(57)【要約】  ガスタービンエンジン１０におけるエンジン始動方法が、エンジン１０を回転させてエンジン１０の燃焼器２０に空気流３６を供給することと、エンジンが着火するまで燃料を変化する流量で燃焼器２０中に噴射することからなる。燃料流の変化する流量は時間の関数であって着火時間に関して少なくとも一つの高周波を有する曲線７６で表され、前記高周波が着火ゾーンにかかる瞬間的な流量変化を表すと同時に燃焼器２０中に噴射される燃料の量を低減する。着火が起こった後、燃料を連続的に燃焼器２０中に噴射してエンジンを加速して、自己維持運転状態に至らせる。本発明のこの方法は種々の温度および高度条件において着火点を見いだし、これによって特に寒冷な気候条件において首尾よく急速な着火をもたらすのに適している。
2005513319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンにおけるエンジン始動方法であって、
エンジンを回転させてエンジンの燃焼器に空気流を供給し、
エンジンが着火するまで燃料を変化する流量で燃焼器中に噴射し、該変化する流量が時間の関数であって着火時間に関して少なくとも一つの高周波を有する曲線で表され、前記高周波が着火ゾーンにかかる瞬間的な流量変化を表すと同時に燃焼器中に噴射される燃料の量を低減させており、
自立運転状態に至るまでエンジンを加速するように燃料を連続的に燃焼器中に噴射する、
ことを含む、ガスタービンエンジンにおける始動方法。
【請求項２】
曲線が着火時間に関して低周波を有し、該低周波が変化する流量の変化傾向を表すことを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
曲線が増加傾向を有し、かつ振動的なプロファイルを有することを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項４】
曲線が増加傾向を有し、かつ一連の針状部を有することを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項５】
曲線が増加傾向を有し、かつ矩形波プロファイルを有することを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項６】
曲線が増加傾向を有し、かつ階段状プロファイルを有することを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項７】
エンジンが時間の関数として変化する速度で回転されることを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項８】
エンジンが増加する速度で回転されることを特徴とする、請求項６記載の方法。
【請求項９】
変化する流量で燃料を噴射する前に所定の初期燃料流量レベルを燃焼器に導入することをさらに含むことを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項１０】
エンジンを種々の高度および温度条件下で始動するために、所定の初期燃料流量レベルの導入を開始する最低エンジン速度を選択することをさらに含むことを特徴とする、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
燃焼器中に噴射される燃料の温度を検出することと、
燃焼器に供給される空気流の温度を検出することと、
前方飛行速度ラム量を検出することと、
環境空気圧力を検出することと、
エンジンの変化する速度を検出することと、
検出されたデータを処理して所定の初期燃料流量レベルの導入を開始する最低エンジン速度を決定することと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
着火が起こったかどうかを判定するために排気ガス流の温度を検出することをさらに含むことを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項１３】
変化する燃料噴射流量を表す曲線のプロファイルを、高度および温度条件の変化に応じて偏倚させること、
をさらに含むことを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項１４】
所定の初期燃料流量レベルを、高度および温度条件の変化に応じて変更すること、をさらに含むことを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項１５】
所定の初期燃料流量レベルの導入開始から着火が起こるまでにかかる着火時間を測定することと、
検索の結果、以前の着火行程において発生してデータベースに記憶された、現在の高度および温度条件に類似する高度および温度条件に関連するデータが見あたらないときは、将来のエンジン始動において参照するために、測定された着火時間および検出されたデータをデータベースに記憶することと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項１１記載の方法。
【請求項１６】
類似の高度および温度条件に関する記憶されたデータがデータベースにあるときは、着火時間を低減するためにこのようなデータによって最低エンジン速度および所定の初期燃料流量レベルの判定基準を改訂することと、
現在の着火時間が以前に記憶された、類似の高度および温度条件に関連する着火時間より短いときは、変化および今回計測された着火時間に関するデータを記憶し、以前に記憶された類似の高度および温度条件に関連する最低エンジン速度ならびに所定の初期燃料流量レベルおよび以前に記憶された着火時間のデータを消去することと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項１５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的にガスタービンエンジンの分野に関し、より具体的には種々の高度および温度条件において着火時の燃料流を供給する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンにおいて、取り入れ口からの空気は連続的に圧縮され、燃料と燃焼可能の比率に混合され、次いで混合物を点火するために点火源に曝され、かくして混合物は燃焼を続けて燃焼生成物を発生する。
【０００３】
ガスタービンエンジンの始動は複雑な過程であり、一般的に二つの段階を含む。第一段階において、ガスタービンエンジンが例えばスターターなどの外部動力源から供給されるトルクによって回転される。所定の圧縮圧力または速度に到達したならば、制御された流量で燃料流が燃焼器中に噴射され、空気流と混合され、混合物は点火源に曝されて最終的に点火が起こる。第二段階において、燃料流が連続的に燃焼器中に噴射され、局部的な点火の伝播および拡大が起こり、かくして燃焼器中に安定な燃焼が形成される。第二段階の過程で、燃料流噴射を増加することによってエンジン速度が加速され、遂にエンジンはっ自立回転速度で回転するようになる。
【０００４】
エンジンの設計実証手順の一部として、ガスタービンエンジンは一定範囲の温度および高度を含む条件の下で始動可能でなければならない。高度は海面下数千フィートという低い高度から海面上６５，０００フィートより高い高度までの範囲があり得る。温度は華氏−６０度から華氏＋１３５度までの範囲があり得る。
【０００５】
通常のエンジン燃料制御は、環境圧力および環境温度に基づいて着火用の固定された始動燃料流量を供給するものである。飛行中の再始動の場合は、着火用の燃料流量をさらに調整するために、ラム圧力の効果もまた燃料制御システムに入力されてよい。
【０００６】
着火用燃料の供給に対するエンジンからの要求は、エンジンの大きさ、ノズルの数、用いられるノズルの形式、高度、空気および燃料の温度、ローターの粘性的および空気力学的ドラッグ効果、およびエンジンの前進速度によって大幅に変化する。高度が増せば空気が希薄になるから、着火用燃料流量を低くする必要がある。非常に低い温度の下では着火を起こさせるために燃料流量を高くする必要がある。特に、非常な低温かつ高高度での静的始動においては、着火を起こさせるために高い燃料流量が要求されるであろう。しかしながら、このような流量を維持することは結果としてタービン領域の過熱と、これに伴う応力を引き起こす可能性がある。これに加えて、着火に要求されるこのような高い燃料流量によって、エンジンのジェットパイプまたは排気管から、目に見える炎が排出される可能性がある。着火時間が長くなると燃料溜まりが生じる。この溜まった燃料が最終的に燃焼すると、目に見えるトーチングが起こる可能性がある。このようなトーチングは、タービンブレードにおけるエンジン疲労につながる可能性があるので、非常に望ましくない。
【０００７】
業界において、ガスタービンエンジンの始動を改善するための努力、特に燃料噴射時点から着火が起こるまでの着火時間を短縮して、エンジンの急速な始動を得ようとする努力がなされて来た。１９９８年２月１７日にリング等に与えられた米国特許第５，７１８，１１１号は、このような努力の一例として、ガスタービンエンジンの始動制御システムおよび方法を記載している。このシステムにおいてはエンジンの出口温度と圧縮機速度の変化率が検知され、検出されたパラメーターが所望の始動特性と比較され、出力組成因子を決定するためテーブルが参照される。出力組成因子に基づいて、一般に燃料制御システムを用いて燃料流量を調整することによって、ガスタービンエンジンの始動が調整される。しかしながらこの方法は一般にエンジン始動の第二段階の燃料流量を制御するのに用いられる。なぜならばエンジンの出口温度の変化は着火が起こった後に起こるからである。
【０００８】
２０００年５月１６日にイーデルマンに与えられた米国特許第６，０６２，０１６号はガスタービンエンジンの着火システムおよび方法を開示している。このシステムにおいては、実質的に一定の着火用の燃焼空気供給を与えるためにエンジンは固定された速度で運転され、燃料流量は着火用の正しい燃料空気比に達するまで漸増される。
【０００９】
１９９２年４月２８日にウィベルマン等に与えられた米国特許第５，１０７，６７４号はガスタービン航空エンジンの始動システムを記載している。この始動システムは着火に至るエンジン始動時に要求される事象のシーケンスを自動的に制御する。システムには環境温度、排気ガス温度、圧縮機速度、燃料流量、などのセンサーが含まれる。制御装置はストールが起こらないように燃料流量のスケジュールを立て、ストールが起こった場合は正しい修正動作を行い、また厳寒の条件での燃料流量のスケジュールを提供する。
【００１０】
１９９４年１２月６日にヴァーテンス等に与えられた米国特許第５，３６９，９４８号はガスタービンエンジン始動のためのプロセスおよび機器を記載している。ガスタービンエンジン用の始動制御装置を持つこの機器においては、制御型注入ポンプによって噴射される燃料の量が決定され、その際、噴射される燃料の量は、噴射圧力と、タービンの燃焼室内または圧縮機出口における圧縮器圧力と、の差の関数として調整され得る。
【００１１】
しかしながら、エンジン始動時の着火時間を短縮するための、またエンジン始動過程での過剰な燃料噴射を避けるための、改良されたエンジン始動方法の必要性は依然として存在する。特に寒冷な気候条件においては、燃料および空気の温度が下がるにつれてガスタービンエンジンの着火を達成するための燃料流量の精度はますます厳しくなるから、なおさらである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一つの態様によるガスタービンエンジンの始動方法は、エンジンの燃焼器に空気流を供給するためにエンジンを回転させるステップと、エンジンが着火するに至るまで燃料を変化する流量で燃焼器中に噴射するステップと、からなる。燃料噴射の変化する流量は時間の関数であり、少なくとも一つの高周波を有する曲線で表され、前記高周波は着火ゾーンにかかる瞬間的な流量変化を表す。曲線は好ましくはさらに着火時間に関して低周波を有し、これは変化する流量の変化傾向を表す。着火が起こった後、燃料を燃焼器中に連続的に噴射することによってエンジンは加速され、自立運転状態に達する。着火を達成するためにエンジンは時間の関数として変化する速度で回転されてもよく、例えば速度が漸増されてもよく、あるいはまた固定速度で回転されてもよい。着火ゾーンにかかる曲線は好ましくは増加傾向を有し、かつ種々の実施態様によって例えば振動プロファイル、矩形波プロファイル、階段状プロファイル、または一連の針状部を有してもよい。
【００１３】
燃料と空気の混合物は、ガスタービンエンジンの燃焼器中の燃料／空気比が適当な範囲にあるときに点火可能となり、これは一般に着火と呼ばれる。この着火のための燃料／空気比は、燃料の粘度、大気温度、および大気圧力によって影響される。空気圧力は基本的に、圧縮機速度と、ガスタービンエンジンが置かれた高度によって決定される。始動手順を含むガスタービンエンジンの運転中に、燃焼器に進入して燃料と混合される空気流はエンジンの圧縮機によって圧送されるので、空気流量は圧縮機速度つまりエンジン速度の関数である。したがって、着火用の燃料／空気比の範囲は基本的に燃料流量およびエンジン速度による着火ゾーンによって決定される。着火ゾーンは大気温度およびエンジンが置かれた高度によって影響される。これについては後に詳述する。したがって、種々の温度および高度条件、特に寒冷な気候において急速な着火を達成することは、これらの条件における正確な着火ゾーンが認識されなければ、通常は困難である。
【００１４】
燃料噴射の流量が一般に直線的あるいは単調な曲線で表される、従来の着火用燃料噴射方式とは異なって、本発明は着火を達成するために燃焼器に燃料を噴射する新規な方式を提供する。この方式においては燃料は変化する流量で噴射され、該流量変化は少なくとも一つの高周波を有する曲線、例えば振動的なプロファイルで表され、前記高周波は流量における瞬間的な変化を表す。該プロファイルが種々の瞬間的な燃料／空気比を提供することによって、特定の温度および高度条件に関連する着火ゾーンの位置が特定される一方、燃焼器に噴射される燃料の量が低減される。これについては後に図面および実施例を参照しつつ詳述する。
【００１５】
本発明の一つの実施例においては複数のセンサーが具備され、燃焼器中に噴射される燃料および空気の温度、ガスタービンエンジンの入り口と出口の圧力差として計測される前方飛行速度ラム量、およびエンジン速度が計測される。計測されたデータは処理され、所定の初期燃料流量レベルの導入を開始するべき最低エンジン速度が決定される。また着火が起こっているかどうかを判定するために排気ガス流の温度も計測される。着火時間が計測され、類似の高度および温度条件で行われる将来の着火において参照するために、他のすべての計測データとともにデータベースに記憶される。このようにして、データベースに記憶された情報に基づいて着火時間をより短縮するために、所定の初期燃料流量レベル、所定の初期燃料流量レベルの導入を開始するべき最低エンジン速度の判定基準、および変化する燃料噴射流量を表す曲線のプロファイル、を調整することができる。
【００１６】
本発明の基礎は、「任意の所与空気流量において、混合物が点火可能となる空気／燃料比の範囲は、いったん点火が起こった後に安定な燃焼が可能な空気／燃料比の範囲よりも小さい」という原理に部分的に基づいている。この原理は「ガスタービン理論  Ｈ．コーエン、Ｇ．Ｆ．Ｃ．ロジャース、およびＨ．Ｉ．Ｈ．サラヴァムットー著」に述べられている。増加側に振動する着火用の燃料流量が着火ゾーンにかかってエンジンが一旦着火されれば、燃焼はより低い燃料流量で維持されるであろう。なぜならば燃料／空気混合物の着火は特定の瞬間に非常に小さな局部的領域で起こり、着火が起こるかどうかは基本的に瞬間的な燃料／空気比つまり瞬間的な燃料流量で決定されるからである。他方、安定な燃焼は平均燃料／空気比または平均燃料流量によってより効果的に決定される。着火用の燃料流量の各サイクルの平均燃料流量は同じサイクル中の最大燃料流量よりも低い。このようにして非常に寒冷な気候においてもガスタービンエンジンの急速な着火が達成され、連続燃焼が維持される一方、この際の過剰な燃料噴射が避けられる。
【００１７】
本発明のその他の利点および特徴は、以下において説明される本発明の好ましい実施例および図面を参照することによって、よりよく理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図面、特に図１を参照すれば、例示的なガスタービンエンジン１０は、長手方向の中央軸１２の周囲において順次に流体が流れるように、周方向に間隔を置いた複数のファンブレードまたはローターブレード１４を有するファンと、在来型の低圧圧縮機１６と、在来型の高圧圧縮機１８と、在来型の環状燃焼器２０と、在来型の高圧タービン２２と、在来型の低圧タービン２４と、を含む。低圧タービン２４は低圧圧縮機１６とファンブレード１４の両方に、第一のローターシャフト２６によってしっかりと接続されており、高圧タービン２２は高圧圧縮機１８に、第二のローターシャフト２８によってしっかりと接続されている。在来型の燃料噴射手段３０が具備されており、燃料流を選択的に燃焼器２０中に噴射してエンジン１０に動力を与える。スパーク点火器３３が燃焼器２０中で燃料噴射手段３０の燃料ノズル（符号で示さず）の近傍に具備される。
【００１９】
在来型の環状ケーシング３２が、低圧圧縮機１６から低圧タービン２４までにわたってエンジン１０を取り巻き、低圧圧縮機１６とともに、矢印３６で示される環境空気の一部を受け入れる低圧圧縮機入り口３４を画定する。ケーシング３２の下流側端部は在来型の環状排気プラグ４０とともに、環状の排気出口４２を画定する。ファンブレード１４のブレード根部３８に近い部分で圧縮された環境空気３６の一部は、低圧圧縮機１６および高圧圧縮機１８によってさらに圧縮されて燃焼器２０に圧送される。圧縮空気３６と、燃料噴射手段３０によって噴射された燃料との混合物は、矢印５２で示される燃焼ガスを生成する。燃焼ガス５２は高圧タービン２２および低圧タービン２４をそれぞれ回転させ、高圧圧縮機１８、低圧圧縮機１６、およびファンブレード１４の動力となる。
【００２０】
ケーシング３２から半径方向外側に間隔を置くナセル４４がブレード１４およびケーシング３２の上流部分を取り巻いており、ケーシング３２とともに、ブレード１４で圧縮された空気３６の半径方向外側の部分がエンジンをバイパスするように環状のダクト５５を画定する。説明の便のためにこのバイパス空気流は矢印３６ａで示されている。周方向に間隔を置く複数のステーターベーン４６が、ケーシング３２とナセル４４の間で半径方向に伸びており、かつブレード１４からは軸方向下流に間隔を置いている。ナセル４４は、その上流側端部に環境空気３６を受け入れる入り口４８と、その下流側端部にバイパス空気流３６ａを排出して推力の一部を与える出口５０と、を含む。
【００２１】
ここで図１および図２を参照する。エンジン１０の始動行程において、エンジン１０、より具体的にはエンジン１０の高圧圧縮機１８がスターター（図示せず）によって回転され、燃焼器２０に空気流３６を供給する。高圧圧縮機１８に付属するセンサー（図示せず）が高圧圧縮機１８の回転速度を計測し、ブロック６０で表される速度信号を電子式エンジン制御装置５６に送る。所定の判定基準による高圧圧縮機１８の最低回転速度に到達すると、電子式エンジン制御装置５６は、燃料ポンプ２９およびステッパーないしはトルクモーターバルブ３１または同等機能のバルブを含む燃料噴射手段３０に信号を送り、燃焼器への燃料流の噴射を開始させる。この燃料流は例えばブロック７８に示されるような増加側に振れる振動プロファイルを有する。このグラフでＦは燃料流量を表し、Ｔは時間を表す。変化する燃料／空気比を有する燃料と空気の混合物がスパーク点火器３３と接触し、適切な燃料／空気比に到達したときに、燃焼器２０内で燃焼行程の着火を起こさせる。着火が起こったかどうかを判定するために、ブロック６２で表される排気温度信号が、環状排気出口４２に付属する温度センサー（図示せず）から電子式エンジン制御装置５６に送られる。例えば２００°Ｆという閾値温度が計測されたときは、電子式エンジン制御装置５６は燃料噴射手段３０に信号を送って、着火点から自立運転状態までのエンジン運転において要求される、現時点で知られるプロファイルに基づく燃料スケジュールによって燃料流を噴射させる。この燃料スケジュールは所望の加速率に基づくオープンループ燃料流プロファイルであってもよく、また特定のエンジン用途に関連する制限的な排気温度信号６２に基づいてもよい。
【００２２】
着火行程において、電子式エンジン制御装置５６はまた、環境入り口空気温度３６の温度信号６４、入り口空気の高度圧力で示される高度信号６６、前進速度またはエンジン１０にわたって存在する圧力差の計測値であるラム信号６８、および燃料温度信号７０を受け取る。これらの信号は電子式エンジン制御装置５６によって、着火行程のための適切な燃料流プロファイルを選択するのに用いられる。電子式エンジン制御装置５６に組み込まれたタイマー回路（図示せず）から発生されたタイミング信号７２が、燃料噴射の開始点から着火が起こるまでにかかった着火時間の計測に用いられる。必要に応じて用いられるトーチング信号７４は、エンジン１０の排気出口４２における目に見える炎の存在を示す紫外線または光電気信号である。検出または計測されたすべてのデータ、およびその他の所定のデータおよびプログラムを記憶するために、電子式エンジン制御装置５６はデータベース５８を具備する。
【００２３】
エンジン始動方法の原理を、図３ないし図６を参照しつつさらに詳しく説明する。着火に至るまで変化する流量で燃焼器中に噴射される燃料流量は、時間の関数であり、図３に流量（Ｆ）、および時間（Ｔ）を座標軸として示される曲線７６で表される。この曲線は燃料流量の変化傾向を表す低周波と、流量の瞬間的な変化を表す少なくとも一つの高周波を有する。燃料噴射が時間Ｔ１に始まり、着火が時間Ｔ２に起こり、Ｔ１とＴ２の間の経過時間が着火時間である。
【００２４】
曲線７６の低周波は、着火時間すなわちＴ１とＴ２の間の経過時間よりも長い時間周期を有するから、曲線７６の低周波は一般的に高周波をフィルタリングした変化の平均的流量を表し、曲線７６の破線で図示される。本発明のこの実施例においては、燃料流量の変化傾向は増加傾向である。しかしながら、曲線７６は必ずしも低周波を含まなくてもよい。このエンジン始動方法に組み込まれた自己学習機能があれば、変化する燃料流量に変化傾向がなくとも急速な着火は達成される。これについてはさらに後述する。
【００２５】
この実施例における少なくとも一つの高周波曲線７６は増加側に振れる振動プロファイルからなり、より具体的には一連の針状部８０を有する。該針状部は図３ａにおいてより明瞭に図示されるように、一般的に比較的低い安定流量の部分Ｓ１と、急速かつ瞬間的に増加して瞬間最大流量Ｍａに至る部分Ｓ２と、瞬間最大流量Ｍａから瞬間的かつ急速に減少して、針状部の次のサイクルの比較的低い安定流量に至る、滑らかな流量変化を表す減少部分Ｓ３と、を含む。しかしながら少なくとも一つの高周波曲線７６には種々の変形があり得る。例えば図３ｂに示される矩形プロファイル７６ｂ、図３ｃに示されるランダム振動プロファイル７６ｃのような一般の振動的なプロファイル、あるいは図３ｄに示される階段状プロファイル７６ｄ、などで表されるものであってもよい。
【００２６】
着火は非常に短い瞬間に起こり、一般に瞬間的な燃料／空気比で決定されるのに対して、安定燃焼行程は一般に平均の燃料／空気比に依存することに注目すべきである。任意の所与空気流量において、混合物が点火され得る空気／燃料比の範囲は、点火が起こった後に安定な燃焼が可能である空気／燃料比の範囲よりも小さいことは、一般に認められている原則である。曲線７６で表される、高周波を有する変化する燃料流量は、複数の瞬間最大燃料流量を提供するので有利である一方、平均流量をこれらの瞬間最大燃料流量より低い、徐々に変化するレベルに保つ。燃焼器２０に流入する空気流量が一定であるか、または比較的おだやかに変化する場合は、燃料／空気比は基本的に曲線７６の性質によって決定される。これらの瞬間最大燃料流量は、着火用としては比較的に低い燃料／空気比を保証し、低い平均燃料流量レベルは安定燃焼用としては比較的に高い燃料／空気比を保証する。したがって、曲線７６で表される増加側に振動する燃料流量は新規な着火用燃料流量プロファイルを提供し、このプロファイルはこの原理において述べた着火の必要条件に合致する。
【００２７】
燃料流量曲線７６は一般に、所定の初期燃料流量レベルＦ１を含み、これは短い時間保持されるのみで、その後振動プロファイルに変化する。所定の初期燃料流量レベルＦ１および燃料流噴射の開始時間Ｔ１、および燃料流量曲線７６のその他の性質は、エンジン１０が始動される高度および温度の条件によって決定される。これについては後に詳述する。
【００２８】
図４は着火の発生と燃料流量との間の関係を、ＷＦ（％）で表される燃料流量の百分率と、Ｎｇ（％）で表される全力ガス発生器速度の百分率としてのガス発生器速度との関係として図示している。図４のガス発生器速度はエンジンの高圧圧縮機１８の回転速度と同じと考えてよい。図４において、燃料流が変化する流量で燃焼器中に噴射され、空気流が、ガス発生器速度に相当する変化する流量で燃焼器中に圧送される。このようにして変化する燃料／空気比が得られ、縦線と横線の交点として表される。しかしながら、適当な燃料／空気比を表す交点のみが、特定の高度および温度条件における着火の必要条件に合致する。このような交点の集まりは閉輪郭Ｂで画定される領域をなす。着火が起こらない燃料／空気比を表す交点の集まりは領域Ｂを取り囲む領域Ｃを画定する。着火領域Ｂは着火が起こり得る燃料／空気比の範囲を包含し、以下において着火ゾーンと呼ばれる。しかしながら、異なる燃料／空気比においては着火時間が異なる。一般に、着火ゾーンの内側でその境界線に近い交点で表される燃料／空気比における着火時間は、着火ゾーンの中心に近い交点で表される燃料／空気比における着火時間より長い。かくして閉輪郭Ａで画定される中心領域は、より急速な着火に対応する燃料／空気比の、より小さな範囲を図示している。
【００２９】
図５は種々の高度および温度における着火ゾーンを示す概念的なグラフである。図中の着火ゾーンは説明のためにのみ概念的に示したものであり、直接の実験結果ではない。環境空気温度は、空気流および燃料流の温度、ひいては燃焼器中に噴射される混合物の温度に直接影響するばかりでなく、空気の密度に影響し、したがって燃料流量およびエンジンのガス発生器速度が固定されている場合に実際の燃料／空気比に影響する。環境空気圧力は高度の変化によって変化し、これによって環境空気の密度が変わり、したがって実際の燃料／空気比に影響する。このように、着火ゾーンは高度または環境温度条件のどちらかが変われば変化する。図５に図示される着火ゾーン８２〜９２は種々の温度および高度条件における図４のそれぞれのサンプルである。高高度における温度の、着火ゾーン境界線に及ぼす一般的な影響は、高高度低温ゾーン８２、高高度中温ゾーン８４、および高高度高温ゾーン８６に示されている。低高度における温度の、着火ゾーン境界線に及ぼす一般的な影響は、低高度低温ゾーン８８、低高度中温ゾーン９０、および低高度高温ゾーン９２に示されている。一定の高度条件において環境空気温度が低くなると、着火ゾーンＢが小さくなると同時に、燃料流量とガス発生器速度の座標軸に関する着火ゾーンＢの位置が変化することが分かる。環境空気温度が比較的一定であって高度が変化する場合も、着火ゾーンＢの形状および位置が変化する。したがって急速な着火を達成するためには、図３の燃料流量曲線７６を決定しているパラメーターを、高度および温度条件の変化に対応して変更しなければならない。
【００３０】
図３に示される燃料流量曲線７６は時間の関数である。始動行程においてガス発生器速度が漸増するが、これも時間の関数である。したがって時間の関数として変化する燃料流量は、数学的な計算によってガス発生器速度の関数に変換することができ、これによって図３の燃料流量曲線７６は、図６に示されるような、燃料流量百分率ＷＦ（％）およびガス発生器速度百分率ＮＧ（％）を座標軸とする、対応する燃料流量曲線７６’に変換される。図６にはまた仮想の着火ゾーン９４およびその急速着火のための中央領域９６が示されている。
【００３１】
燃料流量曲線７６’が着火ゾーン９４またはその中央領域９６にかかると、着火の必要条件が満足されて着火が起こることは理解されるであろう。しかしながら、仮想の着火ゾーン９４内で着火が起こる正確な着火点は、曲線７６’のパラメーターおよびその他の条件に依存して変化する。図５に示されるように、着火ゾーンの大きさ、形状および位置は、異なる高度および温度条件において変化する。したがって、種々の高度および温度条件において、特に非常に寒冷な気候の下で着火ゾーンの位置を特定することは困難である。なぜならば着火ゾーンが比較的に小さくなるからである。図３ｂ〜３ｄに示される曲線の針状プロファイルまたはその他のプロファイルは、平均燃料流量が漸増されるときに一定の領域を掃過するので、先行技術に用いられるような直線または単調曲線で表される変化の燃料流量がエンジンの燃焼着火のために着火ゾーンにかかる場合に比較して、曲線７６’が仮想の着火ゾーンまたはその中央領域９６にかかる確率がより高くなるので有利である。
【００３２】
仮想の着火ゾーン９４およびその領域９６の形状、領域、および位置は、高度および温度条件が変化したときに変化するので、曲線７６’を決定しているパラメーターはこれに応じて変更されなければならない。これらのパラメーターとは、エンジンへの噴射を開始する最低ガス発生器速度Ｖ１、および燃料噴射が開始されるときの所定の初期燃料流量レベルＦ１である。さらにパラメーターとしては、図６に示されるように、曲線７６’の円状部および針状部に関する、ガス発生器速度の増加幅Δ１、Δ２、Δ３、Δ４、等および燃料流量の増加幅Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４、等を包含する。これらの増加幅は、経験的な試験の結果によって等幅、指数関数、または対数関数であってよい。最初に、種々の高度および温度条件に関連する最低ガス発生器速度Ｖ１と初期燃料流量レベルＦ１および増加幅ΔおよびＨが、経験的な試験によってあらかじめ決定される。特定の高度および温度条件下での着火行程に際して、燃料温度と空気流温度、前方飛行速度ラム量と環境空気圧力、およびガス発生器速度が検出される。この検出されたデータは電子式エンジン制御装置に送られて、所定の初期燃料流量レベルＦ１を導入する最低ガス発生器速度Ｖ１を決定するのに用いられる。電子式エンジン制御装置はこの検出されたデータを処理して、データベースに記憶された経験的な試験のデータから、初期燃料流量レベルＦ１、燃料流量増加幅Ｈ、およびガス発生器速度の増加幅Δなどの、着火用燃料流量曲線７６’の他のパラメーターを決定し、かくして着火用燃料流量曲線７６’の適当なプロファイルを決定し、これによってこの特定の高度および温度条件下での急速な着火を達成する。次いで着火時間が測定され、その情報が将来の参考のためにデータベースに記憶される。
【００３３】
将来の着火行程においては、全ての検出されたデータは以前の着火行程で発生されたデータと比較され、現在の高度および温度条件に類似する高度および温度条件に関連するデータが存在するかどうかが判定される。もし検索結果が肯定的であれば、類似の高度および温度条件下で以前の着火行程に用いられた着火用燃料流量曲線７６’のパラメーターが、仮想の着火ゾーン９４およびその中央領域９６についての情報を決定するのに用いられる。この特定の高度および温度条件における着火ゾーン９４およびその中央領域９６についての新たに決定された情報に基づいて、電子式エンジン制御装置は着火用燃料流量曲線７６’の新しいパラメーター、Ｆ１、Ｖ１、Ｈ、Δ等を決定し、かくして曲線７６’の出発点が仮想の着火ゾーン９４およびその中央領域９６により近づき、かつ曲線７６’のプロファイルが着火の達成にとってより良好であるようにする。着火時間が計測され、同じ高度および時間条件における以前の着火行程の、記憶された着火時間と比較される。もし現在の着火時間が以前の着火時間より短ければ、今回検出されたすべてのデータが、以前に記憶されたデータと入れ替えに、データベースに記憶される。もし現在の着火時間が以前に記憶された着火データより長ければ、今回検出されたデータは記憶されない。このようにして、自己学習機能が本発明のエンジン始動着火方法に組み込まれる。このような自己学習機能があれば、最適化された曲線７６’は必ずしも、変化する燃料流量の変化傾向を表す低周波を含まなくともよい。なぜならば高周波振動の単に一つまたは二、三のサイクルによってうまく着火発生を起こさせる可能性があるからである。しかしながらサイクルのパラメーターＨおよびΔは変化してもよい。
【００３４】
上述の本発明の実施例では、着火時間の間、ガス発生器速度が増加する。これは本発明の、説明しやすい一つの例である。本発明は、着火時間の間、ガス発生器速度が固定されていても適用可能である。
【００３５】
本発明の上述の実施例に対する改造や改良が、当業者にとって明らかになるであろう。これまでの説明は限定的というよりは例示的な意図によるものである。例えば、上述の実施例に説明された環状の燃焼器を有するガスタービンエンジンの代わりに、本発明は別体の燃焼ライナーを有するガスタービンエンジンなどの、異なる形式のエンジンに用いられてもよい。したがって本発明の範囲は添付の請求項の範囲によってのみ限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は本発明の好ましい実施例を組み込んだガスタービンエンジンの断面図である。
【図２】図２は図１の実施例によるエンジン始動方法の単純化された線図である。
【図３】図３は図１の実施例に用いられる燃料噴射プロファイルを示すグラフである。
【図３ａ】図３ａは図３の燃料噴射プロファイルの詳細を示すグラフである。
【図３ｂ】本発明の種々の実施例による種々の燃料噴射プロファイルを示すグラフである。
【図３ｃ】本発明の種々の実施例による種々の燃料噴射プロファイルを示すグラフである。
【図３ｄ】本発明の種々の実施例による種々の燃料噴射プロファイルを示すグラフである。
【図４】図４は燃料流の流量およびエンジン回転速度で定義される着火ゾーンを示すグラフである。
【図５】図５は温度および高度の影響による、着火ゾーンの変化を示すグラフである。
【図６】図６は本発明の実施例による着火ゾーンにかかる燃料流を示すグラフである。
【図１】
2005513319.tif 000003
【図２】
2005513319.tif 000004
【図３】
2005513319.tif 000005
【図３ａ】
2005513319.tif 000006
【図３ｂ】
2005513319.tif 000007
【図３ｃ】
2005513319.tif 000008
【図３ｄ】
2005513319.tif 000009
【図４】
2005513319.tif 000010
【図５】
2005513319.tif 000011
【図６】
2005513319.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成16年2月27日(2004.2.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
業界において、ガスタービンエンジンの始動を改善するための努力、特に燃料噴射時点から着火が起こるまでの着火時間を短縮して、エンジンの急速な始動を得ようとする努力がなされて来た。１９９８年２月１７日にリング等に与えられた米国特許第５，７１８，１１１号は、このような努力の一例として、ガスタービンエンジンの始動制御システムおよび方法を記載している。このシステムにおいてはエンジンの出口温度と圧縮機速度の変化率が検知され、検出されたパラメーターが所望の始動特性と比較され、出力組成因子を決定するためテーブルが参照される。出力組成因子に基づいて、一般に燃料制御システムを用いて燃料流量を調整することによって、ガスタービンエンジンの始動が調整される。同様に、欧州特許第８５６６５１号は、エンジンを着火速度まで加速し、次いで、燃焼室へ燃料を噴射して急速過渡のリッチ化を行うことを開示している。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンにおけるエンジン始動方法であって、
時間の関数となる増加速度でエンジン（１０）を回転させてエンジン（１０）の燃焼器（２０）に空気流を供給し、
エンジン速度の増加中に、エンジンが着火するまで燃料を変化する流量で燃焼器（２０）中に噴射し、該変化する流量が時間の関数であって着火時間に関して少なくとも一つの高周波を有する曲線で表され、前記高周波が着火ゾーンにかかる瞬間的な流量変化を表すと同時に燃焼器（２０）中に噴射される燃料の量を低減させており、
自立運転状態に至るまでエンジンを加速するように燃料を連続的に燃焼器（２０）中に噴射する、
ことを含む、ガスタービンエンジンにおける始動方法。
【請求項２】
曲線が着火時間に関して低周波を有し、該低周波が変化する流量の変化傾向を表すことを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
曲線が増加傾向を有し、かつ振動的なプロファイルを有することを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項４】
曲線が増加傾向を有し、かつ一連の針状部を有することを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項５】
曲線が増加傾向を有し、かつ矩形波プロファイルを有することを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項６】
曲線が増加傾向を有し、かつ階段状プロファイルを有することを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項７】
（削除）
【請求項８】
（削除）
【請求項９】
変化する流量で燃料を噴射する前に所定の初期燃料流量レベルを燃焼器（２０）に導入することをさらに含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
エンジン（１０）を種々の高度および温度条件下で始動するために、所定の初期燃料流量レベルの導入を開始する最低エンジン速度を選択することをさらに含むことを特徴とする、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
燃焼器（２０）中に噴射される燃料の温度を検出することと、
燃焼器（２０）に供給される空気流の温度を検出することと、
前方飛行速度ラム量を検出することと、
環境空気圧力を検出することと、
エンジン（１０）の変化する速度を検出することと、
検出されたデータを処理して所定の初期燃料流量レベルの導入を開始する最低エンジン速度を決定することと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
着火が起こったかどうかを判定するために排気ガス流の温度を検出することをさらに含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項１３】
変化する燃料噴射流量を表す曲線のプロファイルを、高度および温度条件の変化に応じて偏倚させること、
をさらに含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項１４】
所定の初期燃料流量レベルを、高度および温度条件の変化に応じて変更すること、をさらに含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項１５】
所定の初期燃料流量レベルの導入開始から着火が起こるまでにかかる着火時間を測定することと、
検索の結果、以前の着火行程において発生してデータベースに記憶された、現在の高度および温度条件に類似する高度および温度条件に関連するデータが見あたらないときは、将来のエンジン始動において参照するために、測定された着火時間および検出されたデータをデータベース（５８）に記憶することと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項１１記載の方法。
【請求項１６】
類似の高度および温度条件に関する記憶されたデータがデータベースにあるときは、着火時間を低減するためにこのようなデータによって最低エンジン速度および所定の初期燃料流量レベルの判定基準を改訂することと、
現在の着火時間が以前に記憶された、類似の高度および温度条件に関連する着火時間より短いときは、変化および今回計測された着火時間に関するデータを記憶し、以前に記憶された類似の高度および温度条件に関連する最低エンジン速度ならびに所定の初期燃料流量レベルおよび以前に記憶された着火時間のデータを消去することと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項１５記載の方法。
【国際調査報告】
2005513319.tif 000013
2005513319.tif 000014
2005513319.tif 000015