JP2017155744A

JP2017155744A - 配管故障検知方法及びシステム

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Publication number: JP2017155744A
Application number: JP2016248545A
Authority: JP
Inventors: スリダール・アディブハトラ; Adibhatla Sridhar; スティーブン・エドワード・ノルテ; Edward Nolte Steven; ジェフリー・ウェイン・リッツラー; Wayne Litzler Jeffrey
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2017-09-07
Also published as: US10196928B2; US20170254216A1; EP3214291A1; CN107152340B; CN107152340A; CA2952718A1

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンにおいて、破損した配管／冷却マニフォールドを通る空気流を無駄にすることにより燃費を犠牲にすることなく、タービンセクションへの冷却気量を、必要とされるだけ、絶えず調節させることが可能な配管故障検知システムを提供する。
【解決手段】配管故障検知システム２００は、圧縮機セクション１１２からタービンセクション１１４へ冷却気を導くよう構成された冷却マニフォールド２０２を具備する。冷却マニフォールドは、少なくとも二つの冷却配管と、配管破損を示す動作状態を検知するよう構成されたセンサ２１４と、センサによって検知された動作状態に応じて、冷却マニフォールドを通る冷却気量を制御するよう構成されたコントローラとを具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は、、ガスタービンエンジンに関し、さらに特には、エンジン冷却システムが装備されたガスタービンエンジンに関する。

多数の既知のガスタービンエンジンは、圧縮機セクション下流のエンジン燃焼器及びタービンの作動によって生じる高温を低減するため、エンジンの圧縮機セクションから冷却気を抽出し、その冷却気をエンジンのタービンセクションへ導くコンパートメント冷却システムを装備する。冷却システムは典型的に、複数の配管に分けられる冷却マニフォールドを具備する。割れ、あるいは破損によって配管が故障し、それによって、それを通る冷却気が十分に送達されない場合でも、冷却気は残りの配管によって供給される。マニフォールド配管は、圧縮機から空気流を抜き取り、タービンを冷却する。しかしながら、故障した配管に対応するために、各配管を通る余剰空気流を抜き出すことは、飛行中のガスタービンエンジンの空力燃費を下げる。圧縮機によって作られるエネルギーが、エンジン推力を生みだすのではなく、冷却するために使用される。

少なくともいくつかの既知の配管故障検知システムは、破損を検知するため、冷却マニフォールド配管に沿ってセンサを配置しようとしてきた。しかしながら、ガスタービンエンジンの熱力学的に堅牢な環境は、監視のためにこれらの従来のセンサが配置される配管よりも頻繁に、これらの従来のセンサを故障させてきた。センサと配管自体の間の、こうした異種の故障率により、配管故障について偽陽性の読み取りを生じさせるか、又は配管故障を全体的に検知できなくなる。

米国特許第３７８８１４１号公報

一様態では、配管故障検知システムは、圧縮機及びタービンを具備するガスタービンエンジンに提供される。配管故障検知システムは、圧縮機からタービンへ、冷却気を導くよう構成された冷却マニフォールドを具備する。冷却マニフォールドは、少なくとも二つの冷却配管と、配管破損を示す動作状態を検知するよう構成されたセンサと、センサによって検知された動作状態に応じて、冷却マニフォールドを通る冷却気量を制御するよう構成されたコントローラとを具備する。

別様態では、ガスタービンエンジンの配管故障を検知する方法が提供される。本方法は、ガスタービンエンジン内で動力を生成することと、ガスタービンエンジン内の異なる位置に配置された少なくとも二つのセンサからのセンサデータを測定することと、その少なくとも二つのセンサからの測定センサデータとルックアップテーブルの記憶データを比較することと、その比較に基づいて警告シグナルを送信すること、を含む。

さらに別の様態では、ガスタービンエンジンは、圧縮機、タービン、冷却マニフォールド、センサ、及びコントローラを具備する。冷却マニフォールドは、圧縮機からタービンへ冷却気を導くよう構成され、少なくとも二つの冷却配管を具備する。センサは、第１位置の第１操作パラメータと、第１位置とは異なる第２位置の第２操作パラメータの差異を検知するよう構成される。コントローラは、センサによって検知された差異に応じて、冷却マニフォールドを通る冷却気の量を制御するよう構成される。

本開示のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、本開示のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明を、添付の図面を参照して読むと、よりよく理解されるであろう。図面中、同様の符号は同様の部分を表し、ここで：
図１は、本開示の例示的実施形態における例示的ガスタービンエンジンの概略図である。図２は、図１に示されるガスタービンエンジンと活用され得る配管故障検知システムの斜視図である。図３は、図１及び２に示される配管故障検知システムの別の実施形態のロジックプロセスのフローチャート図である。

他に示されない限り、本明細書で提供される図面は、本開示の実施形態の特徴を説明することを意味する。これらの特徴は、本開示の１つ以上の実施形態を含む多種多様なシステムに適用可能であると考えられる。このように、図面は、本明細書で開示された実施形態の実施に必要とされる当業者に知られている全ての従来の特徴を含むことを意味するものではない。

以下の明細書および特許請求の範囲において、数々の用語に言及するが、これらは以下の意味を有すると定義される。

単数形「a」、「an」及び「the」は、文脈が明確にそれ以外を示してない限り、複数の言及を含む。

「任意の（optional）」または「任意に(optionally)」は、その後に記載される事象または状況が起こっても起こらなくてもよいことを意味し、その記載には、事象が起こる例および起こらない例が含まれる。

本明細書および特許請求の範囲を通じて使用される言語の近似は、それが関連する基本機能に変化をもたらさずに許容可能な程度に変化し得る任意の定量的表現を修正するために適用され得る。従って、用語「約（about）」、「およそ（approximately）」および「実質的に（substantially）」などの用語によって修飾された値は、指定された正確な値に限定されない。少なくともいくつかの例では、近似言語は、値を測定するための機器の精度に対応することができる。本明細書および明細書および特許請求の範囲を通して、範囲の制限を組み合わせることおよび/または交換することができる；そのような範囲は特定され、文脈または言語がそうでないことを示さない限り、それに含まれる全ての部分範囲を含む。

以下の詳細な説明は、限定的でなく、例として本開示の実施形態を示す。本開示は、ガスタービンエンジンにおける配管故障の検知及び補償に対して一般的な適用性を有することが考えられる。

以下の説明は、添付の図面を参照するが、そこで反対の表現がない場合には、異なる図面の同じ番号は、類似の要素をあらわす。

図１は、本開示の例示的な実施形態によるガスタービンエンジン１００の概略断面図である。例示的実施形態では、ガスタービンエンジン１００は高バイパスターボファンジェットエンジンに組み込まれている。図１に示すように、ガスタービンエンジン１００は、軸方向Ａ（参照陽に提供された長手方向軸１０２に平行に延びる）と、径方向Ｒを画定する。一般に、ガスタービンエンジン１００は、ファンセクション１０４と、ファンセクション１０４から下流に配置されるコアエンジン１０６を具備する。

例示的実施形態では、コアエンジン１０６は、環状入口１１０を画定する、ほぼ管状の外部ケーシング１０８を具備する。外部ケーシング１０８は、直列流れ関係で、圧縮機セクション１１２及びタービンセクション１１４を収納する。圧縮機セクション１１２は、直列流れ関係で、低圧（ＬＰ）圧縮機又はブースタ１１６、高圧（ＨＰ）圧縮機１１８、及び燃焼セクション１２０を具備する。タービンセクション１１４は、直列流れ関係で、ＨＰタービン１２２、ＬＰタービン１２４、及びジェット排気ノズルセクション１２６を具備する。ＨＰシャフト又はスプール１２８は、ＨＰタービン１２２をＨＰ圧縮機１１８に駆動的に連結する。ＬＰシャフト又はスプール１３０は、ＬＰタービン１２４をＬＰ圧縮機１１６に駆動的に連結する。圧縮機セクション、燃焼セクション１２０、タービンセクション、及びノズルセクション１２６は共に、コア空気流路１３２を画定する。

例示的実施形態では、ファンセクション１０４は、離間した関係でディスク１３８に結合される複数のファン動翼１３６を有するファン又は可変ピッチファン１３４を具備する。ファン動翼１３６は、ディスク１３８から径方向外側に延在する。各ファン動翼１３６は、ファン動翼１３６が、ファン動翼１３６のピッチを変化させるよう構成された適切なピッチ変更機構（ＰＣＭ）１４０に動作可能に結合されることによって、ピッチ軸Ｐを中心にディスク１３８に対して回転可能である。他の実施形態では、ＰＣＭ１４０は、ファン動翼１３６のピッチをまとめて一斉に変更するように構成される。ファン動翼１３６、ディスク１３８、及びＰＣＭ１４０は、パワーギアボックス１４２を横切って、ＬＰシャフト１３０によって、長手方向軸１０２を中心に共に回転可能である。パワーギアボックス１４２は、ＬＰシャフト１３０に対する可変ピッチファン１３４の回転速度をより効率的な回転ファン速度に調整するための複数のギア（図示なし）を具備する。

ディスク１３８は、ファン動翼１３６を通る空気流を促進させるよう空気力学的に輪郭形成された回転フロントハブ１４４によって覆われている。さらに、ファンセクション１０４は、可変ピッチファン１３４及び／又は少なくともコアエンジン１０６の一部分を円周方向に囲む、環状ファンケーシング又は外部ナセル１４６を具備する。例示的実施形態では、環状ファンケーシング１４６は、円周方向に離間した複数の出口ガイド翼１４８によって、コアエンジン１０６に対して支持されるように構成される。さらに、環状ファンケーシング１４６の下流セクション１５０は、そのの間にバイパス空気流路１５２を画定するため、コアエンジン１０６の外側部分に亘り延在し得る。

ガスタービンエンジン１００の作動中、空気の量１５４は、環状ファンケーシング１４６及び／又はファンセクション１０４の関連入口１５６を通りガスタービンエンジン１００に入る。空気の量１５４がファン動翼１３６を横切って通過する際、空気の量１５４の第１部分１５８は、バイパス空気流路１５２に導かれるか、又は経路決定され、空気の量１５４の第２部分１６０は、コア空気流路１３２、又はより具体的にはＬＰ圧縮機１１６へ導かれるか、又は経路決定される。第１部分１５８と第２部分１６０の間の比は、一般にバイパス比と呼ばれる。第２部分１６０の圧力はさらに、ＨＰ圧縮機１１８を通って燃焼セクション１２０へ経路決定される際に増加し、ここでそれが燃料と混合されて燃焼し、燃焼ガス１６２を供給する。

燃焼ガス１６２は、ＨＰタービン１２２を通って経路決定され、ここで燃焼ガス１６２からの熱及び／又は運動エネルギーの一部が、外部ケーシング１０８に結合されるＨＰタービン静翼１６４と、ＨＰシャフト１２８に結合される複数のＨＰタービン動翼１６６との連続段を介して抽出され、それによってＨＰシャフト１２８を回転させ、さらにＨＰ圧縮機１１８の回転を駆動する。燃焼ガス１６２はさらに、ＬＰタービン１２４を通って経路決定され、ここで熱及び／又は運動エネルギーの第２部分が、外部ケーシング１０８に結合される複数のＬＰタービン静翼１６８と、ＬＰシャフト１３０に結合される複数のＬＰタービン動翼１７０との連続段を介して、燃焼ガス１６２から抽出され、ＬＰシャフト１３０及びＬＰ圧縮機１１６の回転及び／又は可変ピッチファン１３４の回転を駆動する。

燃焼ガス１６２は、次に、コアエンジン１０６のジェット排気ノズルセクション１２６を通って経路決定され、推進力を供給する。同時に、第１部分１５８の圧力は、第１部分１５８が、ガスタービンエンジン１００のファンノズル排気セクション１７２から排出される前に、バイパス空気流路１５２を通って経路決定される際に、実質的に増加し、また、推進力を提供する。ＨＰタービン１２２、ＬＰタービン１２４、及びジェット排気ノズルセクション１２６は少なくとも部分的に、コアエンジン１０６を通って燃焼ガス１６２を経路決定する高温ガス流路１７４を画定する。

例示的実施形態では、ガスタービンエンジン１００は制御システム１７６を具備する。制御システム１７６は、例えば操作パラメータセンサ１８０（Ａ）といった、複数の操作パラメータセンサ１８０からの測定値を（データ入力１７８として）受取り、それらは、例えば燃焼セクション１２０に燃料を供給する燃料ライン１８２からの流量を含む、操作パラメータを測定するよう構成される。制御システム１７６は、さらに又はあるいは、例えば操作パラメータセンサ１８０（Ｂ）からの、ファンセクション１０４の速度及び／又はエンジン圧力比（ＥＰＲ）といった操作パラメータを測定するよう構成される。

例示的実施形態では、制御システム１７６はアクチュエータ（図示なし）を具備し、データ出力１８４から構成され、さらに、受け取ったデータ出力１８４に基づき、例えば圧縮機１１８の静翼１６４といった、可変静翼の位置を調節する。制御システム１７６はさらに、プロセッサ１８６を具備し、それが操作パラメータセンサ１８０（Ａ）、１８０（Ｂ）、〜１８０（Ｎ）及び／又はアクチュエータ（図示なし）に動作可能に結合される。制御システム１７６はさらに、記憶媒体１８８を具備し、それはまた、プロセッサ１８６に動作可能に結合される。記憶媒体１８８は、プロセッサ１７６によって実行可能である、機械可読指示１９０と、プロセッサ２０６によってアクセス可能である、ルックアップテーブル１９２とを具備する（図３に関して以下にに詳しく述べられる）。別の実施形態では、ルックアップテーブル１９２は、「バーチャルセンサ」として言及されることがある、モデリングソフトウェアを具備する。

例示的実施形態によると、制御システム１７６はさらに、燃料ライン１８２の流量を、すなわちデータ出力１８４からの受信シグナルを通して制御し、ファンセクション１０４への所望の回転速度及び／又は所望のＥＰＲを提供するように構成される。作動例では、データ出力２０４の最適値は、例えば所望のファン速度及び／又は所望のＥＰＲといった、所望の出力を実質的に維持する、最小燃料流量に対応する静翼１６４の位置を制御する制御シグナルとなり得る。別の作動例では、制御システム１７６は、燃焼セクション１２０まわりの、圧縮機セクション１１２とタービンセクション１１４の間の冷却流量（図２から４に関して下記で詳しく述べられる）を確立及び／又は維持するため、操作パラメータセンサ２００の測定値からのデータ入力１７８を監視する。操作パラメータセンサはさらに、これらに限定されないが、排出ガス温度、コア速度、及び圧縮機出口圧力を検知するよう、ガスタービンエンジン１００全体にわたって配置され得る。

ガスタービンエンジン１００は、単に一例として、図１に示される。他の例示的実施形態では、ガスタービンエンジン１００は、例えばターボプロップエンジンを含む、他の適切な構成を有することができる。

図２は、図１に示されるガスタービンエンジン１００及び、圧縮機セクション、すなわち圧縮機セクション１１２と、タービンセクション、すなわちタービンセクション１１４とを含む、その他のガスタービンエンジンと共に活用し得る、配管故障検知システム２００の斜視図である。圧縮機セクション１１２はまた、「コールドセクション」と言及される場合があり、タービンセクション１１４は「ホットセクション」と言及される場合がある。図１及び本適用を通したその他の図面に関して、異なる図面における同じ参照記号の使用は、説明を目的とした、同類又は同一の例示的要素を示す。

配管故障検知システム２００は冷却マニフォールド２０２を具備する。例示的実施形態では、冷却マニフォールド２０２は、少なくとも三つ又は四つの冷却マニフォールド２０２（Ａ）、２０２（Ｂ）〜２０２（Ｎ）であり、冷却気、すなわち、図１に示される、圧縮機セクション１１２からタービンセクション１１４への空気の部分１６０と、必要であれば、冷却マニフォールド２０２の一つの配管が破損又は故障した場合の追加冷却気の、均一な分配を提供する。冷却マニフォールド２０２の第１端部２０４は、圧縮機ポート２０６で圧縮機セクション１１２に外部接続し、冷却マニフォールド２０２の第２端部２０８は、タービンポート２１０でタービンセクション１１４に外部接続する。説明された例では、冷却マニフォールド２０２の第２端部２０８は、二つの部分２１２（Ａ）及び２１２（Ｂ）に分割する。

例示的実施形態では、配管故障検知システム２００はさらに、圧力センサ２１４を具備する。圧力センサ２１４は、検出ライン２２０及び２２２によってそれぞれ、圧力センサ２１４との空気連通を提供する、第１圧力入力２１６と第２圧力入力２１８の間の圧力変化を測定する差動センサである。例示的実施形態によると, 検出ライン２２０、２２２は、冷却マニフォールド２０２よりもかなり小さい直径を有する大きさの細管である。説明された例では、冷却マニフォールド２０２は、約２から４インチの直径を有しているが、検出ライン２２０、２２２はそれぞれ、約４分の１インチの直径を有する。これらの例示的な大きさは、単に例示を目的として含まれており、限定を意味しない。

第１圧力入力２１６及び第２圧力入力２１８は、間の圧力変化を監視したい異なる開口部２２４にそれぞれ結合される。例えば、第１圧力入力２１６及び第２圧力入力２１８は、圧縮機セクション１１２及びタービンセクション１１４の間の圧力差異を監視するため、開口部２２４（Ａ）及び２２４（Ｂ）に結合する。第２圧力センサ２１４とは別に、又はさらに、圧力変化は、開口部２２４（Ｃ）及び２２４（Ｄ）の間の一つの冷却マニフォールド２０２の長手方向に沿って監視され得る。圧力変化はまた、開口部２２４（Ｅ）及び２２４（Ｆ）にて、部分２１２（Ａ）と２１２（Ｂ）の間の冷却マニフォールド２０２の第２端部２０８にわたり、監視され得る。

本例示的実施形態によると、複数の圧力センサ２１４は、圧縮機セクション１１２及びタービンセクション１１４の外周に、冷却マニフォールド２０２の配管に沿った多数の位置に沿って、又は二つの別の冷却マニフォールド２０２の間にでも、配置され得る。センサ出力２２６は、第１圧力入力２１６及び第２圧力入力２１８の間で測定された圧力差異がもしあれば、有線又は無線接続部２２８によって制御システム１７６へ、複数のデータ入力１７８のうちのひとつとして送信する。本構成では、圧力センサ２１４は、第１圧力入力２１６と第２圧力入力２１８の間で有意な圧力差異が起こると起動する、単一の圧力スイッチ（別途番号付けなし）になり得る。

別の実施形態では、個々の圧力センサ２１４は、各開口部２２４に配置され、個々の圧力センサ２１４はそれぞれ、接続部２２８によって制御システム１７６に直接通信する。この別の実施形態では、個々の圧力センサ２１４は、圧力変換器になり得り、高温及び／又は動的な燃焼ガスに近いことにより個々の圧力変換器へ起こり得る損傷を減らすよう、圧縮機セクション１１２及びタービンセクション１１４の、内側が熱力学的に堅牢な環境から、少なくともわずかに外側に位置する。例えば、タービンセクション１１２近くの圧力を監視する際は、圧力センサ２１４は、チェックバルブ（図示なし）の上流に配置されるべきである。同様に、検出ライン２２０、２２２は一般に、圧力の読み取りが所望されるエリアにできるだけ近いが、少なくとも、管類が過剰に熱せられない程度に十分離し、また、特定の個々の開口部２２４で圧力を伝えることができない状態であるべきである。

作動時に、通常の状態では、一つの冷却マニフォールド２０２に沿った、任意の二つの開口部の間の、又は、二つの異なる冷却マニフォールド２０２の間の二つの異なる開口部の間の圧力差異は、ほぼゼロ、すなわち、平方インチ当たり（ｐｓｉ）わずか数ポンドであるべきである。この圧力差異は、離陸のようなエンジン状態でも、均一に保持すべきであり、個々の冷却マニフォールド２０２は、配管を通る３００ｐｓｉ又はそれ以上もの、空気流を受け得る。とは言え、冷却マニフォールド２０２の全長にわたって見られる圧力差異は、それでも比較的小さくあるべきである。

しかしながら、冷却マニフォールド２０２のいかなる部分も、一旦破損すれば、圧力センサ２１４は、破損の両側の、最も近い二つの開口部２２４の間で測定された圧力において、有意な増加を素早く検知するようになる。破損の大きさ並びに位置によって、測定される圧力差異は１０ｐｓｉ、５０ｐｓｉ、１００ｐｓｉ、またはそれ以上にもなり得る。圧力センサ２１４の戦略的な配置により、配管破損の一般的な位置ならびにその規模は、検査や修理のためにガスタービンエンジン１００全体を取り壊す必要なく、素早く簡単に判断され得る。圧縮機セクション１１２及びタービンセクション１１４の外側に分配される複数の圧力センサ２１４は、個々のセンサ故障の場合、お互いのバックアップシステムとして機能し得る。その場合、制御システム１７６は、第２圧力センサ２１４が同一の、又は有意に類似した、圧力増加を確認した場合に、配管破損が起こった、と登録のみを行うようになる。

有意な配管破損が個々の冷却マニフォールド２０２に存在していると判断される場合、制御システム１７６は、配管破損を受けた個々の冷却マニフォールド２０２からの冷却気の損失を補えるよう、個々のデータ出力１８４を送信し、電子制御バルブ２３０の開口部を制御し、タービンセクション１１４に流れる冷却気の量を増加させるようになる。従来のシステムは、冷却気を調節し、タービンセクションへの冷却気を常に最大にするバルブを有しておらず、プロセスにおいて燃費を犠牲にしている。しかしながら、ここに記述される例示的実施形態によると、タービンセクション１１４による必要に応じて、冷却マニフォールド２０２に空気流を十分供給することによって、燃費が最大となり、配管破損が検知された場合のみ、冷却流を増加させる。例示的実施形態では、電子制御バルブ２３０は、完全に閉じられた、又はほぼ完全に閉じられた状態から、部分的に開いた、又は完全に開いた状態まで、複数の位置が可能な調節バルブである。

別の実施形態では、各開口部２２４はさらに、又はあるいは、配管故障に敏感なパラメータにおける変化を検知するよう構成された、圧力センサ２１４以外の、一つ又は複数のセンサ（別途番号付けなし）を具備する。そのような追加の／別のセンサは、冷却マニフォールド２０２に沿った、温度センサ又は熱電対、振動センサ、連続性センサ、光ファイバセンサ、及び／又は、エンジン区画において圧力レベルの増加に敏感なポップアップセンサ又はドアのような、異なるタイプの圧力センサを具備するが、これらに限らない。この別の実施形態では、追加の／別のセンサはまた、個々の有線又は無線接続部２２８によってコントローラ１７６と通信し得る。

通常の作動状態の間は、ガスタービンエンジン１００が、高い高度を、高速で、及び／又は低い周囲温度で巡航している場合、タービンセクション１１４を冷却するのに必要となる冷却気量は、離陸状態の間に要求されるであろう量よりも少ない。離陸時には、ガスタービンエンジン１００は、巡航中よりもより高温に、よりなりやすくなる。配管故障検知システム２００はしたがって、破損した配管／冷却マニフォールドを通る空気流を無駄にすることにより燃費を犠牲にする必要なく、タービンセクション１１４への冷却気量を、必要とされるだけ、絶えず調節させることが可能である。

図３は、図２及び３に示される配管故障検知システムの別の実施形態のロジックプロセス３００のフローチャート図である。配管故障検知システム２００が、圧力及び／又は追加センサを追加し、配管破損が起こったと判断するのに要求される、必要な測定情報を蓄積するのに対し、プロセス３００は、図１に見られる、二つの目的を兼ねた測定用の既存の操作パラメータセンサ１８０を活用し、追加のハードウェアを必要とすることなく、同一の判断をすることができる。実際に、プロセス３００は、図１に関して上述された、同一の測定データの操作パラメータセンサを活用し、破損もしくは故障した配管に対して監視をする。

例示的実施形態では、配管破損の大きさの関数として、差圧についてのテーブルデータが、物理学ベースの配管流モデルを使用して作成される。あるいは、上述の通り、ルックアップテーブル１９２は、物理学ベースのモデル又は、設計及びテストフェーズ期間に、ガスタービンエンジン１００の様々な飛行条件、動力レベル、破損の大きさからデータを生成することによって作成又は校正される回帰モデルである。ルックアップテーブル１９２のデータ又はモデリングソフトウェアはまた、通常の作動状態から集められた実際のエンジンデータを使用して、校正され得る。設計及びテストフェーズでは、ガスタービンエンジン１００の配管のいくつかにおいて制御バルブを使用する、模擬破損を有する冷却マニフォールド２０２を利用して、ガスタービンエンジン１００を作動する。模擬的に割った配管はさらに、テスト中に大きさ及び位置を変化させることができ、それぞれの異なる模擬割れの大きさは、特定の差圧ならびに、例えばファン速度、コア速度、排気ガス温度等の、ガスタービンエンジン１００の他のシステムに対して特徴的な変化パターンとして現れるようになる。こうしたパターンの変化はさらに、ルックアップテーブル、すなわち、図１の、制御システム１７６の記憶媒体１８８におけるルックアップテーブル１９２を形成する、可読データに変換される。図３に関して以下に記述される通り、制御システム１７６のプロセッサ１８６は、可読指示を実行し、それはまた、記憶媒体１８８に記憶され、通常のエンジン動作と、この記憶されたパターンデータを比較する。

具体的には、図３は、配管故障検知のための、ロジックプロセス３００のフローチャート図を説明する。プロセス３００はステップ３０２で開始する。ステップ３０２で、ガスタービンエンジン１００が起動され、動力を生成する。ここに記述される例示的実施形態では、エンジンが完全作動している間に制御システム１７６によって通常の測定値がとられ、ガスタービンエンジン１００のシャットダウンや分解は必要としない。ガスタービンエンジン１００が完全作動すると、プロセス３００はステップ３０４に進む。

ステップ３０４では、制御システム１７６が、個々の操作パラメータセンサ１８０から、及び操作パラメータセンサ１８０を通常監視するそれらの制御システム機能から別途、データを収集及び測定し、これらの測定値に基づいて、様々なエンジン部品の活動を操作する。これらの測定値が収集されると、プロセス３００はステップ３０６に進む。ステップ３０６では、制御システム１７６が、ステップ３０４からの測定センサデータと、ルックアップテーブル１９２に記憶されたパターンデータを比較し、さらにステップ３０８に進む。ステップ３０８は、決定ステップである。ステップ３０８では、制御システム１７６が、リアルタイムでの測定センサデータと、ルックアップテーブル１９２からのパターンデータの比較が、十分な一致を作りだしているかどうか判断する。つまり、制御システム１７６は、ガスタービンエンジン１００の複数のセンサ及びシステムの測定操作パラメータが、配管破損又は故障を強く表示する記憶データパターンと一致するかどうか、判断する。

ステップ３０８において、制御システム１７６が、測定された操作パラメータが記憶された欠陥モードに一致しないと判断した場合、プロセス３００はさらにステップ３１０に進み、それが、圧縮機セクション１１２及びタービンセクション１１４の間の冷却システムに対すて「通常の」動作状態であるという警告状態を、例えば、ガスタービンエンジン１００と共に飛行する飛行機のコックピットへ、送る。プロセス３００はさらに、ステップ３０４に戻り、ガスタービンエンジン１００が動力を生成している間は、繰り返す。

ステップ３０８において、制御システム１７６が、測定した操作パラメータが記憶された欠陥モードに一致すると判断した場合、プロセス３００はさらに、ステップ３１２に進み、それが、「配管故障警告」等の警告状態を、例えば、ガスタービンエンジン１００と共に飛行する飛行機のコックピットへ、送る。例示的実施形態の一例では、警告状態はまた、配管破損又は故障の位置及び／又は深刻度を表示するものとする。本例において、配管故障警告が与えられると、プロセス３００はさらにステップ３０４に戻り、ガスタービンエンジン１００が動力を生成している間は、繰り返す。しかしながら、プロセス３００は代わりに、ステップ３０４へ戻る前に、ステップ３１２から、任意選択のステップ３１４に進み得る。ステップ３１４では、配管故障が検知されると、制御システム１７６は、電子制御バルブ２３０のアクチュエータ（図示なし）に出力シグナル１８４を送り、冷却マニフォールド２０２を通る追加冷却気流を開放し、破損した配管を含む冷却マニフォールド２０２からの空気流の損失を補う。

さらには、図３に説明されるプロセスはまた、図２に関して記述される実施形態と協働して実施され得る。これらの個々の実施形態はそれぞれ、本例において、別の実施形態による故障配管判断のチェック、又は検証として作用する。ここに記述されるいくつかの実施形態は、全体として、又は部分的に、互いに独立して、又は共に協働して、作用し得る。

ガスタービンエンジンの配管故障検知システムの例示的実施形態は、上記に詳しく記述される。検知システム、およびそのようなシステムおよび部品装置を操作する方法は、本明細書に記載される特定の実施形態に限定されず、むしろ、本方法のシステム及び／又はステップの構成要素は、本明細書に記載される他の構成要素および/又はステップから独立して及び単独で利用され得る。むしろ、例示的実施形態は、冷却気流のリダイレクションを活用した冷却システムを実装するその他の機械用途と関連して実装され、活用され得る。

上述の、統合されたセンサ及び関連する検証システムは、厳しい環境における拡張運転を容易にする。具体的には、検証システム部品の有意な部分を、高温で回転可能な部品に、そういった部品の製造中に統合することにより、それらが製造された後にそれぞれのターボマシンへ挿入するための、高温で回転可能な部品を準備するのに費やされる時間と資源量が低減する。さらに、具体的には、ここに記述される、統合されたセンサ及び関連する検証システムは、センサの一部として統合される基板材料及び誘電体材料を具備し、その結果、センサが、既知のセンサを受け入れるには十分な基板及び誘電体材料を有さない部品上、又は部品の一部分上に配置され得る。センサと部品のそのような統合は、必要な基板及び／又は誘電体材料を、検証装置の特徴としてセンサに追加することを含み、そういったセンサの使用を妨げるであろう領域においてセンサの配置を容易にする。その結果、センサと部品のそのような統合は、部品上の最も適切で、所望される位置にセンサを配置することを容易にする。さらに、センサと高温で回転可能な部品のそのような統合は、複製を試みる非ＯＥＭ（相手先ブランド製造者）企業に対するハードルが高めることになる。

本明細書で示した方法、システムおよび装置の例示的技術的効果としては、（ａ）そのような部品の製造中に部品内に検証システム装置を統合し、それによって、それらが製造された後にそれぞれのターボマシンに挿入するための部品を準備するのに費やされる時間及び資源量が低減し、（ｂ）高温で回転可能な部品上の最も適切で、所望される位置においてセンサ部品の配置を容易にし、（ｃ）精密なチップ特性を有しない、厳しい環境にセンサを置き、それによってより堅牢な検証装置を容易にし、（ｄ）それらの部品の製造後には関連部品に取り付けられない、センサを提供し、それによって、より剛健な検証装置を容易にし、及び（ｅ）無線環境にて機械センサの受動的動作を容易にする、ことの少なくとも１つを含む。

本発明の様々な実施形態の特定の特徴を示す図面もあれば、示さない図面もあるが、これは、便宜上のためのみである。本発明の原理により、図面の任意の特徴が任意の他の図面の任意の特徴と組み合わせて参照されてもよく及び／又は請求されてもよい。

いくつかの実施形態は、一つ又は複数の電子又はコンピューティング装置の使用を含む。そのような装置は典型的に、汎用中央処理装置（ＣＰＵ）、画像処理装置（ＧＰＵ）、マイクロコントローラ、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）プロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルロジック回路（ＰＬＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、デジタル信号処理（ＤＳＰ）装置、及び／又は、ここに記述される機能を実行できるその他の回路又はプロセッサのような、プロセッサ又はコントローラを具備する。ここに記述される方法は、記憶装置及び／又はメモリ装置を含むがこれらに限らない、コンピュータ可読媒体で具現化された実行可能命令として符号化され得る。そのような命令は、プロセッサによって実行されると、ここに記述された方法の少なくとも一部を行わせる。上記の例は単に例示的であり、したがって、用語「プロセッサ」の定義及び／又は意味を限定することを決して意図するものではない。

記載したこの記述は、例を用いて、最良の形態を含む実施形態を開示し、かつ、いかなる当業者に対しても、任意の装置またはシステムを作成し用いることおよび任意の統合された方法を実行することを含む本発明の実施をすることができるようにもする。特許を受けることができる本発明の範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の実施例を含みうる。そうした他の実施例は、特許請求の範囲の字義どおりの用語と異なるものではない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の字義どおりの用語と実体のない差異をもつ同等の構造的要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内であることが意図される。

本開示の様々な実施形態の特定の特徴は、いくつかの図面には示されており、他の図面には示されていないが、これは便宜上のものに過ぎない。本開示の原理によれば、図面の任意の特徴は、他の図面の任意の特徴と組み合わせて参照および/または請求することができる。

１００ガスタービンエンジン
１０２長手方向軸
１０４ファンセクション
１０６コアエンジン
１０８外部ケーシング
１１０環状入口
１１２圧縮機セクション
１１４タービンセクション
１１６ＬＰ圧縮機
１１８ＨＰ圧縮機
１２０燃焼セクション
１２２ＨＰタービン
１２４ＬＰタービン
１２６排気ノズルセクション
１２８ＨＰシャフト
１３０ＬＰシャフト
１３２コア空気流路
１３４可変ピッチファン
１３６ファン動翼
１３８ディスク
１４０ピッチ変更機構（ＰＣＭ）
１４２パワーギアボックス
１４４回転フロントハブ
１４６環状ファンケーシング
１４８離間した出口ガイド翼
１５０下流セクション
１５２バイパス空気流路
１５４空気の量
１５６関連入口
１５８第１部分
１６０第２部分
１６２燃焼ガス
１６４静翼
１６６ＨＰタービン動翼
１６８ＬＰタービン静翼
１７０ＬＰタービン動翼
１７２ファンノズル排気セクション
１７４高温ガス流路
１７６制御システム
１７８データ入力
１８０操作パラメータセンサ
１８２燃料ライン
１８４データ出力
１８６プロセッサ
１８８記憶媒体
１９０機械可読指示
１９２ルックアップテーブル
２００配管異常検知システム
２０２冷却マニフォールド
２０４第１端部
２０６圧縮機ポート
２０８第２端部
２１０タービンポート
２１２部分
２１４圧力センサ
２１６第１圧力入力
２１８第２圧力入力
２２０検出ライン
２２２検出ライン
２２４開口部
２２６センサ出力
２２８接続部
２３０制御バルブ
３００プロセス
３０２ステップ
３０４ステップ
３０６ステップ
３０８ステップ
３１０ステップ
３１２ステップ
３１４ステップ
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Claims

圧縮機及びタービンを有するガスタービンエンジンのための配管故障検知システムであって、
前記圧縮機から前記タービンへ冷却気を導くよう構成された冷却マニフォールドで、少なくとも二つの冷却配管を備える冷却マニフォールドと、
配管破損を示す運転状態を検知するよう構成されたセンサと、
前記センサによって検知された前記運転状態に応じて、前記冷却マニフォールドを通る冷却気量を制御するよう構成されたコントローラと
を備える配管故障検知システム。
前記動作状態が、第１位置での第１操作パラメータと、前記第１位置とは異なる第２位置での第２操作パラメータの間の検知された差異である、請求項１に記載の前記配管故障検知システム。
前記冷却マニフォールドがさらにバルブを備える、請求項１に記載の前記配管故障検知システム。
前記コントローラはさらに、前記バルブを制御することによって、前記冷却マニフォールドを通る前記冷却気量を制御するよう構成された、請求項３に記載の前記配管故障検知システム。
前記バルブが、複数の位置で開くよう構成された調節バルブである、請求項３に記載の前記配管故障検知システム。
前記センサが第１圧力センサであり、前記第１及び第２操作パラメータが、それぞれ前記第１位置及び前記第２位置で測定された圧力である、請求項２に記載の前記配管故障検知システム。
前記第１圧力センサが、前記圧縮機及び前記タービンの外側に配置された、それぞれの圧力管によって前記第１及び第２位置の両方に接続された、単一圧力スイッチである、請求項６に記載の前記配管故障検知システム。
前記第１圧力センサが、前記第１及び第２位置の間の前記検知された圧力差異を、前記コントローラに通信するよう構成された、請求項７に記載の前記配管故障検知システム。
前記第１位置が、前記圧縮機近傍の前記冷却マニフォールドにおける開口部であり、前記第２位置が、前記タービン近傍の前記冷却マニフォールドの開口部及び、前記タービン上流の前記冷却マニフォールドの開口部のうちの一つである、請求項８に記載の前記配管故障検知システム。
前記第１位置が、前記タービン上流の前記少なくとも二つの冷却配管の第１の冷却配管における開口部であり、前記第２位置が、前記タービンの上流の前記少なくとも二つの冷却配管の第２の冷却配管における開口部である、請求項８に記載の前記配管故障検知システム。
さらに、機及び前記タービンの外側に配置されたそれぞれの圧力管によって第３位置及び第４位置の間に結合された第２圧力スイッチを備える第２圧力センサを備え、前記第３及び第４位置が、前記第１位置とは異なる、請求項７に記載の前記配管故障検知システム。
前記コントローラがさらに、前記第１圧力センサ及び前記第２圧力センサの比較に基づいて前記冷却マニフォールドを通る前記冷却気量を制御するよう構成された、請求項１１に記載の前記配管故障検知システム。
前記圧力センサが、前記第１位置近傍に配置された第１圧力スイッチと、前記第２位置近傍に配置された第２圧力スイッチを備え、前記第１及び第２圧力スイッチが、直接有線及び無線送信のひとつによって、測定された圧力データを前記コントローラへ電子的に送信するよう構成された、請求項６に記載の前記配管故障検知システム。
前記センサが、バーチャルセンサモデリングシステムを備える、請求項１に記載の前記配管故障検知システム。
前記センサが、圧縮機の圧力、ファン速度、コア速度、及び燃料流のうちの二つ又はそれ以上を測定するよう構成された、請求項１４に記載の前記配管故障検知システム。
前記センサが、前記冷却マニフォールドに沿った、温度センサ、熱電対、振動センサ、連続性センサ、光ファイバセンサ、及び前記ガスタービンエンジンの圧力レベル増加に対応するよう構成されたポップアップドアの少なくとも一つを備える、請求項１に記載の前記配管故障検知システム。
ガスタービンエンジンにおける配管故障を検知する方法であって、前記ガスタービンエンジン内で動力を生成するステップと、前記ガスタービンエンジン内の異なる位置に配置された少なくとも二つのセンサからセンサデータを計測するステップと、前記少なくとも二つのセンサからの前記測定されたセンサデータを、ルックアップテーブルにおける記憶データと比較するステップと、前記比較に基づいて警告シグナルを送信するステップと、を備える方法。
さらに、前記警告シグナルに基づいて電子的に制御された冷却バルブを通る空気流量を制御するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
前記少なくとも二つのセンサが、圧縮機の圧力、ファン速度、コア速度、及び燃料流のうち、二つ又はそれ以上を備える、請求項１７に記載の前記方法。
ガスタービンエンジンであって圧縮機と、タービンと、前記圧縮機から前記タービンへ冷却気を導くよう構成された冷却マニフォールドで、少なくとも二つの冷却配管を備える冷却マニフォールドと、第１位置での第１操作パラメータと、前記第１位置とは異なる第２位置での第２操作パラメータの間の差異を検知するよう構成されたセンサと、前記センサによって検知された前記差異に応じて、前記冷却マニフォールドを通る冷却気量を制御するよう構成されたコントローラと、を備えるガスタービンエンジン。