KR20120093241A - 터빈엔진의 연소실을 위한 논 플레임-아웃 테스트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 항공기용 엔진의 적합한 작동을 지상 제어하기 위한 방법에 관한 것이다. 따라서, 시험은, 터빈엔진의 신속한 인플라이트(inflight) 감속조정이 이루어지는 동안 상기 터빈엔진의 연소실 화염(flame- out) 저항을 평가하기 위하여, 작동중인 터빈엔진에서 수행되고 미리 정해진 속도로 부터 프로그램된 감속과정에 따라 연료유동을 신속하게 감소시킨다.

Description

터빈엔진의 연소실을 위한 논 플레임-아웃 테스트{NON-FLAME-OUT TEST FOR THE COMBUSTION CHAMBER OF A TURBINE ENGINE}

본 발명은, 터빈 엔진에 적용되는 열역학적 발명에 관한 것이고, 특히 항공기용 터빈엔진의 작동에 관한 것이다.

종래기술에 의하면, 터빈엔진은 공기 흡기구로 흡인된 공기를 압축하는 한 개이상의 압축기들, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소실, 압축기 또는 압축기들을 구동하기 위해 연소실에서 발생된 동력의 일부분을 가져가는 한 개이상의 터빈들 및 발생된 가스들이 배출되는 출력노즐에 의해 구성된다.

항공기용 터빈엔진들이 광범위한 비행조건에서 이용되고, 승무원 및 잠재적인 승객들의 안전을 보장하기 위해 터빈엔진의 작동이 보장되어야 한다. 특히, 조종사에 의한 조종작업동안 항공기의 터보제트(turbojet) 또는 헬리콥터의 터빈엔진이 단절(cutting out)되는 것이 방지되는 것이 필수적이다. 예를 들어, 조종사가 전달된 추력 또는 동력의 신속하게 감소시키는 조종(maneuver)을 수행할 때 연소실내에 플레임- 아웃(flame out)이 발생할 위험이 존재한다. 상기 형태의 조종은, 항공기의 조종사가 갑자기 항공기의 속도를 감속시키거나 예를 들어, 조종사앞에 갑자기 나타나는 장애물을 피하기 위해 헬리콥터내에서 조종사가 급감속( "급정지(uick stop)" 또는 급감속)하려할 때 갑자기 수행될 수 있다.

일반적인 작동에서, 연소실내부로 주입되는 연료 유동을 제어하고 상기 플레임 아웃을 피하기 위해 엔진 조정이 수행된다. 그러나, 상기 조정작업이 실패하거나 엔진부품들의 물리적 특성이 변화하는 경우, 상기 플레임아웃은 배제될 수 없다. 상기 고장은, 간극(clearance) 변화 또는 공기 흡입 오리피스의 크기 변화 또는 연료주입 및 조정시스템의 변화를 발생시키는 엔진노화로서 발생할 수 있다. 계속해서 결과적으로, 예상치보다 큰 일정량의 공기가 연소실로 들어가거나 예상치보다 작은 양의 연료가 연소실로 주입되고, 그 결과 혼합기의 농후도(richness)가 갑자기 감소된다.

급감속 조종이 이루어지는 동안, 연소실로 주입되는 연료유동의 갑자스런 감소는, 혼합기 농후도의 순간 변화(modification)를 가져온다. 연료유동의 감소는 연료유동 제어밸브가 밀폐될 때와 사실상 직접적인 관계를 가지는 반면에, 공기유동의 감소는 엔진샤프트의 회전속도 감소를 따르고 상기 회전속도의 변화율은 로터의 관성에 의해 제한되며 순간값이 아니다. 상기 농후도는 갑자기 공칭값으로부터 희박값(lean value)으로 변화하고, 엔진 회전속도가 새로운 값에서 안정화될 때 다시 공칭값이 될 뿐이다. 혼합기의 농후도가, 농후 플레임-아웃(rich flame- out)값으로 언급되는 값 및 희박 플레임-아웃 값으로 언급되는 값인 두 개의 극한 값들사이에서 유지되기만 하면 연소실내에서 플레임(flame)의 안정성이 보장된다.

급정지(quick stop) 형태의 긴급 조종이 이루어지는 경우, 엔진이 상기 이유들 중 하나에 의해 작동하지 않게 되면, 농후도는 희박 플레임-아웃 값아래로 떨어지고 엔진은 단절(cut out)된다. 상기 긴급조정시 엔진이 플레임-아웃 현상을 이겨내기 위한 능력을 점검하기 위하여, 현재 테스트 벤치(test bench)에서 이루어지는 테스트 만이 해당 진단을 수행하게 하며, 새로운 엔진을 받아들일 때에만 수행된다. 상기 엔진들은 완전한 오버홀(overhaul)을 제외하면 그 후에 더 이상 점검되지 않는다. 따라서, 엔진특성이 변화하더라도, 정상적인 감속은 상기 긴급조정에 의해 발생되는 것처럼 심각하지 않아서 혼합기의 농후도가 희박 플레임-아웃 한계에 도달할 정도로 아래로 떨어지지 않기 때문에, 정상적인 엔진 작동에서 고장 위험은 완전히 눈에 띄지 않게 된다. 따라서, 조종사가 상기 긴급조종을 수행하고,즉 조종사가 긴급조정을 요구할 때에 엔진은 단절(cut out)될 수 있다.

본 발명의 목적은, 항공기가 지상에 위치할 때 수행될 수 있고 비행중 급감속 조종을 수행해야 할 경우에 엔진의 정확한 작동을 시험하기 위한 방법을 제안하여 상기 문제점들을 극복하는 것이다. 또한, 상기 방법에 의해, 연소실이 잠재적인 상태악화를 겪고 있는 지가 평가될 수 있다.

상기 목적을 위해, 지상에서 항공기용 터빈엔진의 정밀작동을 테스트하기 위한 방법에 관한 본 발명에 의하면, 터빈장치가 작동하고 미리 정해진 회전속도로부터 작동개시될 때, 상기 터빈엔진의 회전속도 조종시 비행급감속동안, 상기 터빈엔진 연소실의 플레임-아웃에 대한 저항을 평가하기 위하여 프로그램에 의한 감소에 따라 연료유동의 급감소를 수행하는 것을 포함한다.

상기 테스트는 상기 조종시 연소실의 잠재적인 플레임-아웃을 감시하고 비행중 엔진이 급감소를 견딜 수 있는 지를 유추하는 것이다.

조종사 또는 정비사가 상기 컴퓨터와 연결된 전용 제어기를 작동할 때 상기 감소는 엔진 컴퓨터에 의해 자동으로 수행되는 것이 유리하다.

따라서 수행되는 감소과정이 테스트의 공칭 감소를 완벽하게 추종하는 것이 보장된다. 조종사 및/또는 정비사에 의해 상기 테스트를 수행하는 복잡한 과정이 제한된다.

테스트가 개시될 때 엔진의 회전속도는 상기 정밀 작동 테스트가 수행되는 위치의 온도와 압력조건의 함수로서 변화하는 것이 유리하다.

테스트하는 동안 연료유동의 감소율은 상기 정밀 작동 테스트가 수행되는 위치의 온도와 압력조건의 함수로서 변화하는 것이 유리하다.

따라서, 테스트가 수행되는 위치의 특성을 고려하고 연소실의 작동을 나타내는 조건에서 테스트를 수행할 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 몇가지 테스트를 연속적으로 수행하여 연료유동에 관한 감소량(decrease)의 한계값을 결정하기 위한 방법으로서, 상기 한계값 다음에서 항공기용 터빈엔진에 형성된 연소실내에서 플레임-아웃이 발생되며, 상기 감소율은 매번 이전 테스트에 관하여 상대적으로 더 크다.

연소실내부로 주입된 연료유동은 상기 방법에 따라 감지된 플레임-아웃 한계값의 함수로서 조정되는 것이 유리하다.

본 발명은 항공기용 터빈엔진내부로 주입되는 연료유동을 조절하기 위한 컴퓨터에 관한 것이고 상기 방법들 중 한 개를 수행하기 위한 모듈이 설치되고, 본 발명은 상기 컴퓨터를 포함한 항공기용 엔진에 관한 것이다.

첨부된 다이아그램의 도면을 참고하여 본 발명을 제한하지 않은 예로서 제공되는 본 발명의 실시예에 관한 상세한 설명으로부터 본 발명이 더욱 잘 이해되고 다른 목적들, 세부사항들, 특징 및 장점들이 이해된다.

도 1은, 논 플레임-아웃(non flame- out)시험동안 컴퓨터에 의해 설정되는 최소유동 한계(minimum flow limit)(WFMIN), 컴퓨터 명령에 의한 유동(WF) 및 가스발생기의 속도(NG)를 도시한 도면.

유동 명령(flow command)은, 연료 미터링 밸브(fuel metering valve)의 위치에 작용하는 제어시스템으로부터 컴퓨터가 요구하는 유동에 관한 값이다. 상기 최소유동값은 컴퓨터에 의해 정의되는 한계값이며 컴퓨터에 의해 전달되는 유동 명령에 대해 하한계(low limit)를 결정한다. 회전속도의 급감속시 연소실의 플레임-아웃 또는 논 플레임-아웃은 상기 최소값의 정확한 설정과 관련된다.

도 1에 도시된 매개변수들의 변화는 ψ1, ψ2, ψ3으로 표시된 세 개의 위상들로 구분된다. 제 1 위상은 테스트 준비에 관한 위상에 해당되고, 조종사는 미리 명시된 회전속도를 설정(전형적으로 최대 스로틀 값(full- throttle value)의 90%)하고 상기 속도가 안정화되기를 기다린다. 안정화가 형성(effective)될 때에만 제 2 위상의 개시를 허용하는 컴퓨터에 의해 상기 안정화가 모니터링된다. 제 2 위상은, 조종사 또는 정비기사의 요청에 응답하여 컴퓨터에 의해 이루어지는 테스트의 초기화(initiation)에 해당되고, 제 3 위상은 테스트후에 정상적인 작동, 아이들링(idling)으로 복귀에 해당한다. 제 2 위상의 초기화는, 정상적인 이용시 컴퓨터에 의해 정의된 값아래로 최소유동 명령값(WFMIN)의 조정 감소(calibrated reduction)를 포함한다.

제 1 위상동안, 회전속도가 90%에서 안정될 때, 일단 상기 회전속도가 안정화되면 컴퓨터에 의해 전달된 유동명령은 일정하고 상기 속도를 유지하기 위해 필요한 유동과 동일하며, 엔진이 급감속하는 경우에 허용될 수 있는 최대감소에 해당되는 최소유동명령(minimum flow command)의 값은 안정하고 엔진 정상작동값과 동일하다.

컴퓨터가 테스트를 개시하면, 유동명령의 급감소가 발생되고, 컴퓨터내에서 상기 테스트를 위해 프로그램되고 상기 설명과 같이 정상작동에서 가지는 값보다 작은 값으로 자동 설정되는 최소유동명령값의 유동명령이 전송된다. 상기 최소유동명령의 감소된 값은 정확하게, 테스트하고자하는 값이고 즉, 긴급조종시 엔진의 플레임-아웃이 없을 때 점검하고자 하는 값이다. 아이들링할 때의 값보다 작은 주어진 값에서 플레임-아웃이 없는 도 1의 경우에 있어서, 엔진속도는 엔진 회전부품들의 관성을 유지하면서 급감소하고 안정화된다.

제 3 위상은, 유동명령의 증가에 의해 실현되는 테스트를 정지하며 정상적인 상태 및 아이들링에 해당되는 값으로 복귀에 관련된다. 유동명령의 증가는 아이들링을 향해 엔진속도를 증가시키고 엔진속도는 다시 안정된다. 전이진동(transient oscillation)을 제외하면, 최소유동명령의 값은 일정하게 유지된다.

제기된 문제를 해결하기 위해 본 발명에 의하면, 항상 연소실내부로 주입되는 연료유동을 제어하는 모듈이 엔진의 컴퓨터내에 설치되고, 상기 모듈의 활성화(activation)는 예를 들어, 엔진의 런-업(run-up) 즉 이륙하기 전에 각 비행을 위해 엔진의 정밀작동 테스트가 수행되는 동안 엔진이 작동하고 지상에서 수행되는 특정 논 플레임-아웃(specific non-flame-out) 테스트 과정을 개시한다.

상기 테스트는, 급정지와 같은 긴급조종시 유동 감소를 시뮬레이트하도록 주입되는 연료량을 프로그램에 따라 감소시키고, 상기 조종작업시 존재할 수 있는 농후상태를 재현하는 것으로 구성된다. 주입되는 연료 량의 감소는, 연료미터링밸브의 설정상태를 제어하는 제어시스템으로 컴퓨터에 의해 전달되는 유동명령(WF)을 갑자기 변경하고 상기 유동명령(WF)에 대해 미리 정해진 최소명령값(WFMIN)을 순간적으로 제공하여 수행된다. 상기 감소는, 급정지 형태의 조종시 엔진의 연소실에서 발생할 수 있는 최소 농후도를 시뮬레이트하기 위해, 정상작동에서 이용되는 최소유동명령보다 작은 값(WFMIN)까지 발생된다. 상기 테스트에 이용되는 상기 최소유동명령값은, 연소실 작동의 계산(calculation) 또는 테스트 중인 항공기에 대한 비행 기록(in-flight recordings)을 기초하여 엔진설계시 엔지니어링 부서에 의해 정해진다. 상기 최소유동명령값은, 항공기가 위치하는 비행장의 고도, 대기조건 등과 같이 테스트가 수행되는 조건에 따라 변화한다. 우선, 테스트에서 설정되어야 하는 최소유동명령(WFMIN)에 대해 주어지는 상기 값의 변화는, 논 플레임-아웃 테스트가 개시될 때 고정된 엔진회전속도의 값과 관련된다.

상기 과정은 다음과 같이 수행된다.

비행매뉴얼 또는 정비매뉴얼에 규정된 주파수에 따라, 조종사는 엔진의 컴퓨터와 관련된 특정 제어기능을 작동시켜서 시뮬레이팅된 급감속 조종을 개시한다. 다음에 컴퓨터는, 테스트를 위해 미리 정해진 최소유동 명령(WFMIN)의 값에 해당하고 연료유동제어밸브를 밀폐방향으로 이동시키는 유동명령(WF)를 전송하여 프로그램된 감소를 개시하고, 조종사는 연소실내에 플레임-아웃이 있는지를 점검한다. 플레임-아웃이 없다면, 엔진은 공칭 비행상태(nominal flight condition)에 있는 것으로 간주되고 다음 비행이 이루어질수 있다. 따라서 조종사는, 엔진 급감속의 위험에 대해 건전한 상태인 것을 알게되고, 비행중 긴급조정이 필요하다고 판단될 때 조종사는 상기 긴급조종을 수행할 수 있다.

지상에서 이루어지는 테스트 중에 플레임-아웃이 존재하면, 엔진은 정상적인 작동상태에 있는 것이 아니고 비행복귀 허가를 내주기전에 정비작업을 제공하는 것이 적절하다는 것을 의미한다. 예를 들어, 엔진 작동 매뉴얼에 규정된 상기 정비작업은, 엔진을 분리하고 작업장으로 보내는 것을 포함한다. 부정확한 작동의 원인이, 연료주입 제어시스템의 부실한 작동 수준 및 예를 들어, 연소실의 노화(aging)에 의해 연소실 성능의 악화 수준에서 점검된다.

상기 논 플레임-아웃 테스트와 관련하여 보조적인 분석이 제안될 수 있다. 여러가지 테스트들에 의해 플레임-아웃 한계를 검색하고, 논 플레임-아웃을 보장하는 최소 연료유동명령(WFMIN)을 위한 값에 의존하여 컴퓨터내부의 작동규칙들이 감지된 성능손실을 고려하도록 적응되는 것이 고려될 수 있다. 따라서, 논 플레임-아웃을 보장하기 위하여, 정상적인 이용을 위해 컴퓨터에 의해 고정된 연료유동의 최대감소가 제한된다. 결과적으로, 엔진은, 엔진을 제거하고 항공기에 새로운 엔진을 설치할 필요없이 아무런 위험없이, 계속해서 이용될수 있다.

Claims (8)

1. 지상에서 항공기용 터빈 엔진에 구성된 연소실내부로 주입되는 연료의 연료유동을 제어하기 위한 장치의 플레임-아웃 회피기능을 테스트하기 위해, 상기 장치는 컴퓨터에 의해 제어되고, 상기 컴퓨터는 주입되는 연료의 유동 값의 명령(WF)을 상기 장치에 전송하며, 상기 유동 값은, 유동명령 조종시 급하게 감소하는 경우에 플레임-아웃의 위험을 회피하기 위하여, 상기 컴퓨터에 의해 미리 정해진 한계 값(WFMIN)보다 큰 플레임-아웃 회피기능을 테스트하기 위한 방법에 있어서,
   터빈장치가 작동하고 미리 정해진 회전속도로부터 작동개시될 때, 상기 터빈엔진의 회전속도 조종시 비행급감속동안, 상기 터빈엔진의 연소실의 플레임-아웃에 대한 저항을 평가하기 위하여 지상 작동에 해당되는 한계값보다 작은 유동명령 값에 의해 프로그램되는 감소에 따라 터빈장치상에서 연료유동의 감소를 수행하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 플레임-아웃 회피기능을 테스트하기 위한 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 조종사 또는 정비사가 상기 컴퓨터와 연결된 전용 제어기를 작동할 때 상기 감소는 엔진 컴퓨터에 의해 자동으로 수행되는 것을 특징으로 하는 플레임-아웃 회피기능을 테스트하기 위한 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 테스트가 개시될 때 엔진의 회전속도는 상기 정밀 작동 테스트가 수행되는 위치의 온도와 압력조건의 함수로서 변화하는 것을 특징으로 하는 플레임-아웃 회피기능을 테스트하기 위한 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 테스트동안 연료유동의 감소는 상기 정밀 작동 테스트가 수행되는 위치의 온도와 압력조건의 함수로서 변화하는 것을 특징으로 하는 플레임-아웃 회피기능을 테스트하기 위한 방법.
5. 제 1 항내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따라 몇가지 테스트를 연속적으로 수행하여 연료유동에 관한 감소량(decrease)의 한계값을 결정하기 위한 방법으로서, 상기 한계값 다음에서 항공기용 터빈엔진에 형성된 연소실내에 플레임-아웃이 발생되며, 상기 감소량은 매번 이전 테스트에 관하여 상대적으로 더 큰 것을 특징으로 하는 한계값을 결정하기 위한 방법.
6. 항공기용 터빈엔진의 연소실내부로 주입된 연료유동을 제어하기 위한 방법으로서, 상기 연료유동은 제 5 항의 방법에 따라 감지된 플레임-아웃 한계값의 함수로서 조정되는 것을 특징으로 하는 항공기용 터빈엔진의 연소실내부로 주입된 연료유동을 제어하기 위한 방법.
7. 항공기용 터빈엔진의 연소실내부로 주입된 연료유동을 제어하기 위한 컴퓨터로서 전항들 중 어느 한 항을 따르는 방법을 수행하기 위한 모듈이 설치되는 것을 특징으로 하는 항공기용 터빈엔진의 연소실내부로 주입된 연료유동을 제어하기 위한 컴퓨터.
8. 전항의 컴퓨터를 포함한 항공기용 터빈엔진.
   

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