JP2013139821A - Blade tip clearance control of aircraft gas turbine engine - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and a system for predicting an engine command that changes the rotation speed of an engine and adjusting, before the command, a blade tip clearance (CL) between rotary blade tips of an aircraft gas turbine engine and a surrounding shroud.SOLUTION: By expanding or shrinking the shroud 72 before the engine command, a step of deciding a time point for starting to adjust the tip clearance (CL) can be included. Data of an aircraft and/or aircraft crew can include communication between the aircraft crew and an air traffic controller or an air traffic control substitute device. The step of deciding the time point for starting to adjust the tip clearance (CL) can include a step of using a learning algorithm capable of using: the operation experience of the aircraft gas turbine engine; and/or the operation experience of the other jet engine of the aircraft including the aircraft gas turbine engine and/or the other aircraft.

Description

本発明は、ロータ及びステータ間の先端間隙を維持するための間隙制御に関し、より具体的には、航空機用ガスタービンエンジンにおけるブレード先端間隙を維持するために使用するそのような方法及びシステムに関する。   The present invention relates to clearance control for maintaining a tip clearance between a rotor and a stator, and more particularly to such a method and system used to maintain a blade tip clearance in an aircraft gas turbine engine.

推力、燃料消費率(SFC)及び排気ガス温度(EGT)マージンのようなエンジン性能パラメータは、タービンブレード先端と該ブレード先端を囲む固定シール又はシュラウドとの間の先端間隙に強く依存している。タービンブレード先端及び固定シール又はシュラウド間の間隙は、該タービンブレード先端及び固定シール又はシュラウド間の摩擦を回避しながら最小にすべきである。これらの先端間隙を最小にすることにおける問題点は、ロータ中心つまりエンジン軸線からのブレード先端長さが、特に過渡運転の間に、シュラウドが膨張又は収縮してブレード長さの変化に適応することができるのよりも異なる速度で成長することである。このことは、ブレード先端がシュラウドに接触する摩擦として知られる状態又は過大な間隙を生じさせ、これが、エンジン性能を低下させまたブレード及びシュラウドの寿命を短縮させるおそれがある。   Engine performance parameters such as thrust, fuel consumption rate (SFC), and exhaust gas temperature (EGT) margin are strongly dependent on the tip clearance between the turbine blade tip and a fixed seal or shroud surrounding the blade tip. The clearance between the turbine blade tip and the stationary seal or shroud should be minimized while avoiding friction between the turbine blade tip and the stationary seal or shroud. The problem with minimizing these tip clearances is that the blade tip length from the rotor center or engine axis, especially during transient operation, the shroud expands or contracts to accommodate blade length changes. Is to grow at a different rate than can be. This creates a condition known as friction where the blade tip contacts the shroud or excessive clearance, which can reduce engine performance and shorten blade and shroud life.

これらの間隙は、ロータ及びステータ構成要素の異なる量及び速度の熱的及び機械的成長によって影響を受ける。機械的成長は、速度に応じて発生する遠心力及び圧力変化によるものである。ブレード及びロータの成長は一般的に、ステータの成長よりも遙かに大きい。ステータの熱的成長は一般的に、ロータの熱的成長よりも大きく、また遙かにより迅速に発生する。ブレードの熱的成長は、三者のうちで最も迅速である。エンジンの過渡及び定常状態運転全体を通して間隙を実施可能な限り緊密に維持しながらこれらの異なる成長を整合させることが、大いに望ましい。   These gaps are affected by thermal and mechanical growth of different amounts and speeds of the rotor and stator components. Mechanical growth is due to centrifugal forces and pressure changes that occur as a function of speed. Blade and rotor growth is generally much larger than stator growth. Stator thermal growth is generally greater than rotor thermal growth and occurs much more rapidly. Blade thermal growth is the fastest of the three. It is highly desirable to match these different growths while keeping the gap as tight as practicable throughout engine transient and steady state operation.

ロータ中心からブレード先端までのブレード長さは、ロータ角速度の二乗に比例して、また温度に線形比例して成長する。これら両作用は、上昇、降下/着陸シーケンスの特定の部分及び回避行動のような操縦に必要となる燃料流量の増大によって生じる。能動間隙制御下においては、シュラウドは、該シュラウド又は該シュラウドが取付けられているタービンケーシングを高温空気内に浸すことによって膨張させられ、或いは該シュラウド又はそのタービンケーシングを低温空気内に浸すことによって収縮させられる。高温又は低温空気は、ロータからのブレード先端長さを温度に線形比例して成長させるのと同じ物理的過程すなわち熱的成長又は収縮によって、シュラウドを線形比例状態で膨張又は収縮させる。   The blade length from the rotor center to the blade tip grows in proportion to the square of the rotor angular velocity and in linear proportion to the temperature. Both of these effects are caused by increased fuel flow required for maneuvers such as climbing, certain parts of the descent / landing sequence and avoidance actions. Under active clearance control, the shroud is expanded by immersing the shroud or the turbine casing to which the shroud is attached in hot air, or shrinking by immersing the shroud or the turbine casing in cold air. Be made. Hot or cold air causes the shroud to expand or contract in a linear proportional state by the same physical process that grows the blade tip length from the rotor in linear proportion to temperature, namely thermal growth or contraction.

これらの異なる成長を整合させるための1つの方法である能動間隙制御は、よく知られた方法であり、この方法は、定常状態かつ高高度巡航条件下において、エンジンファン及び/又は圧縮機からの比較的低温又は高温の空気の流量を調整しかつそれを高圧及び/又は低圧タービンケーシング上に吹き付けて高圧及び低圧タービンブレード先端に対して該ケーシングを収縮させるものである。空気は、ブレード先端の周りにシュラウド又はシールを支持するために使用するフランジ又は擬似フランジのようなその他の固定構造体に向かって流すか又は該固定構造体上に吹き付けることができる。
米国特許第4,230,436号公報 米国特許第4,304,093号公報 米国特許第4,513,567号公報 米国特許第4,856,272号公報 米国特許第4,928,240号公報 米国特許第4,999,991号公報 米国特許第5,005,352号公報 米国特許第5,012,420号公報 米国特許第5,081,830号公報 米国特許第5,088,885号公報 米国特許第5,090,193号公報 米国特許第5,090,193号公報 米国特許第5,205,115号公報 米国特許第6,487,491号公報 米国特許第6,498,978号公報 米国特許第6,868,325号公報 米国特許第6,943,699号公報 米国特許第7,013,239号公報 米国特許第7,043,348号公報 米国特許出願公開第2005/0017876号公報 米国特許出願公開第2005/0144274号公報 米国特許出願公開第2005/0149274号公報 米国特許出願公開第2006/0212281号公報 米国特許出願公開第2007/0101178号公報 2002年10月8〜11日にケーマン諸島のグランドケーマンにおいて開催されたカリブ地域の民間航空管理者の国際民間航空機関第1回会合(CAR/DCA/1)の解説
One method for matching these different growths, active clearance control, is a well-known method, which can be achieved from engine fans and / or compressors under steady state and high altitude cruise conditions. The flow of relatively cold or hot air is adjusted and blown onto the high and / or low pressure turbine casing to shrink the casing relative to the high and low pressure turbine blade tips. Air can flow or be blown onto other fixed structures such as flanges or pseudo-flanges used to support a shroud or seal around the blade tip.
U.S. Pat. No. 4,230,436 U.S. Pat. No. 4,304,093 U.S. Pat. No. 4,513,567 U.S. Pat. No. 4,856,272 U.S. Pat. No. 4,928,240 US Patent No. 4,999,991 US Patent No. 5,005,352 US Pat. No. 5,012,420 US Pat. No. 5,081,830 US Pat. No. 5,088,885 US Patent No. 5,090,193 US Patent No. 5,090,193 US Pat. No. 5,205,115 US Pat. No. 6,487,491 US Pat. No. 6,498,978 US Pat. No. 6,868,325 US Pat. No. 6,943,699 US Patent No. 7,013,239 US Pat. No. 7,043,348 US Patent Application Publication No. 2005/0017876 US Patent Application Publication No. 2005/0144274 US Patent Application Publication No. 2005/0149274 US Patent Application Publication No. 2006/0212281 US Patent Application Publication No. 2007/0101178 Commentary on the 1st International Civil Aviation Organization (CAR / DCA / 1) Meeting of Caribbean Civil Aviation Administrators held at Grand Cayman, Cayman Islands, October 8-11, 2002

飛行中に航空機用ガスタービンエンジンにおける回転ブレード先端と周囲シュラウドとの間のブレード先端間隙を調整する方法は、例えば上昇のようなエンジン回転速度を変更するエンジンコマンドを予測してかつ該コマンド以前に先端間隙を変更する。先端間隙を変更することは、エンジンコマンドの徴候を示す監視航空機及び/又は航空機乗員データに基づくことができる。航空機及び/又は航空機乗員データは、航空機乗員と航空交通管制官又は航空交通管制代行装置との間の通信を含むことができる。   A method for adjusting a blade tip clearance between a rotating blade tip and a surrounding shroud in an aircraft gas turbine engine during flight predicts an engine command that changes engine rotational speed, such as ascent, and before that command Change the tip clearance. Changing the tip clearance can be based on monitored aircraft and / or aircraft occupant data indicating signs of engine commands. Aircraft and / or aircraft occupant data may include communications between the aircraft occupant and an air traffic controller or air traffic controller.

本方法は、エンジン回転速度を変更するエンジンコマンド以前の期間にシュラウドを膨張又は収縮させることによって先端間隙を調整し始める時点を決定するステップを含むことができる。学習アルゴリズムを使用して、先端間隙を調整し始める時点を修正することができる。学習アルゴリズムのために、そのエンジンの運転経験及び/又は他のジェットエンジンの運転経験を使用することができる。その他のジェットエンジンは、その航空機用ガスタービンエンジンを含む航空機の及び/又は他の航空機のものとすることができる。   The method may include determining when to begin adjusting the tip clearance by inflating or deflating the shroud during a period prior to the engine command to change engine speed. A learning algorithm can be used to correct the point in time when the tip gap begins to be adjusted. For the learning algorithm, the engine operating experience and / or other jet engine operating experience can be used. The other jet engines may be those of the aircraft that includes the aircraft gas turbine engine and / or other aircraft.

先端間隙を調整し始める時点を決定するために、統計的方法を使用することができる。この統計的方法は、統計的方法、相関法、多変量統計プロセス解析法、及びパターン認識法から成る群から選ぶことができる。この統計的方法、ベイズ決定理論、ニューラルネットワーク、ファジイ論理、パルゼンウインドウ、最近傍分類、隠れマルコフモデル、線形及び非線形判別解析、マルコフ確率場、ボルツマン学習、分類及び回帰ツリー、並びに多変量適応回帰から成る群から選ばれたパターン認識法とすることができる。   Statistical methods can be used to determine when to begin adjusting the tip gap. The statistical method can be selected from the group consisting of statistical methods, correlation methods, multivariate statistical process analysis methods, and pattern recognition methods. This statistical method, Bayesian decision theory, neural network, fuzzy logic, Parzen window, nearest neighbor classification, hidden Markov models, linear and nonlinear discriminant analysis, Markov random fields, Boltzmann learning, classification and regression trees, and multivariate adaptive regression A pattern recognition method selected from the group consisting of:

本方法は、所望のブレード先端間隙をスケジュールするために使用する能動間隙制御流れモデルに優先するものとして使用することができる。   The method can be used as an override to the active gap control flow model used to schedule the desired blade tip gap.

本発明の上記の態様及びその他の特徴は、添付図面に関連して行う以下の記述において説明する。   The above aspects and other features of the invention are described in the following description, taken in conjunction with the accompanying drawings.

図1に断面で概略的に示すのは、能動間隙制御システム12を備えた、GE CFM56シリーズエンジンのような航空機用ガスタービンエンジン10の例示的な実施形態である。エンジン10は、下流方向直列流れ関係で、ファン14を含むファンセクション13、ブースタ又は低圧圧縮機(LPC)16、高圧圧縮機(HPC)18、燃焼セクション20、高圧タービン(HPT)22、並びに低圧タービン(LPT)24を有する。エンジン軸線8の周りに配置された高圧シャフト26は、HPT22をHPC18に対して駆動連結し、また低圧シャフト28は、LPT24をLPC16及びファン14に対して駆動連結する。HPT22は、HPTロータ30を含み、HPTロータ30は、その周辺部に取付けられたタービンブレード34を有する。ブレード34は、翼形部37を含み、翼形部37は、図2に示すようにブレードプラットフォーム39からブレード34及び翼形部37の半径方向外側ブレード先端82まで半径方向外向きに延びる。   Shown schematically in cross-section in FIG. 1 is an exemplary embodiment of an aircraft gas turbine engine 10, such as a GE CFM56 series engine, with an active clearance control system 12. The engine 10 is in a downstream serial flow relationship, including a fan section 13 including a fan 14, a booster or low pressure compressor (LPC) 16, a high pressure compressor (HPC) 18, a combustion section 20, a high pressure turbine (HPT) 22, and a low pressure. It has a turbine (LPT) 24. A high pressure shaft 26 disposed around the engine axis 8 drives the HPT 22 to the HPC 18 and a low pressure shaft 28 drives the LPT 24 to the LPC 16 and the fan 14. The HPT 22 includes an HPT rotor 30 that has turbine blades 34 attached to its periphery. The blade 34 includes an airfoil 37 that extends radially outward from the blade platform 39 to the radially outer blade tip 82 of the blade 34 and airfoil 37 as shown in FIG.

中段空気供給源100及び高段空気供給源102(一般的に、CFM56型エンジンでは、HOC18のそれぞれ第4段及び第9段から空気を引き出す)が、熱制御用空気36のための供給源として使用され、熱制御用空気36は、それぞれ第1及び第2の熱制御用空気供給管110、112を通して、その全体を参照符号21で示したタービンブレード間隙制御装置に対して供給される。熱制御用空気36の温度は、中段空気供給源100及び高段空気供給源102から抽気される空気の量をそれぞれ中段及び高段空気弁106、108で調整することによって制御される。分配マニホルドシステム50が、高圧タービン22を囲む。マニホルドシステム50は、図1及び図2に示すようにエンジン軸線8の周りを囲む複数の環状スプレー管60に対して熱制御用空気36を分配する。   Middle air supply 100 and high air supply 102 (generally for CFM56 engines draw air from the fourth and ninth stages of HOC 18 respectively) as a source for heat control air 36. Used, the thermal control air 36 is supplied to a turbine blade clearance control device generally indicated by reference numeral 21 through first and second thermal control air supply pipes 110 and 112, respectively. The temperature of the heat control air 36 is controlled by adjusting the amounts of air extracted from the middle stage air supply source 100 and the higher stage air supply source 102 by the middle stage and high stage air valves 106 and 108, respectively. A distribution manifold system 50 surrounds the high pressure turbine 22. The manifold system 50 distributes the heat control air 36 to a plurality of annular spray tubes 60 surrounding the engine axis 8 as shown in FIGS.

エンジン軸線8(ロータ中心)からブレード先端82まで測定した図2に示すブレード半径Rの成長速度を表した時定数及びシュラウド72の膨張又は収縮の成長速度を表した時定数は、ブレード半径Rが温度に対して一層速い応答性を示す場合に顕著に異なる。本明細書に開示するのは、エンジン過渡状態以前の期間DTにシュラウドの膨張又は収縮を開始させるためにエンジン過渡状態の開始を予測するための方法及びシステムであり、エンジン過渡状態は一般的に、燃料流量及びコアロータ速度N2の増大又は減少を伴う。本方法は、ブレードの伸長よりも速くシュラウドを膨張させるように設計され、それによってブレード先端と周囲シュラウドとの間の先端間隙を依然として可能な限り小さく維持しながら摩擦の発生可能性を減少させ、それによって高いエンジン燃料効率を得る。   The time constant representing the growth rate of the blade radius R shown in FIG. 2 measured from the engine axis 8 (rotor center) to the blade tip 82 and the time constant representing the growth rate of expansion or contraction of the shroud 72 are as follows. This is markedly different when it shows a faster response to temperature. Disclosed herein is a method and system for predicting the onset of engine transients to initiate shroud expansion or contraction during a period DT prior to engine transients, where engine transients are generally With increasing or decreasing fuel flow and core rotor speed N2. The method is designed to inflate the shroud faster than the extension of the blade, thereby reducing the likelihood of friction while still maintaining the tip clearance between the blade tip and the surrounding shroud as small as possible, Thereby, high engine fuel efficiency is obtained.

図2に示すのは、前方及び後方ケースフック68、70によってHPT22の半径方向外側ケーシング66に取付けられた第1のタービンステータ組立体64である。ステータ組立体64は、環状分割形ステータシュラウド72を含み、このステータシュラウド72は、前方及び後方シュラウドフック74、76によって第1のタービンステータ組立体64の環状分割形シュラウド支持体80に対して取付けられたシュラウドセグメント77を有する。シュラウド72は、ロータ30のタービンブレード34のブレード先端82を囲み、流れがブレード先端82の周りで漏れるのを減少させる助けをする。特にエンジン10の巡航運転の間にブレード先端82及びシュラウド72間の半径方向ブレード先端間隙CLを最小にするために、能動間隙制御システム12が使用される。   Shown in FIG. 2 is a first turbine stator assembly 64 attached to the radially outer casing 66 of the HPT 22 by front and rear case hooks 68, 70. The stator assembly 64 includes an annular split stator shroud 72 that is attached to the annular split shroud support 80 of the first turbine stator assembly 64 by front and rear shroud hooks 74, 76. Shroud segment 77. The shroud 72 surrounds the blade tip 82 of the turbine blade 34 of the rotor 30 and helps reduce flow leakage around the blade tip 82. In particular, the active clearance control system 12 is used to minimize the radial blade tip clearance CL between the blade tip 82 and the shroud 72 during cruise operation of the engine 10.

熱制御用空気は、前方及び後方熱制御リング84、86に衝突しかつそれらの上を流れ、従ってタービンブレード先端間隙CLを制御する。シュラウドセグメント77は、前方及び後方熱制御リング84、86によって半径方向外側で支持され、従って熱制御リング84、86が冷却された時に半径方向内向きに移動し、また熱制御リング84、86が加熱された時に半径方向外向きに移動する。能動間隙制御はまた、ステータシュラウドを支持する外側又は内側タービンケーシング上に熱制御用空気すなわち一般的には冷却空気を吹き付けるか又は衝突させることによって行うことができる。   Thermal control air impinges on and flows over the front and rear thermal control rings 84, 86, thus controlling the turbine blade tip clearance CL. The shroud segment 77 is supported radially outward by the front and rear thermal control rings 84, 86 and thus moves radially inward when the thermal control rings 84, 86 are cooled, and the thermal control rings 84, 86 are Moves radially outward when heated. Active clearance control can also be accomplished by blowing or impinging thermal control air, typically cooling air, on the outer or inner turbine casing that supports the stator shroud.

中段及び高段空気弁106、108並びに図2に示すタービンブレード先端間隙CLを制御するために衝突させる熱制御用空気36の量は、図1に示すコントローラ48によって制御される。本明細書に示す能動間隙制御システム12の例示的な実施形態では、熱制御用空気36は、加熱用空気又は冷却用空気のいずれかである。本明細書では、コントローラ48は、しばしば全自動デジタルエンジン制御装置(FADEC)と呼ばれるデジタル電子エンジン制御システムとして示している。コントローラ48は、所望に応じて前方及び後方熱制御リング84、86に衝突させる熱制御用空気36の量及び温度を制御して、タービンブレード先端間隙CLを制御する。   The amount of heat control air 36 that is impinged to control the middle and high stage air valves 106, 108 and the turbine blade tip clearance CL shown in FIG. 2 is controlled by the controller 48 shown in FIG. In the exemplary embodiment of the active gap control system 12 shown herein, the thermal control air 36 is either heating air or cooling air. Herein, the controller 48 is shown as a digital electronic engine control system, often referred to as a fully automatic digital engine controller (FADEC). The controller 48 controls the turbine blade tip clearance CL by controlling the amount and temperature of the thermal control air 36 that impinges on the front and rear thermal control rings 84, 86 as desired.

以下においてはACC流れモデル92と呼ぶアルゴリズム又は数理計算能動間隙制御流れモデルが、タービンブレード先端間隙CLを制御するために使用され、コントローラ48内に記憶されかつコントローラ48内で実行される。ACC流れモデル92は、エンジン運転パラメータ及びエンジンの様々な部品の物理特性に基づいている。コントローラ48は、計算ACC流れモデル92に基づいて中段及び高段空気弁106、108に弁位置信号を送信して、熱制御用空気36の総量を制御する。これらの空気弁は、弁位置信号に従って徐々に開放される。   An algorithm or mathematically active gap control flow model, referred to below as ACC flow model 92, is used to control turbine blade tip gap CL, stored in controller 48 and executed in controller 48. The ACC flow model 92 is based on engine operating parameters and physical characteristics of various parts of the engine. The controller 48 sends valve position signals to the middle and high stage air valves 106, 108 based on the calculated ACC flow model 92 to control the total amount of heat control air 36. These air valves are gradually opened according to the valve position signal.

本明細書に示す例示的な実施形態では、ACC流れモデル92は、リアルタイム又は瞬間ブレード先端間隙CLを計算又は測定する。このブレード先端間隙は、本明細書では瞬間間隙と呼ぶことにする。間隙モデルプログラムCLMは、エンジンが始動した後にFADECのバックグラウンドとして実行される。瞬間ブレード先端間隙CLを計算することは、しばしば合成と呼ばれ、一般的にエンジンの様々な部品の物理特性を含む第1のエンジン運転パラメータの組に基づいている。第1のエンジン運転パラメータの組には一般的に、それに限定されないがロータ及びステータ時定数、測定コアロータ速度N2、空気流量、温度及び圧力、スロットル操作後の時間、並びに高度が含まれる。瞬間ブレード先端間隙はまた、合成又は計算する代わりに測定することもでき、或いは測定及び計算方法の両方の組合せとすることもできる。   In the exemplary embodiment shown herein, the ACC flow model 92 calculates or measures real-time or instantaneous blade tip clearance CL. This blade tip gap is referred to herein as the instantaneous gap. The gap model program CLM is executed as a background of FADEC after the engine is started. Calculating the instantaneous blade tip clearance CL is often referred to as synthesis and is generally based on a first set of engine operating parameters including the physical characteristics of various parts of the engine. The first set of engine operating parameters generally includes, but is not limited to, rotor and stator time constants, measured core rotor speed N2, air flow rate, temperature and pressure, time after throttle operation, and altitude. The instantaneous blade tip clearance can also be measured instead of being synthesized or calculated, or it can be a combination of both measurement and calculation methods.

本明細書では要求間隙DCLと呼ぶ所望のブレード先端間隙のスケジュールは、システム内に記憶される。要求間隙DCLはまた、エンジンの様々な部品の物理特性を含む第2のエンジン運転パラメータの組に基づいて間隙モデルプログラムCLMによって計算又は決定することもできる。要求間隙DCLは、摩擦及び該摩擦の影響を回避しながら燃料消費量を最少にし、かつ摩擦の全体的及び累積的な悪影響を最少にするように設定される。本明細書では動的間隙知能システム(DYCIS)として示す例示的な動的ブレード先端間隙システムが、ブレード間隙CLの設定を向上させるために使用される。DYCISは、変化する運転条件下においてブレード先端間隙を最適に制御することによって、タービン高温セクションにおけるブレード先端82と該ブレードを囲むシュラウド72との間のブレード先端間隙CLを制御するのを助ける状態ベースの動的確率システムである。本明細書に開示したDYCISの例示的な実施形態は、コントローラ48内に記憶されかつ該コントローラ48内で実行される。それは、タービンブレード先端間隙CLを制御するために使用するACC流れモデル92の一部とすることができ、またそれは、ACC流れモデル92に優先する又は本明細書で要求間隙DCLと呼ぶ所望のブレード先端間隙のスケジュールに優先する形態のものとすることができる。   The desired blade tip clearance schedule, referred to herein as the required clearance DCL, is stored in the system. The required gap DCL can also be calculated or determined by the gap model program CLM based on a second set of engine operating parameters including physical characteristics of various parts of the engine. The required gap DCL is set to minimize fuel consumption while avoiding friction and the effects of friction, and to minimize the overall and cumulative adverse effects of friction. An exemplary dynamic blade tip clearance system, shown herein as a dynamic clearance intelligence system (DYCIS), is used to improve the blade clearance CL setting. DYCIS helps to control the blade tip clearance CL between the blade tip 82 and the shroud 72 surrounding the blade in the turbine hot section by optimally controlling the blade tip clearance under varying operating conditions. It is a dynamic probability system. The exemplary embodiment of DYCIS disclosed herein is stored in and executed within the controller 48. It can be part of the ACC flow model 92 that is used to control the turbine blade tip clearance CL, and it overrides the ACC flow model 92 or is referred to herein as the desired clearance DCL. It may be of a form that takes precedence over the tip clearance schedule.

コントローラ48内に記憶されたものとして示した予測ブレード先端間隙制御方法94は、能動間隙制御システムのために使用することができる。予測ブレード先端間隙制御方法94は、周囲シュラウド72及びブレード先端間隙CLを上昇時の加速のようなエンジン過渡状態の間に摩擦を回避するか又は該摩擦の影響を最少にするように制御するのに十分な時間内に、エンジン過渡状態の開始を予測しかつ熱制御用空気36を調整する。予測ブレード先端間隙制御方法94は、DYCISの一部とすることができる。   Predictive blade tip clearance control method 94, shown as stored in controller 48, can be used for an active clearance control system. Predictive blade tip clearance control method 94 controls ambient shroud 72 and blade tip clearance CL to avoid or minimize the effects of friction during engine transients such as acceleration during ascent. Within a sufficient amount of time to predict the onset of engine transient and adjust the thermal control air 36. The predictive blade tip clearance control method 94 can be part of DYCIS.

DYCISは、周囲シュラウド72を調整しかつ摩擦を回避するか又は該摩擦の影響を最少にするのに十分な時間内に、ブレード先端間隙の変更を開始すべき時点を予測する。DYCISはまた、本明細書では要求間隙DCLとして示す必要な又は所望のブレード先端間隙を決定するために使用することもできる。図5に概略的に示すDYCIS116は、能動間隙制御のためにセンサからのデータを解析してエンジン及び航空機に関連する性能データを生成する統計的方法をデータ解析モジュール130内に含む。データを使用して能動間隙制御システムの作動についてエンジン及び航空機の運転状態の直接的洞察を行って、DYCISが結論を引き出し、また過渡及び非過渡エンジン運転の間に所望のブレード先端間隙を維持しかつ非過渡エンジン運転の間にエンジンの燃料効率を最大にしながら摩擦又は該摩擦の影響を最小にするための適正な措置を取ることを可能にする。   DYCIS predicts when the blade tip clearance change should begin within a time sufficient to adjust the peripheral shroud 72 and avoid or minimize the effects of friction. DYCIS can also be used to determine the necessary or desired blade tip clearance, shown herein as required clearance DCL. The DYCIS 116 shown schematically in FIG. 5 includes a statistical method within the data analysis module 130 that analyzes data from sensors for active clearance control to generate performance data associated with the engine and aircraft. Data is used to provide direct insight into engine and aircraft operating conditions for the operation of the active clearance control system, DYCIS draws conclusions, and maintains the desired blade tip clearance during transient and non-transient engine operation. And allows appropriate measures to be taken to minimize friction or the effects of friction while maximizing engine fuel efficiency during non-transient engine operation.

データ解析モジュール130は、エンジン過渡状態を予測してブレード先端間隙CLを調整するための実施可能な結論をデータから引き出す少なくとも1つの統計的手法又は方法を使用する。当技術分野においては、数多くの統計的解析方法が知られており、これら方法には、それに限定されないが、相関法、多変量統計プロセス解析法、及びパターン認識法が含まれる。当技術分野においては、幾つかのパターン認識法が知られており、データ解析のためにデータ解析モジュール130で使用するのに適している。これらの方法には、それに限定されないが、ベイズ決定理論、ニューラルネットワーク、ファジイ論理、パルゼンウインドウ、最近傍分類、隠れマルコフモデル、線形及び非線形判別解析、マルコフ確率場、ボルツマン学習、分類及び回帰ツリー、並びに多変量適応回帰が含まれる。本明細書に示すデータ解析モジュール130の例示的な実施形態は、必要な又は所望のブレード先端間隙を決定するためにマルコフ連鎖構造を採用している。   The data analysis module 130 uses at least one statistical technique or method that derives feasible conclusions from the data to predict engine transients and adjust the blade tip clearance CL. Numerous statistical analysis methods are known in the art and include, but are not limited to, correlation methods, multivariate statistical process analysis methods, and pattern recognition methods. Several pattern recognition methods are known in the art and are suitable for use in the data analysis module 130 for data analysis. These methods include, but are not limited to, Bayesian decision theory, neural networks, fuzzy logic, Parzen windows, nearest neighbor classification, hidden Markov models, linear and nonlinear discriminant analysis, Markov random fields, Boltzmann learning, classification and regression trees As well as multivariate adaptive regression. The exemplary embodiment of the data analysis module 130 shown herein employs a Markov chain structure to determine the necessary or desired blade tip clearance.

マルコフ連鎖構造は、複数の状態140を含む。モジュール130の出力は、間隙制御モジュール150に入力され、この間隙制御モジュール150は、間隙モデルプログラムCLM内に、本明細書では要求間隙DCLと呼ぶ所望のブレード先端間隙のスケジュールを含む。複数のエンジンセンサ120(1)〜120(M)が、モジュール130内のマルコフ連鎖構造への第2の監視エンジンパラメータの組の入力を提供する。DYCIS制御アルゴリズムは、可動部品の弾性的かつ熱力学的特性を組入れている。DYCISはまた、ベイズ学習アルゴリズムを利用しており、周囲シュラウド72及びブレード先端間隙CLを調整しかつ摩擦を回避するか又は該摩擦の影響を最少にするのに十分な時間内に、熱制御用空気36を調整すべき時点をそれ自体の経験及び他のエンジンの経験から動的に学習することができる。DYCISはまた、巡航のような定常状態エンジン運転の間及び上昇のような過渡エンジン運転の間の両方に対して如何なるブレード先端間隙CLを設定すべきかをそれ自体の経験及び他のエンジンの経験から動的に学習して、エンジン燃料効率を最大にしかつ摩擦を回避するか又は該摩擦の影響を最少にするように利用することもできる。   The Markov chain structure includes a plurality of states 140. The output of module 130 is input to a gap control module 150, which includes in the gap model program CLM a schedule of the desired blade tip gap, referred to herein as the required gap DCL. A plurality of engine sensors 120 (1)-120 (M) provide input of a second set of monitored engine parameters to the Markov chain structure in module 130. The DYCIS control algorithm incorporates the elastic and thermodynamic properties of moving parts. DYCIS also utilizes a Bayesian learning algorithm that adjusts the surrounding shroud 72 and blade tip clearance CL and for thermal control within a time sufficient to avoid or minimize the effects of friction. The time at which the air 36 should be adjusted can be learned dynamically from its own experience and experience with other engines. DYCIS also knows from its own experience and other engine experience what blade tip clearance CL should be set both during steady state engine operation such as cruise and transient engine operation such as climbing. It can also be used to learn dynamically to maximize engine fuel efficiency and avoid or minimize the effects of friction.

モジュール130内のマルコフ連鎖構造への監視エンジンパラメータ入力として使用する第2のエンジン運転パラメータ及び/又は物理特性の組には、それに限定されないが、測定コアロータ速度N2、周囲条件における総空気温度TAT、高度、圧縮機吐出静圧PS3、可変ステータベーン角度設定値(例えば、高圧圧縮機における)、ファン速度N1、排気ガス温度EGT、ファン入口総温度T12、ファン入口総圧力PT2、圧縮機入口温度T25、燃料流量、長手方向加速度、垂直方向加速度、EGT超過表示、及びリアルタイム又は瞬間ブレード先端間隙CLが含まれる。   The second set of engine operating parameters and / or physical characteristics used as monitoring engine parameter inputs to the Markov chain structure in module 130 include, but are not limited to, measured core rotor speed N2, total air temperature TAT at ambient conditions, Altitude, compressor discharge static pressure PS3, variable stator vane angle set value (for example, in high pressure compressor), fan speed N1, exhaust gas temperature EGT, fan inlet total temperature T12, fan inlet total pressure PT2, compressor inlet temperature T25 , Fuel flow, longitudinal acceleration, vertical acceleration, EGT excess indication, and real-time or instantaneous blade tip clearance CL.

複数の航空機センサ122(1)〜122(N)が、モジュール130内のマルコフ連鎖構造への監視航空機表示器パラメータの組の入力を提供する。監視航空機表示器パラメータの組には、必ずしもそれに限定されないが、操縦士又はその他の乗員が自分のマイクロフォンで話した時点を表示するプッシュツートーク(PPT)信号のような航空機乗員データを含むことができる。監視航空機表示器パラメータの組にはまた、航空機がその飛行中に経験しつつある環境条件、出発地及び目的地、飛行計画、機体及びエンジン識別名、乗員識別名のような個別飛行情報、湿度、大気浮遊塵埃、並びに乱気流表示のような他の航空機からのデータを含むことができる。DYCISは、マルコフ連鎖構造内でこれらのパラメータの1つ又はそれ以上を使用して、必要な又は所望のブレード先端間隙を決定することができる。   A plurality of aircraft sensors 122 (1)-122 (N) provide input of a set of monitored aircraft indicator parameters to the Markov chain structure within module 130. The set of monitored aircraft indicator parameters may include, but is not necessarily limited to, aircraft occupant data such as push-to-talk (PPT) signals that indicate when a pilot or other occupant speaks on his microphone. it can. The set of monitored aircraft indicator parameters also includes the environmental conditions that the aircraft is experiencing during its flight, origin and destination, flight plan, airframe and engine identification, individual flight information such as occupant identification, humidity , Airborne dust, and data from other aircraft such as turbulence displays. DYCIS can use one or more of these parameters in a Markov chain structure to determine the necessary or desired blade tip clearance.

瞬間ブレード先端間隙CLは一般的に、現在の間隙として使用されかつ要求間隙DCLと絶えず比較され、またこれら2つの間隙が本質的に一致するまで、中段及び高段空気弁106、108が反復方式で調整される。ブレード先端間隙を設定しかつ本明細書に開示した能動間隙制御システム12を作動させるための予測ブレード先端間隙制御方法及びシステムは、エンジン及び/又は航空機の運転条件における変化を予測し、一過性エンジン運転を予測してかつ該一過性エンジン運転以前に間隙を調整する。予測ブレード先端間隙制御方法及びシステムは、DYCIS又は能動間隙制御システム内に含むことができる。   The instantaneous blade tip gap CL is generally used as the current gap and is constantly compared with the required gap DCL, and the middle and high stage air valves 106, 108 are iterative until the two gaps essentially match. It is adjusted with. A predictive blade tip clearance control method and system for setting blade tip clearance and operating the active clearance control system 12 disclosed herein predicts changes in engine and / or aircraft operating conditions and is transient The engine operation is predicted and the gap is adjusted before the transient engine operation. Predictive blade tip clearance control methods and systems can be included in DYCIS or active clearance control systems.

先端間隙にとって最も重要な一過性エンジン運転は、第1及び第2の巡航高度A1、A2間での航空機の上昇について図3及び図4に示すようにそれぞれ航空機の上昇及び降下の間におけるエンジンの加速及び減速である。エンジン加速及び航空機上昇を予測してかつ該エンジン加速及び航空機上昇以前に先端間隙を変更し始めることによって、巡航条件の間により小さな先端間隙を維持し、従ってエンジン効率を改善しかつエンジン燃料消費率(SFC)を向上させることができる。巡航先端間隙は、可能な限り小さいが、エンジン加速及び航空機上昇の間のような一過性エンジン運転の間における摩擦を回避するのに十分な大きさに設定される。現在の能動間隙制御システムは、該システムが上に列記したもののようなエンジン運転パラメータの変化を検出した時に先端間隙を変更し始める。エンジン加速及び航空機上昇を予測してかつ該エンジン加速及び航空機上昇以前に先端間隙を変更し始めることによって、依然として巡航条件の間により小さな先端間隙で運転しながら、なおも摩擦を回避するか又は最少にすることができる。   The most important transient engine operation for the tip clearance is the engine during the ascent and descent of the aircraft as shown in FIGS. 3 and 4 for the ascent of the aircraft between the first and second cruising altitudes A1 and A2. Acceleration and deceleration. By predicting engine acceleration and aircraft lift and starting to change the tip clearance before the engine acceleration and aircraft lift, maintain a smaller tip clearance during cruise conditions, thus improving engine efficiency and engine fuel consumption (SFC) can be improved. The cruise tip clearance is as small as possible, but is set large enough to avoid friction during transient engine operation, such as during engine acceleration and aircraft ascent. Current active clearance control systems begin to change the tip clearance when they detect changes in engine operating parameters such as those listed above. By predicting engine acceleration and aircraft lift and starting to change the tip clearance before the engine acceleration and aircraft lift, friction is still avoided or minimized while still operating with a smaller tip clearance during cruise conditions. Can be.

モジュール130内のマルコフ連鎖構造は、複数の状態に特徴がある。この複数の状態における各状態は、その状態に関連する推移確率の表を有する。従って、存在する状態の数と同様に多くの推移確率表が存在する。特定の状態に対応する推移表内の記入項目は、マルコフ連鎖が時間tにおいてその特定の状態にある場合には、マルコフ連鎖が時間t+Δtにおいてそれに移行することになる状態の確率を与える。移行表中の確率は、履歴データから決定され、また様々な飛行にわたって学習したデータを組入れることにより経時的に一層正確なものにすることができる。履歴データは、特定のマルコフ連鎖に関連するエンジンの飛行からのものとすることができ、或いは履歴データは、同一航空機上の及び/又は他の航空機上のエンジンからのものとすることができる。履歴データには、航空機及び/又はその乗員と地上又は他の航空機との間の通信のような航空機データを含むことができる。   The Markov chain structure in the module 130 is characterized by a plurality of states. Each state in the plurality of states has a table of transition probabilities associated with that state. Therefore, there are as many transition probability tables as there are states. The entry in the transition table corresponding to a particular state gives the probability of the state that if the Markov chain is in that particular state at time t, the Markov chain will transition to it at time t + Δt. Probabilities in the transition table are determined from historical data and can be made more accurate over time by incorporating data learned over various flights. The historical data can be from engine flight associated with a particular Markov chain, or the historical data can be from engines on the same aircraft and / or on other aircraft. The historical data may include aircraft data such as communications between the aircraft and / or its crew and the ground or other aircraft.

図6に、2エンジン付き(双発)航空機の飛行をグラフ図で示しており、このグラフでは、秒で表した飛行時間に対して高度をフィートで表している。図6のグラフは、共通の特徴を示す時間セグメント又は隣合う期間に関して飛行を表すことができることを示している。グラフ210は、上昇、巡航及び降下として識別される少なくとも3つのそのようなセグメントを示しており、これら3つのセグメントの内で最も長いのは巡航である。グラフ220は、2エンジン付き航空機の左側エンジンについてのタービンコア速度N2を%の単位で示している。N2は、巡航セグメント全体にわたって比較的一定つまり不変であることに注目されたい。グラフ230は、2エンジン付き航空機の左側エンジンについての排気ガス温度EGTを℃で表している。EGTもまた、巡航セグメント全体にわたって比較的一定つまり不変であることに注目されたい。   FIG. 6 is a graphical representation of the flight of a two-engine (twin engine) aircraft, where the altitude is expressed in feet relative to the flight time in seconds. The graph of FIG. 6 shows that a flight can be represented in terms of time segments or adjacent time periods that exhibit common features. Graph 210 shows at least three such segments identified as ascending, cruise and descent, the longest of these three segments being cruise. Graph 220 shows turbine core speed N2 for the left engine of a two-engine aircraft in percent. Note that N2 is relatively constant or unchanged throughout the cruise segment. The graph 230 represents the exhaust gas temperature EGT in degrees Celsius for the left engine of an aircraft with two engines. Note that the EGT is also relatively constant or unchanged throughout the cruise segment.

タービンブレード先端間隙CLは、巡航セグメントの間にはEGT又はN2における過渡的挙動つまり比較的急激な変化がないので小さくすることができる。EGT又はN2における過渡的挙動つまり比較的急激な変化は、ロータに対するブレード先端成長の速度を示す時定数よりも急速には発生しないようである。従って、上昇セグメント以前に、比較的高温の熱制御用空気36を流してシュラウド72を加熱することによって該シュラウド72を膨張させて、エンジン軸線8からブレード先端82まで測定されるブレードの成長に適応しかつ摩擦を回避することができる。航空機が運転している飛行セグメントの認識及び航空機が1つの飛行セグメントから他の飛行区セグメントに移行することになる時点の予測可能性は、DYCIS内の能動間隙制御プロトコルを決定する上で重要である。マルコフ連鎖構造の状態及びそれらの推移確率は、移行のためにDYCISによって設定されるタービンブレード先端間隙CLを決定する。本明細書に示すACCシステムの場合のタービンブレード先端間隙CLは、要求間隙DCLである。   The turbine blade tip clearance CL can be reduced because there is no transient behavior in the EGT or N2, i.e. a relatively abrupt change during the cruise segment. Transient behavior in EGT or N2, i.e. a relatively abrupt change, does not appear to occur more rapidly than the time constant indicating the rate of blade tip growth relative to the rotor. Thus, prior to the ascending segment, the shroud 72 is expanded by flowing a relatively hot thermal control air 36 to heat the shroud 72 to accommodate blade growth measured from the engine axis 8 to the blade tip 82. And friction can be avoided. The recognition of the flight segments that the aircraft is driving and the predictability of when the aircraft will transition from one flight segment to another are important in determining the active clearance control protocol within DYCIS. is there. The state of the Markov chain structure and their transition probabilities determine the turbine blade tip clearance CL set by DYCIS for transition. The turbine blade tip clearance CL for the ACC system shown herein is the required clearance DCL.

所定の飛行セグメントは、該飛行セグメントに関係した安定性の尺度を有する。安定性は、近未来予測可能性を意味すると解すべきである。特定のセグメント内で、エンジン軸線8(ロータ中心)からブレード先端82まで測定したブレード半径Rの最大値が正確に予測できる場合には、その特定のセグメントは、安定であると言われる。図6に示す飛行の巡航セグメントは、EGT及びコア速度N2に小さな変化しかないので、比較的安定であると思われる。上昇セグメントは、EGT及びN2が幾分かの変化を示しており、従って巡航セグメントと同じ程に安定であるとは思われない。しかし、EGT及びN2における変化は、セグメントを必ずしも不安定にするとは限らない。   A given flight segment has a measure of stability associated with the flight segment. Stability should be understood to mean near-future predictability. A particular segment is said to be stable if the maximum value of the blade radius R measured from the engine axis 8 (rotor center) to the blade tip 82 can be accurately predicted within that particular segment. The cruise segment of the flight shown in FIG. 6 appears to be relatively stable because there are only small changes in EGT and core speed N2. The rising segment does not appear to be as stable as the cruise segment, with EGT and N2 showing some change. However, changes in EGT and N2 do not necessarily make the segment unstable.

安定性を決定することは、予測可能性に基づいており、また予測可能性は、以下の3つのデータの組に基づいている。第1の組は、履歴データであり、この履歴データは、特定のエンジン及び/又は特定のエンジンタイプのこれまでの飛行について蓄積されかつ解析されてきたデータである。第2の組は、キューイング(cueing)データであり、このキューイングデータは、EGT又はN2に影響を与えるか或いはエンジン軸線8(ロータ中心)からブレード先端82まで測定したブレード半径Rに対する要求を変更することになるあらゆるその他の変数又は変数の組に影響を与えることになる飛行運転における近未来の変化をおおまかに予示するデータである。キューイングデータの幾つかの実施例には、航空機の操縦士と地上の管制官との間の通信が含まれ、そのような通信は、おそらく(a)高度変更の要求又は要請、(b)現在の高度における劣悪な飛行条件を告げる他の航空機からのメッセージ、及び(c)乱気流による振動の加速度計表示に関するものである可能性がある。キューイングデータのこれら3つの実施例は、単なる例であって、その他のタイプのキューイングデータも使用することができる。第3の組は、プログラムデータであり、このプログラムデータは、航空交通管制官又は操縦士/副操縦士のような監視責任者によって入力されるデータである。そのようなデータには、それに限定されないが、飛行計画及びノータム(航空情報)が含まれ、このノータムは、あらゆる航空施設、サービス、手続き又は障害の設定、状態又は変更に関する情報を含んでおり、この情報を適時に知ることは、飛行操作に関わる者にとって不可欠である。   Determining stability is based on predictability, and predictability is based on the following three data sets: The first set is historical data, which is data that has been accumulated and analyzed for previous flights of a particular engine and / or a particular engine type. The second set is cueing data that affects the EGT or N2 or requests the blade radius R measured from the engine axis 8 (rotor center) to the blade tip 82. Data that roughly predicts near-future changes in flight operation that will affect any other variable or set of variables that will change. Some examples of queuing data include communications between aircraft pilots and ground controllers, such communications are probably (a) altitude change requests or requests, (b) May be related to messages from other aircraft telling poor flight conditions at the current altitude, and (c) accelerometer display of vibrations due to turbulence. These three examples of queuing data are merely examples, and other types of queuing data can be used. The third set is program data, which is data entered by a supervisory supervisor such as an air traffic controller or pilot / copilot. Such data includes, but is not limited to, flight plans and notams (aeronautical information), which includes information on the setting, condition or change of any air facility, service, procedure or fault, Knowing this information in a timely manner is essential for those involved in flight operations.

図7は、水平飛行301中のガスタービンエンジン動力型航空機を示している。水平飛行302において、航空機乗員がスロットル角を増大させると、ロータ速度が増大し、EGTが上昇し、また航空機は、位置303を通ってその新たな飛行高度304へと上昇し始める。302における過渡状態の開始は、301において予測され、ブレード先端が伸長し始める前にシュラウド7を開放し始めるために使用する期間DTが存在することになる。DYCISの1つの実施形態では、乗員は、航空機から航空交通管制(ATC)施設310への送信315を開始する。送信315は、例示的なエンジン過渡状態予測事象である。送信の開始は、航空機搭載モジュールによって検出され、このモジュールが次に、2つの機能を実行する。これらの機能のうちの第1の機能は、高温の熱制御用空気36をシュラウド72上に流すことによって可能な限り急速にシュラウド72の膨張を開始させ、かつブレード先端間隙CLの開放を開始させることである。これらの機能のうちの第2の機能は、ブレード先端間隙CLのあらゆるACC制御に優先しかつシュラウド72が膨張し続けることを要求するタイマを始動させることである。シュラウドが完全に膨張した場合に、システムは、ブレード先端間隙CLのACC制御を優先させ続け、かつ例示的なエンジン過渡状態予測事象である検出した乗員による航空機−ATC通信の開始から所定の時間間隔が経過するまで、シュラウドを完全に膨張した状態に保つ。   FIG. 7 shows a gas turbine engine powered aircraft during level flight 301. In level flight 302, as the aircraft occupant increases the throttle angle, the rotor speed increases, the EGT increases, and the aircraft begins to rise through position 303 to its new flight altitude 304. The onset of the transient at 302 is predicted at 301 and there will be a period DT used to begin opening the shroud 7 before the blade tip begins to extend. In one embodiment of DYCIS, the occupant initiates a transmission 315 from the aircraft to the air traffic control (ATC) facility 310. Transmission 315 is an exemplary engine transient prediction event. The start of transmission is detected by the airborne module, which then performs two functions. The first of these functions initiates expansion of the shroud 72 as quickly as possible by flowing hot thermal control air 36 over the shroud 72 and initiates opening of the blade tip clearance CL. That is. The second of these functions is to start a timer that overrides any ACC control of the blade tip clearance CL and requires that the shroud 72 continue to expand. When the shroud is fully inflated, the system continues to prioritize ACC control of the blade tip clearance CL, and a predetermined time interval from the start of the aircraft-ATC communication by the detected occupant, which is an exemplary engine transient prediction event. Keep the shroud fully inflated until the time has elapsed.

図8に示すDYCISの別の実施形態では、乗員410は、地上設置のATC通信施設450を介して、無線装置420及びアンテナ430によってATC管制官460に対して送信440又は打電を開始する。この送信開始は、航空機搭載の送信開始検出器モジュール470によって検出される。送信開始検出器モジュール470の出力475は、航空機搭載の能動間隙制御モジュール490に入力され、能動間隙制御モジュール490に命令して可能な限り急速にシュラウド72をその最大開口度まで開放させる。シュラウド72は、該シュラウド72上に高温の熱制御用空気36を流すことによって可能な限り急速にその最大開口度まで開放され、それにより、ブレード先端間隙CLを拡大又は増大させる。出力475はまた、航空機搭載のタイマモジュール480に対しても入力され、タイマモジュール480が能動間隙制御モジュール490に命令して、送信開始検出器モジュール470が送信開始を検出した後における所定の時間間隔の間にわたり、シュラウドをその最大膨張位置における開放状態に保つ。   In another embodiment of the DYCIS shown in FIG. 8, the occupant 410 initiates a transmission 440 or a power hit to the ATC controller 460 by the wireless device 420 and the antenna 430 via the ATC communication facility 450 installed on the ground. This transmission start is detected by an onboard transmission start detector module 470. The output 475 of the transmission start detector module 470 is input to the airborne active clearance control module 490 and instructs the active clearance control module 490 to open the shroud 72 to its maximum opening as quickly as possible. The shroud 72 is opened to its maximum opening as quickly as possible by flowing hot thermal control air 36 over the shroud 72, thereby expanding or increasing the blade tip clearance CL. The output 475 is also input to the on-board timer module 480, which instructs the active gap control module 490 for a predetermined time interval after the transmission start detector module 470 detects the start of transmission. During that time, the shroud is kept open in its maximum inflated position.

図9に示すDYCISのさらに別の実施形態では、乗員510は、無線装置520及びアンテナ530によってATC管制官560に対して航空機通信540を開始するか、或いは地上設置のATC通信施設550を介してATC管制官560からの通信540を受信する。いずれの場合にも、通信は、ベースバンド信号として航空機搭載の信号調整器モジュール570に送信され、この信号調整器モジュール570は、ベースバンド信号がアナログ信号である場合には、該ベースバンド信号をデジタルストリームに変換する。ベースバンド信号は、初めからデジタルストリームとすることができる。信号調整器モジュール570は、デジタルストリームをデータストリームにフォーマットし、このデータストリームは、その後アナライザモジュール580によって解析される。アナライザモジュール580は、近未来の過渡活動の意図を発見しようとして、ATC通信に対する乗員の通信内容を解析する。例えば、乗員510がATC管制官560から高度変更を要求されたことをアナライザモジュール580が検出した場合或いはATC管制官560が高度変更を指図していることをアナライザモジュール580が検出した場合には、そのようなコマンドはエンジン過渡状態を予示しているので、アナライザモジュール580は、可能な限り急速にシュラウドをその最大開口度まで開放させるように能動間隙制御モジュール490に命令することになる。   In yet another embodiment of the DYCIS shown in FIG. 9, the occupant 510 initiates an aircraft communication 540 to the ATC controller 560 via the wireless device 520 and antenna 530 or via the ground-based ATC communication facility 550. A communication 540 from the ATC controller 560 is received. In either case, the communication is sent as a baseband signal to the airborne signal conditioner module 570 which, if the baseband signal is an analog signal, transmits the baseband signal. Convert to digital stream. The baseband signal can be a digital stream from the beginning. Signal conditioner module 570 formats the digital stream into a data stream, which is then analyzed by analyzer module 580. The analyzer module 580 analyzes the occupant's communication content with respect to the ATC communication in an attempt to discover the intention of the near future transient activity. For example, if the analyzer module 580 detects that the occupant 510 is requested to change the altitude by the ATC controller 560, or if the analyzer module 580 detects that the ATC controller 560 instructs the altitude change, Since such commands are predictive of engine transients, the analyzer module 580 will instruct the active clearance control module 490 to open the shroud to its maximum opening as quickly as possible.

図10に示すDYCISのさらに別の実施形態は、自由飛行条件下における飛行運転のために使用され、自動従属監視ブロードキャスト(ADS−B)機能を使用することによるなどのデジタル通信640が、航空機と航空交通管制代行装置との間で行われる。ADS−Bは、2002年10月8〜11日にケーマン諸島のグランドケーマンにおいて開催されたカリブ地域の民間航空管理者の国際民間航空機関第1回会合(CAR/DCA/1)で解説されている。ADS−Bは、操縦士及び管制官の双方が空域及び運航に関する共通の状況認識を有することになる使用法を可能にする監視技術として記述されている。ADS−B機上システムは、航空機の識別名、位置、速度、及び意図を他の航空機及び地上航空交通管制システムに送信する航空交通管制代行装置として働き、従って米国領空管制システム(NAS)の全ての適正装備ユーザに対して共通の状況認識を可能にする。図10に示すように、ADS−B610は、無線装置620及びアンテナ630を介して他の航空機と通信する。ADS−B通信は、航空機搭載のアナライザモジュール680によって監視され、アナライザモジュール680は、高度を変更しようとする意図を検出し、能動間隙制御モジュール690に命令してシュラウドを可能な限り急速にその最大開口度まで開放させる。   Yet another embodiment of DYCIS shown in FIG. 10 is used for flight operation under free flight conditions, such as by using an automatic dependent monitoring broadcast (ADS-B) function, such as by using digital communications 640 with an aircraft. This is done with the air traffic control agency. ADS-B was explained at the 1st International Civil Aviation Organization Meeting (CAR / DCA / 1) of Caribbean Civil Aviation Administrators held at Grand Cayman, Cayman Islands, October 8-11, 2002 ing. ADS-B is described as a monitoring technology that allows usage that will have a common situational awareness regarding airspace and operation for both pilots and controllers. The ADS-B onboard system acts as an air traffic control agency that transmits aircraft identification, position, speed, and intent to other aircraft and ground air traffic control systems, and thus all of the US Air Traffic Control System (NAS) This makes it possible to recognize a common situation for properly equipped users. As shown in FIG. 10, ADS-B 610 communicates with other aircraft via wireless device 620 and antenna 630. The ADS-B communication is monitored by the airborne analyzer module 680, which detects the intention to change altitude and commands the active gap control module 690 to maximize the shroud as quickly as possible. Open to openness.

図11に示すのは、航空機上昇の間のようなエンジン過渡状態の予測を行う場合と行わない場合とにおける、最大ブレード先端間隙値CLMAX及び最小ブレード先端間隙値CLMIN間でのブレード先端間隙スケジュールの比較である。ブレード先端間隙スケジュールは、エンジン過渡状態の開始を予測する能動間隙制御システム(予測ありと表示)及びエンジン過渡状態の開始を予測しない能動間隙制御システム(予測なしと表示)についてブレード先端間隙CL対コアロータ速度N2として示している。本予測方法及びシステムは、それがエンジン過渡状態以前の期間DTにシュラウドの膨張を開始して摩擦の確率を減少させるので、より低いブレード先端間隙を使用しており、このことが、ブレード先端及び周囲シュラウド間に可能な限り小さい先端間隙を維持し、それによって高いエンジン燃料効率を得るのを可能にする。同一のエンジンにおいて、エンジン過渡状態の開始を予測する間隙制御システムの場合のブレード先端間隙スケジュールは、予測なしと表示したエンジン過渡状態の開始を予測しない間隙制御システムの場合よりも低い。本予測方法及びシステムは、古いエンジン内に改造取付けすることができる。本予測方法及びシステムでは、ブレード先端間隙CLのスケジュールに優先するものとして、エンジン過渡状態以前の期間DTにシュラウド膨張の予測を組入れることができ、その後にブレード先端間隙CLは、能動間隙制御システムACCによるものとすることができる。   FIG. 11 shows the blade tip clearance schedule between the maximum blade tip clearance value CLMAX and the minimum blade tip clearance value CLMIN with and without engine transient prediction, such as during aircraft ascent. It is a comparison. The blade tip clearance schedule is the blade tip clearance CL vs. core rotor for an active clearance control system that predicts the start of engine transients (labeled as predicted) and an active clearance control system that does not predict the start of engine transients (labeled unpredicted) This is shown as speed N2. The prediction method and system uses a lower blade tip clearance because it begins to expand the shroud during the period DT prior to the engine transient to reduce the probability of friction, which Maintaining the smallest possible tip clearance between the surrounding shrouds, thereby enabling high engine fuel efficiency. For the same engine, the blade tip clearance schedule for a clearance control system that predicts the start of an engine transient is lower than for a clearance control system that does not predict the start of an engine transient labeled as unpredicted. The prediction method and system can be retrofitted into an old engine. In the present prediction method and system, a prediction of shroud expansion can be incorporated in the period DT prior to the engine transient condition as a priority over the schedule of the blade tip clearance CL, after which the blade tip clearance CL is added to the active clearance control system ACC. Can be due to.

本明細書では、本発明の好ましくかつ例示的な実施形態であると考えられるものについて説明してきたが、本明細書の教示から当業者には本発明のその他の変更形態が明らかになる筈であり、それ故に、全てのそのような変更形態は特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に属するものとして保護されることを切望する。従って、本特許出願によって保護されることを望むものは、提出した特許請求の範囲に記載しかつ特定した発明である。   While this specification has described what is considered to be preferred and exemplary embodiments of the present invention, other modifications of the invention will become apparent to those skilled in the art from the teachings herein. It is therefore eager to protect all such modifications as fall within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, what is desired to be secured by Letters Patent application is the invention as described and identified in the claims appended hereto.

予測ブレード先端間隙制御方法及びシステムを備えた航空機用ガスタービンエンジンの断面図。1 is a cross-sectional view of an aircraft gas turbine engine equipped with a predicted blade tip clearance control method and system. 図1に示すエンジンにおけるタービンロータブレード先端間隙及びその制御を示す、高圧タービン組立体の拡大断面図。FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a high-pressure turbine assembly showing a turbine rotor blade tip clearance and its control in the engine shown in FIG. 1. 図1に示すエンジンのための予測ブレード先端間隙制御方法の1つの実施形態のグラフ図。FIG. 2 is a graph of one embodiment of a predictive blade tip clearance control method for the engine shown in FIG. 1. 図3に示す予測制御方法の拡大図。The enlarged view of the prediction control method shown in FIG. 図1に示すエンジンのための予測ブレード先端間隙制御方法のためにデータを解析する統計的方法及びシステムの概略図。FIG. 2 is a schematic diagram of a statistical method and system for analyzing data for the predictive blade tip clearance control method for the engine shown in FIG. 1. 図1に示すエンジンのための予測ブレード先端間隙制御方法の例示的な実施形態によって識別されたセグメントのグラフ図。FIG. 2 is a graph diagram of segments identified by an exemplary embodiment of a predictive blade tip clearance control method for the engine shown in FIG. 1. 図1に示すエンジンのための予測ブレード先端間隙制御方法を用いた飛行の例示的な実施形態の概略図。2 is a schematic diagram of an exemplary embodiment of flight using the predictive blade tip clearance control method for the engine shown in FIG. 図1に示すエンジンのための予測ブレード先端間隙制御方法を用いた飛行の間に使用される通信の例示的な実施形態の概略図。FIG. 2 is a schematic diagram of an exemplary embodiment of communications used during flight using the predictive blade tip clearance control method for the engine shown in FIG. 1. 図1に示すエンジンのための予測ブレード先端間隙制御方法を用いた飛行の間に使用される通信の第2の例示的な実施形態の概略図。FIG. 4 is a schematic diagram of a second exemplary embodiment of communications used during flight using the predictive blade tip clearance control method for the engine shown in FIG. 1. 図1に示すエンジンのための予測ブレード先端間隙制御方法を用いた飛行の間に使用される通信の第3の例示的な実施形態の概略図。FIG. 4 is a schematic diagram of a third exemplary embodiment of communications used during flight using the predictive blade tip clearance control method for the engine shown in FIG. 1. 図1に示すエンジンのための予測ブレード先端間隙制御方法の例示的な実施形態のブレード先端間隙スケジュールを非予測ブレード先端間隙制御方法のブレード先端間隙スケジュールと比較したグラフ図。FIG. 2 is a graph comparing the blade tip clearance schedule of the exemplary embodiment of the predicted blade tip clearance control method for the engine shown in FIG. 1 with the blade tip clearance schedule of the non-predicted blade tip clearance control method.

8 エンジン軸線
10 航空機用ガスタービンエンジン
12 能動間隙制御システム
13 ファンセクション
14 ファン
16 ブースタ又は低圧圧縮機(LPC)
18 高圧圧縮機(HPC)
20 燃焼セクション
21 タービンブレード間隙制御装置
22 高圧タービン(HPT)
24 低圧タービン(LPT)
26 高圧シャフト
28 低圧シャフト
30 HPTロータ
34 タービンブレード
36 熱制御用空気
37 翼形部
39 ブレードプラットフォーム
48 コントローラ
50 分配マニホルドシステム
60 スプレー管
64 ステータ組立体
66 外側ケーシング
68 前方ケースフック
70 後方ケースフック
72 シュラウド
74 前方シュラウドフック
76 後方シュラウドフック
77 シュラウドセグメント
80 シュラウド支持体
82 ブレード先端
84 前方熱制御リング
86 後方熱制御リング
92 ACC(能動間隙制御)流れモデル
94 予測ブレード先端間隙制御方法
100 中段空気供給源
102 高段空気供給源
106 中段空気弁
108 高段空気弁
110 第1の熱制御用空気供給管
112 第2の熱制御用空気供給管
116 DYCIS(動的間隙知能システム)
120(1)〜120(M) 複数のエンジンセンサ
122(1)〜122(N) 複数の航空機センサ
130 データ解析モジュール
140 状態
150 間隙制御モジュール
210 グラフ
220 グラフ
230 グラフ
301 水平飛行
302 水平飛行
303 位置
304 飛行高度
310 ATC(航空交通管制)施設
315 送信
410 乗員
420 無線装置
430 アンテナ
440 送信
450 ATC(航空交通管制)通信施設
460 ATC管制官
470 送信開始検出器モジュール
475 出力
480 タイマモジュール
490 間隙制御モジュール
510 乗員
520 無線装置
530 アンテナ
540 通信
550 ATC通信施設
560 ATC管制官
570 信号調整器モジュール
580 アナライザモジュール
590 間隙制御モジュール
610 ADS−B(自動従属監視ブロードキャスト)
620 無線装置
630 アンテナ
640 デジタル通信
680 アナライザモジュール
690 間隙制御モジュール
A1 第1の巡航高度
A2 第2の巡航高度
CL ブレード先端間隙
CLM 間隙モデルプログラム
DT 期間
DCL 要求間隙
EGT 排気ガス温度
N2 コアロータ速度
R ブレード半径
SFC 燃料消費率
8 Engine axis 10 Aircraft gas turbine engine 12 Active clearance control system 13 Fan section 14 Fan 16 Booster or low pressure compressor (LPC)
18 High pressure compressor (HPC)
20 Combustion Section 21 Turbine Blade Gap Control Device 22 High Pressure Turbine (HPT)
24 Low pressure turbine (LPT)
26 High Pressure Shaft 28 Low Pressure Shaft 30 HPT Rotor 34 Turbine Blade 36 Thermal Control Air 37 Airfoil 39 Blade Platform 48 Controller 50 Distribution Manifold System 60 Spray Pipe 64 Stator Assembly 66 Outer Casing 68 Front Case Hook 70 Rear Case Hook 72 Shroud 74 forward shroud hook 76 rear shroud hook 77 shroud segment 80 shroud support 82 blade tip 84 forward thermal control ring 86 rear thermal control ring 92 ACC (active gap control) flow model 94 predictive blade tip gap control method 100 middle stage air supply source 102 High stage air supply source 106 Middle stage air valve 108 High stage air valve 110 First heat control air supply pipe 112 Second heat control air supply pipe 116 DY CIS (Dynamic Gap Intelligence System)
120 (1) -120 (M) Multiple engine sensors 122 (1) -122 (N) Multiple aircraft sensors 130 Data analysis module 140 State 150 Gap control module 210 Graph 220 Graph 230 Graph 301 Horizontal flight 302 Horizontal flight 303 Position 304 Flight Altitude 310 ATC (Air Traffic Control) Facility 315 Transmission 410 Crew 420 Wireless Device 430 Antenna 440 Transmission 450 ATC (Air Traffic Control) Communication Facility 460 ATC Controller 470 Transmission Start Detector Module 475 Output 480 Timer Module 490 Gap Control Module 510 Crew 520 Radio Device 530 Antenna 540 Communication 550 ATC Communication Facility 560 ATC Controller 570 Signal Conditioner Module 580 Analyzer Module 590 Gap Control Module 610 ADS-B (automatic subordinate monitoring broadcast)
620 Radio device 630 Antenna 640 Digital communication 680 Analyzer module 690 Gap control module A1 First cruise altitude A2 Second cruise altitude CL Blade tip gap CLM gap model program DT period DCL Required gap EGT Exhaust gas temperature N2 Core rotor speed R Blade radius SFC fuel consumption rate

Claims (10)

飛行中に航空機用ガスタービンエンジン(10)における回転ブレード先端(82)と周囲シュラウド(72)との間のブレード先端間隙(CL)を調整する方法であって、
エンジン回転速度を変更するエンジンコマンドを予測してかつ該コマンド以前に前記先端間隙(CL)を変更するステップ、を含む、
方法。
A method for adjusting a blade tip clearance (CL) between a rotating blade tip (82) and a surrounding shroud (72) in an aircraft gas turbine engine (10) during flight comprising:
Predicting an engine command to change engine speed and changing the tip clearance (CL) prior to the command,
Method.
前記エンジンコマンドの兆しを示す航空機及び/又は航空機乗員データを監視するステップと、
前記監視航空機及び/又は航空機乗員データに基づいて前記先端間隙(CL)を変更するステップと、をさらに含む、
請求項1記載の方法。
Monitoring aircraft and / or aircraft occupant data indicative of the indication of the engine command;
Changing the tip clearance (CL) based on the monitored aircraft and / or aircraft occupant data;
The method of claim 1.
前記航空機及び/又は航空機乗員データが、航空機乗員と航空交通管制官又は航空交通管制代行装置との間の通信をさらに含む、請求項2記載の方法。   The method of claim 2, wherein the aircraft and / or aircraft occupant data further comprises communication between an aircraft occupant and an air traffic controller or an air traffic controller. 前記エンジン回転速度を変更するエンジンコマンド以前の期間(DT)に前記シュラウド(72)を膨張又は収縮させることによって前記先端間隙(CL)を調整し始める時点を決定するステップをさらに含む、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の方法。   The method further includes determining when to begin adjusting the tip clearance (CL) by expanding or contracting the shroud (72) during a period (DT) prior to an engine command to change the engine speed. 4. The method according to any one of items 1 to 3. 学習アルゴリズムを使用することによって前記先端間隙(CL)を調整し始める時点を修正するステップをさらに含む、請求項4記載の方法。   5. The method of claim 4, further comprising the step of modifying the point in time when the tip clearance (CL) begins to be adjusted by using a learning algorithm. 前記学習アルゴリズムのために前記航空機用ガスタービンエンジンの運転経験及び/又は他のジェットエンジンの運転経験を使用するステップをさらに含む、請求項5記載の方法。   6. The method of claim 5, further comprising using the aircraft gas turbine engine operating experience and / or other jet engine operating experience for the learning algorithm. 前記先端間隙(CL)を調整し始める時点を決定する統計的方法を使用するステップをさらに含む、請求項4記載の方法。   5. The method of claim 4, further comprising using a statistical method to determine when to begin adjusting the tip clearance (CL). 前記先端間隙(CL)を調整し始める時点を決定する統計的方法が、統計的方法、相関法、多変量統計プロセス解析法、及びパターン認識法から成る群から選ばれる、請求項7記載の方法。   The method of claim 7, wherein the statistical method for determining when to begin adjusting the tip clearance (CL) is selected from the group consisting of statistical methods, correlation methods, multivariate statistical process analysis methods, and pattern recognition methods. . 前記先端間隙(CL)を調整し始める時点を決定する統計的方法が、ベイズ決定理論、ニューラルネットワーク、ファジイ論理、パルゼンウインドウ、最近傍分類、隠れマルコフモデル、線形及び非線形判別解析、マルコフ確率場、ボルツマン学習、分類及び回帰ツリー、並びに多変量適応回帰から成る群から選ばれたパターン認識法をさらに含む、請求項7記載の方法   Statistical methods for determining when to start adjusting the tip clearance (CL) include Bayesian decision theory, neural network, fuzzy logic, Parzen window, nearest neighbor classification, hidden Markov model, linear and nonlinear discriminant analysis, Markov random field The method of claim 7, further comprising a pattern recognition method selected from the group consisting of: Boltzmann learning, classification and regression trees, and multivariate adaptive regression. 前記エンジン回転速度を変更するエンジンコマンドを予測してかつ該コマンド以前に先端間隙(CL)を変更することを、所望のブレード先端間隙をスケジュールするために使用する能動間隙制御流れモデル(92)に優先させるステップをさらに含む、請求項1乃至9のいずれか1項に記載の方法。   Predicting an engine command to change the engine speed and changing the tip clearance (CL) prior to the command is an active clearance control flow model (92) used to schedule the desired blade tip clearance. The method according to any one of claims 1 to 9, further comprising the step of prioritizing.
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