CN102330607B - 用于启动燃气涡轮发动机的燃料控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于启动燃气涡轮发动机的燃料控制方法，具体地，一种用于控制至正在启动的燃气涡轮发动机的燃料流的方法包括：通过控制至所述发动机的燃料压力来控制至所述发动机的所述燃料流；以及如果发动机排气温度接近给定排气温度，则调节至所述发动机的所述燃料流，以将所述发动机排气温度降低到低于所述给定排气温度。

Description

用于启动燃气涡轮发动机的燃料控制系统和方法

技术领域

本文公开的主题涉及控制至燃气涡轮发动机的燃料流。 

背景技术

燃气涡轮发动机的燃料控制以对于发动机燃烧室和燃料计量特性以及发动机遇到的环境条件（诸如温度和压力）的理解为重要内容。燃料计量可显著影响诸如辅助功率单元（“APU”）的燃气涡轮发动机的启动可靠性，在极端高度和环境温度时尤其如此。 

燃气涡轮发动机可在启动期间命令燃料以实现预设的加速设置点曲线，由此，控制装置命令在预定燃料命令最大极限和最小极限之间进行操作。预定燃料命令极限考虑了燃料喷嘴喷洒模式和燃烧室熄火极限。 

标准的做法是基于速度传感器输入信号来计量燃料流，以维持期望的发动机加速。 

发明内容

一种用于控制至正在启动的燃气涡轮发动机的燃料流的示例性方法包括：通过控制至所述发动机的燃料压力来控制至所述发动机的所述燃料流；以及如果发动机排气温度接近给定排气温度，则调节至所述发动机的所述燃料流，以将所述发动机排气温度降低到低于所述给定排气温度。 

根据一个进一步的示例，一种用于控制至正在启动的燃气涡轮发动机的燃料的燃料控制系统具有：至发动机的燃料线路；燃料泵；燃料喷射器；传感器，其感测至所述燃料喷射器的燃料的供应压力；和控制器，其包括指令以通过响应于接收自所述燃料压力传感器的燃料压力信号来控制至所述发动机的燃料流，并且如果发动机排气温度超过给定排气温度，则调节至所述发动机的燃料流，以将所述发动机排气温度降低到低于所述给定排气温度。 

如本文所描述的，允许基于燃料压力来计量燃料使得允许在燃气涡轮发动机的启动期间输送一贯的且可重复的燃料流。所述方法提供在低发动机速度期间（这时燃烧的不稳定成为问题）的燃料计量的改进的精度，并且还将排气温度维持在适当限度内，从而导致在高海拔和低温度的极端条件下的可靠启动。 

通过以下说明书和附图可以最好地理解本发明的这些及其它特征，其下面是简要说明。 

附图说明

图1示出了用于启动燃气涡轮发动机的发动机和燃料控制器的示意性流程图。 

图2示出了图1所示的燃气涡轮发动机的启动的曲线图。 

图3示出了控制燃气涡轮发动机的启动的方法。 

具体实施方式

现在参见图1，所示的燃料控制系统5包括控制器10，其也可被称为低速燃料命令模块，用于向燃料泵90提供命令，燃料泵90进而向发动机15输送经计量的燃料，发动机15例如为飞机（未示出）的APU。尽管控制器10可与APU一起使用，其也可与其他类型的燃气涡轮发动机一起使用。 

控制器10使用已知的关于温度的根θ校正因子（root-theta correction factor）20、已知的关于环境压力的δ校正因子（delta correction factor）25和高度查找表40。控制器10从发动机速度传感器30、诸如压力换能器的燃料压力传感器35、入口空气压力传感器43、有效EGT（排气温度）传感器50和上次燃料命令输入55获取信息。EGT传感器50监测发动机15的排气温度。上次燃料命令输入55使用一个或多个存储器元件提供控制器10的过去的燃料命令，从而提供用于每个后续命令的基础。高度查找表40提供用在不同的高度处的参数来确定操作极限，通过确定由来自入口空气压力传感器43的数据计算的高度来选择使用该不同的高度。如本领域已知的，控制器10包括指令集以执行本文所公开的限制。可使用一个或多个微控制器、微处理器和/或其他能够执行有形地体现在一个或多个存储器元件中的指令集的电路来实现控制器10。应当理解，本文所描述和示出的控制器10的元件代表了控制器10中可包含的全部功能的子集，例如，关于在发动机15的低速时发布燃料命令的模块。 

控制器10还包括具有一组指令的最大燃料极限模块60、具有一组指令的最小燃料极限模块65、具有一组指令的EGT PI模块70（比例积分控制，其中该模块在设置点和实际数据之间比较误差并且基于变化率确定校正因子）、具有一组指令的限幅模块75、具有一组指令的燃料压力控制PI模块80以及具有一组指令的闩锁模块（latch module）85。 

如下面将要讨论的，闩锁模块85确定EGT PI模块70或者燃料压力控制PI模块80中的哪一个来控制燃料泵90。控制器10可最初使用燃料压力控制PI模块80来发布燃料命令并且继续，直到EGT PI模块70输出小于燃料压力控制PI模块80输出，这时，闩锁模块85将控制切换到EGT PI模块70，在那里，控制保持。如果来自发动机速度传感器30的发动机速度超过作为速度阈值的额定速度的给定百分比（％N，见图2），则闩锁模块85可从EGT PI模块79或燃料压力控制PI模块80切换控制到分离的控制器/模块（未示出）。限幅模块75从EGT PI模块70、最大燃料极限模块60以及最小燃料模块65获取输入。如果燃料流超过或将要超过由最大燃料极限模块60确定的最大燃料极限，则限幅模块75对来自EGT PI模块70的信号进行限幅，以不允许多于燃料最大量的燃料被命令。类似地，如果燃料流低于或将要低于由最小燃料极限模块65确定的最小燃料极限，则限幅模块75将会对来自EGT PI模块70的信号进行限幅，以不允许任何低于燃料最小量的燃料。 

最大燃料极限模块60从根θ校正因子20、δ校正因子25、发动机速度传感器30和高度查找表40接收输入。最大燃料极限模块60将容许的最大燃料流关联到发动机，以使考虑到给定高度和发动机速度时的校正因子20和25的情况下发动机15将被给予过多燃料的可能性最小。过多燃料可导致输送到发动机15的燃料混合物变得过于富燃或者充斥发动机15，这可导致发动机熄火。而且，如果发动机15接收高于最大燃料极限的燃料，则发动机15可能不能承受过量燃料的燃烧所导致的热，从而损坏其内的部件（未示出）。 

类似地，最小燃料极限模块65从根θ校正因子20、δ校正因子25、发动机速度传感器30和高度查找表40接收输入。最小燃料极限模块65将容许的最小燃料流关联到发动机15，以使考虑到给定高度和发动机速度30时的入口空气压力43、发动机校正因子20和25的情况下发动机15将被给予过少燃料的可能性最小。过少燃料可导致发动机15过于贫燃，这可导致发动机熄火。 

EGT PI控制模块70从发动机速度传感器30、EGT传感器50、高度查找表40、入口空气压力传感器43和上次燃料命令输入55接收输入。入口空气压力传感器43允许EGT PI控制模块70从高度查找表40进行查找，其中发动机速度和入口空气压力被用于优化控制增益并由此提供EGT的响应性的和稳定的控制。仅在燃料压力控制模块80导致EGT接近用于EGT PI控制的给定温度的设置点时，才使用该模块70。 

燃料压力控制模块80从发动机速度传感器30、燃料压力传感器35和高度查找表40接收输入。燃料压力控制模块80通过经由闩锁模块85和燃料控制/泵90来调节至发动机15的燃料压力而控制由适当的高度查找表40规定的燃料喷射器压力，燃料控制/泵90引导燃料F穿过线路95经由燃料喷射器45至发动机15。虽然本文描述的是燃料喷射器，但本文也构想了其他燃料输送设备。 

现在参见图2，曲线图100示出了根据本文教导使用控制器10来启动图1的发动机15的示例性顺序。曲线图100在其左侧Y轴上示出了发动机速度（％N）和燃料压力（巴）。线105表示由图1的发动机速度传感器30测量的发动机速度。线110示出了由图1的燃料压力传感器35测量的、随时间变化的、输送到图1的发动机燃料喷射器45的燃料的压力。线115示出了由图1的EGT传感器50测量的、随时间变化的、发动机15加速时的发动机气体温度（“EGT”）。 

在图2的示例中，在点火过程开始之后约10-15秒，发动机15缓慢地旋转。如线110和105所指示的，燃料喷射器45压力非常低，直到发动机速度达到阈值，并且响应于此，燃料压力快速地增加到受控水平以维持稳定燃烧。因为发动机15在高海拔处（在该示例中约42,000英尺（12.8 km））在环境温度下启动，EGT可非常低，约为-20 ℃。在燃料压力被增大以维持稳定燃烧之后，随着EGT开始接近EGT控制极限，EGT和发动机速度稳定地增加。在一个实施例中，EGT控制极限建立了约704 ℃的给定排气稳定设置点。在该点处，图1的闩锁模块85识别出EGT PI模块70正在要求比燃料压力控制PI模块80更少的燃料流，由此从燃料压力控制PI模块80移除控制权限并且将权限给予EGT PI模块70。EGT PI模块70然后根据要求调节至发动机燃料喷射器45的燃料流，以将EGT维持在控制极限（见图2的附图标记120）附近。如果EGT PI控制模块70确定将要被供给到发动机15的燃料压力过高，则燃料压力调节（见图2）直到达到可接受的发动机EGT。如果EGT降低得过快（见斜坡120），则EGT PI控制模块70调节燃料压力直到实现可接受的压力下降并伴随可接受的EGT下降（见图2的斜坡125）。 

响应于发动机速度达到旋转速度N的约30-35％，控制可被传递到控制器10的其他模块（未示出）或者传递到分离的速度控制器（未示出）并如本领域已知地操作。 

现在参见图3，方框图示出了图1的控制器10的燃料控制方法130。当发动机15启动时，燃料压力控制PI（“FPCPI”）模块80控制在由给定高度模式和发动机速度确定的压力下向发动机15的燃料输送（步骤135）。控制停留在燃料压力控制PI模块80直到发动机速度接近、达到或超过阈值速度，在该情形中为额定最大发动机速度的约30-35％。如果闩锁模块85确定（步骤140）发动机速度接近、达到或超过阈值速度，则控制器10将控制传递（或方法130退出－步骤145）到分离的控制器或控制模块（未示出）。如果所确定的是发动机速度低于阈值速度并且所感测的EGT未接近EGT控制极限，则燃料压力控制PI模块80维持对于至发动机15的燃料流的控制（步骤140、150、135）。如果所确定的是发动机速度低于阈值速度并且来自EGT PI控制模块70的燃料流命令（步骤150）低于燃料压力PI控制模块80的输出，则闩锁模块85将控制从燃料压力控制PI模块80传递到EGT PI控制模块70（步骤155）。燃料控制然后停留在EGT PI控制模块70直到确定发动机速度高于阈值速度（步骤160），这时，时间控制被传递（方法130退出－步骤145）到分离的控制器或控制模块（未示出）。 

由于涡轮发动机被要求在更加极端的条件下启动，燃料控制计量在满足发动机启动要求方面是关键的。例如，飞机被发展成要求燃气涡轮发动机在地面和飞行中提供电力和/或主发动机启动能力。发动机需要满足的用于在燃气涡轮发动机辅助功率单元的启动（例如在高海拔处的冷启动）期间维持可靠燃烧的飞行条件要求是非常极端的。 

发动机控制的经典方法是基于速度传感器输入信号来计量燃料流，其对至发动机的燃料进行计量以维持发动机的期望加速。这种燃料流计量方法解释了可能影响发动机启动能力的变量，例如燃烧室效率、燃料模块/泵变化以及不同高度处的油的变化粘度的曳力（drag）。然而，预定燃料命令极限和燃烧室熄火极限在高度上升和温度下降时变得更窄，这可导致燃料计量的经典方法不是足够精确。 

如本文所示的，当燃料流向发动机15时，燃料压力被精确地控制以在启动期间维持稳定的燃烧室火焰。在燃料压力控制导致达到排气温度极限的情况下，这种新的燃料控制方法还与发动机排气温度（“EGT”）补充控制（topping control）相联系，其将基于已知的EGT计划来削减燃料。 

虽然在所说明的示例中示出了特征的组合，但并不是所有这些特征需要组合在一起以实现本公开的各种实施例的益处。换句话说，根据本公开一个实施例设计的系统将不必包括任一附图中示出的所有特征或者附图中所示意性示出的所有部分。而且，一个示例性实施例的选定特征可与其他示例性实施例的选定特征相组合。 

前面的描述在本质上是示例性的而非限制性的。在不必偏离本公开实质的情况下，本领域技术人员可明白对于所公开示例的变化和修改。给予本公开的法律保护范围仅可通过研究所附权利要求而确定。 

Claims (14)

1.一种用于控制至正在启动的燃气涡轮发动机的燃料流的燃料控制方法，所述燃料控制方法包括：

通过控制至所述发动机的燃料压力来控制至所述发动机的所述燃料流；

如果发动机排气温度超过给定排气温度，则调节至所述发动机的所述燃料流，以将所述发动机排气温度降低到低于所述给定排气温度，以及

将通过控制至所述发动机的燃料压力来控制至所述发动机的所述燃料流的燃料压力控制PI模块的第一输出与通过控制发动机排气温度来控制至所述发动机的所述燃料流的EGT PI模块的第二输出进行比较，

如果所述第一输出大于所述第二输出，则将对所述燃料流的控制从通过控制至所述发动机的燃料压力来控制至所述发动机的所述燃料流传递到通过控制发动机排气温度来控制至所述发动机的所述燃料流。

2.如权利要求1所述的燃料控制方法，其中，所述控制至所述发动机的所述燃料流进一步包括控制至燃料喷射器的所述燃料流。

3.如权利要求1所述的燃料控制方法，进一步包括：

确定发动机参数；以及

如果所述发动机参数被超过，则从所述燃料控制方法传递对至所述发动机的所述燃料流的控制。

4.如权利要求3所述的燃料控制方法，其中，所述发动机参数是发动机速度。

5.如权利要求4所述的燃料控制方法，其中，所述发动机速度在额定最大发动机速度的30％到35％的范围内。

6.一种用于控制至正在启动的燃气涡轮发动机的燃料的燃料控制系统，所述燃料控制系统包括：

至发动机的燃料线路；

燃料泵；

燃料喷射器；

传感器，其感测至所述燃料喷射器的燃料的供应压力；和

控制器，其包括指令以通过响应于接收自所述燃料压力传感器的燃料压力信号来控制至所述发动机的燃料流，并且如果发动机排气温度超过给定排气温度，则调节至所述发动机的燃料流，以将所述发动机排气温度降低到低于所述给定排气温度，

其中，所述控制器进一步包括燃料压力控制PI模块和EGT PI模块，所述燃料压力控制PI模块具有第一输出用于通过控制至所述发动机的燃料压力来控制至所述发动机的所述燃料流，所述EGT PI模块具有第二输出用于通过控制发动机排气温度来控制至所述发动机的所述燃料流，由此，如果所述第一输出小于所述第二输出，则所述燃料压力控制PI模块控制至所述发动机的所述燃料流，并且如果所述第一输出大于所述第二输出，则所述EGT PI模块控制至所述发动机的所述燃料流。

7.如权利要求6所述的燃料控制系统，其中，

所述控制器进一步包括一组指令，用于响应于一参数而从所述控制器传递对所述燃料流的控制。

8.如权利要求7所述的燃料控制系统，其中，所述发动机参数是发动机速度。

9.如权利要求8所述的燃料控制系统，其中，所述发动机速度在额定最大发动机速度的30％到35％的范围内。

10.如权利要求6所述的燃料控制系统，进一步包括：如果发动机参数被超过，则从所述控制器传递对至所述发动机的所述燃料流的控制。

11. 如权利要求1所述的燃料控制方法，其中所述给定排气温度部分基于所述燃气涡轮发动机的高度选定。

12. 如权利要求11所述的燃料控制方法，其中所述给定排气温度利用所述高度和高度查找表进行选定。

13. 如权利要求6所述的燃料控制系统，其中所述给定排气温度部分基于所述燃气涡轮发动机的高度选定。

14. 如权利要求13所述的燃料控制系统，其中所述给定排气温度利用所述高度和高度查找表进行选定。