JP2017166476A

JP2017166476A - エンジン健全性に応じてタービン冷却を調節するための方法およびシステム

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Publication number: JP2017166476A
Application number: JP2017018090A
Authority: JP
Inventors: スリダー・アディバトラ; Adibhatla Sridhar
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2016-02-16
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2017-09-21
Also published as: CN107083999A; US10794286B2; EP3208442A1; CN107083999B; CA2957479A1; US20170234224A1

Abstract

【課題】エンジン構成部品の健全性に基づいて、エンジン構成部品への冷却流を調節する方法が提供される。【解決手段】本方法は、複数の運転条件のそれぞれに対してエンジン構成部品の必要冷却流量を決定することと、複数の運転条件の各運転条件のそれぞれにおいて、決定された必要な流量をエンジン構成部品に流すこととを含む。本方法はまた、エンジン構成部品の健全性を評価することを含む。本方法はさらに、エンジン構成部品の評価された健全性に基づいて、決定された必要冷却流量を修正することと、複数の運転条件のその後の各運転条件のそれぞれにおいて、修正された必要冷却流量をエンジン構成部品に供給することとを含む。【選択図】図１

Description

本開示の分野は一般にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、エンジン健全性に応じてタービン冷却を調節するための方法およびシステムに関する。

ガスタービンエンジンは典型的には、冷却空気をタービンブレードなどのタービンロータ構成部品に供給する冷却システムを含んで、このような構成部品の温度を制限する。公知の冷却システムでは、冷却流量は一般的には、エンジンの最高タービン入口温度の点で必要な冷却となるのに必要なレベルで固定される。ガスタービンエンジンは通常、最高タービン入口温度より低い温度の状態で運転されるので、ガスタービンエンジンは通常、過剰な冷却流と低い効率で作動する。この過剰な冷却はまた、燃料消費を増大させる影響を及ぼす。

米国特許第８６１６８２７号公報

一態様では、タービン冷却調節（ＭＴＣ：ｍｏｄｕｌａｔｅｄｔｕｒｂｉｎｅｃｏｏｌｉｎｇ）制御システムが提供される。本ＭＴＣ制御システムは、メモリと通信するプロセッサを含む。プロセッサは、複数の運転条件のそれぞれに対してエンジン構成部品の必要冷却流量を決定し、かつ複数の運転条件の各運転条件のそれぞれにおいて、決定された必要な流量をエンジン構成部品に流すようにプログラムされる。プロセッサはまた、エンジン構成部品の健全性を評価するようにプログラムされる。プロセッサはさらに、エンジン構成部品の評価された健全性に基づいて、決定された必要冷却流量を修正し、かつ、複数の運転条件のその後の各運転条件のそれぞれにおいて、修正された必要冷却流量をエンジン構成部品に供給するようにプログラムされる。

別の態様では、エンジン構成部品の健全性に基づいて、エンジン構成部品への冷却流を調節する方法が提供される。本方法は、複数の運転条件のそれぞれに対してエンジン構成部品の必要冷却流量を決定することと、複数の運転条件の各運転条件のそれぞれにおいて、決定された必要な流量をエンジン構成部品に流すこととを含む。本方法はまた、エンジン構成部品の健全性を評価することを含む。本方法はさらに、エンジン構成部品の評価された健全性に基づいて、決定された必要冷却流量を修正することと、複数の運転条件のその後の各運転条件のそれぞれにおいて、修正された必要冷却流量をエンジン構成部品に供給することとを含む。

さらに別の態様では、ターボファンエンジンが提供される。本ターボファンエンジンは、多段圧縮機を含むコアエンジンと、前記コアエンジンで発生したガスによって駆動されるタービンによって動力を与えられるファンと、コアエンジンおよびファンを少なくとも部分的に取り囲むファンバイパスダクトと、ターボファンエンジンの少なくとも１つのエンジン構成部品と通信するタービン冷却調節（ＭＴＣ）制御システムとを含む。ＭＴＣ制御システムは、メモリと通信するプロセッサを含む。プロセッサは、複数の運転条件のそれぞれに対してエンジン構成部品の必要冷却流量を決定し、かつ複数の運転条件の各運転条件のそれぞれにおいて、決定された必要な流量をエンジン構成部品に流すようにプログラムされる。プロセッサはまた、エンジン構成部品の健全性を評価するようにプログラムされる。プロセッサはさらに、エンジン構成部品の評価された健全性に基づいて、決定された必要冷却流量を修正し、かつ、複数の運転条件のその後の各運転条件のそれぞれにおいて、修正された必要冷却流量をエンジン構成部品に供給するようにプログラムされる。

本開示のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、図面全体を通して同様な符号が同様な部品を表している添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解できるであろう。

本開示の例示的な実施形態による、タービン冷却調節（ＭＴＣ）制御システムを含む例示的なガスタービンエンジンの概略図である。図１に示したＭＴＣ制御システムを示す概略図である。エンジン構成部品の健全性に基づいて、エンジン構成部品への冷却流を調節する例示的な方法の簡易図である。

本明細書で提供する図面は、別に指摘しない限り、本開示の実施形態の特徴を示すことを意図している。これらの特徴は、本開示の１つまたは複数の実施形態を備える広範なシステムにおいて適用可能であると考えられる。したがって、図面は、本明細書で開示する実施形態を実施するのに必要な当業者の公知の従来の特徴をすべて含めることを意図していない。

以下の明細書および特許請求の範囲において、いくつかの用語に言及するが、それらの用語は、以下の意味を有するものと定義する。

単数形「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」は、文脈においてそうではないと明示しない限り、複数を言及することを含む。

「任意の（ｏｐｔｉｏｎａｌ）」または「任意には（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）」という用語は、その用語に続いて記述される事象または状況は起こる場合も起こらない場合もあるが、この記述は、この事象が起こる場合と起こらない場合とを含むことを意味する。

本明細書および特許請求の範囲を通じてここで用いる近似表現は、関連する基本的機能に変化を生じさせることなく変化することが許容される任意の量的表示を修飾するために適用することができる。したがって、「約（ａｂｏｕｔ）」、「ほぼ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」、および「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」などの用語で修飾された値は、その特定された正確な値には限定されない。少なくともいくつかの場合には、近似表現はその値を測定するための機器の精度に対応することがある。ここで、および本明細書および特許請求の範囲を通して、範囲の限定は、組み合せることができ、かつ／または交換することができ、このような範囲は、文脈または用語がそうでないことを示さない限り、そこに含まれるすべての部分範囲として特定され、かつすべての部分範囲を含む。

本明細書で説明するタービン冷却調節（ＭＴＣ）制御システムの実施形態は、エンジン健全性および運転条件に応じて、エンジン構成部品に流す冷却流の量を修正するための費用効果の高い方法を提供する。運転条件としては、航空機エンジン用途に対しては、巡航、上昇、下降、および離陸などの飛行条件を含むことができ、地上用および舶用の製造／産業用動力発生用途に対しては、温度、湿度、圧力などのエンジン出力レベルおよびサイト条件をさらに含むことができる。本明細書で説明するＭＴＣ制御システムは、圧縮機抽気接続部と流れ連通して結合した１つまたは複数のＭＴＣ弁と通信する。ＭＴＣ制御システムは、弁位置決めコマンドを発生して１つまたは複数のＭＴＣ弁の位置を調節し、それによってそれらを通って流れる冷却流を修正するように構成される。初期冷却流は、決定された必要とされる冷却流量にしたがって、エンジン構成部品、詳細には、１つまたは複数のタービン構成部品に供給される。ＭＴＣ制御システムは、健全性モデルを使用してエンジン構成部品の健全性を評価し、決定されたエンジン健全性および運転条件に応じて、エンジン構成部品に流すべき修正冷却流（例えば、より多い、またはより少ない冷却流）を決定する。ＭＴＣ制御システムは、決定された修正冷却流にしたがって、エンジン構成部品への冷却流を修正する。一実施形態では、冷却流は、修正弁位置決めコマンドを発生して１つまたは複数のＭＴＣ弁の位置を調節することによってＭＴＣ制御システムによって修正される。１つまたは複数の運転条件（巡航飛行条件など）において、不必要な冷却流を除くことによって冷却流が削減される場合、航空機エンジンの燃料消費率（ＳＦＣ：ｓｐｅｃｉｆｉｃｆｕｅｌｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）を低減することができる。追加の冷却流が必要な場合、エンジン構成部品の健全性および運転条件にしたがって必要とされる冷却流をリアルタイムで調節することによって、ＭＴＣ制御システムは、１つまたは複数のエンジン構成部品の寿命を延ばすことができる。例えば、離陸または上昇飛行条件中に冷却流を増加させることによって、エンジンのタイムオンウイングを延ばすことができる。

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。例示的な実施形態では、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具現化されている。図１に示すように、ターボファンエンジン１００は、軸方向Ａ（参考のために示した長手方向の中心線１１２に平行に延在する）、および半径方向Ｒを定める。一般に、ターボファンエンジン１００は、ファン組立体１１４、およびファン組立体１１４の下流に配置されたコアエンジン１１６を含む。

例示的な実施形態では、コアエンジン１１６は、環状の入口１２０を画定するほぼ管状の外側ケーシング１１８を含む。外側ケーシング１１８内には、直列流れ関係で、ブースタまたは低圧（ＬＰ：ｌｏｗｐｒｅｓｓｕｒｅ）圧縮機１２２および高圧（ＨＰ：ｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅ）圧縮機１２４を含む圧縮機セクション、燃焼セクション１２６、高圧（ＨＰ）タービン１２８および低圧（ＬＰ）タービン１３０を含むタービンセクション、ならびにジェット排気ノズルセクション１３２が収まっている。高圧（ＨＰ）シャフトまたはスプール１３４は、ＨＰタービン１２８をＨＰ圧縮機１２４に駆動可能に接続する。低圧（ＬＰ）シャフトまたはスプール１３６は、ＬＰタービン１３０をＬＰ圧縮機１２２に駆動可能に接続する。圧縮機セクション、燃焼セクション１２６、タービンセクション、およびノズルセクション１３２は一緒になってコア空気流路１３７を定める。

ターボファンエンジン１００の作動中、ある量の空気１５８が、ファン１３８を含むファン組立体１１４の関連する入口１６０を通ってターボファンエンジン１００に入る。その量の空気１５８がファン１３８の複数のファンブレード１４０を通りすぎると、空気１５８の量の第１の部分１６２は、（コアエンジン１１６と環状ナセル１５０との間の）バイパス空気流通路１５６内に向けられ、または送られ、空気１５８の量の第２の部分１６４は、コア空気流路１３７、または、より詳細には、ＬＰ圧縮機１２２内に向けられ、または送られる。第１の部分１６２と第２の部分１６４との比は通常、バイパス比として知られる。次いで、空気の第２の部分１６４の圧力は、高圧（ＨＰ）圧縮機１２４を通って燃焼セクション１２６内に送られると上昇し、そこで燃料と混合されて燃焼して燃焼ガス１６６を供給する。

燃焼ガス１６６はＨＰタービン１２８を通るように送られ、そこで、燃焼ガス１６６からの熱エネルギーおよび／または運動エネルギーの一部分が、外側ケーシング１１８に結合されたＨＰタービンステータベーン１６８と、ＨＰシャフトまたはスプール１３４に結合されたＨＰタービンロータブレード１７０との連続した段によって取り出され、したがって、ＨＰシャフトまたはスプール１３４を回転させ、次いでＨＰ圧縮機１２４の回転を駆動する。次いで、燃焼ガス１６６はＬＰタービン１３０を通るように送られ、そこで、燃焼ガス１６６から、熱エネルギーおよび運動エネルギーの第２の部分が、外側ケーシング１１８に結合されたＬＰタービンステータベーン１７２と、ＬＰシャフトまたはスプール１３６に結合されたＬＰタービンロータブレード１７４との連続した段によって取り出され、それが、ＬＰシャフトまたはスプール１３６、およびＬＰ圧縮機１２２の回転、ならびに／あるいはファン１３８の回転を駆動する。

続いて、燃焼ガス１６６は、コアエンジン１１６のジェット排気ノズルセクション１３２を通るように送られて推進力を与える。同時に、第１の部分１６２がバイパス空気流通路１５６を通るように送られると、第１の部分１６２の圧力が実質的に上昇し、それから、ターボファンエンジン１００のファンノズル排気セクション１７６から排出されて、これもまた推進力を与える。ＨＰタービン１２８、ＬＰタービン１３０、およびジェット排気ノズルセクション１３２は、コアエンジン１１６を通るように燃焼ガス１６６を送るための高温ガス通路１７８を少なくとも部分的に定める。

図示の実施形態では、ターボファンエンジン１００はさらに、タービン冷却調節（ＭＴＣ）制御システム１８０を含む。ＭＴＣ制御システム１８０は、冷却空気を１つまたは複数の圧縮機抽気接続部１８２から１つまたは複数のＭＴＣ弁１８４に流すことを制御（例えば、調節）するように構成される。冷却空気は、１つまたは複数の導管１８６（例えば、パイプ、チューブ、マニホールドなど）を通って流される。例示的な実施形態では、ＭＴＣ制御システム１８０は、運転条件およびエンジン健全性に応じて、ＭＴＣ弁１８４によって冷却空気の流量を調節する。ターボファンエンジン１００は、単なる一例として図１に示されているだけで、他の例示的な実施形態では、ターボファンエンジン１００は、例えば、ターボプロップエンジンを含む任意の他の適切な構成を有することができる。さらに、ターボファンエンジン１００は、航空機用途、ならびに地上用および／または舶用の製造および／または産業用途に使用するのに適した構成を有することができる。

図２は、ＭＴＣ制御システム１８０（図１に示す）をさらに示す概略ブロック図２００である。図示の実施形態では、ＭＴＣ制御システム１８０は、運転条件、ならびに測定された、または見積もられたエンジン健全性に応じて冷却を行なうことによって、タービン１２８および／または１３０（両方とも図１に示す）への冷却空気の流量をより効率的に制御するように構成される。ＭＴＣ制御システム１８０を使用してエンジン１００（これも図１に示す）の健全性の実際の程度（例えば、劣化度合い）を測定する、かつ／または見積もることによって、新しい効率的なエンジン１００および／または既存のエンジン１００において、正確な冷却流スケジュールを実施するのが容易になる。したがって、特定の燃料消費率（ＳＦＣ）を低減することができ、エンジン１００の性能を改善することができる。さらに、劣化したエンジン１００に対する冷却流の調節もまた改善され、それは、航空機エンジン１００のタイムオンウイングを改善するなど、エンジン１００（および／または、その特定の構成部品）の寿命を延ばすことを容易にする。

ＭＴＣ制御システム１８０は、１つまたは複数のＭＴＣ弁１８４を含み、かつ／またはそれらと通信して、その位置を調節してエンジン１００の構成部品への冷却流を修正する。図示の実施形態では、３つの圧縮機抽気接続部１８２Ａ、１８２Ｂ、１８２Ｃは、それぞれ３つのＭＴＣ弁１８４Ａ、１８４Ｂ、１８４Ｃに流れ連通して結合される。しかしながら、この例は限定的なものではなく、単なる一例を示しているにすぎず、任意の数の他のＭＴＣ配置が考えられ、本開示の範囲から逸脱することなく使用することができることを理解すべきである。ＨＰ圧縮機１２４（図１に示す）の吐出域に対応する第１の圧縮機抽気接続部１８２Ａは、第１の導管１８６Ａを経て、前方段のＨＰタービンロータブレード１７０（これも図１に示す）に対応する第１のＭＴＣ弁１８４Ａに接続される。言い換えれば、圧縮機１２４吐出空気は、前方段のＨＰタービンロータブレード１７０を冷却するために使用される。ＨＰ圧縮機１２４の後方段に対応する第２の圧縮機抽気接続部１８２Ｂは、第２の導管１８６Ｂを経て、ＨＰタービン１２８の前方段のベーンに対応する第２のＭＴＣ弁１８４Ｂに接続される。言い換えれば、ＨＰ圧縮機１２４の後方段の空気は、ＨＰタービン１２８の前方段のベーンを冷却するために使用される。ＨＰ圧縮機１２４の前方段または中間段に対応する第３の圧縮機抽気接続部１８２Ｃは、第３の導管１８６Ｃを経て、ＬＰタービン１３０に対応する第３のＭＴＣ弁１８４Ｃに接続される。言い換えれば、ＨＰ圧縮機１２４の前方段または中間段の空気は、ＬＰタービン１３０を冷却するために使用される。他の実施形態では、３つより多い、または少ない抽気接続部１８２、ＭＴＣ弁１８４、および／または導管１８６を、本開示の範囲から逸脱することなくエンジン１００に備えることができることを理解すべきである。これに加えて、またはこれに代えて、ＭＴＣ弁１８４はタービン１２８、１３０以外のエンジン１００の他の構成部品と流れ連通して結合されて、本開示にしたがってそれらに冷却流を供給することができる。

一実施形態では、ＭＴＣ制御システム１８０は、ターボファンエンジン１００を含む航空機（図示せず）の全ディジタル電子式エンジン制御装置（ＦＡＤＥＣ：ｆｕｌｌａｕｔｈｏｒｉｔｙｄｉｇｉｔａｌｅｎｇｉｎｅｃｏｎｔｒｏｌ）コンピュータシステムを含む、またはそれに統合されている。ＭＴＣ制御システム１８０は、エンジン１００の健全性および運転条件に応じて、タービン１２８および１３０のうちの１つまたは複数への冷却空気の流量を調節するように構成される。具体的には、一実施形態では、ＭＴＣ制御システム１８０は、様々な運転条件でエンジン１００を運転しながら、エンジン１００の健全性をリアルタイムで監視するように構成される。運転条件は、例えば、離陸、上昇、巡航、降下などの飛行条件（本明細書では「フライトフェーズ」と称することもある）を含むことができる。運転条件は、温度、湿度、圧力、および／または任意の他の運転条件を含む地上用および／または舶用の製造／産業用の動力発生エンジン１００の運転条件をさらに含むことができる。一実施形態では、例えば、劣化、汚れ、および／または摩耗により、エンジン１００の健全性が悪化すると、ＭＴＣ制御システム１８０は、タービン１２８および／または１３０（および／または、エンジン１００の他の構成部品）への冷却流を増加させるように構成される。別の実施形態では、新しい、および／またはより効率的なエンジン１００に対しては、ＭＴＣ制御システム１８０は、タービン１２８および／または１３０（および／または、エンジン１００の他の構成部品）への不必要な冷却流を減少させるように構成され、それによって、ＳＦＣが低減され、かつ／または（航空機エンジン１００に対しては）タイムオンウイングが改善される。

図示の実施形態では、ＭＴＣ制御システム１８０は、プロセッサ２０２およびメモリ２０４を含み、少なくとも１つのエンジンセンサ２０６、ならびに運転条件データ、高度、および／またはマッハ数などのエンジンパラメータの源２１０と通信している。１つの特定の実施形態では、センサ２０６はエンジン１００の健全性を測定するように構成される。エンジン１００の健全性は、エンジン１００の任意の構成部品の健全性をまとめて言及しており、センサ２０６は、個々の構成部品の健全性を測定して評価するように構成することができることを理解すべきである。センサ２０６は、いくつかの実施形態では、仮想センサとすることができる。センサ２０６はエンジン１００全体に配置することができ、例えば、ファン１３８（図１に示す）、ＨＰ圧縮機１２４、ＨＰタービン１２８、ＬＰタービン１３０、および／またはエンジン１００の任意の他の構成部品のうちの１つの中に、および／または、それに隣接して配置することができる。ＭＴＣ制御システム１８０はさらに、通信インターフェース２０８を含んで、ＭＴＣ制御システム１８０が、センサ２０６、および１つまたは複数の航空機制御システムあるいはエンジンパラメータの他の源２１０などの遠隔装置と通信することができる。通信インターフェース２０８は、例えば、有線または無線のネットワークアダプタ、あるいはネットワークで使用するための無線データ送受信機を含むことができる。例えば、通信インターフェース２０８は、航空機制御システム、またはエンジンパラメータの他の源２１０と有線または無線で通信することができ、それらから信号（例えば、要求、命令、値）を受信することができる。

プロセッサ２０２は、コンピュータ読取可能な命令（例えば、メモリ２０４内に記憶）を実行して、エンジン健全性評価モジュール２１２を実行するように構成される。エンジン健全性評価モジュール２１２は、センサ２０６からのセンサデータ、および／または源２１０からのエンジンパラメータを処理して、エンジン１００の健全性をその使用期間全体を通じて見積もるように構成される。エンジン健全性評価モジュール２１２は、ＨＰ圧縮機１２４などのエンジン１００の特定の構成部品の健全性を監視するように構成することができることを理解すべきである。一実施形態では、エンジン健全性評価モジュール２１２は健全性モデル２１４を含み、健全性モデル２１４は、トラッキングフィルタ２１５を含む、またはそれと通信している。健全性モデル２１４は、予想されるエンジン状態および航空機パラメータを、運転条件、エンジン使用時間、タイムオンウイング、および／または他のパラメータにしたがってモデル化する。トラッキングフィルタ２１５は、広く言えば、センサ２０６からのセンサデータ、および／または源２１０からのエンジンパラメータを使用して決定された実際のエンジン特性にしたがって健全性モデル２１４を調整または較正するために使用されるパラメータ見積アルゴリズムである。言い換えれば、トラッキングフィルタ２１５は、健全性モデル２１４と実際のエンジン状態との間の違いを同定し、それにしたがって健全性モデル２１４を調整する。エンジン健全性評価モジュール２１２は、これらの違いをエンジン１００の健全性の見積もりとして監視するように構成される。

プロセッサ２０２はさらに、エンジン健全性評価モジュール２１２からの出力を使用して、弁位置決めコマンド２２０を発生するように構成された制御モジュール２１８を含む。さらに、エンジン健全性評価モジュール２１２からの出力は、較正（例えば、健全性モデル２１４の較正、および／または航空機の他のシステムの較正、図２には示さず）のために、学習モジュール２１６内に記憶され、かつ／またはそこから取り出すことができる。制御モジュール２１８（ならびに／あるいは、プロセッサ２０２および／またはＭＴＣ制御システム１８０の任意の他の構成部品）はさらに、弁位置決めコマンド２２０を使用して少なくとも１つのＭＴＣ弁１８４の位置を調節するように構成され、その結果、タービン１２８および／または１３０のうちの１つまたは複数への冷却流が調節される。例えば、特定の運転条件中、エンジン健全性評価モジュール２１２が、エンジン１００の健全性が閾レベルを超えて劣化したと判定すると、制御モジュール２１８は、弁位置決めコマンド２２０を発生し、それを使用して、１つまたは複数のＭＴＣ弁１８４をさらに開けて、タービン１２８および／または１３０への冷却を増大することができる。したがって、対応するエンジン構成部品には修正（増大）された冷却流が供給される。

例示的な実施形態では、ＭＴＣ制御システム１８０は、エンジン健全性評価モジュール２１２内の初期パラメータ（例えば、新しいエンジン１００に対して予想されるパラメータ、または劣化したエンジン１００に対して最悪の場合のパラメータ）を使用して、ＨＰタービン１２８および／またはＬＰタービン１３０などのエンジン構成部品の必要冷却流量を決定する。ＭＴＣ制御システム１８０は、複数の運転条件のそれぞれに対して、各構成部品の必要冷却流量を決定する。例えば、航空機エンジン１００では、離陸および上昇などの特定の飛行条件では、巡航時より多くの冷却流を必要とすることがある。航空機エンジン１００の例について続けて説明すると、ＭＴＣ制御システム１８０は、最初は、様々な飛行条件において、初期決定された必要な冷却流量を各構成部品に流すように構成される。一実施形態では、ＭＴＣ制御システム１８０の制御モジュール２１８は、弁位置決めコマンド２２０を各飛行条件に対する初期状態に設定し、その結果、ＭＴＣ弁１８４は、各飛行条件に対して適切なに置決めされて各構成部品に必要な冷却流を供給する。

ＭＴＣ制御システム１８０は、例えば、上記のようなエンジン健全性評価モジュール２１２を使用して、エンジン１００の実際の健全性を評価する。一実施形態では、ＭＴＣ制御システム１８０は、エンジン１００（および、その構成部品のタービン１２８および／または１３０など）の作動中にリアルタイムでエンジン１００の健全性を評価する。ＭＴＣ制御システム１８０は、評価されたエンジン１００の健全性に基づいて、エンジン１００の１つまたは複数の構成部品の必要冷却流量を修正する。例えば、ＭＴＣ制御システム１８０は、巡航などの１つまたは複数の飛行条件で、必要より多くの冷却流がタービン１２８、１３０のうちの１つに流されていることを判定することができる。したがって、ＭＴＣ制御システム１８０の制御モジュール２１８は、更新または修正された弁位置決めコマンド２２０を発生して、タービン１２８、１３０のうちの１つに対応する１つまたは複数のＭＴＣ弁１８４の位置を修正する。弁位置決めコマンド２２０は修正された状態に設定され、その結果、対応するＭＴＣ弁１８４は、巡航中、より少ない冷却流をタービン１２８、１３０のうちの対応する１つに流すように位置決めされる。このような場合、ＳＦＣは、修正されていない冷却流をエンジン１００の構成部品に流すことに比べて低減することができる。

いくつかの実施形態では、制御モジュール２１８は、特定の運転条件で特定のＭＴＣ弁１８４に対して個別に弁位置決めコマンド２２０を修正することができる（例えば、巡航などの１つの飛行条件において、１つのＭＴＣ弁１８４の位置を１回更新する）。他の実施形態では、制御モジュール２１８は、すべての運転条件で１つのＭＴＣ弁１８４に対して弁位置決めコマンド２２０を更新することができる（例えば、すべての飛行条件で１つの弁１８４に対して、同じ調節量だけ、または各飛行条件に対応して、ある割合の調節量だけ、弁位置決めコマンド２２０を修正することができる）。弁位置決めコマンド２２０が修正されると、ＭＴＣ制御システム１８０はＭＴＣ弁１８４を制御して、エンジン１００の対応する構成部品に修正された冷却流を供給する。

図３は、エンジン構成部品の健全性に基づいて、エンジン構成部品への冷却流を調節する方法３００の簡易図である。方法３００の特定のステップは、タービン冷却調節（ＭＴＣ）制御システム１８０（図１に示す）によって実施することができる。方法３００は、複数の運転条件のそれぞれに対してエンジン構成部品（例えば、ＨＰタービン１２８および／またはＬＰタービン１３０のうちの１つまたは複数、両方とも図１に示す）の必要冷却流量を決定すること３０２を含む。方法３００はまた、複数の運転条件の各運転条件それぞれにおいて、決定された必要な流量をエンジン構成部品に流すこと３０４を含む。方法３００は、エンジン構成部品の健全性を評価すること３０６を含む。方法３００はさらに、エンジン構成部品の評価された健全性に基づいて、決定された必要冷却流量を修正すること３０８、および、複数の運転条件のその後の各運転条件のそれぞれにおいて、修正された必要冷却流量をエンジン構成部品に供給すること３１０を含む。

上記のタービン冷却調節（ＭＴＣ）システムは、ガスタービンエンジンのタービン構成部品の冷却を調節するための効率的な方法を提供する。詳細には、上記のＭＴＣ制御システムは、エンジン健全性を評価するように構成されたエンジン健全性評価モジュール、ならびにエンジンの健全性および運転条件に基づいて弁位置決めコマンドを発生するように構成された制御モジュールを含む。したがって、上記のＭＴＣ制御システムは、エンジン健全性および運転条件に応じて、修正された冷却流をタービン構成部品に供給し、その結果、新しいエンジンでは、特定の運転条件において供給される不必要な冷却が少なくなり、古いエンジンでは、劣化に応じた十分な冷却を与えることができる。

本明細書で説明した方法、システム、および装置の例示的な技術的効果は、（ａ）飛行条件およびエンジン健全性にしたがって、実際に必要な冷却に応じてタービン冷却を調節すること、（ｂ）このように調節することによって燃料消費率を低減すること、（ｃ）エンジンの劣化に応じて冷却流を増加させることによって、エンジンおよび／またはその構成部品の寿命（例えば、タイムオンウイング）を延長すること、ならびに／あるいは、（ｄ）「最悪の状況」の運転に関する実際のエンジン状態に反応する、改善されたリアルタイム制御、のうちの少なくとも１つを含む。

タービン冷却調節システムの例示的な実施形態を上記で詳細に説明した。タービン冷却調節システム、およびこのようなシステムおよび構成部品の装置を動作させる方法は、本明細書で説明した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、システムの構成部品および／または方法のステップは、本明細書で説明した他の構成部品および／またはステップとは独立に、かつ別個に利用することができる。例えば、本方法はまた、システム構成部品にタービン流れを流す必要のある他のシステムと組み合せて使用することができ、かつ、本明細書で説明したシステムおよび方法のみで実行することに限定されるものではない。むしろ、例示的な実施形態は、現在、冷却調節システムを受け入れるように構成された多くの他の機械用途に関連して実施および利用することできる。

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、他の図面には示されないことがあるが、これは単に便宜上のことである。本開示の原理にしたがって、図面の任意の特徴は、任意の他の図面の任意の特徴と組み合せて参照および／または特許請求することができる。

本明細書では、最良の態様を含む例を用いて実施形態を開示し、また、任意の装置またはシステムの作製および使用、ならびに任意の組み入れられた方法の実施を含め、当業者が本実施形態を実施できるようにしている。本開示の特許性を有する範囲は、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例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違ない構成要素を含む場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図されている。

最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
メモリ（２０４）と通信するプロセッサ（２０２）を備えるタービン冷却調節（ＭＴＣ）制御システム（１８０）であって、前記プロセッサ（２０２）が、
複数の運転条件のそれぞれに対してエンジン構成部品（１２８、１３０）の必要冷却流量を決定し、
前記複数の運転条件の各運転条件のそれぞれにおいて、前記決定された必要な流量を前記エンジン構成部品（１２８、１３０）に流し、
前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の健全性を評価し、
前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の前記評価された健全性に基づいて、前記決定された必要冷却流量を修正し、かつ、
前記複数の運転条件のその後の各運転条件のそれぞれにおいて、前記修正された必要冷却流量を前記エンジン構成部品（１２８、１３０）に供給する
ようにプログラムされた、タービン冷却調節（ＭＴＣ）制御システム（１８０）。
［実施態様２］
前記プロセッサ（２０２）がさらに、前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の作動中に、前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の健全性をリアルタイムに評価するようにプログラムされた、実施態様１に記載のＭＴＣ制御システム（１８０）。
［実施態様３］
前記プロセッサ（２０２）がさらに、前記修正された必要冷却流量を供給するように構成された弁（１８４）の位置を調節するようにプログラムされた、実施態様１に記載のＭＴＣ制御システム（１８０）。
［実施態様４］
前記プロセッサ（２０２）がさらに、１つまたは複数のセンサ（２０６）、１つまたは複数の仮想センサ（２０６）、および前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の１つまたは複数のモデル（２１４）のうちの少なくとも１つを使用して、前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の健全性を評価するようにプログラムされた、実施態様１に記載のＭＴＣ制御システム（１８０）。
［実施態様５］
前記プロセッサ（２０２）がさらに、健全性モデル（２１４）およびパラメータ見積アルゴリズム（２１５）を使用して、前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の前記健全性を見積もるようにプログラムされた、実施態様４に記載のＭＴＣ制御システム（１８０）。
［実施態様６］
前記プロセッサ（２０２）がさらに、少なくとも離陸、巡航、上昇、および下降を含む複数の飛行条件の必要冷却流量を決定するようにプログラムされた、実施態様１に記載のＭＴＣ制御システム（１８０）。
［実施態様７］
エンジン構成部品（１２８、１３０）の健全性に基づいて、前記エンジン構成部品（１２８、１３０）への冷却流を調節する方法（３００）であって、
複数の運転条件のそれぞれに対して前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の必要冷却流量を決定すること（３０２）と、
前記複数の運転条件の各運転条件のそれぞれにおいて、前記決定された必要な流量を前記エンジン構成部品（１２８、１３０）に流すこと（３０４）と、
前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の健全性を評価すること（３０６）と、
前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の前記評価された健全性に基づいて、前記決定された必要冷却流量を修正すること（３０８）と、
前記複数の運転条件のその後の各運転条件のそれぞれにおいて、前記修正された必要冷却流量を前記エンジン構成部品（１２８、１３０）に供給すること（３１０）と
を含む方法（３００）。
［実施態様８］
前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の健全性を評価すること（３０６）が、前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の作動中に、前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の健全性をリアルタイムに評価することを含む、実施態様７に記載の方法（３００）。
［実施態様９］
前記エンジン構成部品（１２８、１３０）が、複数のガスタービンエンジン構成部品のうちの１つであり、前記複数の運転条件のその後の各運転条件のそれぞれにおいて、前記修正された必要冷却流量を前記エンジン構成部品（１２８、１３０）に供給すること（３１０）が、
前記修正された必要冷却流量を前記エンジン構成部品（１２８、１３０）に供給すること（３１０）を、前記必要な流量を前記エンジン構成部品（１２８、１３０）に流すこと（３０４）に比べると、作動中の前記ガスタービンエンジンの燃料消費率（ＳＦＣ）を低減することと、
前記修正された必要冷却流量を前記エンジン構成部品（１２８、１３０）に供給すること（３１０）を、前記必要な流量を前記エンジン構成部品（１２８、１３０）に流すこと（３０４）に比べると、前記ガスタービンエンジンのタイムオンウイングを延長すること
のうちの少なくとも１つを含む、実施態様７に記載の方法（３００）。
［実施態様１０］
前記複数の運転条件のその後の各運転条件のそれぞれにおいて、前記修正された必要冷却流量を前記エンジン構成部品（１２８、１３０）に供給すること（３１０）が、前記修正された必要冷却流量を供給するように構成された弁（１８４）の位置を調節することを含む、実施態様７に記載の方法（３００）。
［実施態様１１］
前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の健全性を評価すること（３０６）が、１つまたは複数のセンサ（２０６）、１つまたは複数の仮想センサ（２０６）、および前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の１つまたは複数のモデル（２１４）のうちの少なくとも１つを使用して、前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の健全性を評価することを含む、実施態様７に記載の方法（３００）。
［実施態様１２］
前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の健全性を評価すること（３０６）が、健全性モデル（２１４）およびパラメータ見積アルゴリズム（２１５）を使用して、前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の前記健全性を見積もることを含む、実施態様１１に記載の方法（３００）。
［実施態様１３］
複数の運転条件のそれぞれに対して前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の必要冷却流量を決定すること（３０２）が、少なくとも離陸、巡航、上昇、および下降を含む複数の飛行条件の必要冷却流量を決定することを含む、実施態様７に記載の方法（３００）。
［実施態様１４］
ターボファンエンジン（１００）であって、
多段圧縮機（１２４）を含むコアエンジン（１１６）と、
前記コアエンジン（１１６）で発生したガスによって駆動されるタービン（１２８、１３０）によって動力を与えられるファン（１３８）と、
前記コアエンジン（１１６）および前記ファン（１３８）を少なくとも部分的に取り囲むファンバイパスダクト（１５６）と、
前記ターボファンエンジン（１００）の少なくとも１つのエンジン構成部品（１２８、１３０）と通信し、メモリ（２０４）と通信するプロセッサ（２０２）を備えるタービン冷却調節（ＭＴＣ）制御システム（１８０）であって、前記プロセッサ（２０２）が、
複数の運転条件のそれぞれに対して前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の必要冷却流量を決定し、
前記複数の運転条件の各運転条件のそれぞれにおいて、前記決定された必要な流量を前記エンジン構成部品（１２８、１３０）に流し、
前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の健全性を評価し、
前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の前記評価された健全性に基づいて、前記決定された必要冷却流量を修正し、かつ、
前記複数の運転条件のその後の各運転条件のそれぞれにおいて、前記修正された必要冷却流量を前記エンジン構成部品（１２８、１３０）に供給する
ようにプログラムされた、タービン冷却調節（ＭＴＣ）制御システム（１８０）と
を備えるターボファンエンジン（１００）。
［実施態様１５］
前記プロセッサ（２０２）がさらに、前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の作動中に、前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の健全性をリアルタイムに評価するようにプログラムされた、実施態様１４に記載のターボファンエンジン（１００）。
［実施態様１６］
前記プロセッサ（２０２）がさらに、前記修正された必要冷却流量を供給するように構成された弁（１８４）の位置を調節するようにプログラムされた、実施態様１４に記載のターボファンエンジン（１００）。
［実施態様１７］
前記プロセッサ（２０２）がさらに、１つまたは複数のセンサ（２０６）、１つまたは複数の仮想センサ（２０６）、および前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の１つまたは複数のモデル（２１４）のうちの少なくとも１つを使用して、前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の健全性を評価するようにプログラムされた、実施態様１４に記載のターボファンエンジン（１００）。
［実施態様１８］
前記プロセッサ（２０２）がさらに、健全性モデル（２１４）およびパラメータ見積アルゴリズム（２１５）を使用して、前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の前記健全性を見積もるようにプログラムされた、実施態様１４に記載のターボファンエンジン（１００）。
［実施態様１９］
前記プロセッサ（２０２）がさらに、少なくとも離陸、巡航、上昇、および下降を含む複数の飛行条件の必要冷却流量を決定するようにプログラムされた、実施態様１４に記載のターボファンエンジン（１００）。
［実施態様２０］
前記エンジン構成部品（１２８、１３０）が前記タービン（１２８、１３０）を含み、前記冷却流が、前記圧縮機（１２４）から前記タービン（１２８、１３０）に流される、実施態様１４に記載のターボファンエンジン（１００）。

１００ターボファンエンジン
１１２長手方向の中心線
１１４ファン組立体
１１６コアエンジン
１１８外側ケーシング
１２０入口
１２２低圧（ＬＰ）圧縮機
１２４高圧（ＨＰ）圧縮機
１２６燃焼セクション
１２８ＨＰタービン
１３０ＬＰタービン
１３２ジェット排気ノズルセクション
１３４ＨＰシャフトまたはスプール
１３６ＬＰシャフトまたはスプール
１３７コア空気流路
１３８ファン
１４０ファンブレード
１５０ナセル
１５６バイパス空気流通路
１５８空気の量
１６０入口
１６２第１の部分
１６４第２の部分
１６６燃焼ガス
１６８ＨＰタービンステータベーン
１７０ＨＰタービンロータブレード
１７２ＬＰタービンステータベーン
１７４ＬＰタービンロータブレード
１７６ファンノズル排気セクション
１７８高温ガス通路
１８０タービン冷却調節（ＭＴＣ）制御システム
１８２圧縮機抽気接続部
１８２Ａ第１の圧縮機抽気接続部
１８２Ｂ第２の圧縮機抽気接続部
１８２Ｃ第３の圧縮機抽気接続部
１８４ＭＴＣ弁
１８４Ａ第１のＭＴＣ弁
１８４Ｂ第２のＭＴＣ弁
１８４Ｃ第３のＭＴＣ弁
１８６導管
１８６Ａ第１の導管
１８６Ｂ第２の導管
１８６Ｃ第３の導管
２００図
２０２プロセッサ
２０４メモリ
２０６センサ
２０８通信インターフェース
２１０エンジンパラメータ源
２１２エンジン健全性評価モジュール
２１４健全性モデル
２１５トラッキングフィルタ
２１６学習モジュール
２１８制御モジュール
２２０弁位置決めコマンド

Claims

メモリ（２０４）と通信するプロセッサ（２０２）を備えるタービン冷却調節（ＭＴＣ）制御システム（１８０）であって、前記プロセッサ（２０２）が、
複数の運転条件のそれぞれに対してエンジン構成部品（１２８、１３０）の必要冷却流量を決定し、
前記複数の運転条件の各運転条件のそれぞれにおいて、前記決定された必要な流量を前記エンジン構成部品（１２８、１３０）に流し、
前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の健全性を評価し、
前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の前記評価された健全性に基づいて、前記決定された必要冷却流量を修正し、かつ、
前記複数の運転条件のその後の各運転条件のそれぞれにおいて、前記修正された必要冷却流量を前記エンジン構成部品（１２８、１３０）に供給する
ようにプログラムされた、タービン冷却調節（ＭＴＣ）制御システム（１８０）。
前記プロセッサ（２０２）がさらに、前記修正された必要冷却流量を供給するように構成された弁（１８４）の位置を調節するようにプログラムされた、請求項１記載のＭＴＣ制御システム（１８０）。
前記プロセッサ（２０２）がさらに、前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の作動中に、１つまたは複数のセンサ（２０６）、１つまたは複数の仮想センサ（２０６）、および前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の１つまたは複数のモデル（２１４）のうちの少なくとも１つを使用して、前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の健全性をリアルタイムに評価するようにプログラムされた、請求項１記載のＭＴＣ制御システム（１８０）。
前記プロセッサ（２０２）がさらに、健全性モデル（２１４）およびパラメータ見積アルゴリズム（２１５）を使用して、前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の前記健全性を見積もるようにプログラムされた、請求項３記載のＭＴＣ制御システム（１８０）。
前記プロセッサ（２０２）がさらに、少なくとも離陸、巡航、上昇、および下降を含む複数の飛行条件の必要冷却流量を決定するようにプログラムされた、請求項１記載のＭＴＣ制御システム（１８０）。
ターボファンエンジン（１００）であって、
多段圧縮機（１２４）を含むコアエンジン（１１６）と、
前記コアエンジン（１１６）で発生したガスによって駆動されるタービン（１２８、１３０）によって動力を与えられるファン（１３８）と、
前記コアエンジン（１１６）および前記ファン（１３８）を少なくとも部分的に取り囲むファンバイパスダクト（１５６）と、
前記ターボファンエンジン（１００）の少なくとも１つのエンジン構成部品（１２８、１３０）と通信し、メモリ（２０４）と通信するプロセッサ（２０２）を備えるタービン冷却調節（ＭＴＣ）制御システム（１８０）であって、前記プロセッサ（２０２）が、
複数の運転条件のそれぞれに対して前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の必要冷却流量を決定し、
前記複数の運転条件の各運転条件のそれぞれにおいて、前記決定された必要な流量を前記エンジン構成部品（１２８、１３０）に流し、
前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の健全性を評価し、
前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の前記評価された健全性に基づいて、前記決定された必要冷却流量を修正し、かつ、
前記複数の運転条件のその後の各運転条件のそれぞれにおいて、前記修正された必要冷却流量を前記エンジン構成部品（１２８、１３０）に供給する
ようにプログラムされた、タービン冷却調節（ＭＴＣ）制御システム（１８０）と
を備えるターボファンエンジン（１００）。
前記プロセッサ（２０２）がさらに、前記修正された必要冷却流量を供給するように構成された弁（１８４）の位置を調節するようにプログラムされた、請求項６記載のターボファンエンジン（１００）。
前記プロセッサ（２０２）がさらに、前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の作動中に、１つまたは複数のセンサ（２０６）、１つまたは複数の仮想センサ（２０６）、および前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の１つまたは複数のモデル（２１４）のうちの少なくとも１つを使用して、前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の健全性をリアルタイムに評価するようにプログラムされた、請求項６記載のターボファンエンジン（１００）。
前記プロセッサ（２０２）がさらに、健全性モデル（２１４）およびパラメータ見積アルゴリズム（２１５）を使用して、前記エンジン構成部品（１２８、１３０）の前記健全性を見積もるようにプログラムされた、請求項８記載のターボファンエンジン（１００）。
前記プロセッサ（２０２）がさらに、少なくとも離陸、巡航、上昇、および下降を含む複数の飛行条件の必要冷却流量を決定するようにプログラムされた、請求項６記載のターボファンエンジン（１００）。