ターボマシンのクリアランス制御方法、制御装置およびタービンエンジン装置
【課題】モータもしくはエンジンの部品の熱膨張を測定し、このモータやエンジンのファンブレードのクリアランスを能動的に制御するとともに、その異常をモニタする。
【解決手段】ガスタービンエンジンは、ファン１３２、コンプレッサ１３４、タービン１３６、およびエンジンケースの冷却調整システム、を備える。これらの回転するブレードの先端のクリアランスが、周方向に複数個配置したマイクロ波検出センサによって検出され、所望のクリアランスとなるように、冷却調整システムのトルクモータ１９２やアクチュエータ１９４を介して、エンジン１３０のハウジング内部ならびにハウジング周囲の一つあるいは複数の冷却流体流を調整する。各センサから検出される信号の位相差の対比により、各ブレードの欠損等の異常もモニタできる。
【解決手段】ガスタービンエンジンは、ファン１３２、コンプレッサ１３４、タービン１３６、およびエンジンケースの冷却調整システム、を備える。これらの回転するブレードの先端のクリアランスが、周方向に複数個配置したマイクロ波検出センサによって検出され、所望のクリアランスとなるように、冷却調整システムのトルクモータ１９２やアクチュエータ１９４を介して、エンジン１３０のハウジング内部ならびにハウジング周囲の一つあるいは複数の冷却流体流を調整する。各センサから検出される信号の位相差の対比により、各ブレードの欠損等の異常もモニタできる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、モータもしくはエンジンのファンブレードのクリアランスを制御する装置および方法に関し、より詳しくは、モータもしくはエンジンの部品の熱膨張を測定し、このモータやエンジンのファンブレードのクリアランスを制御する装置および方法に関する。なお、米国政府は、空軍の契約に基づき、本願について所定の権利を有する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンやポンプあるいは圧縮機の分野において、ターボマシンコンポーネントの半径方向の熱膨張の検知や制御は、設計者が望む高いレベルの効率や安定性を達成する上で、長い間、障害となっていた。このような好ましくない状況は、半径方向の膨張を測定する信頼性や精度の高い入手可能なセンサが存在しないことにある程度起因している。代替として、半径方向の膨張は、測定ないし得た種々のターボマシンパラメータと半径方向の膨張とを関連付ける数学的モデルを用いて演算することが可能である。これまで、このアルゴリズムを得るために、種々の試みがなされてきた。しかしながら、これまで知られているアルゴリズムでは、要求される安定状態や過渡時の精度を満たすことができず、式を高い精度のデータを得るように校正する能力がなく、かつ、デジタルコンピュータでの実行に適した演算式を得ることができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
タービンエンジンのファンブレードとケースとの間のクリアランスの制御が不完全であると、クリアランスが過度に大きくなるか、あるいはクリアランスが過度に狭くなって摩耗が過大となる。どちらの場合も、不完全なクリアランスにより性能（エンジン効率や推力など）の低下を招き、エンジンの運転時の限界（例えば排気ガス温度の上昇）を侵し、コンプレッサの安定性の低下を招く。標準の設計実務では、クリアランス制御システムは、ブレードやケースの損傷を招きかねない狭いクリアランスよりも大きなクリアランスが好ましいとされてきた。例えば、ＰＷ４０００のようなある種のエンジンにおいては、オープンループのクリアランス制御システムを用いており、このようなシステムでは、”完全な”クリアランス制御システムに比較して、明らかに性能が犠牲になる。他の形式、例えばＶ２５００のようなエンジンにおいては、不十分なモデル化したクリアランスに依存した閉ループシステムを用いており、性能低下はやや少なくなるものの、理想的なクリアランス制御にはまだ不十分である。
【０００４】
先端クリアランスの推定の精度および信頼性を改善することは、運転条件が急激に変化しやすい飛行中の部品に対してクリアランス制御システムが能動的に動作し得ることにも寄与する。例えば、一般的な能動クリアランス制御システムは、エンジン運転条件の変化が急なため先端クリアランスの予測が困難となる飛行機の離陸時には、通常、その動作を停止するようにしていた。従前のこのような対応は、飛行機の総運転時間の中で離陸時の占める割合が小さな場合やエンジンの安定性のマージンを旧来通りに大きくしている場合には問題はない。これに対し、例えばＡ３１８用のＰＷ６０００のような短距離飛行の用途に設計されたエンジンにおいては、離陸時の燃費性能が非常に重要である。また、離陸時にも能動的なクリアランス制御を働かせることは、排気温度のマージン（このマージンは一般にクリアランスの増加に伴って減少する）を増大させ、クリアランスによる安定性低下の回避に寄与する。従って、クリアランス制御の精度をさらに改善し、ひいては、飛行機の飛行中において、運転時の制限やコンプレッサの安定性を維持しつつ、摺接摩耗のない信頼性のある運転を確保し、エンジン性能の改善を図ることが求められている。
【０００５】
閉ループシステムにおけるクリアランスのモデル化を主に困難としているのは、エンジンコンポーネントの熱膨張のモデル化であり、比較的容易に算出し得る機械的な歪み（変位）のモデル化ではない。熱膨張のモデル化は、エンジンコンポーネントの物理的な構成やこれらのコンポーネントが影響を受ける頻繁な変化（すなわち、スロットルの過渡、複数の流体流の温度差や温度変化、流量変化、など）が、熱の移動やエネルギ保存の現象におけるモデル化の問題を複雑にするので、非常に困難である。
【０００６】
例えば、エンジンコンポーネントの各々は、温度、シャフト速度、流体流の露出、を含む運転条件の変化により、エンジンハウジング内のそれぞれの場所で、各々の速度でもって熱膨張を生じる。ある１つのコンポーネントが他のコンポーネントよりも大きな熱膨張を生じると、ガスタービンエンジンのある領域の熱膨張が他の領域の熱膨張よりも大きくなる。このようにガスタービンエンジンの熱膨張が変化する領域に対向したエンジンハウジングの内壁は、エンジンコンポーネント間の不整合な熱移動により、やはり、熱膨張量が変化する。この結果、エンジンハウジングの内壁のある一部の領域で熱膨張が大となり、これに対応して、エンジンハウジングの他の領域に比較して、より小さいクリアランスとなる。この点では、ガスタービンエンジンにおける熱移動やエネルギ保存の現象のモデル化に関する障害が、より明らかになる。
【０００７】
従って、ターボマシンの用途において、熱膨張の制御、クリアランスの制御、ならびに調子（health）のモニタリングを行う装置および方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のターボマシンにおけるクリアランス制御方法は、ターボマシンの１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントに近接かつ対向するように配設された３個以上のマイクロ波センサを含む閉ループ検出型能動クリアランス制御システムを設けるステップと、この能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの実際の熱膨張を測定するステップと、上記能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの各々とこれらが近接かつ対向する壁面との間の、熱膨張が生じる箇所の実際のクリアランスを測定するステップと、上記能動クリアランス制御システムを用いて熱膨張として測定された上記１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントのそれぞれについての実際のクリアランスと所望のクリアランスとの差に基づいて、上記クリアランスを制御するステップと、を含む。
【０００９】
本発明のターボマシンの調子をモニタリングする方法は、ターボマシンの１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントに近接かつ対向する壁面内に配設された閉ループ検出型能動到着時間（time-of-arrival）モニタリングシステムを設けるステップと、ターボマシンのタービンエンジンのロータ速度を測定するステップと、上記能動到着時間モニタリングシステムを用いて、上記ロータ速度に基づき、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントからの予想される到着時間を決定するステップと、上記能動到着時間モニタリングシステムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントあるいはサブコンポーネントが１つあるいは複数のある位置にあるときの実際の到着時間を測定するステップと、上記能動モニタリングシステムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの実際の到着時間を予想到着時間と比較するステップと、上記能動到着時間モニタリングシステムを用いて、上記の比較から、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの到着時間の変化の有無を判定するステップと、上記能動到着時間モニタリングシステムを用いて、上記の比較から、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの調子を推定するステップと、を備えてなる。
【００１０】
本発明のターボマシンのクリアランス制御装置は、能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの実際の熱膨張を測定する手段と、上記能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントとこれらが近接かつ対向する壁面との間の、熱膨張が生じる箇所の実際のクリアランスを測定する手段と、上記能動クリアランス制御システムを用いて熱膨張として測定された上記１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントのそれぞれについての実際のクリアランスと所望のクリアランスとの差に基づいて、上記クリアランスを制御する手段と、を含む。
【００１１】
本発明のタービンエンジン装置は、ケースおよび該ケース内で回転するブレードを含むタービンエンジンと、能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの実際の熱膨張を測定する手段と、上記能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの各々とこれらが近接かつ対向する壁面との間の、熱膨張が生じる箇所の実際のクリアランスを測定する手段と、上記能動クリアランス制御システムを用いて熱膨張として測定された上記１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントのそれぞれについての実際のクリアランスと所望のクリアランスとの差に基づいて、上記クリアランスを制御する手段と、を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
モータもしくはエンジンの部品の熱膨張を測定し、このモータやエンジンのファンブレードのクリアランスを制御する装置および方法が開示されている。さらに、タービンエンジンやそのコンポーネントならびにサブコンポーネントの調子をモニタリングする装置および方法が開示されている。ブレード先端が外周側エアシールと摺接したり浸食されたりすることによる半径方向のクリアランスの増加は、エンジン性能の低下の原因となる。ターボマシンにおけるブレードやロータの異常を早期に検出することで、コンポーネントの破損を防止できる。ここに開示される装置および方法は、エンジンの全寿命に亘って、半径方向クリアランスおよびブレードやロータの振動をモニタリングし、これにより、より長い飛行時間に亘る性能の維持ならびに修正の支援となる。さらに、コンポーネントの公差やエンジン性能特性、極端な周囲温度の下での運転、に起因した個々のエンジン性能変化の不整合が、本発明の装置および方法によって、除去され、あるいは、顕著に減少する。
【００１３】
まず初めに、モータもしくはエンジンの部品の熱膨張を測定し、このモータやエンジンのファンブレードのクリアランスを制御する装置および方法の一実施例を説明する。本実施例においては、検出システムはマイクロ波のエネルギを利用するもので、マイクロ波が、検出ボディつまりプローブの内部の通路を通って回転中のブレードの先端へ向かうように案内され、ブレードが上記通路の出口近くに生成された電磁場を通過する際に、実際の、つまりリアルタイムの半径方向クリアランスを測定する。このシステムは、このフィードバック信号を処理し、アクチュエータシステムの的確な切換を行うためのデータを出力する。アクチュエータシステムは、タービンにおける回転ブレードと静止部品との間の半径方向クリアランスの調整を、コントローラからの入力に応答して行うことが可能である。
【００１４】
このシステムは、ターボマシンの用途におけるスタンドアローンの構成要素として機能するように構成することもでき、あるいは、ガスタービンの電子エンジン制御（ＥＥＣ）システム、例えば、全自動デジタルエンジン制御システム（ＦＡＤＥＣ）などに組み込むこともでき、ターボマシンの用途全般、例えば、民間航空機、商用航空機、軍用航空機、を監視する。いずれの構成においても、ターボマシン用途に関連する全てのエンジン性能特性に関する情報を同時に受けるために、ＥＥＣおよび上記システムは直接にリンクしている。ＥＥＣは、次のような情報（但し、これには限定されない）を提供し得る。すなわち、ターボマシンのコンポーネントもしくはサブコンポーネントと熱交換する流体流の判定、ならびにコンポーネントおよびサブコンポーネントと熱交換する各流体流の温度および流量の提供、温度、圧力、シャフト速度、などのコンポーネントおよびサブコンポーネントに関連する性能パラメータの判定、シャフト速度、圧力、温度、などのコンポーネントおよびサブコンポーネントの熱伝達特性パラメータの判定、ターボマシンのコンポーネントおよびサブコンポーネントの定常状態での膨張の判定、である。この膨張は、各々、種々の温度、流量、熱・物理特性の流体流との熱交換による膨張の加重平均であり、その重み係数は、熱伝達性能パラメータなどを含む。
【００１５】
このシステムは、ブレードが通過するたびに、マイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスシステムによって半径方向のクリアランスと各ブレードの到着時間とを同時に測定することができる。システムの複数のマイクロ波センサが、ブレード列の回りに所定の間隔で周方向に配置される。マイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスシステムは、ブレード列内の各ブレードで変化する、位置、クリアランス空間、到着時間、に関する情報を測定かつ提供する。到着時間は、ブレードの振動がないものとすれば、エンジン回転速度（ｒｐｍ）に直接的に相関する。このシステムは、複数の角度位置における到着時間の変化を精度よく測定し、この変化を、既知の速度における予想される到着時間と比較することで、その相関関係を確実なものとする。これにより、エンジンの運転レジメもしくは運転サイクル全体を通して、より狭い運転時のクリアランスを高い信頼性で実現することができる。
【００１６】
図１は、モータもしくはエンジンの部品の熱膨張を測定し、このモータやエンジンのファンブレードのクリアランスを制御するシステム１００を示している。図示するように、飛行条件およびエンジン出力設定データ１１０が、上記システム１００を含むＥＥＣ（電子エンジン制御）システム１１４のクリアランス要求ロジックアルゴリズム１１２に中継される。上記アルゴリズム１１２は、データ１１０を処理し、このデータ１１０を結合点１１６へ転送する。この結合点１１６は、タービンエンジン１１８から測定された先端クリアランスデータ１１７を受け取る。合成されたデータ１１０，１１７は、結合点１１６から閉ループ補償アルゴリズム１２０へ転送され、このアルゴリズム１２０が、コマンド１２２を介して図示せぬバルブを制御する。このバルブは、補助空気つまり冷却空気をファン流からタービンエンジンを囲むエンジンケース（図示せず）の上へと案内するために用いられるもので、エンジンケースとエンジンブレードとの間に所望のクリアランスが得られるように、エンジンケースを冷却する。システム１００は、詳細を後述するシステムおよび方法を用いて、測定された先端クリアランスデータ１１７を提供する。
【００１７】
図２〜図５に示すように、非回転のガスタービンエンジンケース構造体およびそのコンポーネントの内部に、マイクロ波検出システム１００が配置されている。システム１００は、好ましくは、ガスタービンエンジンに直接に接続されており、このガスタービンエンジンは、基本的に、ファン１３２、コンプレッサ１３４、タービン１３６、および後述するエンジンケースの冷却調整システム、を備える。コンプレッサ１３４としては、低圧コンプレッサもしくは高圧コンプレッサのいずれが用いられるかに応じて、低圧コンプレッサもしくは高圧コンプレッサとなる。一列もしくは複数列のブレード（図示せず）がロータ（図示せず）に取り付けられ、ファン１３２、コンプレッサ１３４、タービン１３６、もしくはタービンエンジン１３０の他の領域として機能する。
【００１８】
マイクロ波検出システム１００は、当業者に周知の他の電子構成部品に加えて、コントローラ１４０、マイクロ波出力源１４２、信号バッファ１４４、プロセッサ１４６、記録バッファ１４８、および、エンジン１３０内に配置されたマイクロ波エア・パス・クリアランスシステムと接続した導波路マルチプレクサ１５０、を備えている。上述したように、システム１００は、スタンドアローン形式であっても、あるいはＥＥＣ１１４内に組み込まれたものであってもよい。どちらの形式においても、システム１００は、１つあるいは複数のエンジンセンサ１９０からコントローラ１４０へと転送されるエンジン性能パラメータに関する情報ならびに他の関連データを受ける。このシステム１００がエンジン１３０のコンポーネントやサブコンポーネントの熱膨張をモニタすると、システム１００は、例えばエンジン１３０およびコントローラ１４０の双方に接続されたトルクモータ１９２やアクチュエータ１９４を含む調整システムを用いて、エンジン１３０のハウジング内部ならびにハウジング周囲の一つあるいは複数の流体流を調整する。
【００１９】
コントローラ１４０内の制御ソフトウェアは、高圧タービンのクリアランスを測定するロジックと、実際のクリアランスと所望のクリアランスとの差に応じてアクチュエータ１９４の角度を決定する制御アルゴリズムと、を含むが、必ずしもこれには限定されない。コントローラ１４０は、システム１００内の構成要素やシステム１００とエンジン１３０との間における構成要素の性能や相互作用を、直接ないしは間接に制御している。
【００２０】
概略として、コントローラ１４０は、コンポーネントやサブコンポーネント例えばブレードの位置の判定、および、このブレードが近接かつ対向する壁面との間のブレードクリアランスの測定、を開始するコマンド１５８をプロセッサ１４６に送る。コントローラ１４０は、同時に、マイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスシステムを起動するコマンド１６０を導波路マルチプレクサ１５０へ送り得る。上記エア・パス・クリアランスシステムは、ファン１３２やコンプレッサ１３４やタービン１３６を構成するロータのブレード列の中の１つあるいは複数のブレードが近接かつ対向する壁面の内部に組み込まれている。マイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスシステムは、種々の信号やコマンドやデータをやりとりするために、同軸ケーブル１８４や他の同様のデバイスを介して、マルチプレクサ１５０および他の構成要素と接続されている。プロセッサ１４６は、信号バッファ１４４への信号転送１６４を開始する。コントローラ１４０は、信号バッファ１４４へクリア・コマンド１６２を送り得るとともに、信号転送の開始に先だって、周波数選択コマンド１６４を起動し得る。信号バッファ１４４は、周波数選択コマンド１６４をマイクロ波出力源１４２へ送る。ここで、マイクロ波出力源１４２は、ブレードの位置の判定およびブレードクリアランスの測定に十分な量の放射マイクロ波１６６を生成する。
【００２１】
生成された放射マイクロ波１６６は、マイクロ波マルチプレクサ１５０のソース部１７０を通して、マイクロ波１６８として、マイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスシステムへ中継される。このマイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスシステムは、例えば、グリツボスキィ等によって出願され、かつ本出願人に譲渡された米国特許第５，８１８，２４２号に記載されている。
【００２２】
図３に示すように、本発明のシステムおよび方法において用いられるマイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランス検出システムは、１つあるいは複数のマイクロ波エア・パス・クリアランスセンサ２００を含んでおり、各センサ２００は、同軸ケーブル２１２、例えば約５０オームのインピーダンス特性を有する標準的な同軸マイクロ波通信ライン、の一端に接続されている。この同軸ケーブル２１２は、センサ２００へ送信すべき出力（つまり励起）マイクロ波信号２３０の送信と、センサ２００から受け取るべき受信（つまり戻りないしは反射）マイクロ波信号２３２の受信と、が可能なものである。同軸ケーブル２１２の他端は、センサ２００との間で上記のマイクロ波信号２３０，２３２をやり取りするクリアランス／厚さ回路２１４に接続されている。なお、必要に応じて、他の種類の同軸ケーブルや通信媒体あるいは他のインピーダンスを用いることが可能である。
【００２３】
上記の１つあるいは複数のセンサ２００は、エンジンのハウジング（つまりケーシング）２１６に取り付けられている。エンジンハウジング２１６の最内周の領域は、摩耗性の耐熱導電性金属からなる摩耗性シール２１８（つまり摺接による摩耗を許容するシール）と、耐熱導電性金属、例えばインコネル７１８（Inco７１８）（これはニッケル、コバルト、および鋼を含む）からなるシールバックプレート２２０と、を含んでいる。このシール２１８およびプレート２２０は、それぞれ、約０．１インチ（２．５４mm）の厚さを有する。なお、シール２１８およびプレート２２０は、他の厚さや材質のものであってもよい。ハウジング２１６の残りの外周側部分は、符号２２２でもって示しているが、これは、周知のように、種々の材料からなる複数の部分や層を含みうる。シール２１８として他の材料を用いることもでき、また、これらの領域２１８，２２０，２２２を同じ材料から構成してもよく、あるいは複数種の材料から構成してもよい。
【００２４】
センサ２００は、摩耗性シール２１８の内周面２２８から窪んで配置され、所定の距離つまり厚さＤ（例えば２５〜５０mil（０．６３５〜１．２７mm））だけ後退している。この厚さＤの値は、必要に応じて、他の値とすることもできる。シール２１８の摩耗に伴い、この凹部の距離Ｄは減少する。ブレードがこのセンサ２００に接触することがないように、シール２１８の交換までの間に該シール２１８に許容される最大の摩耗量を上回る値に、この距離Ｄが設定される。
【００２５】
センサ２００は、厚さＤの減少を引き起こすシール２１８の摩耗量を検出する。さらに、センサ２００は、後述するように、ブレード２２６の先端（チップ）２２４とシール２１８の内周面２２８との間のエア・パス・クリアランス（Ｇ）を検出する。
【００２６】
図４に示すように、各々のセンサ２００は、センサアッセンブリ２４８と、スパークプラグアッセンブリ２６１と、これら２つのアッセンブリ２４８，２６１を接続した電気接続ワイヤ２６０と、を含んでいる。センサアッセンブリ２４８は、後述するように同軸ケーブル２１２の中心導体２７０と電気的に接続される中心導体２５０を有する。中心導体２５０の外側に同心状に、アルミナ等の耐熱性セラミックスからなる絶縁体２５４が設けられている。絶縁体２５４の外側には、電気的に接地された外側導体２５６が同心状に設けられている。センサアッセンブリ２４８は、ねじ部２５３によってプレート２２０に結合され、ねじ部２５５によってスパークプラグアッセンブリ２６１に結合されている。ねじ部２５３に代えて、各センサ２００をプレート２２０およびシール２１８を貫通した孔内に挿入し、エンジンケース２１６の外周側部分２２２にこのセンサ２００を受容する部分的なねじを形成するようにしてもよい。各センサ２００は、シール２１８を通した漏洩を最小化するように、プレート２２０の上面とアッセンブリ２４８との間の境界２４７に位置する気密用テープやガスケットのようなシール部材と密接している。なお、漏洩防止のために他の技術を用いても良い。また、中心導体２５０と絶縁体２５４と外側導体２５６とを、その動きを最小化するために、セラッミクス接着剤のような接着材料を用いて互いに接着するようにしてもよい。あるいは、外側導体２５６の長さＬを、ケーシング２１６の外周側部分２２２を超えて延びるように、十分に長いものとしてもよい。各センサ２００をシール２１８内に保持するために、他の技術を必要に応じて用いることもできる。
【００２７】
マイクロ波の周波数の選択に関連して、中心導体２５０、絶縁体２５４および外側導体２５６の寸法は、選択され得る。つまり、（１）高次元の電磁気的モードでの半径方向および周方向への伝播を阻止する、（２）センサ２００の開放端（ブレード２２６へ向かう端部）からの電磁気的な放射を抑制する、（３）フリンジ電界を減少させる内側導体と外側導体の直接的な結合を抑制する、（４）過度の損失を伴うことなく、予想されるエアギャップ（Ｇ）の範囲を越えて、ブレード２２６に対する各センサ２００の感度を最大化する、などのように選択される。これらの特性は必須のものではないが、最良の性能に寄与する。
【００２８】
例えば、センサの励起を２０ＧＨｚで行う場合、外側導体２５６はテーパ状中空円筒形をなし、その外径Ｄｃ１およびＤｃ２は、それぞれ約０．９cmおよび１．５cmである。大径の外径Ｄｃ２は、挿入されたセンサのストッパ部となる。なお、必要に応じ、このような２つの外径Ｄｃ１，Ｄｃ２を有するのではなく、一つの共通の外径Ｄｃ１を有するように外側導体２５６を構成してもよい。中心導体２５０に近い外側導体２５６の内径Ｄｃ３（これは絶縁体２５４の外径でもある）は、先細りのテーパとなっており、約６mmから約５mmに変化する。中心導体２５０は、テーパ状の中実円柱をなし、その直径Ｄｃ４（これは絶縁体２５４の内径でもある）は、最も大きい位置で約４mmであり、約３mmへとテーパをなす。直線部分２５８の長さは約１mmであり、垂直に対するテーパ角は、約３０°である。このテーパ形状は、中心導体２５０および絶縁体２５４が外側導体２５６から脱落しないように保持することに寄与する。外側導体２５６の全体の長さＬは、約１７mmである。他の長さ、角度、寸法も、必要に応じて使用し得る。
【００２９】
絶縁体２５４は、ブレード２２６へ向かって、外側導体２５６の下面２５１から約１mil（０．０２５４mm）突出している。また、中心導体２５０は、ブレード２２６へ向かって、外側導体２５６の下面２５１から約２mil（０．０５mm）突出している。このような中心導体２５０および絶縁体２５４の突出は、必須のものではないが、フリンジ電界の範囲を増大させてセンサの検出範囲の増大に寄与する。
【００３０】
各部品２５０，２５４，２５６の他の寸法や形状も必要に応じて用い得る。一般に、励起周波数が高いほど、許容される寸法は小さくなる。また一般に、ブレード２２６へ向かう中心導体２５０の面２４９の表面積が大きいほど、フリンジ電界２７６がより強くかつより広くなり、シールの厚さおよびエアギャップクリアランスの変化に対する分解能ならびに感度が高くなる。
【００３１】
接続ワイヤ２６０は、導電性ワイヤからなり、中心導体２５０の上端の小さな挿入孔２５７からスパークプラグアッセンブリ２６１の下端まで延びている。ワイヤ２６０周囲の領域２５９、つまりワイヤ２６０と外側導体２５６の内径との間は、空気である。このワイヤ２６０は、約７mmの長さで、約０．６４mm（８mil）の直径を有する。インピーダンスが、接続部品２４８，２６１に実質的に適合するのであれば、必要に応じて、他の長さや直径のワイヤ２６０を用い得る。また領域２５９を、空気以外の材質、例えば、インピーダンスに実質的に適合するように設計した耐熱セラミックス材料などで充填してもよい。あるいは、上方へ突出した導電部分を中心導体２５０に設け、これを導体２６４に接続するようにしてもよい。必要に応じて、スパークプラグアッセンブリ２６１とセンサアッセンブリ２４８とを接続する他の導電接続構造を採用することもできる。
【００３２】
スパークプラグアッセンブリ２６１は、ウィルトロン（Wiltron）が製造したケイコネクタ（K Connector（登録商標））の部品番号Ｋ１０２Ｆを用いることができ、つまり、５０オームのコネクタと等価なものである。このアッセンブリ２６１は、約８mmの長さと約５mmの外径Ｄｓ１を有する。アッセンブリ２６１は、外側導体２５６の上部内にねじ部２５５を介して固定されている。このアッセンブリ２６１は、外側導体（つまりスパークプラグ）２６２と、中心導体２６４と、上記スパークプラグ２６２内に嵌合して電気的に導通した円筒形の導体ビーズ２６６と、中心導体２６４と導体ビーズ２６６との間の絶縁体２６８と、を備えている。このスパークプラグアッセンブリ２６１は、同軸ケーブル２１２のインピーダンス（すなわち５０オーム）と実質的に適合したインピーダンスを保持するように設計される。中心導体２６４は円柱状であり、該中心導体２６４の上部２６５はビーズ２６６および絶縁体２６８から上方へ約５mm突出している。この突出部分２６５の周囲の領域２６９、つまり該部分２６５とスパークプラグ２６２の内径Ｄｓ２との間は、空気である。上記内径Ｄｓ２は約３mmである。インピーダンスが適合するのであれば、空気以外の材料が充填されていてもよい。また、中心導体２６４の両端部は、他の導体との接続のための挿入孔２６３，２６７を有する筒状となっている。この中心導体２６４の下方の挿入孔２６３には、ワイヤ２６０が挿入され、上方の挿入孔２６７には、同軸ケーブル２１２の中心導体２７０が挿入される。スパークプラグアッセンブリ２６１やその各部を、上記とは異なる長さや形状、寸法、直径などに構成することも可能である。
【００３３】
同軸ケーブル２１２は、電気的絶縁体２７２によって囲まれた中心導体２７０を有する。絶縁体２７２は、電気的に接地されたシールド導体２７４によって囲まれており、その外側がさらに外側絶縁体２７５によって囲まれている。シールド２７４の一部は外側絶縁体２７５に重なるように折り返されており、エンドキャップ２８０が、このシールド２７４およびケーブル２１２端部に対し取り付けられている。エンドキャップ２８０は、導体２７０が貫通した絶縁部２８１と、導体部２８３と、を備える。エンドキャップ２８０の導体部２８３は、半径方向に延びたフランジ２８２を有し、ナット２８４がこのフランジ２８２に回転可能に取り付けられている。また、導電性ワッシャ２８５がエンドキャップ２８０上に配置され、導体２７０に導通している。ナット２８４の内周ねじ部は、スパークプラグ２６２のねじ部２５５の上方部分に螺合している。同軸ケーブル２１２が各センサ２００に接続された状態では、導体２６４の突出部分２６５の上方挿入孔２６７内へと導体２７０が延びている。なお、図４および図５は、正確な寸法比を示すものではない。
【００３４】
同軸ケーブル２１２によって見られる導体２７０から中心導体２５０へのインピーダンスは、実質的に５０オームである。上述のセンサアッセンブリ２４８、スパークプラグアッセンブリ２６１および接続ワイヤ２６０の構成に代えて、他の構成や寸法、形状、材料などによりセンサ２００を構成することもできる。但し、同軸状のマイクロ波伝達メディアのインピーダンスが、同軸ケーブル２１２のインピーダンスと実質的に適合することが条件となる。
【００３５】
図５に示すように、各センサ２００を通ったマイクロ波エネルギは、指示された１つあるいは複数のブレード先端位置において、１つあるいは複数のブレードの先端に衝突し、反射マイクロ波エネルギ１９０として反射する。ブレード先端はロータの回りで移動していくが、例えば、種々の時間間隔でもって５個の位置でブレードが検出される。各々の反射マイクロ波１９０は、生成された放射マイクロ波１６６と比較すると、センサ２００に対するブレード先端の位置ならびに距離に依存して、異なる位相（フェーズ）を示す。図示するように、各反射マイクロ波１９０は、回転中のブレード先端の異なる位置からセンサ２００へ戻るように反射することから、基準の位相に対し、異なる位相を示す。ブレード先端とこれに隣接かつ対向する壁面との間の距離は、反射波のエネルギおよび位相シフトを基準信号のものと比較することにより、数学的に演算され得る。
【００３６】
複数のマイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサ２００は、各ブレードとこれが近接かつ対向する壁面との間のクリアランスを読み取るように、非同期もしくは交互にリンクして、あるいはマルチプレクス式に動作し得る。クリアランスの不均一性を把握するために、複数のマイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサ２００を周方向に離して配置することができ、システム１００は、例えばトルクモータ１９２やアクチュエータ１９４を含む調整システムを用いて、エンジン１３０のハウジング２１６内もしくは周囲の１つあるいは複数の流体流を調整し、このクリアランスを均一な分布に制御することができる。
【００３７】
マイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサ２００は、反射マイクロ波１９０を受け取り、この情報を、同軸ケーブル１８４を介して導波路マルチプレクサ１５０の信号プロセッサ１７４へ中継する。反射マイクロ波１９０は、信号プロセッサ１７４によって、当業者に周知の１つあるいは複数の数学的アルゴリズムを利用して、位相データへと変換される。導波路マルチプレクサ１５０の信号プロセッサ１７４は、この位相データを信号１７６として信号バッファ１４４へ中継し、信号バッファ１４４は、該信号１７６をプロセッサ１４６へ中継する前に、一時的にこの信号１７６をストアする。プロセッサ１４６は、１つあるいは複数の数学的アルゴリズムを実行して、位相データに基づき、ブレード２２６の位置およびクリアランスを測定する。この測定後、プロセッサ１４６は、位置およびクリアランスの測定データ１７８をコントローラ１４０へ中継する。コントローラ１４０は、このブレード２２６の位置およびクリアランスのデータを一時的にストアし、記録バッファ１４８へのデータ転送１８０を用いて、ロータにおける全てのブレード２２６の列について測定を行う。その間に、コントローラ１４０は、位置およびクリアランスのデータ１７８を、取得した関連データを含めて、出力１８２として、ターボマシン自体の用途のために出力する。記録バッファ１４８は、各コンポーネントおよびサブコンポーネントについて測定した位置およびクリアランスのデータ１７８を一時的にストアし、あるいは一時的なストアに代えて、あるいはこれに加えて、データ１７８を記録保存する。このようにデータを保存して再利用可能としたシステムでは、ユーザが、コンポーネントおよびサブコンポーネントの耐久寿命の間、その位置およびクリアランスの情報をモニタすることが可能となる。
【００３８】
他の実施例として、タービンエンジンのコンポーネントおよびサブコンポーネントの調子をモニタリングする装置および方法が記載されている。ここに記載された装置および方法では、ブレードの通過周期の変化が検出され、これにより、下記のような損傷や異常状態が示される。
【００３９】
（１）ブレードの変形、クラック、摩耗、ブレード取付部のクラック、の検出、
（２）破損もしくは変形したブレード先端の存在、
（３）異常振動もしくは共振モードの検出、
（４）タービンシャフトメインベアリングの状態表示、
（５）タービンとケースとの同軸度の低下およびすりこぎ運動（歳差運動）の検出、
（６）ブレード先端クリアランスの分周振動による歳差運動の検出。
【００４０】
図２〜図５に示したマイクロ波検出システム１００は、ターボマシン装置における１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの調子をモニタリングするものとして機能する。上述した損傷や異常状態は、コンポーネントおよびサブコンポーネント（例えば１つあるいは複数のブレード）から戻った反射マイクロ波１９０の波形の分析、および／または、各コンポーネントおよびサブコンポーネント（例えば１つあるいは複数のブレード）がマイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサ２００から出たマイクロ波１６８を順次通過させかつ反射する際の到着時間（time-of-arrival）のモニタリング、により発見され得る。
【００４１】
システム１００は、マイクロ波出力源１４２が起動し、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネント（例えば１つあるいは複数のブレード）で反射することにより、第１の到着時間を測定する。図３および図５に示したように、複数のマイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサ２００が、あるインデックスに対し、１回目のブレード２２６からの反射マイクロ波１９０の第１の到着時間をミリ秒で記録（ログ）する。第２のセンサ２００群は、インデックスに対し、２回目のときに、同じブレード２２６からの第２の到着時間を記録（ログ）する。図５のプロットは、マイクロ波センサ１５２，１５４，１５６からの反射マイクロ波１７２から到着時間がどのように把握されるかを示している。そして、システム１００は、第１の到着時間を第２の到着時間と比較する。この比較に基づき、システム１００は、コンポーネントおよびサブコンポーネント（例えば１つブレード２２６）の周期の変化の有無を検出し、そのコンポーネントおよびサブコンポーネントに、損傷や異常があるか否かを検出する。
【００４２】
例えば、ブレード２２６が一つのセンサ位置から他のセンサ位置に移動するときに、ブレード２２６が、過度に早くあるいは過度に遅く到着するのは、ブレード２２６にクラックがあることを示している。また例えば、反射マイクロ波１７２の位相のシフト、あるいは周期的変化として知られるものは、ブレード２２６が振動もしくは捩れの力を受けていることを示す。相当な時間を越えている場合には、これらの力によって、最終的に破損や欠損が生じうる。
【００４３】
マイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサ２００は、各ブレード先端の位置を同期して読み取りつつ、全てリンクし、あるいはマルチプレクス形式となっている。同期した読み取りにより、システム１００は、各ブレードの１回転の間に、少なくとも３つの測定値を収集することができる。非同期のセンサ列では、各ブレードの１回転の間に１つの測定値が得られるだけである。上述したように、マイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサ２００は、好ましくは、エンジンハウジング２１６に一体に設けられ、あるいは、ブレード２２６に近接かつ対向してタービンエンジン１３０内部に設けられる。さらに、マイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサ２００は、互いに近接して周方向に配設されている。ここで、３個未満のマイクロ波センサでは、１回転中に十分な数の測定値が得られず、同期した測定による利点は得られないことに留意すべきである。他の実施例では、複数セットのマイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサ２００が用いられ、各々のセットが、ブレードに近接かつ対向した壁面内に望ましくは一体に設けられた周方向に配設された３個以上のセンサ２００を含んでいる。マイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサ２００は、ガスタービンエンジン１３０の中心線１８８と同じ平面内で、ある角度に配置され、好ましくは、エンジン中心線と同じ平面内で、３個以上のマイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサ２００が１つの線もしくは帯の中に軸方向に配置される。
【００４４】
図６は、さらに他の実施例を示しており、熱膨張をモニタリングしてクリアランスを制御するとともにターボマシンの調子を維持するための装置および方法として、この例は、さらに、システムバックアップや測定値チェックのために、冗長的な測定手段、例えば、カープマンによる米国特許第６，４８７，４９１号に記載されているようなアナログ・クリアランス・モデルを備えている。このカープマンの特許は、ターボマシンにおける実際のクリアランスの正確な予測を、エンジンコントローラに実装したリアルタイム数学モデルによって実現するシステムおよび方法を開示している。図６に示すように、飛行条件およびエンジン出力設定のデータ３１０が、ＦＡＤＥＣシステム３１４のクリアランス要求論理アルゴリズム３１２に転送される。このアルゴリズム３１２はデータ３１０を処理して結合点３１５へ転送し、この結合点３１５が、アナログタービンチップクリアランスモデル３１８から演算された先端クリアランスデータ３１６を受ける。データ３１０，３１６は、結合点３１５から閉ループ補償アルゴリズム３２０へと送られる。この受け取ったデータに基づき、アルゴリズム３２０は、このデータを符号３２２のようにクリアランスモデル３１８へと転送し、かつ、補助空気流つまり冷却空気流をファン流からタービンエンジン３２４のエンジンケース（図示せず）の上へと分流するためのバルブ（図示せず）の位置を制御して、該ケースとエンジンブレードとの間で所望のクリアランスが得られるようにエンジンケースを冷却する。そして、タービンエンジン３２４は、エンジンパラメータデータ３２６をクリアランスモデル３１８へと供給する。クリアランス要求論理アルゴリズム３１２は、本明細書の参照となるカープマンの特許に開示されたアルゴリズムから構成することができ、あるいは、実際のクリアランスを正確に推定するように設計された当業者に知られている他のリアルタイム数学モデルを用いることもできる。
【００４５】
タービンエンジンのファンブレードとケースとの間のクリアランスの制御が不十分であると、クリアランスが過度に大となり、あるいは過度に小さくなって過剰な摩耗を生じる。どちらの場合も、不完全なクリアランスにより性能（エンジン効率や推力など）の低下を招き、エンジンの運転時の限界（例えば排気ガス温度の上昇）を侵し、コンプレッサの安定性の低下を招く。標準の設計実務では、クリアランス制御システムは、ブレードやケースの損傷を招きかねない飛行時クリアランスよりも大きなクリアランスが好ましいとされてきた。例えば、ＰＷ４０００のようなある種のエンジンにおいては、オープンループのクリアランス制御システムを用いており、このようなシステムでは、”完全な”クリアランス制御システムに比較して、明らかに性能が犠牲になる。他の形式、例えばＶ２５００のようなエンジンにおいては、不十分なモデル化したクリアランスに依存した閉ループシステムを用いており、性能低下はやや少なくなるものの、理想的なクリアランス制御にはまだ不十分である。
【００４６】
上述した本発明の方法およびシステムは、アナログ式閉ループシステムや他の非能動的閉ループシステムに比較して、種々の利点を有する。一つの利点は、タービンエンジンにおける先端クリアランスの推定や、コンポーネントおよびサブコンポーネントの調子のモニタリングの精度ならびに信頼性が向上することである。他の利点は、運転条件が急激に変化しやすい飛行中においてクリアランス制御システムが機能し得る性能であり、例えば、飛行機の離陸時に、エンジン運転条件が急激に変化することから、先端クリアランスは、特に厳しくなるものと予想される。さらに他の利点は、クリアランスの増加に伴って減少する排気ガス温度のマージン（余裕代）が拡大し、クリアランスによる安定性低下を回避できることである。これらの利点は、クリアランス制御の精度のさらなる改善に寄与し、ひいては、飛行機の飛行中において、運転時の制限やコンプレッサの安定性を維持しつつ、摺接摩耗のない信頼性の高い運転を確保し、エンジン性能の改善を図ることができる。さらなる利点は、非同期の測定では各ブレードの１回転中に１回の測定しかできないのに対し、３個以上のセンサを用いて各ブレードの１回転中に同期した測定を行い得ることである。他の利点は、熱移動およびエネルギ保存現象を予測する数学的モデルに依拠するのではなく、３個以上のマイクロ波センサを用いて、各コンポーネントおよびサブコンポーネントの位置に関する情報を同時に受け取れることである。さらに他の利点は、大きな熱膨張を受ける領域や所望のクリアランスよりも小さなクリアランスを示す領域を適当に冷却するように、エンジンハウジングの中や周囲に流れる流体流を調整できることである。
【００４７】
最適な一実施例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、形状、大きさ、各部品の配置、動作の細部、などは変更され得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】マイクロ波センサを用いた閉ループシステムの一実施例を示す説明図。
【図２】ターボマシンに適用した一実施例の閉ループシステムを示す説明図。
【図３】図２の装置に用いられるマイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサの一実施例を示す説明図。
【図４】前方にブレードが存在しない状態でマイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサを示す断面図。
【図５】ブレード先端で反射し、図２〜図４のセンサで測定された信号の位相変化を示す特性図。
【図６】従来技術のエンジンパラメータにより動作する閉ループアナログモデル化能動クリアランス制御システムを示す説明図。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、モータもしくはエンジンのファンブレードのクリアランスを制御する装置および方法に関し、より詳しくは、モータもしくはエンジンの部品の熱膨張を測定し、このモータやエンジンのファンブレードのクリアランスを制御する装置および方法に関する。なお、米国政府は、空軍の契約に基づき、本願について所定の権利を有する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンやポンプあるいは圧縮機の分野において、ターボマシンコンポーネントの半径方向の熱膨張の検知や制御は、設計者が望む高いレベルの効率や安定性を達成する上で、長い間、障害となっていた。このような好ましくない状況は、半径方向の膨張を測定する信頼性や精度の高い入手可能なセンサが存在しないことにある程度起因している。代替として、半径方向の膨張は、測定ないし得た種々のターボマシンパラメータと半径方向の膨張とを関連付ける数学的モデルを用いて演算することが可能である。これまで、このアルゴリズムを得るために、種々の試みがなされてきた。しかしながら、これまで知られているアルゴリズムでは、要求される安定状態や過渡時の精度を満たすことができず、式を高い精度のデータを得るように校正する能力がなく、かつ、デジタルコンピュータでの実行に適した演算式を得ることができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
タービンエンジンのファンブレードとケースとの間のクリアランスの制御が不完全であると、クリアランスが過度に大きくなるか、あるいはクリアランスが過度に狭くなって摩耗が過大となる。どちらの場合も、不完全なクリアランスにより性能（エンジン効率や推力など）の低下を招き、エンジンの運転時の限界（例えば排気ガス温度の上昇）を侵し、コンプレッサの安定性の低下を招く。標準の設計実務では、クリアランス制御システムは、ブレードやケースの損傷を招きかねない狭いクリアランスよりも大きなクリアランスが好ましいとされてきた。例えば、ＰＷ４０００のようなある種のエンジンにおいては、オープンループのクリアランス制御システムを用いており、このようなシステムでは、”完全な”クリアランス制御システムに比較して、明らかに性能が犠牲になる。他の形式、例えばＶ２５００のようなエンジンにおいては、不十分なモデル化したクリアランスに依存した閉ループシステムを用いており、性能低下はやや少なくなるものの、理想的なクリアランス制御にはまだ不十分である。
【０００４】
先端クリアランスの推定の精度および信頼性を改善することは、運転条件が急激に変化しやすい飛行中の部品に対してクリアランス制御システムが能動的に動作し得ることにも寄与する。例えば、一般的な能動クリアランス制御システムは、エンジン運転条件の変化が急なため先端クリアランスの予測が困難となる飛行機の離陸時には、通常、その動作を停止するようにしていた。従前のこのような対応は、飛行機の総運転時間の中で離陸時の占める割合が小さな場合やエンジンの安定性のマージンを旧来通りに大きくしている場合には問題はない。これに対し、例えばＡ３１８用のＰＷ６０００のような短距離飛行の用途に設計されたエンジンにおいては、離陸時の燃費性能が非常に重要である。また、離陸時にも能動的なクリアランス制御を働かせることは、排気温度のマージン（このマージンは一般にクリアランスの増加に伴って減少する）を増大させ、クリアランスによる安定性低下の回避に寄与する。従って、クリアランス制御の精度をさらに改善し、ひいては、飛行機の飛行中において、運転時の制限やコンプレッサの安定性を維持しつつ、摺接摩耗のない信頼性のある運転を確保し、エンジン性能の改善を図ることが求められている。
【０００５】
閉ループシステムにおけるクリアランスのモデル化を主に困難としているのは、エンジンコンポーネントの熱膨張のモデル化であり、比較的容易に算出し得る機械的な歪み（変位）のモデル化ではない。熱膨張のモデル化は、エンジンコンポーネントの物理的な構成やこれらのコンポーネントが影響を受ける頻繁な変化（すなわち、スロットルの過渡、複数の流体流の温度差や温度変化、流量変化、など）が、熱の移動やエネルギ保存の現象におけるモデル化の問題を複雑にするので、非常に困難である。
【０００６】
例えば、エンジンコンポーネントの各々は、温度、シャフト速度、流体流の露出、を含む運転条件の変化により、エンジンハウジング内のそれぞれの場所で、各々の速度でもって熱膨張を生じる。ある１つのコンポーネントが他のコンポーネントよりも大きな熱膨張を生じると、ガスタービンエンジンのある領域の熱膨張が他の領域の熱膨張よりも大きくなる。このようにガスタービンエンジンの熱膨張が変化する領域に対向したエンジンハウジングの内壁は、エンジンコンポーネント間の不整合な熱移動により、やはり、熱膨張量が変化する。この結果、エンジンハウジングの内壁のある一部の領域で熱膨張が大となり、これに対応して、エンジンハウジングの他の領域に比較して、より小さいクリアランスとなる。この点では、ガスタービンエンジンにおける熱移動やエネルギ保存の現象のモデル化に関する障害が、より明らかになる。
【０００７】
従って、ターボマシンの用途において、熱膨張の制御、クリアランスの制御、ならびに調子（health）のモニタリングを行う装置および方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のターボマシンにおけるクリアランス制御方法は、ターボマシンの１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントに近接かつ対向するように配設された３個以上のマイクロ波センサを含む閉ループ検出型能動クリアランス制御システムを設けるステップと、この能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの実際の熱膨張を測定するステップと、上記能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの各々とこれらが近接かつ対向する壁面との間の、熱膨張が生じる箇所の実際のクリアランスを測定するステップと、上記能動クリアランス制御システムを用いて熱膨張として測定された上記１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントのそれぞれについての実際のクリアランスと所望のクリアランスとの差に基づいて、上記クリアランスを制御するステップと、を含む。
【０００９】
本発明のターボマシンの調子をモニタリングする方法は、ターボマシンの１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントに近接かつ対向する壁面内に配設された閉ループ検出型能動到着時間（time-of-arrival）モニタリングシステムを設けるステップと、ターボマシンのタービンエンジンのロータ速度を測定するステップと、上記能動到着時間モニタリングシステムを用いて、上記ロータ速度に基づき、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントからの予想される到着時間を決定するステップと、上記能動到着時間モニタリングシステムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントあるいはサブコンポーネントが１つあるいは複数のある位置にあるときの実際の到着時間を測定するステップと、上記能動モニタリングシステムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの実際の到着時間を予想到着時間と比較するステップと、上記能動到着時間モニタリングシステムを用いて、上記の比較から、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの到着時間の変化の有無を判定するステップと、上記能動到着時間モニタリングシステムを用いて、上記の比較から、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの調子を推定するステップと、を備えてなる。
【００１０】
本発明のターボマシンのクリアランス制御装置は、能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの実際の熱膨張を測定する手段と、上記能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントとこれらが近接かつ対向する壁面との間の、熱膨張が生じる箇所の実際のクリアランスを測定する手段と、上記能動クリアランス制御システムを用いて熱膨張として測定された上記１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントのそれぞれについての実際のクリアランスと所望のクリアランスとの差に基づいて、上記クリアランスを制御する手段と、を含む。
【００１１】
本発明のタービンエンジン装置は、ケースおよび該ケース内で回転するブレードを含むタービンエンジンと、能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの実際の熱膨張を測定する手段と、上記能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの各々とこれらが近接かつ対向する壁面との間の、熱膨張が生じる箇所の実際のクリアランスを測定する手段と、上記能動クリアランス制御システムを用いて熱膨張として測定された上記１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントのそれぞれについての実際のクリアランスと所望のクリアランスとの差に基づいて、上記クリアランスを制御する手段と、を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
モータもしくはエンジンの部品の熱膨張を測定し、このモータやエンジンのファンブレードのクリアランスを制御する装置および方法が開示されている。さらに、タービンエンジンやそのコンポーネントならびにサブコンポーネントの調子をモニタリングする装置および方法が開示されている。ブレード先端が外周側エアシールと摺接したり浸食されたりすることによる半径方向のクリアランスの増加は、エンジン性能の低下の原因となる。ターボマシンにおけるブレードやロータの異常を早期に検出することで、コンポーネントの破損を防止できる。ここに開示される装置および方法は、エンジンの全寿命に亘って、半径方向クリアランスおよびブレードやロータの振動をモニタリングし、これにより、より長い飛行時間に亘る性能の維持ならびに修正の支援となる。さらに、コンポーネントの公差やエンジン性能特性、極端な周囲温度の下での運転、に起因した個々のエンジン性能変化の不整合が、本発明の装置および方法によって、除去され、あるいは、顕著に減少する。
【００１３】
まず初めに、モータもしくはエンジンの部品の熱膨張を測定し、このモータやエンジンのファンブレードのクリアランスを制御する装置および方法の一実施例を説明する。本実施例においては、検出システムはマイクロ波のエネルギを利用するもので、マイクロ波が、検出ボディつまりプローブの内部の通路を通って回転中のブレードの先端へ向かうように案内され、ブレードが上記通路の出口近くに生成された電磁場を通過する際に、実際の、つまりリアルタイムの半径方向クリアランスを測定する。このシステムは、このフィードバック信号を処理し、アクチュエータシステムの的確な切換を行うためのデータを出力する。アクチュエータシステムは、タービンにおける回転ブレードと静止部品との間の半径方向クリアランスの調整を、コントローラからの入力に応答して行うことが可能である。
【００１４】
このシステムは、ターボマシンの用途におけるスタンドアローンの構成要素として機能するように構成することもでき、あるいは、ガスタービンの電子エンジン制御（ＥＥＣ）システム、例えば、全自動デジタルエンジン制御システム（ＦＡＤＥＣ）などに組み込むこともでき、ターボマシンの用途全般、例えば、民間航空機、商用航空機、軍用航空機、を監視する。いずれの構成においても、ターボマシン用途に関連する全てのエンジン性能特性に関する情報を同時に受けるために、ＥＥＣおよび上記システムは直接にリンクしている。ＥＥＣは、次のような情報（但し、これには限定されない）を提供し得る。すなわち、ターボマシンのコンポーネントもしくはサブコンポーネントと熱交換する流体流の判定、ならびにコンポーネントおよびサブコンポーネントと熱交換する各流体流の温度および流量の提供、温度、圧力、シャフト速度、などのコンポーネントおよびサブコンポーネントに関連する性能パラメータの判定、シャフト速度、圧力、温度、などのコンポーネントおよびサブコンポーネントの熱伝達特性パラメータの判定、ターボマシンのコンポーネントおよびサブコンポーネントの定常状態での膨張の判定、である。この膨張は、各々、種々の温度、流量、熱・物理特性の流体流との熱交換による膨張の加重平均であり、その重み係数は、熱伝達性能パラメータなどを含む。
【００１５】
このシステムは、ブレードが通過するたびに、マイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスシステムによって半径方向のクリアランスと各ブレードの到着時間とを同時に測定することができる。システムの複数のマイクロ波センサが、ブレード列の回りに所定の間隔で周方向に配置される。マイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスシステムは、ブレード列内の各ブレードで変化する、位置、クリアランス空間、到着時間、に関する情報を測定かつ提供する。到着時間は、ブレードの振動がないものとすれば、エンジン回転速度（ｒｐｍ）に直接的に相関する。このシステムは、複数の角度位置における到着時間の変化を精度よく測定し、この変化を、既知の速度における予想される到着時間と比較することで、その相関関係を確実なものとする。これにより、エンジンの運転レジメもしくは運転サイクル全体を通して、より狭い運転時のクリアランスを高い信頼性で実現することができる。
【００１６】
図１は、モータもしくはエンジンの部品の熱膨張を測定し、このモータやエンジンのファンブレードのクリアランスを制御するシステム１００を示している。図示するように、飛行条件およびエンジン出力設定データ１１０が、上記システム１００を含むＥＥＣ（電子エンジン制御）システム１１４のクリアランス要求ロジックアルゴリズム１１２に中継される。上記アルゴリズム１１２は、データ１１０を処理し、このデータ１１０を結合点１１６へ転送する。この結合点１１６は、タービンエンジン１１８から測定された先端クリアランスデータ１１７を受け取る。合成されたデータ１１０，１１７は、結合点１１６から閉ループ補償アルゴリズム１２０へ転送され、このアルゴリズム１２０が、コマンド１２２を介して図示せぬバルブを制御する。このバルブは、補助空気つまり冷却空気をファン流からタービンエンジンを囲むエンジンケース（図示せず）の上へと案内するために用いられるもので、エンジンケースとエンジンブレードとの間に所望のクリアランスが得られるように、エンジンケースを冷却する。システム１００は、詳細を後述するシステムおよび方法を用いて、測定された先端クリアランスデータ１１７を提供する。
【００１７】
図２〜図５に示すように、非回転のガスタービンエンジンケース構造体およびそのコンポーネントの内部に、マイクロ波検出システム１００が配置されている。システム１００は、好ましくは、ガスタービンエンジンに直接に接続されており、このガスタービンエンジンは、基本的に、ファン１３２、コンプレッサ１３４、タービン１３６、および後述するエンジンケースの冷却調整システム、を備える。コンプレッサ１３４としては、低圧コンプレッサもしくは高圧コンプレッサのいずれが用いられるかに応じて、低圧コンプレッサもしくは高圧コンプレッサとなる。一列もしくは複数列のブレード（図示せず）がロータ（図示せず）に取り付けられ、ファン１３２、コンプレッサ１３４、タービン１３６、もしくはタービンエンジン１３０の他の領域として機能する。
【００１８】
マイクロ波検出システム１００は、当業者に周知の他の電子構成部品に加えて、コントローラ１４０、マイクロ波出力源１４２、信号バッファ１４４、プロセッサ１４６、記録バッファ１４８、および、エンジン１３０内に配置されたマイクロ波エア・パス・クリアランスシステムと接続した導波路マルチプレクサ１５０、を備えている。上述したように、システム１００は、スタンドアローン形式であっても、あるいはＥＥＣ１１４内に組み込まれたものであってもよい。どちらの形式においても、システム１００は、１つあるいは複数のエンジンセンサ１９０からコントローラ１４０へと転送されるエンジン性能パラメータに関する情報ならびに他の関連データを受ける。このシステム１００がエンジン１３０のコンポーネントやサブコンポーネントの熱膨張をモニタすると、システム１００は、例えばエンジン１３０およびコントローラ１４０の双方に接続されたトルクモータ１９２やアクチュエータ１９４を含む調整システムを用いて、エンジン１３０のハウジング内部ならびにハウジング周囲の一つあるいは複数の流体流を調整する。
【００１９】
コントローラ１４０内の制御ソフトウェアは、高圧タービンのクリアランスを測定するロジックと、実際のクリアランスと所望のクリアランスとの差に応じてアクチュエータ１９４の角度を決定する制御アルゴリズムと、を含むが、必ずしもこれには限定されない。コントローラ１４０は、システム１００内の構成要素やシステム１００とエンジン１３０との間における構成要素の性能や相互作用を、直接ないしは間接に制御している。
【００２０】
概略として、コントローラ１４０は、コンポーネントやサブコンポーネント例えばブレードの位置の判定、および、このブレードが近接かつ対向する壁面との間のブレードクリアランスの測定、を開始するコマンド１５８をプロセッサ１４６に送る。コントローラ１４０は、同時に、マイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスシステムを起動するコマンド１６０を導波路マルチプレクサ１５０へ送り得る。上記エア・パス・クリアランスシステムは、ファン１３２やコンプレッサ１３４やタービン１３６を構成するロータのブレード列の中の１つあるいは複数のブレードが近接かつ対向する壁面の内部に組み込まれている。マイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスシステムは、種々の信号やコマンドやデータをやりとりするために、同軸ケーブル１８４や他の同様のデバイスを介して、マルチプレクサ１５０および他の構成要素と接続されている。プロセッサ１４６は、信号バッファ１４４への信号転送１６４を開始する。コントローラ１４０は、信号バッファ１４４へクリア・コマンド１６２を送り得るとともに、信号転送の開始に先だって、周波数選択コマンド１６４を起動し得る。信号バッファ１４４は、周波数選択コマンド１６４をマイクロ波出力源１４２へ送る。ここで、マイクロ波出力源１４２は、ブレードの位置の判定およびブレードクリアランスの測定に十分な量の放射マイクロ波１６６を生成する。
【００２１】
生成された放射マイクロ波１６６は、マイクロ波マルチプレクサ１５０のソース部１７０を通して、マイクロ波１６８として、マイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスシステムへ中継される。このマイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスシステムは、例えば、グリツボスキィ等によって出願され、かつ本出願人に譲渡された米国特許第５，８１８，２４２号に記載されている。
【００２２】
図３に示すように、本発明のシステムおよび方法において用いられるマイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランス検出システムは、１つあるいは複数のマイクロ波エア・パス・クリアランスセンサ２００を含んでおり、各センサ２００は、同軸ケーブル２１２、例えば約５０オームのインピーダンス特性を有する標準的な同軸マイクロ波通信ライン、の一端に接続されている。この同軸ケーブル２１２は、センサ２００へ送信すべき出力（つまり励起）マイクロ波信号２３０の送信と、センサ２００から受け取るべき受信（つまり戻りないしは反射）マイクロ波信号２３２の受信と、が可能なものである。同軸ケーブル２１２の他端は、センサ２００との間で上記のマイクロ波信号２３０，２３２をやり取りするクリアランス／厚さ回路２１４に接続されている。なお、必要に応じて、他の種類の同軸ケーブルや通信媒体あるいは他のインピーダンスを用いることが可能である。
【００２３】
上記の１つあるいは複数のセンサ２００は、エンジンのハウジング（つまりケーシング）２１６に取り付けられている。エンジンハウジング２１６の最内周の領域は、摩耗性の耐熱導電性金属からなる摩耗性シール２１８（つまり摺接による摩耗を許容するシール）と、耐熱導電性金属、例えばインコネル７１８（Inco７１８）（これはニッケル、コバルト、および鋼を含む）からなるシールバックプレート２２０と、を含んでいる。このシール２１８およびプレート２２０は、それぞれ、約０．１インチ（２．５４mm）の厚さを有する。なお、シール２１８およびプレート２２０は、他の厚さや材質のものであってもよい。ハウジング２１６の残りの外周側部分は、符号２２２でもって示しているが、これは、周知のように、種々の材料からなる複数の部分や層を含みうる。シール２１８として他の材料を用いることもでき、また、これらの領域２１８，２２０，２２２を同じ材料から構成してもよく、あるいは複数種の材料から構成してもよい。
【００２４】
センサ２００は、摩耗性シール２１８の内周面２２８から窪んで配置され、所定の距離つまり厚さＤ（例えば２５〜５０mil（０．６３５〜１．２７mm））だけ後退している。この厚さＤの値は、必要に応じて、他の値とすることもできる。シール２１８の摩耗に伴い、この凹部の距離Ｄは減少する。ブレードがこのセンサ２００に接触することがないように、シール２１８の交換までの間に該シール２１８に許容される最大の摩耗量を上回る値に、この距離Ｄが設定される。
【００２５】
センサ２００は、厚さＤの減少を引き起こすシール２１８の摩耗量を検出する。さらに、センサ２００は、後述するように、ブレード２２６の先端（チップ）２２４とシール２１８の内周面２２８との間のエア・パス・クリアランス（Ｇ）を検出する。
【００２６】
図４に示すように、各々のセンサ２００は、センサアッセンブリ２４８と、スパークプラグアッセンブリ２６１と、これら２つのアッセンブリ２４８，２６１を接続した電気接続ワイヤ２６０と、を含んでいる。センサアッセンブリ２４８は、後述するように同軸ケーブル２１２の中心導体２７０と電気的に接続される中心導体２５０を有する。中心導体２５０の外側に同心状に、アルミナ等の耐熱性セラミックスからなる絶縁体２５４が設けられている。絶縁体２５４の外側には、電気的に接地された外側導体２５６が同心状に設けられている。センサアッセンブリ２４８は、ねじ部２５３によってプレート２２０に結合され、ねじ部２５５によってスパークプラグアッセンブリ２６１に結合されている。ねじ部２５３に代えて、各センサ２００をプレート２２０およびシール２１８を貫通した孔内に挿入し、エンジンケース２１６の外周側部分２２２にこのセンサ２００を受容する部分的なねじを形成するようにしてもよい。各センサ２００は、シール２１８を通した漏洩を最小化するように、プレート２２０の上面とアッセンブリ２４８との間の境界２４７に位置する気密用テープやガスケットのようなシール部材と密接している。なお、漏洩防止のために他の技術を用いても良い。また、中心導体２５０と絶縁体２５４と外側導体２５６とを、その動きを最小化するために、セラッミクス接着剤のような接着材料を用いて互いに接着するようにしてもよい。あるいは、外側導体２５６の長さＬを、ケーシング２１６の外周側部分２２２を超えて延びるように、十分に長いものとしてもよい。各センサ２００をシール２１８内に保持するために、他の技術を必要に応じて用いることもできる。
【００２７】
マイクロ波の周波数の選択に関連して、中心導体２５０、絶縁体２５４および外側導体２５６の寸法は、選択され得る。つまり、（１）高次元の電磁気的モードでの半径方向および周方向への伝播を阻止する、（２）センサ２００の開放端（ブレード２２６へ向かう端部）からの電磁気的な放射を抑制する、（３）フリンジ電界を減少させる内側導体と外側導体の直接的な結合を抑制する、（４）過度の損失を伴うことなく、予想されるエアギャップ（Ｇ）の範囲を越えて、ブレード２２６に対する各センサ２００の感度を最大化する、などのように選択される。これらの特性は必須のものではないが、最良の性能に寄与する。
【００２８】
例えば、センサの励起を２０ＧＨｚで行う場合、外側導体２５６はテーパ状中空円筒形をなし、その外径Ｄｃ１およびＤｃ２は、それぞれ約０．９cmおよび１．５cmである。大径の外径Ｄｃ２は、挿入されたセンサのストッパ部となる。なお、必要に応じ、このような２つの外径Ｄｃ１，Ｄｃ２を有するのではなく、一つの共通の外径Ｄｃ１を有するように外側導体２５６を構成してもよい。中心導体２５０に近い外側導体２５６の内径Ｄｃ３（これは絶縁体２５４の外径でもある）は、先細りのテーパとなっており、約６mmから約５mmに変化する。中心導体２５０は、テーパ状の中実円柱をなし、その直径Ｄｃ４（これは絶縁体２５４の内径でもある）は、最も大きい位置で約４mmであり、約３mmへとテーパをなす。直線部分２５８の長さは約１mmであり、垂直に対するテーパ角は、約３０°である。このテーパ形状は、中心導体２５０および絶縁体２５４が外側導体２５６から脱落しないように保持することに寄与する。外側導体２５６の全体の長さＬは、約１７mmである。他の長さ、角度、寸法も、必要に応じて使用し得る。
【００２９】
絶縁体２５４は、ブレード２２６へ向かって、外側導体２５６の下面２５１から約１mil（０．０２５４mm）突出している。また、中心導体２５０は、ブレード２２６へ向かって、外側導体２５６の下面２５１から約２mil（０．０５mm）突出している。このような中心導体２５０および絶縁体２５４の突出は、必須のものではないが、フリンジ電界の範囲を増大させてセンサの検出範囲の増大に寄与する。
【００３０】
各部品２５０，２５４，２５６の他の寸法や形状も必要に応じて用い得る。一般に、励起周波数が高いほど、許容される寸法は小さくなる。また一般に、ブレード２２６へ向かう中心導体２５０の面２４９の表面積が大きいほど、フリンジ電界２７６がより強くかつより広くなり、シールの厚さおよびエアギャップクリアランスの変化に対する分解能ならびに感度が高くなる。
【００３１】
接続ワイヤ２６０は、導電性ワイヤからなり、中心導体２５０の上端の小さな挿入孔２５７からスパークプラグアッセンブリ２６１の下端まで延びている。ワイヤ２６０周囲の領域２５９、つまりワイヤ２６０と外側導体２５６の内径との間は、空気である。このワイヤ２６０は、約７mmの長さで、約０．６４mm（８mil）の直径を有する。インピーダンスが、接続部品２４８，２６１に実質的に適合するのであれば、必要に応じて、他の長さや直径のワイヤ２６０を用い得る。また領域２５９を、空気以外の材質、例えば、インピーダンスに実質的に適合するように設計した耐熱セラミックス材料などで充填してもよい。あるいは、上方へ突出した導電部分を中心導体２５０に設け、これを導体２６４に接続するようにしてもよい。必要に応じて、スパークプラグアッセンブリ２６１とセンサアッセンブリ２４８とを接続する他の導電接続構造を採用することもできる。
【００３２】
スパークプラグアッセンブリ２６１は、ウィルトロン（Wiltron）が製造したケイコネクタ（K Connector（登録商標））の部品番号Ｋ１０２Ｆを用いることができ、つまり、５０オームのコネクタと等価なものである。このアッセンブリ２６１は、約８mmの長さと約５mmの外径Ｄｓ１を有する。アッセンブリ２６１は、外側導体２５６の上部内にねじ部２５５を介して固定されている。このアッセンブリ２６１は、外側導体（つまりスパークプラグ）２６２と、中心導体２６４と、上記スパークプラグ２６２内に嵌合して電気的に導通した円筒形の導体ビーズ２６６と、中心導体２６４と導体ビーズ２６６との間の絶縁体２６８と、を備えている。このスパークプラグアッセンブリ２６１は、同軸ケーブル２１２のインピーダンス（すなわち５０オーム）と実質的に適合したインピーダンスを保持するように設計される。中心導体２６４は円柱状であり、該中心導体２６４の上部２６５はビーズ２６６および絶縁体２６８から上方へ約５mm突出している。この突出部分２６５の周囲の領域２６９、つまり該部分２６５とスパークプラグ２６２の内径Ｄｓ２との間は、空気である。上記内径Ｄｓ２は約３mmである。インピーダンスが適合するのであれば、空気以外の材料が充填されていてもよい。また、中心導体２６４の両端部は、他の導体との接続のための挿入孔２６３，２６７を有する筒状となっている。この中心導体２６４の下方の挿入孔２６３には、ワイヤ２６０が挿入され、上方の挿入孔２６７には、同軸ケーブル２１２の中心導体２７０が挿入される。スパークプラグアッセンブリ２６１やその各部を、上記とは異なる長さや形状、寸法、直径などに構成することも可能である。
【００３３】
同軸ケーブル２１２は、電気的絶縁体２７２によって囲まれた中心導体２７０を有する。絶縁体２７２は、電気的に接地されたシールド導体２７４によって囲まれており、その外側がさらに外側絶縁体２７５によって囲まれている。シールド２７４の一部は外側絶縁体２７５に重なるように折り返されており、エンドキャップ２８０が、このシールド２７４およびケーブル２１２端部に対し取り付けられている。エンドキャップ２８０は、導体２７０が貫通した絶縁部２８１と、導体部２８３と、を備える。エンドキャップ２８０の導体部２８３は、半径方向に延びたフランジ２８２を有し、ナット２８４がこのフランジ２８２に回転可能に取り付けられている。また、導電性ワッシャ２８５がエンドキャップ２８０上に配置され、導体２７０に導通している。ナット２８４の内周ねじ部は、スパークプラグ２６２のねじ部２５５の上方部分に螺合している。同軸ケーブル２１２が各センサ２００に接続された状態では、導体２６４の突出部分２６５の上方挿入孔２６７内へと導体２７０が延びている。なお、図４および図５は、正確な寸法比を示すものではない。
【００３４】
同軸ケーブル２１２によって見られる導体２７０から中心導体２５０へのインピーダンスは、実質的に５０オームである。上述のセンサアッセンブリ２４８、スパークプラグアッセンブリ２６１および接続ワイヤ２６０の構成に代えて、他の構成や寸法、形状、材料などによりセンサ２００を構成することもできる。但し、同軸状のマイクロ波伝達メディアのインピーダンスが、同軸ケーブル２１２のインピーダンスと実質的に適合することが条件となる。
【００３５】
図５に示すように、各センサ２００を通ったマイクロ波エネルギは、指示された１つあるいは複数のブレード先端位置において、１つあるいは複数のブレードの先端に衝突し、反射マイクロ波エネルギ１９０として反射する。ブレード先端はロータの回りで移動していくが、例えば、種々の時間間隔でもって５個の位置でブレードが検出される。各々の反射マイクロ波１９０は、生成された放射マイクロ波１６６と比較すると、センサ２００に対するブレード先端の位置ならびに距離に依存して、異なる位相（フェーズ）を示す。図示するように、各反射マイクロ波１９０は、回転中のブレード先端の異なる位置からセンサ２００へ戻るように反射することから、基準の位相に対し、異なる位相を示す。ブレード先端とこれに隣接かつ対向する壁面との間の距離は、反射波のエネルギおよび位相シフトを基準信号のものと比較することにより、数学的に演算され得る。
【００３６】
複数のマイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサ２００は、各ブレードとこれが近接かつ対向する壁面との間のクリアランスを読み取るように、非同期もしくは交互にリンクして、あるいはマルチプレクス式に動作し得る。クリアランスの不均一性を把握するために、複数のマイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサ２００を周方向に離して配置することができ、システム１００は、例えばトルクモータ１９２やアクチュエータ１９４を含む調整システムを用いて、エンジン１３０のハウジング２１６内もしくは周囲の１つあるいは複数の流体流を調整し、このクリアランスを均一な分布に制御することができる。
【００３７】
マイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサ２００は、反射マイクロ波１９０を受け取り、この情報を、同軸ケーブル１８４を介して導波路マルチプレクサ１５０の信号プロセッサ１７４へ中継する。反射マイクロ波１９０は、信号プロセッサ１７４によって、当業者に周知の１つあるいは複数の数学的アルゴリズムを利用して、位相データへと変換される。導波路マルチプレクサ１５０の信号プロセッサ１７４は、この位相データを信号１７６として信号バッファ１４４へ中継し、信号バッファ１４４は、該信号１７６をプロセッサ１４６へ中継する前に、一時的にこの信号１７６をストアする。プロセッサ１４６は、１つあるいは複数の数学的アルゴリズムを実行して、位相データに基づき、ブレード２２６の位置およびクリアランスを測定する。この測定後、プロセッサ１４６は、位置およびクリアランスの測定データ１７８をコントローラ１４０へ中継する。コントローラ１４０は、このブレード２２６の位置およびクリアランスのデータを一時的にストアし、記録バッファ１４８へのデータ転送１８０を用いて、ロータにおける全てのブレード２２６の列について測定を行う。その間に、コントローラ１４０は、位置およびクリアランスのデータ１７８を、取得した関連データを含めて、出力１８２として、ターボマシン自体の用途のために出力する。記録バッファ１４８は、各コンポーネントおよびサブコンポーネントについて測定した位置およびクリアランスのデータ１７８を一時的にストアし、あるいは一時的なストアに代えて、あるいはこれに加えて、データ１７８を記録保存する。このようにデータを保存して再利用可能としたシステムでは、ユーザが、コンポーネントおよびサブコンポーネントの耐久寿命の間、その位置およびクリアランスの情報をモニタすることが可能となる。
【００３８】
他の実施例として、タービンエンジンのコンポーネントおよびサブコンポーネントの調子をモニタリングする装置および方法が記載されている。ここに記載された装置および方法では、ブレードの通過周期の変化が検出され、これにより、下記のような損傷や異常状態が示される。
【００３９】
（１）ブレードの変形、クラック、摩耗、ブレード取付部のクラック、の検出、
（２）破損もしくは変形したブレード先端の存在、
（３）異常振動もしくは共振モードの検出、
（４）タービンシャフトメインベアリングの状態表示、
（５）タービンとケースとの同軸度の低下およびすりこぎ運動（歳差運動）の検出、
（６）ブレード先端クリアランスの分周振動による歳差運動の検出。
【００４０】
図２〜図５に示したマイクロ波検出システム１００は、ターボマシン装置における１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの調子をモニタリングするものとして機能する。上述した損傷や異常状態は、コンポーネントおよびサブコンポーネント（例えば１つあるいは複数のブレード）から戻った反射マイクロ波１９０の波形の分析、および／または、各コンポーネントおよびサブコンポーネント（例えば１つあるいは複数のブレード）がマイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサ２００から出たマイクロ波１６８を順次通過させかつ反射する際の到着時間（time-of-arrival）のモニタリング、により発見され得る。
【００４１】
システム１００は、マイクロ波出力源１４２が起動し、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネント（例えば１つあるいは複数のブレード）で反射することにより、第１の到着時間を測定する。図３および図５に示したように、複数のマイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサ２００が、あるインデックスに対し、１回目のブレード２２６からの反射マイクロ波１９０の第１の到着時間をミリ秒で記録（ログ）する。第２のセンサ２００群は、インデックスに対し、２回目のときに、同じブレード２２６からの第２の到着時間を記録（ログ）する。図５のプロットは、マイクロ波センサ１５２，１５４，１５６からの反射マイクロ波１７２から到着時間がどのように把握されるかを示している。そして、システム１００は、第１の到着時間を第２の到着時間と比較する。この比較に基づき、システム１００は、コンポーネントおよびサブコンポーネント（例えば１つブレード２２６）の周期の変化の有無を検出し、そのコンポーネントおよびサブコンポーネントに、損傷や異常があるか否かを検出する。
【００４２】
例えば、ブレード２２６が一つのセンサ位置から他のセンサ位置に移動するときに、ブレード２２６が、過度に早くあるいは過度に遅く到着するのは、ブレード２２６にクラックがあることを示している。また例えば、反射マイクロ波１７２の位相のシフト、あるいは周期的変化として知られるものは、ブレード２２６が振動もしくは捩れの力を受けていることを示す。相当な時間を越えている場合には、これらの力によって、最終的に破損や欠損が生じうる。
【００４３】
マイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサ２００は、各ブレード先端の位置を同期して読み取りつつ、全てリンクし、あるいはマルチプレクス形式となっている。同期した読み取りにより、システム１００は、各ブレードの１回転の間に、少なくとも３つの測定値を収集することができる。非同期のセンサ列では、各ブレードの１回転の間に１つの測定値が得られるだけである。上述したように、マイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサ２００は、好ましくは、エンジンハウジング２１６に一体に設けられ、あるいは、ブレード２２６に近接かつ対向してタービンエンジン１３０内部に設けられる。さらに、マイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサ２００は、互いに近接して周方向に配設されている。ここで、３個未満のマイクロ波センサでは、１回転中に十分な数の測定値が得られず、同期した測定による利点は得られないことに留意すべきである。他の実施例では、複数セットのマイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサ２００が用いられ、各々のセットが、ブレードに近接かつ対向した壁面内に望ましくは一体に設けられた周方向に配設された３個以上のセンサ２００を含んでいる。マイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサ２００は、ガスタービンエンジン１３０の中心線１８８と同じ平面内で、ある角度に配置され、好ましくは、エンジン中心線と同じ平面内で、３個以上のマイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサ２００が１つの線もしくは帯の中に軸方向に配置される。
【００４４】
図６は、さらに他の実施例を示しており、熱膨張をモニタリングしてクリアランスを制御するとともにターボマシンの調子を維持するための装置および方法として、この例は、さらに、システムバックアップや測定値チェックのために、冗長的な測定手段、例えば、カープマンによる米国特許第６，４８７，４９１号に記載されているようなアナログ・クリアランス・モデルを備えている。このカープマンの特許は、ターボマシンにおける実際のクリアランスの正確な予測を、エンジンコントローラに実装したリアルタイム数学モデルによって実現するシステムおよび方法を開示している。図６に示すように、飛行条件およびエンジン出力設定のデータ３１０が、ＦＡＤＥＣシステム３１４のクリアランス要求論理アルゴリズム３１２に転送される。このアルゴリズム３１２はデータ３１０を処理して結合点３１５へ転送し、この結合点３１５が、アナログタービンチップクリアランスモデル３１８から演算された先端クリアランスデータ３１６を受ける。データ３１０，３１６は、結合点３１５から閉ループ補償アルゴリズム３２０へと送られる。この受け取ったデータに基づき、アルゴリズム３２０は、このデータを符号３２２のようにクリアランスモデル３１８へと転送し、かつ、補助空気流つまり冷却空気流をファン流からタービンエンジン３２４のエンジンケース（図示せず）の上へと分流するためのバルブ（図示せず）の位置を制御して、該ケースとエンジンブレードとの間で所望のクリアランスが得られるようにエンジンケースを冷却する。そして、タービンエンジン３２４は、エンジンパラメータデータ３２６をクリアランスモデル３１８へと供給する。クリアランス要求論理アルゴリズム３１２は、本明細書の参照となるカープマンの特許に開示されたアルゴリズムから構成することができ、あるいは、実際のクリアランスを正確に推定するように設計された当業者に知られている他のリアルタイム数学モデルを用いることもできる。
【００４５】
タービンエンジンのファンブレードとケースとの間のクリアランスの制御が不十分であると、クリアランスが過度に大となり、あるいは過度に小さくなって過剰な摩耗を生じる。どちらの場合も、不完全なクリアランスにより性能（エンジン効率や推力など）の低下を招き、エンジンの運転時の限界（例えば排気ガス温度の上昇）を侵し、コンプレッサの安定性の低下を招く。標準の設計実務では、クリアランス制御システムは、ブレードやケースの損傷を招きかねない飛行時クリアランスよりも大きなクリアランスが好ましいとされてきた。例えば、ＰＷ４０００のようなある種のエンジンにおいては、オープンループのクリアランス制御システムを用いており、このようなシステムでは、”完全な”クリアランス制御システムに比較して、明らかに性能が犠牲になる。他の形式、例えばＶ２５００のようなエンジンにおいては、不十分なモデル化したクリアランスに依存した閉ループシステムを用いており、性能低下はやや少なくなるものの、理想的なクリアランス制御にはまだ不十分である。
【００４６】
上述した本発明の方法およびシステムは、アナログ式閉ループシステムや他の非能動的閉ループシステムに比較して、種々の利点を有する。一つの利点は、タービンエンジンにおける先端クリアランスの推定や、コンポーネントおよびサブコンポーネントの調子のモニタリングの精度ならびに信頼性が向上することである。他の利点は、運転条件が急激に変化しやすい飛行中においてクリアランス制御システムが機能し得る性能であり、例えば、飛行機の離陸時に、エンジン運転条件が急激に変化することから、先端クリアランスは、特に厳しくなるものと予想される。さらに他の利点は、クリアランスの増加に伴って減少する排気ガス温度のマージン（余裕代）が拡大し、クリアランスによる安定性低下を回避できることである。これらの利点は、クリアランス制御の精度のさらなる改善に寄与し、ひいては、飛行機の飛行中において、運転時の制限やコンプレッサの安定性を維持しつつ、摺接摩耗のない信頼性の高い運転を確保し、エンジン性能の改善を図ることができる。さらなる利点は、非同期の測定では各ブレードの１回転中に１回の測定しかできないのに対し、３個以上のセンサを用いて各ブレードの１回転中に同期した測定を行い得ることである。他の利点は、熱移動およびエネルギ保存現象を予測する数学的モデルに依拠するのではなく、３個以上のマイクロ波センサを用いて、各コンポーネントおよびサブコンポーネントの位置に関する情報を同時に受け取れることである。さらに他の利点は、大きな熱膨張を受ける領域や所望のクリアランスよりも小さなクリアランスを示す領域を適当に冷却するように、エンジンハウジングの中や周囲に流れる流体流を調整できることである。
【００４７】
最適な一実施例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、形状、大きさ、各部品の配置、動作の細部、などは変更され得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】マイクロ波センサを用いた閉ループシステムの一実施例を示す説明図。
【図２】ターボマシンに適用した一実施例の閉ループシステムを示す説明図。
【図３】図２の装置に用いられるマイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサの一実施例を示す説明図。
【図４】前方にブレードが存在しない状態でマイクロ波エア・パス（ブレード・チップ）クリアランスセンサを示す断面図。
【図５】ブレード先端で反射し、図２〜図４のセンサで測定された信号の位相変化を示す特性図。
【図６】従来技術のエンジンパラメータにより動作する閉ループアナログモデル化能動クリアランス制御システムを示す説明図。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボマシンの１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントに近接かつ対向するように配設された３個以上のマイクロ波センサを含む閉ループ検出型能動クリアランス制御システムを設けるステップと、
この能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの実際の熱膨張を測定するステップと、
上記能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの各々とこれらが近接かつ対向する壁面との間の、熱膨張が生じる箇所の実際のクリアランスを測定するステップと、
上記能動クリアランス制御システムを用いて熱膨張として測定された上記１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントのそれぞれについての実際のクリアランスと所望のクリアランスとの差に基づいて、上記クリアランスを制御するステップと、
を含むことを特徴とするターボマシンのクリアランス制御方法。
【請求項２】
上記の３個以上のマイクロ波センサは、ターボマシンのタービンエンジンの中心線と同じ平面内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のターボマシンのクリアランス制御方法。
【請求項３】
上記の３個以上のマイクロ波センサは、ターボマシンのタービンエンジンの上記中心線と同じ平面内に軸方向に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のターボマシンのクリアランス制御方法。
【請求項４】
上記の３個以上のマイクロ波センサは、ターボマシンのタービンエンジンの上記中心線に対しある角度で配置されていることを特徴とする請求項２に記載のターボマシンのクリアランス制御方法。
【請求項５】
上記のクリアランスを制御するステップは、熱膨張の量に応じて、上記壁面近傍の流体流の量を調整するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載のターボマシンのクリアランス制御方法。
【請求項６】
上記調整ステップは、
上記マイクロ波センサを使った上記閉ループ検出型能動クリアランス制御システムを用いてバルブを制御し、
熱膨張量に応じて上記壁面に隣接するように上記流体流を案内し、
上記タービンエンジンの１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントと上記壁面との間のクリアランスが所望のクリアランスとなるように上記壁面を冷却する、
ことを特徴とする請求項５に記載のターボマシンのクリアランス制御方法。
【請求項７】
上記ターボマシンはタービンエンジンを含み、上記１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントは、少なくとも１つのブレード、ディスクおよびエンジンケースを含むことを特徴とする請求項１に記載のターボマシンのクリアランス制御方法。
【請求項８】
上記ディスクは、ボア、ウェブ、およびリムを備えることを特徴とする請求項７に記載のターボマシンのクリアランス制御方法。
【請求項９】
ターボマシンの１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントに近接かつ対向する壁面内に配設された閉ループ検出型能動到着時間モニタリングシステムを設けるステップと、
ターボマシンのタービンエンジンのロータ速度を測定するステップと、
上記能動到着時間モニタリングシステムを用いて、上記ロータ速度に基づき、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントからの予想される到着時間を決定するステップと、
上記能動到着時間モニタリングシステムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントあるいはサブコンポーネントが１つあるいは複数の位置にあるときの実際の到着時間を測定するステップと、
上記能動モニタリングシステムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの実際の到着時間を予想到着時間と比較するステップと、
上記能動到着時間モニタリングシステムを用いて、上記の比較から、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの到着時間の変化の有無を判定するステップと、
上記能動到着時間モニタリングシステムを用いて、上記の比較から、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの調子を推定するステップと、
を備えてなるターボマシンの調子をモニタリングする方法。
【請求項１０】
能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの実際の熱膨張を測定する手段と、
上記能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントとこれらが近接かつ対向する壁面との間の、熱膨張が生じる箇所の実際のクリアランスを測定する手段と、
上記能動クリアランス制御システムを用いて熱膨張として測定された上記１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントのそれぞれについての実際のクリアランスと所望のクリアランスとの差に基づいて、上記クリアランスを制御する手段と、
を含むことを特徴とするターボマシンのクリアランス制御装置。
【請求項１１】
上記のクリアランス制御手段は、熱膨張の量に応じて、上記壁面近傍の流体流の量を調整する手段を含むことを特徴とする請求項１０に記載のターボマシンのクリアランス制御装置。
【請求項１２】
上記調整手段は、
マイクロ波センサを使った閉ループ検出型能動クリアランス制御システムを用いてバルブを制御する手段と、
熱膨張量に応じて上記壁面に隣接するように上記流体流を案内する手段と、
上記タービンエンジンの１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントと上記壁面との間のクリアランスが所望のクリアランスとなるように上記壁面を冷却する手段と、
を備えることを特徴とする請求項１１に記載のターボマシンのクリアランス制御装置。
【請求項１３】
上記の実際の熱膨張を測定する手段は、マイクロ波センサを使った閉ループ検出型能動クリアランス制御システムを含むことを特徴とする請求項１０に記載のターボマシンのクリアランス制御装置。
【請求項１４】
上記の実際のクリアランスを測定する手段は、マイクロ波センサを使った閉ループ検出型能動クリアランス制御システムを含むことを特徴とする請求項１０に記載のターボマシンのクリアランス制御装置。
【請求項１５】
上記のクリアランス制御手段は、測定された熱膨張の量に応じて、上記壁面近傍の流体流の量を調整する手段を含むことを特徴とする請求項１０に記載のターボマシンのクリアランス制御装置。
【請求項１６】
上記調整手段は、
マイクロ波センサを使った閉ループ検出型能動クリアランス制御システムと、
上記能動クリアランス制御システムに接続されたトルクモータと、
上記トルクモータに接続されたアクチュエータと、
を備え、上記アクチュエータが、存在する熱膨張量に応じて、エンジンハウジング近傍の流体流を調整することを特徴とする請求項１５に記載のターボマシンのクリアランス制御装置。
【請求項１７】
上記ターボマシンはタービンエンジンを含み、上記壁面は、ブレード先端が対向するガスタービンエンジンのケースを含むことを特徴とする請求項１０に記載のターボマシンのクリアランス制御装置。
【請求項１８】
ケースおよび該ケース内で回転するブレードを含むタービンエンジンと、
能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの実際の熱膨張を測定する手段と、
上記能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの各々とこれらが近接かつ対向する壁面との間の、熱膨張が生じる箇所の実際のクリアランスを測定する手段と、
上記能動クリアランス制御システムを用いて熱膨張として測定された上記１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントのそれぞれについての実際のクリアランスと所望のクリアランスとの差に基づいて、上記クリアランスを制御する手段と、
を含むことを特徴とするタービンエンジン装置。
【請求項１９】
上記の実際の熱膨張を測定する手段は、マイクロ波センサを使った閉ループ検出型能動クリアランス制御システムを含むことを特徴とする請求項１８に記載のタービンエンジン装置。
【請求項２０】
上記の実際のクリアランスを測定する手段は、マイクロ波センサを使った閉ループ検出型能動クリアランス制御システムを含むことを特徴とする請求項１８に記載のタービンエンジン装置。
【請求項２１】
上記のクリアランス制御手段は、測定された熱膨張の量に応じて、上記壁面近傍の流体流の量を調整する手段を含むことを特徴とする請求項１８に記載のタービンエンジン装置。
【請求項２２】
上記調整手段は、
マイクロ波センサを使った閉ループ検出型能動クリアランス制御システムと、
上記能動クリアランス制御システムに接続されたトルクモータと、
上記トルクモータに接続されたアクチュエータと、
を備え、上記アクチュエータが、存在する熱膨張量に応じて、エンジンハウジング近傍の流体流を調整することを特徴とする請求項２１に記載のタービンエンジン装置。
【請求項２３】
エンジン速度を検出する少なくとも１つのセンサと、
バーナ圧力を検出する少なくとも１つのセンサと、
を備え、タービンエンジンの１つあるいは複数のコンポーネントの温度、流体流の温度、流体流の流量、を判定するための測定値をこれらのセンサが生成することを特徴とする請求項１８に記載のタービンエンジン装置。
【請求項２４】
上記タービンエンジンはガスタービンエンジンであることを特徴とする請求項１８に記載のタービンエンジン装置。
【請求項１】
ターボマシンの１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントに近接かつ対向するように配設された３個以上のマイクロ波センサを含む閉ループ検出型能動クリアランス制御システムを設けるステップと、
この能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの実際の熱膨張を測定するステップと、
上記能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの各々とこれらが近接かつ対向する壁面との間の、熱膨張が生じる箇所の実際のクリアランスを測定するステップと、
上記能動クリアランス制御システムを用いて熱膨張として測定された上記１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントのそれぞれについての実際のクリアランスと所望のクリアランスとの差に基づいて、上記クリアランスを制御するステップと、
を含むことを特徴とするターボマシンのクリアランス制御方法。
【請求項２】
上記の３個以上のマイクロ波センサは、ターボマシンのタービンエンジンの中心線と同じ平面内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のターボマシンのクリアランス制御方法。
【請求項３】
上記の３個以上のマイクロ波センサは、ターボマシンのタービンエンジンの上記中心線と同じ平面内に軸方向に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のターボマシンのクリアランス制御方法。
【請求項４】
上記の３個以上のマイクロ波センサは、ターボマシンのタービンエンジンの上記中心線に対しある角度で配置されていることを特徴とする請求項２に記載のターボマシンのクリアランス制御方法。
【請求項５】
上記のクリアランスを制御するステップは、熱膨張の量に応じて、上記壁面近傍の流体流の量を調整するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載のターボマシンのクリアランス制御方法。
【請求項６】
上記調整ステップは、
上記マイクロ波センサを使った上記閉ループ検出型能動クリアランス制御システムを用いてバルブを制御し、
熱膨張量に応じて上記壁面に隣接するように上記流体流を案内し、
上記タービンエンジンの１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントと上記壁面との間のクリアランスが所望のクリアランスとなるように上記壁面を冷却する、
ことを特徴とする請求項５に記載のターボマシンのクリアランス制御方法。
【請求項７】
上記ターボマシンはタービンエンジンを含み、上記１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントは、少なくとも１つのブレード、ディスクおよびエンジンケースを含むことを特徴とする請求項１に記載のターボマシンのクリアランス制御方法。
【請求項８】
上記ディスクは、ボア、ウェブ、およびリムを備えることを特徴とする請求項７に記載のターボマシンのクリアランス制御方法。
【請求項９】
ターボマシンの１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントに近接かつ対向する壁面内に配設された閉ループ検出型能動到着時間モニタリングシステムを設けるステップと、
ターボマシンのタービンエンジンのロータ速度を測定するステップと、
上記能動到着時間モニタリングシステムを用いて、上記ロータ速度に基づき、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントからの予想される到着時間を決定するステップと、
上記能動到着時間モニタリングシステムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントあるいはサブコンポーネントが１つあるいは複数の位置にあるときの実際の到着時間を測定するステップと、
上記能動モニタリングシステムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの実際の到着時間を予想到着時間と比較するステップと、
上記能動到着時間モニタリングシステムを用いて、上記の比較から、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの到着時間の変化の有無を判定するステップと、
上記能動到着時間モニタリングシステムを用いて、上記の比較から、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの調子を推定するステップと、
を備えてなるターボマシンの調子をモニタリングする方法。
【請求項１０】
能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの実際の熱膨張を測定する手段と、
上記能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントとこれらが近接かつ対向する壁面との間の、熱膨張が生じる箇所の実際のクリアランスを測定する手段と、
上記能動クリアランス制御システムを用いて熱膨張として測定された上記１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントのそれぞれについての実際のクリアランスと所望のクリアランスとの差に基づいて、上記クリアランスを制御する手段と、
を含むことを特徴とするターボマシンのクリアランス制御装置。
【請求項１１】
上記のクリアランス制御手段は、熱膨張の量に応じて、上記壁面近傍の流体流の量を調整する手段を含むことを特徴とする請求項１０に記載のターボマシンのクリアランス制御装置。
【請求項１２】
上記調整手段は、
マイクロ波センサを使った閉ループ検出型能動クリアランス制御システムを用いてバルブを制御する手段と、
熱膨張量に応じて上記壁面に隣接するように上記流体流を案内する手段と、
上記タービンエンジンの１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントと上記壁面との間のクリアランスが所望のクリアランスとなるように上記壁面を冷却する手段と、
を備えることを特徴とする請求項１１に記載のターボマシンのクリアランス制御装置。
【請求項１３】
上記の実際の熱膨張を測定する手段は、マイクロ波センサを使った閉ループ検出型能動クリアランス制御システムを含むことを特徴とする請求項１０に記載のターボマシンのクリアランス制御装置。
【請求項１４】
上記の実際のクリアランスを測定する手段は、マイクロ波センサを使った閉ループ検出型能動クリアランス制御システムを含むことを特徴とする請求項１０に記載のターボマシンのクリアランス制御装置。
【請求項１５】
上記のクリアランス制御手段は、測定された熱膨張の量に応じて、上記壁面近傍の流体流の量を調整する手段を含むことを特徴とする請求項１０に記載のターボマシンのクリアランス制御装置。
【請求項１６】
上記調整手段は、
マイクロ波センサを使った閉ループ検出型能動クリアランス制御システムと、
上記能動クリアランス制御システムに接続されたトルクモータと、
上記トルクモータに接続されたアクチュエータと、
を備え、上記アクチュエータが、存在する熱膨張量に応じて、エンジンハウジング近傍の流体流を調整することを特徴とする請求項１５に記載のターボマシンのクリアランス制御装置。
【請求項１７】
上記ターボマシンはタービンエンジンを含み、上記壁面は、ブレード先端が対向するガスタービンエンジンのケースを含むことを特徴とする請求項１０に記載のターボマシンのクリアランス制御装置。
【請求項１８】
ケースおよび該ケース内で回転するブレードを含むタービンエンジンと、
能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの実際の熱膨張を測定する手段と、
上記能動クリアランス制御システムを用いて、１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントの各々とこれらが近接かつ対向する壁面との間の、熱膨張が生じる箇所の実際のクリアランスを測定する手段と、
上記能動クリアランス制御システムを用いて熱膨張として測定された上記１つあるいは複数のコンポーネントおよびサブコンポーネントのそれぞれについての実際のクリアランスと所望のクリアランスとの差に基づいて、上記クリアランスを制御する手段と、
を含むことを特徴とするタービンエンジン装置。
【請求項１９】
上記の実際の熱膨張を測定する手段は、マイクロ波センサを使った閉ループ検出型能動クリアランス制御システムを含むことを特徴とする請求項１８に記載のタービンエンジン装置。
【請求項２０】
上記の実際のクリアランスを測定する手段は、マイクロ波センサを使った閉ループ検出型能動クリアランス制御システムを含むことを特徴とする請求項１８に記載のタービンエンジン装置。
【請求項２１】
上記のクリアランス制御手段は、測定された熱膨張の量に応じて、上記壁面近傍の流体流の量を調整する手段を含むことを特徴とする請求項１８に記載のタービンエンジン装置。
【請求項２２】
上記調整手段は、
マイクロ波センサを使った閉ループ検出型能動クリアランス制御システムと、
上記能動クリアランス制御システムに接続されたトルクモータと、
上記トルクモータに接続されたアクチュエータと、
を備え、上記アクチュエータが、存在する熱膨張量に応じて、エンジンハウジング近傍の流体流を調整することを特徴とする請求項２１に記載のタービンエンジン装置。
【請求項２３】
エンジン速度を検出する少なくとも１つのセンサと、
バーナ圧力を検出する少なくとも１つのセンサと、
を備え、タービンエンジンの１つあるいは複数のコンポーネントの温度、流体流の温度、流体流の流量、を判定するための測定値をこれらのセンサが生成することを特徴とする請求項１８に記載のタービンエンジン装置。
【請求項２４】
上記タービンエンジンはガスタービンエンジンであることを特徴とする請求項１８に記載のタービンエンジン装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−５１６３４（Ｐ２００７−５１６３４Ａ）
【公開日】平成１９年３月１日（２００７．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１６０３７５（Ｐ２００６−１６０３７５）
【出願日】平成１８年６月９日（２００６．６．９）
【出願人】（５９０００５４４９）ユナイテッド テクノロジーズ コーポレイション (581)
【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＴＥＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月１日（２００７．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月９日（２００６．６．９）
【出願人】（５９０００５４４９）ユナイテッド テクノロジーズ コーポレイション (581)
【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＴＥＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
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