CN103080505B - 水或冰雹被吸入涡轮发动机的检测 - Google Patents

Abstract

一种检测水或冰雹被吸入燃气涡轮发动机的检测方法，所述发动机包括至少一个压气机(4)、燃烧室(1)，和涡轮(2)，所述方法的特征在于，其包括：估计第一指标(I1)的值的步骤，所述值表示吸入水或冰雹；估计第二指标(I2)的值的步骤，所述值表示吸入水或冰雹，所述第二指标不同于第一指标；以及将至少所述第一指标和所述第二指标相加而计算总指标值的步骤。

Description

水或冰雹被吸入涡轮发动机的检测

技术领域

本发明涉及到一般航空领域。特别是，本发明涉及到航空发动机燃气涡轮吸入水或冰雹的检测。

背景技术

航空发动机燃气涡轮通常包括燃烧室，来自燃烧室的燃气驱动高压涡轮和低压涡轮。高压涡轮通过轴连接到高压压缩机，高压压缩机向燃烧室提供压缩空气，而低压涡轮通过另一个轴连接到发动机进气口处的风扇上。

风扇和压缩机吸收发动机正常工作所需要的空气，但是根据大气条件，它们也会吸入水或冰雹，例如，当飞机遇到风暴或穿过云堤时。由此而吸入的水和冰雹会影响发动机的运行。

在发动机以最大功率运行时，压缩机通常会升高空气的温度，其足以使被吸入的水蒸发，水温升高，足以避免引起燃烧室熄火。相反，如果发动机怠速运行时，例如，在下降轨道时，在进场时，降落时，水会到达燃烧室，引起一个或多个点火器熄火，或甚至会引起整个燃烧室熄火，导致发动机停车。

因此，需要检测水或冰雹的吸入情况，使发动机的运行能够相应适应。

为此，专利文件FR 2 681 377提出了根据压缩机进气口空气温度T2和压缩机排气口温度T3之间的差来检测水的吸入。此外，这种检测可以通过估计燃烧效率来确认。

这种解决方案的缺陷是，其对发动机的特性要求需凭经验来确定。此外，根据具体情况，可能检测不到水被吸入。所计算的温度差不适合在所有情况下检测水的吸入。

专利文件US 5 471 831也提出了根据压缩机进气口和排气口处空气温度，以及燃烧室内压力，来检测水的吸入。同样，在该文件中，且视情况，也有可能检测不到水的吸入。燃烧室的压力变化很小，以至于无法由此而得出清晰的结论。

为此，就需要一种可靠，有效，迅速的方式来检测水或冰雹的吸入。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种检测水或冰雹吸入的方法，这种方法避免了至少一部分上述缺陷。特别是，本发明的目的是可以在各种情况下进行检测。

为此，本发明提出了一种检测方法，可检测水或冰雹被吸入燃气涡轮发动机内的情况，所述发动机带有至少一个压缩机，燃烧室，和涡轮，所述方法的特征在于，其包括如下步骤：

估计第一指标的值的步骤，该值反映了水或冰雹的吸入情况；

估计第二指标的值的步骤，该值反映了水或冰雹的吸入情况；所述第二指标不同于第一指标；以及

通过将至少所述第一指标和所述第二指标相加而计算总指标值的步骤。

换句话说，总指标对应于至少两个不同指标的和。因为指标不同，得出的结论也不同。为此，根据情况，当水或冰雹被吸入时，可以设想三个情况：

两个指标值都说明吸入；

第一指标的值表示吸入，而第二指标的值表示没有吸入；以及

第一指标的值表示没有吸入，第二指标的值表示吸入。

因为总指标对应于至少第一指标和第二指标的和，其值在上述所有三个情况下表示吸入。为此，本发明的检测方法可以在各种情况下检测水或冰雹的吸入。

检测方法进一步包括：

测量燃烧室进气口处温度T3的步骤；以及

估计温度T3M的步骤，该温度用来模拟温度T3。

其中，第一指标的值可根据温度T3下降和温度T3M下降之间的差值变化来估计，而第二指标可以根据温度T3和温度T3M之间的差值变化来估计。

在实施时，第一指标的值是在考虑了归一化函数的同时估计的，归一化函数可以将温度T3下降小的影响降到最小。

检测方法可进一步包括：

测量压缩机和涡轮的转速N2的步骤；

其中，第二指标的值是在考虑了归一化函数的同时估计的，该归一化函数取决于所述转速N2的时间变化。

检测方法还包括：

对所测温度T3进行过滤的步骤；

其中，第二指标的值是根据所过滤的温度T3和温度T3M之间的差值变化情况来估计的。

同样，检测方法还可包括：

测量燃油流量Wf32的步骤；以及

估计第三指标的值的步骤，所述第三指标的值表示根据至少所述燃油流量所吸入Wf32水或冰雹的情况；

其中，所述总指标的值是通过将所述第一指标、所述第二指标和所述第三指标相加后计算所得。

检测方法可进一步包括：

测量压缩机和涡轮的转速N2的步骤；

其中，所述第三指标的值是根据转速N2的下降情况而估计的。

本发明还提供一种控制燃气涡轮发动机的方法，所述发动机包括至少一个压缩机、燃烧室和涡轮，所述方法包括：

在由上限值所限制的范围内，确定燃油流量设定值的步骤；

根据上述检测方法进行的检测水或冰雹吸入的步骤；以及

为了检测水或冰雹的吸入，在超过所述上限值的范围内测定燃油流量设定值的步骤。

本发明还提供了控制燃气涡轮发动机的方法，所述发动机包括至少一个压缩机、燃烧室，和涡轮，所述方法包括：

根据上述发明的检测方法进行的检测水或冰雹吸入的步骤；以及

为了检测引起熄火的水或冰雹的吸入情况，选择重新点火燃油流量大于标称重新点火燃油流量的步骤。

按照另一个方式，所述控制方法包括根据所述总指标确定怠速设定值的步骤。

同样，本发明提供了一种计算机程序，当该程序由计算机执行时，其包括执行检测方法的指令，本发明还提供了一种电子装置，可控制燃气涡轮发动机，所述电子装置带有含本发明计算机程序的存储器。本发明还提供了一种航空发动机，该发动机包括本发明的燃气涡轮发动机和电子装置。

附图说明

通过阅读以非限定性示例并参照附图给出的如下说明，可以更好地理解本发明，附图如下：

图1为燃气涡轮发动机的简化透视图，所述发动机适合实施本发明的检测方法；以及

图2到图5为示意图，示出了确定吸入水或冰雹的指标的装置。

具体实施方式

下面主要介绍本发明应用于燃气涡轮发动机，所述发动机用来推进飞机，例如图1以非常简单方式给出的那种发动机。

然而，本发明也适用于其它燃气涡轮发动机，特别是直升机发动机，工业燃气发动机，或辅助动力装置(APU)。

图1所示发动机包括燃烧室1，采用燃烧室1的燃气驱动高压涡轮2和低压涡轮3。高压涡轮2通过轴连接到高压压缩机4上，向燃烧室1提供压力空气，低压涡轮3通过另一根轴连接到发动机进气口处的风扇5上。

发动机工作是通过电子控制装置来控制的，电子控制装置执行主调节环路，通过调整送入燃烧室1的燃油流量，以便伺服控制发动机转速至设定转速，后者是预期推力的函数。例如，伺服控制的幅度可以是风扇5和低压涡轮3的转速N1，或者可以是发动机的压力比(EPR)。

为此，电子控制装置采集代表各种测量运行参数的信号，特别是：

高压压缩机4进气口处的温度T25；

燃烧室1进气口处的温度T3；

燃油流量Wf32，例如，在燃油计量装置位置基础上所测量的流量；以及

高压涡轮2和高压压缩机4的转速N2。

另外，电子控制装置还可使用模型来估计某些参数值。例如，温度T25可以通过模型温度(model temperature)T25M来估计，而温度T3可通过模型温度T3M来估计。用来模拟温度T25M和T3M的模型为所属领域技术人员所熟知，在此无需赘述。

如上所述，吸入水或冰雹会影响发动机的运行。为此，电子控制装置实现了一种检测吸入水或冰雹的方法，并在检测到这种吸入情况时，以适应发动机的运行。

下面介绍这种检测水或冰雹被吸入的方法。

为了检测吸入情况，电子控制装置通过将三个不同指标I1,I2,和I34相加而计算总指标IG的值：

IG=I1+I2+I34

当水和冰雹被吸入时，测量温度T3与模型温度T3M不同。这个差的特征是温度T3M的值停滞不动，而温度T3下降，例如下降几十度。为了观察这种差异，模型温度T3M可以由温度T25M导出，而不是温度T25，从而避免因为冰而对温度T25带来任何干扰。

指标I1试图说明温度T3和温度T3M之间的动态差异特征。图2示出了估计指标I1的方式，例如，该方式可以采用电子控制装置执行的软件模块形式来实施。

图2示出了适合检测温度T3下降的检测模块20。例如，模块20计算温度T3的时间导数dT3/dt，且当其通过dT3/dt<0检测到温度下降时，其会为存储模块21和22产生一个存储信号。

当软件模块21和22收到来自检测模块20的存储信号时，分别存储温度T3和T3M的当前值。

于是，减法器模块23首先收到温度T3的当前值，其次才收到存储模块21存储的温度T3的值。这样，减法器模块23输送出一个差值ΔT3，该值表示自从检测模块20检测以来温度T3的下降程度。

同样，减法器模块24首先收到温度T3M的当前值，其次才收到存储模块22存储的温度T3M的值。这样，减法器模块24输送出一个差值ΔT3M，该值表示自从检测模块20检测以来温度T3M的下降程度。。

减法器模块25计算ΔT3和ΔT3M之间的差值Δ1。

模块26将转速N2与阈值S进行比较。众所周知，模型温度T3M只有在绝对大于转速N2时才有效。

如果转速N2低于阈值S，即意味着模型温度T3M无效。于是，模块26就会发送一个开关信号给开关27以选择值0。反之，如果转速N2大于阈值S，即意味着模型温度T3M有效。于是，模块26就发送一个开关信号给开关27以选择差值Δ1。

于是，差值Δ1或值0通过开关27送到归一化模块28处。归一化模块28输送指标I1的值。

例如，归一化模块28通过在开关27所接收的值上应用递增函数F而输送一个值，该值在0到1的范围内，被用作绝对值。函数F可以最大限度地降低温度下降的作用，以便避免由于模型动态不准而出现的误检。

为此，如果转速N2不足够高，指标I1的值为0。如果转速N2足够高，指标I1会逐渐接近1，差值的递增规模为Δ1(绝对值)。为此，如果指标I1的值偏高，则说明温度T3下降和温度T3M下降之间的差偏大，这是水或冰雹被吸入的特征现象。

换句话说，如果指标I1的值等于或接近1，这说明已经吸入了水或冰雹，反之，如果该值等于或接近0，则说明没有吸入水或冰雹。

指标I1可以采用状态变化非常有效的方式来检测是否吸入水或冰雹，因为其可测量温度T3降低和其理论值之间的相对差。因此，在模型温度T3M时，其不会受到静态误差的影响，但其动态误差则不然。

指标I2试图说明温度T3和温度T3M之间的绝对差特征。图3给出了估计该指标I2的方式，该方式可采用电子控制装置执行的软件模块形式来实施。

温度T3由滤波器30来进行过滤，滤波器30提供一个经过滤的温度T3F。例如，滤波器30为一阶低通滤波器，用来消除测量噪音，避免误检。

减法器31计算温度T3F和温度T3M之间的差值Δ2。

如上所述，在吸入（水或冰雹）的情况下，温度T3会下降，而模型温度T3M则停滞不动。于是，模块33给出0和Δ2的较小值，以便避免考虑T3大于T3M的情况。

差值Δ2在除法器34内被系数C相除，从而归一化，系数C表示最小吸入温度系数。系数C由归一化模块32确定，归一化模块32的输入信息是转速N2的时间导数dN2/dt。模型温度T3M的精度取决于转速的变化(稳定阶段、加速度阶段、减速度阶段等等)。特别是，模型温度在稳定条件下要比瞬变过程期间更精确。因此，在瞬变过程期间，系数C较大（绝对值），所以，对用于检测吸入情况的T3和T3M之间的差的要求就不是很严格。

模块35和36用来将指标I2限定在0到1范围内。

于是，如果温度T3大于温度T3M，指标I2的值为0。如果温度T3小于温度T3M，指标I2的值会递增到接近1，而递增差值为Δ2（绝对值）。

换句话说，指标I2等于或接近1的值表示存在吸入，而等于或接近0的值则表示不存在吸入。

指标I2与指标I1互补，因为其可使得检测在不改变状态的情况下进行。特别是，这有利于起动时或在电子控制装置重新起动后，因为指标I1不会在这种情况下进行检测。

指标I34根据指标I3和指标I4计算。

如上所述，电子控制装置实施主调节回路，通过调节送到燃烧室1的燃油的流量，伺服控制发动机的转速至设定值。为此，电子控制装置确定燃油流量设定值在上限确定范围内，称之为C/P限值，用来保护发动机防止出现喘振。

吸入水或冰雹会趋于使发动机转速下降。为此，在吸入的情况下，电子控制装置会趋于增加燃油流量的设定值。这种增加会造成按C/P限值运行。

指标I3试图说明燃油流量或上限运行时这种增加的特征。图4给出了估计指标I3的方式，该方式可以电子控制装置所执行的软件模块的形式来实施。

图4示出了模块40用来确定是否存在在存储器内存储数值的条件。当指标I1大于预定阈值时，且如果电子控制装置不再请求任何减速时，那么，模块40会发送存储信号给存储模块41。存储模块41然后存储流量的当前值Wf32。

减法器42确定当前流量值Wf32和模块41存储的流量之间的差值Δ3。模块43选择差值Δ3和值0的较大值，以便只考虑流量的增加。模块43的输出送至归一化模块44，后者用来限定小的流量变化的影响并强调较大的变化。为此，归一化模块44的输出表示流量Wf32的增加，并送至模块45。

减法器46根据限值来确定范围，即，当工作在C/P限值时，流量Wf32和最大流量之间的差。归一化模块47用来将小余量转换为较大输出值，而将较大余量转换为较小输出值。归一化模块47的输出送至选择器48，后者根据模块49输送的检测信号，提供给模块45由归一化模块48输送的值或者是值0，以确定是否存在选择条件。当指标I1大于预定阈值时，模块49输送一个选择归一化模块48输送的值的信号。

为此，如果指标I1较小，模块40和49就不会开始计算指标I3，所以，其值为0。

然而，如果指标I1大于预定阈值，那么，部件40到44就会确定第一信号，该信号表示流量增加，而部件46至49就会确定第二信号，该信号表示与限值之间的裕度。

如果裕度较大，那么流量增加不会受到限制。于是，在吸入的情况下，第一信号的值较大，而第二信号的值较小。相反，如果裕度较小，那么流量的增加受到限制。于是，在吸入的情况下，第一信号的值较小，而第二信号的值较大，因为第二信号的值与裕度成反比。

模块45选择上述第一和第二信号的较大者，以便输送指标I3。因此，在上述两种情况下，在吸入时，指标I3的值较高。

例如，归一化模块44和47都设计成可输送的值的范围在0到1之间。于是，指标I3的值等于或接近1时，表示存在吸入，而当值等于或接近0时，则表示未有吸入。

此外，吸入会引起发动机转速的下降或停滞。更确切地说，如果电子控制装置所实施的调节环路试图保持转速N2为恒定，在吸入的情况下，转速N2就会停滞。然而，当工作在限定情况下或如果调节参数不是转速N2（例如，如果调节参数是发动机压缩比时），那么，吸入会引起转速N2的下降。

为此，指标I4试图表示转速N2的下降特征。图5为估计指标I4的方式的示意图，该方式可以采用电子控制装置所执行的软件模块的形式来实施。

图5所示模块50用来确定是否存在存储条件。当指标I1大于预定阈值时，模块50会发送存储信号给存储模块51。存储模块51然后存储转速N2的当前值。

减法器52确定转速N2当前值和存储模块51存储的转速之间的差值Δ5。模块53然后选择差值Δ5和值0之间的较小者，从而仅考虑转速的下降。模块53的输出值被送至归一化模块54，其可以限定小的转速下降的影响，而强调较大的转速下降。归一化模块54的输出被送至指标I4。

例如，归一化模块54可设计成提供的值的范围是0到1。为此，指标I4的值等于或接近1时表示吸入，而等于或接近0的值表示不存在吸入。

指标I34是通过执行指标I3和I4的加权和来确定。加权用来选择相对较为重要的指标I3和I4，并可用来限制指标I34的值的范围为0到1。

如上所述，总指标IG为指标I1，I2和I34的和。此外，如上所述，对于指标I1，I2，和I34的任一项来讲，接近0的值表示没有吸入，而接近1的值都表示吸入。

为此，总指标IG的值在0到3的范围内，接近0的值表示没有吸入，接近3的值则表示存在吸入。

如果总指标IG大于预定阈值S_ingest，那么电子控制装置会得出结论，水或冰雹已经被吸入。电子控制装置会认为，只要总指标IG的值没有降回至阈值S_{ingest_over}以下，例如等于阈值S_ingest的一半时，这种吸入还在继续。

如上所述，当检测到存在吸入时，电子控制装置使发动机的运行适应这种情况。

例如，在正常运行时，电子控制装置确定燃油流量设定值的范围是在由上限值限定的范围内，称之为C/P限值。而当检测到吸入时，电子控制装置会不顾这种限制，提供一个燃油流量设定值，后者大于限值。这就使得燃烧室1内的混合物的浓度增加，从而使得发动机的转速得以保持。

在正常运行时，如果燃烧室出现熄火，电子控制装置会利用预定的重新点火燃油流量设定值。如果吸入水而导致发动机熄火时，可以使用较高的重新点火燃油流量设定值。这样，就更容易实现重新点火。

在怠速运行时，吸入水或冰雹引起熄火的风险会增加。在现有技术的飞机上，高怠速用来限制这种风险，特别是，结果限制了下降速率。在实施本发明时，电子控制装置确定怠速设定点，该点根据总指标IG的情况而会是慢速。更确切地说，如果总指标IG为零或较小，这就是说，不存在吸入，可以使用较低的怠速，不会出现燃烧室熄火的任何风险。相反，如果总指标IG较高，这就是说，存在吸入，可设定较高的怠速，以便避免燃烧室熄火。

上述说明包括由三个指标相加而确定总指标。显然，本发明涵盖通过任意数量的不同指标的相加来计算总指标。

上述三种指标的每个指标的值都在0到1的范围内。显然，在另一种不同方式中，所述指标的值可以在不同的范围内。例如，这可用来使得一个指标比另一个指标更为重要。

Claims (10)

1.一种检测水或冰雹被吸入燃气涡轮发动机内的检测方法，所述发动机带有至少一个压气机(4)、燃烧室(1)，和涡轮(2)，所述方法的特征在于，其包括：

估计第一指标(I1)值的步骤，所述值表示水或冰雹被吸入；

估计第二指标(I2)值的步骤，所述值表示水或冰雹被吸入，所述第二指标不同于第一指标；以及

通过将至少所述第一指标和所述第二指标相加而计算总指标的值的步骤。

2.根据权利要求1所述的检测方法，进一步包括：

测量燃烧室进气口处温度T3的步骤；以及

估计温度T3M的步骤，该温度模拟温度T3；

其特征在于，第一指标的值是根据温度T3下降和温度T3M下降之间的差值(Δ1)变化来估计的，而第二指标的值是根据温度T3和温度T3M之间的差值(Δ2)变化来估计的。

3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，第一指标的值在估计时，考虑了归一化函数，其可最大限度地降低温度T3小范围下降的影响。

4.根据权利要求2或3所述的检测方法，进一步包括：

测量压气机和涡轮转速N2的步骤；

其特征在于，第二指标的值在估计时，考虑了归一化函数，其取决于所述转速N2的时间变化情况。

5.根据权利要求2所述的检测方法，进一步包括：

滤波所测量温度T3的步骤；

其特征在于，第二指标的值是根据所滤波(T3F)的温度T3和温度T3M之间的差值(Δ2)变化来估计的。

6.根据权利要求2所述的检测方法，进一步包括：

测量燃油流量Wf32的步骤；以及

估计第三指标(I34)的值的步骤，所述第三指标(I34)的值表示被吸入的水或冰雹至少随所述燃油流量Wf32变化；

其特征在于，所述总指标的值是通过将所述第一指标、所述第二指标和所述第三指标相加而计算得出。

7.根据权利要求6所述的检测方法，进一步包括：

测量压气机和涡轮的转速N2的步骤；

其特征在于，所述第三指标(I34)的值是根据转速N2下降情况而估计的。

8.一种控制燃气涡轮发动机的方法，所述发动机包括至少一个压气机(4)、燃烧室(1)，和涡轮(2)，所述方法包括：

在由上限值所限定的范围内，确定燃油流量设定值的步骤；

按照权利要求1所述检测方法检测水或冰雹被吸入的步骤；以及

为了检测水或冰雹被吸入情况，在超过所述上限值的范围内确定燃油流量设定值的步骤。

9.一种控制燃气涡轮发动机的方法，所述发动机包括至少一个压气机(4)、燃烧室(1)，和涡轮(2)，所述方法包括：

按照权利要求1所述检测方法检测水或冰雹被吸入的步骤；以及

为了检测引起熄火的水或冰雹被吸入的情况，选择高于标称重新点火燃油流量的重新点火燃油流量的步骤。

10.一种控制燃气涡轮发动机的方法，所述发动机包括至少一个压气机(4)、燃烧室(1)，和涡轮(2)，所述方法包括：

按照权利要求1所述检测方法检测水或冰雹被吸入的步骤；以及

根据所述总指标，确定怠速设定值的步骤。