(57)【要約】  本発明は、エンジンを通して延びている流路を有するタービンエンジンのブレード先端部のクリアランスを制御する方法であるとともに、この方法を実行するシステムである。この方法は、ブレード先端部のクリアランスを示す第１の脈動しない圧力信号ＰCを取得し、実質的にブレード先端部のクリアランスによって影響されることのない第２の圧力ＰBを検出し、得られた圧力及び検出された圧力の実際の比率を形成し、実際の比率の関数である実際の成分と所望の成分とから誤差Ｅを決定し、誤差Ｅを小さくするようにクリアランス制御システムに指令することを備える。
2008537768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンを通して延びている流路を有するタービンエンジンのブレード先端部のクリアランスを制御する方法であって、
この方法は、
ブレード先端部のクリアランスを示す脈動しない圧力信号を取得し、
実質的にブレード先端部のクリアランスによって影響されることのない圧力を検出し、
上記の得られた圧力及び上記の検出された圧力の実際の比率を形成し、
上記の実際の比率の関数である実際の成分と所望の成分とから誤差を決定し、
上記の誤差を小さくするようにクリアランス制御システムに指令することを特徴とするタービンエンジンのブレード先端部のクリアランスを制御する方法。
【請求項２】
上記の得られた圧力信号は、流路でない場所から得られることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンのブレード先端部のクリアランスを制御する方法。
【請求項３】
上記の誤差の実際の成分は、上記の得られた圧力と上記の検出された圧力との比率であり、上記の誤差の所望の成分は、得られた圧力と検出された圧力との所望の比率であることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンのブレード先端部のクリアランスを制御する方法。
【請求項４】
上記の誤差の実際の成分は、推測された実際のクリアランスであり、上記の誤差の所望の成分は、所望のクリアランスであることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンのブレード先端部のクリアランスを制御する方法。
【請求項５】
上記の得られた圧力信号は、タービン流路の内周側のキャビティから得られ、上記の検出された圧力は、バーナ圧力であることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンのブレード先端部のクリアランスを制御する方法。
【請求項６】
エンジンを通して延びている流路を有するタービンエンジンのタービンにおけるブレード先端部のクリアランスを制御する装置であって、
この装置は、
ブレード先端部のクリアランスを示す脈動しない第１の圧力信号に応答する第１のセンサと、
実質的にブレード先端部のクリアランスによって影響されることのない第２の圧力信号に応答する第２のセンサと、
ａ）上記第１の圧力信号及び上記第２の圧力信号の実際の比率を形成し、
ｂ）上記の実際の比率の関数である実際の成分と所望の成分とから誤差を決定し、
ｃ）上記第１の圧力信号を変化させるように指令を出すことによって上記の誤差を小さくする、制御装置と、
を備えることを特徴とするタービンエンジンのブレード先端部のクリアランスを制御する装置。
【請求項７】
上記第１の圧力信号は、流路でない場所から得られることを特徴とする請求項６に記載のタービンエンジンのブレード先端部のクリアランスを制御する装置。
【請求項８】
上記の誤差の実際の成分は、上記第１のセンサによって得られた圧力と上記第２のセンサによって検出された圧力との比率であり、上記の誤差の所望の成分は、得られた圧力と検出された圧力との所望の比率であることを特徴とする請求項６に記載のタービンエンジンのブレード先端部のクリアランスを制御する装置。
【請求項９】
上記の誤差の実際の成分は、推測された実際のクリアランスであり、上記の誤差の所望の成分は、所望のクリアランスであることを特徴とする請求項６に記載のタービンエンジンのブレード先端部のクリアランスを制御する装置。
【請求項１０】
上記第１の圧力信号は、タービン流路の内周側のキャビティから得られ、上記の検出された圧力は、エンジンのバーナ内部で検出されることを特徴とする請求項６に記載のタービンエンジンのブレード先端部のクリアランスを制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンエンジンのブレード先端部のクリアランスを制御するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
民間機や軍用機などの動力に使用されているタービンエンジンは、タービンケースによって囲まれたブレードのついたタービンを備えるタービンモジュールを具備する。タービンは、エンジンの中心軸の周りに回転可能なハブと、このハブから半径方向に突出している一連のブレードと、を備える。これらのブレードは、作動流体の流路を横切って延びており、ブレードの先端部は、小さいクリアランスギャップによってタービンケースから離れている。
【０００３】
ハブ及びブレードが、このハブの回転（これに対して、タービンケースは回転しない）から生じる遠心力に反応するので、エンジンが作動している間に、クリアランスギャップの大きさは変化し得る。さらに、ハブ、ブレード及び、タービンケースの全てが、温度変化に反応するものの、その変化の度合いは異なる。機械的な反応及び熱的な反応の違いにかかわらず、クリアランスギャップの大きさを制御することは重要である。ギャップが過度に小さいと、エンジンの急加速によって、ブレード先端部がタービンケースに接触し、その結果ブレードやタービンケースが損傷してしまう。ギャップが過度に大きいと、タービンの効率が悪くなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
エンジンの設計者は、ブレード先端部のクリアランスを制御するために種々の方法を考案してきた。周知の装置は、エンジンケースを囲む冷却空気用のダクトを用いている。冷却空気用のダクトは、このダクトとエンジンケースとの間に環状の空間を空けるように、エンジンケースから半径方向にオフセットしている。制御装置により指令される調節バルブによって、比較的冷たい空気のダクトへの流入が調節される。冷媒の放出穴が、このダクトの半径方向内側に貫通している。制御装置が調節バルブに全開もしくは部分的に開位置にするように指令すると、冷却空気がダクトに入り、放出穴を通って放出されてタービンケースに衝突する。これによって、タービンケースが冷却され、このケースがブレード先端部に向かって半径方向に収縮する。タービンケースの収縮量は、調節バルブによってダクト内に入れられた冷却空気の温度ならびに量に関連する。制御装置が調節バルブに閉じるように指令すると、冷却空気の流れが止まり、タービンケースがブレード先端部から離れるように半径方向に膨張する。所望のブレード先端部のクリアランスを得るために、設計者は、１つ或いは複数の制御“スケジュール”を作成する。飛行条件（例えば、高度や対気速度）及びエンジン出力の設定値などのエンジンの運転条件に応じて調節バルブの位置を操作するために、制御装置がこのスケジュールを用いる。
【０００５】
上述のシステムにおける１つの欠点は、設計者が、種々の運転条件において要求される冷却空気の量を予測しなければならない点である。その際に、設計者はこれらの予測量における必然的な精度を考慮する必要がある。さらに、制御装置は、製造時のばらつきやエンジン系統における個々の部材の異なる劣化の度合いに関係なく、取り付けられる全てのエンジンにおいて作動しなければならない。その結果、ほとんどのエンジンは、大部分の時間、ブレード先端部のクリアランスが最適でない状態で作動する。一般に、設計者は、意図的に、過度に小さいブレード先端部のクリアランスが生じる方向よりもむしろ、過度に大きいブレード先端部のクリアランスが生じる方向に誤差が生じるようにしている。これは、過度に小さいクリアランスは、ある条件下で、結果としてブレード先端部が、タービンケースに接触して損傷してしまうのに対して、クリアランスを過度に大きくすることは、単に結果として効率を低下させるに過ぎないからである。
【０００６】
ブレード先端部のクリアランスを制御する１つの別の方法は、数学的モデルを備えるエンジンの制御装置にプログラムすることであり、これによって制御装置は、エンジンの運転条件に応じて実際のブレード先端部のクリアランスを連続的に予測することができる。これにより、設計者は、予測されたクリアランスと所望のクリアランスとの間の誤差を最小限にする閉ループ制御装置を用いることが可能になる。しかしながら、数学的モデルもまた、設計者が過度に大きいクリアランスを設ける方向に誤差が生じるようにする傾向を受ける。さらに、この数学的モデルによって、制御装置にさらなる計算要求がかかってしまう。
【０００７】
別のシステムが、米国特許第４，３３０，２３４号明細書に記述されており、ブレードの列の半径方向外側の位置においてタービン流路にさらされている開口端部を有するプローブを示している。このプローブは、加圧空気の供給源に接続される。ブレードがこのプローブを通る度に、プローブの圧力が、ブレード先端部のクリアランスの小ささに応じた作用を受ける。このプローブによって検出された作用は、外見上、供給された空気の圧力に付加した断続的な脈圧となる。この特許は、脈動の大きさとブレード先端部のクリアランスとの関係も、この関係の正確性が、エンジン出力の設定値やプローブが供給する圧力などの飛行条件の変化によってどのように影響される可能性があるのかも示していない。開示されたシステムの想定される利点にかかわらず、上述のシステムによって、エンジンに重量、コスト、及び複雑さが確実に加わってしまう。さらに、プローブに供給される加圧空気が、エンジン内部で他の場所から抽出されると、エンジンの効率が損失してしまう。この効率損失は、クリアランス制御システムが改善しようとする効率損失と変わりがない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
エンジンの運転条件に関係なく、正確で信頼性が高く、かつ再現性があるようにブレード先端部のクリアランスを制御できるクリアランス制御システムが必要である。
【０００９】
本発明の１つの実施例によれば、タービンエンジンのブレード先端部のクリアランスを制御する方法は、ブレード先端部のクリアランスを示す脈動しない圧力信号を取得し、実質的にブレード先端部のクリアランスによって影響されることのない別の圧力を検出し、得られた圧力及び検出された圧力の実際の比率を形成し、実際の比率の関数である実際の成分と所望の成分とから誤差を決定し、誤差を小さくするようにクリアランス制御システムの適切な構成要素に指令することを備える。
【００１０】
本発明の種々の実施例における上述の特徴ならびにその他の特徴は、以下の詳細な説明及び添付の図面から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、現代の航空機用ガスタービンエンジンのタービンモジュール１０を示している。タービンモジュール１０は、エンジンの軸１４を囲むタービンケース１２と、この軸１４の周りに回転可能なタービンのハブ１６と、を備える。一連のブレード１８が、ハブ１６から半径方向に突出している。各ブレード１８は、このブレードのハブ１６に固定された根元部分２０と、プラットフォーム２２と、エアフォイル２４と、を備える。このブレードのプラットフォーム２２は、作動流体の流路２８の半径方向内側の境界を画定するように互いに協働している。タービンケース１２の一部とみなしてもよいシュラウド３０によって、流路２８の半径方向外周側の境界が画定される。エアフォイル２４は、流路２８を横切って延びており、このフォイルの先端部は、小さいクリアランスギャップＧによってタービンケース１２から離れている。一連の回転できないステータベーン３２が、ブレード１８の軸方向前方の流路を横切って延びている。エンジンが作動している間、作動流体Ｆの流れは、流路２８を通って流れる。
【００１２】
後部のみが図示されている燃焼器即ちバーナ３４は、タービンモジュール１０の軸方向前方に存在する。バーナ３４は、バーナケース４０によって双方とも囲まれた半径方向内周側のライナ３６と、半径方向外周側のライナ３８と、を備える。静圧プローブなどのセンサ４４によって、外周側のライナ３８とバーナケース４０との間の環状の空間の圧力が検出される。この圧力は、バーナ圧力即ち圧力ＰBと呼ぶ。バーナ圧力の大きさは、高度やエンジン出力の設定値などのエンジンの運転条件における特定の状況による影響を受けるものの、ブレード先端部のクリアランスギャップＧの大きさによる影響を受けることはない。
【００１３】
タービンクリアランス制御システムの一部であるクリアランス制御用のエアダクト４６が、エンジンケース１２を囲っている。エアダクト４６は、このダクト４６とエンジンケース１２との間に蛇行した環状の空間Ｓを空けるように、エンジンケース１２から半径方向にオフセットしている。冷媒の放出穴４８が、ダクト４６の半径方向内側に貫通している。調節バルブ及び制御装置（図示せず）によって、比較的冷たい空気のダクト４６への流入が調節される。冷却空気は、放出穴４８から放出され、前述のクリアランスギャップＧの大きさを制御するためにエンジンケース１２に衝突する。
【００１４】
センサ（例えば、静圧プローブ５０）によって、ブレードのプラットフォーム２２の半径方向内周側ひいては流路２８の半径方向内周側となるキャビティ５２の圧力信号が得られる。この圧力は、キャビティ圧力即ち圧力ＰCと呼ぶ。キャビティ５２が、タービンの流路２８と連通しているので、キャビティ圧力ＰCは、タービン流路２８の圧力ＰTと等しくなるか、或いは予測できる再現性のある量の分だけ圧力ＰTと異なる。また、クリアランスギャップＧが変化すると圧力ＰTが変化するので、圧力ＰCはクリアランスギャップＧの大きさを示す。しかしながら、圧力ＰCは流路２８の外側で測定されるので、この圧力ＰCは、所定の地点を通ってブレード先端部から発生する脈動によって、実質的に乱れることがない脈動しない圧力となる。さらに、圧力ＰCは、流体の流路から得られる圧力信号を損ねる可能性がある別の局部的な流路の作用による影響を受けることはない。このような影響は、圧力信号を、クリアランスギャップＧの指標としては不十分な信号にし得る。これらの作用としては、流路２８を通って流れる作動流体の流れの後流ならびに渦を含む。
【００１５】
図２は、本発明に対応する制御装置のブロック線図である。本発明の方法は、ブレード先端部のクリアランスＧを示す圧力ＰCなどの脈動しない圧力信号を得ることを備える。また、この方法は、実質的にブレード先端部のクリアランスＧによって影響されることのない圧力ＰBなどの圧力の検出を備える。制御装置によって、検出された圧力に対する得られた圧力の実際の比率（ＰC／ＰB）ACTUALが形成される。標準化していない圧力ＰCの値を用いるのではなく、圧力ＰCを圧力ＰBで除算することによってこの圧力ＰCを標準化することが望ましい。標準化していない圧力ＰCの値を用いると、高度と、エンジン出力と、クリアランスギャップとの影響を区別することが困難になる。標準化値（ＰC／ＰB）ACTUALによって、高度及びエンジン出力の影響が効果的に取り除かれる。
【００１６】
また、制御装置は、（ＰC／ＰB）DESIREDとして示されるように、得られた圧力及び検出された圧力（この場合、キャビティ圧力とバーナ圧力）の比率における所望の要求値を用いる。一般的に、所望の比率は、エンジンの運転条件及び出力の設定値の関数として電子制御装置にプログラムされる。また、所望の比率は、少なくとも部分的には、高度、対気速度、或いはエンジン出力の設定値の急な変化などのエンジンに作用する直前の瞬間的な影響の関数となり得る。
【００１７】
制御装置によって、実際の成分及び所望の成分を有する誤差Ｅが決定される。実際の成分は、実際の比率（ＰC／ＰB）ACTUALの関数であり、図２の制御装置のブロック線図では、実際の比率（ＰC／ＰB）ACTUALに等しい。所望の成分は、所望の比率（ＰC／ＰB）DESIREDである。制御装置は、誤差を小さくするようにクリアランス制御システムの装置（例えば、冷却空気のダクト４６への流入を調節するバルブ）に指令を出す。
【００１８】
圧力ＰCはブレード先端部のクリアランスギャップを示すので、上述のシステムが、キャビティ圧力を制御するのではなく、ブレード先端部のクリアランスを制御することが理解できるであろう。図３で示される別の実施例においては、実際の比率（ＰC／ＰB）ACTUALが、実際のブレード先端部のクリアランスＧの推定値Ｃを得るために用いられる。このような推定値は、電子制御装置のメモリ内に符号化された参照テーブルにより作成される。従って、図３では、誤差における実際の成分は、実際の比率（ＰC／ＰB）ACTUALの関数として決定されるクリアランスＣとなる。クリアランスＣの所望の値はＣDである。通常、所望のクリアランスＣDは、エンジンの運転条件及び出力の設定値の関数として制御装置にプログラムされる。また、所望のクリアランスＣDは、少なくとも部分的には、高度、対気速度、或いはエンジン出力の設定値の急な変化などのエンジンに作用する直前の瞬間的な影響の関数となり得る。
【００１９】
図４は、本発明をどのようにして、タービンエンジンの圧縮機のブレード先端部のクリアランスを制御するために用いることができるかを示している。本発明の方法は、圧縮機のブレード先端部のクリアランスを示す圧力Ｐなどの脈動しない圧力信号を得ることと、実質的に圧縮機のブレード先端部のクリアランスによって影響されることのないバーナ圧力ＰBなどの圧力を検出することと、を備える。制御装置によって、検出された圧力に対する得られた圧力の実際の比率（Ｐ／ＰB）ACTUALが形成される。また、制御装置は、（Ｐ／ＰB）DESIREDとして示されるように、得られた圧力及び検出された圧力の比率における所望の値を用いる。所望の比率は、修正されたロータ速度の関数として電子制御装置にプログラムされる。修正されたロータ速度は、圧縮機の回転速度Ｎをθの平方根によって除算したものである。但し、θは、基準となる絶対温度（約５１９Ｒ゜）によって除算されたエンジンの入口部分における絶対よどみ点温度である。また、所望の比率は、少なくとも部分的には、高度、対気速度、或いはエンジン出力の設定値の急な変化などのエンジンに作用する直前の瞬間的な影響の関数となり得る。制御装置によって、実際の成分及び所望の成分を有する誤差Ｅが決定される。実際の成分は、実際の比率（Ｐ／ＰB）ACTUALの関数であり、図４の制御装置のブロック線図では、実際の比率（Ｐ／ＰB）ACTUALに等しい。所望の成分は、所望の比率（Ｐ／ＰB）DESIREDである。制御装置は、誤差を小さくするようにクリアランス制御システムの装置（例えば、冷却空気のダクト４６への流入を調節するバルブ）に指令を出す。
【００２０】
本発明を特定の実施例について示してきたが、添付の請求項において記述した発明から外れることなく、形状や詳細の種々の変更が可能であることを当業者に理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】航空機用ガスタービンエンジンのタービンモジュールの側面断面図。
【図２】図１のタービンにおける先端部のクリアランスを制御する制御装置のブロック線図。
【図３】図１のタービンにおける先端部のクリアランスを制御する別の制御装置のブロック線図。
【図４】図２の線図に類似しているが、圧縮機におけるブレード先端部のクリアランスを制御するように適合したブロック線図。
【図１】
2008537768.tif 000003
【図２】
2008537768.tif 000004
【図３】
2008537768.tif 000005
【図４】
2008537768.tif 000006