を所定の上限値以下に抑え、ガスタービンの耐久性能においてより一層大きく改善されたモータアシストガスタービンエンジンを得ることができる。
【００１１】
ガスタービンの最も高温になる部分は燃焼器であり、その温度はかなり高いので、燃焼器の温度を所定の上限値以下に制御するに当たって、当該部位の温度を温度センサにて直接計測するには大きな困難が伴うが、燃焼器の温度を所定の上限値以下に抑えることが、燃焼器入口空気温度と燃焼器の温度を前記上限値以下とする燃焼器内空気温度上昇値より熱力学的に燃空比を推定し、供給空気の流量に前記の推定された燃空比を乗じた燃料流量以下に供給燃料の流量を制限することにより行なわれれば、燃焼器の温度を温度センサにて直接計測しなくても、その温度を上限値以下に抑える制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明によるモータアシストガスタービンエンジンの構成を解図的に示す概略図である。
【図２】本発明によるモータアシストガスタービンエンジンにおける制御の流れの基本的実施例を示す制御構成図である。
【図３】図２に示す制御の流れの基本構成に更に追加の構成を加えた実施例の制御構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明によるモータアシストガスタービンエンジンの一つの実施例をハードウェア構成にて示す添付の図１において、１０は圧縮機、１２はタービン、１４は燃焼器であり、タービン１２により回転軸１６を経て圧縮機１０が駆動されることにより圧縮された空気に燃焼器１４にて燃料噴射弁１８により燃料を噴射して燃焼させ、生成された高温の燃焼ガスをタービン１２にて膨張させることにより回転軸１６に回転力を発生させるガスタービン２０が構成され、その回転軸１６に電動機２２が連結されてモータアシストガスタービンエンジンが構成されている。かかるモータアシストガスタービンエンジンの出力は、回転軸１６より図には示されていない駆動力取り出し機構を経て取り出され、エンジンの出力はエンジンＥＣＵ２４によりを制御される。
【００１４】
エンジンＥＣＵ２４はスロットルセンサ２６より出力要求信号を受け、それに応じて燃料噴射弁１８より燃焼器１４へ噴き込む燃料の流量を制御してガスタービン２０の分担出力を制御すると同時に、モータＥＣＵ２８を介して電動機２２の分担出力を制御し、その際、燃焼器１４の温度を所定の上限値以下に制限するように作動する。尚、図示の実施例においては、電動機２２はバッテリ３０を電源としており、モータＥＣＵ２８による制御の下に電動機への電流を制御するＰＣＵ３２を経てその出力を制御されるようになっている。３４は圧縮機１０の出口空気圧のセンサであり、３６はタービン１２の出口ガス温度のセンサであり、３８は圧縮機１０、タービン１２、電動機２２に共通の回転数のセンサである。圧縮機出口空気圧センサ３４およびタービン出口ガス温度センサ３６の検出信号はエンジンＥＣＵ２４へ伝送されており、回転数センサ３８の検出信号はエンジンＥＣＵ２４およびモータＥＣＵ２８へ伝送されている。
【００１５】
図１に示すモータアシストガスタービンエンジンは、図２に示す如き制御構成により制御されてよい。スロットルセンサ２６よりもたらされる出力要求に関するスロットル情報は、エンジンＥＣＵ２４における「出力指令に応答する出力算出」機能部にて処理され、エンジンに要求されたエンジン必要出力が算出され、その情報はモータＥＣＵ２８の「モータアシスト駆動力算出」機能部へ伝送される。
【００１６】
一方、スロットル情報は、同時にエンジンＥＣＵ２４における「最大許容燃料流量Ｇfmax算出」機能部にて処理され、燃焼器１４の温度を所定の上限値以下に抑えるために許容される燃料流量の最大値Ｇfmaxが算出される。これは、燃焼器１４の入口の空気温度Ｔ3と燃焼器１４の温度を許容上限値Ｔ4max以下とする燃焼器内空気温度上昇値ΔＴより熱力学的に燃空比ＦＡＲを
ＦＡＲ＝ｇ（ΔＴ，Ｔ3）
として推定し、供給空気の流量ＧaにＦＡＲを乗じ
Ｇfmax＝ＦＡＲ×Ｇa
として算出される。尚、燃焼器入口空気温度Ｔ3および供給空気流量Ｇaは、外気温センサにより検出された外気温と、回転数センサ３８により検出された圧縮機１０の回転数と、圧縮機出口空気圧センサ３４により検出された圧縮機１０による給気の圧縮比に基づいて推定されてよい。またΔＴとＴ3よりＦＡＲを求める関数ｇは、Ｔ3とＦＡＲよりΔＴを求めるモデル実験によりこれら３つのパラメータ間の関係を現すマップを得て逆変換の手法により想定されてよい。
【００１７】
かくして燃焼器１４の温度を所定の上限値Ｔ4max以下に抑えるためのＧfmaxが算出されると、それに基づいてエンジンＥＣＵ２４における「Ｇfmaxから推定される出力算出」機能部にて、Ｇfmaxによるエンジン出力、即ちガスタービン２０により生成される出力が求められ、その情報は前述の「モータアシスト駆動力算出」機能部へ伝送される。
【００１８】
「モータアシスト駆動力算出」機能部は、エンジン必要出力とＧfmaxによるエンジン出力とバッテリ３０の充電状態を考慮して電動機２２によりアシストすべき出力を算出し、ＰＣＵ３２へ向けてモータアシスト出力指令を発すると同時に、モータアシスト出力の情報をエンジンＥＣＵ２４における「最終的燃料流量決定」機能部へ伝送する。
【００１９】
「最終的燃料流量決定」機能部は、スロットル情報と「最大許容燃料流量Ｇfmax算出」機能部にて算出された燃焼器１４の温度を所定の上限値Ｔ4max以下に抑えるためのＧfmaxと「モータアシスト駆動力算出」機能部より伝送されたモータアシスト出力指令情報とに基づき、ガスタービン２０を作動させるための最終的燃料流量を決定し、燃料流量指令を燃料噴射弁１８へ向けて発する。こうしてスロットルセンサ２６より発せられるエンジン出力要求に対し、燃焼器１４の温度を所定の上限値Ｔ4max以下に抑えつつガスタービン２０を作動させることが、電動機２２による出力アシストの下に行われる。
【００２０】
図３には、更に、目標定常運転時にガスタービンの出力はガスタービンの所定の部位の温度を所定の上限値より低い所定の目標値に維持するように制御され、残る出力要求分を電動機により賄い、目標定常運転より出力要求が増大したときガスタービンの出力はガスタービンの前記所定の部位の温度を前記所定の上限値以下に抑える範囲内にて制御され、残る出力要求分を電動機により賄う制御が追加された制御構成が示されている。この場合、エンジンＥＣＵ２４には、更にエンジンモデルを基にしたマップを用いて「目標定常運転維持に必要な燃料流量Ｇfst算出」を行う機能部が設けられており、ここでエンジンの目標定常運転として好ましい値として目標定常燃料流量Ｇfstが算出され、そのようなＧfstに基づいて、エンジンＥＣＵ２４の「Ｇfstから推定される出力算出」機能部にてＧfstによるエンジン出力が算出され、その情報が「モータアシスト駆動力算出」機能部へ伝送される。
【００２１】
当然のことながら、Ｇfst＜Ｇfmaxであり、目標定常運時にはエンジンは燃料流量をＧfstに保って運転されるよう、「モータアシスト駆動力算出」機能部は、バッテリ３０の充電状態が許す限り、Ｇfstによるエンジン出力に基づいてモータアシスト駆動力を算出し、ＰＣＵ３２へ向けてモータアシスト出力指令を発すると同時に、モータアシスト出力の情報を「最終的燃料流量決定」機能部へ伝送する。こうして目標定常運転時には、「最終的燃料流量決定」機能部は、スロットル情報と「目標定常運転維持に必要な燃料流量Ｇfst算出」機能部にて算出されたＧfstと「モータアシスト駆動力算出」機能部より伝送されたモータアシスト出力指令情報とに基づき、ガスタービン２０を作動させるための最終的燃料流量を決定し、燃料流量指令を燃料噴射弁１８へ向けて発する。
【００２２】
この場合、スロットル情報によるエンジン出力要求が目標定常運転時の出力より一時的に増大したときには、ガスタービン２０および電動機２２の制御は燃料流量をＧfmax以下に抑える制御に切り換えられ、図２について上に説明した要領による制御が行われる。また、かかる構成によれば、定常運転時には燃焼器温度の上昇に好ましい余裕を持たせてガスタービン２０を作動させ、バッテリ３０の充電状態の如何によって一時的に燃料流量をＧfst以上に増大させる必要があるとき、一時的に燃料流量をＧfmaxの上限まで上昇させる運転を行うことができる。
【００２３】
以上に於いては本発明を実施例について詳細に説明したが、かかる実施例について本発明の範囲内にて種々の変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。
【符号の説明】
【００２４】
１０…圧縮機、１２…タービン、１４…燃焼器、１６…回転軸、１８…燃料噴射弁、２０…ガスタービン、２２…電動機、２４…エンジンＥＣＵ、２６…スロットルセンサ、２８…モータＥＣＵ、３０…バッテリ、３２…ＰＣＵ、３４…圧縮機出口空気圧センサ、３６…タービン出口ガス温度センサ、３８…回転数センサ
【図１】
2018189032.tif 000003
【図２】
2018189032.tif 000004
【図３】
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