KR101811041B1 - 테스트 환경에서 이용되는 항공기 가스터빈 엔진의 과온 과속 보호 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 항공기 가스 터빈 엔진의 시동 시험시 발생되는 비정상 작동 현상을 예측하고 대처하기 위한 과온 과속 보호 장치에 관한 것으로, 과온 과속 보호 장치는, 가스터빈 엔진에 포함된 온도 측정 센서로부터 출력되는 온도 신호를 처리하기 위한 온도 센서 신호 처리 회로; 가스터빈 엔진에 결합된 속도 측정 센서로부터 출력되는 속도 신호를 처리하기 위한 속도 센서 신호 처리 회로; 외부의 모니터링 장치와 통신하기 위한 통신 모듈; 및 온도 센서 신호 처리 회로로부터 처리된 온도 신호를 수신하고, 속도 센서 신호 처리 회로로부터 처리된 속도 신호를 수신하는 중앙 처리 장치를 포함하고, 중앙 처리 장치는 수신된 온도 신호와 수신된 속도 신호 중 적어도 하나가 미리결정된 온도 또는 미리결정된 속도를 초과하는 경우, 상기 가스터빈 엔진으로 유입되는 경로에 제공된 연료 공급 밸브를 차단하고, 가스 터빈 엔진으로 공급되는 전원을 차단하도록 구성된다.

Description

테스트 환경에서 이용되는 항공기 가스터빈 엔진의 과온 과속 보호 장치{PROTECTING APPARATUS WITH PREVENTION FROM OVER HEATING AND OVER SPEED OF GAS TURBINE ENGINE USED IN TEST ENVIRONMENT}

본 발명은 항공기 가스 터빈 엔진을 테스트하는데 이용되는 테스트 장치에 관한 것으로 보다 구체적으로는 항공기 가스 터빈 엔진의 시동 시험시 발생되는 비정상 작동 현상을 예측하고 대처하기 위한 과온 과속 보호 장치에 관한 것이다.

통상 항공기 엔진 등의 엔진 시운전에 있어서 엔진의 출력량에 따라 관련 부품들의 내구성 및 연료 투입 대비 출력량 등에 대해 종합적인 시험을 하게 된다. 항공기 엔진은 실제로 항공기에 탑재되기 전에 여러가지 검사를 거치게 되며 이는 항공기의 안정성 확보를 위해 필수적인 사항이다.

전자식통합엔진제어장치(Full Authority Digital Engine Control, FADEC)는 항공기 엔진부에 장착돼 항공기의 엔진을 전자식으로 제어하는 장치로, 공기밀도, 트로틀 레버(throttle lever) 위치, 엔진 온도, 엔진 압력 등 현재 엔진 상태의 비행조건을 입력 매개변수로 받아 작동한다. 이러한 입력들은 수십 번에 걸쳐 계산된 후 연료유량, 고정자(stator) 위치, 블리드 밸브(bleed valve) 위치 등과 같은 변수들에 대해 값을 도출하여 적용하고, 시동과 재시동도 제어한다.

FADEC는 엔진 작동 효율을 제공할 뿐만 아니라 제작자에게 엔진 한계를 설계할 수 있도록 하고 엔진 정비 보고서를 제공하기도 한다. 항공기 엔진 작동을 완전히 자동화하면 안전에 대한 염려가 심각하게 대두된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 FADEC는 동일하나 완전히 분리된 2개 또는 그 이상의 채널을 가지게 되며, 각각의 채널은 완전히 독립적으로 제한 없이 엔진 관련 기능을 제공하며 채널들의 값들을 비교하여 이상이 있는 경우 배제하고 정상인 값을 이용하여 엔진을 제어한다.

FADEC의 중심장치인 전자식 엔진제어기(Electronic Engine Control Unit, ECCU)는 조종사의 조종신호에 의한 연료량 제어나 엔진상태(압력, 온도, 회전수 등) 등을 제어하는데, 항공기 운항의 안전을 보장하기 위해 주기적으로 지상 검사를 하여야 한다.

도 11은 종래의 엔진 검사에 이용되는 검사 구성을 나타낸 도면이다. 도 11에 도시된 바와 같이 종래의 방식의 검사를 수행함에 있어서 EECU(20)의 제어를 통해 엔진을 검사하지만, 엔진 시동중 엔진제어기(EECU)의 작동 정지가 발생한 경우 엔진을 정지시키기 위한 별도의 장치가 마련되지 않아 자칫 위험한 사고로 이어질 수 있다. 따라서 엔진이 동작 중인 경우에도 엔진 제어기(EECU)의 작동 정지시 이를 검출하고 이에 대응한 대처 방안이 필요한 실정이다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점에 기반하여 안출된 발명으로서 항공기 가스 터빈 엔진의 시동 시험시 엔진 제어기의 비정상적인 작동 정지 상태를 검출하고 더 나가서 엔진 제어기의 작동 정지시 항공기의 가스 터빈 엔진을 안전하게 정지시킬 수 있는 항공기의 가스 터빈 엔진에 대한 검사시 이용되는 엔진의 과온 과속 방지 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 보다 정확한 속도 측정이 이루어질 수 있도록 가스터빈 엔진의 속도 측정시 속도 신호에 동반되는 노이즈를 제거하는 것을 목적으로 한다.

전술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따르면, 항공기 가스터빈 엔진의 테스트에 이용되는 과온 과속 보호 장치가 제공된다. 과온 과속 보호 장치는,

가스터빈 엔진에 포함된 온도 측정 센서로부터 출력되는 온도 신호를 처리하기 위한 온도 센서 신호 처리 회로;

가스터빈 엔진에 결합된 속도 측정 센서로부터 출력되는 속도 신호를 처리하기 위한 속도 센서 신호 처리 회로;

외부의 모니터링 장치와 통신하기 위한 통신 모듈; 및

상기 온도 센서 신호 처리 회로로부터 처리된 온도 신호를 수신하고, 상기 속도 센서 신호 처리 회로로부터 처리된 속도 신호를 수신하는 중앙 처리 장치를 포함하고, 중앙 처리 장치는 수신된 온도 신호와 수신된 속도 신호 중 적어도 하나가 미리결정된 온도 또는 미리결정된 속도를 초과하는 경우, 상기 가스터빈 엔진으로 유입되는 경로에 제공된 연료 공급 밸브를 차단하고, 가스 터빈 엔진으로 공급되는 전원을 차단하도록 구성된다.

전술한 양태에서 과온 과속 보호 장치는 상기 가스터빈 엔진으로 유입되는 연료 및 전원을 차단하기 위한 릴레이 회로를 더 포함하고, 미리결정된 온도 및 미리결정된 속도는 상기 외부의 모니터링 장치를 통해 입력되도록 구성된다.

또한 가스터빈 엔진에 결합된 속도 측정 센서는 마그네틱 방식의 픽업 센서가 이용될 수 있고, 가스터빈 엔진에 포함된 온도 측정 센서는 열전쌍(thermocouple) 방식의 온도 센서가 이용될 수도 있다.

속도 센서 신호 처리 회로는 상기 속도 측정 센서로부터 측정된 속도 신호가 입력되는 신호 입력단에 고주파 노이즈를 제거하기 위해 270nF의 캐패시터를 이용한 하드웨어 필터를 포함하고, 상기 속도 센서 신호 처리 회로는 상기 속도 측정 센서로부터 입력되는 정현파 형태의 속도 신호를 구형파 형태로 변환하기 위한 구형파 변환 회로를 포함한다.

구형파 변환 회로는 가스 터빈 엔진의 출력 속도에 비례하여 기준 임계값이 변화되는 적응형 임계값 부여 회로를 포함하고 있으며, 상기 속도 센서 신호 처리 회로는 변환된 구형파로부터 엔진 기동시 발생되는 저주파 노이즈를 제거하기 위한 소프트웨어 필터를 포함하고, 소프트웨어 필터는 20ms 단위의 5점 이동 평균값 필터를 이용한다.

또한 상기 속도 센서 신호 처리 회로는 20ms 단위의 5점 이동 평균값 필터를 이용하여 속도를 계산하는 동시에 가속도가 5000rpm 이상인지 여부를 판단하고 가속도가 5000rpm 이상인 경우 이전 5점 이동 평균값을 현재의 속도값으로서 갱신하도록 구성된다.

본 발명에 따르면 항공기 가스 터빈 엔진의 시동 시험시 엔진 제어기의 비정상적인 작동 정지 상태를 검출하고 더 나가서 엔진 제어기의 작동 정지시 항공기의 가스 터빈 엔진을 안전하게 정지시킬 수 있는 항공기의 가스 터빈 엔진의 과온 과속 방지 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 과온 과속 보호 장치, EECU 및 엔진 사이의 결합 관계를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 과온 과속 보호 장치의 구체적인 내부 구성과 외부 장치와의 결합 관계를 나타낸 도면.
도 3의 (a)는 엔진의 출력 속도를 측정하기 위한 속도 검출 센서의 구성을 나타낸 도면, (b)는 속도 검출 센서로부터 출력되는 출력 속도 파형을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 과온 과속 보호 장치의 속도 센서 신호 처리 회로의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 5는 적응형 임계값 부여 방식의 원리를 설명하기 위한 파형도.
도 6은 속도 검출 센서로부터 입력되는 노이즈를 포함한 파형을 분석한 파형도.
도 7은 속도 검출 센서로부터 입력되는 속도 신호에 하드웨어 필터를 적용한 경우와 하드웨어 필터를 적용하지 않은 경우의 차이를 나타내는 파형도.
도 8은 본 발명에 따른 하드웨어 필터링과 소프트웨어 필터링에 의해 노이즈가 제거된 신호 상태와 EECU에서 측정된 신호를 비교하기 위한 파형도.
도 9는 본 발명에 따른 속도 센서 신호 처리 방법을 나타낸 흐름도.
도 10은 본 발명에 따른 과온 과속 보호 장치의 연료 및 전원을 차단하기 위한 릴레이를 나타낸 도면.
도 11은 종래 가스 터빈 엔진의 테스트 환경을 개략적으로 도시한 도면.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.

본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그리고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 과온 과속 보호 장치에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 항공기 가스터빈 엔진을 테스트하기 위한 장치(30, 이하 "과온 과속 보호 장치"라고 함)를 포함하는 엔진(10)의 검사를 위한 검사 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 엔진(10)의 검사 시스템은, 항공기 가스 터빈 엔진(10), 항공기 가스 터빈 엔진(10)에 결합된 EECU 장치(20), EECU(20)와 독립적으로 구성된 과온 과속 보호 장치(30)를 포함한다.

도 1에 도시한 바와 같이, EECU(20)는 엔진(10)의 엔진의 속도를 출력하는 NH 단자와, 엔진 내부 온도를 측정하도록 엔진 내부에 제공된 온도 센서(T6)에 결합된다. EECU(20)는 모두 A 채널을 통해 엔진의 속도와 엔진의 온도를 수신받는다.

한편 본 발명에 따른 과온 과속 보호 장치(30)는 EECU와 동일하게 엔진(10)의 엔진의 속도를 출력하는 NH 단자와, 엔진 내부 온도를 측정하도록 엔진 내부에 제공된 온도 센서(T6)에 결합된다. 다만 과온 과속 보호 장치(30)는 EECU(20)에서 사용하는 통신 채널이 아닌 별도의 통신 채널(B)를 이용하여 엔진의 속도와 엔진의 온도를 수신받는다.

또한 과온 과속 보호 장치(30)는 EECU(20)를 거치지 않고 독립적으로 엔진으로부터 출력 속도와 엔진 온도를 수신하도록 구성되고 과온 과속 보호 장치(30)의 출력 중 일단(out1)은 연료 공급 라인의 연료공급밸브(50)에 연결되고, 타단(out2)은 전원 공급 라인의 전원차단장치(60)에 연결된다.

과온 과속 보호 장치(30)는 기본적으로 EECU(20)와는 별개로 엔진으로부터 출력 속도와 엔진 온도를 검출하고 검출된 출력 속도와 엔진 온도를, 사전 설정된 엔진의 한계 출력 속도와 한계 온도와 비교를 수행하고, 미리설정된 값을 초과하는 경우 엔진으로의 연료 공급 및 전력 공급을 중단하도록 구성된다.

바람직하게 과온 과속 보호 장치(30)는 엔진으로부터 출력 속도와 엔진 온도를 검출하고 난 후 20ms 이내에 엔진으로의 연료 공급 및 전원 차단을 완료하도록 구성된다. 과온 과속 보호 장치(30)에 의해 차단되는 밸브(50)는 엔진으로부터 가장 가까운 거리에 위치한 밸브(50)인 것이 바람직하다.

도 2는 도 1을 참조하여 설명한 바와 같은 과온 과속 보호 장치(30)의 내부 구성과, 과온 과속 보호 장치(30)의 외부 연결 구성을 보다 구체적으로 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 과온 과속 보호 장치(30)는 온도센서(T6)로부터의 검출된 신호를 처리하기 위한 온도 센서 신호처리회로(310)와, 속도 센서(NH)로부터의 속도 신호를 처리하기 위한 속도 센서 신호 처리 회로(320)와, 외부의 모니터링 장비(40)와 통신을 수행하기 위한 통신회로(370), 연료 밸브(50) 및 전원 차단기(60)와 연결되고 중앙처리장치(CPU)(350)의 제어에 의해 연료 밸브(50)와 전원 차단기(60)을 차단하도록 구성된 릴레이(360) 및 과온 과속 보호 장치(30)의 동작을 제어하기 위한 중앙 처리 장치(350)를 포함한다.

과온 과속 보호 장치(30)에 부착되는 모니터링 장비(40)는 데스크톱 컴퓨터, 퍼스널 컴퓨터, 노트북, 스마트 폰 또는 테블릿 PC와 같은 통상의 컴퓨팅 장치를 포함하고, 모니터링 장비(40)를 통해 과온 과속 보호 장치에 사용자 설정 제한 속도 및 제한 온도를 입력할 수 있고, 과온 과속 보호 장치(30)로부터 엔진의 출력 속도 정보와 온도 정보를 표시할 수 있는 한 어떤 공지된 종류의 계산 장치라도 이용될 수 있다.

과온과속 보호 장치(30)와 모니터링 장비(40)는 LAN 통신을 통하여 서로 연결된다. 사용자는 모니터링 장비(40)의 사용자 인터페이스에 제공되는 과속 차단 설정값(제한 속도값)을 통해 제한 속도를 RPM 단위로 입력한다. 또한 사용자는 모니터링 장비(40)의 사용자 인터페이스에 제공되는 과온차단 설정값(제한 온도값)을 ℃ 단위로 입력한다.

또한 사용자는 모니터링 장비(40)의 모니터링 인터페이스를 통하여 현재 엔진의 속도(N/H, 분당 회전수), 온도(℃) 데이터를 실시간으로 확인할 수 있고, 차단 동작 여부를 확인 할 수 있게 되고, 검측된 출력 속도와 온도 데이터 또는 차단된 경우 차단 출력 속도와 차단 온도 데이터는 모두 모니터링 장비(40)내의 저장 공간에 유지보수 데이터로서 저장될 수도 있다.

온도 센서 신호 처리 회로(310)는 엔진(10)의 내부 온도를 측정하도록 엔진 내부에 설치된 열전쌍(thermocouple) K 타입의 온도 센서로부터 검측된 온도값을 수신한다. 온도 센서 신호 처리 회로는 온도 데이터를 측정 하기 위한 전용 신호처리 회로로서 평균 처리를 위한 소프트웨어 알고리즘을 포함한다.

속도 측정 신호 처리 회로(320)는 엔진속도를 측정하도록 설치된 마그네틱 방식의 픽업 센서로부터 출력 속도 신호를 수신한다. 이와 같은 회전 센서(NH)에 따르면 엔진 속도가 증가할 수록 전압이 커지고 출력 주파수도 증가하는 반면 엔진 속도가 감소되면 전압이 낮아지고 출력 주파수도 낮아진다.

본 발명에서 속도 측정 신호 처리 회로(320)은 측정된 출력 속도 신호를 구형파 신호로 처리 하기위한 하드웨어 신호처리 회로를 포함하고, 처리된 구형파 신호에서 속도를 계산하기 위한 소프트웨어 알고리즘도 포함할 수 있다.

도 3의 (a)는 엔진의 회전 속도에 이용되는 마그네틱형 센서를 나타낸 도면, (b)는 마그네틱형 센서로부터 출력되는 출력 파형을 나타낸 도면이다. 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이 가스터빈 엔진의 속도를 측정 하는 NH 센서는 마그네틱형 센서가 이용된다.

마그네틱형 센서는 자석과 코일로 이루어진 센서로 엔진의 특정 부위에 부착하여 엔진이 회전 할 때 기어가 지나가는 것을 검출하도록 구성된다. 엔진의 출력 신호는 엔진의 회전속도에 따라 크기가 변하는데 속도가 빠를 수록 크기가 커지는 반면 속도가 느려지면 크기도 작아진다.

통상적으로 도 3의 (b)와 같이 출력 파형의 피크-투-피크(peak to peak)가 클 경우는 측정이 용이하지만 상대적으로 출력 파형의 크기가 작은 저속에서의 파형 측정은 어려움이 있다.

가스터빈 엔진의 경우 1500RPM의 경우 0.7V 정도의 매우 작은 출력 전압 발생 시킨다. 따라서 가스터빈 엔진의 경우 유효 속도는 5000RPM 이상으로 정의하고 있다. 그러나 그 이하의 속도는 비정상적인 것으로 측정 되어 실제 5000RPM 이하의 측정에서도 5000RPM 이상의 속도로 측정되고 있다. 실제 과온 과속 보호 장치에서는 5000RPM 이하에서 오측정 되는 과속 신호로 인하여 엔진 시동 점화와 동시에 차단 되는 문제가 발생되었다.

도 4는 과속 보호 장치(30)의 중앙 처리 장치(320)의 속도 센서 신호처리 회로(320)의 내부 블록도이다. 속도 센서(12)로부터의 출력은 정현파의 형상을 가지기 때문에 중앙 처리 장치(320)에서 속도를 계산하기 위해서는 구형파의 형태로 변경되어야만 한다. 즉 센서로부터의 정현파 신호는 먼저 구형파로 변환되어진 후 중앙 처리 장치(320)에서 구형파에 기초하여 클록수를 계산함으로써 속도가 계산될 수 있다.

정현파로부터 구형파로 변환하기 위해서는 공지된 바와 같이 정현파에서 0점을 지나는 레벨을 기준으로 판단하여 구형파 신호로 변환하는 방법을 사용한다. 그러나 엔진의 속도가 증가함에 따라 출력 신호가 커지게 되고 그에 따라 노이즈 레벨도 커지게 된다

특히 노이즈 레벨이 비교기의 기준레벨 보다 커지면 노이즈에 의한 영향이 출력 파형에 나타나게 된다. 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 엔진의 출력이 커질 때 기준 비교 레벨도 증가시키고, 한편 출력이 작아질 때 비교 레벨도 감소시키셔 변환하는 방법을 적용 하였다. 이를 적응형 최대 문턱값(adaptive peak threshold) 적용 방법이라 하며 신뢰성을 위하여 도 4에 도시한 바와 같이 적응형 임계 부여 회로전용 처리 소자(322)를 사용 하였다.

이와 같은 적응형 최대 문턱값 방법에 따르면 도 5에 도시된 바와 같이 노이즈에 의한 영향력이 구형파의 출력 파형에 반영되는 것을 방지할 수 있게 된다. 중앙처리 장치에서 속도의 측정은 구형파 펄스 사이의 시간을 측정하여 공지된 바와 같이, f = 1/T로 주파수를 계산 하고 가스 터빈 엔진의 톱니수에 의한 30을 곱하여 RPM으로 변환한다.

즉 , 속도(RPM) = 30 X 주파수(frequency)로 계산될 수 있다.

도 6은 속도 센서(12)로부터 출력되는 출력 속도 신호를 약9800 RPM까지 기동한 후의 데이터 로깅을 나타낸 그래프로서, (a)는 전체 구간(T0~T800)에서의 출력 속도 신호를 나타낸 도면, (b)는 (a)에서 구간(T0~T400)을 확대하여 나타낸 확대도이다.

도 6의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 엔진의 속도 센서(12)로부터 출력되는 출력 신호는 A 구간(기동시작), B 구간(기동 구간), C 구간(정지 구간(모터off))로 나누어진다.

그래프에 나타난 것 처럼 고주파 노이즈는 엔진의 정지시(C 영역) 사라지는 것으로 표시되며, 이는 고주파 노이즈가 모터에서 유기되는 노이즈로 추정될 수 있다.

본 발명에서는 고주파 노이즈 성분을 제거하도록 속도 센서 신호 처리 회로(320)의 신호 입력단에 하드웨어 필터 또는 저주파대역 통과 필터(321, 도 4 참조)를 제공하고, 바람직하게 하드웨어 필터로는 210~300nF, 바람직하게는 270nF 캐패시터를 이용한 하드웨어 필터가 적용되었다. 이와 같은 하드웨어 필터는 실험을 통해 최적화된 값으로 이는 측정 속도의 지연없이 고주파 노이즈 성분만을 제거하는 최적화된 값이지만 본 발명이 이 특정값으로 한정되는 것은 아니다.

도 7은 속도 센서 신호 처리 회로(320)의 전단에 하드웨어 필터(321)을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우의 신호 출력의 차이를 나타낸 그래프이다. 그래프에서 붉은 색은 하드웨어 필터가 설치되지 않은 경우, 검정색은 하드웨어 필터가 설치된 경우를 나타낸다.

도 7에 도시된 것 처럼 속도 센서 신호 처리 회로(320)의 전단에 하드웨어 필터를 채용한 경우 구간 A 및 B에서의 고주파 노이즈가 대부분 제거되었음을 알 수 있다. 그러나 도 7에 여전히 도시된 것 처럼, 기동 구간인 B 구간 대비 기동 시작 구간인 A 구간에서의 상대적으로 저주파인 노이즈 성분이 여전히 남았음을 확인할 수 있다.

이는 신호 패턴은 가스 터빈 엔진의 초기 기동 시에 유효 속도 5000RPM 이하로 정상적으로 동작하고 있음에도 불구하고 중앙 처리 장치로 하여금 엔진의 초기 기동시 큰 값의 출력 속도를 갖는 것으로 오인식하는 요소이다. 따라서 이와 같은 임펄스 형태의 노이즈를 제거할 필요가 있게 된다.

이를 위해 속도 센서 출력 범위 내에서 측정되는 값으로 하드웨어 필터를 더 키우면 엔진 기동시의 저주파 노이즈를 제거할 수는 있지만 이는 전체 신호의 지연 시간이 길어 지는 부작용이 발생하게 된다.

본 발명에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 소프트웨어 필터(328, 도 4 참조)를 이용한다. 소프트웨어 필터(328)는 이동 평균 필터(Moving Average Filter:MAF)를 이용하여 20ms 단위의 최근 측정된 5개의 측정값만을 이용하여 평균화하는 5점 이동 평균 필터 방식이 적용된다. 5점 이동 평균 필터(5 point moving average filter)는 측정 지연 신호와 필터링 성능 사이가 트래이드 오프(trade off)된 최적된 형태이다.

또한 본 발명에서는 20ms 단위의 5점 이동 평균 필터를 적용후의 값이 물리적으로 가속도 5000rpm 이상인지 여부를 판단한다. 이때 5000rpm 이상인 것으로 판단된 값은 바로 이전 값을 적용하는 한편 5000rpm 이하로 판단된 값은 현재의 속도 계산값이 적용된다(즉, 5000rpm 은 유효 속도 데이터의 최소값으로 정의된다).

도 9는 전술하여 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 속도 센서 신호 처리 회로에서의 속도 신호 처리 과정을 나타낸 흐름도이다.

도 9에 도시한 바와 같이, 먼저 단계 S110에서 가스 터빈 엔진(10)에 부착된 속도 센서(12)로부터 출력 속도가 정현파의 형태로 속도 센서 신호 처리 회로(320)에 입력된다.

단계 S120에서 속도 센서 신호 처리 회로(320)로 입력되는 출력 속도는 입력단의 전단에 제공된 하드웨어 필터(321)를 통해 고주파 노이즈가 제거된다. 이후 단계 S130에서 고주파 노이즈가 제거된 입력 속도 신호는 적응형 임계값 부여를 통해 구형파로 변환된다.

단계 S140에서 구형파의 펄스 간격을 T가 계산되고, 단계 S150에서 펄스간 시간 간격 T에 기반하여 20ms 단위로 속도가 계산된다. 이때 계산되는 속도는 RPM 단위로 계산된다.

단계 S150에서 계산된 속도는 단계 S160에서와 같이 5점 이동 평균 속도 필터(소프트웨어 필터링)을 통해 변환되고 이후 5점 이동 평균 속도 필터를 통해 변환된 속도는 단계 S170에서 단위 시간(20ms)의 구간에서 가속도가 5000rpm 이상인지가 판단된다.

단계 S170에서 단위 시간당 가속도가 5000rpm 이상인 경우 이는 모터 기동시의 임펄스에 의한 것으로 판단하여 단계 S182에서 이전 측정된 5점 이동 평균 속도를 적용하는 반면 단계 S170에서 단위 시간당 가속도가 5000rpm 이하인 경우에는 단계 S184에서와 같이 현재 측정된 5점 이동 평균 속도를 적용하여 속도값을 갱신하게 된다.

상기 단계 S140 내지 단계 S190은 중앙연산처리장치(350) 내에서 수행될 수도 있고 별도의 계산 장치를 속도 센서 신호 처리 회로(320)와 중앙처리장치(350) 사이에 설치하여 수행될 수도 있다는 것은 자명하다.

이와 같이 하드웨어 필터 및 소프웨어 필터를 거쳐 측정된 값은 도 8에 측정된 바와 같이 초기의 과속 측정 되는 신호(임펄스 신호)가 처리 되고 신호측정 정밀도 역시 엔진 제어기(EECU)에서 측정되는 값과 동등 수준으로 나타나게 된다.

중앙 처리 장치(350)는 사용자로부터 입력 받은 제한 온도값 보다 측정된 온도 값이 크거나, 사용자로부터 입력 받은 제한 속도값 보다 전술한 바와 같은 하드웨어 필터(321)와 소프트웨어 필터(328)을 거쳐 측정된 속도값이 크면 엔진 시동시 비정상 상태인 것으로 판단하여, 엔진으로 공급 되는 연료 밸브를 On 시키는 전기신호를 과온 과속 보호 장치에서 차단 시켜 연료 공급을 차단하는 동시에 엔진으로 공급되는 전원을 과온 과속 보호 장치에서 차단 시켜 전원을 차단한다.

이 때 중앙 처리 장치(350)은 모니터링 장비(40)측으로 차단상태를 알려 주고 과온 과속 보호 장치(30) 전면부에 형성된 발광다이오드(LED)를 통하여 차단 상태를 표시한다(예를 들면, 정상인 경우 점등, 비정상인 경우 소등 등).

도 10은 밸브 신호 라인과 전원 신호 라인에 연결되는 릴레이(360)에 대한 일례를 나타낸 도면이다. 바람직하게 차단된 신호는 엔진 비정상 상태가 제어 되고 과온 과속 보호 장치(30) 전원을 OFF후 다시 ON 해야 복귀 되도록 설계되는 것이 바람직하다. 또한 릴레이(360)는 차단 기능의 신뢰성을 위하여 일정 시간의 On 신호를 인가해야 동작하는 래치타입의 릴레이를 사용하는 것이 바람직하지만 다른 타입의 릴레이가 사용될 수도 있다.

이와 같은 본 발명에 따르면, 항공기 가스 터빈 엔진의 시동 시험시 엔진 제어기의 비정상적인 작동 정지 상태를 검출하고 더 나가서 엔진 제어기의 작동 정지시 항공기의 가스 터빈 엔진을 안전하게 정지시킬 수 있는 항공기의 가스 터빈 엔진에 대한 검사 장치를 제공할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아닌 설명을 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 의해 제한되기 보다는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 가스터빈엔진 12: 속도 검출 센서
20: EECU 30: 과온 과속 보호 장치
40: 모니터링 장치 50: 연료 밸브
60: 전원차단기 310: 온도 센서 신호 처리 회로
320: 속도 센서 신호 처리 회로 321: 하드웨어 필터
322: 차동 증폭기 323: 적응형 임계값 부여 회로
328: 소프트웨어 필터 370: 이더넷 통신 회로
350: 중안처리장치 352: 비교기
360: 릴레이 380: 전원공급부

Claims (10)

1. 항공기 가스터빈 엔진의 테스트에 이용되는 과온 과속 보호 장치에 있어서,
   상기 과온 과속 보호 장치는,
   가스터빈 엔진에 포함된 온도 측정 센서로부터 출력되는 온도 신호를 처리하기 위한 온도 센서 신호 처리 회로;
   가스터빈 엔진에 결합된 속도 측정 센서로부터 출력되는 속도 신호를 처리하기 위한 속도 센서 신호 처리 회로;
   외부의 모니터링 장치와 통신하기 위한 통신 모듈; 및
   상기 온도 센서 신호 처리 회로로부터 처리된 온도 신호를 수신하고, 상기 속도 센서 신호 처리 회로로부터 처리된 속도 신호를 수신하는 중앙 처리 장치를 포함하고,
   상기 중앙 처리 장치는 수신된 온도 신호와 수신된 속도 신호 중 적어도 하나가 미리결정된 온도 또는 미리결정된 속도를 초과하는 경우, 상기 가스터빈 엔진으로 유입되는 경로에 제공된 연료 공급 밸브를 차단하고, 가스 터빈 엔진으로 공급되는 전원을 차단하도록 구성되며,
   상기 속도 센서 신호 처리 회로는 상기 속도 측정 센서로부터 측정된 속도 신호가 입력되는 신호 입력단에 고주파 노이즈를 제거하기 위해 270nF의 캐패시터를 이용한 하드웨어 필터를 포함하고,
   상기 속도 센서 신호 처리 회로는 상기 속도 측정 센서로부터 입력되는 정현파 형태의 속도 신호를 구형파 형태로 변환하기 위한 구형파 변환 회로를 포함하고,
   상기 속도 센서 신호 처리 회로는 변환된 구형파로부터 엔진 기동시 발생되는 저주파 노이즈를 제거하기 위한 소프트웨어 필터를 포함하고, 소프트웨어 필터는 20ms 단위의 5점 이동 평균값 필터이며,
   상기 속도 센서 신호 처리 회로는 20ms 단위의 5점 이동 평균값 필터를 이용하여 속도를 계산하는 동시에 가속도가 5000rpm 이상인지 여부를 판단하고 가속도가 5000rpm 이상인 경우 이전 5점 이동 평균값을 현재의 속도값으로서 갱신하도록 구성된 과온 과속 보호 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 과온 과속 보호 장치는 상기 가스터빈 엔진으로 유입되는 연료 및 전원을 차단하기 위한 릴레이 회로를 더 포함하는 과온 과속 보호 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   미리결정된 온도 및 미리결정된 속도는 상기 외부의 모니터링 장치를 통해 입력되도록 구성된 과온 과속 보호 장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 가스터빈 엔진에 결합된 속도 측정 센서는 마그네틱 방식의 픽업 센서인 과온 과속 보호 장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 가스터빈 엔진에 포함된 온도 측정 센서는 열전쌍(thermocouple) 방식의 온도 센서인 과온 과속 보호 장치.
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 구형파 변환 회로는 가스 터빈 엔진의 출력 속도에 비례하여 기준 임계값이 변화되는 적응형 임계값 부여 회로를 포함하는 과온 과속 보호 장치.
   
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