JP2019528212A - ３ホイールターボマシンを用いた環境制御システムの改善された予冷方法および航空機 - Google Patents

Abstract

ガスタービンエンジン（１２）を使用して抽気を航空機（１０）の環境制御システム（４８）に供給する方法および航空機は、環境制御システム（４８）に対する抽気需要を決定することと、低圧および高圧抽気（６６、６８）を選択的に環境制御システム（４８）供給することとを含み、選択的供給は、調整空気流が決定された抽気需要を満たすように制御される。【選択図】図６

Description

本発明は、３ホイールターボマシンを用いた環境制御システムの改善された予冷方法および航空機に関する。

現代の航空機は、空調、加圧、および除氷などの環境制御システム（ＥＣＳ）を含む航空機上の他のシステムで使用するために、航空機のエンジンから熱風を取り込む抽気システムを有している。ＥＣＳは、抽気システムから受け取る抽気の圧力または温度に対する制限を含み得る。現在、航空機エンジン抽気システムは、他の航空機システムによって必要とされるかまたは利用されるように、予冷熱交換器を利用してエンジンからの熱風を持続可能な温度に事前調整する。予冷熱交換器は廃熱を発生させ、これは通常利用されずに航空機から排出される。

欧州特許出願公開第２８６２８０３号明細書

本開示の一態様では、ガスタービンエンジンを使用して環境制御システムに抽気を提供する方法は、環境制御システムに対する抽気需要を決定し、低圧抽気および高圧抽気を選択的にガスタービンエンジンの圧縮機からターボエアサイクルマシンの第１タービン部および圧縮機部に供給することを含む。第１タービン部は冷却空気流を放出し、圧縮機部は圧縮空気流を放出し、冷却空気流を第２タービン部に選択的に供給する。第２タービン部はさらなる冷却空気流を放出し、第１タービン部から放出される冷却空気流または第２タービン部から放出されるさらなる冷却空気流の少なくとも一方を圧縮機部から放出される圧縮空気流と組み合わせて調整空気流を形成する。調節された空気流が決定された抽気需要を満たすように、低圧抽気と高圧抽気および冷却空気流の選択的供給が制御される。

本開示の別の態様では、航空機は、抽気入口を有する環境制御システムと、少なくとも１つの低圧抽気供給源と、少なくとも１つの高圧抽気供給源とを有するガスタービンエンジンと、回転連結された第１タービン部、第２タービン部および圧縮機部とを有するターボエアサイクルマシンと、低圧および高圧抽気供給源を、第１タービン部と圧縮機部に流体連結する上流ターボエジェクタと、第１タービン部または第２タービン部の少なくとも一方からの流体出力を、圧縮機部からの流体出力と流体的に組み合わせて、環境制御システムの抽気入口に供給される共通の流れにする下流ターボエジェクタと、を備える。

本開示のさらに別の態様では、航空機の環境制御システムに空気を供給する方法は、環境制御システムの動作上の需要に従ってガスタービンエンジンの圧縮機からターボエアサイクルマシンに低圧抽気および高圧抽気を比例的に供給して、抽気を予備調整することを含み得、予備調整は、さらに冷却するために、ターボエアサイクルマシンの第１タービン部から放出された流体出力をターボエアサイクルマシンの第２タービン部に選択的に提供することを含む。

本明細書に記載の様々な態様による抽気システムを有する航空機の斜視図である。 図１の航空機で利用することができる例示的な航空機用ガスタービンエンジンの一部の概略断面図である。 本明細書に記載の様々な態様による、図１の航空機で利用することができるガスタービンエンジン抽気システムの概略図である。 本明細書に記載の様々な態様による、図１の航空機で利用することができるガスタービンエンジン抽気システムの概略図である。 図３または図４のターボエジェクタに利用することができるバルブの概略図である。 本明細書に記載の様々な態様による、抽気を環境制御システムに提供する方法を示す流れ図の一例である。

図１は、本開示の実施形態を示しており、抽気システム２０を含み得る航空機１０を示しており、その一部のみが明確さのために示されている。図示のように、航空機１０は、ガスタービンエンジン１２、胴体１４、胴体１４内に配置されたコックピット１６、および胴体１４から外側に延びる翼アセンブリ１８などの複数のエンジンを含み得る。航空機はまた、環境制御システム（ＥＣＳ）４８を含み得る。ＥＣＳ４８は、例示目的のみのために航空機１０の胴体１４の一部に概略的に示されている。ＥＣＳ４８は、抽気システム２０と流体連結されて、ガスタービンエンジン１２から抽気の供給を受ける。

抽気システム２０をガスタービンエンジン１２に接続して、ガスタービンエンジン１２から受け取った高温、高圧空気、低圧空気、低温、またはそれらの組み合わせを航空機１０内で航空機１０の環境制御のために使用することができる。より具体的には、エンジンは、ガスタービンエンジン１２の長さまたは動作段に沿って配置された一セットの抽気ポート２４を含み、その結果、対応する一セットの抽気ポート２４として抽気をガスタービンエンジン１２から受け取り、捕捉し、または除去することができる。この意味で、抽気システム２０の所望の動作または抽気需要に基づいて、抽気質量流量（例えば、毎分ポンド）、抽気温度または抽気圧力を含むがこれらに限定されない様々な抽気特性を選択することができる。さらに、航空機１０の環境制御のために航空機１０内で周囲空気を使用することができると考えられる。本明細書で使用されるように、航空機１０の環境制御、すなわち航空機１０のＥＣＳ４８は、機内または胴体を加圧し、機内または胴体を加熱または冷却するなどのために航空機の一部の防氷または除氷用のサブシステムを含み得る。ＥＣＳ４８の動作は、航空機１０の乗客の数、航空機１０の飛行段階、またはＥＣＳ４８の動作サブシステムのうちの少なくとも１つの関数であり得る。航空機１０の飛行段階の例としては、グラウンドアイドリング、タクシー、離陸、上昇、巡航、降下、ホールド、および着陸が挙げられるがこれらに限定されない。ＥＣＳによる抽気システム２０の需要は、例えば航空機１０の状態に基づいてサブシステムが必要とされるときに動的になり得る。

民間航空機１０が示されているが、本発明の実施形態は任意の種類の航空機１０に使用することができると考えられる。さらに、２つのガスタービンエンジン１２が翼アセンブリ１８上に示されているが、翼アセンブリ１８上の単一のガスタービンエンジン１２を含む任意の数のガスタービンエンジン１２、または胴体１４に搭載された単一のガスタービンエンジンさえも含め得ることが理解されよう。

図２は、航空機１０のガスタービンエンジン１２の断面図を示している。ガスタービンエンジン１２は、直列の関係で、ファン２２、圧縮機部２６と、燃焼部２５と、タービン部２７と、排気部２９とを含み得る。圧縮機部２６は、直列の関係で、多段低圧圧縮機３０と多段高圧圧縮機３２とを含み得る。

ガスタービンエンジン１２はまた、低圧圧縮機３０から低圧抽気を引き出す、吸い込む、または受け取るように構成された低圧抽気ポート３４と、高圧圧縮機３２から高圧抽気を引き出す、吸い込む、または受け取るように構成された高圧抽気ポート３６とを含んで示される。抽気ポート３４、３６もまた、対応する出力信号を提供することができる様々なセンサ２８と連結して示されている。非限定的な例として、センサ２８はそれぞれの温度センサ、それぞれの流量センサ、またはそれぞれの圧力センサを含み得る。単一の低圧抽気ポート３４のみが図示されているが、低圧圧縮機３０は、限定されるものではないが、抽気質量流量、抽気温度、または抽気圧力を含む様々な抽気特性を引き出す、吸い込む、または受け取るように、圧縮機３０の多段に配置された一セットの低圧抽気ポート３４を含み得る。同様に単一の高圧抽気ポート３６のみが図示されているが、高圧圧縮機３２は、限定されるものではないが、抽気質量流量、抽気温度、または抽気圧力を含む様々な抽気特性を引き出す、吸い込む、または受け取るように、一セットの高圧抽気ポート３６を含み得る。本開示の非限定的な実施形態は、低圧または高圧抽気ポート３４、３６の少なくとも一方が、補助動力装置（ＡＰＵ）または地上カートユニット（ＧＣＵ）からの抽気ポートを含み得るような構成をさらに含むことができ、これによりＡＰＵまたはＧＣＵは、エンジン抽気ポート３４、３６に加えてまたはその代わりに、増大した圧力および調整された温度の空気流を提供することができる。

ガスタービンエンジン１２の運転中、ファン２２の回転は空気を吸い込むので、空気の少なくとも一部が圧縮機部２６に供給される。空気は、低圧圧縮機３０によって低圧に加圧された後、高圧圧縮機３２によってさらに高圧に加圧される。エンジン動作のこの時点で、低圧抽気ポート３４と高圧抽気ポート３６は、それぞれ低圧圧縮機３０からの低圧空気と高圧圧縮機３２からの高圧空気を吸い込んで、ＥＣＳ４８に空気を供給するための抽気システムに空気を供給する。高圧抽気ポート３６から吸い込まれなかった高圧空気は、燃焼部２５に送られ、そこで高圧空気は燃料と混合されて燃焼する。燃焼ガスはタービン部２７の下流に送られタービン部は、タービン部２７を通過するガスによって回転する。タービン部２７の回転は、次に、タービン部２７の上流のファン２２および圧縮機部２６を回転させる。最後に、燃焼ガスは、排気部２９を通ってガスタービンエンジン１２から排出される。

図３は、ガスタービンエンジン１２、抽気システム２０、およびＥＣＳ４８を含む航空機１０の一部の概略図を示す。図示のように、抽気システム２０は、一セットのガスタービンエンジン（単一のガスタービンエンジン１２としてのみ図示）と上流側で流体連結され、ＥＣＳ４８と下流側で流体連結されたターボエアサイクルマシン３８を含み得る。ターボエアサイクルマシン３８は、第１タービン部４０ａおよび第２タービン部４０ｂ、ならびに第１タービン部４０ａおよび第２タービン部４０ｂと共通シャフト４１上で回転連結されたターボ圧縮機などの圧縮機部４２を含み得る。この意味で、ターボエアサイクルマシン３８は、３つのホイール、すなわち第１および第２タービン部４０ａ、４０ｂ、ならびに圧縮機部４２を含み得る。ターボエアサイクルマシン３８の抽気システム２０は、ターボエアサイクルマシン３８の下流に配置された流れミキサまたはターボエジェクタ４４を含み得る。

低圧抽気ポート３４および高圧抽気ポート３６は、比例混合または制御可能バルブアセンブリ４５によって、ターボエアサイクルマシン３８と流体連結することができる。制御可能バルブアセンブリ４５の非限定的な例は、混合、比例混合、または非混合構成を含み得る。別の非限定的な例では、比例混合アセンブリは比例混合エジェクタバルブアセンブリを含み得る。一態様では、比例混合エジェクタバルブアセンブリまたは制御可能バルブアセンブリ４５は、低圧および高圧抽気をターボエアサイクルマシン３８に供給するように構成することができる。比例混合エジェクタバルブアセンブリまたは制御可能バルブアセンブリ４５の非限定的な例は、ターボエジェクタまたは混合エジェクタアセンブリを含むことができ、高圧抽気ポート３６は、低圧抽気ポート３４の低圧抽気の少なくとも一部を取り込むか、または低圧抽気ポート３４から空気を「引き出し」て、混合された、合流した、または混入された空気をターボエアサイクルマシン３８に供給する。言い換えれば、比例ターボエジェクタまたは混合エジェクタアセンブリは、低圧抽気の少なくとも一部を同時に圧縮機部４２に供給し、低圧抽気の他の部分を高圧抽気と共に混入することができる。

本開示の実施形態は、低圧抽気および高圧抽気の供給比が、所定の比を決して下回らないように、あるいは決して超えないように選択することができる態様を含み得る。一例では、供給比の態様は、ターボエアサイクルマシン３８のタービン部４０ａ、４０ｂと圧縮機部４２との間のエネルギーまたは動力のバランスを含み得る、またはバランスを維持するように決定することができる。ガスタービンエンジン１２の低圧抽気ポート３４を、第１制御可能バルブ４６を介して、ターボエアサイクルマシン３８の圧縮機部４２と流体連結することができる、比例混合エジェクタバルブアセンブリまたは制御可能バルブアセンブリ４５の別の非限定的な例を含めることができる。さらに、ガスタービンエンジン１２の高圧抽気ポート３６は、第２制御可能バルブ５０を介して、ターボエアサイクルマシン３８の第１タービン部４０ａと直接流体連結することができる。第１制御可能バルブ４６または第２制御可能バルブ５０の非限定的な例は、完全比例バルブまたは連続バルブを含み得る。

比例バルブは、航空機の飛行段階またはガスタービンエンジン１２の回転速度に応答して、関連して、またはその関数として動作することができる。例えば、ガスタービンエンジン１２の回転速度は運転サイクル内で変化することができ、その間に比例混合エジェクタバルブアセンブリまたは制御可能バルブアセンブリ４５をガスタービンエンジンの過渡状態または動的状態に基づいて調整することができる。本開示の実施形態は、１００％の第１抽気および０％の第２抽気など、任意の割合の低圧抽気対高圧抽気の供給が可能である。同様に、比率は、エンジン状態に対する動的応答に基づいて、またエネルギーバランス、エネルギーバランス抽気需要、またはターボエアサイクルマシンアセンブリのタービン部と圧縮機部との間のパワーバランスを維持するために予め決定することができる。

低圧抽気ポート３４によって提供される低圧抽気は、それぞれの第１制御可能バルブ４６および第２制御可能バルブ５０の下流で第１タービン部４０ａにさらに提供することができ、第１タービン部４０ａに低圧抽気を提供する流体継手は、低圧抽気ポート３４からターボエアサイクルマシン３８の高圧抽気ポート３６または第１タービン部４０ａに向かう方向に付勢されたチェックバルブ５２を含み得る。この意味で、チェックバルブ５２は、流体が低圧抽気ポート３４から高圧抽気ポート３６またはターボエアサイクルマシン３８の第１タービン部４０ａにのみ流れることができるように構成されている。

チェックバルブ５２が、高圧抽気ポート３６に向けたそれぞれの低圧抽気ポート３４における流れの所定またはそれぞれの圧力下で、低圧抽気ポート３４から高圧抽気ポート３６に向かう流体横断を提供するように選択または構成された本開示の実施形態を含めることができる。例えば、チェックバルブ５２は、図示のように、流体横断のみを提供するように選択または構成することができ、高圧抽気ポート３６の気圧は低圧抽気ポート３４の気圧より低い。別の例では、チェックバルブ５２は、背圧下で、すなわち高圧抽気ポート３６の圧力が、低圧抽気ポート３４の気圧よりも高いかまたは大きい場合、チェックバルブ５２は閉じるまたは閉鎖位置に自己作動するように選択または構成できる。あるいは、本開示の実施形態は、低圧抽気ポート３４から高圧抽気ポート３６に向かって選択的流体横断を提供するように制御可能なチェックバルブ５２、または比例ターボエジェクタまたは混合エジェクタ比例アセンブリを含み得る。

ターボエアサイクルマシン３８の圧縮機部４２は圧縮機出力５４を含むことができ、第１タービン部４０ａは冷却空気流７０、すなわち第１タービン部４０ａによって受け取られた空気流よりも低い温度を有する空気流を画定する第１タービン出力５６を含み得る。

第１タービン出力５６は、任意選択で比例的に第２タービン部４０ｂに供給することができる。より具体的には、第１タービン出力５６は、第２タービン部４０ｂに流体連結されて示されている。第１タービン出力５６はまた、バイパス導管４３に流体連結することができる。図示のように、バイパス導管４３は、流体出力５６が第２タービン部４０ｂに提供される必要がないように、第１タービン部４０ａの流体出力５６を下流ターボエジェクタ４４に流体連結することができる。バイパス導管４３を通って下流ターボエジェクタ４４への流体流れを選択的に制御するために、バイパスバルブ４７が含まれている。バイパスバルブ４７は、比例バルブまたは連続バルブを含むがこれらに限定されない任意の適切なバルブであり得る。第２タービン部４０ｂは、空気流を画定する第２タービン出力７１を含み得る。第２タービン部４０ｂを迂回する第１タービン出力５６は矢印で概略的に示されており、バイパス空気流７３を画定する。

圧縮機出力５４、任意の第２タービン出力７１、および任意のバイパス空気流７３は、ターボエアサイクルマシン３８の下流で流体的に組み合わされる。流れミキサは、圧縮機出力５４、任意の第２タービン出力７１、および任意のバイパス空気流７３を、ＥＣＳ４８の抽気入口４９に供給される共通混合流７４に流体的に組み合わせるように構成される。このようにして、下流ターボエジェクタ４４は、バイパス空気流７３の形態の第１タービン部４０ａからの流体出力と、第２タービン出力７１の形態の第２タービン部４０ｂとを、圧縮機出力５４の形態の圧縮機部からの流体出力と共に流体的に組み合わせて、ＥＣＳ４８の抽気入口４９に供給される共通の流れ７４にする。この意味で、抽気システム２０は、ＥＣＳ４８の抽気入口４９によって抽気が受け取られる前に抽気を事前調整する。

第２タービン出力７１とバイパス空気流７３とは流体連結されて、合流タービン出力空気流７５または冷却空気流を画定する。図示の実施形態の流れミキサでは、ターボエジェクタ４４は、狭い部分５８、すなわちターボエジェクタ４４の「スロート」を横切るときにタービン出力空気流７５を加圧し、圧縮機出力５４をターボエジェクタ４４の狭い部分５８に流体噴射する。圧縮機出力５４の加圧タービン出力空気流７５への噴射は、圧縮機出力５４とタービン出力空気流７５とを流体的に組み合わせる。ターボエジェクタ４４の共通空気流７４は、抽気入口４９でＥＣＳ４８の下流側に流体連結されている。圧縮機出力５４、タービン出力空気流７５、またはターボエジェクタ４４（例えば、狭い部分５８の下流）が一セットのセンサ２８を含み得る本開示の実施形態を含めることができる。

「エジェクタポンプ」または「エジェクタバルブ」と呼ばれることもあるターボエジェクタ４４は、ベンチュリ絞りの入力端で高圧源からノズルに空気を注入することによって動作し、ノズルには低圧空気供給源もまた供給される。高圧源からの空気は、下流で低圧流へ高速で放出される。空気流の隣接によって引き起こされる摩擦によって、低圧の空気が加速され（「混入され」）、ベンチュリ絞りを通して引き込まれる。低圧空気流中に噴出された高圧空気が低圧空気供給源の低圧に向かって膨張するにつれて、速度が増し、合流または混合空気流の流れをさらに加速させる。低圧空気流が高圧源による混入によって加速されるにつれて、低圧源の温度および圧力が低下し、その結果タービン出力からより多くのエネルギーが抽出または「回収」される。高圧空気供給源が低圧空気供給源よりも高い温度にある、本開示の非限定的な実施形態を含めることができる。しかしながら、本開示の代替の実施形態では、混入および混合プロセスは、高圧空気源が低圧空気供給源よりも高い温度を有することなく起こり得る。上述の実施形態は、ターボエアサイクルマシン３８の下流に示されたターボエジェクタ４４、ならびに制御可能バルブアセンブリ４５のターボエジェクタの実施形態に適用される。

航空機１０または抽気システム２０はまた、プロセッサ６２およびメモリ６４を有するコントローラモジュール６０を含み得る。コントローラモジュール６０またはプロセッサ６２は、センサ２８、第１制御可能バルブ４６、第２制御可能バルブ５０、バイパスバルブ４７、およびＥＣＳ４８を含む抽気システム２０に動作可能にまたは通信可能に連結することができる。コントローラモジュール６０またはプロセッサ６２はさらに、抽気システム２０の流体継手に沿って分散されたセンサ２８と動作可能にまたは通信可能に連結することができる。メモリ６４は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、またはディスク、ＤＶＤ、ＣＤ−ＲＯＭなどのような１つもしくは複数の異なるタイプのポータブル電子メモリ、またはこれらのタイプのメモリの任意の適切な組み合わせを含み得る。コントローラモジュール６０またはプロセッサ６２はさらに、任意の適切なプログラムを実行するように構成することができる。例えば、コントローラモジュール６０またはプロセッサ６２はまた、航空機１０の他のコントローラ、プロセッサ、またはシステムと接続できるか、または航空機１０の別のコントローラ、プロセッサ、またはシステムの一部として、または副構成要素として含まれ得る、本開示の非限定的な実施形態を含めることができる。一例では、コントローラモジュール６０は、フルオーソリティデジタルエンジンまたは電子機器コントローラ（ＦＡＤＥＣ）、機内航空電子コンピュータまたはコントローラ、あるいは共通のデータリンクまたはプロトコルによって遠隔配置されたモジュールを含み得る。

情報のコンピュータ検索可能データベースを、メモリ６４に記憶することができ、コントローラモジュール６０またはプロセッサ６２によってアクセスできる。コントローラモジュール６０またはプロセッサ６２は、データベースを表示するかまたはデータベースにアクセスするために一セットの実行可能命令を実行することができる。あるいは、コントローラモジュール６０またはプロセッサ６２を情報のデータベースに動作可能に連結することができる。例えば、このようなデータベースは、代替のコンピュータまたはコントローラに記憶することができる。データベースは、複数のデータのセットを有する単一のデータベース、共にリンクされた複数の個別のデータベース、または単純なデータのテーブルを含む任意の適切なデータベースであり得ることが理解されよう。データベースは、多数のデータベースを組み込むことができること、またはデータベースが実際には多数の別々のデータベースであり得ることが考えられる。データベースは、とりわけ、センサ出力の基準値に関連する履歴データ、ならびに航空機１０の履歴抽気システム２０データおよび全航空機に関連する履歴データを含み得るデータを格納することができる。データベースはまた、履歴値または集約値を含む基準値を含み得る。

ガスタービンエンジン１２の動作中、抽気システム２０は、先に説明したように、低圧抽気ポート３４に沿って低圧抽気流を供給し、高圧抽気ポート３６に沿って高圧抽気流６８を供給する。高圧抽気流６８は、ターボエアサイクルマシン３８の第１タービン部４０ａおよび任意選択で第２タービン部４０ｂに送達され、次にターボエアサイクルマシン３８はタービンと相互作用して第１タービン部４０ａおよび第２タービン部４０ｂの回転を駆動する。高圧抽気流６８は、第１タービン出力空気流として第１タービン出力５６で第１タービン部４０ａを出る。本明細書で説明するように、チェックバルブ５２または上流ターボエジェクタまたは混合エジェクタ比例アセンブリの動作、あるいはそれぞれの低圧抽気ポート３４および高圧抽気ポート３６のそれぞれの気流６６、６８に応じて、低圧抽気流６６の第１部分はターボエアサイクルマシン３８の圧縮機部４２に送達することができ、低圧抽気流６６の第２部分は、ターボエアサイクルマシン３８の第１タービン部４０ａおよび任意選択で第２タービン部４０ｂに送達することができる。例えば、本開示の実施形態は、第１タービン部４０ａおよび任意選択で第２タービン部４０ｂに送達される空気流が、完全に低圧抽気流６６を含むか、低圧抽気流６６を含まない、またはその間の一部を含み得る操作を含み得る。低圧抽気流６６の第２部分はまた、制御可能バルブ５０が高圧抽気流６８を提供しないように設定されている場合などに、第１タービン部４０ａおよび第２タービン部４０ｂの回転を駆動するために利用できる。

コントローラモジュール６０は、バイパスバルブ４７を作動させて、ある量の第１タービン出力５６をターボエアサイクルマシン３８の第２タービン部４０ｂに供給するように構成されていることが理解されよう。コントローラ６０は、合流空気流７４、タービン出力空気流７５、第１タービン出力５６、それらの任意の組み合わせなどの温度センサを含む任意のセンサ２８からの入力に基づいて、バイパスバルブ４７を動作させることができると考えられる。本開示の実施形態は、第２タービン部４０ｂに送達される第１タービン出力５６が、１００％未満の冷却空気流または第１タービン出力５６を第２タービン部４０ｂに供給するか、または第１タービン出力５６の１００％を第２タービン部４０ｂに供給することを含み得る動作を含み得る。

低圧抽気流６６の第１部分は、第１タービン部４０ａおよび第２タービン部４０ｂと回転連結された圧縮機部４２の回転によって圧縮することができる。圧縮された低圧抽気流６６は、圧縮機出力空気流７２として圧縮機出力５４で圧縮機部４２を出る。タービン出力空気流７５と圧縮機出力空気流７２は、ターボエジェクタ４４内で合流して合流空気流７４を形成し、これはさらにＥＣＳ４８に供給される。この意味で、合流空気流７４は、低圧および高圧抽気流６６、６８の組成または比、あるいは合流したタービン出力と圧縮機出力空気流７５、７２の組成または比として表すことができる。

圧縮機部４２による低圧空気流６６の圧縮は、低圧空気流６６と比較して、より高圧でより高温の圧縮機出力空気流７２を生成する。さらに、第１タービン部４０ａおよび第２タービン部４０ｂによって受け取られる空気流、すなわちターボエジェクタまたは混合エジェクタ比例アセンブリを介してチェックバルブ５２を介した高圧空気流６８および選択的低圧空気流６６は、第１タービン部４０ａおよび第２タービン部４０ｂの入力空気流６６、６８と比較して、より低い圧力およびより低い温度のタービン出力空気流７５を発生する。この意味で、圧縮機部４２は、より高温でより高圧の空気流７２を出力または放出し、一方、第１タービン部４０ａは、関連する入力空気流６６、６８と比較してより低温および低圧の空気流７０を出力または放出する。第２タービン部４０ｂは、空気流７０と比較してさらに冷たい空気流７１を出力または放出する。

コントローラモジュール６０またはプロセッサ６２は、例えばＥＣＳ４８によって生成された抽気需要を動作可能に受け取るように構成することができる。抽気需要は、抽気需要信号７６によってコントローラモジュール６０またはプロセッサ６２に供給することができ、抽気需要信号には、流量、温度、圧力、または質量流量（例えば空気流）が含まれるがこれらに限定されない抽気需要特性が含まれる。抽気需要信号７６に応答して、コントローラモジュール６０またはプロセッサ６２は、比例量の低圧抽気流６６および高圧抽気流６８をターボエアサイクルマシン３８に動作可能に供給することができる。低圧抽気流６６と高圧抽気流６８との比例関係は、それぞれの第１または第２制御可能バルブ４６、５０によって、またチェックバルブ５２またはターボエジェクタ比例アセンブリの選択的動作によって制御することができる。

低圧および高圧抽気流６６、６８の比例供給は、タービン出力空気流７５および圧縮機出力空気流７２、またはターボエアサイクルマシン３８の動作に直接または幾何学的に比例させることができる。タービン出力空気流７５および圧縮機出力空気流７２はターボエアサイクルマシン３８の下流で合流され、合流空気流７４はＥＣＳ４８に供給される。１つの非限定的な例では、圧縮機出力空気流７２はタービン出力空気流７５を狭い部分５８に送り込み、音波条件下で混合することができる。混合流れ圧力は、合流空気流７４を介して静的に回収し、所望の条件でターボエジェクタ４４を出力する。この意味で、合流空気流７４は、抽気システム２０、制御可能バルブ４６、５０、チェックバルブ５２、ターボエジェクタまたは混合エジェクタ比例アセンブリ、ターボエアサイクルマシン３８、タービン出力空気流７５と圧縮機出力空気流７２の合流、またはそれらの任意の組み合わせによって調整され、抽気に対するＥＣＳ４８の需要を満たす。

コントローラモジュール６０またはプロセッサ６２の一方は、ＥＣＳ４８の抽気需要を決定し、低圧または高圧抽気流６６、６８を比例的または選択的に供給し、制御可能バルブ４６、５０を操作し、それぞれの高圧および低圧空気流６６、６８に応じるチェックバルブ５２、あるいはターボエジェクタまたは混合エジェクタ比例アセンブリの動作、またはそれらの組み合わせのための実行可能命令セットを有するコンピュータプログラムの全部または一部を含むことができる。本明細書で使用されるように、低圧または高圧抽気流６６、６８を「比例的または選択的に供給する」は、低圧または高圧抽気流６６、６８の少なくとも一方を変更または修正することを含み得る。例えば、低圧または高圧抽気流６６、６８を比例的または選択的に供給することは、高圧抽気流６８を変えずに低圧抽気流６６を変えること、またはその逆を含み得る。別の例では、低圧または高圧抽気流６６、６８を比例的または選択的に供給することは、低圧抽気流６６および高圧抽気流６８を変えることを含み得る。また、本明細書で使用されるように、低圧または高圧抽気流６６、６８を「比例的に」供給することは、供給される総抽気流６６、６８に基づいて、高圧抽気流６８に対する低圧抽気流６６の比を変更または修正することを含み得る。言い換えれば、低圧または高圧抽気流６６、６８の比率を変更または修正することができ、低圧および高圧抽気流６６、６８の総空気流に基づいて混合比を含めるまたは説明することができる。

コントローラモジュール６０またはプロセッサ６２が抽気システム２０の動作を制御するかどうかにかかわらず、プログラムは、機械実行可能命令またはデータ構造を搬送するかまたは格納するための機械可読媒体を含み得るコンピュータプログラム製品を含み得る。このような機械可読媒体は、任意の利用可能な媒体であり得、これはプロセッサを有する汎用もしくは専用コンピュータまたは他の機械によってアクセスすることができる。一般に、このようなコンピュータプログラムは、特定のタスクを実行する、または特定の抽象データタイプを実施するという技術的効果を有するルーチン、プログラム、オブジェクト、構成要素、データ構造などを含み得る。機械実行可能命令、関連するデータ構造、およびプログラムは、本明細書で開示されているような情報の交換を実行するためのプログラムコードの例を表す。機械実行可能命令は、例えば、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、または専用処理機械に特定の機能または機能群を実行させる命令およびデータを含み得る。

低圧または高圧抽気流６６、６８の抽気特性は、航空機１０による飛行の巡航部分の間、比較的一定または安定したままであり得るが、航空機１０または高度、速度またはアイドル設定、方位、太陽周期、または地理的な航空機の位置などの飛行特性の変化によって、抽気システム２０内に不整合な空気流６６、６８が生じる可能性がある。したがって、コントローラモジュール６０またはプロセッサ６２はまた、本明細書で説明するように、抽気システム２０の流体継手に沿って分散されたセンサ２８によって受信された一セットのセンサ入力値の受信に応答して抽気システム２０を動作させるように構成され得る。例えば、コントローラモジュール６０またはプロセッサ６２は、抽気システム２０を横断する一セットの空気流６６、６８、７０、７１、７２、７３、７４、７５についての所定の、既知の、予想される、推定される、または計算された値を含むことができる。航空機１０または飛行特性の変化に応じて、コントローラモジュール６０またはプロセッサ６２は、ＥＣＳ４８に対する抽気需要を満たすために、低圧または高圧抽気流６６、６８の比例供給を変更することができる。代替として、メモリ６４は、低圧または高圧抽気流６６、６８に関連する比例供給値が、センサ２８読み取り値、測定値などのセットまたはサブセットをコントローラモジュール６０が受け取ることに応答して決定され得るように、データベースまたはルックアップテーブルを含み得る。

センサ２８は、それぞれの温度、流速、または圧力を「感知」、「測定」、または「読み取る」として記載されているが、コントローラモジュール６０またはプロセッサ６２は、コントローラモジュール６０またはプロセッサ６２がそれぞれの温度、流速、圧力、またはそれらの組み合わせを表すかまたは示す値を解釈するように、センサ２８出力を感知、測定、推定、計算、決定、または監視するように構成できる。さらに、センサ２８は、これまでに実証されていない追加の構成要素に近接する、または一体化して含まれ得る。例えば、本開示の実施形態は、合流空気流７４を感知するように配置されたセンサ２８を含むことができ、あるいは狭い部分５８、すなわちターボエジェクタ４４の「スロート」内に配置されたセンサ２８を含み得る。

応答動作の別の非限定的な例では、コントローラモジュール６０は、抽気システム２０の抽気需要に基づいて第２制御可能バルブ５０を動作させることができる。抽気需要量は、例えば、ターボエジェクタ４４からの所望のまたは要求された出力空気流７４を含み得る。この意味で、コントローラモジュール６０は、ターボエジェクタ４４の所望のまたは需要された出力空気流７４に基づいて第２制御可能バルブ５０を動作させることができる。コントローラモジュール６０は、例えば、第２タービン出力７１と組み合わされた場合に、第１タービン出力５６のバイパス空気流７３が、タービン出力空気流７５の冷却に影響を及ぼすようにバイパスバルブ４７をさらに動作させることができ、これは次に出力空気流７４の所望のまたは要求された温度などの抽気システム２０の抽気需要に基づいて、出力空気流７４の温度に動作可能に影響を及ぼすかまたは制御する。したがって、動作中に、センサ２８によって感知されるように、出力空気流７４の温度が閾値の、要求される、または所望の温度よりも低い場合、バイパスバルブ４７は、空気が第１タービン出力５６からタービン出力空気流７５へ流れ込むように動作可能に開くことができる。この意味で、バイパスバルブ４７の開放は、出力空気流７４の温度を動作可能に上昇させることができる。動作中、センサ２８によって感知されるように、出力空気流７４の温度が、出力空気流７４の閾値の、要求される、または所望の温度よりも高い場合、バイパスバルブ４７は、バイパス空気流７３がタービン出力空気流７５、最終的には出力空気流７４に供給されないように動作可能に閉じることができる。この意味で、バイパスバルブ４７を閉じることは、出力空気流７４の温度を動作可能に下げることができる。

応答動作の別の非限定的な例では、コントローラモジュール６０は、出力空気流７４の所望の圧力または要求される圧力を含む抽気需要に基づいて第２制御可能バルブ５０を動作させることができる。センサ２８によって感知されるように、出力空気流７４の圧力が閾値の、要求される、または所望の圧力よりも低い場合、第２制御可能バルブ５０は、部分的または追加の高圧抽気流６８をターボエアサイクルマシン３８に提供または許容するように動作可能に開くことができる。第２制御可能バルブ５０が高圧抽気流６８をターボエアサイクルマシン３８に供給または許容するにつれて、タービン部４０ａ、４０ｂはより速く回転し、より多くの回転動力を発生させ、それは次に圧縮機部４２が吸収する動力の総量に影響を及ぼす。この意味で、第２制御可能バルブ５０は、所望のまたは要求された圧力に基づいて、出力空気流７４の圧力を修正または調整するように動作させることができる。

別の非限定的な応答動作では、第１制御可能バルブ４６は、コントローラモジュール６０によって制御可能に動作させることができ、センサ２８によって感知されるように圧縮機出力空気流７２に基づいて、動力を生成するタービン部４０ａ、４０ｂと、動力を吸収する圧縮機部４２と間のパワーバランスを維持する。この意味で、コントローラモジュール６０は、第１および第２制御可能バルブ４６、５０を同時に動作させるように構成することができる。

バルブ４６、５０、４７の前述の構成および動作は、ターボエジェクタの効率の断熱変化を可能にし、引き起こし、または影響を及ぼす。

コントローラモジュール６０またはプロセッサ６２が、抽気システム２０を動作させて空気流６６、６８、７０、７１、７２、７３、７４、７５のセットまたはサブセットにおけるセンサ２８の測定値を考慮するように構成することができる、本開示の実施形態を含めることができる。

本開示の別の実施形態では、抽気システム２０は、フィードバック入力なしで、すなわち、コントローラモジュール６０またはプロセッサ６２がセンサ２８から感知された情報を受け取ることなく動作することができる。この代替構成では、航空機１０の飛行段階の間に観察された動的応答が与えられると、コントローラモジュール６０またはプロセッサ６２は、航空機１０の連続動作に基づいて、第１または第２制御可能バルブ４６、５０などを動作させるように構成できる。

抽気システム２０の１つの非限定的な例示的構成では、航空機１０またはガスタービンエンジン１２の外側の周囲空気は、１４．６９ポンド／平方インチの絶対気圧（ｐｓｉＡ）および華氏（Ｆ）１０６度の温度を有し、低圧抽気流は１４．７ｐｓｉのゲージ圧（ｐｓｉＧ）および２７３．５°Ｆの温度を含むことができ、一方、高圧抽気流は１０８．４ｐｓｉＧの気圧および７３７．２°の温度を含み得る。この例では、バイパスバルブ４７は完全に閉じることができ（すなわち、バイパス空気流７３がない）、低圧抽気流６６対高圧抽気流６８の比は６５．７％から３４．３％となる。この比は、ターボエアサイクルマシン３８を動作させて１２．１ｐｓｉＧの圧力および３４４．６°Ｆの温度を有するタービン出力空気流７５を生成することができ、一方、圧縮機出力空気流７２は４４．６ｐｓｉＧの圧力および４６７．８℃の温度を含み得る。ターボエジェクタ４４は、タービン出力空気流７５と圧縮機出力空気流７２とを組み合わせて、２６．２ｐｓｉＧの圧力と４２５．５°Ｆの温度とを含む合流空気流７４を提供するように構成することができる。

抽気システム２０の別の非限定的な例示的構成では、航空機１０またはガスタービンエンジン１２の外側の周囲空気は、１４．６９ポンド／平方インチの絶対気圧（ｐｓｉＡ）および華氏（Ｆ）１０６度の温度を有し、低圧抽気流は１２．２ｐｓｉのゲージ圧（ｐｓｉＧ）および２５３．１°Ｆの温度を含むことができ、一方、高圧抽気流は６４．６６ｐｓｉＧの気圧および５８２．３°の温度を含み得る。この例では、バイパスバルブ４７を全開にすることができ（すなわち、タービン出力空気流７５に提供されるバイパス空気流７３）、低圧抽気流６６対高圧抽気流６８の比は、４８．６％から５１．４％となる。この比は、ターボエアサイクルマシン３８を動作させて２３．３５ｐｓｉＧの圧力および３９８．７９°Ｆの温度を有するタービン出力空気流７５を生成することができ、一方、圧縮機出力空気流７２は４０．２３ｐｓｉＧの圧力および４４６．２５°Ｆの温度を含み得る。ターボエジェクタ４４は、タービン出力空気流７５と圧縮機出力空気流７２とを組み合わせて、２９．７ｐｓｉＧの圧力と４２１．８５°Ｆの温度とを含む合流空気流７４を提供するように構成することができる。前述の構成および値の例は、本明細書に記載の抽気システム２０の単なる非限定的な一例である。

第２タービン部４０ｂに関する上記の開示は、タービン部が１つだけのターボエアサイクルマシンと比較して、ターボエアサイクルマシン３８が増大した冷却能力を有することを可能にし、ガスタービンエンジン１２からのより高い抽気段抽出を可能にし、増大したタービン発電を可能にする。第２段タービンバイパスを含むことは、より低い高圧抽気ポート抽出段での第２段アンローディングを可能にし、不要な第２タービン段過剰出力を低減し、第２段タービン出口温度制御を可能にする。

図４は、ガスタービンエンジン１１２、抽気システム１２０、およびＥＣＳ１４８を含む航空機１１０の代替部分を示す。航空機１１０は、前述の航空機１０と類似しており、したがって、同じ部分は１００増えた同様の数で識別され、特に他に明記しない限り航空機１０の同じ部分の説明は、航空機１１０の部分にも当てはまることを理解されたい。

１つの違いは、一セットの低圧抽気ポート１８０ａ、１８０ｂ、および１８０ｃがマニホールド１８２を介して制御可能バルブアセンブリ１４５に流体連結されて、ガスタービンエンジン１１２の異なる段からの低圧抽気をターボエアサイクルマシン１３８に供給することである。さらに、一セットの高圧抽気ポート１８６ａ、１８６ｂ、および１８６ｃがマニホールド１８８を介して制御可能バルブアセンブリ１４５に流体連結されて、ガスタービンエンジン１１２の異なる段からの高圧抽気をターボエアサイクルマシン１３８に供給する。バルブ１８４は、一セットの低圧抽気ポート１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃと高圧抽気ポート１８６ａ、１８６ｂ、１８６ｃとを制御可能バルブアセンブリ１４５に接続するように示されている。バルブ１８４は、チェックバルブまたは縁切りバルブまたは遮断バルブを含むがこれらに限定されない任意の種類の適切なバルブであり得る。複数のポートおよびバルブを追加することにより、ガスタービンエンジンのデューティサイクル中にポートを切り替えることが可能になる。

航空機１１０は、低圧および高圧抽気が、任意の数の低圧抽気ポート１８０ａ、１８０ｂ、および１８０ｃならびに高圧抽気ポート１８６ａ、１８６ｂ、および１８６ｃから供給され得ること以外は、上記と同様に動作する。この意味で、一セットの低圧抽気ポート１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃは、異なる圧力または温度の低圧抽気へのアクセスを提供または供給することができる。同様に、一セットの高圧抽気ポート１８６ａ、１８６ｂ、１８６ｃは、異なる圧力または温度の高圧抽気空気へのアクセスを提供または供給することができる。特定の場合に単一の低圧抽気ポート１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃを使用することができる本開示の態様を含めることができる。言い換えれば、低圧抽気ポート１８０ａがターボエアサイクルマシン１３８によって利用されている場合、残りの低圧抽気ポート１８０ｂ、１８０ｃは、個別にまたは組み合わせてターボエアサイクルマシン１３８によって利用されることはない。同様に、特定の場合に単一の高圧抽気ポート１８６ａ、１８６ｂ、１８６ｃを使用することができる本開示の態様を含めることができる。低圧抽気ポート１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃのうちの１つを動作させるか、または高圧抽気ポート１８６ａ、１８６ｂ、１８６ｃのうちの１つを動作させるためのコントローラモジュール１６０による選択は、例えば、本明細書に記載の応答動作、抽気需要（温度または圧力を含む）、またはエンジンデューティサイクルに基づくことができ、マルチポート抽出供給源は、本明細書に記載の考慮に基づいて、抽気源を調整または選択する機会を増大させる。

図５は、ターボエアサイクルマシン３８、１３８の下流に配置された流れミキサまたはターボエジェクタ４４、１４４にバルブ２９０を含めることができることをより詳細に示す。非限定的な例として、バルブ２９０は、ターボエジェクタ４４、１４４のスロート部５８、１５８への圧縮機出力５４、１５４の噴射を制御するために利用される制御可能なピントルインジェクタを含み得る。バルブ２９０は、矢印２９４で示すようにいずれかの方向に直線的に作動する摺動可能なニードル２９２を含み得る。摺動するニードル２９２またはピントルを比例的かつ直線的に作動させてスロート５８、１５８内へのノズル出口流れ領域放出を増減させることができ、これは次に低圧空気７５、１７５と噴射された高圧空気７２、１７２の混入の比率ならびにポンピング機構としての全体のターボエジェクタ効率に影響を及ぼすことができる。高圧質量空気流７２、１７２に対する低圧質量空気流７５、１７５の比率の変化は、その効率に影響を及ぼすターボエジェクタの操作性の範囲を増減する。この意味で、効率は圧力、温度、および質量流量比の関数である。したがって、圧力、温度、および質量流量比のいかなる変動も効率出力定格に動作可能に影響を及ぼす。ニードル２９２は、例えば、コントローラモジュール６０、１６０を介して、所定の質量流量比を維持し、効率定格を維持し、あるいはターボエジェクタ４４、１４４を所定の閾値または閾値範囲に対して動作させるように、制御可能に動作されてもよい。

そのようなバルブは、ターボエジェクタ効率の制御を可能にし、低圧および高圧質量流量比の制御を可能にする。

図６は、ガスタービンエンジン１２、１１２を使用して、抽気を航空機のＥＣＳ４８、１４８に供給する方法３００の非限定的な例を示すフローチャートを示している。方法３００は、ＥＣＳ４８、１４８に対する抽気需要を決定することによって３１０で始まる。抽気需要を決定することは、ＥＣＳ４８、１４８に対する気圧、空気温度、または流量需要のうちの少なくとも１つ、またはそれらの組み合わせを決定することを含み得る。抽気需要は、航空機の乗客数、航空機の飛行段階、またはＥＣＳ４８、１４８の動作サブシステムのうちの少なくとも１つの関数であり得る。抽気需要は、抽気需要信号７６、１７６に基づいてＥＣＳ４８、１４８、コントローラモジュール６０、１６０、またはプロセッサ６２、１６２によって決定することができる。

次に３２０で、コントローラモジュール６０、１６０またはプロセッサ６２、１６２は、制御可能バルブアセンブリ４５を動作可能に制御して、ターボエアサイクルマシン３８、１３８がバイパス空気流７３、１７３の形態の第１タービン部４０ａ、１４０ａまたは第２タービン部４０ｂ、１４０ｂから冷却空気流と、圧縮機部４２、１４２から圧縮空気流を放出するように、低圧および高圧抽気を比例的に供給する。本開示の実施形態は、低圧または高圧抽気流の一方の１００％までの合流空気流７４、１７４および低圧または高圧抽気流の対応する他方の０％の供給を含み得るが、これらに限定されない。本開示の別の例示的な実施形態は、低圧および高圧抽気流を比例的に供給することを含み得るが、比例的に供給することは、航空機の飛行段階またはガスタービンエンジン１２、１１２の回転速度に関連するまたは、関数である。抽気の比例供給は、抽気を連続的に比例供給すること、すなわち、低圧および高圧抽気流の比例供給をある期間にわたって、または航空機の飛行中に無期限に繰り返し変更することを含み得る。低圧抽気および高圧抽気を比例して供給することは、一セットの複数の低圧抽気供給源１８０ａ〜ｃのうちの１つから低圧抽気を供給すること、または一セットの複数の高圧抽気空気供給源１８６ａ〜ｃのうちの１つから高圧抽気を供給することを含み得ることも考えられる。

３３０において、バイパスバルブ４７、１４７は、第１タービン部４０ａ、１４０ａからの出力が第２タービン部４０ｂ、１４０ｂに導かれてさらなる冷却空気流または第２タービン出力７１、１７１を生成するように、あるいはバイパス導管４３、１４３を介してバイパス空気流７３、１７３を生成するように、コントローラモジュール６０、１６０またはプロセッサ６２、１６２によって制御できる。本明細書で使用される「さらに冷却された」空気流は、第２タービン出力７１、１７１の空気流が、第２タービン部４０ｂ、１４０ｂに向けられる第１タービン部４０ａ、１４０ａの出力よりも低い温度を有することを説明する。本開示の実施形態は、第１タービン出力５６、１５６の０％から１００％までの任意の量を第２タービン部４０ｂ、１４０ｂに供給し、残りをバイパス導管４３、１４３に供給するように制御されるバイパスバルブ４７、１４７を含み得るが、これに限定されない。コントローラモジュール６０、１６０またはプロセッサ６２、１６２は、合流空気流７４、１７４の出口温度を制御するためにバイパスバルブ４７、１４７を制御できる。

３４０において、方法３００は、バイパス空気流７３、１７３の形態の冷却空気流、第２タービン出力７１、１７１の形態のさらなる冷却空気流、および圧縮空気流７２、１７２を組み合わせて、調整または合流空気流７４、１７４を形成することで継続する。３２０で低圧および高圧抽気を比例的に供給し、３３０で冷却空気を第２タービン部４０ｂ、１４０ｂに選択的に供給することは、３１０で決定されるように、合流空気流７４、１７４がＥＣＳ４８、１４８に対する抽気需要を満たすように、コントローラモジュール６０、１６０またはプロセッサ６２、１６２によって制御される。本明細書で説明されるように、制御可能なピントルインジェクタ、バルブ２９０、または摺動可能なニードル２９２を操作することによって、合流空気流７４、１７４を変更、修正などすることができる方法の態様も含めることができる。

示された順序は、説明のためのものにすぎず、記載された方法を損なうことなく、方法の部分は異なる論理的順序で進行することができ、追加のもしくは介在する部分を含めることができ、または方法の記載された部分を複数の部分に分割することができ、または方法の記載された部分を省略することができることが理解されるように、決して方法３００を限定することを意味するものではない。

例えば、この方法は、調整空気流または合流空気流７４、１７４の温度に関する温度センサ２８、１２８からの出力信号を受信することを含み得ると考えられる。３１０で抽気需要を決定することは、ＥＣＳ４８、１４８に対する空気需要温度を決定することを含むことができ、コントローラ６０、１６０またはプロセッサ６２、１６２は、決定された空気温度需要および温度センサ２８、１２８からの出力信号に基づいて、第２タービン部４０ｂ、１４０ｂに供給される冷却空気流の量を計算あるいは決定することを含み得る。これは、第２タービン部４０ｂ、１４０ｂに供給される冷却空気流の量を連続的に決定することを含み得ると考えられる。

この方法はまた、ＥＣＳの動作上の需要に従ってガスタービンエンジンの圧縮機からターボエアサイクルマシンに低圧抽気および高圧抽気を比例的に供給して、抽気を予備調整することを含み得、予備調整は、さらに冷却するために、ターボエアサイクルマシン３８、１３８の第１タービン部４０ａ、１４０ａから放出された流体出力をターボエアサイクルマシン３８、１３８の第２タービン部４０ｂ、１４０ｂに選択的に提供することを含む。上記のように、これはＥＣＳの温度需要に基づくことができる。

非限定的な一例では、コントローラモジュール６０、１６０は、ターボエジェクタ４４、１４４の合流空気流７４、１７４の出口圧力を動作可能に制御するためのマスタ制御として、第２制御可能バルブ５０、１５０を開閉するように制御できる。非限定的な例では、コントローラモジュール６０、１６０はまた、タービン部４０ａ、４０ｂ、１４０ａ、１４０ｂと圧縮機部４２、１４２との間のエネルギーバランスを動作可能に制御するために、マスタ制御に対するスレーブとして第１制御可能バルブ４６を制御し得る。これは、ベースラインシステムロジックのマスタ制御と見なすことができる。非限定的な例では、チェックバルブ５２は、デフォルトで閉鎖できるか、または自己閉鎖できる。

１つの非限定的な例では、コントローラモジュール６０、１６０はまた、バイパスバルブ４７、１４７、したがってターボエジェクタ４４、１４４の合流空気流７４、１７４の出口温度を同時に、しかし制御可能バルブ４６、１４６とは独立して制御できる。例えば、場合によっては、第２制御可能バルブ５０、１５０の動作によって合流空気流７４、１７４の出口圧力を低下させると、合流空気流７４、１７４の出口温度も低下する。この意味で、本明細書で説明されるように、バイパスバルブ４７の動作が不適切であるか、不十分であるか、または合流空気流７４、１７４の温度または圧力を動作可能に制御することができない場合に、合流空気流７４、１７４の温度または圧力の少なくとも１つを低下させるための優先考慮として第２制御可能バルブ５０、１５０の動作を含めることができる。例えば、バイパスバルブ４７が故障や動作不能になる場合、または合流空気流７４、１７４を所望のように変更することができないにも関わらずバイパスバルブ４７が完全に開閉される場合、システムロジックは第２制御可能バルブ５０、１５０を動作して、タービン部４０ａ、４０ｂ、１４０ａ、１４０ｂによって受け取られる圧力を変更または調整し、合流空気流７４、１７４の温度を動作可能に変更または調整するように構成できる。

別の非限定的な例では、コントローラ６０、１６０は、本明細書に記載のように、ターボエジェクタ４４、１４４の所望の効率に基づいて、低圧および高圧の質量流量、目標効率などを動作可能に制御するようにバルブ２９０の動作を制御できる。

別の非限定的な例では、コントローラモジュール６０、１６０は、これに限定されないが、例えば高圧抽気源が無効にされる、取り外される、または停止されるときなどの緊急動作を含む代替システムロジックで動作することができる。そのような動作では、制御可能バルブ５０、１５０は閉じられ、コントローラモジュール６０、１６０はマスタ制御として制御可能バルブ４６、１４６を制御して、ターボエジェクタ４４、１４４の合流空気流７４、１７４の出口圧力を制御できる。このシナリオでは、チェックバルブ５２を開いて、低圧抽気流６６、１６６をタービン部４０ａ、４０ｂ、１４０ａ、１４０ｂに流すことを許可または可能にすることができる。コントローラモジュール６０、１６０は、ターボエジェクタ４４、１４４の合流空気流７４、１７４の出口温度を動作可能に制御するようにバイパスバルブ４７、１４７を制御できる。バルブ２９０を含むことで、コントローラ６０、１６０は、効率の考慮とは無関係に、必要に応じて低圧および高圧の質量流量を調整することによって、エネルギーバランスを動作可能に制御するようにバルブ２９０の動作を制御できる。別の例では、コントローラ６０、１６０は、上述のようにバルブ２９０の動作を制御できるが、必要に応じて、または以下のように所定の閾値または閾値範囲内で、エネルギーバランスまたは高圧／低圧質量流量比を動作可能に制御することによって、タービン出力への逆流を防ぐなどできる。

上の図で示したものに加えて、多くの他の可能な実施形態および構成が、本開示によって企図されている。例えば、第２制御可能バルブ５０、１５０を、やはり低圧抽気ポート３４、１３４と連結された抽気エジェクタまたは混合バルブと置き換えることができる、本開示の実施形態を含めることができる。別の非限定的な例では、ターボエジェクタ４４、１４４、圧縮機出力５４、１５４または第１タービン出力５６、１５６は、下流構成要素からの逆流がターボエアサイクルマシン３８、１３８に入るのを防ぐように構成することができる。

さらに、バルブ、ポンプまたは導管などの様々な構成要素の設計および配置は、多くの異なるインライン構成が実現できるように再構成することができる。

本明細書に開示される実施形態は、抽気を環境制御システムに供給するための方法および航空機を提供する。技術的効果は、上述の実施形態が、ガスタービンエンジンから受け取った抽気の事前調整を可能にし、その結果、抽気の調整および組み合わせが、環境制御システムに対する抽気需要を満たすように選択されることである。さらに、ターボエジェクタは、タービンの背圧に関連するエネルギーを回収しながら、異なる圧力で２つの異なる空気流を混合することを可能にする。

上記の実施形態において実現され得る１つの利点は、上記の実施形態が、従来の予冷熱交換器システムと比較して、過剰な熱を浪費することなくＥＣＳに対して優れた抽気空調を有することである。実現できる別の利点は、過剰な熱の無駄をなくすことによって、システムが廃熱に関連するエンジンからの抽気抽出をさらに減らすことができることである。抽気抽出を減らすことによって、エンジンは効率が向上して動作し、燃料コストを節約し、航空機の運航可能な飛行範囲を広げる。

上記の実施形態によって実現することができるさらに別の利点は、抽気システムがＥＣＳのための可変抽気空調を提供できることである。可変抽気は、例えば、サブシステムが作動しているとき、または動作を停止しているとき、可変ＥＣＳ負荷による、ＥＣＳ内の抽気に対する可変需要を満たすことができる。これには、低段階の抽気をＥＣＳに適した空気に変換する機能の利点が含まれる。低圧抽気圧力および周囲空気圧力は、ＥＣＳに対する所望の圧力に増強することができる。

さらに別の利点は、ＥＣＳで使用する空気の冷却温度をさらに補助するために廃棄冷却エネルギーを利用できることを含む。

これまでに説明されていない範囲において、様々な実施形態の種々の特徴および構造を、所望に応じて互いに組み合わせて使用することができる。１つの特徴を実施形態のすべてにおいて示すことができるわけではないということは、それができないと解釈されるものではなく、説明を簡潔にするためにそのようにしているのである。したがって、異なる実施形態の様々な特徴を所望のとおりに混合し、あるいは連結させて、新たな実施形態を形成することが、そのような新たな実施形態が明示的に説明されているか否かにかかわらず可能である。さらに、「一セットの」様々な要素が説明されているが、「一セット」は、ただ１つの要素を含む、任意の数のそれぞれの要素を含んでもよいことが理解されよう。本明細書に記載の特徴の組み合わせまたは置換は、本開示によって包含される。

本明細書は、本発明の実施形態を最良の形態を含めて開示するとともに、あらゆるデバイスまたはシステムの製作および使用ならびにあらゆる関連の方法の実行を含む本発明の実施形態の実施を当業者にとって可能にするために、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み得る。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有する場合、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。
［実施態様１］
ガスタービンエンジン（１２、１１２）を使用して抽気を環境制御システム（４８、１４８）に提供する方法（３００）であって、前記方法（３００）は、
前記環境制御システム（４８、１４８）に対する抽気需要を決定すること（３１０）と、
前記ガスタービンエンジン（１２、１１２）の圧縮機から低圧抽気（６６）および高圧抽気（６８）を、ターボエアサイクルマシン（３８、１３８）の第１タービン部（４０ａ、１４０ａ）と圧縮機部（４２、１４２）に選択的に供給し、前記第１タービン部（４０ａ、１４０ａ）は冷却空気流（７０）を放出し、前記圧縮機部（４２、１４２）は圧縮空気流（７２）を放出すること（３２０）と、
前記冷却空気流（７０）を第２タービン部（４０ｂ、１４０ｂ）に選択的に供給し、前記第２タービン部（４０ｂ、１４０ｂ）はさらなる冷却空気流（７０）を放出すること（３３０）と、
前記第１タービン部（４０ａ、１４０ａ）から放出された前記冷却空気流（７０）または前記第２タービン部（４０ｂ、１４０ｂ）から放出された前記さらなる冷却空気流（７０）の少なくとも１つを、前記圧縮機部（４２、１４２）から放出された前記圧縮空気流（７２）と組み合わせて調整空気流（７４）を形成すること（３４０）と、
を含み、
低圧抽気（６６）および高圧抽気（６８）を前記選択的に供給すること（３２０）と、前記冷却空気流（７０）を選択的に供給すること（３３０）は、前記調整空気流（７４）が前記決定された抽気需要を満たすように制御される、方法（３００）。
［実施態様２］
前記調整空気流（７４）の温度に関連する温度センサからの出力信号を受信することをさらに含む、実施態様１に記載の方法（３００）。
［実施態様３］
前記抽気需要を決定すること（３１０）は、前記環境制御システム（４８、１４８）に対する気温需要、前記環境制御システム（４８、１４８）に対する圧力需要、または前記環境制御システム（４８、１４８）に対するエネルギーバランス需要を決定することを含む、実施態様２に記載の方法（３００）。
［実施態様４］
前記決定された気温需要と前記出力信号とに基づいて、前記第２タービン部（４０ｂ、１４０ｂ）に供給される冷却空気流（７０）の量を決定することをさらに含む、実施態様３に記載の方法（３００）。
［実施態様５］
供給される冷却空気流（７０）の前記量を決定することが、供給される冷却空気流（７０）の前記量を連続的に決定することを含む、実施態様４に記載の方法（３００）。
［実施態様６］
前記第２タービン部（４０ｂ、１４０ｂ）に前記冷却空気流（７０）を選択的に供給すること（３３０）は、前記第２タービン部（４０ｂ、１４０ｂ）に前記冷却空気流（７０）の１００％未満を供給することを含む、実施態様１に記載の方法（３００）。
［実施態様７］
前記第２タービン部（４０ｂ、１４０ｂ）に前記冷却空気流（７０）を選択的に供給すること（３３０）は、前記第２タービン部（４０ｂ、１４０ｂ）に前記冷却空気流（７０）の１００％を供給することを含む、実施態様１に記載の方法（３００）。
［実施態様８］
前記ガスタービンエンジン（１２、１１２）の前記圧縮機から前記選択的に低圧抽気（６６）および高圧抽気（６８）を供給することは、複数の低圧抽気供給源（１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ）のうちの１つから低圧抽気（６６）を供給すること、または複数の高圧抽気供給源（１８６ａ、１８６ｂ、１８６ｃ）のうちの１つから高圧抽気（６８）を供給することのうちの少なくとも１つをさら含む、実施態様１に記載の方法（３００）。
［実施態様９］
前記第１タービン部（４０ａ、１４０ａ）から放出される前記冷却空気流（７０）または前記第２タービン部（４０ｂ、１４０ｂ）から放出される前記さらなる冷却空気流（７０）のうちの少なくとも一方を前記圧縮機部（４２、１４２）から放出される前記圧縮空気流（７２）と組み合わせることが、前記圧縮空気流（７２）の流れを制御することをさらに含む、実施態様１に記載の方法（３００）。
［実施態様１０］
航空機（１０、１１０）であって、
抽気入口（４９）を有する環境制御システム（４８、１４８）と、
少なくとも１つの低圧抽気供給源（１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ）と、少なくとも１つの高圧抽気供給源（１８６ａ、１８６ｂ、１８６ｃ）とを有するガスタービンエンジン（１２、１１２）と、
回転連結された第１タービン部（４０ａ、１４０ａ）、第２タービン部（４０ｂ、１４０ｂ）および圧縮機部（４２、１４２）を有するターボエアサイクルマシン（３８、１３８）と、
前記低圧（６６）および高圧抽気供給源（１８６ａ、１８６ｂ、１８６ｃ）を、前記第１タービン部（４０ａ、１４０ａ）と圧縮機部（４２、１４２）に流体連結する上流ターボエジェクタと、
前記第１タービン部（４０ａ、１４０ａ）または前記第２タービン部（４０ｂ、１４０ｂ）の少なくとも一方からの流体出力を、前記圧縮機部（４２、１４２）からの流体出力と流体的に組み合わせて、前記環境制御システム（４８、１４８）の前記抽気入口（４９）に供給される共通の流れにする下流ターボエジェクタ（４４、１４４）と、
を備えた、航空機（１０、１１０）。
［実施態様１１］
前記航空機（１０、１１０）が、複数の低圧抽気供給源（１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ）または複数の高圧抽気供給源（１８６ａ、１８６ｂ、１８６ｃ）のうちの少なくとも１つを含む、実施態様１０に記載の航空機（１０、１１０）。
［実施態様１２］
前記複数の低圧抽気供給源（１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ）のうちの少なくとも１つまたは前記複数の高圧抽気供給源（１８６ａ、１８６ｂ、１８６ｃ）のうちの少なくとも１つに流体連結されたチェックバルブ（５２）をさらに備える、実施態様１１に記載の航空機（１０、１１０）。
［実施態様１３］
前記第１タービン部（４０ａ、１４０ａ）の前記流体出力を前記下流ターボエジェクタ（４４、１４４）に流体連結するバイパス導管（４３、１４３）をさらに備える、実施態様１０に記載の航空機（１０、１１０）。
［実施態様１４］
前記バイパス導管（４３、１４３）を通る流体流れを選択的に制御するように構成されたバイパスバルブ（４７、１４７）をさらに備える、実施態様１３に記載の航空機（１０、１１０）。
［実施態様１５］
前記共通流れの温度に関連する信号を出力するように構成された温度センサをさらに備える、実施態様１４に記載の航空機（１０、１１０）。
［実施態様１６］
前記信号を受信し、それに基づいて前記バイパスバルブ（４７、１４７）を制御可能に動作させるように構成されたコントローラモジュール（６０、１６０）をさらに備える、実施態様１５に記載の航空機（１０、１１０）。
［実施態様１７］
前記下流ターボエジェクタ（４４、１４４）が、前記圧縮機部（４２、１４２）からの前記流体出力に流体連結された可変ターボエジェクタピントルバルブをさらに備える、実施態様１０に記載の航空機（１０、１１０）。
［実施態様１８］
航空機（１０、１１０）の環境制御システム（４８、１４８）に空気を供給する方法（３００）であって、前記方法（３００）は、
低圧抽気（６６）および高圧抽気（６８）を、ガスタービンエンジン（１２、１１２）の圧縮機からターボエアサイクルマシン（３８、１３８）に選択的に供給し、環境制御システム（４８、１４８）の動作上の需要により前記抽気を事前調整すること
を含み、
前記事前調整は、さらなる冷却のために、前記ターボエアサイクルマシン（３８、１３８）の第１タービン部（４０ａ、１４０ａ）から前記ターボエアサイクルマシン（３８、１３８）の第２タービン部（４０ｂ、１４０ｂ）に放出された流体出力を選択的に供給することを含む、方法（３００）。
［実施態様１９］
前記ターボエアサイクルマシン（３８、１３８）の圧縮機部（４２、１４２）からの流体出力を、前記ターボエアサイクルマシン（３８、１３８）の前記第１タービン部（４０ａ、１４０ａ）または前記ターボエアサイクルマシン（３８、１３８）の前記第２タービン部（４０ｂ、１４０ｂ）のうちの少なくとも１つから放出される流体出力に、選択的に供給することをさらに含む、実施態様１８に記載の方法（３００）。
［実施態様２０］
前記ターボエアサイクルマシン（３８、１３８）の前記第１タービン部（４０ａ、１４０ａ）から前記ターボエアサイクルマシン（３８、１３８）の前記第２タービン部（４０ｂ、１４０ｂ）に放出される流体出力を選択的に提供することは、前記環境制御システム（４８、１４８）の温度需要に基づく、実施態様１８に記載の方法（３００）。

１０ 航空機
１２ ガスタービンエンジン
１４ 胴体
１６ コックピット
１８ 翼アセンブリ
２０ 抽気システム
２２ ファン
２４ 抽気ポート
２５ 燃焼部
２６ 圧縮機部
２７ タービン部
２８ 温度センサ
２９ 排気部
３０ 多段低圧圧縮機
３２ 多段高圧圧縮機
３４ 低圧抽気ポート
３６ 高圧抽気ポート
３８ ターボエアサイクルマシン
４０ａ 第１タービン部
４０ｂ 第２タービン部
４１ 共通シャフト
４２ 圧縮機部
４３ バイパス導管
４４ 下流ターボエジェクタ
４６ 第１制御可能バルブ
４７ バイパスバルブ
４８ 環境制御システム（ＥＣＳ）
４９ 抽気入口
５０ 第２制御可能バルブ
５２ チェックバルブ
５４ 圧縮機出力
５６ 第１タービン出力、流体出力
５８ スロート、スロート部
６０ コントローラ、コントローラモジュール
６２ プロセッサ
６４ メモリ
６６ 低圧抽気流、低圧空気流
６８ 高圧抽気流、高圧空気流
７０ 冷却空気流
７１ 空気流、第２タービン出力
７２ 圧縮機出力空気流、圧縮空気流、高圧空気
７３ バイパス空気流
７４ 合流空気流、共通混合流、出力空気流
７５ タービン出力空気流、圧縮機出力空気流、低圧空気
７６ 抽気需要信号
１１０ 航空機
１１２ ガスタービンエンジン
１２０ 抽気システム
１２８ 温度センサ
１３４ 低圧抽気ポート
１３８ ターボエアサイクルマシン
１４０ａ 第１タービン部
１４０ｂ 第２タービン部
１４２ 圧縮機部
１４３ バイパス導管
１４４ ターボエジェクタ
１４５ 制御可能バルブアセンブリ
１４６ 制御可能バルブ
１４７ バイパスバルブ
１４８ 環境制御システム（ＥＣＳ）
１５０ 制御可能バルブ
１５４ 圧縮機出力
１５６ 第１タービン出力
１５８ スロート、スロート部
１６０ コントローラ、コントローラモジュール
１６２ プロセッサ
１６６ 低圧抽気流
１７１ 第２タービン出力
１７２ 圧縮空気流、高圧質量空気流、高圧空気
１７３ バイパス空気流
１７４ 合流空気流
１７５ 低圧質量空気流、低圧空気
１７６ 抽気需要信号
１８０ａ 低圧抽気ポート、低圧抽気供給源
１８０ｂ 低圧抽気ポート、低圧抽気供給源
１８０ｃ 低圧抽気ポート、低圧抽気供給源
１８２ マニホールド
１８４ バルブ
１８６ａ 高圧抽気ポート、高圧抽気空気供給源
１８６ｂ 高圧抽気ポート、高圧抽気空気供給源
１８６ｃ 高圧抽気ポート、高圧抽気空気供給源
１８８ マニホールド
２９０ バルブ
２９２ ニードル
３００ 方法

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン（１２、１１２）を使用して抽気を環境制御システム（４８、１４８）に提供する方法（３００）であって、前記方法（３００）は、
   前記環境制御システム（４８、１４８）に対する抽気需要を決定すること（３１０）と、
   前記ガスタービンエンジン（１２、１１２）の圧縮機から低圧抽気（６６）および高圧抽気（６８）を、ターボエアサイクルマシン（３８、１３８）の第１タービン部（４０ａ、１４０ａ）と圧縮機部（４２、１４２）に選択的に供給し、前記第１タービン部（４０ａ、１４０ａ）は冷却空気流（７０）を放出し、前記圧縮機部（４２、１４２）は圧縮空気流（７２）を放出すること（３２０）と、
   前記冷却空気流（７０）を第２タービン部（４０ｂ、１４０ｂ）に選択的に供給し、前記第２タービン部（４０ｂ、１４０ｂ）はさらなる冷却空気流（７０）を放出すること（３３０）と、
   前記第１タービン部（４０ａ、１４０ａ）から放出された前記冷却空気流（７０）または前記第２タービン部（４０ｂ、１４０ｂ）から放出された前記さらなる冷却空気流（７０）の少なくとも１つを、前記圧縮機部（４２、１４２）から放出された前記圧縮空気流（７２）と組み合わせて調整空気流（７４）を形成すること（３４０）と、
   を含み、
   低圧抽気（６６）および高圧抽気（６８）を前記選択的に供給すること（３２０）と、前記冷却空気流（７０）を選択的に供給すること（３３０）は、前記調整空気流（７４）が前記決定された抽気需要を満たすように制御される、方法（３００）。
2. 前記調整空気流（７４）の温度に関連する温度センサからの出力信号を受信することをさらに含む、請求項１に記載の方法（３００）。
3. 前記抽気需要を決定すること（３１０）は、前記環境制御システム（４８、１４８）に対する気温需要、前記環境制御システム（４８、１４８）に対する圧力需要、または前記環境制御システム（４８、１４８）に対するエネルギーバランス需要を決定することを含む、請求項２に記載の方法（３００）。
4. 前記決定された気温需要と前記出力信号とに基づいて、前記第２タービン部（４０ｂ、１４０ｂ）に供給される冷却空気流（７０）の量を決定することをさらに含む、請求項３に記載の方法（３００）。
5. 前記第１タービン部（４０ａ、１４０ａ）から放出される前記冷却空気流（７０）または前記第２タービン部（４０ｂ、１４０ｂ）から放出される前記さらなる冷却空気流（７０）のうちの少なくとも一方を前記圧縮機部（４２、１４２）から放出される前記圧縮空気流（７２）と組み合わせることが、前記圧縮空気流（７２）の流れを制御することをさらに含む、請求項１に記載の方法（３００）。
6. 航空機（１０、１１０）であって、
   抽気入口（４９）を有する環境制御システム（４８、１４８）と、
   少なくとも１つの低圧抽気供給源（１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ）と、少なくとも１つの高圧抽気供給源（１８６ａ、１８６ｂ、１８６ｃ）とを有するガスタービンエンジン（１２、１１２）と、
   回転連結された第１タービン部（４０ａ、１４０ａ）、第２タービン部（４０ｂ、１４０ｂ）および圧縮機部（４２、１４２）を有するターボエアサイクルマシン（３８、１３８）と、
   前記低圧（６６）および高圧抽気供給源（１８６ａ、１８６ｂ、１８６ｃ）を、前記第１タービン部（４０ａ、１４０ａ）と圧縮機部（４２、１４２）に流体連結する上流ターボエジェクタと、
   前記第１タービン部（４０ａ、１４０ａ）または前記第２タービン部（４０ｂ、１４０ｂ）の少なくとも一方からの流体出力を、前記圧縮機部（４２、１４２）からの流体出力と流体的に組み合わせて、前記環境制御システム（４８、１４８）の前記抽気入口（４９）に供給される共通の流れにする下流ターボエジェクタ（４４、１４４）と、
   を備えた、航空機（１０、１１０）。
7. 前記航空機（１０、１１０）が、複数の低圧抽気供給源（１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ）または複数の高圧抽気供給源（１８６ａ、１８６ｂ、１８６ｃ）のうちの少なくとも１つを含む、請求項６に記載の航空機（１０、１１０）。
8. 前記第１タービン部（４０ａ、１４０ａ）の前記流体出力を前記下流ターボエジェクタ（４４、１４４）に流体連結するバイパス導管（４３、１４３）をさらに備える、請求項６に記載の航空機（１０、１１０）。
9. 前記バイパス導管（４３、１４３）を通る流体流れを選択的に制御するように構成されたバイパスバルブ（４７、１４７）をさらに備える、請求項８に記載の航空機（１０、１１０）。
10. 前記共通流れの温度に関連する信号を出力するように構成された温度センサをさらに備える、請求項９に記載の航空機（１０、１１０）。

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