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JP2006002766A - ガスタービン中の空気流を制御するシステムおよび方法 - Google Patents

ガスタービン中の空気流を制御するシステムおよび方法 Download PDF

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JP2006002766A JP2005170472A JP2005170472A JP2006002766A JP 2006002766 A JP2006002766 A JP 2006002766A JP 2005170472 A JP2005170472 A JP 2005170472A JP 2005170472 A JP2005170472 A JP 2005170472A JP 2006002766 A JP2006002766 A JP 2006002766A
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Abstract

【課題】タービンシュラウドへ供給された空気流を、複数の制御論理システムの適用によって制御することのできるシステムを提供する。
【解決手段】航空機エンジンにおけるガスタービンのシュラウドに与えられる空気流を制御するシステムであって、空気流が、第1の制御信号Sc10によって制御される位置の調整器バルブ60によって調整され、第1の制御信号Sc10は、ロータとタービンシュラウドとの間の所定クリアランスに対応している第1の設定値Vc10に基づいて算出される。このシステムは、タービンにおけるクリアランスを表わす第1の値Vc10とは異なる第2の設定値Vc20、Vc30に基づいて、少なくとも1つの第2の制御信号Sc20、Sc30を算出する手段20、30と、1つ以上のエンジンパラメータに応じて調整器バルブを制御するために第2の制御信号を選択する選択手段50とをさらに備える。
【選択図】 図2

Description

本発明は、航空機エンジンに使用されるような、またロータブレードの先端とステータシュラウドとの間のクリアランスが、制御された流量に従う空気流によって制御される、高圧タービンに関する。
図1は、主として、燃焼室(図示せず)からもたらされる高温ガスの流れ105に配置された複数の可動ブレード102を備える、ターボ機械の高圧タービン100を示す。タービンの可動ブレード102は、シュラウドまたはリング106によって包囲されている。シュラウド106は、複数のセクタ110を介してタービンのケーシング108に固定されている。
このようなタービンの効率を増大させるために、タービンロータの可動ブレード102の先端とシュラウド106との間に存在するクリアランスjを、できるだけ小さくする必要のあることが知られている。
この目的のために、クリアランスjを制御する制御装置112が、タービンのケーシング108の周りに取り付けられている。この制御装置112は、特に、温度を変更するために、ケーシング108の環状フィン116に空気を吐出するように作用する、環状空気流マニホールド114を備える。
制御装置112には、ターボ機械の他の部分(ファンあるいは高圧圧縮機段)から得られた空気が送り込まれる。装置112へ噴射される空気流は、装置112の上流側に配置されたバルブ120によって、それ自体制御される。バルブ120には、装置112へ噴射された空気流Fiを決定するように、その開口の0%から100%の範囲にある任意位置にバルブを配置する、制御信号Scomによって制御されるアクチュエータが取り付けられている。
制御信号Scomは、ロータブレードの先端とシュラウドとの間に存在するクリアランスjを、到達されるかあるいは維持されるべき所定クリアランス値に対応している設定値と比較する、調整器ループによって算出される。装置112へ噴射された空気流Fiは、次いで、受信された制御信号Scomに応じて調整され、それによって、ケーシング108の環状フィン116は、クリアランスjを設定値にするような方法で、タービンのシュラウド106の径を変化させるように、熱的に膨脹されるかまたは収縮されることができる。
しかしながら、先に説明したように、調整器バルブは、単一型の設定値だけに、すなわちロータブレードの先端とシュラウドとの間の所定クリアランスの表わす値に対してだけに制御される。このことは、この制御論理が、飛行の巡航段階、すなわち飛行時間の主要部分を表わす段階で実施されるという事実によって、特に説明される。クリアランスを制御すると、エンジン効率が改善されることができ、従って、巡航状態の下での燃料消費量が改善されることができるが、この基準は、潜在的な燃料節約を無視することができるか、あるいは所望の制御を事実上実行することができない(例えば、アイドリング中に低温でクリアランスが大き過ぎるため)、エンジン作動における他の段階、例えばアイドリング中あるいは離陸中においては、必ずしも最大の優先事項ではない。
このために、現行のシステムでは、空気の流量を、ブレードの先端とタービンシュラウドとの間のクリアランスに対応している値以外の設定値に基づいて、制御することはできない。
本発明は、上記の欠点を改善して、ロータとシュラウドとの間の所定クリアランスに対応している値以外の少なくとも1つの設定値を適用して、タービンシュラウドへ供給された空気流を制御することのできるシステムを提供することを目的とする。
この目的は、航空機エンジンにおけるガスタービンのシュラウドに与えられた空気流を制御するシステムであって、空気流が、第1の制御信号によって制御される位置の調整器バルブによって調整され、該第1の制御信号は、ロータとタービンシュラウドとの間の所定クリアランスに対応している第1の設定値に基づいて算出され、本発明に従って、タービンクリアランスを表わす第1の値とは異なる第2の設定値に基づいて少なくとも1つの第2の制御信号を算出する手段と、1つ以上のエンジンパラメータに応じて調整バルブを制御するために第2の制御信号を選択する選択手段とをさらに備えるシステムによって、達成される。
したがって、タービンシュラウドへ与えられる空気の流量は、ブレードとシュラウドとの間のクリアランスを表わす値以外の設定値に従って制御されることができ、システムは、作動時に設定値を制御するタイプを変更する手段を有している。
本発明の一実施形態では、第2の設定値は、所定のタービン温度あるいは所定のバルブ開口度に対応している。
第2の設定値が、定められたタービン温度に対応しているときには、選択手段は、摩耗のための温度上昇を検知することのできる1つ以上のエンジンパラメータに応じて、第2の制御信号を選択することができる。第2の設定値が、所定のバルブ開口度に対応しているときには、選択手段は、アイドル速度で作動しているエンジンを検知するか、あるいは第1の制御信号における障害を検知するために作用する1つ以上のエンジンパラメータに応じて、第2の制御信号を選択することができる。
本発明の別の実施形態では、システムは、第1の設定値および第2の設定値とは異なる第3の設定値に基づいて第3の制御信号を算出する手段をさらに備え、選択手段が、1つ以上のエンジンパラメータに応じて調整器バルブを制御するためにこの第3の制御信号を選択する。
第2の設定値が、所定のタービン温度に対応しているときには、第3の設定値は、所定のバルブ開口度に対応しているであろう。逆に、第2の設定値が、所定のバルブ開口度に対応しているときには、第3の設定値は、所定のタービン温度に対応しているであろう。
制御信号を算出する手段は、1つ以上のエンジンパラメータに応じてエンジンの初期条件を再構成する手段を備えてもよい。これによれば、機械が検出される実際条件で制御信号を算出するために使用される、数学的モデルの初期化が可能になる。
本発明のシステムによって制御されたように、空気流は、ファンから、あるいはエンジンにおける1つ以上の圧縮機段から得られた空気であってよい。
本発明の目的は、航空機エンジンにおけるガスタービンのシュラウドに与えられた空気流を制御する方法であって、空気流が、ロータとタービンシュラウドとの間の所定クリアランスに対応している第1の設定値から算出された第1の制御信号によって制御される位置の調整バルブによって調整され、本発明に従って、少なくとも1つの第2の制御信号も、タービンにおけるクリアランスを表わす第1の値とは異なる第2の設定値に基づいて算出され、前記第2制御信号が、エンジンの1つ以上のパラメータに応じて調整器バルブを制御するために選択される、方法によっても達成される。
第2の設定値は、所定のタービン温度に対応していてもよく、この場合に、第2の制御信号は、摩耗のための温度上昇を検知するように作用する1つ以上のエンジンパラメータ、あるいは所定のバルブ開口度に応じて選択され、第2の制御信号は、その後、エンジンがアイドル速度で作動する時点を検知すること、あるいは第1の制御信号の障害を検知することを可能にする、1つ以上のエンジンパラメータに応じて選択される。
ある実施では、第3の制御信号も、第1の設定値および第2の設定値とは異なる第3の設定値、すなわち、第2の設定値に関して選択された値に応じて、所定のタービン温度あるいは所定のバルブ開口度に基づいて算出され、第3の制御信号は、上記のように1つ以上のエンジンパラメータに応じて選択される1つ以上の他の設定値に応じて算出される。
本発明における他の特徴および利点は、非限定的な例として与えられかつ添付図面を参照して述べられた、本発明の特定の実施形態についての以下の説明から明らかになる。
本発明によれば、図2には、航空機エンジンの高圧タービンの中へ噴射された空気流に与えられる制御の形態を論理的に選択する、システム1の実施形態についての簡略化モデルが示されている。すでに知られたように、システム1は、図1を参照して先に説明されたように、タービンブレードの先端とそのシュラウドとの間のクリアランスを制御するためのプロセッサシステムすなわち調整器ループ10をまず備えている。調整器ループは、エンジンの中に存在するセンサから取得されたような特定のエンジンパラメータ40(エンジンの速度、消費量、圧力など)について、達成すべき所望のクリアランスを算出する設定値生成器11を備える。生成器11は、設定値Vc10を、比較器13へ伝送し、比較器13は、クリアランスの瞬時値に対応しているサーボ制御量Ga10を受信する入力部もある。サーボ制御量Ga10は、ブレード先端とタービンシュラウドとの間に存在するクリアランスを直接測定することができないために、ブレード先端とタービンシュラウドとの間に存在するクリアランスを算出する数学的モデル122を備える、モデリングユニット12によって算出される。クリアランスは、ロータおよびステータの双方を先に確立した温度特性および機械特性についての関係に基づいてモデル化されている。
ブレード先端とシュラウドとの間のクリアランスは、ロータ部分およびステータ部分の熱膨脹および熱収縮にだけ応じるのではなく、そのような部分の機械的変形、例えば、ロータの遠心力の下でのブレードの延び、あるいはエンジンの内部における圧力によって増大するシュラウドの内径にも応じる。この目的のために、モデリングユニット12は、モデルに基づいてクリアランスを算出するために必要なエンジン設定値40を受信する。クリアランスを算出するために測定されかつ使用されたようなエンジンの作動パラメータは、例えば、タービン速度、ロータ温度、ステータ温度、およびタービンの近傍における内部および外部圧力によって構成されている。
モデリングユニット12は、調整器ループの作動の第1の数瞬間において、モデルを初期化あるいは「リセット」するように作用する初期条件を再構成するモジュール121をさらに備える。モデルは、部品の変位を、モータで測定されたパラメータ(温度、圧力、ロータ速度、消費量など)に応じて予測するのに使用するための特性関係(behavior relationship)を有する。それにもかかわらず、特性関係は、一般に、線形ではなく、エンジンの作動時間スケールに応じて変化する予測値に対応している。従って、モデルは、エンジンに適用される条件でまず初期化されなければならない。特に、使用される測定されたパラメータを適切に解釈することができるように、エンジンの常温始動条件あるいは高温始動条件についてモデルに「通知する」ことが必要である。一例として、エンジンを高温始動するときには、エンジンの要素の機械的変位は、常温始動のときに起きる機械的変位よりも大きく、また、熱平衡がエンジンの動作基点に到達するまで大きい。この現象によっても、ロータブレード先端とシュラウドとの間のクリアランスjが異なる結果になる。この初期段階は、エンジンから測定されたパラメータ(温度、中断時間など)を使用して再構成することができる。
モデリングユニット12は、ロータブレードとタービンシュラウドとの間に存在するクリアランスについての値に対応しているサーボ制御量Ga10を伝送する。この量Ga10は、存在するクリアランス量Ga10と到達されるべき設定値Vc10との差を表す値E10を出力する比較器13における設定値Vc10と比較される。値E10は、修正器14へ送られ、修正器14は、所望のクリアランスを達成するためにタービンへ供給される適切な空気流を引き起こすために、比較器13によって算出された差を、調整器バルブ60への適用のための制御信号Sc10に変換する。
図1を参照して説明されたように、シュラウドの径を変えるために、従ってロータブレードとシュラウドとの間のクリアランスを変えるために、空気が、タービンケーシングの中へ噴射される。タービンへ噴射される空気は、ファンからか、さもなければ1つ以上の高圧圧縮機段から引き出されることができ、異なる温度で流れを得ることを可能にする。簡略化の理由で、ファンからあるいは圧縮機から得られた空気の流量を調整する手段は、制御信号Scによって制御されたバルブ60で表示されている。それにもかかわらず、当業者は、調整器手段の他の適切な形態、特に、空気が複数の圧縮機段から得られるときに、とりわけ1つ以上の調整器バルブの存在を想定することに、まったく困難を感じないであろう。
本発明に従って実施されたシステムの他の部分は、以下に説明される。それらは、少なくとも1つの他のプロセッサシステム20または30と、バルブ60へ伝送する信号を制御する選択用装置50との存在を主として含む。
プロセッサシステム20は、バルブ制御論理が、タービンのクリアランス値ではなく温度の値に対応している設定値Vc20に依存している点で、システム10とは異なっている。この目的のために、システム10と同じように、プロセッサシステム20は、温度の値に対応しているサーボ制御量Ga20を算出するために、温度設定値Vc20を、初期値の再構成ためのモジュール221に関連付けられた数学的モデル222が使用されるモデリングユニット22へ伝送する設定値生成器21を含み、この設定値生成器21に、値Ga20と設定値Vc20との差E20を算出する比較器23と、設定値に到達するように、差E20をバルブ60の位置を制御する目的のための制御信号Sc20に変換する修正器24とが続く。値Ga20は、値Ga10について先に説明されたのと同じ処理によって、しかし、温度特性についての関係を単独に備えるモデルを用いて得られる。エンジンで測定されてモデリングユニット22によって使用されたパラメータは、モデリングユニット12によって使用されたパラメータ(温度、圧力、ロータ速度、消費量など)と同じものである。
温度設定値Vc20は、エンジンで測定されたパラメータに応じて作成される。これらのパラメータは、温度、圧力、ロータ速度、およびエンジンの消費量に対応することができる。
プロセッサシステム20は、クリアランス制御が特定されないまま残る作動の段階の間か、あるいは部品の寿命がエンジンの効率よりも重要であるときにはいつも、タービン要素の温度を制御するように作用する。このことは、例えば、エンジンがその性能を損なう摩耗度を呈するときに適用される。従って、特定の燃料消費率および排出ガス温度は、エンジンの作動時間数あるいは利用周期数が増大するにつれて増大する。エンジンが経年変化すると、必要な推力を得るために、過剰な燃料がエンジンへ送り込まれる。これによって、燃料消費量が増大して、タービンの温度上昇が引き起こされ、その結果、タービンケーシングのような、経年変化度がすでに現れている部品の寿命が減少することがある。従って、空気流を温度に応じて制御することで、これらの部品の温度を制御することができ、それによって、特に離陸時のような推力についての要求が高い飛行の段階において、それらの寿命を増大させることができる。
クリアランス制御信号Sc10と温度制御信号Sc20との選択は、エンジンパラメータ40から受信する1つ以上のパラメータに応じて、選択器50によって実施される。一例として、エンジンの経年変化度は、排出ガス温度(EGT)の増大に比例している。従って、選択器50は、排出ガス温度を監視することができ、ある閾値を超えると、バルブ60への適用のための信号Scとして作用するように制御信号Sc20を選択し、次いで、クリアランス設定値ではなく温度設定値に関して制御される。バルブを、クリアランスに関してではなく温度に関して制御することが有利であり得る、動作の他の段階が存在する。このような段階は、例えば、航空機が最大荷重で上昇しているとき、あるいはエンジンをその寿命の限界に向けて使用するとき起きるような、高温で作動される間に起きる。これらの段階の1つに到達したという事実は、エンジンについて測定されたパラメータ(温度、圧力、ロータ速度、消費量など)に基づいて検出され、従って、最も適切な制御論理を自動的に選択することかできる。
図2のシステムは、位置に関してバルブを直接制御する別のプロセッサシステム30を含む。この目的のために、システム30は、設定値生成器31のみを備え、設定値生成器31は、設定値を、0%から100%の範囲において決定されたようなバルブ開口度あるいはバルブ開口パーセントに対応している制御信号Sc30の形態で直接伝送する。
この種の制御論理は、特に、ブレードとタービンシュラウドとの間に特定のクリアランスがないときや、タービンの中に生じた温度が、タービンの部品を損なうおそれのある温度レベルよりも充分に低いときに、エンジンの動作の段階において有用である。このような段階は、本質的に、エンジンが地上でアイドリングしているときに対応している。位置制御信号Sc30を、バルブ30への適用のための制御信号Scとして選択するために、選択器50は、例えばロータ速度のような、エンジンがアイドリングする時点を検知するためのエンジン速度のパラメータを監視する。任意に、温度、圧力、あるいは消費量のパラメータもまた、バルブの位置制御を実施するための選択器によって考慮に入れることができる。
制御信号Sc30はまた、他のプロセッサシステムの1つを使用するバルブ制御が故障している場合に、初期位置決め信号として作用することもできる。このような環境では、バルブが定められた位置に置かれることを保証するために、選択器50によって、機能停止信号が、制御障害を表示する情報に応じて制御信号Sc30に置き換えられる。
先に説明されたようなシステムおよび方法は、良く知られている種類のプログラム可能なプロセッサ手段(例えば、マイクロコントローラ)で実施される。本発明のシステムおよび方法は、例えば電子エンジン制御(EEC)ユニットで、プログラムすることができ、かつ実施することができる。
高圧タービンシュラウドへの空気流を制御する装置の概略図である。 本発明によるシステムの実施形態におけるブロック図である。
符号の説明
1 システム
10 調整器ループ
11、21、31 設定値生成器
12、22 モデリングユニット
13、23 比較器
14、24 修正器
20、30 演算処理システム
40 エンジンパラメータ
50 選択器
60 調整器バルブ

Claims (20)

  1. 航空機エンジンにおけるガスタービンのシュラウドに与えられる空気流を制御するシステムであり、空気流が、第1の制御信号(Sc10)によって制御される位置の調整器バルブ(60)によって調整され、該第1の制御信号(Sc10)が、ロータとタービンシュラウドとの間の所定クリアランスに対応している第1の設定値(Vc10)に基づいて算出されるシステムであって、
    前記システムが、タービンクリアランスを表わす第1の値(Vc10)とは異なる第2の設定値(Vc20、Vc30)に基づいて少なくとも1つの第2の制御信号(Sc20、Sc30)を算出する手段(20、30)と、1つ以上のエンジンパラメータに応じて調整器バルブを制御するために第2の制御信号を選択する選択手段(50)とをさらに備えることを特徴とする、システム。
  2. 第2の設定値(Vc20、Vc30)が、所定のタービン温度あるいは所定のバルブ開口度に対応していることを特徴とする、請求項1に記載のシステム。
  3. 第2の設定値(Vc20)が、所定のタービン温度に対応しており、選択手段(50)が、摩耗のための温度上昇を検知することのできる1つ以上のエンジンパラメータに応じて第2の制御信号(Sc20)を選択することを特徴とする、請求項1に記載のシステム。
  4. 第2の設定値(Vc30)が、所定のバルブ開口度に対応しており、選択手段(50)が、アイドル速度で作動しているエンジンを検知するか、あるいは第1の制御信号の障害を検知するために適している1つ以上のエンジンパラメータに応じて、第2の制御信号(Sc30)を選択することを特徴とする、請求項1に記載のシステム。
  5. 第1の設定値および第2の設定値とは異なる第3の設定値(Vc30、Vc20)に基づいて第3の制御信号(Sc30、Sc20)を算出する手段をさらに備え、選択手段(50)が、1つ以上のエンジンパラメータに応じて調整器バルブを制御するために第3の制御信号を選択することを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載のシステム。
  6. 第3の設定値(Vc30、Vc20)が、所定のバルブ開口度あるいは所定のタービン温度に対応していることを特徴とする、請求項5に記載のシステム。
  7. 所定のバルブ開口度に対応している第3の設定値(Vc30)に基づいて第3の制御信号(Sc30)を算出する手段をさらに備え、選択手段(50)が、アイドル速度で作動しているエンジンを検知するか、あるいは第1の制御信号の障害を検知するために作用する1つ以上のエンジンパラメータに応じて、第3の制御信号を選択することを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載のシステム。
  8. 所定のタービン温度に対応している第3の設定値(Vc20)に基づいて第3の制御信号(Sc20)を算出する手段をさらに備え、選択手段(50)が、所定レベルの摩耗を検知することのできる1つ以上のエンジンパラメータに応じて第3の制御信号を選択することを特徴とする、請求項1、2、および4のいずれか一項に記載のシステム。
  9. 制御信号を算出する手段(20、30)が、エンジンの初期条件を1つ以上のエンジンパラメータに応じて再構成する手段(121)を含むことを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載のシステム。
  10. タービンケーシングに与えられる空気流が、ファンから、あるいはエンジンの1つ以上の圧縮機段から得られることを特徴とする、請求項1から9のいずれか一項に記載のシステム。
  11. 航空機エンジンにおけるガスタービンのシュラウドに与えられる空気流を制御する方法であり、空気流が、第1の制御信号(Sc10)によって制御される位置の調整器バルブ(60)によって調整され、該第1の制御信号(Sc10)が、ロータとタービンシュラウドとの間の所定クリアランスに対応している第1の設定値(Vc10)から算出される方法であって、
    少なくとも1つの第2の制御信号(Sc20、Sc30)が、同様にタービンにおけるクリアランスを表わす第1の値(Vc10)とは異なる第2の設定値(Vc20、Vc30)に基づいて算出され、前記第2の制御信号が、エンジンの1つ以上のパラメータに応じて調整器バルブを制御するために選択されることを特徴とする、方法。
  12. 第2の設定値(Vc20、Vc30)が、所定のタービン温度あるいは所定のバルブ開口度に対応していることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
  13. 第2の設定値(Vc20)が、所定のタービン温度に対応していることと、および第2の制御信号(Sc20)が、摩耗のための温度上昇を検知することのできる1つ以上のエンジンパラメータに応じて選択されることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
  14. 第2の設定値(Vc30)が、所定のバルブ開口度に対応していることと、および第2の制御信号(Sc30)が、エンジンの作動およびアイドル速度を検知することができるか、あるいは第1の制御信号の障害を検知することができる、1つ以上のエンジンパラメータに応じて選択されることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
  15. 第3の制御信号(Sc30、Sc20)が、同様に第1の設定値および第2の設定値とは異なる第3の設定値(Vc30、Vc20)に基づいて算出されることと、および前記第3の制御信号が、1つ以上のエンジンパラメータに応じて調整器バルブを制御するために選択されることを特徴とする、請求項11から14のいずれか一項に記載の方法。
  16. 第3の設定値(Vc30、Vc20)が、所定のバルブ開口度あるいは所定のタービン温度に対応していることを特徴とする、請求項15に記載の方法。
  17. 第3の制御信号(Sc30)が、同様に所定のバルブ開口度に対応している第3の設定値(Vc30)に基づいて算出されることと、および第3の制御信号が、アイドル速度におけるエンジンの作動を検知することができるか、あるいは第1の制御信号の障害を検知することができる、1つ以上のエンジンパラメータに応じて選択されることを特徴とする、請求項11から13のいずれか一項に記載の方法。
  18. 第3の制御信号(Sc20)が、同様に所定のタービン温度に対応している第3の設定値(Vc20)に基づいて算出されることと、および第3の制御信号が、定められた摩耗度を検知することができる1つ以上のエンジンパラメータに応じて選択されることを特徴とする、請求項11、12、および14のいずれか一項に記載の方法。
  19. 制御信号を算出する工程を実行するのに先立って、エンジンの初期条件を1つ以上のエンジンパラメータに応じて再構成する工程を含むことを特徴とする、請求項11から18のいずれか一項に記載の方法。
  20. タービンシュラウドに与えられる空気流が、ファンから、あるいはエンジンの1つ以上の圧縮機段から得られることを特徴とする、請求項11から19のいずれか一項に記載の方法。
JP2005170472A 2004-06-15 2005-06-10 ガスタービン中の空気流を制御するシステムおよび方法 Pending JP2006002766A (ja)

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