CN103097696B - 优化航空器自由涡轮动力装置的控制方法以及实施该方法的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及到燃料喷射控制的优化。为此，各个设备的传动速度根据动力通过控制自由涡轮的速度而得到调节。根据本发明，优化航空器自由涡轮动力装置控制的方法，所述航空器配有低压体，其向各个设备(E1,E2,...)提供动力(Pd1,Pd2,...)并与高压体相连接，所述方法包括改变低压体的速度(VBP)，从而获得高压体的最小速度(VHP)，这样，各个设备(E1,E2,...)提供的动力(Pf)保持恒定不变。特别是，因为各个设备(E1,E2,...)提供的动力取决于低压体驱动所述设备时的速度，涡轮的低压体的速度设定值(C_BP)取决于各个设备(E1,E2,...)最小速度(Vm1,Vm2,...)的最大值(Max Vm(i))，以优化方式获得各自所需动力数量，并取决于添加到低压体速度设定值(C_BP)上的正增量或零增量(e)，以便最大限度地降低高压体速度(V_HP)至各个设备(E1,E2,...)的ISO动力供应上。

Description

优化航空器自由涡轮动力装置的控制方法以及实施该方法的控制装置

技术领域

本发明涉及到优化自由涡轮动力装置的调节方法，所述动力装置可向航空器提供动力，以及实施该方法的调节控制装置。

本发明涉及到安装在航空器(例如，飞机和直升机)上的自由涡轮动力装置，能够提供动力。特别是，这些装置可通过带有多级减速器的动力传输箱来直接和/或间接地向航空器的设备(交流发动机、泵、增压器、空调)提供动力。

这些动力装置包括辅助动力装置(缩写形式：APUs)和主动力装置(缩写形式：MPUs)。辅助动力装置用于飞机主发动机的起动和/或在地面时提供非推进能量(气动、电动和/或液压)。某些牢固的辅助动力装置也可在发动机出现故障时干预飞行并试图重新起动发动机和/或向上述设备提供能量。

主动力装置属于发动机类，因为它们可满足主发动机的安全标准，特别是在发动机出现故障时。不论是在材料还是尺寸上，这些装置都是基于更为可靠的辅助动力装置，从而获得发动机类型的标识。

通常，动力装置包括压气机组件/燃烧室/构成燃气发生器的涡轮。在空气/燃料混合并燃烧后，热的燃气在高压涡轮级(缩写形式：HP)膨胀，高压涡轮经由高压轴或高压体将所产生的热动力部分地传输给高压压气机级。排出气体的热动力也可驱动自由涡轮(缩写形式：TL)，后者进而经由低压自由涡轮轴机械地将动力传输给动力发生器的设备(交流发电机、泵、增压器等)。

现有技术状态

通常，调节系统提供并测量喷入燃气发生器燃烧室内的燃料的量，从而将其调整到所要求的动力级。在加速或减速之后，高压体的速度适合这种喷射，从而达到恒定速度级并提供热动力给低压体。传输给低压体的动力而后以电子控制箱(BEC)所需要的恒速而提供所需要动力。

在动力装置中，已知燃料喷射调节包括如下步骤：

-对燃料进行加压，以合适的压力将燃料喷入燃烧室，

-测量燃料流量是否在预定的流量范围内，以便将燃气发生器所提供的动力级调节到所需动力级，

-测量并控制高压体转子转速，以便所述转速保持在预定工作范围内，

-测量并控制低压体的转子转速，以及

-根据低压体转速设定值和其测量转速之间的差，确定高压体转速的设定值，以及根据高压体转速的确定设定值和其此前测量值之间的差，确定喷入燃烧室的燃料流量的设定值。

而后，通过初步选择其转速，该转速接近其允许最大转速，施加每个设备的转速，此时，其动力供应能力最大。在这些情况下，对于在这个转速时的长期使用来讲，每台设备的质量和成本最小。此外，诸如增压器这样的一些设备必须能够提供不同的经调整的流量，即在地面时为低流量，飞行时为高流量。流速按调整值表示，从而可以对流速进行比较，不论进气口处的环境条件如何。为此，对于在整个飞行包线中的使用来讲，在增压器上设置了可变几何的空气流量。

对这种燃料喷射调节构型的优化是通过低压体保持被驱动设备的转速接近最大转速来实现的，以便提供所需量的动力。特别是，采用增压器的驱动转速不发生变化。而且，只选择可变几何的空气流量，从而使得增压器笨重，成本高。

于是，只通过实现提供最大动力来引导自由涡轮转速的最初选择，在提供不同动力级期间，不进行任何有效优化。

在这些情况下，在动力瞬变过程期间，动力装置的调节系统仅在低压体欠速(underspeed)时起作用，所述欠速是指低于低压体设定转速。然而，在动力瞬变过程中，低压体的速度偏移是很重要的，因为相对于与所连接动力涡轮的燃气发生器来讲，控制环路的长响应时间和低压轴的低惯性。可以看出，转速偏移远远超过了允许范围，特别是，在突然卸载(powershed)情况下，速度偏移幅度会超过最大转速，或在高需求动力的情况下，转速偏移幅度会低于最低转速。

为此，在超速的情况下，被一起驱动的设备不再能够提供每个设备所需求的动力。在超速的情况下，监测装置会根据要求而立即停止动力装置，于是，不再提供所有动力了。

发明内容

确切地来讲，本发明的目的是优化燃料喷射调节，以避免出现上述问题。为此，设备的传动速度根据动力情况通过调节自由涡轮转速来匹配。

更确切地说，本发明的目的是优化上述类型的自由涡轮动力装置的调节方法，所述装置能够向航空器设备提供动力。按照这种方法，低压体的转速是变化的，目的是获得最小高压体转速，以便使得各个设备所提供的动力保持恒定不变。

根据优选的实施例，因为各个设备所提供的动力数量取决于低压体所驱动的转速，自由涡轮低压体转速设定值取决于设备最小转速的最大值，所述转速能够以优化方式获得所要求的动力数量，并取决于补充到低压体转速设定值的正增量或零增量，从而以各个设备提供的相等动力来使得高压体转速达到最小。

根据具体实施例，每台设备不断提供的动力测量可以检测出需要提供动力的稳定操作，而且，在这种情况下，激活增量处理。

按照有利实施例，根据各个设备和自由涡轮的有效曲线，通过计算确定增量，或通过检测高压体转速的变化来确定增量，而后施加所述增量，直到高压体转速最小时为止。

特别是，对于每台设备，对于传输到低压体的高压体热动力级和对于动力装置进气口处温度和压力的每个环境条件，在增量是由计算而确定时，都会存在低压体转速的问题，因为低压体可将最大机械动力提供给其轴。

有利的是，提供给每台设备的动力保持在制造商所计算的范围内，而由低压涡轮直接或间接驱动该设备的转速决定了在这些范围内提供动力的能力。根据该能力提供所述动力可以仅使用一部分动力，从而避免了任何浪费，而且，这部分动力是在动力需求和提供动力级之间确定的。对于每台设备来讲，于是，所提供的动力级是该设备被驱动的转速的函数，而所需动力的提供是根据其被驱动的转速来优化的。

此外低压涡轮的设定转速的确定可以增加设备转速至最大，目的是：

-使得设备功能在整个飞行包线中达到最大，

-增加低压涡轮和各个设备的整体效能，以便减少燃料消耗，

-通过在确定范围内改变转速来限定设备所产生的噪音，特别是在地面时。

此外，在飞行时，增压器通过转速变化而带有一个附加自由度。从而可以实现体积的减小，且同时保持其性能不变。

飞行中调节的空气流量是按增压器设定的。其可在最大速度时进行。为此，在地面时，因为所要求的调节空气流量较低，驱动速度得以降低。此外，自由涡轮的效能的变化则会引起在飞行中相对于地面时的速度增加。这两个因素的结合则会实现燃料消耗的下降。

此外，根据设备被驱动时的速度，可获得每个设备的最佳效能和噪音级，该速度消耗(deductfrom)根据上述方法提供给每台设备的动力。特别是，该速度的下降则会降低增压器和燃气发生器所发出的噪声级，从而满足地面和最后进场时对噪声污染的要求。

根据有利的实施例，低压体转速设定值首先且可一直进行调节，目的是：

-将低压体转速调整到提供每台设备所需的动力上；

-根据所需动力，将高压体提供的动力降到最小，从而将低压体转速调整到最大整体效能；

-将低压体的转速调整到具体应用条件，特别是，将噪声级降到最小。

根据最佳实施例，所述方法提供了附加预期步骤，在这个步骤时，动力装置高压体速度设定值是根据所需动力和/或所测量动力的变化来调节的。有利的是，该“预期”功能可预期发动机转速调节的正常反应。可以预期高压体转速的应用变化，从而将与此前高压体速度相关的动力需求调整到与高压体速度相关的新的动力需求，而所述高压体速度是以稳态条件下获得的。有关所需动力变化的数据很快便可获知，从而可以最佳预期高压体的反应情况。

对所需动力的快速知晓会立即作用在高压体设定值上并从而直接作用在高压体速度上，使得低压体速度的变化幅度要小得多。为此，获得的这些变化值处于设备制造商所允许的范围内和自由涡轮的范围内，例如，所述速度变化幅度下降30-10％。无需进行卸载，且动力供给的可靠性得到保证。

本发明还涉及到能够实施上述方法的调节控制装置。该控制装置包括低压体速度调速器，高压体速度调速器和燃料流量调节器。低压体速度调速器包括比较工具，该比较工具根据每台设备的速度按照动力变化数据以及根据测量结果确定低压体速度设定值，所述测量值是由测量所提供动力数量和对应于每台设备所需动力数量的最小转速的装置发送的，所述每台设备由动力装置驱动。

减法器测量该设定值和低压体速度之间的差。该差被送至第一转换器，后者将其转换成高压体速度差，再送至高压体速度调速器。该高压调节器包括根据第一转换器确定高压体速度设定值的装置。高压速度设定值经过限制滤波器(limitingfilter)，后者在允许范围内重新确定设定值。

而后，重新确定的设定值以流速设定值形式经由第二转换器送至流量调节器。在流量调节器内，设定值经过限制滤波器，后者在允许范围内重新确定设定值，而后，以指令形式发送到流量计量阀。

根据具体实施例：

-高压体速度值的减法器在连续两次向所述工具提供修正增量，该工具用于确定低压速度设定值，与此同时，考虑了修正低压体速度工具内所测量动力的恒定性；

-另外，噪声限制滤波器与低压体速度修正工具相联接；

-在其提供给速度限制滤波器之前，预期比较器可以根据所提供动力和所测量动力之间的变化量来修正动力装置高压体速度设定值；

-测量持续提供给每台设备的动力的装置，所述测量为直接的，具体是用瓦特计或扭矩计-转速表组件，或间接地通过数据计算，具体是使用来自相应仪器的电流电压值；

-根据航空器飞行系统的驾驶和控制装置所发送的指令，以及根据其它已经获得的参数，特别是温度和压力的环境条件或电力发电机输入端/输出端的状态，在高压速度调速器输入端的数字处理装置内，对需求动力的变化进行量化。

附图简要说明

通过下面具体实施例的非限定性说明，参照附图，本发明的其它方面、特性和优点会显现出来，附图分别如下：

-图1为低压体在各个环境条件下根据其转速提供给其轴的机械动力变化曲线图；

-图2为一个设备根据其驱动转速的效能曲线，目的是确定该设备所需要的动力；以及

-图3为根据本发明的调节控制装置示例的方框图；

-图4为图3中的VBP调节器11。

具体实施方式的详细说明

参照图1，该图给出了由动力装置低压体提供的机械动力Pf的曲线C1至Cn,所述动力装置装有自由涡轮。示出了根据低压体转速VBP给出的动力Pf,适用于限定的环境条件，即低压体输入端的温度和压力，和高压体的各种热动力级，HP1至HPn。每个曲线C1至Cn都带有“两角帽”的外形。然后，最大动力值M1至Mn对应于最佳速度V_O1,...,V_on，这些速度都是处在最佳曲线CM上。存储该最佳曲线CM，以便在调节控制装置内使用，从而通过计算确定增量幅度。

此外，图2示出了根据驱动某个设备(此处为增压器)的速度Ve提供给该设备的给定动力级的效能曲线CR。获得最佳速度V_O的最大效能R_M，该速度接近其允许最大速度V_l。另外，存储了所有设备的速度V_O，目的是在下面介绍的调节控制装置内使用。

参照图3，给出了调节控制装置1的一个示例，该调节控制装置包括三个调节器11、12和13。该调节控制装置置于航空器的自由涡轮动力装置内，与航空器驾驶系统和控制装置相连，以便接收调节数据和指令。控制装置1的调节器如下：

-转速调节器11，用来调节动力装置自由涡轮低压体的驱动轴，

-转速调节器12，用来调节动力装置自由涡轮的高压体，以及

-动力装置燃料流量调节器13。

对于每台设备E1,E2,...，曲线Cm1,Cm2,...，速度V1,V2,...，对应于所要求的动力数量Pd1,Pd2,...，针对低压体进气口处温度和压力的每个环境条件，都是由制造商确定的。每个曲线Cm1,Cm2,...尽可能始终了解最小速度Vm1,Vm2,...，设备可根据该速度提供所需部分动力。

为了方便数据采集，各个设备的旋转数值被转换成低压体轴的旋转数值，考虑了齿轮系的减速和/或倍增系数，这些都是通过(例如)动力传输箱来集中。

对于示例中的成套设备Ei来讲，最小速度Vmi的最大值Max(Vmi)是在环境条件下确定的。该值Max(Vmi)是该组设备Ei中每台设备的最大允许速度。在采用该值Vmi的情况下，所有的从动设备都能够提供这些设备所需动力。有利的是，所获得的值Max(Vmi)可以与允许限定值进行比较，具体是在50％至100％的范围内。

如此确定的值Max(Vmi)传送给低压体速度调节器11的加法器S1。在每次确定低压体速度设定值时，该加法器S1也可整合低压体速度的正增量”e”，此处等于1％，从而给出低压体速度设定值CBP，于是：

C_BP＝Max(Vmi)+e

该低压体速度增量"e"是有条件地引入，直到高压体速度VHP达到最小。高压体速度的变化通过提供差值数据“d”而在减法器S2内被监视。如果在时刻t时所测量的高压体速度(V_HP)t的值低于此前时刻t-1的值时，即(V_HP)t-1，那么，这两个值之间的差值“d”为负。此外，如果在低压体上所测量动力Pm在这个时间间隔(t-t-1)保持恒定不变，那么，修正工具O1(应用Pm)就将“e”等于1％的值送至加法器S1。如果相反，增量值等于0。这种修正就可使其免于测量波动，并可计算出增量值“e”。

此外，也可通过计算来进行增量处理。在每台设备的某个所提供的动力上，可以使用各种形式：建模、方程式的形成和寻找最小点、反复验算等等。所追求的目的是找出低压体速度，该速度可使得高压体速度为最小，而每台设备提供的动力仍保持恒定不变。例如，对于一台设备i来讲，根据每个传动速度提供动力Pmi相当于该设备i的驱动动力Pmi。Pmi之和给出低压体在这个速度V_BP时提供的动力。呈两角帽形式的曲线给出对应的V_HP值。然后，通过计算，确定V_BP的最小值。

与噪音B1相关的数据可方便地引入到修正工具O1内。只要设备内的噪声级高于最高值，例如100dB时，噪声数据也会激活增量“e”,以小于该阈值的级来对该噪声进行最小化调节，采用方式与该速度V_HP的方式相同。

低压体速度的设定值C_BP由加法器S1提供并传送给减法器S3，后者将低压体速度的所测值Vm_BP与值C_BP进行比较。转换器C2将低压体速度变化值转换成高压体的相等的速度变化值V_HP。

该速度变化值V_HP被送到高压体速度调节器12的预期减法器S4处。减法器S4将该速度变化值V_HP与来自比较器C3的值进行比较，以处理预期“定律”，从而获得高压体速度设定值C_HP。

该预期定律在于根据设备所要求的动力Pd的变化和传动轴上所测动力Pm的变化来修正高压体的速度V_HP。

为此，预期定律可以根据将要提供的和将要测量的动力数量的变化值确定动力需求变化值和确定需应用的速度VHP变化值，以满足新的动力需求。

然后，将高压体的速度设定值C_HP与限制滤波器22内的限定值进行比较，所述滤波器可在允许范围内重新确定设定值。

在滤波器22的输出端，将速度设定值C_HP与减法器S5内的速度测量值Vm_HP进行比较。所获得的差值被整合到转换器C4内，后者将速度差值转换成燃料流量差值，从而作为输出而提供燃料流量设定值C_C。

该燃料流量设定值C_C以指令形式传送给流量调节器13，并经由限流阀24传送给流量计量阀23。而后，喷入动力装置燃烧室内的燃料流量的变化会对高压体速度进行修正，进而对所提供的能量级进行修正。对于恒定动力需求来讲，高压体速度V_HP变化则会对低压体速度V_BP进行修正：形成新的控制环路以控制速度。

Claims (16)

1.一种调节航空器自由涡轮TL动力装置的优化方法，所述航空器配有向设备(E1,E2,...)提供动力并与高压体相连的低压体，其特征在于，该方法包括根据各台所述设备的最小转速Vm1,Vm2的最大值Max(Vmi)和正增量或零增量e来改变低压体的转速V_BP，以获得最小的高压体的转速，从而使得设备所提供的动力Pf保持恒定不变。

2.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，因为各台所述设备提供的动力Pf取决于所述低压体驱动所述设备时的转速，自由涡轮的所述低压体的转速的设定值C_BP取决于所述设备的最小转速Vm1,Vm2的最大值Max(Vmi)，可使各个所要求的动力数量以最佳的方式获得并取决于加到所述低压体的转速的设定值C_BP上的正增量或零增量e，以便以各台所述设备提供的相等动力来使得所述高压体的转速V_HP达到最小。

3.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，每台所述设备连续提供的动力Pf的测量值使得可检测提供动力需求的稳定操作，而且，在这种情况下，可激活增量。

4.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，该增量是通过计算各台所述设备和自由涡轮的效能曲线来确定的。

5.根据权利要求4所述的优化方法，其特征在于，对于每台所述设备，对于传送给所述低压体的所述高压体的热动力级和对于所述动力装置进口处的温度和压力的每个环境条件，所述低压体的转速可将最大机械动力提供给其轴。

6.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，增量是通过检测所述高压体的转速的变化来确定的，然后施加所述增量一直到所述高压体的转速最小为止。

7.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，首先并一直对所述低压体的转速的设定值C_BP进行调节，以便将低压体的转速V_BP调整到提供每台所述设备所需的动力Pd上，和/或通过根据所需的动力来对低压涡轮所提供的动力最小化而将低压体的转速V_BP调节到最大整体效能，和/或将低压体的转速V_BP调整到具体使用条件。

8.根据权7利要求所述的优化方法，其特征在于，将低压体的转速V_BP调整到使噪声级B1降到最小。

9.根据权1利要求所述的优化方法，其特征在于，所述方法提供了附加的预期步骤，按照该步骤，所述动力装置的高压体的转速的设定值C_HP是根据各台所述设备所需的动力Pd变化，并根据传动轴上所测的动力Pm变化来进行调节。

10.能够实施权利要求1所述方法的调节控制装置，其特征在于，其包括低压体转速调节器(11)、高压体转速调节器(12)和燃料流量调节器(13)，所述低压体转速调节器包括比较工具(O1)，该比较工具根据每台设备的转速按照动力变化数据以及根据测量值确定所述低压体的转速的设定值C_BP，所述测量值是由测量所提供的动力Pf的数量和对应于每台所述设备所需要的动力Pd的数量的最小转速Vmi的装置发送，每台所述设备均由动力装置驱动；减法器测量如此详细确定的低压体的转速的设定值C_BP与低压体的转速V_BP之间的差；该差被送至第一转换器(C2)，后者将其转换成高压体的转速差，再送至所述高压体转速调节器(12)；该高压体转速调节器包括确定来自所述第一转换器(C2)的高压体的转速的设定值C_HP的装置(S4,C3)；所述高压体的转速的设定值C_HP通过所述高压体调节器的一限制滤波器(22)，后者在允许的范围内重新确定设定值，该重新确定的设定值然后以流速设定值C_C的形式经由第二转换器(C4)送至所述流量调节器(13)。

11.根据权利要求10所述的调节控制装置，其特征在于，所述流量调节器的设定值C_C通过所述流量调节器的一限制滤波器，在送至燃料计量阀(23)之前，在允许的范围内重新确定设定值。

12.根据权利要求10所述的调节控制装置，其特征在于，高压体的转速值的所述减法器连续两次提供修正的增量e给比较工具(O1)，与此同时考虑了比较工具(O1)内所测动力恒定不变。

13.根据权利要求10所述的调节控制装置，其特征在于，一噪音限制滤波器连接到比较工具(O1)上。

14.根据权利要求10所述的调节控制装置，其特征在于，预期比较器能够根据所提供的动力Pf和驱动轴上所测的动力Pm的变化情况在其提供给限速滤波器前对高压体的转速的设定值C_HP进行修正。

15.根据权利要求10所述的调节控制装置，其特征在于，根据航空器飞行系统驾驶和控制装置所传递的指令以及根据其他已经获得的参数，所要求的动力的变化在高压体转速调节器输入端在数字处理装置内进行量化。

16.一种航空器，包括动力装置、用于调节高压体和低压体的转速以及燃料流量的调节控制装置，其特征在于，该调节控制装置为根据权利要求10所述的调节控制装置，用于实施根据权利要求1所述的优化方法。