JP5134321B2 - ガスタービンエンジンの分散型電子機器制御システム用の熱電冷却式構成要素 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジン制御システム及び関連する制御構成要素に関し、より具体的には、システム内でそのような構成要素を冷却することに関する。

ガスタービンエンジンには一般的に、全自動デジタルエンジン制御装置（ＦＡＤＥＣ）と呼ばれることもある中央電子デジタル制御装置によって様々な制御ハードウェア及びデバイスを制御しかつ／又は監視する階層電子制御システムが組み込まれる。階層制御システムは、限られた冗長度しか有さず、柔軟性を欠き、費用のかかる老朽化の問題を受け易く、大規模な配線要件を必要とし、また限定的な診断能力しか持たない。より高い信頼性及び柔軟性をもたらしかつ費用のかかる老朽化の問題に対処するために、自律又は半自律制御構成要素を有する分散型電子機器制御システムが開発されている。

分散型電子制御システムは、２００３年８月２９日に出願された米国特許出願第１０／６５２，３８２号に開示され、２００５年３月３日に特許公開第２００５００４９７７５ Ａ１号として公開されている。この特許出願は、「Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ（分散型エンジン制御システム及び方法）」という名称であり、本特許の出願人と同一の出願人であるＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙに譲渡されている。分散型電子機器及び関連する制御構成要素は、より小規模の配線しか必要とせず、また改善した診断能力を有する。特許公開第２００５００４９７７５ Ａ１号は、実時間分散型電子機器エンジン制御のためのシステム及び方法を開示している。このシステムは、中央集中型階層制御アーキテクチャを自律分散型ネットワークで置き換える。このシステムは、デジタル切り替え技術を用いてアナログ入力／出力信号をデジタル化データパケットで置き換え、また拠点間配線及びデータバス制御を柔軟性がある仮想接続で置き換える。

このシステム内の制御構成要素は、該システムのセンサ要素から測定データを取得する。センサ又は制御構成要素は、それらが有するデータをデジタルデータ表現に変換するための電子機器を含む。ガスタービンの分散型電子機器エンジン制御装置の制御構成要素は、デジタル電子機器の適正な作動を行うには相応しくない高温環境において作動する。空気又は燃料を冷却することは、費用がかかり、かつ／又は大規模な配管工事を必要とする。このことは、製造及び維持費用を高め、またシステムの信頼性を低下させる傾向になる。その有効性は、利用可能な冷却流体及び温度シンクの供給がエンジンの作動サイクルにわたって変化する様々な作動条件の間におけるエンジンの作動により決まる。
米国特許出願公開第２００５／００４９７７５ Ａ１号公報 米国特許出願公開第２００３／００５６４９２ Ａ１号公報 米国特許出願公開第２００４／００８４７８１ Ａ１号公報 米国特許第４，７７３，２１２号公報 米国特許第４，８６７，５７４号公報 米国特許第６，１０２，００１号公報 米国特許第６，６２３，２５０号公報 米国特許第６，８１３，８７６号公報 米国特許第６，９５９，５３６号公報 米国特許第６，９６２，４８５号公報 米国特許第６，９８１，３５９号公報 米国特許第７，００３，９４９号公報 米国特許第７，００７，４５２号公報 米国特許第７，０３６，３０２号公報 INB Products, An Introduction of The Thermoelectric Module, INB Products, Inc., http://www.inbthermoelectric.com, 4/18/2006, 1page Technical Information, Thermoelectric cooling, Peltier coolers, cold plates, and heat sinks N TE Technology, http://www.tetech.com, 7/26/2006, 25pages

従って、そのような構成要素内の電子機器用の有効な冷却システムであって、信頼性が高く安価な冷却構造であり、作動するのも安価であり、かつ上述の問題を克服する冷却システムを有することが望ましい。

ガスタービンエンジン制御構成要素は、少なくとも１つの電子デバイスと、デバイスに関連しかつ該構成要素の区画内部に設置された少なくとも１つの集積回路と、集積回路を冷却するように区画内に作動可能に配置された熱電冷却器とを含む。熱電冷却器は、区画の壁内に又は該壁上に配置することができ、ヒートシンクは、熱電冷却器の高温側に作動可能に結合することができ、また熱電冷却器の低温側は、区画の内部に露出させることができる。区画は、断熱材と、熱電冷却器及び／又は集積回路に電力を供給するための該区画内部に取付けられた電源とを有することができる。

デバイスについてのデータ及び／又は該デバイスに対する作動命令は、集積回路上のメモリ内に電子保管することができ、データは、デバイスについての較正情報を含むことができる。デバイスは、温度、圧力、主燃焼器の燃料流量、アフタバーナ燃焼器の燃料流量、ファン入口案内ベーンアクチュエータのストローク位置、圧縮機可変ベーンアクチュエータのストローク位置、又はエンジン内のシャフトの回転速度のいずれかを測定するためのようなセンサとすることができる。

ガスタービンエンジン制御構成要素又はデバイスは、ガスタービンエンジンの主バーナ燃料コントローラ又はアフタバーナ燃料コントローラにおいて用いることができる。このデバイス及び／又はコントローラは、複数のガスタービンエンジン制御デバイスを有するガスタービンエンジン制御システムにおいて用いることができ、この制御システムでは、デバイスの各々はデジタルネットワークに接続される。

添付図面に関連させた以下の説明において、本発明の前述の態様及びその他の特徴を説明する。

最新式のガスタービンエンジン制御システムは、エンジンの様々な機能を制御するために用いられる。例示的なガスタービンエンジン制御システムは、ファン及び圧縮機可変ベーン幾何学形状制御システムに動力を供給するためにも用いられる主燃料制御システム及びアフタバーナ燃料制御システムを含む。制御システムは、航空機の飛行エンベロープ全体にわたって安全かつ信頼性があるエンジン作動を保証するための、センサ、信号処理電子機器、制御機能、アクチュエータドライバ、弁、電気−油圧サーボ弁、及びソレノイドを含む。

図１に示しているのは、飛行中に航空機（図示せず）に動力を供給するための例示的な中バイパス比ターボファンガスタービンエンジン１０であり、このガスタービンエンジン１０は、熱電冷却式電子機器を有する主燃料コントローラ６６のような構成要素４を備えた分散型電子機器燃料制御システム２を有する。燃料制御システム２には、熱電冷却式電子機器を有するエンジン制御構成要素を備えた分散型電子機器エンジン制御システム又はデジタルネットワークを例示している。分散型電子機器燃料制御システム２の作動は、全自動デジタルエンジン制御装置（ＦＡＤＥＣ）のような電子エンジン制御装置５４によって監視されかつ制御され、電子エンジン制御装置５４は、様々なエンジン作動パラメータを表しかつエンジンの周りの様々なセンサからの圧力及び温度を含むエンジンからの入力信号とさらにエンジン出力要求のような機体からの入力信号とを受信する。電子エンジン制御装置５４への一般的な入力信号には、機体の出力レバー位置、エンジン及びファンの回転速度、圧縮機の吐出圧力、タービンの排気温度、可変圧縮機のステータベーン位置、可変ファンの案内ベーン位置、及び排気ノズル面積、並びに燃料弁を含むエンジンの他のあらゆる可変位置要素の位置が含まれる。当業者には明らかであろうが、付加的なエンジン作動パラメータを供給することもできる。電子エンジン制御装置５４はまた、幾つかの例を挙げると、燃料ポンプ、可変ベーンアクチュエータ、並びに切替及びオンオフ弁のようなエンジン要素を作動させる多くのサーボ弁及びソレノイドに電子命令を送信する。

エンジン１０は、長手方向又は軸方向中心軸線１２の周りで軸対称であり、コアエンジン１３の上流にファンセクション１４を有する。ファン入口案内ベーン３５の円周方向列は、ファン入口１１とファンセクション１４内の回転ファン５０との間に配置される。コアエンジン１３は、直列下流方向流れ連通状態で、多段軸流高圧圧縮機１６、アニュラ型主燃焼器１８及びタービンセクション１５を含む。高圧圧縮機１６は、可変ステータベーンと回転圧縮機ブレード６０及び６２との交差指型列を有する。本明細書に示すタービンセクション１５は、高圧駆動シャフト１７によって高圧圧縮機１６に適切に結合された高圧タービン２０を含む。タービンセクション１５及びコアエンジン１３の下流には、低圧駆動シャフト１９によってファンセクション１４に適切に結合された多段低圧タービン２２が設けられる。コアエンジン１３は、コアエンジンケーシング２３内に収容され、環状のバイパスダクト２４は、コアエンジン１３の周りを囲む。エンジンケーシング２１は、バイパスダクト２４を囲み、バイパスダクト２４は、ファンセクション１４から下流方向に低圧タービン２２を通過して延びる。

エンジン空気２５は、ファン入口１１を通してエンジンに流入し、最初にファンセクション１４を通って下流方向に流れるにつれて加圧される。スプリッタ３７は、さらに圧縮するために高圧圧縮機１６を通って流れるコアエンジン空気３と呼ばれるエンジン空気２５の内側部分と、コアエンジン１３を迂回しかつバイパスダクト２４を通って流れるバイパス空気２６と呼ばれるエンジン空気２５の外側部分とに該エンジン空気２５を分割する。コアエンジン空気３は、主燃焼器１８内の主燃料噴射器及び気化器によって燃料４２と適切に混合されかつ点火されて高温燃焼ガスを発生し、この高温燃焼ガスは、タービン２０、２２を通って流れ、タービンからエンジン１０内の該タービン２０、２２の後部かつ下流のディフューザダクト３３内にコアガスとして吐出される。

また、下流方向にエンジン１０の排気セクション１２６内にコアガス２８及びバイパス空気２６の注入部分２９をそれぞれ吐出するために、コアエンジン１３は環状のコア出口３０を含み、またバイパスダクト２４は環状のバイパスダクト出口２７を含む。混合器３１は環状のバイパスダクト出口２７内に配置され、バイパスダクト２４から排気流路１２８内に半径方向内向きに延びる複数の混合器シュート５８を含む。混合器３１は、コアガス２８とバイパス空気２６の注入部分２９とを混合して排気ガス流４３を生成し、該排気ガス流４３を排気セクション１２６及び該排気セクション１２６内の燃焼ゾーン４４内に流す。アフバーナ３４は、混合器３１のシュート５８内部及び該シュート５８間に配置された半径方向内向きに延びる推力増強燃料噴射器３９の円周方向配列を含む。推力増強燃料噴射器３９は、推力増強のために燃焼ゾーン４４内に燃焼用燃料を供給する。

排気セクション１２６は、対応するエンジンケーシング２１と同軸に配置され、該ケーシング２１に適切に取付けられかつ排気流路１２８を囲んだ環状の排気ケーシング３６を含む。排気ケーシング３６の後部端に取付けられているのは、作動中にそれを通してバイパス空気２６及びコアガス２８が吐出される従来型の可変面積収束−発散排気ノズル３８である。排気流路１２８内部の排気セクション燃焼ゾーン４４は、排気ライナ４０及びバイパスダクト２４の半径方向内側にかつコアエンジン１３及び低圧タービン２２の下流又は後方に設置される。従って、燃焼ゾーン４４は、バイパスダクト２４の半径方向内側にかつ混合器３１及びバイパスダクト出口２７の下流及び後方に設置される。コアガス２８は、コア出口３０から燃焼ゾーン４４内に流される。

燃料制御システム２には、熱電冷却式エンジン制御構成要素を備えた分散型電子機器エンジン制御システムを例示している。本明細書では、分散型電子機器燃料制御システム２は、主燃料噴射器３２及び推力増強燃料噴射器３９に燃料を供給するために用いるものとして示している。図２に示す分散型電子機器燃料制御システム２は、幾つかの熱電冷却式電動構成要素６４を有する主燃料コントローラ６６である。推力増強燃料噴射器３９に燃料を供給するために、同様なアフタバーナ燃料コントローラ７６がアフタバーナ３４に対して用いられる。主燃料コントローラ６６及びアフタバーナ燃料コントローラ７６には、加圧燃料が加圧燃料源７２から供給される。加圧燃料は、それぞれ可変ファン入口案内ベーン３５及び高圧圧縮機１６内の可変ステータベーン６０を作動させるファン入口案内ベーン及び可変ベーン圧縮機アクチュエータ６８及び７０に動力を供給するために用いられる。

図２に示す主燃料コントローラ６６は、熱電冷却式電子機器を備えた例示的なガスタービンエンジン制御構成要素である。主燃料コントローラ６６は、マイクロプロセッサ１１４を有する集積回路（ＩＣ）１１２に電子接続された主燃料絞り弁１１０のような幾つかの電子デバイスを含む。集積回路は、主燃料コントローラ６６の断熱区画１１６内部に設置され、熱電冷却式電子機器を例示している。本明細書に示す例示的な区画１１６は、該区画１１６の壁８０内に設置された断熱材６７を有する。熱電冷却器１１８は、集積回路１１２を冷却するために区画１１６内に作動可能に設置される。

熱電冷却器１１８及び／又は集積回路１１２は、電源７４によって電力が供給され、電源７４は順次に、統合型電源及びバスケーブル１７０を介して電力を受ける。熱電冷却器１１８及び／又は集積回路１１２に電力を供給するための電気はまた、統合型電源及びバスケーブル１７０を介してＦＡＤＥＣなどの外部源から持ち込むこともできる。熱電冷却器１１８は、区画１１６の壁８０の１つ内に又はその１つ上に配置することができる。ヒートシンク８２は、熱電冷却器１１８の高温側８４に作動可能に結合される。本明細書に示すヒートシンク源は、比較的低温の燃料４２であり、低温空気もまたヒートシンク源として用いることができる。熱電冷却器１１８の低温側８６は、集積回路１１２及び該集積回路１１２がマイクロプロセッサ１１４を有する場合にはそのマイクロプロセッサ１１４を冷却するために区画の内部８８に露出される。ケーブル１７０は、集積回路１１２に接続され、該ケーブルをバス１０４に接続するためのバスコネクタ１７２を有する。

熱電冷却器１１８は、様々な作動条件時におけるエンジン作動の間に高温燃料によって引き起こされる可能性がある幅広い範囲の高エンジン温度にわたって集積回路１１２が作動することができるように該集積回路１１２を冷却する上で非常に有効である。このことは、利用可能な冷却流体及び温度シンクの供給がエンジンの作動サイクルにわたって変化する場合に熱電冷却器１１８の作動品質を保証するのに役立つ。熱電冷却器１１８は、構成要素における電子機器のための有効な冷却システム形成し、信頼性が高くかつ安価な冷却を提供する。

主燃料絞り弁１１０は、該主燃料絞り弁１１０の位置を設定するための電気−油圧サーボ弁（ＥＨＳＶ）１２０と、該主燃料絞り弁１１０の電子的位置フィードバックを集積回路１１２に供給するための線形可変変位変換器（ＬＶＤＴ）１２２として示した位置センサとを有する。集積回路１１２は、様々な目的及び機能を果たすことができる。集積回路１１２は、ＥＨＳＶ、主燃料絞り弁１１０及び／又はＬＶＤＴについての較正データを保管することができる。集積回路１１２はまた、ＥＨＳＶ及び／又は主燃料絞り弁１１０の作動に対する命令を供給することができる。集積回路１１２は、ＥＨＳＶ、主燃料絞り弁１１０及び／又はＬＶＤＴから入力を取得し、これらのデータをデジタル情報に変換し、かつバス１０４を介してコントローラエリアネットワークに沿って電子エンジン制御装置５４又はＦＡＤＥＣにそのデジタル情報を送信することができる。コントローラ内に一般的に見られる他のデバイスには、遮断オン／オフ弁９０及び切替弁９２並びに他の様々な電気−油圧サーボ弁（ＥＨＳＶ）１２０が含まれる。遮断オン／オフ弁９０及び切替弁９２は自らが開閉するために、電動ソレノイド９４を含み、集積回路１１２に電子接続され、かつバスを介してデータ及び／又は命令をＦＡＤＥＣにかつ該ＦＡＤＥＣから送受信する。

図３に示すように、抵抗性温度測定デバイス４８を用いた温度測定のような感知変換器を用いたセンサを使用して実時間アナログセンサデータが収集される。その例示的な位置を図１に示している圧力変換器４６のようなあらゆる物理的変換器について同様のことが行われる。センサ構成要素内の電子機器は、集積回路１１２においてアナログ信号又はデータをデジタル信号又はデータに自律変換する。アナログデータがデジタルデータに変換されると、そのデジタルデータは、バス１０４を介するコントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）などのネットワーク１０２を通して例えばＦＡＤＥＣ又はおそらくは燃料制御システム２のような別の構成要素に送られる。デジタルデータはその発生源の変換器からデカプリングされるので、全てのデータは同一のネットワーク上で扱うことができ、システム設計チームの要望に応じて制御構成要素を追加、除去又は更新することができ、発生源から行き先までの経路はいかなる単一の接続にも依存しない。従って、構成要素及びシステムは、より信頼性がありかつ正確である。

図４に概略的に示すのは、熱電冷却式電子機器を有する様々なエンジン制御構成要素４を有する分散型電子機器ネットワーク１０２である。現行のエンジン制御システムは、電子エンジン制御装置５４又はＦＡＤＥＣに直接有線送信されるアナログ入出力信号を組み込んでいる。エンジン制御構成要素を有する分散型電子機器を備えた燃料制御システム２は、シャフト速度センサ並びに圧力及び温度センサなどの熱電冷却式電子機器を有するセンサを含む。熱電冷却式電子機器を備えたネットワーク１０２内の他の構成要素は、本明細書では線形可変変位変換器（ＬＶＤＴ）１２２として示しているそれぞれ主燃料制御流位置センサ及びＡＢ（アフタバーナ）燃料制御流位置センサを有する主燃料コントローラ６６及びアフタバーナ燃料コントローラ７６（図１に示す）を含む。ファン入口案内ベーンアクチュエータ６８及び可変ベーン圧縮機アクチュエータ７０（図１に示す）は、本明細書では線形可変変位変換器（ＬＶＤＴ）１２２として示しているＩＧＶアクチュエータストローク位置センサ及びＣＶＶアクチュエータストローク位置センサを有する。図４に概略的に示すセンサは、上記に開示した集積回路のような熱電冷却式電子機器によって分散型電子機器ネットワーク１０２に接続される。センサの電子機器又は集積回路内に保管した較正データは、温度又は他の較正パラメータに基づいてセンサを正確に補正するのを可能にする。本明細書には示していないが考えられる熱電冷却式電子機器を有する他の構成要素には、能動クリアランス制御に用いられる弁、ボアコア冷却に用いられる弁、ブリード弁及び流量制御弁などの空気弁が含まれる。

本明細書では本発明の好ましくかつ例示的な実施形態であると考えられるものについて説明してきたが、本明細書の教示から当業者には本発明の他の変更が明らかとなるはずであり、従って、本発明の技術思想及び技術的範囲内に属する全てのそのような変更は特許請求の範囲で保護されることが望ましい。従って、本出願によって保護されることを望むのは、特許請求の範囲内に記載しかつ特定した発明である。

熱電冷却式電子機器を持つエンジン制御構成要素を備えた例示的な分散型電子機器エンジン制御システムを有する例示的なターボファンガスタービンエンジンの軸方向概略断面図。 図１に示す航空機ガスタービンエンジンの分散型電子機器エンジン制御システム用の熱電冷却式電子機器を備えた例示的な燃料コントローラの概略図。 図１に示す航空機ガスタービンエンジン用の熱電冷却式電子機器を有するセンサ形態の別の例示的なエンジン制御構成要素の概略図。 熱電冷却式電子機器を有する冷却式エンジン制御構成要素を備えた分散型電子機器エンジン制御システムの概略図。

符号の説明

２ 燃料制御システム
３ コアエンジン空気
４ 構成要素
１０ ガスタービンエンジン
１１ ファン入口
１２ 軸方向中心軸線
１３ コアエンジン
１４ ファンセクション
１５ タービンセクション
１６ 高圧圧縮機
１７ 高圧駆動シャフト
１８ 主燃焼器
１９ 低圧駆動シャフト
２０ 高圧タービン
２１ エンジンケーシング
２２ 低圧タービン
２３ コアエンジンケーシング
２４ バイパスダクト
２５ エンジン空気
２６ バイパス空気
２７ バイパスダクト出口
２８ コアガス
２９ 注入部分
３０ コア出口
３１ 混合器
３２ 燃料噴射器
３３ ディフューザダクト
３４ アフタバーナ
３５ ファン入口案内ベーン
３６ 排気ケーシング
３７ スプリッタ
３８ 排気ノズル
３９ 燃料噴射器
４０ 排気ライナ
４２ 燃料
４３ 排気ガス流
４４ 燃焼ゾーン
４６ 圧力変換器
４８ 温度測定デバイス
５０ 回転ファン
５４ 電子エンジン制御装置
５８ 混合器シュート
６０ 可変ステータベーン列
６２ 回転圧縮機ブレード列
６４ 冷却式電動構成要素
６６ 主燃料コントローラ
６７ 断熱材
６８ ファン入口案内ベーンアクチュエータ
７０ 可変ベーン圧縮機アクチュエータ
７２ 加圧燃料源
７４ 電源
７６ アフタバーナ燃料コントローラ
８０ 壁
８２ ヒートシンク
８４ 高温側
８６ 低温側
８８ 内部
９０ オン／オフ弁
９２ 切替弁
９４ ソレノイド
１０２ ネットワーク
１０４ バス
１１０ 主燃料絞り弁
１１２ 集積回路
１１４ マイクロプロセッサ
１１６ 断熱区画
１１８ 熱電冷却器
１２０ 電気−油圧サーボ弁（ＥＨＳＶ）
１２２ 線形可変変位変換器（ＬＶＤＴ）
１２６ 排気セクション
１２８ 排気流路
１７０ バスケーブル
１７２ バスコネクタ

Claims (8)

1. 制御構成要素を備えたガスタービンエンジン制御システムであって、該制御構成要素が、
   少なくとも１つの電子デバイスと、
   前記デバイスに関連しかつ該構成要素の区画内部に設置され、１つ以上のアナログ入力信号またはデータをデジタル信号またはデータに変換するように作動可能な集積回路と、
   前記集積回路と前記集積回路および熱電冷却器の電源のみを冷却するように前記区画内に作動可能に配置された熱電冷却器と、
   を含み、
   前記制御構成要素は、前記デジタル信号またはデータを、前記制御構成要素から、前記ガスタービンエンジン制御システムの電子制御装置に送る、
   システム。
2. 前記熱電冷却器が、前記区画の壁内に又は該壁上に配置され、
   ヒートシンクが、前記熱電冷却器の高温側に作動可能に結合され、
   前記熱電冷却器の低温側が、前記区画の内部に露出され、
   前記区画が、断熱材をさらに有する、
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記集積回路上のメモリ内に電子保管された、前記デバイスについてのデータ及び／又は該デバイスに対する作動命令をさらに含む、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記データが、前記デバイスについての較正情報をさらに含む、請求項３に記載のシステム。
5. 前記デバイスが、温度、圧力、主燃焼器の燃料流量、アフタバーナ燃焼器の燃料流量、ファン入口案内ベーンアクチュエータのストローク位置、圧縮機可変ベーンアクチュエータのストローク位置、又はエンジンシャフトの回転速度を測定するためのセンサをさらに含む、請求項１から４のいずれかに記載のシステム。
6. 前記デバイスが、オン／オフ弁、又はその電子的位置フィードバックを前記集積回路に供給するための位置センサを有する絞り弁をさらに含む、請求項１から５のいずれかに記載のシステム。
7. 前記位置センサが、線形可変変位変換器をさらに含む、請求項６記載のシステム。
8. 請求項１から７に記載のガスタービンエンジン制御システムを備えた、ガスタービンエンジン。
   

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