CN103180576A

CN103180576A - 涡轮机燃油计量装置的控制方法

Info

Publication number: CN103180576A
Application number: CN2011800512536A
Authority: CN
Inventors: 布鲁诺·罗伯特·加利; 塞西尔·马洛特
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2031-10-14
Also published as: BR112013009044B1; CA2814169C; RU2583473C2; US9194302B2; FR2966518B1; BR112013009044A2; EP2633168B1; FR2966518A1; CA2814169A1; WO2012056142A2; EP2633168A2; CN103180576B; RU2013123716A; WO2012056142A3; US20130213053A1

Abstract

根据本发明，根据重量流量设定值(Wf32)来对涡轮发动机燃油计量装置(3)进行控制，其包括响应至少一个有效性标准以便从如下范围内选择重量流量：根据位置信号计算的重量流量；根据位置信号和至少一个温度测量信号计算的重量流量；根据位置信号和至少一个介电常数测量信号计算的重量流量；根据位置信号、至少一个温度测量信号和至少一个介电常数测量信号计算的重量流量；以及根据温度测量信号、介电常数测量信号和体积流量测量信号计算的重量流量。

Description

涡轮机燃油计量装置的控制方法

技术领域

本发明涉及到涡轮发动机的一般领域。本发明特别涉及到控制涡轮发动机的燃油流量。该发明优选---但并非限定性地---适用于航空领域使用的涡轮发动机。

背景技术

众所周知，喷入涡轮发动机燃烧室内的燃油流量是通过带有滑块（slide）的计量装置来测定的，所述滑块又称之为燃油计量阀(FMV)。燃油流量取决于该滑块的位置。

喷入燃烧室的燃油的重量流量设定值是由发动机计算机来评定的。传统上用来控制滑块位置的技术是以计算机输入的重量流量设定值为基础的，具体如下。

当滑块移动时，滑块会通过计量装置来改变燃油流动截面积S。截面积S又称之为计量装置的开口面积，其可根据滑块位置易于表示。众所周知，当流过计量装置的压力差保持恒定时，该截面积S与燃油体积流量成比例。体积流量等于重量流量除以燃油密度。燃油密度通常设想为在涡轮发动机执行任务期间是恒定的，而且是确定的。

因此，可以将燃油重量流量设定值转换为滑块位置设定值。

然后，调节回路将滑块位置设定值与传感器测量的滑块实际位置进行比较，并确定滑块控制信号。

上述控制技术具有几个缺陷。首先，其未考虑所使用燃油特性可能不同，也未考虑燃油密度可能变化，例如，由于温度变化所致。此外，计量装置并不总是非常精确的。

结果，实际喷入的燃油重量流量与重量流量设定值不同。换句话说，控制可能不精确。

另外，人们都知道在燃油管路中使用流量计，以便提高控制精度。

例如，专利申请文件US 5 305 597提出使用流量计输入的测量结果来评估与燃油瞬时密度成比例的校准信号。

该文件还提出使用精度标准来验证流量计所输入的测量的有效性。更确切地说，在特定时间段，在其保持恒定或大于预定阈值时，流量计所输送的测量则视为有效。当测量视为无效时，则使用被视为有效的最接近值来确定校准信号。

然而，流量计也可能会受到各种故障的影响。上述文件所使用的精度标准并不会检测到任何类型的故障或者根据所检测故障情况来使用燃油流量指令。为此，如果流量计出现故障的情况下，则不会提供令人满意的精度。

于是，就需要提高涡轮发动机燃油流量的控制精度。

发明内容

本发明提供了一种根据重量流量设定值控制涡轮发动机燃油计量装置滑块位置的方法，所述方法包括：

· 获得来自传感器的位置信号的步骤，所述信号适于用来测量滑块的位置；

· 获得来自流量计的至少一个测量信号的步骤，所述信号适于用来测量计量装置内燃油流量；

· 估算所述至少一个测量信号的至少一个有效性标准的步骤；

· 通过计量装置来测定燃油重量流量的步骤；以及

· 根据所确定的重量流量和重量流量设定值来控制滑块位置的步骤；

所述方法的特征在于：

·所述至少一个测量信号包括第一和第二燃油温度测量信号、第一和第二燃油介电常数测量信号、以及第一和第二燃油体积流量测量信号；以及

· 确定步骤包括根据所述至少一个有效性标准从如下各项中选择重量流量：

· 根据位置信号变化计算的重量流量；

· 根据位置信号和至少其中一个所述温度测量信号计算的重量流量；

· 根据位置信号和至少其中一个所述介电常数测量信号计算的重量流量；

· 根据位置信号、至少其中一个所述温度测量信号、以及至少其中一个所述介电常数测量信号计算的重量流量；以及

· 根据至少其中一个所述温度测量信号、至少其中一个所述介电常数测量信号、和至少其中一个所述体积流量测量信号计算的重量流量。

换句话说，本发明提出了通过估算至少一个有效性标准并根据有效性标准选择重量流量来检测流量计的故障(如果有的话)。这样，假定流量计出现故障时，就可选择最精确的重量流量。为此，即使在流量计出现故障的情况下，本发明也可以提高控制精度。

有效性标准可以包括温度测量的有效性标准、介电常数测量的有效性标准，以及体积流量测量的有效性标准。

例如，如果温度有效性标准表明温度测量有效，介电常数测量有效性标准表明介电常数测量有效，以及体积流量测量有效性标准表明体积流量测量有效，那么，控制方法可选择根据位置信号、至少其中一个所述温度测量信号、以及至少其中一个所述介电常数测量信号计算的重量流量，从而给出这些情况下的最精确的测量。总之，对于有效性标准的每个结合形式，其中一个所计算的重量流量是最精确的，可以选择。

有效性标准可进一步包括体积流量测量的第二有效性标准，该有效性标准的估算是首先对根据至少其中一个所述温度测量信号、至少其中一个所述介电常数测量信号、以及至少其中一个所述体积流量测量信号所计算的重量流量进行比较，其次是对根据位置信号、至少其中一个所述温度测量信号、以及至少其中一个所述介电常数测量信号所计算的重量流量进行比较。

对于带有转子的流量计来讲，转子通常并不采用冗余方式提供。这种比较可以检测出影响转子的故障，从而在确定重量流量的时候给予考虑。

此外，如下单独或综合特性可以使得测量结果有效和可靠地确定：

· 温度测量的有效性标准是将第一和第二温度测量信号与温度测量范围进行比较而确定；

· 介电常数测量的有效性标准是将第一和第二介电常数测量信号与介电常数测量范围进行比较而确定；

· 温度测量的有效性标准和介电常数测量的有效性标准也可根据数据集来确定，该数据集代表了根据温度和介电常数的燃油密度；

· 当温度或介电常数测量范围和数据集并未表示第一和第二温度或介电常数测量信号无效时，那么，温度或介电常数测量的有效性标准也可根据第一和第二温度之间或介电常数测量信号之间的差来确定；

· 体积流量测量的有效性标准是将第一和第二体积流量测量信号与体积流量测量范围来比较而确定；以及

· 体积流量测量的有效性标准也可根据第一和第二体积流量测量信号之间的差来确定。

本发明还提供了计算机程序，当该程序由计算机来执行时，其包括了执行本发明所述控制方法的指令。

另外，本发明还提供了控制涡轮发动机的电子装置，所述电子装置带有存储器，含有根据本发明的计算机程序。

例如，电子装置可以是涡轮发动机的计算机或其可以是控制燃油流量专用的一种装置。

本发明还提供了装有根据本发明的涡轮发动机和电子装置的飞机。

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。

附图说明

· 图1为涡轮发动机燃油供给管路和该发动机电子控制装置的示意图；

· 图2为实施本发明控制方法的局部示意图；以及

· 图3更详细地示出了图2所示控制方法的局部选择步骤。

具体实施方式

下面根据本发明在涡轮发动机上的应用来介绍本发明，所述涡轮发动机可以是---例如---推进飞机的燃气涡轮发动机，直升机发动机，工业涡轮机，或辅助动力装置(APU)。

图1为涡轮发动机燃油供给管路1以及发动机的电子控制装置7的示意图。

燃油供给管路1包括油箱2、计量装置3、位置传感器4、以及流量计5。燃油供给管路用来将燃油供给发动机的燃烧室6。

另外，计量装置3通常称之为“计量”单元，用来控制供给管路1送至燃烧室6的燃油量。为此，计量装置3带有滑块(图中未示)或称燃油计量阀(FMV)。燃油的流动截面积S（又称之为计量装置的开口面积）取决于滑块的位置。

构件(图中未示)保持穿过滑块的压力差恒定，于是，燃油的体积流量与截面积S成比例。值得注意的是，截面积S和滑块位置之间的关系本身已为人们所知，在此不再更详细赘述。

位置传感器4测量计量装置3的滑块的位置，并将位置信号送给电子控制装置7。例如，位置传感器可以是线性可变差动变压器(LVDT)式传感器。位置传感器4可以是成对的，可以输送两个位置信号POSa和POSb给电子控制装置7。

例如，流量计5可以包括一对表头、转子流量计和与密度测量相关的体积流量计，其中，密度是根据温度和介电常数来确定的。为此，流量计5提供多个测量信号给电子控制装置7：表示燃油供给管路1内燃油温度的温度信号Ta和温度信号Tb; 表示燃油供给管路1内燃油介电常数的介电常数信号PERMa和介电常数信号PERMb;以及表示燃油体积流量的体积流量信号VOLa和体积流量信号VOLb。

下面，附图标记Ta, Tb, PERMa,… 都是用来表示测量信号本身或对应于测量信号的值。例如，Ta也可以是指测量信号Ta所代表的温度。同样，POSa 和POSb可指位置信号POSa 和POSb所代表的位置。

流量计5可以非常方便地置放在尽可能靠近计量装置3处，这样，温度Ta和Tb以及介电常数PERMa和PERMb分别对应于计量装置3中燃油的温度和介电常数。

电子控制装置7装有计算机硬件体系结构。具体是，电子控制装置7包括传感器8、只读存储器(ROM)9、随机存取存储器(RAM)10、以及接口11。处理器8在使用随机存取存储器(RAM)10的同时，可执行只读存储器(ROM)9内存储的计算机程序。接口11具体用来获得测量信号和发布控制信号。

电子控制装置7执行计量装置3内滑块位置的控制方法。该控制方法可以通过存储在只读存储器9内并由处理器8执行的计算机程序12来实施。控制方法旨在根据向燃烧室6输送的燃油重量流量设定值Wf32,以及位置信号POSa, POSb,和测量信号Ta, Tb, PERMa, PERMb, VOLa 和 VOLb 来确定计量装置3滑块的位置设定值POS。

在图1所示示例中，电子控制装置7为发动机计算机，其执行主要调节回路，以便根据所期望推力来确定重量流量设定值Wf32。主调节回路是通过存储在只读存储器9内并由处理器8执行的计算机程序13来执行。

在另一个形式中，控制装置7可以是控制计量装置3的专用电子装置，而且，其可以接收来自发动机计算机的重量流量设定值Wf32，为此，该装置是一个完全分开的装置。

图2以功能模块形式示出了控制计量装置3滑块位置的方法的主要步骤。如上所述，该控制方法是通过由电子控制装置7来执行的计算机程序12来实施的。

模块20根据位置POSa和POSb来确定重量流量Wf32_sel。重量流量Wf32_sel是通过假设燃油密度为恒定的和预先测定的来确定。如何根据位置POSa和POSb来计算Wf32_sel为所属领域技术人员所熟知，在此就不再详细赘述。

模块21首先对温度Ta和Tb进行整合(consolidation)。更确切地说，模块21验证Ta和Tb是否在温度测量范围内，例如，在 -55°C, 150°C 范围内。如果温度Ta或Tb不在温度测量范围内，Ta或Tb的测量可视情被认为无效。存储该信息。

同样，模块22首先对介电常数PERMa和PERMb进行整合，验证PERMa和PERMb是否在介电常数测量范围内，例如，在1.88, 2.27范围内。如果PERMa 或PERMb不在介电常数测量范围内，那么，测量PERMa或PERMb可视情被认为无效。存储该信息。

模块23在温度Ta&Tb之间和介电常数PERMa&PERMb之间进行交叉整合。

众所周知，燃油密度随温度而变化。此外，对于某个温度来讲，燃油的介电常数取决于燃油类型。这样，可以构建数据集，例如，两维(2D)表，该表针对某个温度和介电常数来规定燃油相应密度，或者温度与介电常数均并不对应于一种燃油。

为此，模块23利用该数据集来去除与燃油不符的温度与介电常数信息。如果温度和介电常数被视为无效，存储该信息。

此后，在模块21和23进行整合之后，假设其依然被视为无效时，模块24可以进行温度Ta和Tb的第二次整合。更确切地说，模块24验证Ta和Tb之间的差是否小于预定阈值，例如，0.25°C。

如果Ta和Tb之间的差大于该阈值，或者，在模块21和23进行了整合之后，如果Ta或Tb均不被认为有效时，那么，存储信息”温度无效”，模块24不会输送任何温度信息。

相反，如果Ta和Tb之间的差小于或等于阈值时，或者，如果温度Ta和Tb只有其中一个在模块21和23执行合并后被视为有效时，那么，存储信息”温度有效”，模块24按如下形式输送温度T:

· 如果Ta和Tb都被视为有效时,Ta和Tb的平均值;

· 如果只有Ta被视为有效而Tb被视为无效时,Ta;以及

· 如果只有Tb被视为有效而Ta被视为无效时,Tb;

模块25的处理类似于模块24的处理，但是，所述处理为介电常数PERMa 和 PERMb的处理。为此，模块25存储信息“介电常数无效”或“介电常数有效”以及，如果介电常数有效时，其输送介电常数PERM，该常数可以是PERMa 和 PERMb平均值，或者是介电常数PERMa和PERMb中的另一个。

模块26执行有关体积流量VOLa和VOLb的整合。更确切地说，模块26验证VOLa和VOLb是否在流量计5的体积流量测量范围内。如果流量VOLa或VOLb不在体积流量测量范围内,那么,测量VOLa或VOLb则适当被视为无效。存储该信息。如果VOLa 和 VOLb被视为有效，模块26也验证VOLa和VOLb之间的差是否小于预定阈值。

如果VOLa和VOLb之间的差大于该阈值，或者，如果VOLa或VOLb在相对于测量范围的验证之后均被视为无效时，那么，存储信息“体积流量无效”，模块26不再输送任何体积流量信息。

相反，如果VOLa和VOLb之间的差小于或等于该阈值，或者，如果流量VOLa和VOLb中只有其中一个在相对于测量范围的验证之后被视为有效时，那么，存储信息“体积流量有效”，模块26按如下形式输送体积流量VOL：

· 如果VOLa和VOLb均被视为有效时,VOLa和VOLb的平均值;

· 如果只有VOLa被视为有效而VOLb则被视为无效时,VOLa;或者

· 如果只有VOLb被视为有效而VOLa则被视为无效时,VOLb。

在模块24所输送的温度T和模块25输送的介电常数PERM的基础上，模块27确定燃油的密度d。

在模块25输送的介电常数PERM的基础上，模块28确定燃油密度d的估算值d'。

在模块24输送的温度T、模块25输送的介电常数PERM和模块26输送的体积流量VOL的基础上，模块29确定重量流量DEB_M。

在模块20输送的重量流量Wf32_sel和模块24输送的温度T的基础上，模块30确定温度修正的重量流量Wf32_T。

在模块20输送的重量流量Wf32_sel和模块27输送的密度d的基础上，模块31输送密度修正的重量流量Wf32_d。

在模块20输送的重量流量Wf32_sel和模块28输送的密度估算值d'的基础上，模块32确定介电常数修正的重量流量Wf32_d'。

根据模块21到25所确定的温度和介电常数的有效性，模块33从重量流量Wf32_sel, Wf32_T, Wf32_d, 和 Wf32_d'中选择经过修正的重量流量Wf32_cor。图3更详细地示出了模块33所进行的选择。

· 如果介电常数有效而温度无效，模块33选择重量流量Wf32_d'。

· 如果介电常数和温度均有效，模块33选择重量流量Wf32_d。

· 如果介电常数无效而温度有效，那么模块33选择重量流量Wf32_T。

· 如果介电常数和温度均无效，那么，模块33选择重量流量Wf32_sel。

如上所述，模块33所使用的信息“温度有效”或“温度无效”和“介电常数有效”或“介电常数无效”是由模块24和25来确定和存储的。

通过在模块29所输送的重量流量DEB_M和模块33所输送的重量流量Wf32_cor之间进行选择，模块34输送重量流量WFM。

更确切地说，如果已经存储了信息“温度有效”，“介电常数有效”以及“体积流量有效”，这则意味着重量流量DEB_M不会受到故障的影响，表示为可使用的最精确测量，而所述重量流量DEB_M是根据流量计5测量结果所确定的流量。在这种情况下，所输送的重量流量WFM等于DEB_M。在另一种情况下，如果已经存储了信息“涡轮有效”，“介电常数有效”，以及“体积流量”，那么模块34会计算DEB_M 和 Wf32_d之间的差。如果该差大于预定阈值，那就是说体积流量的测量存在问题，例如，如果流量计为转子流量计时，则是一个会影响转子的问题。在这种情况下，模块34选择重量流量Wf32_d，而不是重量流量DEB_M。

相反，如果所存储的信息包括“温度有效”，“介电常数无效”，以及“体积流量无效”的其中至少一个时，那就是说重量流量DEB_M，即根据流量计5测量结果确定的流量，会受到故障的影响。在这种情况下，所输送的重量流量WFM等于Wf32_cor，即，在计量装置3滑块位置的基础上确定的流量，如果这些测量有效时，则可能具有温度修正量和/或介电常数修正量。

信息“温度有效”或“温度无效”，“介电常数有效”或“介电常数无效”，以及“体积流量有效”或“体积流量无效”，构成了流量计5所输送测量信号的有效性标准。按照本发明的理念，模块33和34所执行的处理系指，根据这些有效性标准选择重量流量。

根据测量有效性标准，通过从上述各种重量流量中进行的选择，图2所示方法用来确定可得到的最为精确的重量流量WFM，假定存在会影响流量计5的故障时。

最后，模块35将重量流量WFM与重量流量设定值Wf32进行比较，从而确定控制信号POS，以控制计量装置3滑块的位置。例如，模块35可计算差值WFM-Wf32，并采用比例积分调节器。

在另一种形式中，参照图2和3的上述方法是在稳定阶段执行，即燃油流量大体恒定时。在瞬变过程阶段，在此期间，燃油流量会变化，可以作为重量流量WFM来选择重量流量DEB_M， Wf32_T，Wf32_d，Wf32_d'，或 Wf32_sel，所述这些重量流量则是在此前稳定阶段所选择的。可以设想，在瞬变过程阶段期间出现新的故障的风险非常小。例如，根据位置POSa 和 POSb信息，可以检测瞬变过程阶段的开始和结束。

此外，当一个测量被认为是无效时，一旦超过恢复阈值，则可以再次视其为有效，例如，设定在或等于曾使其被视为无效的消除阈值的2/3。

Claims

1.一种根据重量流量设定值(Wf32)来控制涡轮发动机燃油计量装置(3)滑块位置的方法，所述方法包括：

获取来自传感器(4)的位置信号(POSa, POSb)的步骤，该信号适于用来测量滑块的位置；

获取来自流量计(5)的至少一个测量信号的步骤，所述信号适于测量计量装置(3)内的燃油流量；

估算所述至少一个测量信号的至少一个有效性标准的步骤；

通过计量装置来确定燃油重量流量(WFM)的步骤；以及

根据所确定的重量流量(WFM)和重量流量设定值(Wf32)来控制滑块位置的步骤；

所述方法的特征在于：

所述至少一个测量信号包括第一和第二燃油温度测量信号(Ta, Tb)，第一和第二燃油介电常数测量信号(PERMa, PERMb)，以及第一和第二燃油体积流量测量信号(VOLa, VOLb)；以及

确定步骤包括根据所述至少一个有效性标准来从如下范围中选择重量流量：

根据位置信号计算的重量流量(Wf32_sel)；

根据位置信号和至少其中一个所述温度测量信号计算的重量流量(Wf32_T)；

根据位置信号和至少其中一个所述介电常数测量信号计算的重量流量(Wf32_d')；

根据位置信号、至少其中一个所述温度测量信号，以及至少其中一个所述介电常数测量信号计算的重量流量(Wf32_d)；以及

根据至少其中一个所述温度测量信号、至少其中一个所述介电常数测量信号和至少其中一个所述体积流量测量信号计算的重量流量(DEB_M)。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述至少一个有效性标准包括温度测量有效性标准、介电常数测量有效性标准以及体积流量测量有效性标准。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述至少一个有效性标准进一步包括体积流量测量的第二有效性标准，该第二有效性标准的估算是首先对根据至少其中一个所述温度测量信号、至少其中一个所述介电常数测量信号和至少其中一个所述体积流量测量信号所计算的重量流量进行比较，其次是对根据位置信号、至少其中以所述温度测量信号和至少其中一个所述介电常数测量信号所计算的重量流量进行比较。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的控制方法，其特征在于，温度测量的有效性标准是通过将第一和第二温度测量信号(Ta, Tb)与温度测量范围进行比较而确定的，介电常数测量的有效性标准是将第一和第二介电常数测量信号(PERMa, PERMb)与介电常数测量范围进行比较而确定的。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，温度测量的有效性标准和介电常数测量的有效性标准也是根据数据集来确定的，该数据集代表了根据温度和介电常数变化的燃油密度。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，当温度或介电常数测量范围和数据集并不表示第一和第二温度或介电常数测量信号为无效时，那么，温度或介电常数测量的有效性标准也是根据第一和第二温度或介电常数测量信号之间的差来确定的。

7.根据权利要求2到6任一项所述的控制方法，其特征在于，体积流量测量的有效性标准是将第一和第二体积流量测量信号与体积流量测量范围进行比较确定的。

8.一种计算机程序，当该程序由计算机执行时，其包括了执行权利要求1到7任一项所述方法的指令。

9.一种控制涡轮发动机的电子装置(7)，所述电子装置带有存储器(9)，该存储器装有根据权利要求8所述的计算机程序。

10.一种航空发动机，其包括燃气涡轮和根据权利要求9所述的电子装置(7)。