CN103649471A - 启动涡轮机组而减少热失衡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种由电子单元实施的启动涡轮机组的方法，该涡轮机组包括燃气涡轮发动机和能够使转子旋转的启动器，所述燃气涡轮发动机包括至少一个转子，该启动方法包括：—步骤（E1），接收启动该涡轮机组的命令并对启动命令的接收响应：—主加速步骤（E2、E3），在该期间启动器被命令以增加转子的旋转速度（N），—热均匀化步骤（E4，E5），在该期间，命令启动器以使转子的旋转速度（N）保持恒定或使其降低直到满足预定的条件；—在满足预定条件之后，辅助加速步骤（E6），在该期间，命令启动器以增加转子的旋转速度（N）；以及点火步骤（E6），在该期间指令发动机的点火。

Description

启动涡轮机组而减少热失衡的方法

背景技术

本发明涉及通常的涡轮机组领域。本发明特别涉及当启动涡轮机组时考虑热失衡。

热失衡是在涡轮机组的转子被停止后涡轮机组的转子中发生的暂时失衡。由于热空气比冷空气轻，在气流通道内发生温度不均匀性，其通过双金属效应使转子变形。热失衡可比转子的剩余失衡大一百倍。

然而，涡轮机组在达到其运转速度之前必须通过一个或多个临界速度。因此，在重启涡轮机组时，一旦通过临界速度热失衡就可产生强烈的振动，其可降低涡轮机组的可靠性。热失衡也可具有在定子和转子之间进行接触的结果，其可使相关组件的完整性恶化。

存在寻求减少热失衡的不良影响的各种已知的解决方案：

·在涡轮机组停止后的一定时间长度内不重启涡轮机组；

·出于减少温度不均匀性（通风，发动机连续旋转，将空气流注入到气流通道内，…）的目的，在发动机停止或重启之前实施具体步骤；

·扩大定子和转子之间的间隙，以在重启涡轮机组时防止它们进行接触；以及

·修改发动机的架构以限制热失衡的影响。

然而，那些已知的解决方案存在某些缺点：

·在一定时间长度内不重启不利于涡轮机的可用性；

·具体步骤需要由操作者采取行动，例如由航空发动机的飞行员；

·扩大定子和转子之间的间隙对涡轮机组的性能有害；以及

·调整发动机的架构对涡轮机组的重量有害。

例如，文献FR2185753描述了经由被设置用于该目的的通道将压缩空气注入到气流通道内。该文献还提到了其他的解决方案，特别是使用转动装置使涡轮机在重启之前旋转。该特定的解决方案涉及在重启之前由操作者采取的动作。

因此，当启动可能遭受热失衡的涡轮机组时，存在对更有效的解决方案的需求。

发明目的和内容

本发明提出通过提出一种启动或重启涡轮机组的方法以满足这种需要，该方法由电子单元实施，该涡轮机组包括燃气涡轮发动机，后者包括至少一个转子和适于驱动该转子旋转的启动器，该启动方法包括：

·接受命令以启动涡轮机组，并对接受启动的命令响应的步骤：

·主加速步骤，在该期间，操作启动器以增加转子的旋转速度；

·热均匀化步骤，在该期间，操作启动器以使转子的旋转速度保持恒定或使其降低，直到满足预定的条件；

·一旦预定的条件为真，辅助加速步骤，其中，操作启动器以增加转子的旋转速度；以及

·点火步骤，其中指令发动机的点火。

由于在主加速步骤后旋转速度不再增加，在主加速步骤和热均匀化步骤期间，热失衡不产生不可接受的振动。此外，在热均匀化步骤期间，发动机内的强制对流交换使温度均匀，并且因此减少了热失衡。因此，当旋转速度在辅助加速状态期间再次增加时，热失衡变小并且不再产生不可接受的振动。

此外，主加速、热均匀化和辅助加速步骤通过电子单元自动化地实施以对接收启动的命令响应。换句话说，能使热失衡减少的该启动方法的步骤被结合在由电子单元所管理的启动发动机的过程中。因此，除了发出启动的命令，操作者不需要实施任何其他操作。

在一个实施方式中，实施主加速步骤直到达到预定的旋转速度。

预定的旋转速度可以少于涡轮机组的第一临界旋转速度。

由于在热均匀化步骤期间减少了热失衡，旋转速度可随后在辅助加速步骤期间超过预定的旋转速度。

在一个实施方式中，该预定条件为从热均匀化步骤开始而消逝的预定持续时间。

举例来说，预定持续时间在5秒到60秒的范围内。

在另一个实施方式中，实施该主加速步骤，直到检测到大于或等于第一预定水平的振动水平，所述预定条件为检测小于或等于第二预定水平的振动水平，其自身小于第一预定水平。

在热均匀化步骤期间，可控制启动器以保持转子的旋转速度恒定。

在一种变型中，在热均匀化步骤期间，启动器被操作以停止驱动转子旋转。

以相应的方式，本发明还提出了：

·计算机程序，包括当该计算机程序由计算机执行时，用于实施根据本发明的启动方法的指令；

·电子单元，包括其中存储有根据本发明的计算机程序的存储器；以及

·涡轮机组，包括根据本发明的电子单元，包括至少一个转子的燃气涡轮发动机，以及适于驱动转子旋转的启动器。

附图说明

从以下的描述中，参考示出没有限制特征的实施方式的附图，本发明的其它特征和优点将变得清晰。在图中：

·图1为本发明实施方式中涡轮机组的图表；

·图2至图5示出了在本发明的几个变型实施方式中，图1涡轮机组的旋转速度如何在启动期间根据时间而变化；以及

·图6为示出本发明实施方式的启动方法的主要步骤的流程图。

具体实施方式

图1示出了一种涡轮机组1，包括电子单元2、发动机3和启动器4。在本发明的一种实施例中，涡轮机组1为直升机涡轮轴发动机。这种类型的涡轮轴发动机对于本领域技术人员来说是已知的，因此没有详细描述。然而，本发明适于其他类型的航空器涡轮机组，特别是涡轮喷气发动机，双转子旁路涡轮喷气发动机，涡轮螺旋桨发动机，或其他工业涡轮机组，……。

发动机3为包括至少一个转子的燃气涡轮发动机。下面，转子的旋转速度写作N。在上述双转子旁路涡轮喷气发动机的情况下，发动机3具有两个转子并且N指两个转子之一的旋转速度。

举例说明，启动器4为联结到发动机3的电动机并能驱动发动机3旋转。当其由发动机3被驱动旋转时，启动器4也可以作为发电机。

电子单元2控制涡轮机组1的通常操作，特别是通过运行用于伺服控制涡轮组机1的速度或推力的主调节回路。电子单元2对于本领域技术人员来说通常作为完全授权的数字发动机控制（FADEC）系统或作为电子发动机控制器（EEC）的已知类型。

电子单元2提出了计算机的硬件架构，并且它特别地包括处理器5，非易失性存储器6，易失存储器7和接口8。处理器5用于执行被存储在非易失存储器中的计算机程序，同时利用易失存储器7作为工作空间。接口8用于获取代表涡轮机组1操作的信号并发送控制信号。

因此，电子单元2可特别地获取代表转子的旋转速度N的信号，代表如由振动传感器（例如加速计）传递的发动机3内振动水平S的信号，以及代表如通过可由操作员（航空器涡轮机组的飞行员）操作的控制部件所传递的启动命令DEM的信号。其中，电子单元2也可控制启动器4和发动机3的点火。

参照图2，接下来是启动该涡轮机组1的方法的第一实施例的描述。图2的图表表示出了旋转速度N如何根据时间t而变化。

在时刻t₀，电子单元2接收启动涡轮机组1的命令。电子单元2然后控制启动器4以致使其驱动转子并逐步增加其旋转速度N，直到在时刻t₁，它达到预定的旋转速度N₁。旋转速度N₁小于转子的第一临界旋转速度Nc。

此后，电子单元2控制启动器4，这样它停止驱动转子预定的持续时间Δt。例如，预定的持续时间Δt在5s到60s的范围内。由于气动功率损耗，旋转速度N下降。在该预定持续时间内，发动机3中的强制对流交换使温度更均匀，从而减少热失衡。

在预定的持续时间Δt已经过去后，在时刻t₂，电子单元2控制启动器4以驱动转子并逐步地增加其旋转速度N，直到其超过旋转速度N₁和Nc，以及在时刻t3，达到预定的旋转速度Na。

此后，在时刻t₃，电子单元2命令发动机3点火。

在时刻t₀和时刻t₂之间，旋转速度N总是小于或等于旋转速度N₁，其本身小于旋转速度Nc。因此，热失衡不会产生不可接受的振动。此外，在时刻t₁和t₂之间，发动机3内的强制对流交换使温度更均匀，从而减少热失衡。因此，当旋转速度N从时刻t₂增加时，热失衡减少，并且同样不会产生不可接受的振动。

图3类似于图2并示出了启动涡轮机组1的方法的第二实施例。该第二实施例类似于图2的第一实施例。它的不同之处在于，在时刻t₁后，电子单元2控制启动器4这样它停止驱动转子，直到在时刻t₂它检测到旋转速度N小于或等于预定旋转速度N₁’。速度N₁’小于速度N₁。换句话说，基于速度阈值而不是基于消逝的预定持续时间来确定时刻t₂。

图4类似于图2并示出了启动涡轮机组1的方法的第三实施例。该第三实施例类似于图2的第一实施例。它的不同之处在于，在预定的持续时间Δt期间，即在时刻t₁和t₂之间，电子单元2以这种方式控制启动器4以维持旋转速度N恒定并等于N₁。

至于在图2和图3的实施例中，旋转速度N在时刻t₂之前被限制并且由于发动机3内的强制对流交换，在时刻t₂后减少了热失衡。这避免了不可接受的振动。

图5与图2类似，并示出了在启动涡轮机组1的第四实施例方法中，旋转速度N如何根据时间t而改变。

在时刻t₀，电子单元2接收命令以启动涡轮机组1。电子单元2然后致使启动器4驱动转子并逐步地增加其旋转速度N，直到在时刻t₁，它检测到振动水平S大于或等于预定阈值S₁。在时刻t₁的旋转速度N被写作N₁’。阈值S₁的合适选择可确保N₁’小于转子的第一临界旋转速度Nc。

此后，电子单元2控制启动器4以保持旋转速度N恒定并等于N₁’，直到在时刻t₂，它检测到振动水平S小于或等于预定阈值S₂。阈值S₂小于阈值S₁。

此后，电子单元2控制启动器4以驱动转子并逐步地增加其旋转速度N，直到其超过旋转速度N₁’以及在时刻t₃，Nc达到预定的旋转速度Na。

在时刻t₃，电子单元2然后指令发动机3的点火。

图5的启动方法为迭代的。换句话说，如果在时刻t₂后再次达到阈值S₁，那么电子单元2再次控制启动器4以保持旋转速度N恒定并等于N₁’，直到其检测到振动水平S小于或等于阈值S₂。

至于在图2-4的实施例中，旋转速度N在时刻t₂之前被限制并且在时刻t₂后由于发动机3内的强制对流交换而减少热失衡。这避免了不可接受的振动。

图2-5所示的启动方法的实施方式可与执行被存储在非易失存储器6中的计算机程序P1的处理器5相对应。图6示出了当执行计算机程序P1时由电子单元2实施的启动方法的主要步骤。

启动方法在步骤E1开始，在该期间电子单元2接收启动命令。步骤E1对应于图2-4的时刻t₀。随后的步骤E2到E6被实施以对接收启动的命令响应。

在步骤E2，电子单元2控制启动器4以驱动转子并逐步地增加其旋转速度N。在步骤E3中，电子单元E4测试朝步骤2的过渡条件。在图2-4的实施例中，过渡条件为N≥N₁。在图5的实施例中，过渡条件为S≥S₁。在另一种变型（未示出）中，该条件为，预定的持续时间已经消逝。只要过渡条件不为真，该启动方法循环回到步骤E2。

步骤E2和E3对应于根据本发明的启动方法的主加速步骤。

当步骤E3的过渡条件为真时，其对应于图2-5的时刻t₁，并且该启动方法从步骤E4继续。在步骤E4期间，电子单元2控制启动器4，这样它停止驱动转子（图2和图3的实施例）或以维持恒定的旋转速度N（图4和图5的实施例）。

在步骤E5中，电子单元2测试预定条件。在图2和图4的实施例中，预定条件为预定的持续时间Δt从步骤E3结束就已经消逝。在图3的实施例中，预定条件为N≤N₁’。在图5的实施例中，预定条件为S≤S₂。只要预定条件不为真，启动方法循环回到步骤E4。

步骤E4和E5对应于根据本发明的启动方法的热均匀化步骤。

当步骤E5的过渡条件为真时，其对应于图2-4的时刻t₂，并且该启动方法步骤继续到步骤E6。在步骤E6期间，电子单元2控制启动器4以驱动转子并逐步地增加其旋转速度N，直到其超过旋转速度N₁（或N₁’）和Nc，并且在时刻t₃达到预定的旋转速度Na。电子单元2然后指令发动机3的点火，其包括注入燃料并在涡轮机组的燃烧室内点火燃料。

步骤E6对应于根据本发明的启动方法的辅助加速步骤和点火步骤。

如上参照图2-5所解释的，所描述的启动方法有可能避免可由热失衡引起的不必要的振动。在涡轮机组1已经停止之后，为了重启发动机3不需要等待预定的持续时间。所提出的解决方案不需要任何发动机3的特定架构，在定子和转子之间也不需要更大的间隙。

此外，步骤E2到E6由电子单元2自动地实施，对接收步骤E1中的启动的命令响应。因此，除了发出启动的命令，飞行员不需要实施任何其他操作。具体地，启动方法的步骤E2到E6被结合到在执行计算机程序P1的同时由电子单元2管理的发动机3的启动过程中。

在一个变型实施方式中，步骤E2到E6不是由包括执行计算机程序的处理器的电子单元来实施的。例如，电子单元可为被配置为实施步骤E2到E6以对接收启动的命令响应的继电器序列类型的控制器。

在一个实施方式中，步骤E2到E6在测试涡轮机组的热状态的步骤之前。在这种情况下，如果涡轮机组的热状态指示热失衡的存在，然后如上所述执行步骤E2到E6。相反，如果热状态指示没有热失衡（冷发动机），然后启动涡轮机组而不通过步骤E2到E6。

Claims (10)

1.一种由电子单元（2）实施的启动或重启涡轮机组的方法（1），该涡轮机组（1）包括燃气涡轮发动机（3）和适于驱动该转子旋转的启动器（4），所述燃气涡轮发动机包括至少一个转子，该方法的特征在于：对接收启动的命令响应，它包括：

·主加速步骤（E2，E3），在该期间，操作启动器（4）以增加转子的旋转速度（N）；

·热均匀化步骤（E4，E5），在该期间，操作启动器（4）以使转子的旋转速度（N）保持恒定或使其降低，直到满足预定的条件，而不指令发动机的点火；

·一旦预定的条件为真，辅助加速步骤（E6），其中，操作启动器（4）以增加转子的旋转速度（N）；以及

·点火步骤（E6），其中指令发动机（3）的点火。

2.根据权利要求1所述的启动方法，其中，实施主加速步骤（E2、E3），直到达到预定转速（N₁）。

3.根据权利要求2所述的启动方法，其中，该预定转速（N₁）小于涡轮机组的第一临界旋转速度（Nc）。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的启动方法，其中，所述预定条件为从热均匀化步骤（E4，E5）开始就消逝的预定持续时间（Δt）。

5.根据权利要求1所述的启动方法，其中，实施主加速步骤（E2、E3），直到检测到振动水平（S）大于或等于第一预定水平（S₁），所述预定条件为检测小于或等于第二预定水平（S₂）的振动水平（S），其自身小于第一预定水平（S₁）。

6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的启动方法，其中，在热均匀化步骤（E4，E5）期间，操作启动器（4）以保持转子的旋转速度（N）恒定。

7.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的启动方法，其中，在热均匀化步骤（E4，E5）期间，启动器（4）被操作以停止驱动转子旋转。

8.一种计算机程序（P1），包含当所述计算机程序（P1）由计算机执行时，用于实施根据任一前述权利要求的启动方法的指令。

9.一种电子单元（2），包括存储器（6），该存储器中存储有根据权利要求8的计算机程序（P1）。

10.一种涡轮机组（1），包括：根据权利要求9的电子单元（2），包括至少一个转子的燃气涡轮发动机（3），以及适于驱动转子旋转的启动器（4）。

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