CN103195582B - 具有增强的起动控制计划的发动机系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有增强的起动控制计划的发动机系统。具体地，一种用于起动燃气涡轮发动机的发动机系统包括：起动机，其联接到燃气涡轮发动机并构造成给燃气涡轮发动机提供转矩；以及控制器，其联接到起动机并构造成评估发动机系统参数并基于发动机系统参数在用于起动燃气涡轮发动机的多个起动模式中进行选择。

Description

具有增强的起动控制计划的发动机系统及方法

技术领域

本发明一般地涉及燃气涡轮发动机，更具体地涉及用于在起动操作期间控制燃气涡轮发动机的发动机系统和方法。

背景技术

在许多飞行器中，燃气涡轮发动机执行多种功能，包括为飞行器提供推进力以及驱动各种其他的旋转部件(例如发电机、压缩机和泵)，从而供应电功率和/或气动功率。此类发动机可以被包括在辅助动力单元(APU)中，辅助动力单元(APU)通过提供电功率和/或气动功率而为主推进发动机提供补充。

燃气涡轮发动机通常包括压缩机区段、燃烧区段和涡轮机区段。压缩机区段对在燃气涡轮发动机的前端处提供的空气进行压缩，并将压缩空气提供给燃烧区段。燃料被加入压缩空气，所得到的混合物在燃烧区段内被点燃从而产生燃烧气体。燃烧气体被引导到涡轮机区段，涡轮机区段从燃烧气体中抽取能量以提供驱动压缩机区段和辅机部件所需的原动力，使得燃气涡轮发动机是自维持的。

通常，有多种方式来起动燃气涡轮发动机，下面称为“起动模式”。在常规的飞行器中，飞行员选择合适类型的起动模式。例如，一种此类模式是辅助起动模式，其中，电的或气动的起动马达被用于初始地向将压缩机区段连接到涡轮机区段的轴提供原动力。起动马达可以被用于将压缩机区段的速度提高到这样的点，在该点处，提供给燃烧区段的压缩空气导致得到适合于点燃(通常称为“点火”)的燃料/空气混合物。点火之后，当燃气涡轮发动机自维持而使得燃气涡轮发动机不需要来自起动马达的原动力(即，涡轮机区段产生的功率足以驱动压缩机区段)时，起动马达被中断。在其他情况下，起动模式可以是风车起动模式，其中，流入发动机的空气(作为前进运动或受迫吸入的结果)被用于驱动压缩机。与辅助起动模式中一样，流入燃烧区段的空气与燃料混合并被点燃。关于起动模式的决定依赖于多个参数以及哪个模式可能更适合实际情况。通常，飞行员执行一系列步骤来选择正确的起动模式。不合适的起动模式选择可能会导致不完全的和/或延迟的起动，和/或导致过度的发动机温度条件。

因此，需要提供能以更自动且更自主的方式起动燃气涡轮发动机的发动机控制系统，特别是通过提供由发动机控制器而不是由飞行员进行的起动模式选择。另外，本发明的其他期望特征和特性将会通过下面结合附图与背景技术的本发明详细描述和所附权利要求而变得明显。

发明内容

根据示范实施例，一种用于起动燃气涡轮发动机的发动机系统包括：起动机，其联接到燃气涡轮发动机并构造成给燃气涡轮发动机提供转矩；以及控制器，其联接到起动机并且构造成评估发动机系统参数并基于发动机系统参数在用于起动燃气涡轮发动机的多个起动模式中进行选择。

根据另一个示范实施例，提供一种用于起动燃气涡轮发动机的方法。该方法包括：利用控制器评估联接到燃气涡轮发动机的起动机的状态；利用控制器基于起动机的状态选择起动模式；以及基于所选择的起动模式产生加速命令。

附图说明

下面将结合附图描述本发明，在附图中，相同的数字表示相同的元件并且

图1是根据示范实施例的发动机系统的示意性框图；

图2是根据示范实施例的流程图，示出了用于起动图1的发动机系统的方法；

图3是根据示范实施例的图表，示出了用于图1的发动机系统的示范加速计划；并且

图4是根据示范实施例的图表，示出了用于图1的发动机系统的示范燃料计划。

具体实施方式

下面的详细描述仅仅是本质上的示范，并不表示限制本发明或本发明的应用与用途。如本文所使用的，词语“示范”是指“作为例子、示例或展示”。因而，本文中被描述为“示范”的任何实施例不必然地被认为是优选的或者优于其他实施例。本文所描述的所有实施例是提供给本领域技术人员使其能制造或使用本发明的示范实施例，并且不限制本发明的范围，本发明的范围由权利要求限定。另外，并不意图受到前面的技术领域、背景技术、发明内容或后面的详细说明中出现的任何明示或暗示理论的约束。

广义地，本文所讨论的示范实施例提供与燃气涡轮发动机相关联的发动机系统和方法。具体地，该发动机系统涉及以更自动且自主的方式起动发动机。发动机控制器可以基于系统参数(例如当时的发动机加速度)选择合适的发动机起动模式。例如，当加速度大于预定的加速率时，发动机控制器可以根据辅助起动模式起动发动机，在辅助起动模式中，起动机(或起动发电机)辅助驱动发动机加速到可持续速度。作为另一个例子，当加速度小于预定加速率时，发动机控制器可以根据风车起动模式起动发动机，在风车起动模式中，起动机对于驱动发动机而言贡献甚小或者没有帮助。每种起动模式可以具有预定的加速和燃料计划。

图1是示范飞行器发动机系统100的示意性表示。发动机系统100通常包括燃气涡轮发动机110、齿轮箱130、起动机(或起动发电机)140、发动机控制器150和燃料系统170。

通常，发动机110包括压缩机区段112、燃烧区段114、涡轮机区段116以及轴管(spool)或轴118。在典型的运行期间，压缩机区段112吸入环境空气，将空气压缩，然后将其导入燃烧区段114。燃烧区段114接收压缩空气，将其与来自燃料系统170的燃料混合，并且点燃所得到的混合物以产生高能燃烧气体，高能燃烧气体被导入涡轮机区段116。高能燃烧气体通过涡轮机区段116膨胀，其进而驱动轴118以产生机械功率和/或电功率。齿轮箱130联接到轴118并且提供或接收来自轴118、各种附件以及起动机140的机械能，如下所述。离开涡轮机的燃烧气体可以通过排气系统(未示出)排出。图1中的示意图仅仅是一种示范发动机构造，本文中所讨论的示范实施例可应用于其他类型的构造。

发动机110可以例如是辅助动力单元(APU)，但是本文中所述的发动机系统100也可以应用于其他类型的发动机，包括推进发动机。如下面所述，发动机110还可以包括用于测量发动机特性的任意数量的传感器，包括用于测量或得出发动机某方面(例如轴118或转子)的加速度的加速度(或速度)传感器120。在一个示范实施例中，系统120可以设置在齿轮箱130中。

如上面所述，燃料系统170构造成给发动机110的燃烧区段114输送燃料流。这样，燃料系统170可以包括箱或其他燃料源、阀、泵、喷嘴等等，用于提供燃料的指定体积和流量。

发动机控制器150通常控制发动机110和燃料系统170的总体操作。更具体地，发动机控制器150接收来自各种传感器和系统的信号，并且响应于这些信号在起动、操作和停机期间控制发动机110。例如，被供应到发动机控制器150的信号可以包括来自传感器120的速度或加速度信号、排气温度(EGT)信号、和/或来自燃料系统170的燃料流信号。发动机控制器150还可以接收来自其他源的外部传感器信号，包括例如飞行器高度以及环境温度和/或总温度之类的信号。响应于这些信号，发动机控制器150给各种部件提供命令信号，包括发动机110、起动机140和燃料系统170。在对发动机系统100的其他部件做简要描述之后，关于发动机控制器150在起动模式期间的操作的其他细节将在下面被讨论。

起动机140通过齿轮箱130联接到发动机110。在一个示范实施例中，起动机140是电起动机，并且接收来自外部电源(例如电池或其他AC或DC电源)的电功率。在另一个示范实施例中，起动机是气动驱动的起动机，并且接收来自外部功率源(例如APU或其他发动机)的气动功率。

除了将起动机140联接到发动机110之外，齿轮箱130还可以用来自发动机110或起动机140的功率来驱动机械附件，例如转速计、发电机或交流发电机、液压泵、燃料泵、油泵、燃料控制机构和水泵。齿轮箱130可以包括任意数量的齿轮、轴和离合器，用于在发动机110、起动机140和其他附件之间传递能量。例如，齿轮箱130可以给燃料系统170提供机械功率。

发动机控制器150在起动、操作和停机期间控制发动机110的方式可以根据储存在存储器中的控制逻辑进行改变。具体地并且如下面将更详细地描述的，发动机控制器150根据控制逻辑给起动机140、发动机110和燃料系统170提供命令信号。

如下面所述，发动机控制器150可以选择合适的发动机110的起动模式，示范性的模式可以包括第一辅助起动模式、第二辅助起动模式和/或风车起动模式。这些起动模式在更详细地描述以前在下面先进行介绍。

在风车起动模式中，冲压空气和前进空速所产生的进入发动机的空气驱动发动机110。发动机控制器150根据预定的加速和燃料计划产生用于发动机110的加速命令和用于燃料系统170的燃料命令以输送指定量的燃料给发动机110。通常，风车起动模式不涉及机械辅助。一般地，风车起动模式要求足够的飞行器前进空速来提供起动发动机所需的空气动力辅助。所以，在低飞行器空速下，尝试在风车起动模式中进行起动可能导致不期望的问题，例如不完全的和/或延迟的起动，和/或过度的发动机温度条件。当起动机140不可用和/或没有足够的能力辅助驱动发动机110时，风车起动模式是最合适的。

在第一和第二辅助起动模式中，发动机控制器150根据预定的加速和燃料计划产生加速命令以驱动发动机110并且产生用于燃料系统170的燃料命令以输送指定量的燃料给发动机110。第一和第二辅助起动模式通常提供比风车起动模式更快的起动，并且在飞行器的空速不足以使用风车起动模式时(例如，当飞行器在地面上时)是必要的。当起动机140能提供发动机110所需要的最高水平的转矩时，第一辅助起动模式是最合适的。当起动机140能够提供某个转矩但并非发动机110所需要的最高水平时，第二辅助起动模式是最合适的。将在下面参考附图2提供关于起动操作的其他细节。

图2是根据示范实施例的用于起动发动机系统的方法200的流程图。在一个示范实施例中，方法200可以与图1的发动机系统100相关联。这样，下面也参考图1。

在第一步骤205中，飞行员例如在驾驶舱中的用户界面处开始起动发动机110。通常，飞行员开始一般性的起动操作但并不选择具体的起动模式。

在第二步骤210中，发动机控制器150提供命令给起动机以辅助发动机利用可用于其的或被控制到其的能量进行起动。在步骤210中，控制器150可以使用任意合适的起动计划。

在第三步骤215中，发动机控制器150评估系统参数。一般地，系统参数指示起动机140当前给发动机110提供足够量的转矩辅助的能力。在一个示范实施例中，系统参数是发动机加速度。发动机加速度(或速度)数据可以由发动机110内部或附近的传感器120提供。

根据速度或加速率，方法200前进到步骤220、230或240。在替代实施例中，其他系统参数可以被用来评估起动机140辅助水平。例如，气动阀的位置可以指示气动起动机内的压力大小，从而指示可用辅助的水平。其他可用的或被使用的起动辅助水平的指示包括起动机电流、起动机电压、或起动机压力水平。在一些情况下，可以使用多于一个参数，例如加速度和值的位置。在下面的描述中，将加速度作为系统参数进行评估，但是类似的方法可以使用其他参数或参数的组合。

如果加速率小于第一预定比率，则方法200前进到步骤220，在步骤220中，发动机控制器150以风车起动模式开始发动机起动。加速度的该水平指示起动机140可能不能提供转矩辅助。在步骤225中，发动机控制器150根据第一加速计划和第燃料计划分别给发动机110和燃料系统170提供加速和燃料命令。关于加速和燃料计划的其他细节在下面提供。一般地，风车起动模式继续，直到发动机110点火并达到预定的自维持发动机速度和/或100％的发动机速度。

在步骤215中，如果加速率大于第二预定比率，则方法200前进到步骤230，在步骤230中，发动机控制器150以第一辅助起动模式开始发动机起动。加速度的该水平指示起动机140可能能够提供完全的转矩辅助。在步骤235中，发动机控制器150根据第二加速计划和第二燃料计划分别给起动机140和燃料系统170提供加速和燃料命令。关于加速和燃料计划的其他细节在下面提供。一般地，第一辅助起动模式继续，直到发动机110点火并达到预定的自维持发动机速度和/或100％的发动机速度。

在步骤215中，如果加速率大于或等于第一预定比率且小于或等于第二预定比率，则方法200前进到步骤240，在步骤240中，发动机控制器150以第二辅助起动模式开始发动机起动。加速度的该水平指示起动机140可能能够提供部分的转矩辅助。在步骤245中，发动机控制器150根据第三加速计划和第三燃料计划分别给起动机140和燃料系统170提供加速和燃料命令。关于加速和燃料计划的其他细节在下面提供。一般地，第二辅助起动模式继续，直到发动机110点火并达到预定的自维持发动机速度和/或100％的发动机速度。

如上所述，如果可用的话，除了加速度以外或取代加速度，可以使用可用起动机辅助的其他指示。例如，在步骤215中，如果起动机电压低于第一预定值，则方法200可前进到步骤220；如果大于第二预定值，前进到步骤240；如果在第一和第二预定值之间，前进到步骤230。另外，在上面和下面讨论加速和燃料计划，作为用于控制起动机140和发动机110的机制。然而，任意合适的控制技术可以被用于本文所述的系统100和方法200中，包括加速计划、燃料流/燃烧器压力计划、燃料流计划等等。

图3是根据示范实施例的图表300，示出了用于图1的发动机系统110的示范加速计划。图表300代表作为发动机转子速度(以％/sec²为单位)的函数的加速率命令。如上所述，一个示范计划采用加速度，但是可以使用任意合适发动机起动计划，那些以原始测量值或“无量纲”白金汉π校正的单位(例如被校正到发动机飞行条件)表达的。

在采用加速度的实施例中，三个示范计划302、304和306被提供在图表300上。参见图2，第一加速计划302可以对应于步骤220和225的风车起动模式；第二加速计划304可以对应于步骤230和235的第一辅助起动模式；并且第三加速计划306可以对应于步骤240和245的第二辅助起动模式。如所示，第一加速计划302就加速率而言与第二和第三加速计划304和306相比更为保守，这样也就是更慢。然而，如上所述，在更适合风车起动的情况下提供更激进的加速命令可能导致不期望的问题。第二加速计划304是相对地最激进的加速计划。第二加速计划304提供最快速的发动机起动模式，而且通常适合于起动机140处于全功率时的情况，以给发动机110提供必需的转矩辅助。第三加速计划306不如第二加速计划304激进但比第一加速计划302更激进。第三加速计划306提供更中庸或适中的发动机起动模式，并且通常适合于起动机140低于全功率但大于零功率的情况。在一个示范实施例中，第三加速计划306可以是起动机140的能力的函数。换句话说，系统100和方法200根据起动机140的能力水平如何而可以具有多个第三加速计划306，和/或第三加速计划306可以是算法，其根据起动机140的能力水平来计算加速命令。

图4是根据示范实施例的图表400，示出了用于图1的发动机系统110的示范燃料计划。图表400代表作为发动机转子速度的函数的燃料率命令。图表400上提供了三个示范计划402、404和406。参见图2，第一燃料计划402可以对应于步骤220和225的风车起动模式；第二燃料计划404可以对应于步骤230和235的第一辅助起动模式；并且第三燃料计划406可以对应于步骤240和245的第二辅助起动模式。这样，燃料计划402、404和406可分别对应于上面参照图3讨论的加速计划302、304和306。

如所示，第一燃料计划402就燃料率而言与第二和第三燃料计划404和406相比更为保守，这样可能导致更慢的起动。然而，如上所述，在更适合风车起动的情况下提供更激进的燃料命令可能导致不期望的问题。第二燃料计划404是相对地最激进的燃料计划。第二燃料计划404提供最快速的发动机起动模式，而且通常适合于起动机140处于全功率时的情况，以给发动机110提供必需的转矩辅助。第三燃料计划406不如第二燃料计划404激进但比第一燃料计划402更激进。第三燃料计划406提供更中庸或适中的发动机起动模式，并且通常适合于起动机140低于全功率但大于零功率的情况。在一个示范实施例中，第三燃料计划406可以是起动机140的能力的函数。换句话说，系统100和方法200根据起动机140的能力水平如何而可以具有多个第三燃料计划406，和/或第三燃料计划406可以是算法，其根据起动机140的能力水平来计算燃料命令。

一般地，方法200和系统100使得能够选择最合适的起动模式，并且从而选择最合适的燃料和加速计划。选择正确的加速和燃料计划提供改进的温度管理、更高效的起动操作以及更高效的燃料使用。选择合适的模式通常由系统100和方法200自动地执行，例如在没有飞行员做出的不恰当决定的情况下。在常规系统中，飞行员可能必须执行大量的步骤来评估情况，选择起动模式以及手动地开始所选择的起动模式。这样，除了提供更高效的起动程序之外，系统100和方法200还减少了飞行员的工作负担并提高了对环境情况的认知。

涡轮发动机起动系统和方法可以在多种平台上实施，例如包括处理器、接口、储存装置、总线和存储了作为程序的起动逻辑的存储器的计算机系统。处理器执行控制器的计算和控制功能并且可以包括任意类型的处理器(包括集成电路)，例如在独立系统上实现的或作为飞行器总体控制系统、领航系统、航空电子系统、通信系统或诊断系统的一部分的微处理器。在操作期间，处理器执行存储器中所含的程序，存储器可以是任意类型的合适的存储器。总线用于在发动机系统的各种部件之间传递程序、数据、状态以及其他信息或信号，并且可以包括任意合适的连接计算机系统和部件的物理或逻辑机构。

应当明白，虽然在全功能计算机系统的背景中描述了这些系统和方法，但是本领域技术人员将会意识到本发明的机制能够被分散为多种形式的程序产品，并且不论用于执行所述分散的信号承载介质的具体类型如何，都能等同地应用本发明。信号承载介质的例子包括：可读介质(例如软盘、硬盘、储存卡和光盘)以及传输介质(例如数字和模拟通信线路，包括无线通信线路)。

虽然本文描述的系统和方法是用于例如飞行器燃气涡轮发动机，但是将会理解其也可用于多种其他环境，包括例如宇宙空间、海洋、陆地或与其他使用燃气涡轮发动机的与运载工具相关的应用。将会理解的是，可以采用多种燃气涡轮发动机构造和实施方案，包括推进发动机和APU。例如，燃气涡轮发动机可用于驱动直升飞机的一个或多个转子，燃气涡轮发动机可以被实施为APU，或者燃气涡轮发动机可以用于给多个其他类型的水基、空基或陆基运载工具中的任意一种提供动力。

虽然在前面的本发明详细描述中已经展示了至少一个示范实施例，但可以理解存在多种变化。应当理解示范实施例仅仅是举例，并不意味着以任何方式限制本发明的范围、可应用性或构造。相反，前面的详细描述为本领域技术人员实施本发明的示范实施例提供了方便的路线图。应当明白，在不背离所附权利要求限定的本发明范围的情况下，可以对示范实施例中所描述的元件的功能和布置做出多种改变。

Claims (3)

1.一种用于起动燃气涡轮发动机（110）的发动机系统（100），包括：

起动机（140），其联接到所述燃气涡轮发动机（110）并构造成给所述燃气涡轮发动机（110）提供转矩；以及

控制器（150），其联接到所述起动机（140）并构造成评估发动机系统参数并基于所述发动机系统参数在用于起动所述燃气涡轮发动机（110）的多个起动模式中进行选择，

其中，所述发动机系统参数是所述燃气涡轮发动机的发动机加速度。

2.一种用于起动燃气涡轮发动机的方法，包括以下步骤：

利用控制器（150）评估与所述燃气涡轮发动机（110）联接的起动机（140）的状态，其中，所述起动机的状态指示对于所述燃气涡轮发动机可用的转矩辅助的量；

利用所述控制器（150）基于所述起动机（140）的状态从多个起动模式中选择起动模式；以及

基于所选择的起动模式产生加速命令。

3.一种用于起动燃气涡轮发动机（110）的发动机系统（100），包括：

起动机（140），其联接到所述燃气涡轮发动机（110）并构造成给所述燃气涡轮发动机（110）提供转矩；

燃料系统（170），其联接到所述燃气涡轮发动机（110）并构造成给所述燃气涡轮发动机（110）提供燃料；以及

联接到所述起动机和所述燃料系统（170）的控制器（150），所述控制器（150）构造成确定所述燃气涡轮发动机（110）的加速率，基于所述加速率在辅助起动模式和风车起动模式之间选择，以及根据所述风车起动模式中的第一加速计划并根据所述辅助起动模式中的第二加速计划产生用于所述燃料系统（170）的燃料命令。