JPS5947140B2 - 二軸ガスタ−ビンのバリアブルベ−ン制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は二軸ガスタービンのバリアプルベーン制御装置
の改良、ことに自動車用のこの種装置の改良に関する。

第１図および第２図は従来の熱交換器付二軸ガスタービ
ンとその制御装置を示す。

すなわち従来の二軸ガスタービンにおいては、大気から
の空気をコンプレッサ１で圧縮し、熱交換器４で排気の
熱で加熱してこれを燃焼器５に導く。

燃焼器５には燃料ポンプ８からの燃料を、燃料調整弁駆
動機構Ｉで制御される燃料調整弁６を介して供給し、こ
こで燃焼せしめる。

燃焼器５で生成する燃焼ガスはまずガスゼネタービン（
以下、ガスゼネと略す）２を駆動し、次にバリアプルベ
ーン８を介してパワータービン３を駆動した後、熱交換
器４を経て排出される。

パワータービン３は負荷１１ｒｃリンクされている。

なお、参照番号１６はガスゼネ入ロガス温度検出器、１
４はガスゼネ回転数検出器、１ｓｔｉパワ一タービン回
転数検出器、１０はバリアプルベーン駆動機構である。

この二軸カスタービンの制御は上述の燃料調整弁駆動機
構７およびバリアプルベーン駆動機構１０で行うが、そ
の制御装置が参照番号１９で示されており、これの詳細
を第２図に示しである。

第１図に示すよつ［この制御装置１９は、アクセルペダ
ル１２によりガスゼネ回転数設定器１３で設定された定
常運転時ガスゼネ回転数設定値ＮＧ＊ と、ガスゼネ回
転数検出器１４から得たガスゼネ回転数測定値Ｎｏと、
パワータービン回転数検出器１５から得たパワータービ
ン回転数測定値ＮＰと、ガスゼネ人ロガ、２温度検出器
１６から得たガスゼネ入口温度Ｔ７の測定値〒７とを入
力する。

このｒｉｌｌ置１装はこれらを適当に制御演算した後、
燃料流量指令値Ｇ、およびバリアプルベーン開度指令値
Ｖｏを出力し、それぞれコンバータ１７および１８を介
して前述の燃料調節弁駆動機構７およびバリアプルベー
ン駆動機構１０に印加される。

第２図に示す制御装置１９において、参照番号２０け位
相進み補償回路、２１は関数発生器（定常運転時ガスゼ
ネ入口温度計画線）、２２は燃料流量制御演算回路、２
３，２γ、２８は比較器、２４は加算器、２５はＰＩ調
節器、２６はバリアプルベーン開度判定器、２９は急加
減速時バリアプルベーン開度調節器、３０け比例ゲイン
設定器である。

なおこの図における記号Ｔ７＊は定常運転時ガスゼネ入
口温度目標値、Ｔ２Ｃは位相進み補償後のガスゼネ入口
温度測定値、ＶＴは定常運転時バリアプルベーン開度指
令信号、ｖＮは急加減速時バリアプルベーン開度指令信
号、ＶＧはバリアプルベーン開度指令信号（設計点開度
からの変化分）、ＶＧｍａＸはバリアプルベーン開度上
限値、ＶＧｍｉｎはバリアプルベーン開度下限値、Δけ
急加減速判定基準を示すものである。

制御装置１９のバリアプルベーン１指令値ｖＧの演算回
路について概略述べると、定常運転時には、低燃費維持
のため、ガスゼネ入口温度Ｔ７を計画線Ｔ ７＊に沿っ
て制御するように、Ｐ Ｉ 調１２５でバリアプルベー
ン開度指令値ＶＧを計算する。

一方、急加減速時には、調節器２９によりバリアプルベ
ーン９ ヲ０Ｎ−ＯＦ Ｆ的に開閉する。

なお、急加減速の判定基準となる、調節器２９の不感帯
４は適当な値に設定するものとする。

調節器２９の出力は、定常運転時にはゼロとなる。

加算器２４とバリアプルベーン開度判定器２６から構成
されるフィードバック・ループは、バリアプルベーン開
度指令信号ＶＧを上限値ＶＧｍａｘ１下限値ＶＧｍ ｉ
ｎの薄囲内に押さえるためのリミッタ機能を果たす。

なお、コンバータ１７．１８は、それぞれ制御装置１９
からの信号Ｇｆ 、ｖＧを燃料調整弁駆動機構Ｉおよび
バリアプルベーン駆動機構１０の操作信号に変換するた
めのものである。

第１図に示した熱交換器付二軸ガスタービンの急加減速
時の運転について、従来は第２図の調節器２９によりバ
リアプルベーン９を０Ｎ−ＯＦＦ的に一定角度（ＶＮｍ
ａＸ、ＶＮｍｉｎ）で開閉させる方法が用いられていた
。

この方法によると、急加減速時に第３図に示すような振
動現象を引き起こし、制御対象となるガスタービンの特
注によってはリミットサイクルになり、運転状態が不安
定になることがある。

また、これをコンプレッサ・マツプ上の作動線で見た場
合、第４図に示すように、従来では、振動的な作動線に
なる。

まず、急加速時の挙動について考えると、急加速指令（
Ｎ Ｇ ＊Ｎ Ｇ ＞Δ）により、バリアプルベーン９
が急激に開かれると同時に、燃料の投入が始まり、ガス
ゼネ入口温度が上昇する。

一方、ガスゼネタービン２け、流入する燃焼ガス温度の
上昇により回転速度を増していくが、慣性モーメントが
あるため急速には回転速度は増加しない。

ガスゼネタービン２の回転数ＮＧの上昇とともに、定常
運転時用のバリアプルベーン開度判定器２６の効果があ
られれ、バリアプルベーン９の開度ｖＧばしだいに減少
していく。

ガスゼネ回転数ＮＧの増加にともない、ガスゼネ回転数
の偏差（ＮＧ＊−ＮＧ ）ＶｉＬだいに減少し、ついに
はＮＧ＊−ＮＧ−Δとなる。

これと同時に、調節器２９の出力はゼロとなり、バリア
プルベーン９は急激に閉じられる。

バリアプルベーン９が閉シラれることによりガスゼネタ
ービン２は減速状態に入り、再びガスゼネ回転数の偏差
はＮ。

＊ ＮＧ〉Δの状態になるので、調節器２９の出力は
ｖＮｍａｘとなり、ガスゼネタービン２は再加速状態に
入る。

ガスゼネタービン２の再加速の結果、ガスゼネ回転数の
偏差（ＮＧ＊−ＮＧ）が減少し、ＮＧ＊−ＮＧくΔとな
り、再び減速状態に陥る。

このようにして、ガスゼネタービン２は、加速・減速状
態を繰９返すため、不安定な運転状態に陥り、また、バ
リアプルベーン９の開度の変動のため、パワータービン
３の出力トルクも変動する欠点があった。

また、急減速時にも同様にして振動現象を引き起こし、
サージングを起こすという欠点があった。

本発明の目的はこの従来装置の欠点を改善せんとするに
ある。

すなわち急加減速時に、ハンチング現象（バリアプルベ
ーン９の開度、ガスゼネタービン２０回転数、パワータ
ービン３の出力トルクなど）を生ずることなく、また、
コンプレッサ１がサージ領域に突入することなく、すみ
やかにかつ安定に、ガスゼネ回転数ＮＧをその目標値Ｎ
Ｇ＊に追従させることを目的とする。

本発明は、急加減速時のバリアプルベーンの開度調節に
加速側比例ゲインおよび減速側比例ゲインを独立に設定
できる不感帯付比例動作の調節器を使用し、この調節器
の減速側領域の前記減速側比例ゲインを回転数偏差の大
きい区間では大きく、回転数偏差の小さい区間では小さ
く設定したことを特徴とする、二軸ガスタービンのバリ
アプルベーン制御装置を提供するにある。

この結果、本発明によれば、従来、急加減速時のバリア
プルベーン９の開度の調節に０Ｎ−ＯＦＦ的動作の調節
器２９を使用していたのを、加速・減速側の比例ゲイン
を独立に設定できる不感帯付比例動作の調節器３１に置
き換えて、急加減速の程度を反映した連続的な制御を行
っているので、ガスゼネ回転数の偏差（ＮＧＩ −ＮＧ
）が減少してＮＧＩ−ＮＧキΔ１となったときに−・ン
チング現象を起こすことなく、またコンプレッサ１がサ
ージ領域に突入することなく、すみやかにガスゼネ回転
数ＮＧをその目標値ＮＧ＊に追従させることができるの
である。

本発明の好適な実施例であるバリアプルベーン制御装置
は、（１）急加減速時、急加減速の程度に応じてバリア
プルベーンの開度を指令する信号を発生する回路（なお
、この回路は、加速側と減速側で比例ゲインを独立に設
定でき、さらに、減速側領域で回転数偏差が大きい区間
では比例ゲインを犬きく、回転数偏差の小さい区間では
比例ゲインを小さく設定できる。

また、定常運転時の出力はゼロとなる。

）と、（２）定常運転時、ガスゼネ、々−ピン回転数に
よって定まるガスゼネ入口温度計画値を目標値とし、ガ
スゼネ入口温度（但し、測定値に位相進み補償した結果
）を制御量として、両者の偏差を比例積分調節してバリ
アプルベーンの開度の指令信号を発生する回路と、（３
）前記回路１）。

（２）の出力を加算しバリアプルベーンの開度を指令す
る信号を発生する回路と、（４）該回路３）の出力が上
下限の範囲内にあるかどうか判定し、限界値を起えた時
は、前記回路２）の比例積分調節器の入力部にフィード
バック信号を送出することにより前記回路３）の出力に
制限を加える回路とから成り、加速性能をそこなうこと
なく、かつサージングすることなく、すみやかに減速で
きるように、急加減速の大きさに応じたバリアプルベー
ン開度の調節を行い、また、ガスゼネ回転数の偏差が小
さくなった時に連続的に定常運転時の制御動作に移行で
きるようにしている。

以下添付図面第５図に例示した本発明の好適な一実施例
について詳述する。

本発明の要旨は、制御装置１９において、第２図の調節
器２９を、第５図に示すように、加速・減速側で独立に
比例ゲインが設定できる急加減速時バリアプルベーン開
度調節器３１に置き換えたことである。

なお、この調節器３１は、減速側領域で、回転数偏差が
大のときに比例ゲインを大きく、偏差率のときに比例ゲ
インを小さく設定できるものである。

第５図にかいて、第２図と同一要素は、同一参照番号で
示しである。

ここで、調節器３１の不感帯の幅（２Δ１）、比例調節
部のゲイン（加速時・・・ＫＮＯ？減速時・・・ＫＮｌ
１ＫＮ２ ；ＫＮｌ＜ＫＨ２）、減速側領域の比例ゲ
イン変更点（−Δ２）、上下限値、および比例ゲイン設
定器３０のゲインは、所定の加速性能を維持し、コンプ
レッサ１がサージ領域に突入することなく、すみやかに
減速できるように、適轟に設定しである。

次に、第４図および第６図を参照しつつ作用について述
べると、調節器３１は、ガスゼネ回転数の偏差（ＮＧＩ
−ＮＧ ）と急加減速判定基準（Δｌ）との大小により
、急加減速時には急力日減速の大きさくＩＮＧ＊−ＮＧ
ｌ−Δ１）に応じたバリアプルベーン９の開度を指令し
、比例ゲイン設定器３０は、前記調節器３１の出力を調
節する。

また、ｌＮＧ＊−ＮＧＩ＜Δ１のときは、調節器３１の
出力はゼロである。

いま、ガスタービンが定常的に運転されている時に、急
減速のためアクセルペダル１２が急激に開放され、その
まま保持された状態を考える。

すなわち、設定器１３はアクセルペダル１２ ｖｃ連動
しているので、設定器１３の出力ＮＧ＊けステップ状に
減少することになる。

この結果、ガスゼネ冊蔽数の偏差（ＮＧＩ−ＮＧ）は、
ＩＮＧ＊−ＮＧ１〉Δ１となるので、調節器３１は、急
減速の太きさく ｌＮＧ＊ ＮＧＩ−Δｌ）に応じて
バリアプルベーン９の開度指令信号ｖＮ（ｖＮくＯ）を
出力する。

回転数偏差が大きい間（ＩＮＧ＊−ＮＧ１〉Δ２）は、
比例ゲインを太きく（ＫＮ２）して、バリアプルベーン
９をできるだけ速やかに閉じて、ガスゼネタービン２の
減速を促進させる。

一方、燃料流量演算回路２２で、所定の燃料流量Ｇｆが
演算され、燃焼器への供給燃料が減少するとともに、ガ
スゼネ入口温度Ｔ７が下降していく。

この結果、ガスゼネ・タービン２の回転数ＮＧが下降し
、それとともに回転数偏差ＩＮＧ＊−ＮＧ＋はしだいに
減少する。

回転数偏差が小さくなると（Δ１（ｌＮＧ＊−ＮＧＩ（
Δ２）、比例ゲインを小さく （ＫＮ ｒ ；ＫＮ １
＜ＫＮ ２ ）することにより、減速時のコンプレッサ
のサージ領域突入を防止できる。

そして、さらに減速されて、Ｉ Ｎ Ｇ ＊ＮＧ １４
１になると、定常運転時のバリアプルベーン開度の調節
動作に連続的に移行することができる。

急加速時の制御動作も同様にして行われるが、調節器３
１の加速時比例ゲインＫＮＯは、減速時比例ゲイン（Ｋ
Ｎ １ 、ＫＮ ２ ）と独立に設定できるので、加速
性能がそこなわれることはない。

次に定常運転時（ガスゼネ回転数の偏差がＩＮＧ＊−Ｎ
ＧＩ（Δｌ）は、調節器３１の出力はゼロなので、バリ
アプルベーン９の開度の調節は、調節５２５によっての
み行われる。

いま、ガスゼネ入口温度測定値（位相進み補償した結果
）Ｔ７Ｃが、ガスゼネ入口温度計画値Ｔ７＊より低い場
合を考える。

比較器２３の出力は正となり、加算器２４を介して調節
器２５に入力される。

加算器２４のもう一方の入力信号は、比較器２７の出力
ＶＧが上・下限値の範囲内にあればゼロである。

調節１２５ＶＣより比例積分調節され、出力信号ＶＴは
増加する。

調節器２５の出力ｖＴは比較器２７ Ｑ−）側端子に入
力されるため、比較器２７の出力ｖＧは減少する。

このためコンバータ１８、バリアプルベーン駆動機構１
０を介して、バリアプルベーン９け閉じる方向に操作さ
れる。

バリアプルベーン９の開度が減少すると、ガスゼネター
ビン２を通過する燃焼ガスの流量が減少するため、ガス
ゼネ入口温度Ｔ７は上昇する。

逆に、Ｔ２Ｃ〉Ｔ７＊の場合は、調節器２５の出力ｖＴ
は減少し、バリアプルベーン９の開度を増加させる方向
に作用し、ガスゼネ入ロ温度Ｔ７Ｖｉ下降する。

にで、バリアプルベーン開度判定器２６と加算器２４か
ら構成されているフィードバックループのｖＧに対する
リミッタ機能について説明する。

いま、バリアプルベーン開度信号ｖＧが上限値ｖＧｍａ
Ｘを越えたとすると、開度判定器２６は、信号ｖＧの上
限値からの超過分（ｖＧ ’ｃｍａｘ）に比例した正の
フィードバック量を加算器２４に送出する。

この結果、調節器２５の入力値が増加し、比例積分調節
された出力■Ｔも増加するので、結局、比較器２７の出
力ｖＧは上限値を超過した分だけ減少し、信号ｖＧけ上
限値ｖＧｍａＸで押えられる。

但し、厳密に言えば、ＶＧけ上限値ｖＧｍａｘを僅かに
越えた値で押さえられるが、これは判定器２６のゲイン
、調節器２５のゲイン、積分時間によって定まる。

上述の構成によれば、定常運転時のバリアプルベーン開
度調節器とは別に、急加減速時用の不感帯付き比例調節
動作（加速側比例ゲインＫＮＯと減速側比例ゲインＫＮ
ｌｔＫＮ２が独立に設定できる。

）のバリアプルベーン開度調節器を設け、急加速側、急
減速側の比例ゲインを独立にそれぞれ適正な値に設定し
、両調節器の出力を加算した結果テ、バリアプルベーン
の開度を変更する。

これにより、加速性能をそこなわず、かつ、コンプレッ
サがサージ領域に突入することなく、すみやかに減速で
きるような、急加減速の大きさに応じたバリアプルベー
ンの開度調節が行える。

また、ガスゼネ回転数の偏差が小さくなったときに、連
続的に定常運転時の制御動作に移行することができるの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は熱交換器付二軸ガスタービンの系統図、第２図
はその制御回路の系統図、第３図は第２図の制御回路各
部における波形を示す図、第４図はコンプレッサ修正流
量比対コンプレッサ圧縮比の線図、第５図は本発明によ
る制御回路の系統図、第６図は第５図の制御回路各部に
おける波形を示す図である。 １・−・・・・コンプレッサ、２・・・・・−ガスゼネ
タービン、３・・・・・・パワータービン、４・−・・
−・熱交換器、５・・・・・・燃焼器、６・・・・・・
燃料調整弁、γ・・・・・・燃料調整弁駆動機構、８・
・・・・・燃料ポンプ、９−・・・−・バリアプルベー
ン、１０−・・−・バリアプルベーン駆動機構、１１・
・・−・負荷、１２・・−・・・アクセル・ペダル、１
３・・・・・・ガスゼネ回転数設定器、１４・・・・・
・ガスゼネ回転数検出器、１５・・・・・・パワーター
ビン回転数検出器、１６・・・・・・ガスゼネ入ロガス
温度検出Ｕ１７，１８・・・・・・コンバータ、１９・
・−・・燃料・バリアプルベーン制御装置、２０・・・
−・・位相進み補償回路、２１・・・・・・関数発生器
（定常運転時ガスゼネ入口温度計画線）、２２・・・・
・・燃料流量制御演算回路、２３゜２７．２８・・・・
・・比較器、２４・・・・・・加算檄 ２５・・・・・
・ＰＩ調節器、２６・・・・・・バリアプルベーン開度
判定へ２９・・・・・・急加減速時バリアプルベーン開
度調節器、３０・・・・・・比例ゲイン設定器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 二軸ガスタービンの制御装置でガスゼネタービン回
   転数の関数として設定したガスゼネタービン入口温度計
   画値とガスゼネタービン入口温度実測値との偏差を比例
   積分調節して定常運転時のバリアプルベーン開度指令値
   を求める回路と、ガスゼネタービン回転数の設定値と実
   測値との偏差により急加減速時のバリアプルベーン開度
   指令値を求める回路と、前者および後者の回路の出力信
   号全加算してバリアプルベーン開度指令値を求める回路
   とから成るバリアプルベーン制御装置において、急加減
   速時急加減速の大きさに応じてバリアプルベーンの開度
   調節を行うための加速側比例ゲインおよび減速側筒１お
   よび第２比例ゲインを独立に設定できる不感帯付比例動
   作の調節器を使用し、この調節器の減速側領域において
   回転数偏差の大きい区間では前記第２比例ゲインを、回
   転数偏差の小さい区間では前記第２比例ゲインより小さ
   い前記第１比例ゲインを設定したことを特徴とする、二
   軸ガスタービンのバリアプルベーン制御装置。