JP6216799B2 - 航空機ターボ機械コンピュータを速度測定誤差から保護する装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、航空機（例えば、ヘリコプタ）に搭載されたターボ機械コンピュータ（例えば、補助動力装置（ＡＰＵ））を速度測定誤差から保護する装置及び方法に関する。

本発明の分野は、航空機のターボ機械に関し、より詳細にはそのようなターボ機械の挙動を調整するために使用される航空機ターボ機械コンピュータに関する。このようなコンピュータは、調整チャンネルと監視チャンネル又は速度測定誤差から保護するチャンネルを同一ケーシング内に収容可能であり、それにより、これらのチャンネルが２つの個別のケーシングに収容されるソリューションよりもコストが安価であるとともに重量を低くすることが可能である。

調整チャンネルの機能は、ターボ機械速度を調整することである。しかしながら、この調整チャンネルが故障すると、タービンシャフトの速度超過が生じることがある。実際には、このシャフトが破損したとき、ガスによってタービンに供給される動力が、このシャフトによって駆動される機器によって吸収されなくなり、タービン回転速度が瞬時に増大する。そのような速度超過が瞬時に起こることによって、回転部分が破壊しかつ／又は回転部分がタービンディスクから分離することになる。そして、分離された回転部分は、遠心力によって外側に激しく押し出され、タービンを取り囲むケースを貫通し、その結果、エンジンにきわめて大きな破損が生じ、航空機とその乗客を危険にさらすことがある。

監視チャンネルの目的は、そのような速度超過によりもたらされる結果を防ぐことである。監視チャンネルは、油圧機械要素と関連付けられた電子要素を含む。電子要素は、回転子の回転速度を測定する。電子要素は、速度測定誤差を検出した場合、油圧機械要素を制御してターボ機械の燃料供給を完全に遮断する。

既知の方法により、タービンの回転速度は、少なくとも２つの独立センサによって測定され、その一方のセンサは調整チャンネル用であり、他方のセンサは監視チャンネル用である。ターボ機械変速機（ギヤボックス）の代表的周波数とガスジェネレータ回転速度は、回転速度を調整し（調整）、関連した速度超過開始を防ぐ（監視）ための主要変数である。

安全解析から、ターボ機械のそのような周波数と速度超過発生との直接的な関連性が明らかになったため、本発明の目的は、速度超過が防止されない可能性のある同相モード誤差を無くすことによって、ターボ機械コンピュータを速度測定誤差から保護して、周波数測定の精度を保証し、特に過小評価された速度測定を回避することを可能にする装置及び方法を提供することである。この制約は、必要に応じてＡＲＰ４７５４ ＦＤＡＬ Ａ規格（破局的）に従う最高安全レベルを保証するために課される。

本発明は、航空機のターボ機械コンピュータを速度測定誤差から保護するための装置に関し、
−速度調整チャンネル上に、
・ターボ機械の変速機（ギヤボックス）シャフトの速度センサと、
・速度測定回路と、
・速度調整回路と、を含み、
−監視チャンネル上に、
・前記ターボ機械のガスジェネレータシャフトの速度センサと、
・速度測定回路と、
・前記ターボ機械の停止制御回路と、を含む装置であって、
各チャンネルが、異なる特性を使用して同相モード誤差を無くすことが可能であって、各速度センサが、擬似正弦波周波数信号を送出し、この装置が、各チャンネル上に、周波数信号と最小しきい値との比較を行なって、測定周波数がこの最小しきい値より低いときに誤差信号を提供する速度監視回路と、両方の周波数間の所定の偏差の超過を検出して、監視偏差が最大偏差より大きくなるか、監視偏差がいずれかのセンサ上の周波数周期の喪失に対応する最小偏差より小さくなるようにする共通速度クロスチェック回路と、そのような誤差信号と所定の偏差の超過を解析してターボ機械停止を制御する手段と、を含む。

前記複数の速度センサは、異なる技術の異なる数の歯を有する複数のホイールであると有利である。

前記複数のシャフトは、異なる回転速度で回転する異なるシャフトであると有利である。

前記複数の周波数信号は、異なる周波数の信号であり、それにより、前記複数の信号のうちのいずれか又は両方の信号同時での周期の喪失によって、ＡＰＵの最大加速度より高くかつシャフト最大ねじれ時の速度偏差よりかなりも高い両方の速度間の異常偏差が生じるようにすると有利である。

前記複数の周波数信号は、異なる電気的経路で伝えられると有利である。

前記複数の周波数信号は、異なる電子基板によって使用されると有利である。

本発明の装置は、各チャンネル上に配線破断検出器を含むと有利である。

前記ターボ機械は、有利には補助動力装置（ＡＰＵ）であってもよい。本発明は、そのような装置を実装する航空機（例えば、ヘリコプタ）に関することができる。

本発明はまた、ガスジェネレータ、空気圧縮機、変速機（ギヤボックス）及び電源ユニットを含む航空機のターボ機械コンピュータを速度測定誤差から保護する方法に関し、このコンピュータは、速度調整チャンネルと監視チャンネルを含み、前記速度調整チャンネルは、変速機シャフトの速度センサの周波数を使用し、前記監視チャンネルは、ガスジェネレータシャフトの速度センサの周波数を使用し、
−各チャンネル上の周波数信号を測定するステップと、
−最小しきい値と比較することによって各周波数信号の整合性を確認するステップと、
−これらの周波数信号を互いに比較して周波数間の偏差を検出するステップと、
−前記偏差が所定値より高い場合にターボ機械を停止するステップと、を含む。

前記ターボ機械は、ターボ機械始動制御後の所定時間中に少なくとも１つのチャンネル上に周波数信号がない場合に停止されると有利である。前記ターボ機械は、動作中に周波数信号の喪失がある場合に停止されると有利である。

有利には、最低周波数Ｆｍｉｎに達し、前記複数の信号が整合する（コヒーレント）と思われるとき、以下の追加の確認が行われ、
・前記調整チャンネル側で、好ましくない速度変化を検出した場合に前記ターボ機械が停止され、この検出は、１つ又は複数の周期の喪失が確認されたときに生じ、前記調整チャンネルがこの不良を規定して前記ターボ機械を停止するものであり、
・前記監視チャンネル側で、前記監視チャンネルの速度信号上の歯喪失（ｔｏｏｔｈ ｌｏｓｓ）を検出した場合に前記ターボ機械が停止され、ここで、前記監視チャンネルは、この不良を規定して前記ターボ機械を停止するものである。

最低周波数Ｆｍｉｎに達しない場合に、以下の追加の確認が行われ、
・前記調整チャンネル側で、前記調整チャンネルの速度が、割当て時間内に不足速度（ｕｎｄｅｒｓｐｅｅｄ）を超えなかったことを検出した場合に前記ターボ機械が停止され、ここで、前記調整チャンネルは、この不良を規定して前記ターボ機械を停止するものである。

本発明による航空機ターボ機械コンピュータを速度測定誤差から保護するための装置を示す図である。 本発明の装置の速度測定回路の例示的な実施形態を示す図である。

本発明による、航空機ターボ機械コンピュータを速度測定誤差から保護するための装置は、図１に示されたように、速度調整チャンネル１０と、速度測定誤差を監視するチャンネル１１とを含む。入力Ｅ１で、調整チャンネル１０は、速度センサ（例えば、このシャフトに取り付けられたフォニックホイール（ｐｈｏｎｉｃ ｗｈｅｅｌ）２０の歯に向けて提供された磁気センサ２１）を使用して、変速機（ギヤボックス）シャフトの回転速度を測定する。

入力Ｅ２で、監視チャンネル１１は、速度センサ（例えば、このシャフトに取り付けられたフォニックホイール３０の歯に向けて提供された磁気センサ３１）を使用して、ターボ機械のガスジェネレータシャフトの回転速度を測定する。これらの２つのチャンネルは異なる周波数を生成し、そのように生成された両方の周波数の整合性確認（コヒーレンスチェック）３６が、監視チャンネル１１内で行なわれる。

図１は、チャンネル１０及び１１の両方に関して、ターボ機械１２、センサ１３、配線１４及び電子制御ユニット（ＥＣＵ）１５内にそれぞれ提供された本発明の装置の様々な回路を示す。

調整チャンネル１０において、本発明の装置は、
−フォニックホイール２０と、
−ピークツーピークで最大３５ボルトに達することができる擬似正弦波周波数信号を提供するターボ機械変速機シャフトの速度センサ２１と、
−この疑似正弦波信号を伝える配線回路２２と、
−図２に詳述され、この疑似正弦波信号を成形するために、０〜５ボルトレベルで変化する矩形周波数信号を提供し、起こり得る配線切断を検出する回路２３と、
−速度測定値を１分当たりの回転数で送出する速度測定回路２４と、
−最小しきい値との比較を行ない、割当て時間内の不足速度の超過を確認し、好ましくない速度変化を監視し、また場合によって速度問題検出信号Ｓ１を提供する速度監視回路２５と、
−速度調整回路２６と、を含む。

監視チャンネル１１において、本発明の装置は、
−フォニックホイール２０のものと異なる技術、回転軸、回転速度及び数の歯を有するフォニックホイール３０と、
−センサ２１のものと異なり、ピークトゥピークで最大３５ボルトに達することができる周波数の擬似正弦波周波数信号を提供する、ターボ機械ガスジェネレータシャフトの速度センサ３１と、
−この擬似正弦波信号を、回路２２のものと異なる経路を有する特定の電気ハーネスを使用して伝える配線回路３２と、
−この疑似正弦波信号を成形するために、回路２３のものと異なり、０〜５ボルトレベルで変化する矩形周波数信号を提供し、場合によっては配線破断を検出する回路３３と、
−回路２４のものと異なる、速度測定を１分当たりの回転数で提供する速度測定回路３４と、
−最小しきい値との比較を行ない、場合によっては速度問題検出信号Ｓ２を送出する速度監視回路３５と、
−回路２４及び３４によって得られた速度をクロスチェックするための回路３６であって、ＡＰＵの最大加速より大きくかつシャフト最大ねじれ時の速度偏差よりかなり大きい両方の速度間の異常偏差をもたらす両方の信号のいずれか又は両方の信号同時での周期の喪失を検出することによって、両方の速度間の異常偏差を検出することを可能にし、両方のチャンネル１０及び１１からの速度のクロスチェックを検出するための信号Ｓ３を送出する回路３６と、
−超過速度を検出した場合又は速度信号において歯喪失（ホイールの歯の喪失）を検出した場合にターボ機械停止を制御する回路３７と、を含む。

本発明の装置は、以下のように動作する。速度センサ２１及び３１が両方とも信号を供給するわけではない場合において、
−調整チャンネル１０側で、ターボ機械始動制御後の所定時間（例えば、３秒）の間に周波数信号の欠如を検出した場合又は動作中に周波数信号喪失がある場合に、ターボ機械が回路２５によって停止される。ここで、調整チャンネル１０が、これらの不良のうちの１つを規定（検知）する場合に、ターボ機械を停止する。
−監視チャンネル１１側で、ターボ機械始動制御後の所定時間（例えば、３秒）の間に周波数信号の欠如を検出した場合又は動作中に周波数信号喪失がある場合に、ターボ機械が回路３５によって停止される。ここで、監視チャンネル１１が、これらの不良のうちの１つを規定（検知）する場合に、ターボ機械を停止する。

動作中、速度センサ２１及び３１のいずれかで最低周波数しきい値（Ｆｍｉｎ）を超えたと回路２５及び３５で確認された場合には、測定された周波数が回路３６で比較されて、以下のように大きさが決められた異常偏差の超過が検出される。
−監視された偏差が、機械的に規定された最大偏差より大きい。
−監視された偏差が、センサ２１及び３１のいずれかでの周波数周期の喪失に対応する偏差より小さい。

この異常偏差は、測定値のうちの１つが非整合性（インコヒーレント）であることを保証する。その場合、本発明の装置は、監視チャンネル１１の特定の遮断手段により燃料供給を遮断することによってターボ機械の安全性を保証する。

調整チャンネル１０の速度センサ２１が、周波数を提供しないか過小評価された周波数（信号の周期の喪失）を提供する場合、監視チャンネル１１は正常に機能する。センサ３１が、最低周波数Ｆｍｉｎに達したとき、監視チャンネル１１は、異常偏差を規定し、ターボ機械を停止する。

監視チャンネル１１の速度センサ３１が、周波数を提供しないか過小評価された周波数（信号の周期の喪失）を提供する場合、調整チャンネル１０は正常に機能する。センサ２１が、最低周波数Ｆｍｉｎに達したとき、監視チャンネル１１は、異常偏差を規定し、ターボ機械を停止する。

速度センサ２１及び３１が両方とも過小評価された周波数（周波数信号の周期の喪失）を提供する場合は、以下の３つのケースがある。
−ケース１：周波数Ｆｍｉｎに達し、複数の信号が非整合であるとして認識される。監視チャンネル１１は、偏差を規定し、ターボ機械を停止する。
−ケース２：周波数Ｆｍｉｎに達し、複数の信号が整合すると思われる（パルス喪失の特定の組み合わせで）。このケースでは、以下の追加の確認が行われる。
・調整チャンネル１０側で、ターボ機械は、好ましくない速度変化を検出した場合に停止される（最大加速／減速に基づき）。１つ又は複数の周期の喪失が確認された場合はこれが検出される（これは、動作中の任意のパルス喪失構成を含む）。調整チャンネル１０は、この不良を規定（検知）してターボ機械を停止する。
・監視チャンネル１１側で、ターボ機械は、監視チャンネル１１の速度信号の歯喪失を検出した場合に停止される（周波数信号の周期性の不良が監視され、異常に長い周期が検出される）。監視チャンネル１１は、この不良を規定（検知）してターボ機械を停止する。
−ケース３：周波数Ｆｍｉｎに達せず、このケースでは、以下の追加の確認が行われる。
・調整チャンネル１０側で、ターボ機械は、調整チャンネル１０の速度が、割当て時間内で不足速度を超えなかったことを検出した場合に停止される（周波数＞Ｆｍｉｎを有する）。調整チャンネル１０は、この不良を規定（検知）してターボ機械を停止する。

同一技術であるが個別の２つの速度センサ２１及び３１だけを使用することによって、本発明により、機能に適した要件に適合した速度測定完全性レベルが保証され、その誤差は、破局的影響、詳細にはチャンネル１０及び１１両方の同相モード誤差を有し得ることに注意されたい。経験から、特定の誤動作が調整チャンネルと監視チャンネルの同時故障を引き起こしたことが分かっている。「同相」誤差と呼ばれるそのような誤差は、適切な予防措置が講じられない場合に両方のチャンネルの独立性を無効にする。

図２は、信号測定回路２３の例示的な実施形態を示す。この回路は、低域フィルタ４０を通過した入力信号を受け取るヒステリシス演算増幅器（２．５ボルトを中心に３００ｍＶ）を含み、その入力は、２つのキャパシタ（コンデンサ）Ｃ１及びＣ２が後続する抵抗ブリッジに接続され、その中点は、２つの接地ダイオードＤ１及びＤ２に接続され、その出力は、入力疑似正弦波信号をピーク抑制することによって方形信号（０〜５ボルト）を送出するゲート４５に接続される。第２の低域フィルタ４２は、直流出力を送出する（配線破断を検出するオーム試験）。キャパシタＣ３と第４の低域フィルタ４４が後続する第３の低域フィルタ４３は、直流出力（交流信号レベル）を送出し、ダイオードＤ３は、第４の低域フィルタの入力を接地する。

例示的な実施形態では、特定の回路は、回路２４及び２５などのソフトウェアとして作成されうる。特定の回路は、回路３３、３４及び３７などの専用回路（ＦＰＧＡ）として作成されうる。

１０ 速度調整チャンネル
１１ 監視チャンネル
２１ ターボ機械変速機シャフト
２１，３１ センサ
２４ 速度測定回路
２５，３５ 速度監視回路
２６ 速度調整回路
３１ ターボ機械ガスジェネレータシャフト
３４ 速度測定回路
３６ 共通速度クロスチェック回路
３７ ターボ機械停止制御回路

Claims (13)

1. 航空機ターボ機械コンピュータを速度測定誤差から保護するための装置であって、
   −速度調整チャンネル（１０）上に、
   ・ターボ機械の変速機シャフトの速度センサ（２１）と、
   ・速度測定回路（２４）と、
   ・速度調整回路（２６）と、を有し、
   −監視チャンネル（１１）上に、
   ・前記ターボ機械のガスジェネレータシャフトの速度センサ（３１）と、
   ・速度測定回路（３４）と、
   ・前記ターボ機械の停止制御回路（３７）と、を有し、
   両速度センサ（２１，３１）は、異なる技術で異なる数の歯を有する２つのフォニックホイール（２０，３０）の歯に向けて提供される２つのセンサであり、
   前記速度調整チャンネル（１０）は、周波数信号と最小しきい値との比較を行なって、測定周波数がこの最小しきい値より低いときに速度問題信号（Ｓ１）を提供する速度監視回路（２５）を備え、
   前記監視チャンネル（１１）は、周波数信号と最小しきい値との比較を行なって、測定周波数がこの最小しきい値より低いときに速度問題信号（Ｓ２）を提供する速度監視回路（３５）を備え、
   得られた両方の速度をクロスチェックするための回路（３６）であって、前記両方の速度間で異常偏差があった場合に、速度問題信号（Ｓ３）を提供するクロスチェック回路（３６）と、
   速度問題があった場合には前記ターボ機械の停止を制御可能な回路（３７）と、をさらに含む、装置。
2. 前記複数のシャフトが、異なる回転速度で回転する異なるシャフトである、請求項１に記載の装置。
3. 前記複数の周波数信号が、異なる周波数の信号であり、それにより、前記複数の信号のいずれかの信号又は両方の信号同時での周期の喪失によって、ＡＰＵの最大加速度より高くかつシャフト最大ねじれ時の速度偏差よりかなり高い両方の速度間の異常偏差が生じるようにする、請求項１に記載の装置。
4. 前記複数の周波数信号が、異なる電気的経路で伝えられる、請求項１に記載の装置。
5. 前記複数の周波数信号が、異なる電子基板によって用いられている、請求項１に記載の装置。
6. 各チャンネル上に配線破断回路（２３，３３）を含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記ターボ機械が、補助動力装置である、請求項１に記載の装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置を実装する航空機。
9. ガスジェネレータ、空気圧縮機、変速機及び電源ユニットを含む航空機ターボ機械コンピュータを速度測定誤差から保護する方法に関し、このコンピュータは、速度調整チャンネルと監視チャンネルを含み、前記速度調整チャンネルが、前記変速機のシャフトの速度センサの周波数を使用し、前記監視チャンネルが、前記ガスジェネレータのシャフトの速度センサの周波数を使用し、
   −異なる特性の２つの疑似正弦波周波数信号を用いるステップと、
   −前記速度調整チャンネル（２０）上で、周波数信号を最小しきい値と比較し、前記測定された周波数信号が前記最小しきい値より低いときに速度問題信号（Ｓ１）を提供するステップと、
   −前記監視チャンネル（１１）上で、前記周波数信号を最小しきい値と比較し、前記測定された周波数信号が前記最小しきい値より低いときに速度問題信号（Ｓ２）を提供するステップと、
   −取得された両方の速度をクロスチェックし、前記両方の速度間で異常偏差があった場合に、速度問題信号（Ｓ３）を提供可能とするステップと、
   −速度問題があった場合に、前記ターボ機械の停止を制御可能とするステップと、を含む方法。
10. 前記ターボ機械始動制御後の所定の時間中に、少なくとも１つのチャンネル上に周波数信号がない場合に前記ターボ機械が停止される、請求項９に記載の方法。
11. 前記ターボ機械が、動作中の周波数信号の喪失があった場合に停止される、請求項９に記載の方法。
12. 最低周波数Ｆｍｉｎに達し、前記複数の信号が整合すると思われるとき、以下の追加の確認が行われ、
    ・前記調整チャンネル（１０）側で、好ましくない速度変化を検出した場合に前記ターボ機械が停止され、ここで、この検出は１つ又は複数の周期の喪失が確認されたときに生じ、前記調整チャンネル（１０）がこの不良を検知して前記ターボ機械を停止し、
    ・前記監視チャンネル（１１）側で、前記監視チャンネル（１１）の前記速度信号上の歯喪失を検出した場合に前記ターボ機械が停止され、ここで、前記監視チャンネル（１１）は、この不良を検知して前記ターボ機械を停止する、請求項９に記載の方法。
13. 最低周波数Ｆｍｉｎに達しない場合に、以下の追加の確認が行われ、
    ・前記調整チャンネル側（１０）で、前記調整チャンネル（１０）の速度が、割当て時間内に最低周波数Ｆｍｉｎより高い周波数で不足速度を超えないことを検出した場合に前記ターボ機械が停止され、ここで、前記調整チャンネル（１０）は、この不良を検知して前記ターボ機械を停止する、請求項９に記載の方法。

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