JP2018189032A - Motor assist gas turbine engine - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a motor-assisted gas turbine engine that responds mainly to a power demand by a gas turbine, but partially supplements it appropriately by an electric motor.
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。 It is known, for example, as described in Patent Document 1 below, that when a requested output is covered by a gas turbine and an electric motor, the output of the output that cannot be satisfied by the gas turbine by the gas turbine is supplemented by the electric motor. In this patent document, a supercharger of a reciprocating engine is driven by a gas turbine that is operated by exhaust of the engine and is also assisted by an electric motor, so that electric assist is appropriately controlled without excess or deficiency. Therefore, the target fuel injection amount and the target boost pressure are calculated from the target torque of the reciprocating engine, the target turbine output of the exhaust gas turbine is calculated based on the target boost pressure and the target air amount, and the exhaust gas based on the exhaust information. The actual turbine output of the turbine is calculated, the electric assist required for the supercharger is calculated based on the difference between the target turbine output and the actual turbine output, and the electric motor is operated.
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。 In the gas turbine, there is little margin in the temperature resistance of the combustor and the turbine inlet, and when the fuel injection amount increases according to the output demand, the turbine rotational speed increases thereby, before the air flow rate increases, Immediately, the combustor and turbine inlet temperature rises, so improving the durability of the gas turbine will increase the upper limit of the temperature of the combustor and turbine inlet, especially at the time of acceleration when the power demand increases. Control of the upper temperature limit is important. In this regard, in the case of a motor-assisted gas turbine engine, a sudden increase in output demand can be dealt with by an assist motor first. Therefore, cooperative control of the gas turbine and the assist motor corresponding to a change in output demand is performed in the motor-assisted gas turbine engine. It is conceived that the gas turbine has a special significance from the viewpoint of improving the durability performance of the gas turbine.
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。 This invention pays attention to said point, and makes it the subject to provide the motor assist gas turbine engine improved in the durable performance of a gas turbine.
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。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a motor-assisted gas turbine engine that provides a required output by a gas turbine and an electric motor, and the output of the gas turbine determines the temperature of a predetermined part of the gas turbine in response to the output request. The present invention proposes a motor-assisted gas turbine engine that is controlled within a range that is less than or equal to the upper limit value of the motor, and that the remaining output requirement is covered by an electric motor.
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。 In such a motor-assisted gas turbine engine, the output of the gas turbine is further controlled so as to maintain the temperature of the predetermined portion of the gas turbine at a predetermined target value lower than the predetermined upper limit value during the target steady operation, and the remaining output When the required amount is covered by an electric motor and the output demand increases from the target steady operation, the output of the gas turbine is controlled within a range that keeps the temperature of the predetermined part of the gas turbine below the predetermined upper limit value, and the remaining output The demand may be covered by an electric motor.
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。 Suppressing the temperature of the predetermined portion of the gas turbine below the upper limit value means that the temperature of the combustor inlet air temperature and the combustor temperature are less than the upper limit value. The ratio may be estimated, and the flow rate of the supplied fuel may be limited to be equal to or lower than the fuel flow rate obtained by multiplying the flow rate of the supplied air by the estimated fuel / air ratio.
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。 As described above, in a motor-assisted gas turbine engine that provides a required output by a gas turbine and an electric motor, the output of the gas turbine is within a range that suppresses the temperature of a predetermined part of the gas turbine to a predetermined upper limit value or less in response to the output request. If the required output is covered by the electric motor, the agility to the load fluctuation of the electric motor is utilized, and even if the required output changes in a wide range in the motor-assisted gas turbine engine, the high temperature of the gas turbine Therefore, the motor-assisted gas turbine engine can be obtained in which the temperature of the section is suppressed to a predetermined upper limit value or less and the durability performance of the gas turbine is greatly improved.
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。 In such a motor-assisted gas turbine engine, the output of the gas turbine is further controlled so as to maintain the temperature of the predetermined part of the gas turbine at a predetermined target value lower than the predetermined upper limit value during the target steady operation, and the remaining output When the required amount is covered by an electric motor and the output demand increases from the target steady operation, the output of the gas turbine is controlled within a range that keeps the temperature of the predetermined part of the gas turbine below the predetermined upper limit value, and the remaining output If the required amount is covered by an electric motor, at the time of the target steady operation of the engine, a preferable margin is given to the heating state of the predetermined part of the gas turbine, and at the same time, the output demand increased temporarily than the target steady operation. Even when the fuel injection amount increases, the temperature is kept below a predetermined upper limit value, and the durability of the gas turbine is good. It can be obtained motor assist gas turbine engine with improved more greatly.
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。 The hottest part of the gas turbine is the combustor, and its temperature is quite high, so when controlling the temperature of the combustor below the predetermined upper limit value, the temperature of that part should be measured directly with the temperature sensor. Although there is a great difficulty, suppressing the temperature of the combustor below the predetermined upper limit value is more thermodynamic than the combustor inlet air temperature and the combustor air temperature rise value that makes the combustor temperature below the upper limit value. If this is done by estimating the fuel-air ratio and limiting the flow rate of the supplied fuel below the fuel flow rate obtained by multiplying the flow rate of the supplied air by the estimated fuel-air ratio, the temperature of the combustor is directly measured by the temperature sensor. Even if it does not measure, control which suppresses the temperature below an upper limit can be performed.
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。
In the accompanying FIG. 1, which shows one embodiment of a motor-assisted gas turbine engine according to the present invention in hardware configuration, 10 is a compressor, 12 is a turbine, and 14 is a combustor. When the
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。
The engine ECU 24 receives an output request signal from the
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。
The motor-assisted gas turbine engine shown in FIG. 1 may be controlled by a control configuration as shown in FIG. Throttle information relating to the output request provided by the
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。
On the other hand, the throttle information is simultaneously processed by the “maximum allowable fuel flow rate Gfmax calculation” function unit in the
And the supply air flow rate Ga is multiplied by FAR to give Gfmax = FAR × Ga
Is calculated as The combustor inlet air temperature T3 and the supply air flow rate Ga are detected by the outside air temperature detected by the outside air temperature sensor, the rotation speed of the
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。
Thus, when Gfmax for suppressing the temperature of the combustor 14 to be equal to or lower than the predetermined upper limit value T4max is calculated, the engine output by Gfmax, that is, the engine output by Gfmax, that is, in the “output calculation estimated from Gfmax” function unit in the
「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。
The “motor assist driving force calculation” function unit calculates the output to be assisted by the
「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。
The “final fuel flow rate determination” function unit includes throttle information and Gfmax “motor assist” for suppressing the temperature of the combustor 14 calculated by the “maximum allowable fuel flow rate Gfmax calculation” function unit to a predetermined upper limit value T4max or less. Based on the motor assist output command information transmitted from the “driving force calculation” function unit, the final fuel flow rate for operating the
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。
Further, in FIG. 3, the output of the gas turbine is controlled so as to maintain the temperature of a predetermined part of the gas turbine at a predetermined target value lower than a predetermined upper limit value during the target steady operation, and the remaining output demand is controlled by an electric motor. When the output demand increases from the target steady operation, the output of the gas turbine is controlled within a range in which the temperature of the predetermined part of the gas turbine is kept below the predetermined upper limit value, and the remaining output demand is covered by the electric motor. A control configuration with added control is shown. In this case, the engine ECU 24 is further provided with a function unit that performs “calculation of the fuel flow rate Gfst necessary for maintaining the target steady operation” using a map based on the engine model. The target steady fuel flow rate Gfst is calculated as a preferred value, and based on such Gfst, the engine output by Gfst is calculated by the “output calculation estimated from Gfst” function unit of the
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。
As a matter of course, Gfst <Gfmax, and the “motor assist driving force calculation” function unit allows Gfst to operate as long as the state of charge of the
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。
In this case, when the engine output request based on the throttle information temporarily increases from the output in the target steady state operation, the control of the
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。 While the invention has been described in detail with reference to embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications can be made to the embodiments within the scope of the invention.
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
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114893300A (en) * | 2022-04-14 | 2022-08-12 | 北京动力机械研究所 | Small turbofan engine reference pressure parameter fault judgment method and redundancy control method |
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2017
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114893300A (en) * | 2022-04-14 | 2022-08-12 | 北京动力机械研究所 | Small turbofan engine reference pressure parameter fault judgment method and redundancy control method |
| CN114893300B (en) * | 2022-04-14 | 2023-10-13 | 北京动力机械研究所 | Parameter control pressure parameter judging method and redundancy control method for small turbofan engine |
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