JP2013508604A - タービンエンジンの燃焼室の非フレームアウト試験 - Google Patents

Abstract

本発明は、飛行機の航空用タービンエンジンの適切な動作の地上管理のための方法に関する。したがって、試験が、飛行中の速度の急減速の操作の際の前記タービンエンジンの燃焼室のフレームアウト耐性を評価するために、運転中のタービンエンジンについて、所定の速度から、プログラムされた減少に従って燃料の流量の急な減少を実行することを含んでいる。

Description

本発明の分野は、タービンエンジンに適用される熱力学の分野であり、さらに詳しくは航空用タービンエンジンの動作の分野に関する。

タービンエンジンは、一般的には、空気取り入れ口へと吸い込まれた空気を圧縮する１つ以上のコンプレッサと、空気と混合された燃料が燃焼させられる燃焼室と、燃焼によって生じた力の一部をコンプレッサ（複数可）を駆動するために取り出す１つ以上のタービンと、生じたガスを排出するための出力ノズルとによって構成されている。

航空用タービンエンジンは、幅広い飛行条件において使用され、乗員および存在しうる乗客の安全を確保するために、そのような幅広い飛行条件において動作が保証されなければならない。特に、航空機のターボジェットまたはヘリコプタのタービンエンジンについて、パイロットの操作による操縦の最中の突然の停止を防止することが不可欠である。例えば、パイロットが推力または出力の急激な減少の操作を実行する場合に、燃焼室においてそのような突然の停止（フレームアウト）が生じる恐れがある。この種の操作は、例えば前方に突然に現れた障害物を避けるために、航空機のパイロットが急な減速を望む場合や、ヘリコプタのパイロットが急減速を試みる場合に、緊急に実行される可能性がある（「急停止」または急減速と呼ばれる操作）。

通常の動作においては、エンジンの調節が、燃焼室へと注入される燃料の流れを制御し、上述のフレームアウトを回避するようにもたらされる。しかしながら、この調節の不具合またはエンジン各部の物理的特性の変化の場合に、上述のフレームアウトが排除されない。そのような不具合は、すきまの変化、空気取り入れ穴のサイズの変化、あるいは燃料注入／調節システムの変化を生じさせるエンジンの経年劣化につれて生じうる。この結果として、燃焼室へと取り入れられる空気の量が予想よりも多くなり、あるいは燃焼室へと注入される燃料の量が予想よりも少なくなり、混合気の濃さの急激な低下につながる。

急減速の操作の最中に、燃焼室へと注入される燃料の流れが急に減ることで、混合気の濃さが瞬間的に変化する。実際に、燃料の流れの減少が、燃料の流れの制御弁が閉じられるときに実質的に即座である一方で、空気の流れの減少は、エンジンの軸の回転速度の低下に追従するが、エンジンの軸の回転速度の変化のレートは、ロータの慣性によって制限され、したがって即座ではない。濃さが、公称の値から薄い値へと急変し、おそらくはエンジンの回転速度が新たな値に安定するときまで公称の値に戻らない。燃焼室における火炎の安定は、混合気の濃さが２つの極値（すなわち、リッチフレームアウト値と呼ばれる値およびリーンフレームアウト値と呼ばれる値）の間にとどまる場合に限り、保証される。

急停止型の非常操作の場合に、エンジンが上述の原因のうちの１つに陥ると、濃さがリーンフレームアウト値を下回って低下し、エンジンが停止する可能性がある。これらの非常操作の際のこのフレームアウト現象に対するエンジンの耐性を確認するために、現時点においては、試験台における試験だけが、該当の診断の実行を可能にしている。さらには、試験が、新しいエンジンの受領時にのみ実行されている。エンジンは、その後は、完全なオーバーホール時を除き、もはや検査されることがない。したがって、エンジンの特性に変化が生じても、通常の速度低下は上述のとおりの非常操作によって生じる速度低下と比べて過酷ではなく、混合気の濃さがリーンフレームアウト限界に達するほどに低下することがないため、不具合の恐れが通常の動作においてはまったく気付かれないままとなる。したがって、パイロットがこの非常操作を実行しなければならない場合、すなわちパイロットが非常操作をとりわけ必要とするときに、エンジンが停止する可能性がある。

本発明の目的は、飛行中に急減速の操作を実行する必要があると考えられる場合について、エンジンの正しい動作を試験するための方法であって、航空機が地上にあるときに実行することができる方法を提案することによって、これらの欠点を克服することにある。さらに、この方法は、燃焼室について生じうる劣化を抱えているか否かを評価することを可能にする。

上記の目的のために、本発明は、地上において航空用タービンエンジンの正しい動作を試験するための方法であって、飛行中の速度の急減速の操作の際の前記タービンエンジンの燃焼室のフレームアウトに対する耐性を評価する目的で、タービンエンジンについて、タービンエンジンが動作しているときに、所定の回転速度から出発して、プログラムされた減少に従って燃料の流量の急な減少を実行するステップを含んでいることを特徴とする方法に関する。

試験は、この操作の際に生じうる燃焼室のフレームアウトを観察し、エンジンが飛行中の急減速の操作に耐えることができるか否かを推定することからなる。

減少は、好ましくはエンジンのコンピュータによって、パイロットまたは整備士が前記コンピュータに組み合わせられた専用の制御装置を作動させたときに自動的に実行される。

このようにして、実行される減少が、試験の公称の減少に完璧に従うことが保証される。パイロットおよび／または整備士による試験の実行の複雑さも限定される。

好都合には、試験の開始時のエンジン回転速度が、前記正しい動作の確認の実行場所の温度および圧力の状態に応じて変更される。

さらにより好都合には、試験の際の燃料の流量の減少の割合が、前記正しい動作の確認の実行場所の温度および圧力の状態に応じて変更される。

これは、試験の実行場所の特定の特徴を考慮に入れることを可能にし、したがって燃焼室の動作を代表する条件において試験を実行することを可能にする。

さらに本発明は、上述のような試験を複数回、適用される減少の割合を先の試験に比べてその都度大きくしながら順に実行することによって、航空用タービンエンジンの燃焼室のフレームアウトが生じる燃料の流量の減少の限界値を割り出す方法に関する。

好ましくは、燃焼室へと注入される燃料の流量が、上述の方法に従って発見されるフレームアウト限界に応じて調節される。

最後に、本発明は、航空用タービンエンジンへと注入される燃料の流量を調節するためのコンピュータであって、上述の方法のうちの１つを実行するためのモジュールが組み込まれたコンピュータ、ならびにそのようなコンピュータを備える航空用タービンエンジンに関する。

あくまでも例示であって本発明を限定するものではない例として添付の図面を参照しつつ提示される本発明の実施形態の以下の詳細な解説において、本発明がより良く理解され、本発明の他の目的、詳細、特徴、および利点がさらに明確になるであろう。

非フレームアウト試験におけるガス発生器の速度（ＮＧ）、コンピュータによって指令される流量（ＷＦ）、およびコンピュータによって課される最小流量（ＷＦＭＩＮ）を示している。

流量指令は、燃料計量弁の位置について作用する調節システムからコンピュータによって要求される流量の値である。最小流量値は、コンピュータにおいて定められ、コンピュータによって伝えられる流量指令の下限を決定する限界値である。急激な回転速度の減少の場合の燃焼室のフレームアウトまたは非フレームアウトは、この最小値の正しい設定に関係する。

図１における各パラメータの変化は、φ１、φ２、およびφ３と記されている３つの段階に分解される。段階１は、試験の準備の段階に相当し、この段階において、パイロットが前もって指定される回転速度（典型的には、全速値の９０％）を設定し、この速度が安定するのを待つ。コンピュータが、この安定化を監視し、安定化が達成された場合に限って段階２の開始を認める。段階２は、パイロットまたは整備士からの要求に応えてのコンピュータによる試験の開始に相当し、段階３は、試験後の通常の動作（アイドリング）への復帰に相当する。段階２の開始は、最小流量指令値ＷＦＭＩＮについて、通常の使用においてコンピュータによって定められる値を下回る較正された減少（ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）を伴う。

段階１において、回転速度が９０％に安定した状態で、コンピュータによって発信される流量指令は、ひとたび速度が安定したならば一定であり、この速度値を維持するために必要な流量に等しく、エンジンの速度の急な低下の場合にコンピュータが認めるであろう最大の減少に相当する最小流量指令の値は、やはり安定であって、通常の動作値に等しい。

コンピュータが試験を開始するとき、試験の開始は、流量指令の急激な減少をもたらし、試験のためにコンピュータにおいてプログラムされ、上述のように通常の動作における値を下回る値に自発的に設定される最小流量指令値にある流量指令の送信をもたらす。この減少させられた最小流量指令の値は、まさに試験されようとする値であり、すなわち非常操作の際にエンジンのフレームアウトが生じないことを確認することが望まれる値である。エンジンの速度が、その回転部品の慣性に従いつつ急激に低下し、アイドリングの値よりも低い所与の値で安定するが、このときに、図１に示されている事例において、実際にフレームアウトは生じていない。

段階３は、流量指令をアイドリングに相当する値へと増加させることによって実現される試験の停止による通常の状態への復帰に相当する。流量指定を増やすことで、エンジンの速度がアイドリングに向かって上昇し、アイドリングにおいて再び安定化する。最小流量指定の値そのものは、過渡的な振動は別として、一定のままである。

生じる問題を解決するために、本発明は、燃焼室へと注入される燃料の流れを常に制御するエンジンのコンピュータに、地上においてエンジンの動作中（例えば、エンジンの暖機時）に、すなわち各々の飛行において離陸の前に実行されるエンジンの正しい動作の試験の際に、特定の非フレームアウト試験手順の実行を開始させるべく作動するモジュールを設置することを提案する。

この試験は、注入される燃料の量について、急停止などの非常操作の際の流量の減少を模擬し、この操作の際に生じると考えられる濃さの状態に近い濃さの状態を再現するようなやり方で、プログラムされた減少を実行することからなる。注入される燃料の量の減少は、燃料計量弁の設定を制御する調節システムへとコンピュータによって送信される流量指令ＷＦを急に変化させ、この指令ＷＦに所定の最小指令値ＷＦＭＩＮを瞬間的に与えることによって実行される。この減少は、急停止型の操作の際にエンジンの燃焼室において生じると考えられる最小の濃さを模擬するために、通常の動作において使用される最小流量指令よりも小さいＷＦＭＩＮの値まで生じる。試験に使用されるこの最小流量指令値は、エンジンの設計の際に技術部門によって、燃焼室の動作の計算にもとづき、あるいは試験下の航空機について得られた飛行中の記録にもとづいて定められる。この最小流量指令値は、例えば航空機が位置する飛行場の高度や大気の条件など、この試験が実行される条件に従って変化する。試験において設定されるべき最小流量指令ＷＦＭＩＮへと与えられる値のこの変化は、とりわけ、非フレームアウト試験の開始において固定されるエンジンの回転速度の値に関係する。

手順は、以下のように行われる。飛行マニュアルまたは保守マニュアルにおいてあらかじめ指示される頻度に従い、パイロットが、エンジンのコンピュータに組み合わせられた特定の制御装置を操作することによって、模擬の急減速の操作を開始する。これにより、エンジンのコンピュータが、試験用にあらかじめ定められた最小流量指令ＷＦＭＩＮの値に等しい流量指令ＷＦを送信し、燃料流量制御弁を閉鎖の方向に動かすことによって、プログラムされた減少を開始し、パイロットが、燃焼室のフレームアウトが生じるか否かを確認する。フレームアウトがない場合、エンジンは公称の飛行条件にあると考えられ、続く飛行を行うことができる。このようにして、パイロットは、エンジンが急減速の危険に関して健全であり、そのような非常操作を飛行中に必要であると感じたならば危険なく実行できることを知る。

地上での試験の際にフレームアウトが生じた場合、それは、エンジンが通常の動作状態になく、飛行の許可への復帰を発行する前に保守の作業を行うことが適切であることを意味している。エンジンの運転マニュアルに指定されるであろうそのような保守作業は、例えば、エンジンを取り外して工場へと送ることを含むことができる。正しくない動作の原因は、燃料注入調節システムの動作不良のレベルならびに例えば経年劣化に起因する燃焼室の性能の低下のレベルにおいて追求されるであろう。

この非フレームアウト試験の関連において、相補的な分析を提案することもできる。何回かの試験によってフレームアウトの限界を探し、フレームアウトがないことを保証する最小燃料流量指令ＷＦＭＩＮについて見出された値に応じて、観察された性能の低下を考慮するようにコンピュータにおける動作規則を調整することが考えられる。これにより、通常の使用についてコンピュータによって設定される燃料の流量の最大の減少が、フレームアウトが生じないことを保証するように制限され、結果としてエンジンを危険なく使用し続けることができ、取り外して健全なエンジンを航空機に取り付ける必要がない。

Claims (8)

1. 航空用タービンエンジンの燃焼室へと注入される燃料の流量を調節するためのシステムであって、注入すべき流量の値の指令（ＷＦ）を該システムへと送信するコンピュータによって制御され、前記値は、流量の指令の操作における急激な減少の場合にフレームアウトの恐れがないように前記コンピュータによってあらかじめ定められる限界値（ＷＦＭＩＮ）よりも大きいシステムのフレームアウト回避機能を地上で試験するための方法であって、
   飛行中の回転速度の急減速の操作の際の前記タービンエンジンの燃焼室のフレームアウトに対する耐性を評価する目的で、タービン機械について、該タービン機械が動作しているときに、所定の回転速度から出発して、当該地上における動作に対応する限界値よりも小さい流量指令値によってプログラムされた減少に従って、燃料の流量の減少を実行するステップを含んでいることを特徴とする、方法。
2. 減少が、エンジンのコンピュータによって、パイロットまたは整備士が前記コンピュータに組み合わせられた専用の制御装置を作動させたときに自動的に実行される、請求項１に記載の方法。
3. 試験の開始時のエンジン回転速度が、前記正しい動作の試験の実行場所の温度および圧力の状態に応じて変更される、請求項１または２に記載の方法。
4. 試験の際の燃料の流量の減少が、前記正しい動作の試験の実行場所の温度および圧力の状態に応じて変更される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の試験を複数回、先の試験に比べて減少をその都度大きくしながら順に実行することによって、航空用タービンエンジンの燃焼室のフレームアウトが生じる燃料の流量の減少の限界値を割り出す方法。
6. 航空用タービンエンジンの燃焼室へと注入される燃料の流量を調節する方法であって、
   燃料の流量が、請求項５に記載の方法に従って発見されるフレームアウト限界に応じて調節される、方法。
7. 航空用タービンエンジンへと注入される燃料の流量を調節するためのコンピュータであって、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の方法を実行するためのモジュールが組み込まれた、コンピュータ。
8. 請求項７に記載のコンピュータを備える航空用タービンエンジン。

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