JP2017166481A - ガスタービンエンジンの圧縮機制御 - Google Patents

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Abstract

【課題】可変静翼(VSV)を備えた段の前側ブロックと、前側ブロックの下流の段の後側ブロックと、少なくとも1つの段からの抽気排出口とを有する、ガスタービンエンジンの多段圧縮機を制御する方法を提供する。
【解決手段】ガスタービンエンジンの抽気排出口からの抽気圧力を検出するステップと、検出された前記抽気圧力に基づいて、前記圧縮機の一部にわたる圧力比を決定するステップと、決定された前記圧力比を基準圧力比と比較するステップと、決定された前記圧力比が前記基準圧力比と不均衡である場合に評価するステップと、比較に基づいて、決定された前記圧力比を前記基準圧力比と均衡にするために、前記前側ブロックの前記VSVの位置を調整するステップと、を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの圧縮機制御に関する。
タービンエンジン、特にガスタービンエンジンまたは燃焼タービンエンジンは、エンジンを通過して多くのタービンブレードに当たる燃焼ガスの流れからエネルギーを抽出する、回転エンジンである。ガスタービンエンジンは、陸上移動、海上移動および発電に使用されているが、ヘリコプターを含む、飛行機等の航空用途に最も一般的に使用される。飛行機において、ガスタービンエンジンは、航空機の推進に使用される。
航空機用のガスタービンエンジンは、最適圧力比内で動作するように設計されている。エンジンの圧縮機部分内でこれらの圧力を維持することによって、ガスタービンエンジンの寿命は長くなる。
米国特許第8870699号明細書
一態様において、本発明の実施形態は、可変静翼(VSV)を備えた段の前側ブロックと、前側ブロックの下流の段の後側ブロックと、少なくとも1つの段からの抽気排出口とを有する、ガスタービンエンジンの多段圧縮機を制御する方法に関する。方法は、抽気排出口からの抽気圧力を検出するステップと、検出された圧力を抽気基準圧力と比較するステップと、比較に基づいて、検出された抽気圧力が抽気基準圧力と不均衡である場合に判断するステップと、検出された抽気圧力を抽気基準圧力と均衡にするために、前側ブロックのVSVの位置を調整するステップとを含む。
別の態様では、本発明の実施形態は、圧縮機からの抽気排出口の抽気圧力を検出するステップと、抽気圧力を抽気基準圧力と均衡に維持するために、可変静翼(VSV)の動作位置を調整するステップとによって、ガスタービンエンジンの多段圧縮機を動作させる方法に関する。
図面の説明は以下の通りである。
航空機用のガスタービンエンジンの概略断面図である。 図1のガスタービンエンジンの圧縮機セクションの概略断面図である。 図2の圧縮機の抽気圧力を検出する方法を示すフロー図である。
説明した本発明の実施形態は、基準圧力比とリアルタイムの圧力比との均衡を維持することに関するシステム、方法、および他のデバイスを対象とする。例示の目的で、本発明は、航空機のガスタービンエンジンについて説明する。しかしながら、本発明はそのように限定されるものではなく、他のモバイル用途および非モバイル産業用途、商業用途および住宅用途等、非航空機用途における一般的な適用可能性を有する可能性があるものと理解される。
図1は、航空機用のガスタービンエンジン10の概略断面図である。エンジン10は、ほぼ長手方向に延出する軸線、すなわち前方14から後方16へ延出するエンジン中心線12を有する。エンジン10は、下流方向直列流れ関係で、ファン20を含むファンセクション18と、ブースタすなわち低圧(LP)圧縮機24および高圧(HP)圧縮機26を含む圧縮機セクション22と、燃焼器30を含む燃焼セクション28と、HPタービン34およびLPタービン36を含むタービンセクション32と、排気セクション38とを含む。
ファンセクション18は、ファン20を取り囲むファンケーシング40を含む。ファン20は、エンジン中心線12の周りに半径方向に配置された複数のファンブレード42を含む。HP圧縮機26、燃焼器30およびHPタービン34は、エンジン10のコア44を形成し、エンジン10のコア44は、燃焼ガスを発生させる。コア44は、コアケーシング46によって取り囲まれ、ファンケーシング40と結合することができる。
エンジン10のエンジン中心線12の周りに同軸に配置されたHP軸すなわちスプール48は、HPタービン34をHP圧縮機26に駆動接続している。LP軸すなわちスプール50は、より大径の環状のHPスプール48内で、エンジン10のエンジン中心線12の周りに同軸に配置され、LPタービン36をLP圧縮機24およびファン20に駆動接続している。スプール48および50のどちらかまたは双方に取り付けられ、かつスプール48および50のどちらかまたは双方と一緒に回転する、エンジン10の一部は、個々に、または一括して、ロータ51とも呼ばれる。
LP圧縮機24およびHP圧縮機26は、複数の圧縮機段52および54をそれぞれ含み、そこにおいて圧縮機ブレード56および58のセットが、固定の圧縮機ベーン60および62の対応するセットに対して回転して、段を通過する流体の流れを圧縮または加圧する。単一の圧縮機段54では、多数の圧縮機ブレード58を環状に設けることができ、ブレードプラットフォームからブレード先端部まで、エンジン中心線12に対して半径方向外向きに延出することができる一方で、対応する圧縮機ベーン62は、回転ブレード56の下流に、回転ブレード56に隣接して位置する。なお、図1に示すブレード、ベーンおよび圧縮機段の数は、例示の目的でのみ選択され、他の数も可能である。圧縮機の段のブレード56および58は、ディスク53に取り付けることができ、ディスク53は、対応するHPスプール48およびLPスプール50の1つに取り付けられ、各段はそれ自体のディスク53を有する。ベーン60および62は、コアケーシング46に、ロータ51の周りに周方向に、取り付けられている。
HPタービン34およびLPタービン36は、複数のタービン段64および66をそれぞれ含み、そこにおいてタービンブレード68および70のセットは、静止タービンベーン72および74(ノズルとも呼ばれる)の対応するセットに対して回転して、段を通過する流体の流れから電力を抽出する。単一のタービン段64では、多数のタービンブレード68を環状に設けることができ、ブレードプラットフォームからブレード先端部まで、エンジン中心線12に対して半径方向外向きに延出することができる一方で、対応する静止タービンベーン72および74は、回転ブレード68および70の上流に、回転ブレード68および70に隣接して位置する。なお、図1に示すブレード、ベーン、タービン段の数は、例示の目的でのみ選択され、他の数も可能である。
動作において、回転ファン20は、LP圧縮機24に周囲空気を供給し、次に、LP圧縮機24は、HP圧縮機26に加圧周囲空気を供給し、HP圧縮機26は、周囲空気をさらに加圧する。HP圧縮機26からの加圧空気は、燃焼器30内で燃料と混合されて点火され、それによって燃焼ガスを発生させる。いくらかの電力は、HPタービン34によってこれらのガスから抽出され、HP圧縮機26を駆動する。燃焼ガスは、LPタービン36の中に排出され、LPタービン36は、さらなる電力を抽出して、LP圧縮機24を駆動し、また、排気ガスは、排気セクション38を通って、エンジン10から最終的に排出される。LPタービン36によって抽出された電力は、LPスプール50を駆動して、ファン20およびLP圧縮機24を回転させる。
図2を参照すると、多段圧縮機は、少なくとも1つの可変静翼(VSV)80を備える、圧縮機段の前側ブロック76と、固定の圧縮機ベーン62を含む、前側ブロックの下流の圧縮機段の後側ブロック78とを含む、HP圧縮機26として示されている。VSV80の各々は、圧縮機を通る空気流量を増減させて調整することができる。VSV80の調整は、典型的に、スケジュールに従って、ベーンを回転させて、ベーンの食い違いを変更することを含む。VSV80およびその動作は、当技術分野で知られている。VSVに適した調整の非限定的な実施例は、U.S.7,413,401、Szucs等、出願日2006年1月17日、標題「Methods and Apparatus for Controlling Variable Stator Vanes」、U.S.8,909,454、Minto、出願日2011年4月8日、標題「Control of Compression System with independently actuated inlet guide and/or stator vanes」、U.S.9,068,470、Mills等、出願日2011年4月21日、標題「Independently−Controlled Gas Turbine Inlet Guide Vanes and Variable Stator Vanes」およびU.S.8,490,404、Adibhatla等、出願日2012年2月28日、標題「Sensor−Based Performance−Seeking Gas Turbine Engine Control」に見出すことができ、これらは全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
段の前側ブロック76は、入口82を含み、段の後側ブロック78は、出口84を含む。抽気排出口86は、下流またはVSV80間のブレード58の1つの半径方向外側に流体結合している。圧力センサ88は、対応する圧力信号を出力するために、入口82、出口84および抽気排出口86に流体結合している。P2.5は、HP圧縮機26の入口における全空気圧力を表す。PBleedは、HP圧縮機26の抽気排出口86における流体の圧力を示す圧力信号である。P3は、HP圧縮機26の出口84における全空気圧力を表す。これらの圧力信号P2.5、PBleedおよびP3は、圧縮機の回転速度90および入口温度92と共に、コントローラ94内で受信されて、HP圧縮機の所望の性能を得るためにVSV80に必要な調整を決定する。
コントローラ94は、前側ブロック76に動作可能に結合され、受信した入力P2.5、PBleed、P3、回転速度90および入口温度92に応じて、VSV80の位置を調整するように構成されている。コントローラは、回転速度90および入口温度92のデータを用いて、標準的な日の海面の周囲温度に入口温度が相当した場合にエンジンが動作する速度である、補正回転速度96を計算する。この速度96は、ステータスケジュール98における補正速度プロファイルと比較される。ステータベース信号100は、計算された補正速度と、ステータスケジュール98における対応する速度プロファイルとに基づいて決定され、調整のためにVSV80に出力される。
ステータスケジュール98は、地上アイドル、飛行アイドル、離陸、巡航、または上昇飛行等の、異なる動作シナリオのために記憶された補正速度プロファイルに対して、VSV80の調整によって定義される。
圧力信号P2.5、PBleed、P3は、コントローラ内で受信され、圧力比102を計算するために使用される。圧力比102は、出口圧力P3および入口圧力P2.5間の第1の圧力差と、検出されたブリード圧力PBleedおよび入口圧力P2.5間の第2の圧力差の関数であり、ここで決定された圧力比102は、高圧圧縮機の第2および第1の圧力差の比である。
(PBleed−P2.5)/(P3−P2.5
この決定された圧力比102は、基準圧力比と比較され、基準圧力比は、ステータ修飾子信号106を計算する(107)ブリードスケジュール表104に位置する、値の範囲であり得る。ステータ修飾子信号106は、圧力比102を基準圧力比と均衡に維持するために必要な補正VSV位置値を備える。コントローラ94は、圧力比102を基準圧力比のマージン内に維持しつつ、ステータベース信号100および修飾子信号106に基づく信号108を、VSV80のいくつか、全て、または少なくとも1つに送信して、補正速度プロファイルに合わせて調整する。各補正速度プロファイルには、対応する圧力比があり、合わせて、ブリードスケジュール表104に対応する修飾子を備え、たとえば、補正速度100%の出力は、圧力比30%を維持するために必要となり、補正速度80%は、圧力比10%を維持するために必要となる。
ブリードスケジュール表104には、圧縮機の劣化に基づく補正を組み込むことができる。エンジンの経年変化に伴って、ブリード排出口圧力の均衡を維持するために、VSVを閉じた状態にする必要がある。VSVの閉鎖量は、制御システムによって、ブリードスケジュールに合わせて繰り返し決定される。ブリード圧力比102を抽気基準圧力比と均衡に維持するために、前側段76のVSVを調整するステップは、同時にかつ連続的に発生する。VSVトリム調整の量は、空気力学的反応、操作性、温度限界および回転速度を含む、他の問題によって制限される可能性がある。
加えて、VSVの1つは、独立した制御を備えた、別個に作動する入口案内ベーン93であってもよい。この入口案内ベーンの位置は、ブリード圧力を均衡にし、かつ、信号108によって提供される要件を均衡にすることを支援するための、別の制御パラメータとして使用することができる。この付加的な制御パラメータは、ステータスケジュール98およびブリードスケジュール表104と共に、コントローラ94のメモリ95に位置し、データファイルとして格納されている。
多段圧縮機を制御するための方法200は、最初に、抽気排出口86からの抽気圧力を検出するステップ202を含む。次に、検出された抽気圧力に基づいて、圧縮機の一部にわたる圧力比102を決定し(204)、決定された圧力比102を基準圧力比と比較する(206)。決定された圧力比102が基準圧力比と不均衡である場合に評価し(208)、決定された圧力比102を基準圧力比と均衡にするために、前側ブロックのVSV80の位置を調整する(210)。
この方法は、新しいエンジンから完全な劣化状態まで、エンジンの寿命にわたって、HP圧縮機ブリード排出口圧力を最適化する問題を解決するのに役立つ。新しいエンジンでは、高効率(たとえば、HP圧縮機後側ブロック段の間隙が緊密)のため、必要とされるブリード排出口圧力を生み出すことは、困難になり得る。高効率であることによって、後側ブロック段は、より高レベルの流れを送出し、前側ブロック段内の圧力を減少させることができる。これによって、ブリード排出口に供給される圧力量が減少する。この方法は、低ブリード排出口圧力を測定し、不足分を認識し、前側ブロックのVSVを開放して、必要に応じて圧力を上昇させるであろう。新しいエンジンでは、また、典型的に、最適な動作圧力比とサージ圧力比との間により大きなマージンがある。この方法は、VSVを開放して、前側ブロックの負荷を増加させ、ブリード排出口圧力を上昇させることによって、過剰なマージンを利用する。劣化したエンジンでは、十分なマージンをもって動作させることは、より困難になり得る。この方法では、マージン内に留まり、また、ブリード排出口圧力が二次流れのシステム要件を満たすように監視する手段を提供しながら、劣化状態でVSVを閉じることができる。
技術的利点は、HP圧縮機の操作性のマージンを利用または改善しつつ、フィードバック機構を提供して、HP圧縮機のブリード排出口圧力を維持することにある。本発明は、測定されたブリード排出口圧力がHP圧縮機の劣化レベルに相関され得るため、HP圧縮機をヘルスモニタリングする手段を提供することもできる。
ブリード排出口は、ベーンの半径方向外向きの位置におけるブリード排出口の集合として示されているが、たとえば内向き/ハブエリア等、任意の適切な位置に位置決めすることができ、これに限定されないことを理解されたい。
さらに、開示された設計の適用は、ファンセクションおよびブースタセクションを備えたタービンエンジンに限定されるものではなく、ターボジェットエンジンおよびターボエンジンにも適用可能であることを理解されたい。
本明細書は、最良の形態を含めて、本発明を開示するために実施例を用いており、また、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含めて、いかなる当業者も本発明を実施することが可能となるように実施例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を含む場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にある。
10 エンジン
12 中心線
14 前方
16 後方
18 ファンセクション
20 ファン
22 圧縮機セクション
24 LP圧縮機
26 HP圧縮機
28 燃焼セクション
30 燃焼器
32 タービンセクション
34 HPタービン
36 LPタービン
38 排気セクション
40 ファンケーシング
42 ファンブレード
44 コア
46 コアケーシング
48 HPスプール
50 LPスプール
52 HP圧縮機段
53 ディスク
54 HP圧縮機段
56 LP圧縮機ブレード
58 HP圧縮機ブレード
60 LP圧縮機ベーン
62 HP圧縮機ベーン
64 HPタービン段
66 LPタービン段
68 HPタービンブレード
70 LPタービンブレード
72 HPタービンベーン
74 LPタービンベーン
76 段の前側ブロック
78 段の後側ブロック
80 可変静翼(VSV)
82 入口
84 出口
86 抽気排出口
88 圧力センサ
90 回転速度
92 入口温度
93 入口案内ベーン
94 コントローラ
95 メモリ
96 補正回転速度
98 ステータスケジュール
100 ステータベース信号
102 圧力比
104 ブリードスケジュール表
106 ステータ修飾子信号
107 計算された信号
108 信号
200 方法
202 検出
204 決定
206 比較
208 評価
210 調整

Claims (22)

  1. 可変静翼(VSV)(80)を備えた段の前側ブロック(76)と、前記前側ブロック(76)の下流の段の後側ブロック(78)と、少なくとも1つの段からの抽気排出口(86)とを有する、ガスタービンエンジン(10)の多段圧縮機を制御する方法(200)であって、
    前記抽気排出口(86)からの抽気圧力を検出するステップ(202)と、
    検出された前記抽気圧力に基づいて、前記圧縮機の一部にわたる圧力比(102)を決定するステップ(204)と、
    決定された前記圧力比(102)を基準圧力比と比較するステップ(206)と、
    決定された前記圧力比(102)が前記基準圧力比と不均衡である場合に評価するステップ(208)と、
    比較に基づいて、決定された前記圧力比(102)を前記基準圧力比と均衡にするために、前記前側ブロック(76)の前記VSV(80)の位置を調整するステップ(210)とを備える方法(200)。
  2. 前記圧縮機の回転速度(90)に基づいて、前記VSV(80)の位置を調整するステップをさらに備える、請求項1に記載の方法(200)。
  3. ステータスケジュール(98)に対して、前記VSV(80)の位置を調整するステップをさらに備える、請求項2に記載の方法(200)。
  4. 前記ステータスケジュール(98)に対して前記VSV(80)の位置を調整する前記ステップは、前記圧縮機の回転速度(90)および前記抽気圧力を保持するために、前記ステータスケジュール(98)についての補正値を決定するステップを備える、請求項3に記載の方法(200)。
  5. 決定された前記圧力比(102)は、前記圧縮機の出口(84)圧力および入口(82)圧力間の、第1の圧力差の関数である、請求項1に記載の方法(200)。
  6. 決定された前記圧力比(102)は、前記入口(82)圧力および検出されたブリード圧力間の、第2の差の関数である、請求項5に記載の方法(200)。
  7. 決定された前記圧力比(102)は、高圧圧縮機(26)についての前記第2および第1の圧力差の任意の関数である、請求項6に記載の方法(200)。
  8. 前記VSV(80)の位置を調整する前記ステップ(210)は、少なくとも1つの前記VSV(80)の位置を調整するステップを備える、請求項1に記載の方法(200)。
  9. 前記VSV(80)の位置を調節する前記ステップ(210)は、全ての前記VSV(80)の位置を調整するステップを備える、請求項8に記載の方法(200)。
  10. 前記抽気排出口(86)の圧力を検知するステップ(202)は、少なくとも1つの前記VSV(80)の下流の前記抽気排出口(86)の圧力を検知するステップを備える、請求項9に記載の方法(200)。
  11. 決定された前記圧力比(102)は、高圧圧縮機(26)についてである、請求項1に記載の方法(200)。
  12. 可変静翼(VSV)(80)を有する、圧縮機段の前側ブロック(76)と、
    前記圧縮機段の前側ブロック(76)の軸方向下流に位置した、圧縮機段の後側ブロック(78)と、
    段の1つに流体結合された抽気排出口(86)と、
    前記抽気排出口(86)、前記前側ブロック(76)への入口(82)および前記後側ブロック(78)への出口(84)に流体結合され、前記抽気排出口(86)、前記入口(82)および前記出口(84)内の流体の圧力を示す対応する圧力信号を出力する、圧力センサ(88)と、
    入力として前記圧力信号を受信し、前記前側ブロック(76)に動作可能に結合され、また、基準圧力比に対して、抽気圧力の圧力比(102)を維持するために、前記VSV(80)の位置を調整するように構成された、コントローラ(94)とを備える、ガスタービン用の多段圧縮機。
  13. 前記基準圧力比は、ブリードスケジュール表(104)に位置している、請求項12に記載の多段圧縮機。
  14. 前記前側ブロック(76)および前記後側ブロック(78)は、高圧圧縮機(26)の段で構成されている、請求項12に記載の多段圧縮機。
  15. 前記基準圧力比は、範囲である、請求項12に記載の多段圧縮機。
  16. 前記抽気排出口(86)は、前記後側ブロック(78)に位置している、請求項12に記載の多段圧縮機。
  17. 前記抽気排出口(86)は、前記前側ブロック(76)に位置している、請求項12に記載の多段圧縮機。
  18. 高圧圧縮機(26)からの抽気排出口(86)の抽気圧力を検出するステップ(202)と、前記高圧圧縮機(26)の前記抽気圧力、入口(82)圧力および出口(84)圧力間の圧力比を維持するために、可変静翼(VSV)(80)の動作位置を調整するステップ(210)とによって、ガスタービンエンジン(10)の多段圧縮機を動作させる方法(200)。
  19. 前記高圧圧縮機(26)の回転速度(90)に基づくスケジュール(98)に従って、前記VSV(80)の位置を調整するステップをさらに備える、請求項18に記載の方法(200)。
  20. 前記スケジュール(98)は、前記高圧圧縮機(26)の補正回転速度(96)に基づいている、請求項19に記載の方法(200)。
  21. 決定された圧力比(102)は、前記抽気圧力および前記入口(82)圧力間の差と、前記出口(84)圧力および前記入口(82)圧力間の差の関数である、請求項20に記載の方法(200)。
  22. 少なくとも1つのVSV(80)は、前記スケジュール(98)の対応する修飾子に基づく、決定された前記圧力比(102)に基づいて調整される、請求項21に記載の方法(200)。
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