CN107448422A - 控制面积可变的风扇喷嘴的次级系统和方法 - Google Patents

控制面积可变的风扇喷嘴的次级系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及控制面积可变的风扇喷嘴的次级系统和方法。公开了一种用于面积可变的风扇喷嘴(VAFN)的控制系统。所述VAFN具有多个瓣并且可适用于燃气涡轮发动机。所述控制系统可包括：初级系统，所述初级系统被构造成获取指示所述VAFN的运行状态的初级数据；次级系统，所述次级系统被构造成获取指示所述燃气涡轮发动机的当前运行状态的次级数据；以及与所述初级系统和所述次级系统操作性通信的控制模块。所述控制模块可被构造成：至少部分地基于所述初级数据来确定所述VAFN的喷嘴面积，基于所述次级数据来调整被确定的喷嘴面积，以及根据调整的喷嘴面积来定位所述多个瓣。

Description

控制面积可变的风扇喷嘴的次级系统和方法
技术领域
本公开大致涉及面积可变的风扇喷嘴，更具体地涉及控制面积可变的风扇喷嘴的喷嘴面积。
背景技术
旁路涡扇发动机产生两个排气流：核心发动机流和风扇流。核心发动机流在穿过核心发动机之后从核心流喷嘴排出。风扇流穿过由围绕核心发动机和风扇导管的机舱形成的环形通道。这两个流穿过的横截面面积可针对特定运行状态(诸如起飞、爬升、巡航，等)进行优化。包括可移动瓣的面积可变的风扇喷嘴用于扩大或减小风扇流的喷嘴面积，从而分别降低或增加排气速度。
发明内容
根据一个方面，公开了一种用于面积可变的风扇喷嘴(VAFN)的控制系统。所述VAFN可具有多个瓣并且可适用于燃气涡轮发动机。所述控制系统可包括：初级系统，所述初级系统被构造成获取指示所述VAFN的运行状态的初级数据；次级系统，所述次级系统被构造成获取指示所述燃气涡轮发动机的当前运行状态的次级数据；以及与所述初级系统和所述次级系统操作性通信的控制模块。所述控制模块可被构造成：至少部分地基于所述初级数据来确定所述VAFN的喷嘴面积，基于所述次级数据来调整被确定的喷嘴面积，以及根据被调整的喷嘴面积来定位所述多个瓣。
在一个改进中，所述次级数据可包括指示所述燃气涡轮发动机的背压的数据。
在另一改进中，所述次级系统可包括至少一个压力传感器，所述至少一个压力传感器被构造成确定所述燃气涡轮发动机的所述背压。
在另一改进中，所述至少一个压力传感器可被布置在所述燃气涡轮发动机的核心发动机机舱的后端附近。
在另一改进中，所述次级数据可包括指示所述燃气涡轮发动机的风扇叶片应变的数据。
在另一改进中，所述次级系统可包括至少一个应变传感器，所述至少一个应变传感器被构造成确定所述燃气涡轮发动机的所述风扇叶片应变。
在另一改进中，所述至少一个应变传感器可包括光纤应变传感器，所述光纤应变传感器被布置在所述燃气涡轮发动机的风扇叶片上。
在另一改进中，所述控制模块可被进一步构造成基于所述次级数据来确定所述燃气涡轮发动机的运行瞬态。
在另一改进中，所述控制模块可被进一步构造成发送信号以向飞行器机组成员警告所述运行瞬态。
在另一改进中，所述控制模块可被进一步构造成当所述次级数据指示所述运行瞬态时将所述多个瓣移动到故障安全位置。
根据另一方面，公开了一种飞行器。所述飞行器可包括：燃气涡轮发动机；安装到所述燃气涡轮发动机的下游端的面积可变的风扇喷嘴(VAFN)，所述VAFN包括多个瓣和构造成移动所述多个瓣的至少一个致动器；以及与所述燃气涡轮发动机和所述VAFN操作性通信的控制系统。所述控制系统可包括：至少一个压力传感器，所述至少一个压力传感器被构造成确定所述燃气涡轮发动机的背压；至少一个应变传感器，所述至少一个应变传感器被构造成确定所述燃气涡轮发动机的风扇叶片应变；和控制模块，所述控制模块与所述至少一个压力传感器、所述至少一个应变传感器以及构造成获取指示所述VAFN的运行状态的初级数据的初级系统操作性通信。
在这方面，所述控制模块可被构造成：至少部分地基于所述初级数据来计算所述VAFN的实时喷嘴面积；至少部分地基于所述实时喷嘴面积和预编程到所述控制模块的存储器中的喷嘴面积的预定表来生成致动器命令；基于确定的背压和确定的风扇叶片应变中的至少一者来修改所述致动器命令；以及向所述VAFN的所述至少一个致动器发送修改的致动器命令以调整所述多个瓣。
在一个改进中，所述至少一个压力传感器可包括基于LIDAR的压力传感器或皮托管中的一者。
在另一改进中，所述控制模块可经由发动机电子控制装置和VAFN控制单元来实现。
在另一改进中，所述控制模块可包括基于模型的控制器，所述基于模型的控制器被构造成当初级数据不可用时估计所述VAFN的喷嘴面积。
在另一改进中，所述基于模型的控制器可包括学习算法(learning algorithm)，所述学习算法基于进入所述发动机电子控制装置的输入来估计所述喷嘴面积。
在另一改进中，所述控制模块可被进一步构造成如果来自所述基于模型的控制器的估计喷嘴面积在由所述VAFN控制单元确定的计算喷嘴面积的预定余量之外则确定所述燃气涡轮发动机的运行瞬态。
根据另一方面，公开了一种用于控制面积可变的风扇喷嘴(VAFN)的喷嘴面积的方法。所述VAFN可具有多个瓣并且可适用于燃气涡轮发动机，所述方法可包括如下步骤：获取指示所述VAFN的运行状态的初级数据；获取指示所述燃气涡轮发动机的背压和风扇叶片应变的次级数据；基于所述初级数据来计算所述VAFN的所述喷嘴面积；至少部分地基于喷嘴面积的预定表来生成期望喷嘴面积；基于计算喷嘴面积与所述期望喷嘴面积之间的差来产生致动器命令；基于所述次级数据来调整所述致动器命令；以及向所述VAFN发送调整的致动器命令以移动所述多个瓣，计算、生成、产生、调整和发送的步骤由与所述VAFN和所述燃气涡轮发动机关联的控制模块来执行。
在一个改进中，所述方法可进一步包括：基于进入所述燃气涡轮发动机的发动机电子控制装置的输入来学习所述VAFN的喷嘴面积，学习步骤由所述控制系统的基于模型的控制器来执行。
在另一改进中，所述方法可进一步包括：使用所述次级数据来确定所述燃气涡轮发动机的运行瞬态。
在另一改进中，所述方法可进一步包括：当确定所述运行瞬态时向飞行器机组成员警告所述运行瞬态，并将所述VAFN的所述多个瓣移动到故障安全位置。
附图说明
图1是根据本公开的一个实施方式的燃气涡轮发动机的立体图；
图2是图1的燃气涡轮发动机的面积可变的风扇喷嘴(VAFN)的控制系统的示意图；
图3是从后向前看的图1的燃气涡轮发动机的VAFN的一部分的立体图；
图4是图1的燃气涡轮发动机的风扇区段的立体图；
图5是VAFN控制系统的示意图；
图6是VAFN控制系统的控制理论图；
图7是VAFN控制系统的示意图；
图8是VAFN控制系统的示意图；
图9是VAFN控制系统的示意图；
图10是基于模型的控制器的示意图；以及
图11是图示控制VAFN喷嘴面积的示例过程的流程图。
虽然本公开容许各种修改和替代构建，但是其某些说明性实施方式将在下面详细示出并描述。本公开不限于所公开的特定实施方式，而是包括所有修改、替代构建及其等同物。
具体实施方式
现在参考附图，特别参考图1，示出了根据本公开的某些实施方式的发动机20。虽然发动机20被图示为燃气涡轮发动机，但是发动机可以是任何其它类型。应理解的是，发动机20主要出于说明性目的示出，以帮助公开各种实施方式的特征，并且图1没有描绘发动机的所有部件。此外，发动机20被包括在飞行器中并且用于生成推力。然而，发动机20还可被包括在也用于生成动力的陆地、海洋或飞行器应用中。
发动机20包括核心流喷嘴22和面积可变的风扇喷嘴(VAFN)24。核心流喷嘴22形成围绕核心发动机(未示出)的核心发动机机舱的下游端。VAFN 24被安装到推力反向器套筒28的下游端26或唇缘区。下游端26限定发动机20的下游端。套筒28与核心发动机机舱的至少一部分重叠。发动机20从离开核心流喷嘴22的发动机排气的核心流和离开VAFN 24的风扇流两者提供推力。核心流通常具有比风扇流更高的速度。
VAFN 24包括多个瓣30，瓣30被构造成改变穿过发动机20的风扇导管32的风扇流。瓣30可以是可弹性变形的瓣或可枢转的刚性瓣。在一个示例中，多个瓣30均呈大致梯形形状，但瓣30也可具有任何其它形状。瓣30均包括在大致纵向方向上从被支撑端38延伸到自由端40的第一侧34和相反的第二侧36。瓣30可沿着风扇导管32的圆周并排布置，瓣30的被支撑端38被安装到推力反向器套筒28的下游端26。瓣30的自由端40形成与VAFN 24的喷嘴面积关联的喷嘴开口42或圆周。
瓣30被构造成改变喷嘴面积，以便改变穿过风扇导管32的风扇流。例如，瓣30可使用连接到柔性杆48的致动器44、46向内或向外移动。柔性杆48可压在布置于致动器44、46之间的瓣30上。致动器44、46可经由构造成控制液压流体向致动器44、46的供给的电动液压伺服阀来液压致动。然而，可使用用于致动多个瓣30的其它构造。
在图1示出的示例中，VAFN 24包括布置在发动机吊架50的相对两侧上的两组瓣30，但是在该视图中仅可见一组瓣30。大致周向布置的柔性杆48包括在致动器44、46之间延伸的线缆。柔性杆48接触相应组中的所有瓣，并且诸如经由安装到轴的臂将柔性杆48的端部附接至致动器44、46。
另外，每组中的相邻瓣30可由弹性密封件52所占据的间隙分离。由硅橡胶或任何其它合适材料构成的密封件52用于防止空气从VAFN 24的内侧泄漏到外侧。在向内致动瓣30期间，密封件52从拉伸条件返回到标称条件。可使用用于VAFN 24的其它构造。此外，本公开的各方面可应用于其它类型的VAFN 24。
现在参考图2，继续参考图1，发动机20进一步包括用于VAFN 24的控制系统60。控制系统60包括初级系统62、次级系统64以及与初级系统62和次级系统64操作性通信的控制模块66。初级系统62和次级系统64均包括感测系统。
更具体地，初级系统62被构造成实时地获取指示VAFN 24的当前运行状态的初级数据，而次级系统64被构造成实时地获取指示发动机20的当前运行状态的次级数据。来自初级系统62的初级数据用于确定VAFN 24的当前喷嘴面积。来自次级系统64的次级数据用于优化或调整VAFN 24的喷嘴面积。在这样做时，可基于发动机20和VAFN 24的当前性能来发现瓣30的最佳位置。
例如，初级系统62包括一个或多个光纤形状传感器、摄影测量部件、周向传感器、线性可变差分变压器(LVDT)，等。这样的感测技术提供用于VAFN 24的初级数据，诸如瓣30的应变测量结果、瓣30的三维坐标、致动器44、46的位置，等。然而，也可使用其它类型的感测技术(诸如霍尔效应传感器和/或LIDAR传感器)，以便实时地获取指示VAFN 24的当前运行状态的初级数据。
次级系统64包括图3中示出的一个或多个压力传感器68和/或图4中示出的一个或多个风扇叶片应变传感器70。这样的感测技术提供用于发动机20的次级数据，诸如指示发动机20的背压的数据以及指示发动机20的风扇叶片应变的数据。然而，除了或代替压力传感器68和风扇叶片应变传感器70，还可使用其它感测技术，以获取指示发动机20的当前运行状态的次级数据。来自次级系统64的次级数据既用于检测发动机20的运行瞬态又用于优化VAFN 24的喷嘴面积。
更具体地，压力传感器68被构造成实时地确定发动机20的背压，或核心发动机机舱的后端处的压力。例如，压力传感器68可包括基于LIDAR的压力传感器、皮托管，等。压力传感器68被布置在核心发动机机舱的后端附近。
在图3示出的示例中，压力传感器68被布置在VAFN 24的安装到核心发动机机舱的附接舱壁72上。此外，在图3的示例中，VAFN 24的每另一个瓣30均与压力传感器68关联。然而，可使用用于放置和定位压力传感器68的其它构造。
风扇叶片应变传感器70被构造成实时地确定发动机20的风扇叶片应变，或发动机20的风扇76(图4)中的多个叶片74(图4)的应变。风扇叶片应变传感器70可包括布置在发动机20的一个或多个风扇叶片74上的光纤应变传感器或其它类型的应变传感器。例如，风扇叶片应变传感器70可安装到每个风扇叶片74上、间隔地安装到风扇叶片上或任何其它构造。
在图4的示例中，风扇叶片应变传感器70被嵌入到风扇叶片74的内侧。例如，在风扇叶片74内，可存在用于接收风扇叶片应变传感器70的通道。然而，可使用用于将风扇叶片应变传感器70安装到风扇叶片74的其它构造。
此外，在图4的示例中，各风扇叶片应变传感器70均沿着风扇叶片74的跨度从叶片74的基部78延伸到叶片74的末端80。风扇叶片应变传感器70可定位在风扇叶片74的前缘82、后缘84或中点86附近。然而，也可使用用于风扇叶片应变传感器70的其它位置。
返回参考图2，控制模块66与发动机20、VAFN 24、初级系统62和次级系统64操作性通信。控制模块66可使用以下的一者或多者来实现：处理器、微处理器、微控制装置、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、电子控制模块(ECM)、电子控制单元(ECU)和可包括或关联有将计算机可执行指令存储在其上的非暂时性计算机可读存储介质的基于处理器的设备，或者用于电子控制发动机20、VAFN 24和多个瓣30的功能性的任何其它合适装置。
在图2的示例中，控制模块66包括VAFN控制单元90和发动机电子控制装置92。然而，可使用用于控制模块66的其它构造。VAFN控制单元90和发动机电子控制装置92均被构造成根据用于操作控制系统60的预定算法或指令集进行操作。
这样的算法或指令集可被编程或结合到分别与VAFN控制单元90和发动机电子控制装置92关联或至少可访问到VAFN控制单元90和发动机电子控制装置92的存储器94和存储器96中。存储器94、96均可包括分别设置在VAFN控制单元90和发动机电子控制装置92内和/或外部的非易失性存储器。应理解的是，VAFN控制单元90、发动机电子控制装置92和控制系统60可包括其它硬件、软件、固件及其组合。
此外，发动机电子控制装置92被构造成生成期望喷嘴面积并向VAFN控制单元90发送对应信号。在一个示例中，发动机电子控制装置92可基于发动机运行状态而生成期望喷嘴面积。例如，发动机电子控制装置92可包括针对不同发动机运行状态的最佳或期望喷嘴面积的预定表，以便实现期望结果。期望喷嘴面积的预定表可被预编程到与发动机电子控制装置92关联的存储器96中。
发动机运行状态的示例可包括起飞、爬升、巡航、飞行状态、推力状态，等。期望结果的示例可包括低燃料燃烧、燃料流量、推力，等。基于实时发动机运行状态，发动机电子控制装置92从存储器96取得来自预定表的期望喷嘴面积。
然后，发动机电子控制装置92向VAFN控制单元90发送命令，以针对当前发动机运行状态实现VAFN 24的适当打开面积。发动机电子控制装置92还能确定针对特定发动机运行状态不能实现最佳面积并且可确定针对该特定状态的非最佳面积。VAFN控制单元90控制瓣30到不同位置的移动速率，或者维持实现期望喷嘴面积的位置。
至少部分地基于来自发动机电子控制装置92的指示期望喷嘴面积的信号，VAFN控制单元90向电动液压伺服阀发送对应信号，以便控制流向致动器44、46的液压流。例如，VAFN控制单元90可向电动液压伺服阀发送信号，以增加或降低流向柔性杆48的致动器44、46的液压流并向外或向内移动瓣30，以便改变喷嘴开口42(图1)的形状并实现期望喷嘴面积。VAFN控制单元90还可向电动液压伺服阀发送信号，以维持流向致动器44、46的相同液压流，以便维持相同的喷嘴面积。
现在参考图5，继续参考图1至图4，示出了控制系统60的另一示意图。在这方面，控制模块66被进一步构造成基于分别来自初级系统62和次级系统64的初级数据和次级数据来优化VAFN 24的喷嘴面积。更具体地，VAFN控制单元90被构造成从初级系统62接收初级数据，诸如指示瓣30的应变测量结果、瓣30的三维坐标和致动器的位置的数据。基于初级数据，VAFN控制单元90被构造成在模块100处确定VAFN 24的实时喷嘴面积。
例如，连同来自初级系统62的初级数据，VAFN控制单元90可使用预编程到存储器94中的预定公式和信息(诸如VAFN 24的装设几何形状)，以便计算VAFN 24的实时喷嘴面积。VAFN控制单元90还被构造成接收来自发动机电子控制装置92的指示期望喷嘴面积的信号。此外，VAFN控制单元90被构造成在模块102处确定实时喷嘴面积与期望喷嘴面积之间的差。至少部分地基于已确定的在计算喷嘴面积与期望喷嘴面积之间的差，VAFN控制单元90被进一步构造成使用控制定律在模块104处生成致动器命令以调整VAFN 24的瓣30。
向电动液压伺服阀发送致动器命令，以控制流向与瓣30接触的柔性杆48的致动器44、46的液压流。例如，VAFN控制单元90可被构造成使用比例积分微分(PID)、线性二次回归(LQR)或bang-bang控制。然而，可使用其它类型的反馈回路控制和控制定律。更具体地，使用诸如PID、LQR或bang-bang控制的控制定律，VAFN控制单元90连续地应用实时计算喷嘴面积与期望喷嘴面积之间的差作为反馈，以便生成致动器命令并修改实时喷嘴面积。
另外，控制模块66被进一步构造成基于来自次级系统64的次级数据来调整实时喷嘴面积。更具体地，发动机电子控制装置92被构造成接收来自次级系统64的次级数据，诸如指示发动机20的实时背压和/或发动机20的实时风扇叶片应变的数据。基于次级数据，发动机电子控制装置92被构造成在模块106处确定次级数据与其预定值之间的差。
针对背压和风扇叶片应变的预定值被预编程到与发动机电子控制装置92关联的存储器96中。例如，在模块108处，分别基于飞行状态、发动机速度、马赫数、高度等，针对背压和风扇叶片应变的预定值包括针对背压和风扇叶片应变的预期值。针对背压和风扇叶片应变的预定值根据诸如计算机模拟、基于模型的分析、地面测试结果、飞行中测试结果等的先前分析来确定。
实时背压与预定背压之间的差由发动机电子控制装置92(以及实时风扇叶片应变与预定风扇叶片应变之间的差)来确定。发动机电子控制装置92被进一步构造成使用控制定律在模块110处生成致动器命令以发送到VAFN控制单元90。例如，发动机电子控制装置92可被构造成使用比例积分微分(PID)、线性二次回归(LQR)或bang-bang控制，但是也可使用其它类型的反馈回路控制和控制定律。发动机电子控制装置92使用控制定律连续地应用次级数据与预定值之间的差，以便生成致动器命令并修改实时喷嘴面积。
此外，控制模块66包括加法器112，加法器112被构造成在VAFN控制单元90中将来自发动机电子控制装置92的致动器命令与模块104处的控制定律组合，以向VAFN 24生成致动器命令以调整瓣30。加法器112将次级数据与初级数据合并，以优化VAFN 24的喷嘴面积。在这样做时，控制模块66使用来自发动机20的传感器反馈和来自VAFN 24的传感器反馈两者以便准确地定位瓣30，从而增强不同飞行状态下的燃料燃烧、可操作性和/或推力的性能。
现在转到图6，继续参考图1至图5，图6示出了控制系统60的控制理论图。在这方面，次级数据用在性能查找控制中，在模块120处，性能查找控制以轻微增量执行喷嘴面积的扫掠并且根据对飞行状态的扫掠来选择VAFN 24的瓣30的最佳或期望位置。更具体地，控制模块66被构造成在预定公差内移动VAFN 24的致动器44、46并且选择提供最佳或期望的背压结果和/或最佳或期望的风扇叶片应变结果的致动器位置。例如，预定公差能设定为基于巡航飞行状态的标称喷嘴面积的百分之一(1％)。然而，可使用针对预定公差的其它值。
控制模块66发送信号，以增加或降低流向柔性杆48的致动器44、46的液压流并绕瓣30的当前位置向外或向内移动瓣30。随着每次轻微增量，移动致动器44、46，改变VAFN 24的喷嘴面积，并且监测来自次级系统64的实时背压和实时风扇叶片应变。基于致动器位置来选择瓣30的最佳或期望位置，以提供最佳或期望的背压结果和/或最佳或期望的风扇叶片应变结果。例如，为了获得最佳或期望结果，控制模块66可被构造成基于实时背压和实时风扇叶片应变来确定成本函数的最小值或最大值。
另外，控制模块66被构造成使用根据性能查找控制的扫掠的最佳或期望结果，以便根据发动机电子控制装置92来调整期望喷嘴面积。例如，控制模块66可包括第一加法器122，第一加法器122基于根据性能查找控制的扫掠的最佳或期望结果来使期望喷嘴面积偏差。此外，控制模块66可包括第二加法器124，第二加法器124将来自第一加法器122的偏差的期望喷嘴面积与来自初级系统62的初级数据组合，以便获得调整的喷嘴面积。在模块104处，诸如PID、LQR或bang-bang控制的控制定律由控制模块66用来生成致动器命令并向VAFN24发送致动器命令，以便实现调整的喷嘴面积。
图7示出了图6的控制理论图的实现。在这方面，控制模块66经由VAFN控制单元90来实现性能查找控制。更具体地，在模块130处，VAFN控制单元90被构造成执行扫掠以获得致动器位置，从而提供最佳或期望的背压结果和/或最佳或期望的风扇叶片应变结果。VAFN控制单元90被进一步构造成在模块132处对由扫掠获得的致动器位置使用诸如PID、LQR或bang-bang控制的控制定律，以生成喷嘴面积偏差。此外，模块132基于例如最大推力、最小燃料流量、最小背压、最小风扇叶片应变、其加权组合等来选择喷嘴面积偏差，以根据成本函数提供最佳或期望结果。
在模块134处，喷嘴面积偏差用于根据发动机电子控制装置92来调整期望喷嘴面积，以产生针对VAFN 24的调整的期望喷嘴面积。在模块102处，由VAFN控制单元90确定调整的期望喷嘴面积与计算喷嘴面积之间的差(基于模块100的初级数据)。在模块104处，诸如PID、LQR或bang-bang控制的控制定律应用于调整的期望喷嘴面积与计算喷嘴面积之间的差，以便生成致动器命令并向VAFN 24发送致动器命令以定位瓣30。例如，通过改变向VAFN24发送的致动器命令，模块104将调整的期望喷嘴面积与计算喷嘴面积之间的差驱动至零。然而，可使用用于控制模块66的其它构造。
现在参考图8，继续参考图1至图7，图8示出了控制系统60的另一示意图。在图8的示例中，发动机电子控制装置92被构造成确定发动机20的运行瞬态。更具体地，发动机电子控制装置92接收次级数据(诸如背压和/或风扇叶片应变的当前值)，并且将次级数据与其预定值比较。
在模块140处，各针对背压和风扇叶片应变的实时值与预定值之间的差由发动机电子控制装置92计算。在模块142处，发动机电子控制装置92确定当前值与预期值之间的差是否在预编程到与发动机电子控制装置92关联的存储器96中的预定范围内。对于各针对背压和风扇叶片应变的当前值与预期值之间的差，该差的预定范围包括可接受值的上限和下限。上限和下限基于发动机20和/或VAFN 24的类型来选择。
如果针对背压和/或风扇叶片应变的当前值与预期值之间的差在预定范围之外，则发动机电子控制装置92确定发动机20的运行瞬态正在发生并发送信号以警告飞行器机组成员。例如，发动机电子控制装置92可向发动机指示和机组预警系统(EICAS)发送信号，以生成警告飞行器机组成员的信息。另外，当次级数据指示运行瞬态时，发动机电子控制装置92可向VAFN控制单元90发送信号以将多个瓣30移动到故障安全位置。
基于来自发动机电子控制装置92的信号，VAFN控制单元90可向电动液压伺服阀发送对应信号，以便控制流向致动器44、46的液压流。例如，VAFN控制单元90可向电动液压伺服阀发送信号，以增加或降低流向柔性杆48的致动器44、46的液压流并向外或向内移动瓣30，以便实现故障安全位置。在一个示例中，故障安全位置包括向外最大化地移动瓣30使得喷嘴开口42达到最大喷嘴面积。
在另一示例中，故障安全位置包括浮动状态，其中，瓣30是浮动的，或者利用撞击在瓣30上的空气动力和推力移动。在又一示例中，故障安全位置包括如果不能实现最大喷嘴面积则向外最大化地将瓣30移动到浮动状态。然而，也可使用用于故障安全位置的其它构造。
现在参考图9，继续参考图1至图8，图9示出了控制系统60的另一示意图。在该示例中，VAFN控制单元90被构造成确定发动机20的运行瞬态。除了该确定由VAFN控制单元90而不是发动机电子控制装置92来执行，确定发动机20的运行瞬态类似于图8的示例。更具体地，VAFN控制单元90接收次级数据(诸如背压和/或风扇叶片应变的当前值)，并且将次级数据与其预定值(被预编程到VAFN控制单元的存储器94中)比较。
在模块150处，VAFN控制单元90计算次级数据与预定值之间的差，并且在模块152处确定差是否在预编程到VAFN控制单元90的存储器94中的预定范围内。如果针对背压和/或风扇叶片应变的当前值与预期值之间的差在预定范围之外，则VAFN控制单元90确定发动机20的运行瞬态。然后，当次级数据指示运行瞬态时，VAFN控制单元90向发动机电子控制装置92发送信号以警告飞行器机组成员和/或向VAFN 24发送信号以将多个瓣30移动到故障安全位置。
现在转到图10，继续参考图1至图9，控制模块66可进一步包括基于模型的控制器160。基于模型的控制器160可经由VAFN控制单元90或分离的基于处理器的设备而实现。此外，基于模型的控制器160包括预编程到与VAFN控制单元90关联的存储器94或其它基于处理器的设备中的学习算法。利用所述学习算法，基于模型的控制器160学习或估计VAFN 24的实时喷嘴面积。
更具体地，基于模型的控制器160包括数学模型，该数学模型接收来自发动机电子控制装置92和VAFN控制单元90的输入并且基于所接收的输入连续地采用数学模型中的常数。来自发动机电子控制装置92的输入可包括(但不限于)发动机速度、发动机温度、马赫数、期望喷嘴面积，等。来自VAFN控制单元90的输入可包括(但不限于)来自VAFN 24的传感器反馈、由VAFN控制单元90确定的计算喷嘴面积，等。
数学模型匹配VAFN 24的喷嘴面积，作为来自发动机电子控制装置92和VAFN控制单元90的输入的函数。因此，基于模型的控制器160代表发动机20的实时性能和寿命。在这样做时，如果来自初级系统62的初级数据不可用，则基于模型的控制器160能用作备用控制器以估计VAFN 24的实时喷嘴面积。例如，当确定发动机20的运行瞬态时，基于模型的控制器160停止采用数学模型中的常数并且使用来自发动机电子控制装置92的输入和数学模型的最终更新版本来估计VAFN 24的实时喷嘴面积。这允许发动机20的时间限制的分派而不依赖于初级系统62。
另外，基于模型的控制器160能提供用于检测发动机20的运行瞬态的替代装置。基于模型的控制器160被构造成将来自数学模型的估计喷嘴面积与由VAFN控制单元90确定的计算喷嘴面积比较。如果来自数学模型的估计喷嘴面积不等于来自VAFN控制单元90的计算喷嘴面积，或者如果估计喷嘴面积在来自VAFN控制单元90的计算喷嘴面积的预定余量之外，则基于模型的控制器160被构造成确定发动机20的运行瞬态。基于模型的控制器160被进一步构造成向发动机电子控制装置92发送信号，以便向飞行器机组成员警告运行瞬态。
工业应用性
根据上述内容，能看出，本公开的教导能在任何数量的不同情况下找到工业应用、技术效果和益处，包括但不限于诸如燃气涡轮发动机的发动机。例如，这样的发动机可用在飞行器上以生成推力，或者用在陆地、海洋或飞行器应用中以生成动力。
本公开提供了一种用于燃气涡轮发动机的面积可变的风扇喷嘴(VAFN)的控制系统。所公开的控制系统使用来自VAFN的初级系统传感器数据以便确定实时喷嘴面积，连同预编程到与控制系统关联的存储器中的预定查找表以生成用于VAFN的瓣的致动器命令。另外，所公开的控制系统使用来自发动机的次级系统传感器数据以调整VAFN的生成的致动器命令和喷嘴面积进行性能查找控制。
次级系统传感器数据包括发动机的背压和/或发动机的风扇叶片应变。利用所述次级系统传感器数据，所公开的控制系统还检测发动机的运行瞬态，当检测出运行瞬态时，向飞行器机组成员警告运行瞬态，并且将VAFN的瓣移动到故障安全位置。所公开的控制系统进一步包括基于模型的控制器，所述基于模型的控制器基于来自发动机电子控制装置的输入来学习并估计实时喷嘴面积。在这样做时，所公开的控制系统提供冗余或次级系统以精细地控制发动机和VAFN的性能监测。
现在参考图11，继续参考图1至图10，图11示出了图示控制VAFN 24的喷嘴面积的示例过程170的流程图。VAFN 24具有多个瓣30并且适用于燃气涡轮发动机20。在框172处，从初级系统62获取指示VAFN 24的运行状态的初级数据。在框174处，从次级系统64获取指示燃气涡轮发动机20的背压和风扇叶片应变的次级数据。
在框176处，基于初级数据由VAFN控制单元90计算VAFN 24的喷嘴面积。在框178处，由发动机电子控制装置92生成至少部分地基于喷嘴面积的预定表的期望喷嘴面积。在框180处，基于计算喷嘴面积与期望喷嘴面积之间的差由VAFN控制单元90产生致动器命令。
在框182处，基于次级数据由VAFN控制单元90调整致动器命令。然而，代替致动器命令，如上文在图6和图7的示例中描述的，可基于次级数据来调整期望喷嘴面积。在框184处，将调整的致动器命令发送到VAFN 24以移动多个瓣30。包括VAFN控制单元90和发动机电子控制装置92(与VAFN 24和燃气涡轮发动机20关联)的控制模块66执行计算、生成、产生、调整和发送。
应理解的是，图11中的流程图仅被示出并描述为示例以帮助公开所公开的控制系统的特征，并且比示出更多或更少的步骤可被包括在对应于上文针对所公开的控制系统描述的各种特征的过程中而不脱离本公开的范围。
进一步，本公开包括根据以下条款的实施方式：
条款1、一种用于具有多个瓣的面积可变的风扇喷嘴(VAFN)的控制系统，所述VAFN适用于燃气涡轮发动机，所述控制系统包括：初级系统，所述初级系统被构造成获取指示所述VAFN的运行状态的初级数据；次级系统，所述次级系统被构造成获取指示所述燃气涡轮发动机的当前运行状态的次级数据；以及与所述初级系统和所述次级系统操作性通信的控制模块，所述控制模块被构造成：至少部分地基于所述初级数据来确定所述VAFN的喷嘴面积，基于所述次级数据来调整被确定喷嘴面积，以及根据调整喷嘴面积来定位所述多个瓣。
条款2、根据条款1所述的控制系统，其中，所述次级数据包括指示所述燃气涡轮发动机的背压的数据。
条款3、根据条款2所述的控制系统，其中，所述次级系统包括至少一个压力传感器，所述至少一个压力传感器被构造成确定所述燃气涡轮发动机的所述背压。
条款4、根据条款3所述的控制系统，其中，所述至少一个压力传感器被布置在所述燃气涡轮发动机的核心发动机机舱的后端附近。
条款5、根据条款1至4中的任一项所述的控制系统，其中，所述次级数据包括指示所述燃气涡轮发动机的风扇叶片应变的数据。
条款6、根据条款5所述的控制系统，其中，所述次级系统包括至少一个应变传感器，所述至少一个应变传感器被构造成确定所述燃气涡轮发动机的所述风扇叶片应变。
条款7、根据条款6所述的控制系统，其中，所述至少一个应变传感器包括光纤应变传感器，所述光纤应变传感器被布置在所述燃气涡轮发动机的风扇叶片上。
条款8、根据条款1至7中的任一项所述的控制系统，其中，所述控制模块被进一步构造成基于所述次级数据来确定所述燃气涡轮发动机的运行瞬态。
条款9、根据条款8所述的控制系统，其中，所述控制模块被进一步构造成发送信号以向飞行器机组成员警告所述运行瞬态。
条款10、根据条款8或9所述的控制系统，其中，所述控制模块被进一步构造成当所述次级数据指示所述运行瞬态时将所述多个瓣移动到故障安全位置。
条款11、一种飞行器，所述飞行器包括：燃气涡轮发动机；安装到所述燃气涡轮发动机的下游端的面积可变的风扇喷嘴(VAFN)，所述VAFN包括多个瓣；以及与所述燃气涡轮发动机和所述VAFN操作性通信的根据条款1至10所述的控制系统。
条款12、一种飞行器，所述飞行器包括：燃气涡轮发动机；安装到所述燃气涡轮发动机的下游端的面积可变的风扇喷嘴(VAFN)，所述VAFN包括多个瓣和构造成移动所述多个瓣的至少一个致动器；以及与所述燃气涡轮发动机和所述VAFN操作性通信的控制系统，所述控制系统包括：至少一个压力传感器，所述至少一个压力传感器被构造成确定所述燃气涡轮发动机的背压；至少一个应变传感器，所述至少一个应变传感器被构造成确定所述燃气涡轮发动机的风扇叶片应变；和控制模块，所述控制模块与所述至少一个压力传感器、所述至少一个应变传感器以及构造成获取指示所述VAFN的运行状态的初级数据的初级系统操作性通信，所述控制模块被构造成：至少部分地基于所述初级数据来计算所述VAFN的实时喷嘴面积，至少部分地基于所述实时喷嘴面积和预编程到所述控制模块的存储器中的喷嘴面积的预定表来生成致动器命令，基于确定的背压和确定的风扇叶片应变中的至少一者来修改所述致动器命令，以及向所述VAFN的所述至少一个致动器发送修改的致动器命令以调整所述多个瓣。
条款13、根据条款12所述的飞行器，其中，所述至少一个压力传感器包括基于LIDAR的压力传感器或皮托管中的一者。
条款14、根据条款12或13所述的飞行器，其中，所述控制模块经由发动机电子控制装置和VAFN控制单元来实现。
条款15、根据条款14所述的飞行器，其中，所述控制模块包括基于模型的控制器，所述基于模型的控制器被构造成当初级数据不可用时估计所述VAFN的喷嘴面积。
条款16、根据条款15所述的飞行器，其中，所述基于模型的控制器包括学习算法，所述学习算法基于进入所述发动机电子控制装置的输入来估计所述喷嘴面积。
条款17、根据条款16所述的飞行器，其中，所述控制模块被进一步构造成如果来自所述基于模型的控制器的估计喷嘴面积在由所述VAFN控制单元确定的计算喷嘴面积的预定余量之外则确定所述燃气涡轮发动机的运行瞬态。
条款18、一种用于控制具有多个瓣的面积可变的风扇喷嘴(VAFN)的喷嘴面积的方法，所述VAFN适用于燃气涡轮发动机，所述方法包括如下步骤：获取指示所述VAFN的运行状态的初级数据；获取指示所述燃气涡轮发动机的背压和风扇叶片应变的次级数据；基于所述初级数据来计算所述VAFN的所述喷嘴面积；至少部分地基于喷嘴面积的预定表来生成期望喷嘴面积；基于计算喷嘴面积与所述期望喷嘴面积之间的差来产生致动器命令；基于所述次级数据来调整所述致动器命令；以及向所述VAFN发送调整的致动器命令以移动所述多个瓣，计算、生成、产生、调整和发送的步骤由与所述VAFN和所述燃气涡轮发动机关联的控制模块来执行。
条款19、根据条款18所述的方法，所述方法进一步包括：基于进入所述燃气涡轮发动机的发动机电子控制装置的输入来学习所述VAFN的喷嘴面积，学习步骤由所述控制模块的基于模型的控制器来执行。
条款20、根据条款18或19所述的方法，所述方法进一步包括：使用所述次级数据来确定所述燃气涡轮发动机的运行瞬态。
条款21、根据条款20所述的方法，所述方法进一步包括：当确定所述运行瞬态时向飞行器机组成员警告所述运行瞬态，并将所述VAFN的所述多个瓣移动到故障安全位置。
虽然已经关于某些特定实施方式给出并提供了以上详细描述，但是应理解的是，本公开的范围不应该限于这样的实施方式，而是仅仅出于实现和最佳模式的目的来提供。本公开的广度和精神比具体公开且包含在所附权利要求书内的实施方式更宽。而且，虽然一些特征与某些特定实施方式一起进行描述，但是这些特征并不限于仅供描述它们的实施方式使用，而是可与结合替代实施方式公开的其它特征一起使用或者与之分开。

Claims (11)

1.一种用于具有多个瓣(30)的面积可变的风扇喷嘴(VAFN)(24)的控制系统(60)，所述VAFN适用于燃气涡轮发动机(20)，所述控制系统包括：
初级系统(62)，所述初级系统被构造成获取指示所述VAFN的运行状态的初级数据；
次级系统(64)，所述次级系统被构造成获取指示所述燃气涡轮发动机的当前运行状态的次级数据；以及
与所述初级系统和所述次级系统操作性通信的控制模块(66)，所述控制模块被构造成：
至少部分地基于所述初级数据来确定所述VAFN的喷嘴面积；
基于所述次级数据来调整被确定的喷嘴面积；以及
根据调整的喷嘴面积来定位所述多个瓣。
2.根据权利要求1所述的控制系统(60)，其中，所述次级数据包括指示所述燃气涡轮发动机(20)的背压的数据，优选地其中，所述次级系统(64)包括至少一个压力传感器(68)，所述至少一个压力传感器被构造成确定所述燃气涡轮发动机的所述背压。
3.根据权利要求1所述的控制系统(60)，其中，所述次级数据包括指示所述燃气涡轮发动机(20)的风扇叶片应变的数据，优选地其中，所述次级系统(64)包括至少一个风扇叶片应变传感器(70)，所述至少一个风扇叶片应变传感器被构造成确定所述燃气涡轮发动机的所述风扇叶片应变。
4.根据权利要求3所述的控制系统(60)，其中，所述至少一个风扇叶片应变传感器(70)包括光纤应变传感器，所述光纤应变传感器被布置在所述燃气涡轮发动机(20)的风扇叶片(74)上。
5.根据权利要求1所述的控制系统(60)，其中，所述控制模块(66)被进一步构造成基于所述次级数据来确定所述燃气涡轮发动机(20)的运行瞬态，优选地其中，所述控制模块被进一步构造成当所述次级数据指示所述运行瞬态时将所述多个瓣(30)移动到故障安全位置。
6.一种飞行器，所述飞行器包括：
燃气涡轮发动机(20)；
安装到所述燃气涡轮发动机的下游端(26)的面积可变的风扇喷嘴(VAFN)(24)，所述VAFN包括多个瓣(30)和构造成移动所述多个瓣的至少一个致动器(44，46)；以及
与所述燃气涡轮发动机和所述VAFN操作性通信的根据权利要求1至5中的任一项所述的控制系统(60)，其中：
所述次级系统(64)包括：至少一个压力传感器(68)，所述至少一个压力传感器被构造成确定所述燃气涡轮发动机的背压；和至少一个风扇叶片应变传感器(70)，所述至少一个风扇叶片应变传感器被构造成确定所述燃气涡轮发动机的风扇叶片应变；和
控制模块(66)，所述控制模块被构造成：
至少部分地基于所述初级数据来计算所述VAFN的实时喷嘴面积；
至少部分地基于所述实时喷嘴面积和预编程到所述控制模块的存储器中的喷嘴面积的预定表来生成致动器命令；
基于确定的背压和确定的风扇叶片应变中的至少一者来修改所述致动器命令；以及
向所述VAFN的所述至少一个致动器发送修改的致动器命令以定位所述多个瓣。
7.根据权利要求6所述的飞行器，其中，所述控制模块(66)经由发动机电子控制装置(92)和VAFN控制单元(92)来实现。
8.根据权利要求7所述的飞行器，其中，所述控制模块(66)包括基于模型的控制器(160)，所述基于模型的控制器被构造成当初级数据不可用时估计所述VAFN(24)的喷嘴面积；
优选地其中，所述基于模型的控制器包括学习算法，所述学习算法基于进入所述发动机电子控制装置(92)的输入来估计所述喷嘴面积；以及
优选地其中，所述控制模块被进一步构造成如果来自所述基于模型的控制器的估计喷嘴面积在由所述VAFN控制单元(92)确定的计算喷嘴面积的预定余量之外则确定所述燃气涡轮发动机的运行瞬态。
9.一种用于控制具有多个瓣(30)的面积可变的风扇喷嘴(VAFN)(24)的喷嘴面积的方法(170)，所述VAFN适用于燃气涡轮发动机(20)，所述方法包括如下步骤：
获取指示所述VAFN的运行状态的初级数据(172)；
获取指示所述燃气涡轮发动机的背压和风扇叶片应变的次级数据(174)；
基于所述初级数据来计算所述VAFN的所述喷嘴面积(176)；
至少部分地基于喷嘴面积的预定表来生成期望喷嘴面积(178)；
基于计算喷嘴面积与所述期望喷嘴面积之间的差来产生致动器命令(180)；
基于所述次级数据来调整所述致动器命令(182)；以及
向所述VAFN发送调整的致动器命令以移动所述多个瓣(184)，计算、生成、产生、调整和发送的步骤由与所述VAFN和所述燃气涡轮发动机关联的控制模块(66)来执行。
10.根据权利要求9所述的方法(170)，所述方法(170)进一步包括：基于进入所述燃气涡轮发动机(20)的发动机电子控制装置(92)的输入来学习所述VAFN(24)的喷嘴面积，学习步骤由所述控制模块(66)的基于模型的控制器(160)来执行。
11.根据权利要求9或10所述的方法(170)，所述方法(170)进一步包括：
使用所述次级数据来确定所述燃气涡轮发动机(20)的运行瞬态；并且优选地包括
当确定所述运行瞬态时向飞行器机组成员警告所述运行瞬态，并将所述VAFN(24)的所述多个瓣(30)移动到故障安全位置。
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