KR20160135765A - 제어식 기계적 결합 장치를 구비하는 터보샤프트 엔진, 이러한 터보샤프트 엔진이 설비되어 있는 헬리콥터, 및 이러한 헬리콥터의 무동력 수퍼 아이들 속도를 최적화하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전될 수 있는 가스 발생장치(5) 및 상기 가스 발생장치의 가스에 의해 회전되는 자유 터빈(6)을 구비하는 터보샤프트 엔진에 관한 것이고, 상기 가스 발생장치(5)와 상기 자유 터빈(6)의 제어식 기계적 결합을 위한 장치(40)를 구비하는데, 이 장치는 상기 가스 발생장치(5)의 회전 속도가 소정의 한계 속도에 도달하자마자 상기 가스 발생장치(5)와 상기 자유 터빈(6)을 요구가 있을 때 기계적으로 연결시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

제어식 기계적 결합 장치를 구비하는 터보샤프트 엔진, 이러한 터보샤프트 엔진이 설비되어 있는 헬리콥터, 및 이러한 헬리콥터의 무동력 수퍼 아이들 속도를 최적화하기 위한 방법{TURBOSHAFT ENGINE COMPRISING A CONTROLLED MECHANICAL COUPLING DEVICE, HELICOPTER EQUIPPED WITH SUCH A TURBOSHAFT ENGINE, AND METHOD FOR OPTIMISING THE ZERO-POWER SUPER-IDLE SPEED OF SUCH A HELICOPTER}

본 발명은 다발 엔진 헬리콥터, 특히 쌍발 엔진 헬리콥터에 설비되도록 되어 있는 터보샤프트 엔진에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 종류의 다발 엔진 헬리콥터, 특히 쌍발 엔진 헬리콥터의 무동력 수퍼 아이들링 모드를 최적화하기 위한 방법에 관한 것이다.

헬리콥터는 일반적으로 헬리콥터의 비행 조건들에 좌우되는 속도로 작동하는 적어도 2개의 터보샤프트 엔진들이 제공된다. 다음에 오는 본 명세서에 걸쳐서, 헬리콥터는 이륙, 상승, 착륙 또는 제자리 비행과 같은 일시적인 단계들로부터 벗어나는 모든 비행 단계들 동안 약칭 AEO(All Engines Operative; 모든 엔진들이 작동하는 상태)로 알려진 모드로 정상 조건으로 전진하고 있는 순항 비행 상황에 있는 것으로 가정된다. 다음에 오는 본 명세서에 걸쳐서, 헬리콥터는 이용가능한 총 설치 동력을 발휘하는 것이 필요한 경우, 즉 이륙, 상승, 착륙의 일시적인 단계들, 및 터보샤프트 엔진들 중 하나가 약칭 OEI(One Engine Inoperative; 한쪽 엔진이 오작동하는 상태)로 지칭되는 기능장애가 있는 모드 동안 위험한 비행 상황에 있는 것으로 가정된다.

헬리콥터가 순항 비행 상황에 있는 경우 터보샤프트 엔진들이 그 최대 연속 동력(maximum continuous power; 이하 MCT) 이하의 낮은 동력 수준으로 작동한다는 것은 알려져 있다. 일부 배열들에서, 순항 비행 동안 터보샤프트 엔진들에 의해 제공되는 동력은 최대 이륙 동력(maximum take-off power; 이하 MTO)의 50 % 미만일 수 있다. 이들 낮은 동력 수준들은 비 소모량(specific consumption; 이하 SC)을 초래하고 그 결과 순항 비행 동안 연료의 과다소모를 초래하는데, 비 소모량은 터보샤프트 엔진의 연소실에 의한 시간당 연료 소모량과, MTO의 SC보다 대략 30 % 큰 상기 터보샤프트 엔진에 의해 제공되는 동력 사이의 관계로서 정의된다.

마지막으로, 지면에서 대기하고 있는 단계들 동안, 조종사는 일반적으로 엔진들을 재시동할 수 있는 것을 확실하게 하도록 여러 가지 터보샤프트 엔진들을 아이들링 모드(idling mode)로 설정하는 것을 선호한다. 따라서, 터보샤프트 엔진들은 어떤 동력도 제공하지 않는 경우라도 계속해서 연료를 소모한다.

이와 동시에, 터보샤프트 엔진들은 또한 항공기 제조사에 의해 특정된 전체 비행 범위를 넘는 비행, 특히 높은 고도에서 고온의 날씨 동안의 비행을 보장할 수 있도록 거대한 크기를 가진다. 매우 제한적인 이러한 비행 시점들, 특히 헬리콥터가 그 최대 이륙 질량에 가까운 질량을 가지는 경우에는 일부 헬리콥터들의 특별한 사용 케이스에 직면하게 된다. 결과적으로, 이러한 동력을 제공할 수 있도록 치수결정되더라도, 일부 터보샤프트 엔진들은 이러한 조건에서 결코 비행할 수 없을 것이다.

이러한 거대한 터보샤프트 엔진들은 질량과 연료 소모 측면에서 불리하다. 상술된 비행의 모든 경우들(순항 비행, OEI 모드, 지상활주, 제자리 비행 또는 지면에서의 대기)에서 연료 소모를 줄이기 위하여, 터보샤프트 엔진들 중 하나를 대기 모드로 설정하는 것이 가능하다. 활성상태 엔진 또는 엔진들은 이후 모든 필요한 동력을 제공하기 위하여 높은 동력 수준으로 작동하고, 결과적으로는 보다 바람직한 SC 수준으로 작동한다.

알려진 바와 같이, 헬리콥터의 터보샤프트 엔진은 가스 발생장치, 및 동력을 제공하기 위하여 가스 발생장치에 의해 동력공급되는 자유 터빈을 구비한다. 가스 발생장치는 통상적으로, 압축된 공기 안의 연료를 연소하기 위한 연소실이 공급되어 있는 공기 압축기들로 구성되어 있는데, 이 압축기들은 가스를 부분적으로 팽창시키기 위하여 고온 가스를 터빈에 공급하고, 이 터빈은 구동 샤프트를 이용하여 압축기를 회전시킨다. 가스는 이후 자유 동력 전달 터빈을 구동시킨다. 자유 터빈은 기어박스를 이용하여 헬리콥터의 로터에 동력을 전달한다.

FR1151717과 FR1359766에서, 출원인들은 적어도 하나의 터보샤프트 엔진을 연속적인 비행 모드로 지칭되는 안정된 비행 모드로 설정하는 가능성 및 적어도 하나의 터보샤프트 엔진을 필요에 따라 긴급하게 또는 정상적으로 이탈할 수 있는 특정 대기 모드로 설정하는 가능성에 의하여 헬리콥터의 터보샤프트 엔진들의 비 소모량을 최적화하기 위한 방법들을 제안하였다. 비행 상황의 변화가 대기상태에 있는 터보샤프트 엔진이 활성화되는 것을 필요로 하는 경우, 예컨대 헬리콥터가 순항 비행 상황에서 착륙 단계로 전이하려는 경우, 대기 모드를 벗어나는 전이는 '정상'으로 지칭된다. 이러한 종류의 대기 모드를 벗어나는 정상 전이는 10초 내지 1분의 기간에 걸쳐 일어난다. 활성상태 엔진에 동력 부족이나 이상이 있는 경우 또는 비행 조건들이 갑자기 난해하게 되는 경우, 대기 모드를 벗어나는 전이는 '긴급상황'으로 지칭된다. 이러한 종류의 대기 모드를 벗어나는 긴급 전이는 10초 미만의 기간에 걸쳐 일어난다.

출원인은 특히 다음에 오는 2개의 대기 모드들, 즉:

- 연소실이 착화되고 가스 발생장치의 샤프트가 명목상 속도의 20% 내지 60%의 속도로 회전하는 노멀 수퍼 아이들링(normal super-idling) 모드로 지칭되는 대기 모드;

- 연소실이 착화되고 가스 발생장치의 샤프트가 기계적인 보조수단으로 명목상 속도의 20% 내지 60%의 속도로 회전하는 어시스트 수퍼 아이들링(assisted super-idling) 모드로 지칭되는 대기 모드;

을 제안했었다.

노멀 수퍼 아이들링 모드의 단점은 더욱 낮은 아이들링에 도달하려고 시도함에 따라 점점 더 높아지게 되는 작동 온도이다. 그러나, 이는 이 모드에서 연료 소모를 최소화하는 이점을 가진다.

어시스트 수퍼 아이들링 모드는 작동 온도에 관한 이러한 문제점을 해결해내는 것을 가능하게 하는 한편, 추가로 연료 소모를 줄인다. 그러나, 이는 전기, 공압 또는 유압 구동 기계의 사용 및 이에 대응하는 결합장치의 사용을 필요로 한다.

추가적으로, 기술적인 문제점은 이어서, 더 이상 기계적으로 보조되지 않고 터보샤프트 엔진의 온도로 제한되지 않는 수퍼 아이들링 모드를 달성하는 것으로부터 일어난다. 따라서, 언급된 기술적인 문제점은 이러한 종류의 개선된 수퍼 아이들링 모드를 제공하는 것을 가능하게 하는 터보샤프트 엔진을 제공하는 것에 관한 것이다.

본 발명은, 연소실이 착화되고 가스 발생장치의 샤프트가 명목상 속도의 20 % 내지 60 %의 속도로 회전하는 수퍼 아이들링 모드를 가질 수 있을 뿐만 아니라 터보샤프트 엔진의 작동 온도에 의해 영향을 덜 받거나 외부 구동 장치에 의해 기계적으로 보조되지 않는, 터보샤프트 엔진을 제공하는 것을 목표로 한다.

따라서, 본 발명은 새로운 수퍼 아이들링 모드를 가질 수 있는 터보샤프트 엔진을 제공하는 것을 목표로 한다.

본 발명은 또한 본 발명에 따르는 적어도 하나의 터보샤프트 엔진을 구비하는 쌍발 엔진 헬리콥터를 제공하는 것을 목표로 한다.

본 발명은 또한 본 발명에 따르는 적어도 하나의 터보샤프트 엔진을 구비하는 본 발명에 따르는 쌍발 엔진 헬리콥터의 무동력 수퍼 아이들링 모드를 최적화하기 위한 방법을 제공하는 것을 목표로 한다.

이를 달성하기 위하여, 본 발명은 회전될 수 있는 가스 발생장치 및 상기 가스 발생장치의 가스에 의해 회전되는 자유 터빈을 구비하는 터보샤프트 엔진에 관한 것이다.

본 발명에 따르는 터보샤프트 엔진은 상기 가스 발생장치와 상기 자유 터빈의 제어식 기계적 결합을 위한 장치를 구비하는데, 이 장치는 상기 가스 발생장치의 회전 속도가 소정의 한계 속도에 도달하자마자 상기 가스 발생장치와 상기 자유 터빈을 요구가 있을 때 기계적으로 연결시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

따라서 본 발명에 따르는 터보샤프트 엔진은 가스 발생장치와 자유 터빈을 요구가 있을 때 기계적으로 연결시키는 것을 가능하게 한다. 가스 발생장치와 자유 터빈을 연결시키기 위한 명령은 가스 발생장치의 회전 속도에 좌우된다. 따라서, 본 발명에 따르는 터보샤프트 엔진은 외부 구동 기계를 요청할 필요가 없는 방식으로 가스 발생장치의 회전을 기계적으로 보조하는 것을 가능하게 한다. 동력은 터보샤프트 엔진의 자유 엔진으로부터 직접 획득되고, 결합 장치를 이용하여 전달된다.

유리하게도 본 발명에 따르면, 제어식 기계적 결합 장치는 상기 가스 발생장치의 회전 속도가 상기 소정의 한계 속도보다 느려지자마자 상기 가스 발생장치와 상기 자유 터빈을 요구가 있을 때 기계적으로 연결시킬 수 있고, 상기 가스 발생장치의 상기 회전 속도가 상기 소정의 한계 속도보다 빨라지자마자 상기 가스 발생장치와 상기 자유 터빈을 요구가 있을 때 분리시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 이 양태에 따르면, 제어식 결합 장치는 가스 발생장치가 소정의 한계 속도보다 느린 속도로 회전되고 있는 경우 가스 발생장치를 구동시키도록 자유 터빈에 힘을 가하는 것을 가능하게 한다. 환언하자면, 가스 발생장치와 자유 터빈의 제어식 기계적 결합을 위한 장치가 설비되어 있는 본 발명에 따르는 터보샤프트 엔진은 가스 발생장치와 자유 터빈이 기계적으로 독립적인 자유 터빈(free-turbine)으로 지칭되는 구성(또는 모드)으로부터 가스 발생장치와 자유 터빈이 기계적으로 연결되는 연결식 터빈(connected-turbine)으로 지칭되는 구성(또는 모드)으로 요구가 있을 때 터보샤프트 엔진을 전환시키는 것을 가능하게 한다.

소정의 한계 속도는, 터보샤프트 엔진이 수퍼 아이들링 모드에 있는 경우, 즉 자유 터빈이 더 이상 어떤 토크도 만들어내지 않고 상기 터빈이 연결되는 항공기의 기어박스의 입구에서보다 작은 속도로 자유롭게 회전운동하고 있는 경우, 가스 발생장치와 자유 터빈이 기계적으로 연결되는 것이 가능하도록 선택되는 것이 유리하다. 토크가 제로일 때 그 정상 상태 속도보다 더욱 느리게 회전하도록 자유 터빈에 힘을 가함으로써, 이는 결과적으로 가스 발생장치가 압축기를 구동시키는 것을 허용할 수 있는 엔진 토크를 제공할 것이고, 결과적으로 연결식 터빈 구성에 대응한다.

따라서, 본 발명에 따르는 터보샤프트 엔진은 수퍼 아이들링 모드로 설정될 수 있는데, 이 모드 동안에는 자유 터빈이 가스 발생장치를 구동시키고, 터보샤프트 엔진의 고온 부품들의 온도들을 낮추는 것 및 연료 소모를 줄이는 것을 가능하게 한다.

유리하게도 본 발명에 따르면, 한계 속도는 상기 가스 발생장치의 명목상 속도에 좌우된다.

본 발명의 이 양태에 따르면, 한계 속도는 가스 발생장치의 명목상 속도에 직접적으로 좌우된다.

유리하게도 이 변형예에 따르면, 한계 속도는 [20%.N1, 60%.N1]의 범위 내에서 선택되고, 여기서 N1은 상기 가스 발생장치의 상기 명목상 속도이다.

환언하자면, 이 변형예에 따르는 터보샤프트 엔진은, 가스 발생장치의 회전 속도가 아이들 모드에 대응하는 한계 값(여기에서는 가스 발생장치의 명목상 속도의 20 % 내지 60 %로 정의됨) 아래로 강하하자마자 자유 터빈 모드로부터 연결식 터빈 모드로 전환된다.

유리하게도 본 발명에 따르면, 상기 제어식 기계적 결합 장치는:

- 상기 가스 발생장치의 상기 회전 속도를 표시하는 정보를 판독하기 위한 수단;

- 상기 가스 발생장치에 기계적으로 연결되는 샤프트와 상기 자유 터빈에 기계적으로 연결되는 샤프트 사이의 가역적인 기계적 결합을 위한 수단;

- 상기 가스 발생장치의 상기 회전 속도를 표시하는 상기 정보에 기초하여, 그리고 상기 한계 속도에 기초하여 상기 결합 수단을 제어하기 위한 수단;

을 구비한다.

유리하게도 변형예에서, 결합 장치는, 엔진이 대기 모드로 설정되는 것을 미리 요청한 엔진 컴퓨터로부터의 명령을 이용하여 상기 결합 수단을 승인하기 위한 수단을 더 구비한다.

본 발명의 이 양태에 따르면, 판독 수단은 가스 발생장치의 회전 속도를 표시하는 정보를 얻는 것을 가능하게 한다. 제어 수단은 이 정보를 해석하는 것 및 한계 속도와 비교하는 것을 가능하게 한다. 회전 속도가 한계 속도보다 느린 것으로 발견되는 경우라면, 그리고 엔진이 대기 모드로 설정되는 것을 엔진 컴퓨터가 실제로 미리 요청한 경우라면, 명령은 가스 발생장치와 자유 터빈 사이의 기계적인 결합을 보장하는 결합 수단으로 보내지고, 결과적으로 터보샤프트 엔진을 연결식 터빈 모드로 전환시킨다. 이 기계적인 결합은 가스 발생장치와 자유 터빈에 각각 기계적으로 연결되어 있는 중간 샤프트들를 이용하여 달성된다.

본 명세서에 걸쳐서, "샤프트(shaft)"라는 용어는 회전될 수 있으면서 토크를 전달할 수 있는 수단을 나타낸다. 따라서, 샤프트는 길이방향으로 뻗어있는 샤프트일 수 있을 뿐만 아니라, 간단히 피니언 기어일 수도 있다.

이들 결합 수단은 임의의 종류의 것일 수 있다. 유리한 변형예에 따르면, 이들 결합 수단은 적어도 하나의 마찰 클러치, 폴(pawl), 및 싱크로나이저가 제공되어 있는 폴을 구비하는 그룹 중에서 선택된다.

싱크로나이저가 제공되어 있는 폴은 클러치작동하기 전에 샤프트들의 각각의 속도들을 동조시키는 것(synchronise)을 가능하게 하고, 싱크로나이저가 없는 경우 속도 차를 보다 더 양호하게 관리하는 것을 가능하게 한다.

유리하게도, 이들 결합 수단은 상기 가스 발생장치에 기계적으로 연결되어 있는 샤프트와 상기 자유 터빈에 기계적으로 연결되어 있는 샤프트 사이에 예비 결합 단계 동안 일시적인 슬라이딩을 허용하도록 설계되어 있다.

유리하게도, 본 발명에 따르는 터보샤프트 엔진은 상기 가스 발생장치와 상기 자유 터빈을 자발적이면서 기계적으로 결합하기 위한 장치를 더 구비하는데, 이 장치는 상기 자유 터빈의 회전 속도에 대한 상기 가스 발생장치의 회전 속도의 비가 소정의 한계 값에 도달하자마자 상기 가스 발생장치와 상기 자유 터빈을 기계적이면서 자발적으로 연결시킬 수 있다. 상기 자유 터빈의 회전 속도에 대한 상기 가스 발생장치의 회전 속도의 비를 위한 한계 값은 제어식 결합 장치가 활성화되는 경우 획득되는 것보다 특히 작으므로, 자유 터빈이 로터에 결합되어 있는 동안 그 명목상 속도로 회전하고 있는 경우 가스 발생장치는 아이들링 비행 동안의 그 회전 속도보다 10 % 내지 20 % 정도로만 빠르게 회전한다.

다른 실시예에 따르는 터보샤프트 엔진은 가스 발생장치가 한계 속도에 도달하는 경우 제어되는 기계적인 결합을 위한 장치에 추가하여 자발적이면서 기계적인 결합을 위한 장치를 구비한다. 제어식 기계적 결합 장치와 달리, 자발적이면서 기계적인 결합 장치를 이용한 가스 발생장치와 자유 터빈 사이의 기계적인 연결은 가스 발생장치의 회전 속도에는 좌우되지 않지만, 자유 터빈의 회전 속도에 대한 가스 발생장치의 회전 속도의 비에는 좌우된다.

따라서, 본 발명의 이 변형예에 따르는 터보샤프트 엔진은 소정의 조건들이 도달되는 경우 가스 발생장치를 구동시키도록 자유 터빈에 힘을 가하는 것을 가능하게 한다. 환언하자면, 가스 발생장치와 자유 터빈을 자발적이면서 기계적으로 결합하기 위한 장치가 제공되어 있는 본 발명에 따르는 터보샤프트 엔진은 외부 보조수단 및/또는 제어 장치 없는 상태로 터보샤프트 엔진을 자유 터빈으로 지칭되는 구성으로부터 연결식 터빈으로 지칭되는 구성으로 자동적이면서 자발적으로 전환시키는 것을 가능하게 한다. 따라서, 자유 모드로부터 연결 모드로의 이 전환은 가스 발생장치의 회전 속도뿐만 아니라 자유 터빈의 회전 속도에 대한 가스 발생장치의 회전 속도의 비에 좌우된다.

유리하게도 이 변형예에 따르면, 상기 자발적이면서 기계적인 결합 장치는 속도들의 비가 상기 소정의 한계 값보다 작아지자마자 상기 가스 발생장치와 상기 자유 터빈을 기계적이면서 자발적으로 연결시킬 수 있고, 상기 비가 상기 소정의 한계 값보다 커지자마자 상기 가스 발생장치와 상기 자유 터빈을 자발적으로 분리시킬 수 있다.

유리하게도, 아이들링 상태에 가까운 연결식 터빈 작동은, 특히 신속한 피칭 동안 로터의 회전수의 강하가 일어나는 경우 순간적인 성능을 향상시킨다. 이는 가스 발생장치가 자유 터빈 모드의 무동력에서 요구되는 속도보다 빠른 속도로 회전하기 때문이다. 따라서, 엔진은 자유 터빈 터보샤프트 엔진이 이 속도에서 가질 수 있는 값에, 심지어 가스 터빈이 가속하기 시작하기 전에 가속 한계에 신속하게 도달함으로써 생기는 추가적인 동력을 더한 것에 대응하는 그 결과 생기는 동력을 자유 터빈 상에 매우 신속하게 만들어 낸다.

유리하게도 이 변형예에 따르면, 상기 자발적이면서 기계적인 결합 장치는 상기 가스 발생장치와 함께 감속비(K1)를 가지는 제 1 샤프트와, 자유 터빈과 함께 감속비(K2)를 가지는 제 2 샤프트를 연결시키는 적어도 하나의 프리 휠을 구비하고, 상기 프리 휠은 속도들의 상기 비가 비(K2/K1)보다 작아지자마자 상기 자유 터빈이 상기 샤프트들과 상기 프리 휠을 이용하여 상기 가스 발생장치를 자발적으로 구동시키도록 배열되어 있다.

유리하게도 이 변형예에 따르는 터보샤프트 엔진은 중간 샤프트에 단단히 연결되는 시동기 겸 발전기를 구비하고, 상기 자발적이면서 기계적인 결합 장치는 상기 중간 샤프트를, 상기 가스 발생장치와 함께 감속비(K1)를 가지는 상기 제 1 샤프트 및 자유 터빈과 함께 감속비(K2)를 가지는 제 2 샤프트에 각각 연결시키는 2개의 프리 휠들을 구비하고, 상기 휠들은 속도들의 비가 비(K2/K1)보다 작아지자마자 상기 자유 터빈이 상기 샤프트들과 상기 프리 휠들을 이용하여 상기 가스 발생장치를 자발적으로 구동시키도록 배열되어 있다. 더욱이, 상기 시동기 겸 발전기가 발전기로서 기능하는 경우에는 중간 샤프트에 단단히 연결되어 있는 상기 시동기 겸 발전기가 자유 터빈에 의해 구동되고, 상기 시동기 겸 발전기가 시동기로서 기능하는 경우에는 상기 시동기 겸 발전기가 가스 발생장치를 구동시킨다.

본 발명은 또한 쌍발 엔진 헬리콥터에 관한 것이고, 본 발명에 따르는 적어도 하나의 터보샤프트 엔진을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한 회전될 수 있는 가스 발생장치 및 상기 가스 발생장치의 가스에 의해 회전되는 자유 터빈을 구비하는 적어도 하나의 터보샤프트 엔진을 구비하는 쌍발 엔진 헬리콥터의 무동력 수퍼 아이들링 모드를 최적화하기 위한 방법에 관한 것이고. 상기 가스 발생장치의 회전 속도가 소정의 한계 속도에 도달하자마자 상기 가스 발생장치와 상기 자유 터빈을 제어되면서 기계적으로 결합시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

유리하게도, 본 발명에 따르는 방법은 상기 자유 터빈의 회전 속도에 대한 상기 가스 발생장치의 회전 속도의 비가 소정의 한계 값에 도달하자마자 상기 가스 발생장치와 자유 터빈을 자발적이면서 기계적으로 결합시키는 단계를 추가로 구비한다.

본 발명은 또한 터보샤프트 엔진, 헬리콥터, 및 무동력 수퍼 아이들링 모드를 최적화하기 위한 방법에 관한 것이고, 위에서 언급되거나 다음에 오는 특성들 중 일부나 전부로 조합되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점은, 첨부의 도면들과 관련되어 있으면서 순수하게 제한없는 예시로 주어진 다음에 오는 발명의 상세한 설명을 읽는 즉시 자명해질 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따르는 터보샤프트 엔진의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따르는 터보샤프트 엔진의 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따르는 터보샤프트 엔진의 개략적인 도면이다.

도면에 나타나 있는 바와 같이, 본 발명에 따르는 터보샤프트 엔진은 가스 발생장치(5) 및 가스 발생장치(5)에 의해 동력공급되는 자유 터빈(6)을 구비한다. 알려진 바와 같이, 가스 발생장치(5)는 압축된 공기 안의 연료를 연소하기 위한 연소실(8)이 공급되어 있는 적어도 하나의 공기 압축기(7)를 구비하는데, 이 공기 압축기는 가스를 부분적으로 팽창시키기 위하여 고온 가스를 적어도 하나의 터빈(9)에 공급하고, 이 터빈은 구동 샤프트(10)를 이용하여 압축기(7)를 회전시킨다. 가스는 또한 자유 동력 전달 터빈(6)을 구동시킨다. 이 자유 터빈(6)은 프리 휠(12)을 이용하여 동력 전달 기어박스(도면에는 나타나 있지 않음)에 연결되어 있는 동력 전달 샤프트(11)를 구비한다. 이 프리 휠(12)은 터보샤프트 엔진의 기계적인 잠금이 동력 전달 기어박스의 기계적인 잠금, 더 나아가 상기 터보샤프트 엔진이 그 위에 장착되는 헬리콥터의 로터의 기계적인 잠금을 유발하는 것을 방지하는 것을 가능하게 한다.

본 발명에 따르는 터보샤프트 엔진은 가스 발생장치(5)와 자유 터빈(6)을 제어되면서 기계적으로 결합하기 위한 장치(40)를 더 구비하는데, 이 장치는 가스 발생장치의 회전 속도(NGG)가 소정의 한계 속도보다 느려지자마자 가스 발생장치(5)와 자유 터빈(6)을 요구가 있을 때 기계적으로 연결시킬 수 있다. 본 명세서에 걸쳐서, 가스 발생장치의 회전 속도(NGG)는 가스 발생장치의 구동 샤프트(10)의 회전 속도를 나타낸다. 이와 동일한 방식으로, 자유 터빈의 회전 속도(NTL)는 자유 터빈의 구동 샤프트(11)의 회전 속도를 나타낸다.

이 한계 속도는, 예컨대 30 %.N1으로 고정되어 있고, 여기서 N1은 가스 발생장치의 명목상 회전 속도이다. 환언하자면, 제어식 기계적 결합 장치(40)는 터보샤프트 엔진이 아이들링 모드에 있는 경우 가스 발생장치와 자유 터빈 사이의 결합을 보장할 수 있다. 가스 발생장치의 회전 속도(NGG)는 한계 속도보다 빠르고, 가스 발생장치와 자유 터빈은 서로 기계적으로 독립적이다.

도면에 있는 실시예에 따르면, 제어 장치(40)는 가스 발생장치(5)에 기계적으로 연결되는 샤프트(42), 및 자유 터빈에 기계적으로 연결되는 샤프트(43)를 구비한다. 제어 장치(40)는 가스 발생장치(5)의 상기 회전 속도(NGG)를 표시하는 정보를 판독하기 위한 수단을 더 구비한다. 이들 판독 수단은, 예컨대 가스 발생장치(5)의 샤프트 상에 장착되는 속도 센서를 구비하므로, 제공된 정보는 가스 발생장치(5)의 속도의 직접적인 측정값이다. 제어 장치는 2개의 샤프트들(42, 43)을 가역적으로 결합하기 위한 수단(41), 및 이 결합 수단(41)을 제어하기 위한 수단을 더 구비한다.

일 실시예에 따르면, 결합 수단(41)은 원심 클러치, 원뿔 클러치, 단판 클러치 또는 다판 클러치와 같은 마찰 클러치를 구비한다. 이러한 종류의 결합 수단은 제 1 결합 단계에서 샤프트들 사이의 슬라이딩을 허용하는 이점을 가진다. 일 실시예에 따르면, 이 마찰 클러치를 제어하기 위한 수단은 액추에이터와 유사한 유압 또는 전기 제어 수단이다. 더욱이, 제어 수단은, 가스 발생장치의 속도의 측정값을 수신할 수 있을 뿐만 아니라 이 측정값을 한계 속도와 비교할 수 있는 모듈을 구비한다. 이러한 종류의 모듈은, 예컨대 소프트웨어 요소, 소프트웨어 프로그램의 서브 유닛 또는 하드웨어 요소, 또는 하드웨어 요소와 소프트웨어 서브프로그램의 조합이다.

다른 실시예에 따르면, 결합 수단(41)은 속도 차를 양호하게 관리하기 위한 싱크로나이저가 선택적으로 설비되어 있는 폴을 구비하고, 샤프트들(42, 43)을 직접 결합하는 것을 가능하게 한다.

도 2와 도 3에는 2개의 실시예들이 나타나 있는데, 여기에서 터보샤프트 엔진은 가스 발생장치(5)와 자유 터빈(6)을 자발적이면서 기계적으로 결합하기 위한 장치(20)를 더 구비하고 있다. 이 자발적이면서 기계적인 결합 장치(20)는, 자유 터빈(6)의 샤프트(11)의 회전 속도에 대한 가스 발생장치(5)의 샤프트(10)의 회전 속도의 비가 소정의 한계 값보다 작아지자마자 가스 발생장치(5)와 자유 터빈(6)을 기계적이면서 자발적으로 연결시킬 수 있고, 비가 이 소정의 한계 값을 초과하자마자 가스 발생장치(5)와 자유 터빈(6)을 자발적으로 분리시킬 수 있다.

제 1 실시예에 따르면, 도 3에 나타나 있는 바와 같이, 이 자발적이면서 기계적인 결합 장치(20)는 가스 발생장치(5)의 샤프트(10)에 기계적으로 연결되어 있는 샤프트(22)를 구비한다. 상기 샤프트(22, 10)는 K1에 관한 값들 사이의 감속비를 가진다.

자발적이면서 기계적인 결합 장치(20)는 자유 터빈(6)의 샤프트(11)에 기계적으로 연결되어 있는 샤프트(23)를 더 구비한다. 상기 샤프트(23, 11)는 K2에 관한 값들 사이의 감속비를 가진다.

결합 장치(20)는 샤프트들(22, 23) 사이에 배열되어 있는 프리 휠(21)을 더 구비한다.

따라서, 샤프트(22)의 회전 속도는 K1.NGG와 같고, 여기서 NGG는 가스 발생장치(5)의 샤프트(10)의 회전 속도이다.

샤프트(23)의 회전 속도는 K2.NTL과 같고, 여기서 NTL은 자유 터빈(6)의 샤프트(11)의 회전 속도이다.

프리 휠(21)은 샤프트(23)가 상기 프리 휠(21)을 이용하여 샤프트(22)를 구동시킬 수 있도록 배향되어 있다.

샤프트(23)의 회전 속도가 샤프트(22)의 회전 속도보다 느린 경우라면, 2개의 샤프트들은 독립적이다. 그렇지 않은 경우라면, 2개의 샤프트들은 연결되어 있다.

환언하자면, 다음에 오는 방정식: K2.NTL＜K1.NGG를 충족하는 경우라면 샤프트들은 독립적이다. 따라서, 비(NGG/NTL)＞K2/K1인 경우라면 샤프트들은 독립적이다.

속도비가 K2/K1보다 작거나 같은 경우라면, 엔진 토크는 결과적으로 자유 터빈(6)으로부터 가스 발생장치(5) 쪽으로 전달된다.

환언하자면, 비(NGG/NTL)가 K2/K1보다 작거나 같은 경우, 도 3과 관련하여 기술되어 있는 자발적이면서 기계적인 결합 장치(20)는 가스 발생장치(5)와 자유 터빈(6)을 기계적이면서 자발적으로 연결시키는 것을 가능하게 하는데, 이 비는 소정의 한계 값과 같은 역할을 한다. 장치는 또한 비(NGG/NTL)가 K2/K1를 초과하자마자 가스 발생장치(5)와 자유 터빈(6)을 자발적으로 분리시키는 것을 가능하게 한다.

가스 발생장치(5)의 회전 속도(NGG)가 한계 속도보다 느린 경우라면, 제어식 기계적 결합 장치(40)는 가스 발생장치(5)와 자유 터빈(6)은 결합 수단(41)을 이용하여 기계적으로 결합된다. 이 결합이 효과를 발휘하는 경우, 비(NGG/NTL)는 K2/K1보다 상당히 커진다. 따라서, 자발적이면서 기계적인 결합 장치(20)는 활성상태가 아니고, 프리 휠(21)은 슬라이딩한다. 따라서, 2개의 제어 장치(20, 40)는 서로 완전히 부합한다.

제 2 실시예에 따르면, 도 2에 나타나 있는 바와 같이, 터보샤프트 엔진은 시동기 겸 발전기(30)를 더 구비한다. 이 경우, 결합 장치는 도 2와 관련하여 기술되어 있는 샤프트들(22, 23)에 추가하여 시동기 겸 발전기(30)에 단단히 연결되어 있는 중간 샤프트(25)를 구비한다.

결합 장치(20)는 중간 샤프트(25)를 샤프트(23)에 연결시키는 제 1 프리 휠(26)을 더 구비한다. 상기 장치는 중간 샤프트(25)를 샤프트(22)에 연결시키는 제 2 프리 휠(24)을 더 구비한다.

도 3의 실시예에서와 같은 동일한 방식으로, 샤프트(22)의 회전 속도는 K1.NGG와 같고, 샤프트(23)의 회전 속도는 K2.NTL과 같다.

프리 휠들(26, 24)은, 시동기 겸 발전기(30)에 단단히 연결되어 있는 중간 샤프트(25)가 샤프트(22)를 구동시킬 수 있고 샤프트(23)가 시동기 겸 발전기(30)에 단단히 연결되어 있는 중간 샤프트(25)를 구동시킬 수 있도록 배향되어 있다.

2개의 프리 휠들(26, 24)은 비(NGG/NTL)가 K2/K1과 같은 경우라면 동시에 구동된다.

비(NGG/NTL)가 K2/K1보다 작거나 같은 경우라면, 샤프트들(10, 11)은 결과적으로 기계적으로 연결되고, 엔진 토크는 자유 터빈(6)으로부터 가스 발생장치(5) 쪽으로 전달된다.

비(NGG/NTL)가 K2/K1보다 큰 경우라면, 샤프트는 결과적으로 기계적으로 독립적이다.

시동기 겸 발전기(30)는 자유 터빈에 의해 구동되거나(발전기로서 기능하는 경우) 가스 발생장치를 구동시킨다(시동기로서 기능하는 경우).

환언하자면, 도 2와 관련하여 기술되어 있는 기계적이면서 자발적인 결합 장치(20)는 또한 비(NGG/NTL)가 K2/K1보다 작거나 같은 경우 가스 발생장치(5)와 자유 터빈(6)을 기계적이면서 자발적으로 연결시키는 것을 가능하게 한다. 장치는 또한 비(NGG/NTL)가 K2/K1을 초과하자마자 가스 발생장치(5)와 자유 터빈(6)을 자발적으로 분리시키는 것을 가능하게 한다. 게다가, 발생기 및/또는 시동기 기능은 이 실시예에서 가능성이 있다.

가스 발생장치(5)의 회전 속도(NGG)가 한계 속도보다 느린 경우라면, 제어식 기계적 결합 장치(40)는 가스 발생장치(5)와 자유 터빈(6)이 결합 수단(41)을 이용하여 기계적으로 결합되는 것을 보장한다. 이 결합이 효과를 발휘하는 경우, 비(NGG/NTL)는 K2/K1보다 상당히 커진다. 따라서, 자발적이면서 기계적인 결합 장치(20)는 활성상태가 아니고, 2개의 프리 휠들(21, 26) 중 적어도 하나는 슬라이딩한다. 따라서, 2개의 제어 장치(20, 40)는 서로 완전히 부합한다.

본 발명은 또한 기술되어 있는 실시예들 중 하나에 따르는 적어도 하나의 터보샤프트 엔진을 구비하는 쌍발 엔진 헬리콥터의 무동력 수퍼 아이들링 모드를 최적화하기 위한 방법에 관한 것이다.

따라서, 이러한 종류의 방법은, 가스 발생장치(5)의 회전 속도가 소정의 한계 속도보다 느려지자마자 가스 발생장치(5)와 자유 터빈(6)을 기계적으로 결합시키는 단계를 구비한다.

본 발명에 따르는 방법은 유리하게도 기술되어 있는 실시예들 중 하나에 따르는 터보샤프트 엔진에 의해 구현된다. 기술되어 있는 실시예들 중 하나에 따르는 터보샤프트 엔진은 유리하게도 본 발명에 따르는 방법을 구현한다.

Claims (14)

1. 회전될 수 있는 가스 발생장치(5) 및 상기 가스 발생장치의 가스에 의해 회전되는 자유 터빈(6)을 구비하는 터보샤프트 엔진으로서,
   상기 가스 발생장치(5)와 상기 자유 터빈(6)의 제어식 기계적 결합을 위한 장치(40)를 구비하는데, 이 장치는 상기 가스 발생장치(5)의 회전 속도가 소정의 한계 속도에 도달하자마자 상기 가스 발생장치(5)와 상기 자유 터빈(6)을 요구가 있을 때 기계적으로 연결시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 터보샤프트 엔진.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어식 기계적 결합 장치(40)는 상기 가스 발생장치(5)의 상기 회전 속도(NGG)가 상기 소정의 한계 속도보다 느려지자마자 상기 가스 발생장치(5)와 상기 자유 터빈(6)을 요구가 있을 때 기계적으로 연결시킬 수 있고, 상기 가스 발생장치(5)의 상기 회전 속도(NGG)가 상기 소정의 한계 속도보다 빨라지자마자 상기 가스 발생장치(5)와 상기 자유 터빈(6)을 요구가 있을 때 분리시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 터보샤프트 엔진.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 한계 속도는 상기 가스 발생장치(5)의 명목상 속도에 좌우되는 것을 특징으로 하는 터보샤프트 엔진.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 한계 속도는 [20%.N1, 60%.N1]의 범위 내에서 선택되고, 여기서 N1은 상기 가스 발생장치의 상기 명목상 속도인 것을 특징으로 하는 터보샤프트 엔진.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제어식 기계적 결합 장치(40)는:
   - 상기 가스 발생장치의 상기 회전 속도(NGG)를 표시하는 정보를 판독하기 위한 수단;
   - 상기 가스 발생장치에 기계적으로 연결되는 샤프트(42)와 상기 자유 터빈(6)에 기계적으로 연결되는 샤프트(43) 사이의 가역적인 기계적 결합을 위한 수단(41);
   - 상기 가스 발생장치의 상기 회전 속도를 표시하는 상기 정보에 기초하여, 그리고 상기 한계 속도에 기초하여 상기 결합 수단(41)을 제어하기 위한 수단;
   을 구비하는 것을 특징으로 하는 터보샤프트 엔진.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 결합 수단(41)은 적어도 하나의 마찰 클러치, 폴, 및 싱크로나이저가 제공되어 있는 폴을 구비하는 그룹 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 터보샤프트 엔진.
7. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
   상기 결합 수단(41)은 상기 가스 발생장치(5)에 기계적으로 연결되어 있는 샤프트(42)와 상기 자유 터빈(6)에 기계적으로 연결되어 있는 샤프트(43) 사이에 예비 결합 단계 동안 일시적인 슬라이딩을 허용하도록 설계되어 있는 것을 특징으로 하는 터보샤프트 엔진.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 가스 발생장치(5)와 상기 자유 터빈(6)을 자발적이면서 기계적으로 결합하기 위한 장치(20)를 더 구비하는데, 이 장치는 상기 자유 터빈(6)의 회전 속도(NTL)에 대한 상기 가스 발생장치(5)의 회전 속도(NGG)의 비가 소정의 한계 값에 도달하자마자 상기 가스 발생장치(5)와 상기 자유 터빈(6)을 기계적이면서 자발적으로 연결시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 터보샤프트 엔진.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 자발적이면서 기계적인 결합 장치(20)는 속도들의 비가 상기 소정의 한계 값보다 작아지자마자 상기 가스 발생장치(5)와 상기 자유 터빈(6)을 기계적이면서 자발적으로 연결시킬 수 있고, 상기 비(NGG/NTL)가 상기 소정의 한계 값보다 커지자마자 상기 가스 발생장치(5)와 상기 자유 터빈(6)을 자발적으로 분리시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 터보샤프트 엔진.
10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 자발적이면서 기계적인 결합 장치(20)는 상기 가스 발생장치와 함께 감속비(K1)를 가지는 제 1 샤프트(22)와, 자유 터빈(6)과 함께 감속비(K2)를 가지는 제 2 샤프트(23)를 연결시키는 적어도 하나의 프리 휠(21)을 구비하고, 상기 프리 휠(21)은 속도들의 상기 비(NGG/NTL)가 비(K2/K1)보다 작아지자마자 상기 자유 터빈(6)이 상기 샤프트들과 상기 프리 휠(21)을 이용하여 상기 가스 발생장치(5)를 자발적으로 구동시키도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 터보샤프트 엔진.
11. 제 10 항에 있어서,
    중간 샤프트(25)에 단단히 연결되는 시동기 겸 발전기(30)를 구비하고,
    상기 자발적이면서 기계적인 결합 장치(20)는 상기 중간 샤프트(25)를, 상기 가스 발생장치(5)와 함께 감속비(K1)를 가지는 상기 제 1 샤프트(22) 및 자유 터빈(6)과 함께 감속비(K2)를 가지는 제 2 샤프트(23)에 각각 연결시키는 2개의 프리 휠들(24, 26)을 구비하고, 상기 휠들(24, 26)은 속도들의 비(NGG/NTL)가 비(K2/K1)보다 작아지는 경우 상기 자유 터빈(6)이 상기 샤프트들과 상기 프리 휠들을 이용하여 상기 가스 발생장치(5)를 자발적으로 구동시키도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 터보샤프트 엔진.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따르는 적어도 하나의 터보샤프트 엔진을 구비하는 것을 특징으로 하는 쌍발 엔진 헬리콥터.
13. 회전될 수 있는 가스 발생장치(5) 및 상기 가스 발생장치(5)의 가스에 의해 회전되는 자유 터빈(6)을 구비하는 적어도 하나의 터보샤프트 엔진을 구비하는 쌍발 엔진 헬리콥터의 무동력 수퍼 아이들링 모드를 최적화하기 위한 방법으로서,
    상기 가스 발생장치의 회전 속도가 소정의 한계 속도에 도달하자마자 상기 가스 발생장치(5)와 상기 자유 터빈(6)을 제어되면서 기계적으로 결합시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 자유 터빈(6)의 회전 속도(NTL)에 대한 상기 가스 발생장치(5)의 회전 속도(NGG)의 비가 소정의 한계 값에 도달하자마자 상기 가스 발생장치와 자유 터빈을 자발적이면서 기계적으로 결합시키는 단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 최적화 방법.

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