KR20160065187A - 터닝 기어 모드에서 동작되도록 구성된 터보머신 - Google Patents

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KR20160065187A
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로마인 티리에트
빈센트 포움마르데
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터보메카
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Abstract

본 발명은 터빈 엔진 분야, 좀 더 구체적으로, 압축기(8); 연소실(9); 제1 회전 샤프트(11)에 의해서 상기 압축기(8)에 연결되는 제1 터빈(10); 상기 연소실(9)이 오프(off)되어 있는 동안 상기 압축기(8) 및 상기 제1 터빈(10)을 회전 상태로 유지하기 위해서 상기 제1 회전 샤프트(11)를 작동시키기 위한 터 장치(13); 및 터보머신(5a)을 윤활하기 위한 윤활 회로(14)를 적어도 포함하는 상기 터보머신(5a)에 관한 것이다. 회로(14)는, 연소실(9)이 오프된 동안 제1 터빈(10) 및 압축기(8)가 회전될 때 상기 윤활 회로(14)의 윤활제를 가열할 수 있는 적어도 하나의 열원(15, 15a - 15c)을 통과한다.

Description

터닝 기어 모드에서 동작되도록 구성된 터보머신{TURBOMACHINE DESIGNED TO OPERATE IN TURNING GEAR MODE}
본 발명은 터빈 엔진 분야 및 특히 이들의 윤활에 관한 것이다.
용어 "터빈 엔진"은 작동 유체가 터빈에서 팽창되도록 함으로써 상기 작동 유체의 열적 에너지를 기계적 에너지로 전환하기 위한 임의의 기계를 의미하도록 본 문맥에서 사용된다. 좀 더 구체적으로, 작동 유체는, 공기가 제1 회전 샤프트를 통해서 터빈에 의해서 작동되는 압축기에서 압축된 후에, 연소실에서 공기와 연료의 화학적 반응으로부터 기원되는 연소 가스일 수도 있다. 따라서, 본 문맥에서 이해되는 바와 같이 터빈 엔진은 다른 것들 중에서 바이패스 및 비-바이패스 터보제트, 터보프롭, 터보샤프트 엔진, 또는 가스 터빈을 포함한다. 아래 설명에서, 용어 "상류" 및 "하류"는 터빈 엔진을 통한 작동 유체의 정상 유동 방향에 상대적으로 정의된다.
복수-엔진 동력 장치 상에서 연료 소비를 감소시키기 위해서, 특히 프랑스 특허 출원 FR　2　967　132　A1에서, 순항 조건 하에서 하나 이상의 엔진의 연소실을 소화(extinguish)하며, 이 엔진을 계속 동작시켜 더 높은 동력 레벨에서 동작하고, 따라서 더 양호한 비연료 소모율(specific fuel consumption)을 달성하는 것이 제안되었다. 고장 난 다른 파워 소스를 대체하거나 백업하기 위해서, 특히 가능성있는 응급 재시동의 목적을 위해서 재시동을 가속시키기 위해서, 프랑스 특허 출원 FR　2　967　132　A1은, 연소실이 소화된 터빈 엔진 또는 각각의 터빈 엔진에 대해서 상기 터빈 및 압축기를 회전 상태로 유지하도록 상기 제1 회전 샤프트를 작동시키기 위한 액츄에이터 장치를 사용하는 것을 또한 제안한다. 그럼에도 불구하고, "터닝 모드(turning mode)"로 알려진 이러한 스탠바이 모드에서, 윤활제는 엔진으로부터의 열 손실에 의해서 가열되지 않고, 특히 높은 고도 또는 차가운 날씨에서의 대기 조건에 의존하여, 윤활제의 온도는, 엔진이 더 이상 적합하게 윤활되지 않는 정도의 매우 낮은 값으로 빠르게 떨어질 수 있다. 불행하게도, 이러한 터빈 엔진에 내재되는 사용 상의 한계 중 하나는 동력 인출 샤프트에 동력을 전달하는 것이 가능하기 전에 충분한 윤활을 가져야 하는 필요성에 있으며, 이것은, 윤활제에 의존하여 일반적으로 약 273 켈빈(K) 또는 278 K의 윤활제를 위한 최소 온도를 요구한다. 따라서, 연소실이 소화된 상태로 터닝 모드에서 유지되는 엔진에 대해서 윤활제에 대한 적어도 어떤 최소 온도를 유지하는 것이 바람직하다는 점이 이해된다.
본 발명은 이러한 단점을 해소하는 것을 추구한다. 특히, 본 개시는, 매우 낮은 온도에서도 터닝 모드에서 유지될 수 있는 한편, 적합한 온도 및 점성의 윤활제로 윤활되는 것이 계속 보장될 수 있는 터빈 엔진을 제안하는 것을 추구한다.
적어도 하나의 실시형태에서, 이 목적은, 압축기; 상기 압축기로부터 오는 공기와 연료의 혼합물의 연소를 위한 압축기로부터 하류에 위치되는 연소실; 제1 회전 샤프트를 통해서 상기 압축기를 구동하고, 상기 연소실로부터 오는 연소 가스를 팽창시키기 위한 제1 터빈; 상기 연소실이 소화된 동안 상기 제1 터빈 및 상기 압축기를 회전 상태로 유지하도록 상기 제1 회전 샤프트를 작동시키기 위한 액츄에이터 장치; 및 상기 엔진을 윤활하기 위한 윤활 회로를 적어도 포함하는 이러한 터빈 엔진에서, 상기 회로는 상기 제1 회전 샤프트의 적어도 하나의 베어링을 윤활하게 하는 방식으로 배열되고, 상기 연소실이 소화된 상태에서 상기 터빈 및 압축기가 회전되는 동안 상기 윤활 회로의 윤활제의 온도가 제1 미리결정된 한계값 아래로 떨어질 때 상기 윤활제를 가열하기 위한 열원을 형성하는 적어도 하나의 열 교환기를 통과하는 사실에 의해서 달성된다.
이 제공물에 의해서, 윤활제는, 심지어 매우 낮은 주변 온도에서도 엔진의 적합한 윤활을 보장하기에 충분한 온도에서 터닝 모드에 유지될 수도 있다.
특히, 열 교환기는, 제1 엔진의 연소실이 소화된 동안 제1 엔진의 압축기 및 제1 터빈의 회전 중에 상기 제1 엔진의 상기 윤활 회로의 윤활제에 상기 액츄에이터 장치로부터의 열을 전달하도록 구성될 수도 있다. 상기 액츄에이터 장치는 상기 제1 회전 샤프트에 기계적으로 연결되는 전기 기계, 및 또한 상기 전기 기계에 전기적으로 동력을 공급하기 위한 전력 변환기를 포함할 수도 있다.
대안적으로, 상기 열 교환기는 제2 터빈 엔진에 연결될 수도 있으며, 제2 터빈 엔진에서 연소실은 점화된 상태로 남아 있는 한편, 제1 터빈 엔진은 열 교환기를 통해서 윤활제를 가열하기 위해서 필요한 열을 전달하도록 터닝 모드에 유지된다. 더욱 구체적으로, 열 교환기는 제1 터빈 엔진의 윤활제에 열을 전달하도록 예시로서 제2 터빈 엔진의 배기 노즐, 및/또는 윤활 회로, 연료 회로에 연결될 수도 있다. 열 교환기가 연결될 수도 있는 다른 열원은 특히 전기를 생성하기 위해서 제2 터빈 엔진에 기계적으로 연결되는 전기 기계, 및/또는 이 다른 전기 기계에 전기적으로 연결되는 전력 변환기를 포함한다. 열 교환기가 연결될 수도 있는 또 다른 열원은 적어도 제2 터빈 엔진에 기계적으로 연결될 수 있는 기어박스의 윤활 회로이다.
윤활제의 온도를 조절하기 위해서, 윤활 회로는 열원 주위에 폐쇄가능한 바이패스 덕트를 또한 포함할 수도 있다. 윤활제를 가열하기 위한 필요성에 대한 응답으로 폐쇄되기 위해서, 이 폐쇄가능한 덕트는, 예를 들어 제어 유닛에 연결되는 밸브 또는 서모스태틱 밸브를 포함할 수도 있다.
더 큰 열적 동력을 얻기 위해서 그리고/또는 윤활제의 가열을 조절하는 것을 용이하게 하기 위해서, 윤활 회로는, 연소실이 소화된 상태에서 상기 터빈 및 압축기의 회전 동안에 상기 회로의 윤활제를 가열하기 위해서 적합한 적어도 2개의 열원을 통과할 수도 있다. 이 2개의 열원은 윤활 회로에서 열 손실을 최소화하기 위해서 병렬로, 또는 회로의 온도 조절을 용이하게 하기 위해서 직렬로 배열될 수도 있다.
비록 터빈 엔진은 터닝 모드 동안에 윤활제가 가열되는 것을 요구할 수도 있으나, 일단 연소실이 점화되면 윤활제를 냉각하는 것이 바람직할 수도 있다. 이것을 하기 위해서, 윤활 회로는, 또한 연소실이 점화되어 있는 동안 윤활제를 냉각하기 위한 적어도 하나의 히트 싱크를 통과할 수도 있다. 이 윤활 회로가 또한 이 상황에서 조절되는 것을 가능하게 하기 위해서, 회로는 히트 싱크를 우회하는 폐쇄가능한 덕트를 또한 포함할 수도 있다. 열원을 우회하는 덕트와 같이, 이 다른 바이패스 덕트는 윤활제를 냉각하는 필요성에 대한 응답으로 바이패스 덕트를 폐쇄하는 목적을 위해서 제어 유닛에 연결되는 밸브 또는 서모스태틱 밸브를 구비할 수도 있다.
터빈 엔진은 특히 터보샤프트 엔진 타입 또는 터보프롭 타입의 것일 수도 있으며, 이 경우 제1 터빈으로부터 하류에 배치되고 동력 인출 샤프트에 기계적으로 연결되는 제2 터빈을 또한 포함할 수도 있다.
본 개시는 또한 적어도 위에서 언급된 제1 터빈 엔진 및 제2 터빈 엔진을 갖는 동력 장치, 및 또한 이러한 동력 장치가 장착되는 항공기에 관한 것이다. 따라서, 제2 터빈 엔진이 정상적으로 작동되는 동안 제1 터빈 엔진을 터닝 모드에 유지하는 것, 및 제2 터빈 엔진으로부터의 동력에 부가하여 동력을 전달하기 위해서 제1 터빈 엔진의 연소실을 점화하는 것이 가능하다. 따라서, 동력 장치는, 예를 들어 3개 또는 4개 이상과 같이 2개보다 더 큰 어떤 갯수의 엔진을 가질 수도 있다.
또한, 본 개시는, 압축기; 상기 압축기로부터 오는 공기와 연료의 혼합물의 연소를 위한 상기 압축기로부터 하류에 위치되는 연소실; 제1 회전 샤프트를 통해서 상기 압축기를 구동하고, 상기 연소실로부터 오는 연소 가스를 팽창시키기 위한 제1 터빈; 및 상기 제1 회전 샤프트를 작동시키기 위한 액츄에이터 장치를 적어도 포함하는 터빈 엔진의 윤활 회로의 윤활제의 온도를 조절하는 방법에 있어서, 상기 제1 회전 샤프트의 적어도 하나의 베어링을 윤활하는 기능을 하는 상기 윤활제는 열원을 형성하는 열 교환기를 통해서 지향되고, 상기 연소실이 소화된 상태에서 상기 제1 터빈 및 상기 압축기가 상기 액츄에이터 장치에 의해서 회전되는 상태로 유지되는 동안 상기 윤활제의 온도가 제1 미리결정된 한계값 아래로 떨어질 때 상기 윤활제를 가열하기 위해서 상기 윤활 회로가 상기 열원을 통과하는 방법에 관한 것이다. 또한, 상기 윤활제는, 상기 연소실이 점화되는 동안 상기 윤활제의 온도가 제2 미리결정된 한계값을 초과할 때 윤활제를 냉각하기 위한 상기 회로를 통해서 히트 싱크를 통해서 지향될 수도 있다.
비제한적 실시예의 방식으로 주어지는 본 발명의 실시형태의 다음 상세한 설명을 읽을 때 본 발명은 잘 이해될 수 있고, 이의 장점은 더 양호하게 파악된다. 설명은 첨부된 도면을 참조하고, 여기서:
도 1은 2 개의 터빈 엔진을 포함하는 동력 장치를 갖는 항공기의 다이어그램이고;
도 2는 더욱 상세하게 동력 장치를 도시하고;
도 3은 도 2의 동력 장치의 엔진 중 하나에 대한 제1 실시형태에의 윤활 회로의 다이어그램이고;
도 3a는 제1 온도 한계값 미만에서 도 3의 윤활 회로를 통한 윤활제의 유동을 도시하고;
도 3b는 제1 온도 한계값과 제2 온도 한계값 사이에서 도 3의 윤활 회로를 통한 윤활제의 유동을 도시하고;
도 3c는 제2 온도 한계값 초과에서 도 3의 윤활 회로를 통한 윤활제의 유동을 도시하고;
도 4a 내지 도 4g는 다양한 상이한 대안에서 도 3의 윤활 회로에 배열되는 열원을 도시하고;
도 5는 도 3의 윤활 회로를 조절하는 방법을 다이어그램으로 도시하는 흐름도이고;
도 6은 도 5의 방법에서 바이패스 밸브의 개방 및 폐쇄를 도시하는 그래프이고;
도 7은 도 2의 동력 장치의 엔진 중 하나에 대한 제2 실시형태에서 윤활 회로의 다이어그램이고;
도 8은 도 7의 윤활 회로를 조절하는 방법을 다이어그램으로 도시하는 흐름도이고;
도 9는 도 8의 방법에서 바이패스 밸브의 개방 및 폐쇄를 도시하는 그래프이고;
도 10은 도 2의 동력 장치의 엔진 중 하나에 대한 제3 실시형태에서 윤활 회로의 다이어그램이고;
도 11은 도 2의 동력 장치의 엔진 중 하나에 대한 제4 실시형태에서 윤활 회로를 도시하는 다이어그램이고;
도 12는 도 2의 동력 장치의 엔진 중 하나에 대한 제5 실시형태에서 윤활 회로를 도시하는 다이어그램이고; 그리고
도 13은 도 2의 동력 장치의 엔진 중 하나에 대한 제6 실시형태에서 윤활 회로를 도시하는 다이어그램이다.
제1 도는 회전익 항공기(1), 좀 더 구체적으로 메인 로터(2) 및 안티-토크 테일 로터(anti-torque tail rotor; 3)를 갖는 헬리콥터를 도시하며, 이 로터들은 이들을 작동시키는 동력 장치(4)에 연결된다. 도시된 동력 장치(4)는 제1 터빈 엔진(5a) 및 제2 터빈 엔진(5b)을 포함한다. 좀 더 구체적으로, 이 엔진들(5a 및 5b)은, 이들의 동력 인출 샤프트(6) 양자가 메인 로터(2) 및 테일 로터(3)를 작동시키기 위한 메인 기어박스(7)에 연결되는 터보 샤프트 엔진이다.
동력 장치(4)는 도 2에 더욱 상세히 도시된다. 각각의 엔진(5a, 5b)은 압축기(8), 연소실(9), 압축기(8)에 회전 샤프트(11)에 의해서 연결되는 제1 터빈(10), 및 동력 인출 샤프트(6)에 연결되는 제2 터빈(12), 또는 "자유" 터빈을 포함한다. 압축기(8), 연소실(9), 제1 가스 터빈(10), 및 회전 샤프트(11)를 포함하는 조립체는 또한 "가스 발전기"로도 알려져 있다. 각각의 가스 발전기의 회전 샤프트(11)는, 전기 기계(13a), 좀 더 구체적으로 모터-발전기, 및 항공기(1)의 전기 네트워크에 연결되고, 전기 기계(13a)에 전기적으로 연결되는 전력 변환기(13b)를 포함하는 액츄에이터 장치(13)에 기계적으로 연결되어 있다.
액츄에이터 장치(13)는 대응하는 엔진(5a, 5b)을 시동하는, 그리고 또한 엔진이 시동된 후에 전기를 생성하는 양자의 기능을 한다. 시동하는 동안, 전기 기계(13a)는 모터 모드에서 작동하고, 전력 변환기(13b)는 항공기의 전기 네트워크로부터 전기적으로 전기 기계에 동력을 공급한다. 시동 후에, 전기 기계(13a)는 발전기 모드에서 작동하고, 전력 변환기는 전기 기계가 생성하는 전기를 항공기의 전기 네트워크에 동력을 공급하기 위해서 적합한 전압과 암페어로 조정한다.
또한, 액츄에이터 장치(13)는 그럼에도 불구하고 연소실(9)이 소화되어 있는 동안에 회전 샤프트(11)가, 회전 샤프트(11)의 정격 속도(N1)의, 예를 들어 5% 내지 20% 범위에 있을 수 있는 감소된 속도(N회전)에서 회전되도록 함으로써, 대응하는 엔진(5a, 5b)을 터닝 모드(turning mode)에 유지하기 위해서 사용될 수도 있다. 엔진을 터닝 모드에 유지하는 것은 엔진의 가능한 시동을 가속시키는 기능을 한다.
동력 장치(4)에 의해서 전달되는 동력은 항공기(1)의 비행 단계에 의존하여 상당하게 변화될 수도 있다. 따라서, 일반적으로 순항 조건하에서 요구되는 동력은 동력 장치(4)가 전달할 수 있는 최대 연속 동력보다 상당히 작고, 그리고 동력 장치의 최대 이륙 출력(maximum takeoff power)보다 더욱 작다. 동력 장치(4)가 동력 장치의 최대 이륙 출력의 함수로 치수지어지는 점을 고려하면, 동력 장치는 순항 조건을 위해서 요구되는 동력과 비교하면 상당히 초과치수지어져 있다. 결과적으로, 순항하는 동안, 2 개의 엔진(5a 및 5b)을 작동 중으로 하면, 이들 양자는 이들의 최적 작동 속도로부터 아주 동떨어지져 있을 수도 있으며, 이는 상대적으로 높은 비연료 소모율(specific fuel comsumption)로 이어진다. 실제로, 복수의 엔진을 갖는 동력 장치에서, 엔진 중 적어도 하나를 소화시킨 상태로 순항 상태를 유지하는 것을 고려하는 것이 가능하다. 그러면, 나머지 엔진은 이들의 최적 속도에 더 가까운 속도로 작동될 수 있어, 비연료 소모율은 감소될 수도 있다. 동력 장치가 이러한 작동 모드에서 작동되는 것을 가능하게 하는 한편, 또한 소화된 엔진이 즉시 시동될 수 있는 것을 보장하기 위해서, 소화된 이 엔진을 터닝 모드에 유지하는 것이 FR　2　967　132에서 제안된다.
도 2에 도시되는 동력 장치(4)에서, 제1 엔진(5a)은 따라서 항공기(1)가 순항하는 동안 소화되고, 제2 엔진(5b)은 메인 기어박스(7)를 통해서 메인 로터(2) 및 테일 로터(3)를 위한 동력의 전부를 전달한다. 제2 엔진(5b)의 전기 기계(13a)는 또한 동시에 전력 변환기(13b)를 통해서 항공기(1)의 전기 네트워크에 동력을 공급하도록 작동한다. 제1 엔진(5a)이 비상시, 특히 제2 엔진(5b)의 고장 시에 시동될 수 있는 것을 보장할 수 있도록, 제1 엔진(5a)은, 전력 변환기(13b)로부터의 동력 하에서 전기 기계(13a)가 회전 샤프트(11)를 구동함으로써 터닝 모드에 유지된다.
그럼에도 불구하고, 비행 시, 연소실(9)이 소화되고, 그리고 특히 높은 고도에서 매우 낮은 주변 온도로 인해, 제1 엔진(5a)의 윤활제의 온도(T)가 매우 상당하게 떨어질 수도 있다. 윤활제의 온도가 너무 낮은 레벨로 떨어져 제1 엔진(5a)의 움직이는 부분의 윤활을 감소시키는 것을 방지하기 위해서, 도 3에 도시되는 바와 같은 제1 실시형태에서 윤활 회로(14)는 열원(15)을 통해서 지나간다.
좀 더 구체적으로, 윤활 회로(14)는, 제1 엔진(5a)에서 윤활을 위한 부재(19)와 함께 탱크(16) 및 펌프(17)를 포함하고, 그리고 히트 싱크(18) 및 열원(15)을 통해서 지나가는 폐회로이다. 회로(14)는 또한 히트 싱크(18) 및 열원(15)을 각각 우회하기 위한 바이패스 덕트(20 및 21)를 갖고, 각각의 바이패스 덕트는 대응하는 미리결정된 온도 범위에서 바이패스 덕트를 폐쇄하기 위한 각각의 서모스태틱 밸브(thermostatic valve; 22, 23)를 갖는다. 그럼에도 불구하고, 윤활제의 온도를 감지하기 위한 센서에 연결되는 제어 유닛에 연결되는 밸브가 동일한 목적을 위해서 서모스태틱 밸브 대신에 사용될 수도 있다.
히트 싱크(18)는 전형적으로 윤활제로부터 주변 공기에 열을 배출하는 기능을 하는 윤활제/공기 열 교환기이다. 그럼에도 불구하고, 다른 타입의 히트 싱크, 특히 윤활제/연료 열 교환기가 또한 사용될 수도 있다.
열원(15)은 또한 열 교환기일 수도 있다. 도 4a에 도시되는 변형예에서, 열원(15)은 제1 엔진(5a)의 전기 기계(13a)를 냉각하기 위한 냉각 회로(25)에 연결되는 열 교환기(24)이다. 전기 기계(13a)는, 터닝 모드에서 회전 샤프트(11)를 작동시키는 모터로서 동작하는 동안, 열을 생성하며, 이 열은 윤활 회로(14)를 통해서 유동하는 윤활제에 열 교환기(24)를 통해서 배출된다. 따라서, 윤활제를 가열하는 것은 동시에 전기 기계를 냉각하는 것에 기여할 수도 있다. 도 4b에 도시되는 변형예에서, 열원(15)은 전력 변환기(13b)의 냉각 회로(25) 에 동일한 방식으로 연결되는 열 교환기(24)이다. 전기 기계(13a)가 터닝 모드에서 회전 샤프트(11)를 작동시키는 모터로서 동작하는 동안, 전력 변환기(13b)를 통한 전기 기계에 대한 전력 공급은 또한 열을 발생하며, 이 열은 이 변형에서 윤활 회로(14)를 통해서 지나가는 윤활제에 의해서 배출된다. 따라서, 윤활제를 가열하는 것은 동시에 전력 변환기(13b)를 냉각하는 것에 기여할 수도 있다.
제1 엔진(5a)의 액츄에이터 장치(13) 이외의 부재로 부터의 열을 전달하기 위한 열 교환기를 사용하는 것을 고려하는 것이 또한 가능하다. 예시로서, 이 열 전달은, 제1 엔진(5a)이 터닝 모드에 있는 동안 비행 중 점화된 상태로 남아 있는 제2 엔진(5b)으로부터 발생될 수도 있다. 따라서, 도 4c에 도시되는 제3 변형예에서, 윤활 회로(14)의 열원(15)을 형성하는 열 교환기(24)가 제2 엔진(5b)을 작동시키기 위한 액츄에이터 장치(13)의 냉각 회로(25')에 연결된다. 제1 엔진(5a)이 터닝 모드에서 유지되는 동안 이 제2 엔진(5b)이 정상 모드에서 동작한다면, 전기 기계(13a)는 전력 변환기(13b)를 통해서 항공기(1)의 전기 네트워크에 동력을 공급하는 전기 발전기로서 작동할 수 있다. 이 상황에서, 전기 기계(13a) 및 전력 변환기(13b) 양자는 동시에 열을 생성하며, 이 열은 냉각 회로(25')를 통해서 제1 엔진(5a)의 윤활 회로(14)에 배출될 수 있다. 도 4d에 도시된 제4 변형예에서, 제1 엔진(5a)의 윤활 회로(14)의 열원(15)을 형성하는 열 교환기(24)는, 열이 제2 엔진(5b)의 연소 가스로부터 제1 엔진(5a)의 윤활 회로(14)의 윤활제에 전달되는 것이 가능하도록, 제2 엔진(5b)의 제2 터빈(12)으로부터 하류에 있는 배출 노즐(26)에 배치된다. 도 4e에 도시되는 제5 변형예에서, 제1 엔진(5a)의 윤활 회로(14)의 열원(15)을 형성하는 열 교환기(24)는 연료를 가열하기 위해서 사용되는 열원(28)으로부터 하류에서 열 교환기를 통과하는 제2 엔진(5b)의 연료 공급 회로(27)를 갖는다. 도 4f에 도시되는 제6 변형예에서, 제1 엔진(5a)의 윤활 회로(14)의 열원(15)을 형성하는 열 교환기(24)는 열교환기를 통과하는 제2 엔진(5b)의 윤활 회로(14')를 갖는 윤활제/윤활제 열 교환기이다. 점화되어 있는 제2 엔진(5b)의 윤활제로부터의 열은 따라서 제1 엔진(5a)의 윤활제를 가열하는 기능을 한다.
이 변형예 각각에서, 열원(15) 및 히트 싱크(18)는 제1 엔진(5a)의 윤활제의 온도를 조절하기 위해서 우회될 수 있다.
도 4g에 도시되는 또 다른 변형예에서, 제1 엔진(5a)의 윤활 회로(14)의 열원(15)을 형성하는 열 교환기(24)는 열 전달 유체 회로(C)를 통과한다. 이 회로(C)는 또한 제2 엔진(5b)의 윤활 회로(14')에 열적으로 연결되는 열 교환기(24')를 통과하며, 이로 인해, 제2 엔진(5b)의 회로(14')로부터의 열이 회로(C)를 통해서 제1 엔진(5a)의 윤활 회로(14)에 전달된다. 회로(C)는 열 전달 유체를 순환시키기 위한 펌프(P)를 포함한다. 열원(15)을 위한 이러한 구조체는 열원(15)을 우회하기 위해서 윤활 회로(14)에 존재하는 바이패스 덕트(21)를 갖는 것을 피하는 것을 가능하게 한다. 도 4g의 변형예에서, 제1 엔진(5a)의 윤활 회로(14)에 열을 전달하거나 하지 않기 위해서 펌프(P)를 작동시키거나 멈추는 것이면 충분하다. 달리 말하면, 펌프(P)를 작동시키거나 또는 멈춤으로써, 열원(15)이 "온(on)" 또는 "오프(off)"로 스위치된다. 동일한 방식으로, 도 4a, 도 4b 및 도 4c의 바이패스 덕트(21)는 생략될 수 있고, 열원(15)은 회로(25)의 펌프를 통해서 제어되어야 한다(또한, 필요한 경우에 각각의 장치(13a, 13b 또는 13)를 냉각하는 기능). 따라서, 일반적으로, 열원(15)에 의한 제1 엔진(5a)의 윤활 회로(14)의 가열을 제어하기 위해서, 밸브(23) 상에, 또는 펌프(P) 상에 작동이 취해진다. 만약 도 4a, 도 4b 및 도 4c에 도시된 바와 같이 이러한 구성요소 양자가 존재한다면, 이러한 구성요소 중 단지 하나에 또는 이들 중 양자에 작동하는 것이 가능하다.
도 5의 흐름도는 어떻게 온도 조절이 작동되는지를 도시하며, 도 3에 도시된 윤활 회로(14)의 서모스태틱 밸브(22 및 23) 양자가 개방된 초기 상태, 즉 도 3b에 도시되고, 회로(14)를 통해서 펌프(17)에 의해서 펌핑되는 윤활제 유동 중 주된 부분이 각각 바이패스 덕트(20 및 21)를 따라서 통과함으로써 히트 싱크(18) 및 열원(15) 양자를 우회하는 상태로부터 시작된다. 단계(S501)에서, 윤활제의 온도(T)는 제1 폐쇄 한계값(T1a)과 비교된다. 만약 윤활제의 온도(T)가 폐쇄 한계값(T1a)과 동일하거나 미만이면, 단계(S502)에서 열원(15) 주위의 바이패스 덕트(21)의 서모스태틱 밸브(23)가 폐쇄되어, 도 3a에 도시되는 바와 같이, 바이패스 덕트(21)를 폐쇄하고, 윤활제가 열원(15)를 통과하도록 강제한다. 따라서, 윤활제는, 제1 엔진(5a)이 터닝 모드에 있다고 하더라도, 윤활제가 유동되는 것을 보장하기 위해서 이와 같이 가열된다. 예시로서, 폐쇄 한계값(T1a)은 333 K 내지 343 K 범위 내에 놓일 수 있다.
만약 서모스태틱 밸브(23)가 이와 같이 폐쇄되면, 이어지는 단계(S503)에서 윤활제의 온도(T)는 제1 개방 한계값(T1b)과 비교된다. 온도(T)가 개방 한계값(T1b) 보다 높지 않는 한, 이 단계는 루프에서 규칙적으로 반복된다. 만약 윤활제의 온도(T)가 이 개방 한계값(T1b) 보다 높으면, 열원(15) 둘레의 바이패스 덕트(21)의 서모스태틱 밸브(23)는 도 3a에 도시되는 구성으로 복귀되도록 단계(S504)에서 재개방된다. 개방 한계값(T1b)은 폐쇄 한계값(T1a)과 동일할 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 서모스태틱 밸브(23)의 불안정성을 피하기 위한 히스테리시스(hysteresis)를 성립시키기 위해서, 개방 한계값(T1b)은 폐쇄 한계값(T1a)보다 인지가능하게 더 높을 수도 있으며, 예를 들어 5 K 내지 10 K 더 높을 수도 있다. 이 히스테리시스는 도 6에 도시된다. 어떤 타입의 서모스태틱 밸브, 예를 들어, 왁스 코어(wax core) 서모스태틱 밸브에 특정되나, 다른 타입의 밸브, 예를 들어 솔레노이드 밸브가 불안정성을 회피하기 위해서 이러한 히스테리시스를 가지고 동작되도록 또한 구성될 수 있다.
서모스태틱 밸브(23)가 단계(S504)에서 재개방된 후, 또는 만약 온도(T)가 이미 단계(S501)에서 제1 폐쇄 한계값(T1a)보다 더 높으면, 다음으로 단계(S505)에서, 윤활제의 온도(T)가 제2 폐쇄 한계값(T2a)과 비교된다. 만약 윤활제의 온도(T)가 제2 폐쇄 한계값(T2a)과 동일하거나 더 높으면, 단계(S506)에서 히트 싱크(18) 주위의 바이패스 덕트(20)의 서모스태틱 밸브(22)가 폐쇄되어, 도 3c에 도시되는 바와 같이, 이 바이패스 덕트(20)를 폐쇄하고, 윤활제가 히트 싱크(18)를 통과하도록 강제한다. 윤활제는 따라서 제1 엔진(5a)에서 생성되는 열을 배출하기 위해서 냉각된다. 제2 폐쇄 한계값(T2a)은 제1 폐쇄 한계값(T1a)보다, 그리고 또한 제1 개방 한계값(T1b)보다 실질적으로 더 높고, 그리고 예시로서 제2 폐쇄 한계값은 353 K 내지 363 K 범위 내에 놓여 있을 수도 있다.
만약 서모스태틱 밸브(22)가 이와 같이 폐쇄되면, 다음으로 이어지는 단계(S507)에서 윤활제의 온도(T)는 제2 개방 한계값(T2b)과 비교된다. 온도(T)가 개방 한계값(T1b) 보다 낮지 않는 한, 이 단계는 루프에서 규칙적으로 반복된다. 만약 윤활제의 온도(T)가 이 개방 한계값(T2b) 보다 낮으면, 히트 싱크(18) 둘레의 바이패스 덕트(20)의 서모스태틱 밸브(22)는 도 3b에 도시되는 구성으로 복귀되기 위해서 단계(S508)에서 재개방된다. 개방 한계값(T2b)은 폐쇄 한계값(T2a)과 동일할 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 서모스태틱 밸브(22)의 불안정성을 피하기 위한 히스테리시스를 성립시키기 위해서, 개방 한계값(T2b)은 폐쇄 한계값(T2a)보다 인지가능하게 더 낮으며, 예를 들어 5 K 내지 10 K 더 낮으며, 제1 폐쇄 한계값(T1a)보다, 그리고 제1 개방 한계값(T1b)보다 실질적으로 더 높게 남아 있다. 이 히스테리시스는 또한 도 6에 도시된다.
그럼에도 불구하고, 다른 대안이 터빈 엔진의 윤활제의 온도를 조절하기 위해서, 특히 터닝 모드에서 터빈 엔진의 윤활제를 가열하기 위해서 고려될 수 있다. 따라서, 도 7에 도시되는 제2 실시형태에서, 윤활 회로(14)는 2 개의 열원(15a 및 15b)을 갖는다: 제1 열원(15a)은 도 4a 내지 도 4g에 도시되는 임의의 변형예에 따르는 한편, 제2 열원(15b)은 탱크(16)에 있는 전기 저항기(29)를 포함한다. 이 제2 실시형태에서 나머지 구성요소는 앞의 도면에서 동일한 참조 번호를 받는 구성요소와 동일하다.
도 8의 흐름도는, 전기 저항기(29)에 대한 전력 공급이 비활성화되고, 그리고 서모스태틱 밸브(22 및 23)가 개방된 초기 상태로부터 시작되는 이 제2 실시형태를 조절하는 방법을 도시한다. 단계(S1101)에서, 윤활제의 온도(T)는 제1 폐쇄 한계값(T1a)과 비교된다. 만약 윤활제의 온도(T)가 폐쇄 한계값(T1a)과 동일하거나 더 낮으면, 단계(S1102)에서 제1 열원(15a) 주위의 바이패스 덕트(21)의 서모스태틱 밸브(23)가 폐쇄되어, 도 3a에 도시되는 바와 같이, 이 바이패스 덕트(21)를 폐쇄하고, 윤활제가 제1 열원(15a)를 통과하도록 강제한다. 윤활제는, 제1 엔진(5a)이 터닝 모드에 있다고 하더라도, 윤활제가 유동되는 것을 보장하도록 이와 같이 가열된다. 예시로서, 제1 폐쇄 한계값(T1a)은 333 K 내지 343 K 범위 내에 놓일 수 있다.
그럼에도 불구하고, 윤활제의 온도(T)는 윤활제가 제1 열원(15a)만에 의해서 신속하게 충분하게 가열되는 것을 가능하게 하기에 너무 낮은 경우가 발생될 수 있다. 결과적으로, 다음의 단계(S1103)에서, 윤활제의 온도(T)가 제1 폐쇄 한계값(15a)보다 실질적으로 더 낮은 활성 한계값(T0a)와 비교된다. 만약 윤활제의 온도(T)가 활성 한계값(T0a)과 같거나 또는 더 낮으면, 전기 저항기(29)에 대한 전력 공급이 단계(S1104)에서 활성화되어, 윤활 회로(14)를 통과하는 윤활제에 보내지는 열을 생성한다. 이것은 윤활제의 추가적인 가열을 획득한다. 예시로서, 이 실시형태에서, 활성 한계값(T0a)은 283 K 내지 293 K 범위 내에 놓일 수 있다.
만약 전기 저항기(29)에 대한 전력 공급이 이와 같이 활성화되면, 다음으로 이어지는 단계(S1105)에서, 윤활제의 온도(T)는 비활성 한계값(T0b)과 비교된다. 온도(T)가 비활성 한계값(T0b)보다 높지 않는 한, 이 단계는 루프로 규칙적으로 반복된다. 만약 윤활제의 온도(T)가 비활성 한계값(T0b)보다 더 높으면, 다음으로 전기 저항기(29)에 대한 전력 공급이 단계(S1106)에서 비활성화된다. 비활성 한계값(T0b)은 활성 한계값(T0a)과 동일할 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 히스테리시스를 성립시키기 위해서, 비활성 한계값(T0b)은 활성 한계값(T0a)보다 인지가능하게 더 높을 수도 있으며, 예를 들어 5 K 내지 10 K 더 높을 수도 있는 한편, 제1 폐쇄 한계값(T1a)보다 실질적으로 더 낮게 유지될 수도 있다. 이 히스테리시스는 도 9에 도시된다.
단계(S1106)에서 전기 저항기(26)에 대한 전력 공급의 비활성 후, 또는 만약 온도(T)가 이미 단계(S1103)에서 활성 한계값(T0a)보다 더 높으면, 단계(S1107)에서 윤활제의 온도(T)가 제1 개방 한계값(T1b)과 비교된다. 온도(T)가 이 개방 한계값(T1b)보다 더 높지 않는 한, 방법은 단계(S1103)로 복귀되고, 적어도 단계(S1103 및 S1107)가 루프로 반복된다. 만약 윤활제의 온도(T)가 제1 개방 한계값(T1b)보다 더 높으면, 열원(15)의 바이패스 덕트(21)의 서모스태틱 밸브(23)는 단계(S1108)에서 재개방된다. 제1 개방 한계값(T1b)은 제1 폐쇄 한계값(T1a)과 동일할 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 서모스태틱 밸브(23)의 불안정성을 피하기 위한 히스테리시스를 성립시키기 위해서, 제1 개방 한계값(T1b)은 제1 폐쇄 한계값(T1a)보다 인지가능하게 더 높을 수도 있으며, 예를 들어 5 K 내지 10 K 더 높을 수도 있다. 이 히스테리시스는 또한 도 9에 도시된다.
단계(S1108)에서 서모스태틱 밸브(23)의 재개방 후, 또는 만약 온도(T)가 이미 단계(S1101)에서 제1 폐쇄 한계값(T1a)보다 더 높으면, 다음으로 단계(S1109)에서, 윤활제의 온도(T)가 제2 폐쇄 한계값(T2a)과 비교된다. 만약 윤활제의 온도(T)가 제2 폐쇄 한계값(T2a)과 동일하거나 더 높으면, 단계(S1110)에서 히트 싱크(18) 주위의 바이패스 덕트(20)의 서모스태틱 밸브(22)가 폐쇄되어, 바이패스 덕트(20)를 폐쇄하고, 윤활제가 히트 싱크(18)를 통과하도록 강제한다. 윤활제는 따라서 제1 엔진(5a)에서 생성되는 열을 배출하기 위해서 냉각된다. 제2 폐쇄 한계값(T2a)은 제1 폐쇄 한계값(T1a)보다, 그리고 제1 개방 한계값(T1b)보다 실질적으로 더 높고, 그리고 예를 들어 제2 폐쇄 한계값은 353 K 내지 363 K 범위 내에 놓여 있을 수도 있다.
만약 서모스태틱 밸브(22)가 이와 같이 폐쇄되면, 다음으로 이어지는 단계(S1111)에서 윤활제의 온도(T)는 제2 개방 한계값(T2b)과 비교된다. 온도(T)가 이 개방 한계값(T1b) 보다 더 낮지 않는 한, 이 단계는 루프로 규칙적으로 반복된다. 만약 윤활제의 온도(T)가 이 개방 한계값(T2b) 보다 더 낮으면, 히트 싱크(18) 둘레의 바이패스 덕트(20)의 서모스태틱 밸브(22)는 단계(S1112)에서 재개방된다. 개방 한계값(T2b)은 폐쇄 한계값(T2a)과 동일할 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 서모스태틱 밸브(22)의 불안정성을 방지하기 위한 히스테리시스를 성립시키기 위해서, 개방 한계값(T2b)은 제2 폐쇄 한계값(T2a) 보다 인지가능하게 더 낮을 수 있으며, 예를 들어 5 K 내지 10 K 더 낮을 수 있으며, 제1 폐쇄 한계값(T1a)보다, 그리고 제1 개방 한계값(T1b)보다 실질적으로 더 높게 남아 있을 수도 있다. 이 히스테리시스는 또한 도 9에 도시된다.
일반적으로, 윤활 회로에서 비활성되거나 또는 바이패스될 수 있은 복수의 열원을 결합하는 것을 고려하는 것이 항상 가능하다. 따라서, 도 10에 도시되는 제2 실시형태에서, 2 개의 열원(15a 및 15b)은 윤활 회로(14)에서 병렬로 배치된다. 이 2 개의 열원(15a 및 15b) 각각은 도 4a 내지 도 4g에서 도시되는 변형예 중 임의의 하나에 대응할 수도 있다. 다른 구성요소는 제1 실시형태의 것과 유사하고, 이들은 동일한 참조 번호를 부여 받는다. 따라서, 공통의 폐쇄가능한 바이패스 덕트(21)는 동시에 열원(15a 및 15b) 양자를 바이패스하도록 기능하고, 윤활제의 온도는 도 5의 방법을 사용하여 조절될 수 있다. 도 11에 도시되는 제4 실시형태에서, 2 개의 열원(15a 및 15b)은 제2 실시형태에서와 같이, 탱크(16)의 전기 저항기(29)를 포함하는 제3 열원(15c)과 결합된다. 다른 구성요소는 제2 실시형태의 것과 유사하고, 이들은 동일한 참조 번호를 부여 받는다. 이 실시형태에서 윤활제의 온도는 도 8의 방법을 사용하여 조절될 수 있다.
도 12는, 제3 실시형태와 유사하나 2 개의 열원(15a 및 15b)이 병렬보다는 직렬인 제5 실시형태를 도시한다. 제3 실시형태의 것과 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여 받는다. 도 13은, 제4 실시형태와 유사하나 2 개의 열원(15a 및 15b)이 병렬보다는 직렬인 제6 실시형태를 도시한다. 제4 실시형태의 것과 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여 받는다. 마지막 2개의 실시형태에서, 제3 및 제4 실시형태에서와 같이, 2 개의 열원(15a 및 15b)은 공통의 폐쇄가능한 바이패스 덕트(21)를 갖고, 따라서 제5 실시형태를 위한 도 5의 방법 및 제6 실시형태를 위한 도 8의 방법을 사용하여 윤활제의 온도가 조절되는 것을 가능하게 한다. 그럼에도 불구하고, 제1 및 제2 열원 각각을 위한 개별적인 폐쇄가능한 바이패스 덕트를 윤활 회로에 장착하며, 개방 및 폐쇄 한계값이 개별 바이패스 덕트 각각의 폐쇄 장치에 대해서 동일하거나 또는 상이한 경우를 고려하는 것이 또한 가능하다.
본 발명은 특정 실시형태를 참조하여 설명되나, 이 실시형태에 대해서 다양한 변형 및 변경이 청구항에 의해서 정의되는 바와 같은 본 발명의 전체적인 범위를 넘어가지 않으면서 만들어질 수도 있다는 점이 명확하다. 예를 들어, 각각의 윤활 회로에서 구성요소에 대한 선택적 전기 전력 공급이, 예를 들어서 지정된 발전기 및/또는 배터리와 같은 항공기의 전기 네트워크와 다른 소스로부터 올 수도 있다. 또한, 설명된 다양한 실시형태의 개별적 특징은 추가의 실시형태로 결합될 수도 있다. 결과적으로, 설명 및 도면은 제한적인 것보다는 도해적인 의미로 간주되어야 한다.

Claims (14)

  1. 터빈 엔진에(5a)에 있어서,
    압축기(8);
    상기 압축기(8)로부터 오는 공기와 연료의 혼합물의 연소를 위한 상기 압축기(8)로부터 하류에 위치되는 연소실(9);
    제1 회전 샤프트(11)를 통해서 상기 압축기(8)를 구동시키고, 상기 연소실(9)로부터 오는 연소 가스를 팽창시키기 위한 제1 터빈(10);
    상기 연소실(9)이 소화되어 있는 동안 상기 압축기(8) 및 상기 제1 터빈(10)을 회전 상태로 유지하도록 상기 제1 회전 샤프트(11)를 작동시키기 위한 액츄에이터 장치(13); 및
    상기 엔진(5a)을 윤활하기 위한 윤활 회로(14)를 적어도 포함하고;
    상기 회로는 상기 제1 회전 샤프트(11)의 적어도 하나의 베어링을 윤활하는 방식으로 배열되고, 그리고 상기 연소실(9)이 소화(extinguish)된 상태에서 상기 제1 터빈(10) 및 상기 압축기(8)가 회전되는 동안, 상기 윤활 회로(14)의 윤활제의 온도가 제1 미리결정된 한계값 아래로 떨어질 때, 상기 윤활 회로의 상기 윤활제를 가열하기 위한 열원(15, 15a - 15c)을 형성하는 적어도 하나의 열 교환기(24)를 통과하는 터빈 엔진(5a).
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 윤활 회로(14)는 상기 열원(15, 15a, 15b) 주위에 폐쇄가능한 바이패스 덕트(21)를 포함하는 터빈 엔진(5a).
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 윤활 회로(14)는, 상기 연소실(9)이 소화된 상태에서 상기 제1 터빈(10) 및 상기 압축기(8)의 회전 동안에 상기 윤활 회로(14)의 상기 윤활제를 가열하기에 적합한 적어도 2 개의 열원(15a - 15c)을 통과하는 터빈 엔진(5a).
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 2 개의 열원(15a, 15b)은 상기 윤활 회로(14)에 병렬로 배열되는 터빈 엔진(5a).
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 2 개의 열원(15a, 15b)은 상기 윤활 회로(14)에 직렬로 배열되는 터빈 엔진(5a).
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 윤활 회로(14)는, 상기 연소실(9)이 점화되어 있을 때 상기 윤활제를 냉각하기 위한 적어도 하나의 히트 싱크(18)를 또한 통과하는 터빈 엔진(5a).
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 교환기(24)는, 상기 제1 엔진(5a)의 상기 연소실(9)이 소화되어 있는 동안 상기 제1 엔진(5a)의 압축기(8) 및 상기 제1 터빈(10)의 회전 중 상기 제1 엔진(5a)의 상기 윤활 회로(14)의 윤활제에 상기 액츄에이터 장치(13)으로부터의 열을 전달하도록 구성되는 터빈 엔진(5a).
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 액츄에이터 장치(13)는 상기 제1 회전 샤프트(11)에 기계적으로 연결되는 전기 기계(13a)를 포함하는 터빈 엔진(5a).
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 액츄에이터 장치(13)는 상기 전기 기계(13a)에 전기적으로 동력을 공급하기 위한 전력 변환기(13b)를 더 포함하는 터빈 엔진(5a).
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 동력 인출 샤프트(6)에 기계적으로 연결되고, 상기 제1 터빈(10)으로부터 하류에 배치되는 제2 터빈(12)을 더 포함하는 터빈 엔진(5a).
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 따른 하나의 제1 터빈 엔진(5a), 및 제2 터빈 엔진(5b)을 적어도 포함하는 동력 장치(4).
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 열 교환기(24)는, 상기 제1 엔진(5a)의 상기 연소실(9)이 소화된 상태에서 상기 제1 엔진(5a)의 상기 압축기(8) 및 상기 제1 터빈(10)의 회전 동안, 상기 제1 엔진(5a)의 상기 윤활 회로(14)의 윤활제에 상기 제2 엔진(5b)으로부터의 열을 전달하도록 구성되는 동력 장치(4).
  13. 압축기(8); 상기 압축기(8)로부터 오는 공기와 연료의 혼합물의 연소를 위한 상기 압축기(8)로부터 하류에 위치되는 연소실(9); 제1 회전 샤프트(11)를 통해서 상기 압축기(8)를 구동하고, 상기 연소실(9)로부터 오는 연소 가스를 팽창시키기 위한 제1 터빈(10); 및 상기 제1 회전 샤프트(11)를 작동시키기 위한 액츄에이터 장치(13)를 적어도 포함하는 터빈 엔진(5a)의 윤활 회로(14)의 윤활제의 온도를 조절하는 방법에 있어서, 상기 제1 회전 샤프트(11)의 적어도 하나의 베어링을 윤활하는 기능을 하는 상기 윤활제는 열원(15, 15a - 15c)을 형성하는 열 교환기(24)를 통해서 지향되며, 상기 연소실(9)이 소화된 상태에서 상기 제1 터빈(10) 및 상기 압축기(8)가 상기 액츄에이터 장치(13)에 의해서 회전되는 상태로 유지되는 동안 상기 윤활제의 온도가 제1 미리결정된 한계값 아래로 떨어질 때 상기 윤활제를 가열하기 위해서 상기 윤활 회로(14)가 상기 열원을 통과하는 온도 조절 방법.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 윤활제는, 상기 연소실(9)이 점화되어 있는 동안, 상기 윤활제의 온도가 제2 미리결정된 한계값을 넘을 때 상기 윤활제를 냉각시키기 위해서 상기 윤활 회로(14)가 통과하는 히트 싱크(18)를 통해서 지향되는 온도 조절 방법.
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