CN103477055B - 消除涡轮发动机中旋转失速的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种消除涡轮发动机压缩机旋转失速的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：自动检测涡轮发动机喘振的步骤(103)；涡轮发动机自动停机的步骤(104)；如果检测到喘振时，自动恢复喘振裕度的步骤(106);涡轮发动机自动再次点火步骤(105)。

Description

消除涡轮发动机中旋转失速的方法

技术领域

本发明涉及到涡轮发动机的一般领域。特别涉及到能够消除影响涡轮发动机压缩机的旋转失速的方法，以及涉及到可消除涡轮发动机旋转失速的装置。

本发明涉及到所有类型的涡轮发动机，特别涉及到航空涡轮发动机，诸如喷气涡轮发动机，涡轮螺旋桨发动机等。

现有技术状态

喘振是发生在压缩机内的一种剧烈的空气动力现象。其涉及到空气动力的不稳定性，这会引起较大纵向波，会达到压缩机内发生流动方向反向的程度。正是这种现象，会对压缩机叶片带来损坏。喘振的特征是大部分压缩机叶片出现失速。

旋转失速也是一种影响压缩机的空气动力不稳定性，其特征是出现一个或多个局部流体囊（pockets of fluids）（或称失速团（stall cells）或失速囊）。旋转失速沿压缩机的周向传播，传播速度通常低于压缩机的旋转速度。因此，旋转失速对应于压缩机的局部失速，其特征在于局部性能损失，但是，依然可以是稳定的，且可能表现为发动机转速停滞或降低，以及涡轮排气温度大幅度升高。

旋转失速通常在如下两种情况下发生：

-在涡轮发动机启动或再次点火阶段期间或

-在启动后推力调整阶段期间。在这种情况下，旋转失速通常是在压缩机出现喘振阶段之后发生。

旋转失速是一种稳定现象：实际上，一旦压缩机出现旋转失速，其就已形成，即使旋转失速发生所需条件并不存在。为此，旋转失速通常自身并不会消失。这种现象是持续的，如果不采取措施予以消除，则不可避免地会因为过热而损坏涡轮的风险。通常，正是通过过热报警才使得飞行员得知发生旋转失速。此外，在机组人员高工作负荷的情况下，延迟告警则会引起许多涡轮损坏。

旋转失速监测警告出现这种现象的系统。文件FR no.1055559介绍了监测涡轮发动机旋转失速的方法。

目前，一旦检测到旋转失速，或者手动或者自动地通过涡轮发动机停机然后再次点火来消除涡轮发动机中的这种旋转失速。在大多数情况下，涡轮发动机停机和然后再次点火都会使得旋转失速消失，这样，在涡轮发动机再次点火时，旋转失速已经消失。

然而，试验表明，发动机重新启动故障依然很高。

发明内容

本发明的目的是通过提出一种可有效消除涡轮发动机压缩机出现旋转失速，优化检测到旋转失速后停机的涡轮发动机的再次点火的方法，从而解决当前技术状态的缺陷。

本发明的另一个目的是提出一种消除旋转失速的方法，该方法可通过涡轮发动机中已有的控制部件来实施。

-为此，根据本发明的第一个方面，提出了消除涡轮发动机压缩机旋转失速的方法，其特征包括如下步骤：

-自动检测涡轮发动机内喘振的步骤；

-涡轮发动机自动停止的步骤；

-检测到喘振时，自动恢复喘振裕度的步骤；

-涡轮机自动再次点火的步骤；

喘振检测步骤可以确定旋转失速的类型，也就是说，如前所述，旋转失速是因为喘振所致还是因为其它原因所致。为此，根据其是以喘振还是其它原因所致，旋转失速可采用不同的方法来处理。因此，检测涡轮发动机内是否存在喘振可使旋转失速消除方式适合已经出现的旋转失速类型，从而可以非常有效地处理旋转失速。实际上，不识别两种旋转失速类型的做法会影响涡轮发动机的再次点火：因此，试验表明，当旋转失速是因为喘振而发生时和未进行喘振裕度恢复步骤时，则基本上都存在系统的再次点火故障。

为此，当未发现喘振时，这种方法仅仅涉及到涡轮发动机的停机和再次点火步骤。

另一方面，当检测到喘振时，该方法包括喘振裕度恢复步骤。压缩机喘振裕度恢复的做法，特别是压缩机喘振裕度的增加，这意味着可以防止再次出现旋转失速发生的条件，即喘振发生的条件。

根据本发明的喷气涡轮发动机也可以表明一个或多个如下特性，不论是单个考虑还是根据所有技术可能的结合形式考虑。

有利的是，停机步骤的持续时间为0.5秒到2秒之间，优选在1秒到1.5秒之间。然后是再次点火步骤。为此，该方法包括涡轮发动机的微小停机步骤。涡轮发动机停机大约一秒可以在大多数情况下消除旋转失速。此外，因此，涡轮机的停机可通过涡轮发动机内已有的部件来实施。实际上，涡轮发动机内的燃油开关可以进行微小停机，持续时间在0.5秒到2秒之间。另一方面，如果持续时间大大小于0.5秒，燃油开关则不能进行这样的微小停机，这样，如果需要进行微秒级的微小停机时，那么，涡轮发动机则必须装备专门的阀门。此外，为消除旋转失速，则不再需要使用较长时间的微小停机。

有利的是，涡轮发动机包括燃烧室，燃烧室供有燃油，涡轮发动机停机步骤包括切断向燃烧室的供燃的步骤。实际上，其中一个停止涡轮发动机运行的最简单方式就是切断向燃烧室供油。涡轮发动机然后就会停机，旋转失速消失。

有利的是，燃油开关控制向燃烧室提供燃油，切断向燃烧室供油的步骤就是关闭该燃油开关的步骤。

有利的是，所述方法包括旋转失速检测步骤。该旋转失速检测步骤优选在任何其它步骤之前，涡轮发动机停机和再次点火步骤优选只有在检测到旋转失速时进行。

优选实施文件FR no.1055559所述的方法，以检测旋转失速。

为了恢复压缩机的喘振裕度，如果在发动机启动期间出现喘振，喘振期间达到的"ConP"系数的水平在旋转失速消失后然后发动机再次点火期间绝不可以再次达到，如果需要进一步防止喘振的话。"ConP"的水平代表高压压缩机的喘振裕度。

系数"ConP"是由如下公式确定的：

$\mathrm{conP}=\frac{\mathrm{WF}32}{\mathrm{Ps}32\·{(T23/288.15)}^{\mathrm{\θ}}}$

式中:

-WF32是喷入燃烧室内的燃油的流量；

-Ps32是燃烧室内的压力；

-T25是压缩机进气口处的温度；

-以及θ等于0.5。

通常，系数"ConP"是压缩机“降低”速度"Xn25r"的函数。"Xn25r"“降低”速度实际上是由如下公式确定的：

$\mathrm{Xn}25r=\frac{\mathrm{Xn}25}{{(T25/288.15)}^{\mathrm{\θ}}}$

式中，Xn25是高压本体转子的旋转速度。

当在喘振后出现旋转失速时，在给定“降低”速度"Xn25r"时的系数"ConP"必须降低，以便避免进一步喘振。为此，根据一个实施方式，喘振裕度恢复步骤包括当喘振发生时以给定“降低”速度“Xn25r”将“ConP”存入储存器的步骤，为的是在涡轮发动机再次点火后以更低的“降低”速度“Xn25r”来降低“ConP”水平。

为了降低“ConP”，使用了一个“ConP”方程式，该方程式是“降低”速度“Xn25r”的函数。在喘振期间存入储存器内的“Xn25r”水平周围，在该方程式上施加一个缩减系数。

然后，“ConP”的降低表示为喷入燃烧室内的燃油流量的降低，在对喘振来讲至为关键的是在“降低”速度点周围进行优化。这就防止了喘振的再次发生，因此，也就防止了旋转失速的再次发生。燃油流量控制步骤是通过控制燃油阀门来实现的，燃油阀门可使得喷入燃烧室内的燃油量得以控制。

有利的是，“ConP”的降低可通过连续降低大约3-5%来实现。根据一个实施方式例，连续喘振和失速因此而存入储存器中，为的是以给定“降低”速度“Xn25r”来降低“ConP”水平。

为此，为了恢复压缩机的喘振裕度，特别是，喷入燃烧室内的燃油量可以降低。但通常，喘振裕度可以通过控制多个参数来恢复。

根据另一个实施例方式，该实施方式结合前一个实施方式，压缩机包括至少一个可变螺距的静子，压缩机喘振裕度恢复步骤包括修正静子螺距的步骤。实际上，压缩机静子螺距的修正可以限制施加到压缩机叶片上的负荷。这就防止了喘振，因此也就防止了压缩机再次出现旋转失速。

根据另一个实施方式，该实施例方式可以与前一个实施方式结合，压缩机上提供有排出阀，该排出阀可以使得压缩机空气量得到控制，喘振裕度恢复步骤包括打开排出阀的步骤。实际上，降低压缩机空气量也可以使作用在压缩机叶片上的负荷受到限制，因此，降低了压缩机出现喘振的风险。

压缩机喘振裕度恢复步骤可以在涡轮机停机和再次点火之间或在涡轮机再次点火步骤之后来进行。

本发明的另一个方面还涉及到消除涡轮发动机压缩机旋转失速的装置，其特征在于，该装置包括：

-自动检测涡轮发动机喘振的装置；

-涡轮发动机自动停机的装置；

-自动恢复喘振裕度的装置；

-涡轮发动机自动点火的装置。

有利的是，涡轮发动机包括燃烧室，燃烧室提供有燃油，涡轮发动机停机装置包括切断向燃烧室供油的部件。例如，所述切断燃油流动的部件可以是燃油开关。

有利的是，此外，消除装置包括适合调节流入燃烧室的燃油的调节部件。该调节部件可以是燃油阀门。

切断燃油的部件和调节燃油的部件可以是同一个部件或者两个完全不同的部件。

本发明的另一个方面涉及涡轮发动机，其装有根据本发明第二方面的装置。

附图简要说明

通过参照附图阅读如下详细说明，本发明的其它特性和优点会显现出来，附图如下：

-图1示出了本发明方法的各个步骤；

-图2为曲线图，示出了正常点火期间高压本体随时间变化的旋转速度；

-图3为曲线图，示出了在实施本发明方法时旋转失速点火期间高压本体随时间变化的转速情况。

为了清晰起见，在所有附图中，相同或相似的部件采用同一附图标记标识。

至少一个实施例的具体说明

旋转失速可以分为两类：实际上，首先是在涡轮发动机点火或再次点火期间出现的旋转失速。这些旋转失速的出现是因为点火条件不当所引起的，例如，出现在强侧风或不利热条件下，例如，涡轮发动机尚热但环境空气冷的情况下。人们无法清楚得知旋转失速时有利于点火的外部条件。然而，文件FR no.1055559介绍的方法可以使得这种旋转失速被检测到。

第二种旋转失速相应于因为喘振所发生的旋转失速。喘振是在压缩机叶片系统周围气流中失速条件大量形成的结果。如果压缩机叶片周围气流中失速条件消失，这种喘振会自行消失，而且不会再次出现。例如，吸入外来物之后就会出现这种情况。如果叶片系统局部始终处于失速情况下，喘振也会变为旋转失速。因此，这些旋转失速情况的出现与喘振现象直接有关，因此，也就与压缩机的喘振裕度直接有关。这种旋转失速也可以采用文件FR no.1055559所述方法检测到。

本发明的消除旋转失速的方法可以消除所述两种旋转失速。

图1示出了在涡轮发动机上实施这种方法的各个步骤，所述涡轮发动机包括通过低压轴与低压涡轮相连的低压压缩机，通过高压轴与高压涡轮连接的高压压缩机，和燃烧室。

燃烧室通过燃油开关想其提供燃油。

涡轮发动机连接到“全权数字式发动机控制”(FADEC)系统。特别是，“全权数字式发动机控制”(FADEC)系统可以使涡轮发动机自动启动。为此，具体是，“全权数字式发动机控制”(FADEC)系统打开切断燃油流动的部件，该部件优选为燃油开关。另外，“全权数字式发动机控制”(FADEC)系统可以控制燃油流量调节部件，该部件允许向燃烧室供应的燃油流量得到调节。燃油流量调节的所述部件优选为燃油阀门。

“全权数字式发动机控制”(FADEC)系统还可通过关闭燃油流动切断部件来控制燃烧室关闭。

参照附图1，本发明的方法首先优选包括检测旋转失速的步骤101。为此，可以采用文件FR no.1055559所述的方法。

如果未检测到旋转失速，则终止所述方法(步骤102)。

如果检测到旋转失速，那么，所述方法包括步骤103，该步骤可确定已经发生的旋转失速的类型。

如果检测到的是第一种旋转失速，即，旋转失速不是因为喘振所致，所述方法包括步骤104，即涡轮发动机停机步骤，然后，再进入涡轮发动机再次点火的步骤105。涡轮发动机停机步骤104优选涉及启动用来切断向燃烧室供油的部件，从而切断燃油流向燃烧室。涡轮发动机再次点火的步骤105优选为通过FADEC来使涡轮发动机自动再次点火的步骤。为此，特别是，FADEC可以再次打开切断燃油流动的部件。中断的持续时间优选大约1秒，或1.5秒。实际上，在大多数情况下，这种持续时间可以使得旋转失速得以消除。

图2示出了在正常点火期间，高压本体（即，高压压缩机转子）、高压涡轮转子和高压轴的旋转速度随时间的不同而变化的曲线A。当曲线A位于区域1时，可以点火并没有旋转失速。当曲线A位于区域2时，可以点火但存在旋转失速。当曲线A位于区域3时，涡轮机无法点火。在曲线A所示的情况下，在曲线A到达点4时，涡轮发动机可以点火。该点4在区域1内，点火没有任何问题。

图3示出了在点火期间高压本体转速随时间的不同而变化的曲线B。当曲线B在区域1内时，可以点火并没有旋转失速。当曲线B在区域2内时，可以点火但存在旋转失速。在图3所示情况下，存在旋转失速的区域进一步延伸，例如，这种情况因为涡轮机周围存在顺风所致。当曲线B处于区域3内时，涡轮发动机无法点火。在曲线B所示情况下，在曲线B到达点5时，涡轮发动机可以点火。该点5在区域2内，在这种情况下，可以点火，但存在旋转失速情况。在点6处，检测到旋转失速，因此，涡轮发动机停机。涡轮发动机停机时间为t1，其优选为大约1秒。从图3中可以看出，该持续时间t1足够高压本体的转速降低，以使曲线B回到无旋转失速的启动区域。涡轮机而后重新点火，且在大多数情况下，旋转失速不会再次发生。

如果检测到的是第二种类型的旋转失速，即，旋转失速是因为喘振所致，所述方法也包括步骤104，即涡轮发动机停机的步骤。正如前面情况所述，涡轮发动机停机的步骤104优选涉及启动用来切断向燃烧室供油的部件，从而切断燃油流向燃烧室。然后，本方法还包括步骤106，即恢复压缩机的喘振裕度。实际上，涡轮发动机停机的措施可以使得旋转失速消除。在此次停机后，涡轮发动机可再次点火。因此，这种自动再次点火会在切断燃油之后迅速开始。这种再次点火使得涡轮发动机再次点火时的速度高于初次点火期间的速度。结果，在许多情况下，这都是正常的再次点火。另一方面，即使旋转失速暂时消失，因为旋转失速是因喘振所致，如果产生喘振的条件没有消除，那么如果再次出现喘振，旋转失速还会再次出现。因此，恢复压缩机的喘振裕度，从而不再存在喘振，因此，也就不会再次出现旋转失速。为了防止旋转失速的再次出现，本方法因此还包括增加涡轮发动机的喘振裕度的步骤，从而使得涡轮发动机喘振得以消除。

在一个实施方式中，为了防止喘振的再次出现，恢复喘振裕度的步骤106包括存入参数"ConP"的步骤110，将喘振发生的参数存入存储器内，以及控制燃油流动的方程式，该方程式是由于涉及"ConP"的方程式而产生的。该方程式是"Xn25r"“降低”速度的函数。此外，所述方法包括降低"ConP"的步骤111，如前所述，在喘振期间存入存储器内的"Xn25r"的水平周围，将减小系数加到该方程式上。该步骤111可以有利地在涡轮发动机再次点火的步骤105之后进行。

然后，"ConP"的下降表示为喷入燃烧室内的燃油流量的降低，在对于喘振是关键的低转速点周围予以优化。这就防止了喘振的再次发生，因此，也就防止了旋转失速的再次发生。燃油流量控制步骤是通过控制燃油阀门来实现的，该阀门可控制喷入燃烧室内的燃油量。

此外，局部降低“ConP"可防止涡轮机在对于喘振并非关键的转速上出现停滞和停机。

根据一个实施方式，如果喘振再次发生时，可反复实施降低"ConP"的步骤。实际上，"ConP"下降越低，引起涡轮发动机停滞或甚至停机就会越大：涡轮发动机可能停滞，不再能够加速或再次点火。这就是采用反复缩减十分重要的原因：首先，将第一缩减系数加到"ConP"方程式上（例如，0.95，相当于"ConP"降低5%）。然后，发动机重新点火，继续启动。如果喘振后再次出现旋转失速，那么，可以施加第二缩减系数（例如，0.9，相当于“CsonP"降低10%），在微小停机后再次试图启动，直到达到“ConP"阈值的最大下降范围。一旦达到该阈值，可视为不可能再次启动，同时向飞行员发送告警。

根据另一个实施方式，如果涡轮发动机通过使用"dXn25/dt"的修正网络以闭环形式控制时，所述闭环形又称之为涡轮发动机转子速率控制环路，其是参数"Xn25r"的函数，然后，将缩减系数加到"dXn25/dt"设定值（settings）上。实际上，转子速率dXn25/dt本身也是压缩机喘振裕度的典型参数。通过限制发动机的转子速率，在给定低速"Xn25r"时的参数"ConP"自然可以降低。

存入存储器和降低ConP的步骤110和111使得涡轮发动机的喘振裕度得以增加，消除了涡轮发动机内的喘振，将涡轮发动机的停滞或停机风险降到最小。

为了恢复压缩机的喘振裕度，所述方法可以包括一个或多个如下步骤：

-该方法首先包括步骤106a，该步骤可降低进入燃烧室的燃油流量。为此，FADEC优选控制燃油流量调节部件，以便减少进入燃烧室的燃油流量。燃油流量调节部件还可以通过除FADEC之外的控制装置来控制。

-所述方法还包括步骤106b，该步骤可修正高压压缩机静子的螺距角。为此，高压压缩机必须包括带有螺距可变叶片的静子。修正高压叶片螺距角可以降低高压压缩机上的负荷，增加涡轮发动机的喘振裕度。静子的螺距角可以由FADEC或其它控制装置来修正。根据一个实施方式，在喘振再次出现时，可以重复实施螺距角修正步骤106b。有利的是，静子螺距角修正步骤106b通过标称螺距角闭合大约1%到2%的连续修正来进行。

-该方法还包括步骤106c，该步骤可减少高压压缩机内的空气量，可以减少高压压缩机上的负荷，增加喘振裕度。为此，高压压缩机优选设有排出阀，其可以使得高压压缩机内的空气量得以控制。因此，恢复喘振裕度的步骤106c包括打开排出阀的步骤。

当然，本发明并不限于参照附图所描述的所述实施方式，预期还有其它不同的实施方式，但都没有脱离本发明的范围。为此，所述方法可以通过除FADEC之外的其它控制设备来实施。

Claims (9)

1.消除涡轮发动机压缩机旋转失速的方法，其特征在于，其包括如下步骤：

-自动检测所述涡轮发动机喘振的步骤(103)；

-所述涡轮发动机自动停机的步骤(104)；

-如果检测到喘振时，自动恢复喘振裕度的步骤(106)；

-所述涡轮发动机自动再次点火步骤(105)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涡轮发动机包括燃烧室，该燃烧室提供有燃油，所述涡轮发动机停机步骤(104)包括切断向所述燃烧室供油的步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，燃油开关可将燃油供给所述燃烧室，切断向所述燃烧室供油的步骤涉及关闭所述燃油开关的步骤。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其包括自动检测旋转失速的步骤(101)。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述恢复喘振裕度的步骤(106)包括将代表所述喘振裕度的参数(ConP)存入储存器内的步骤(110)。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，其包括缩小参数(ConP)的步骤(111)。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述恢复喘振裕度的步骤(106)包括减小进入所述燃烧室的燃油流量的步骤(106a)。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述压缩机包括至少一个带有变距角的静子，其特征在于，恢复喘振裕度的所述步骤(106)包括修正所述静子螺距角的步骤(106b)。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述压缩机装有排出阀，该排出阀能够控制所述压缩机内的空气量，其中，恢复喘振裕度的步骤(106)包括打开所述排出阀的步骤。