CN108869052A - 燃气涡轮发动机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及燃气涡轮发动机及其控制方法，所述燃气涡轮发动机包括：风扇区段、中压缩机以及高压缩机。风扇区段联接到低涡轮并一起限定低轴。中压缩机联接到中涡轮并一起限定中轴。高压缩机联接到高涡轮并一起限定高轴。所述方法包括：将中轴速度到低轴速度特征曲线提供至控制器，将命令功率输出提供至所述控制器，将一个或多个环境条件提供至所述控制器，通过所述控制器确定命令燃料流速，通过所述控制器确定命令中压缩机负载，以及生成所述发动机的实际功率输出，其中，所述实际功率输出为以下的一个或多个：实际低轴速度、实际中轴速度、实际高轴速度和实际发动机压力比。

Description

燃气涡轮发动机及其控制方法
技术领域
本发明主题大体上涉及燃气涡轮发动机，且更具体地说，涉及一种操作三轴燃气涡轮发动机的方法。
背景技术
常规的燃气涡轮发动机大致包括串流布置形式的风扇区段和核心发动机。在三轴(three spool)构型中，风扇区段机械联接到低压涡轮；中压压缩机联接到中压涡轮；高压压缩机联接到高压涡轮。每个低压、中压和高压轴气动联接，以致一个轴的运行总体影响另一个的运行。
对于包括反转式涡轮机的三轴燃气涡轮发动机例如燃气涡轮发动机的交叉式涡轮区段，对转涡轮需要以特定的相对转速旋转，以便提高发动机的可操作性(换言之，在所有稳态和暂态条件下的性能和稳定性)、效率和响应。
因此，需要控制和操作三轴燃气涡轮发动机的能提高发动机的可操作性、效率和响应的方法。
发明内容
本发明的各方面和优势将部分地在以下描述中阐述，或可从所述描述显而易见，或可通过本发明的实践而得知。
本公开涉及一种控制燃气涡轮发动机的方法，所述燃气涡轮发动机包括：风扇区段，其联接到低涡轮并一起限定低轴；中压缩机，其联接到中涡轮并一起限定中轴；以及高压缩机，其联接到高涡轮并一起限定高轴。所述方法包括：将中轴速度到低轴速度特征曲线提供至控制器；将命令功率输出提供至所述控制器；将一个或多个环境条件提供至所述控制器；通过所述控制器确定命令燃料流速；通过所述控制器确定命令中压缩机负载；以及生成所述发动机的实际功率输出，其中，所述实际功率输出为以下的一个或多个：实际低轴速度、实际中轴速度、实际高轴速度和实际发动机压力比。
在各个实施例中，所述方法还包括通过所述控制器确定命令高压缩机负载，其中，所述命令高压缩机负载至少基于可变导叶(VGV)位置。在一个实施例中，确定命令燃料流速、命令中压缩机负载和命令高压缩机负载包括确定所述命令功率输出和所述发动机的所述实际功率输出之间的差。
在其他各个实施例中，所述方法还包括通过所述控制器由所述命令功率输出和一个或多个环境条件确定命令推力输出。在一个实施例中，所述方法还包括通过所述控制器由所述命令推力输出和实际推力输出的差确定命令燃料流速。在另一个实施例中，所述方法还包括通过所述控制器由所述命令中轴速度和所述实际中轴速度确定所述命令中压缩机负载。在又一实施例中，所述方法还包括至少基于所述实际推力输出，通过所述中轴速度到低轴速度特征曲线，确定命令中轴速度。在再一实施例中，所述方法还包括将实际推力输出和实际中轴速度提供至所述控制器；以及至少基于所述实际推力输出、所述实际中轴速度、所述命令功率输出和一个或多个环境条件，通过所述控制器确定所述命令推力输出和所述命令中轴速度。
在一个实施例中，所述方法还包括通过可变导叶(VGV)调度至少基于所述实际高轴速度，确定所述高压缩机负载。
在各个实施例中，确定所述命令燃料流速和所述命令中压缩机负载包括由推力输出误差和中轴速度误差确定所述命令燃料流速和所述命令中压缩机负载，其中，所述推力输出误差由所述命令推力输出和所述实际推力输出之间的差限定，并且其中，所述中轴速度误差由命令中轴速度和所述实际中轴速度之间的差限定。在一个实施例中，所述方法还包括通过所述控制器提供命令高轴速度；以及通过所述控制器至少基于所述命令高轴速度和实际高轴速度之间的差确定命令高压缩机负载。
在一个实施例中，所述方法还包括至少基于所述命令燃料流速、所述命令中压缩机负载和所述命令高压缩机负载，调节所述实际功率输出；以及将所述发动机的实际功率输出提供至所述控制器。
在各个实施例中，所述环境条件包括以下的一个或多个：海拔、进入所述发动机的空气流速、所述发动机外部的空气的环境温度以及在所述发动机入口处的空气的温度。
在再一些实施例中，所述中压缩机负载包括以下的一个或多个：中压缩机排放阀位置和所述中压缩机的可变定子轮叶(VSV)位置。
在再一些其它实施例中，所述命令功率输出基于命令低轴速度和命令发动机压力比中的一个或多个，并且其中，所述实际功率输出基于实际低轴速度和实际发动机压力比中的一个或多个。
在另一些其它实施例中，所述命令功率输出至少基于油门杆(throttle lever)位置。
本公开还涉及一种燃气涡轮发动机，其包括：低轴速度传感器；中轴速度传感器；高轴速度传感器；可变定子轮叶位置传感器，其测量中压缩机的一个或多个可变定子轮叶(VSV)的位置；排放阀位置传感器，其测量中压缩机的排放阀位置；可变导叶传感器，其测量高压缩机的可变导叶(VGV)的位置；以及控制器，所述控制器配置成执行指令。所述指令包括：接收所述发动机的命令功率输出和一个或多个环境条件；确定命令功率输出和实际功率输出之间的差；确定命令中轴速度和实际中轴速度之间的差；通过VSV位置和排放阀位置中的一个或多个，确定命令燃料流速和中压缩机负载；以及监测所述发动机的实际功率输出，其中，监测所述实际功率输出包括接收低轴速度、中轴速度、高轴速度和发动机压力比中的一个或多个。
在一个实施例中，所述控制器配置成执行指令，所述指令还包括：至少基于所述实际中轴速度和所述实际推力输出，通过中轴速度到低轴速度特征曲线确定命令中轴速度。
在一个实施例中，所述控制器配置成执行指令，所述指令还包括：通过VGV调度确定命令高压缩机负载，其中，所述高压缩机负载包括VGV位置。
在另一个实施例中，所述控制器配置成执行指令，所述指令还包括：接收实际高轴速度；以及至少基于实际高轴速度确定命令高轴速度。
具体地，本申请技术方案1涉及一种控制燃气涡轮发动机的方法，所述燃气涡轮发动机包括：风扇区段，所述风扇区段联接到低涡轮并一起限定低轴；中压缩机，所述中压缩机联接到中涡轮并一起限定中轴；以及高压缩机，所述高压缩机联接到高涡轮并一起限定高轴，所述方法包括：将中轴速度到低轴速度特征曲线提供至控制器；将命令功率输出提供至所述控制器；将一个或多个环境条件提供至所述控制器；通过所述控制器确定命令燃料流速；通过所述控制器确定命令中压缩机负载；以及生成所述发动机的实际功率输出，其中，所述实际功率输出为以下的一个或多个：实际低轴速度、实际中轴速度、实际高轴速度和实际发动机压力比。
本申请技术方案2根据技术方案1所述的方法，所述方法还包括：通过所述控制器确定命令高压缩机负载，其中，所述命令高压缩机负载至少基于可变导叶(VGV)位置。
本申请技术方案3根据技术方案2所述的方法，其中，确定命令燃料流速、命令中压缩机负载和命令高压缩机负载包括确定所述命令功率输出和所述发动机的所述实际功率输出之间的差。
本申请技术方案4根据技术方案1所述的方法，所述方法还包括：通过所述控制器从所述命令功率输出和所述一个或多个环境条件确定命令推力输出。
本申请技术方案5根据技术方案4所述的方法，所述方法还包括：通过所述控制器从所述命令推力输出和实际推力输出的差确定命令燃料流速。
本申请技术方案6根据技术方案5所述的方法，所述方法还包括：通过所述控制器从所述命令中轴速度和所述实际中轴速度确定所述命令中压缩机负载。
本申请技术方案7根据技术方案6所述的方法，所述方法还包括：至少基于所述实际推力输出，通过所述中轴速度到低轴速度特征曲线，确定命令中轴速度。
本申请技术方案8根据技术方案1所述的方法，所述方法还包括：至少基于所述实际高轴速度，通过可变导叶(VGV)调度，确定所述高压缩机负载。
本申请技术方案9根据技术方案1所述的方法，其中，确定所述命令燃料流速和所述命令中压缩机负载包括从推力输出误差和中轴速度误差确定所述命令燃料流速和所述命令中压缩机负载，其中，所述推力输出误差由所述命令推力输出和所述实际推力输出之间的差限定，并且其中，所述中轴速度误差由命令中轴速度和所述实际中轴速度之间的差限定。
本申请技术方案10根据技术方案9所述的方法，所述方法还包括：通过所述控制器提供命令高轴速度；以及通过所述控制器至少基于所述命令高轴速度和实际高轴速度之间的差确定命令高压缩机负载。
本申请技术方案11根据技术方案4所述的方法，所述方法还包括：将实际推力输出和实际中轴速度提供至所述控制器；以及至少基于所述实际推力输出、所述实际中轴速度、所述命令功率输出和所述一个或多个环境条件，通过所述控制器确定所述命令推力输出和所述命令中轴速度。
本申请技术方案12根据技术方案1所述的方法，所述方法还包括：至少基于所述命令燃料流速、所述命令中压缩机负载和所述命令高压缩机负载，调节所述实际功率输出；以及将所述发动机的实际功率输出提供至所述控制器。
本申请技术方案13根据技术方案1所述的方法，其中，所述环境条件包括以下的一个或多个：海拔、进入所述发动机的空气流速、所述发动机外部的空气的环境温度以及所述发动机入口处的空气的温度。
本申请技术方案14根据技术方案1所述的方法，其中，所述中压缩机负载包括以下的一个或多个：中压缩机排放阀位置和所述中压缩机的可变定子轮叶(VSV)位置。
本申请技术方案15根据技术方案1所述的方法，其中，所述命令功率输出基于命令低轴速度和命令发动机压力比中的一个或多个，并且其中，所述实际功率输出基于实际低轴速度和实际发动机压力比中的一个或多个。
本申请技术方案16根据技术方案1所述的方法，其中，所述命令功率输出至少基于油门杆位置。
本申请技术方案17涉及一种燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括：低轴速度传感器；中轴速度传感器；高轴速度传感器；可变定子轮叶位置传感器，所述可变定子轮叶位置传感器测量中压缩机的一个或多个可变定子轮叶(VSV)的位置；排放阀位置传感器，所述排放阀位置传感器测量中压缩机的排放阀位置；可变导叶传感器，所述可变导叶传感器测量高压缩机的可变导叶(VGV)的位置；以及控制器，所述控制器配置成执行指令，所述指令包括：接收所述发动机的命令功率输出和一个或多个环境条件；确定所述命令功率输出和实际功率输出之间的差；确定命令中轴速度和实际中轴速度之间的差；通过VSV位置和排放阀位置中的一个或多个，确定命令燃料流速和中压缩机负载；以及监测所述发动机的实际功率输出，其中，监测所述实际功率输出包括接收低轴速度、中轴速度、高轴速度和发动机压力比中的一个或多个。
本申请技术方案18根据技术方案17所述的燃气涡轮发动机，所述控制器配置成执行指令，所述指令还包括：至少基于所述实际中轴速度和所述实际推力输出，通过中轴速度到低轴速度特征曲线确定命令中轴速度。
本申请技术方案19根据技术方案17所述的燃气涡轮发动机，所述控制器配置成执行指令，所述指令还包括：通过VGV调度确定命令高压缩机负载，其中，所述高压缩机负载包括VGV位置。
本申请技术方案20根据技术方案17所述的燃气涡轮发动机，所述控制器配置成执行指令，所述指令还包括：接收实际高轴速度；以及至少基于实际高轴速度确定命令高轴速度。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解。并入于本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明本发明的实施例，且连同所述描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
本说明书中针对所属领域的技术人员来阐述本发明的完整且启发性公开内容，包括其最佳模式，本说明书参考了附图，其中：
图1是根据本公开的方面的示范性三轴交叉式燃气涡轮发动机的示意性横截面图；
图2是对控制(例如图1中大致提供的)三轴燃气涡轮发动机的方法的步骤进行概括的示范性流程图；
图3是用于控制(例如图1中大致提供的)燃气涡轮发动机的示范性示意控制图；
图4是用于控制(例如图1中大致提供的)燃气涡轮发动机的另一示范性示意控制图；
图5是用于控制(例如图1中大致提供的)燃气涡轮发动机的又一示范性示意控制图；
图6是用于控制(例如图1中大致提供的)燃气涡轮发动机的再一示范性示意控制图；以及
图7是用于控制(例如图1中大致提供的)燃气涡轮发动机的再一示范性示意控制图。
在本说明书和附图中参考标号的重复使用意欲表示本公开的相同或相似特征或元件。
具体实施方式
现将详细参考本发明的实施例，在图中说明本发明的实施例的一个或多个实例。每个实例是为了解释本发明而非限制本发明而提供。实际上，所属领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中进行各种修改和变化。举例来说，说明或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例一起使用以产生又一实施例。因此，希望本发明涵盖此类属于所附权利要求书和其等效物的范围内的修改和变化。
如本文中所使用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以区分一个部件与另一部件，且并不在于表示个别部件的位置或重要性。
术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。举例来说，“上游”是指流体从其流出的方向，而“下游”是指流体流到的方向。
除非另外规定，否则术语“低”、“中”、“高”或其相应比较级(例如更，如适用)各自是指发动机内的相对速度。举例来说，“低涡轮”或“低速涡轮”界定低于“高涡轮”或“高速涡轮”的转速。替代地，除非另外规定，否则前述术语可以其最高级理解。举例来说，“低涡轮”可以指涡轮区段内最低转速涡轮，且“高涡轮”可以指涡轮区段内最高转速涡轮。
总体上提供了三轴燃气涡轮发动机和控制方法，其可以实现发动机的期望操作，例如在一系列发动机条件和操作模式上总体提供可操作性、稳定性和性能。本文中总体提供的发动机的控制方法还可以实现交叉反转式涡轮发动机的操作，其可以控制中速涡轮、高速涡轮或者两者相对于交叉在中速和高速涡轮转子中的一个或两个中的低速涡轮的转速。本文中大体提供的发动机和方法可以防止欠速、过速或低速轴、中速轴和高速轴间的总速度不匹配。
现参见附图，图1是根据本公开的方面的并有涡轮区段90的示范性实施例的示出为高旁路涡轮风扇发动机的示范性燃气涡轮发动机10(本文中被称作“发动机10”)的示意性横截面图。尽管下文进一步参考涡轮风扇发动机进行描述，但本公开还可应用到一般来说包括螺旋桨风扇发动机、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴燃气涡轮发动机的涡轮机械，包括船舶和工业涡轮发动机和辅助电力单元。如图1所示出，发动机10具有出于参考目的在其中延伸穿过的纵向或轴向中心线轴线12。发动机10限定纵向方向L、径向方向R以及沿纵向方向L的上游端99和下游端98。
一般来说，发动机10可包括界定环形入口20的基本上管状的外部壳体18。外部壳体18包覆或以串流布置至少部分地流过压缩机区段21、燃烧区段26和交叉式涡轮区段90(本文中称作“涡轮区段90”)。一般来说，发动机10以从上游端99到下游端98的串流布置界定风扇组件14、压缩机区段21、燃烧区段26和涡轮区段90。在图1所示的实施例中，压缩机区段21限定高压压缩机(HPC)24和中压压缩机(IPC)22。在其它实施例中，风扇组件14还可以包括或界定联接到风扇转子15和/或低速轴36且在径向方向R上从风扇转子15和/或低速轴36朝外延伸的多个风扇叶片42的一个或多个级。在各个实施例中，联接到低速轴36的多个风扇叶片42的多个级可以称作低压压缩机(LPC)。
在各个实施例中，涡轮区段90包括低涡轮110、中涡轮120和高涡轮130，其中，低涡轮110交叉在中涡轮120中(换言之，沿纵向方向L交替的各排或各级低涡轮110和中涡轮120)。在一个实施例中，例如图1所示的实施例中，低涡轮110还交叉在高涡轮130和中涡轮120中。
环形风扇壳体或外罩44周向地环绕风扇组件14的至少一部分和/或外部壳体18的至少一部分。在一个实施例中，外罩44可相对于外部壳体18由多个周向地间隔开的出口导流板或撑杆46支撑。外罩44的至少部分可在外部壳体18的外部部分上方(在径向方向R上)延伸，以便在其间界定旁路空气流通道48。
在总体示于图1中的发动机10运行期间，高涡轮130大致以比中速涡轮转子120高的转速旋转。中涡轮120大致以比低涡轮110高的速度旋转。在发动机10运行期间，如箭头74示意性地指示的一定体积的空气通过外罩和/或风扇组件14的关联入口76进入发动机10。当空气74穿过风扇叶片42时，如箭头78示意性地指示的空气的部分被引导或传送到旁路空气流通道48中，而如箭头80示意性地指示的空气的另一部分被引导或通过风扇组件14而进入通过发动机10的压缩机区段21、燃烧区段26和涡轮区段90限定的核心流动路径70中。空气80在朝向燃烧区段26流动通过压缩机区段21时被逐渐压缩。
如箭头82示意性地指示，经压缩空气流动到燃烧区段26中，在所述燃烧区段26中引入燃料，燃料与经压缩空气82的至少部分混合，且经点燃以形成燃烧气体86。燃烧气体86流动到涡轮区段90中，使得涡轮区段90的旋转部件旋转且支持压缩机区段21和/或风扇组件14中分别连接的旋转部件的操作。
仍参考图1，发动机10还可以包括：入口压力传感器138，其设置在风扇叶片42前方或上游；以及出口压力传感器139，其设置在涡轮区段90后方或下游。传感器138、139可以各自监测和测量在其相应位置处的压力，可以一起使用这些压力计算发动机10的发动机压力比(EPR)。可以利用EPR提供发动机10的实际推力输出测量值，这些测量值用于监测、测量和控制发动机的运行。
在各个实施例中，低涡轮110和风扇组件14各自联接到低速轴36，并在第一方向上沿周向方向旋转。风扇组件14、低速轴36和低涡轮110共同称作低轴(low spool)。高涡轮130和HPC 24各自联接到高速轴34，并在与第一方向相对的第二方向上沿周向方向旋转。HPC 24、高速轴34和高涡轮130共同称作高轴。中涡轮120和IPC 22各自联接到中速轴35，其在第二方向上与高涡轮130共转并与低涡轮110对转地旋转。IPC 22、中速轴35和中涡轮120共同称作中轴。尽管在本文中还描述为对转涡轮发动机，在这种发动机中，低涡轮110在与高涡轮130和/或中涡轮120相对的方向上旋转，但应当理解，发动机10可以配置为共转发动机，在这种发动机中，低涡轮110、高涡轮130和中涡轮120均在第一方向上旋转。
还应当理解，如本文中使用和描述的第一方向和第二方向旨在表示相对于彼此的方向。因此，第一方向可以指代顺时针旋转(从下游端98观察，看向上游端99)，第二方向可以指代逆时针旋转(从下游端98观察，看向上游端99)。替代性地，第一方向可以指代逆时针旋转(从下游端98观察，看向上游端99)，第二方向可以指代顺时针旋转(从下游端98观察，看向上游端99)。
更进一步讲，在发动机10运行期间，离开燃烧区段26的燃烧气体86限定朝发动机10的下游端98的总体的低速度。低涡轮110的第一级(例如沿切向或周向方向)的低速旋转加速了燃烧气体86例如在切向或周向方向的速度，以近似等于或大于高涡轮130的速度。
仍参见图1，发动机10大致包括几个速度传感器以测量和监测轴的转速。在大致提供的实施例中，发动机10包括低轴速度传感器115，其邻近低轴以测量低轴的转速。发动机10还包括中轴速度传感器125，其邻近中轴以测量中轴的转速。发动机10还包括高轴速度传感器135，其邻近高轴以测量高轴的转速。
更进一步讲，发动机10的IPC 22包括设置在IPC 22的旋转的各排或各级中的一排或多排或者一级或多级可变定子轮叶(VSV)23。一排或多排VSV 23可关于每个轮叶的轴线旋转，例如以改变轮叶相对于通过IPC 22沿纵向方向L流动的空气80的入射角。调节VSV 23的入射角提高或降低了通过IPC 22的空气80的流速，从而总体上提高或降低了IPC 22和中轴的转速。
由VSV传感器117测量VSV 23的角度。在各个实施例中，VSV传感器117测量VSV 23从一个位置到另一位置的位移。例如，VSV传感器117可以是线性可变位移转换器(LVDT)，其联接到使一排或多排或者一级或多级VSV 23位移的致动器。VSV传感器117可以测量致动器的位移量，并将线性变化与VSV 23的每个轮叶的旋转变化相关联。作为另一非限制性实例，VSV传感器117可以是旋转可变差动转换器(RVDT)，其测量VSV 23的每个轮叶的旋转位移量或变化量。
IPC 22还可以包括与一个或多个排放阀联接的排放阀位置传感器119，以读出排放阀打开或关闭的量。排放阀可以大体上允许空气80的一部分大体上离开IPC 22或核心流动路径70，从而降低通过IPC 22和/或HPC 24流动的压缩空气82的量。调节排放阀位置，例如以降低通过核心流动路径70流动的压缩空气82的量，可以实现调节IPC 22、HPC 24或者这两者的转速。
仍参见图1，发动机10还包括设置在HPC 24的旋转级之间的一排或多排或者一级或多级可变导叶(VGV)25。由VGV传感器137测量VGV 25的角度。在各个实施例中，VGV传感器137测量VGV 25从一个位置到另一位置的位移。例如，VGV传感器137可以是线性可变位移转换器(LVDT)，其联接到致动器，所述致动器配置成使一排或多排或者一级或多级VGV 25位移。VGV传感器137可以测量致动器的位移量，并将线性变化与VGV 25的每个轮叶的旋转变化相关联。作为另一非限制性实例，VGV传感器137可以是旋转可变差动转换器(RVDT)，其测量VGV 25的每个轮叶的旋转位移量或变化量。调节VGV 25的入射角提高或降低通过HPC 24的空气82的流速或质量，从而总体提高或降低HPC 24和高轴的转速。
发动机10还包括一个或多个燃料流传感器27，其配置成计算或测量进入燃烧区段26用于燃烧以形成驱动涡轮区段90的燃烧气体86的燃料的流速(例如质量流速、体积流速等)。燃料流传感器27大致计算或测量并监测进入燃烧区段26中的燃料流，在燃烧区段26中，发动机10可以调节用于燃烧的燃料量，以提高或降低涡轮区段90的旋转构件的转速。在各个实施例中，燃料流传感器27可以测量阀位置(例如允许燃料流通过的阀的打开或关闭的量)，阀位置可以推断进入燃烧区段26的燃料量。例如，燃料流传感器27可以按阀位置和一个或多个其它参数的函数计算燃料流，其它参数例如为温度、压力或燃料的其它物理性质。因此，调节燃料的流速可以至少部分地调节低轴、中轴和高轴中至少一个的转速。
仍参见图1，发动机10还包括控制器320。如图所示，控制器320可以包括一个或多个计算装置322。计算装置322可以配置成根据本公开的示范性方面执行一个或多个方法(例如下文参见图3所描述的方法)。计算装置322可以包括一个或多个处理器324和一个或多个存储器装置326。一个或多个处理器324可包括任何合适处理装置，例如微处理器、微控制器、集成电路、逻辑装置或其它合适的处理装置。一个或多个存储器装置326可包括一个或多个计算机可读介质，包括但不限于非暂时性计算机可读介质、RAM、ROM、硬盘驱动器、闪存驱动器或其它存储器装置。
一个或多个存储器装置326可存储可由一个或多个处理器324存取的信息，包括可由一个或多个处理器324执行的计算机可读指令328。指令328可以是在由一个或多个处理器324执行时致使一个或多个处理器324进行操作的任何指令集。指令328可以是以任何合适编程语言编写的软件，或可在硬件中实施。在一些实施例中，指令328可由一个或多个处理器324执行以致使一个或多个处理器324执行操作，例如，如本文所描述的调节燃料流的操作和/或一个或多个计算装置322的任何其它操作或功能。另外和/或替代地，指令328可在处理器324上在逻辑上和/或实际上分离的线程中执行。存储器装置326可进一步存储可由处理器324存取的数据330。
计算装置322还可包括用于例如与发动机10的其它部件通信的通信接口332。通信接口332可以包括用于与一个或多个通信网络介接的任何合适部件，包括例如发射器、接收器、端口、控制器、天线或其它合适部件。控制器320还可(例如经由通信接口332)与各种传感器通信，例如上文所描述的传感器27、115、117、119、125、135、137、138、139，且可响应于用户输入和来自这些传感器的反馈而选择性地操作发动机10。
本文中所论述的技术参考基于计算机的系统和由基于计算机的系统采取的行动以及发送到基于计算机的系统和从基于计算机的系统发送的信息。所属领域的技术人员将认识到，基于计算机的系统的固有灵活性实现大量可能的配置、组合以及任务和功能性在部件之间和在部件当中的划分。举例来说，本文中所论述的过程可使用单个计算装置或以组合形式工作的多个计算装置来实施。数据库、存储器、指令和应用程序可在单个系统上实施或跨越多个系统分布。分布式部件可以依序或并行操作。在各个实施例中，基于计算机的系统可以包括以下的一个或多个或者以下的组合：全权数字发动机控制器(FADEC)、电子发动机控制器(EEC)、发动机控制单元(ECU)、功率模块、一个或多个传感器、致动器、转换器或可以监测、控制、调节或另外操纵发动机10内的流体流或一排或多排或者是一级或多级翼型件的位置的上述的组合。
现参见图2，大体提供对三轴燃气涡轮发动机的控制方法进行概括的示范性流程图(后面称作“方法200”)。发动机包括：风扇区段，其联接到低涡轮并一起限定低轴；中压缩机，其联接到中涡轮并一起限定中轴；以及高压缩机，其联接到到高涡轮并一起限定高轴。可以用基本上与关于图1显示和描述的发动机10类似配置的发动机执行方法200。
在各个实施例中，方法200包括在210，将中轴速度到低轴速度特征曲线提供至控制器；在220，将命令功率输出提供至控制器；在230，将一个或多个环境条件提供至控制器；在240，通过控制器确定命令燃料流速；在250，通过控制器确定命令中压缩机负载；以及在260，生成发动机的实际功率输出，其中，实际功率输出为以下的一个或多个：实际低轴速度、实际中轴速度、实际高轴速度和实际发动机压力比(EPR)。
在方法200的各个实施例中，环境条件包括以下的一个或多个：高度、进入发动机的空气流速、发动机外部的空气的环境温度以及发动机入口处的空气的温度。例如，再参见图1，发动机10外部的空气的环境温度可以包括进入外罩44的入口76的空气74的温度。作为另一实例，发动机入口处的空气的环境温度可以包括在大致在IPC 22的上游的核心流动路径70的环形入口20处的空气80的温度。作为又一实例，进入发动机10的空气流速可以包括进入发动机10的核心流动路径70的环形入口20的空气74或空气80的质量流速或体积流速。可以用马赫数表示空气流速。
在方法200的一个实施例中，命令功率输出至少基于油门杆位置或角度或大体可以由发动机操作员(例如飞行员)使用的等效参数，以请求或命令发动机10的推力输出或操作模式。输入到控制器(例如功率模块)的油门杆位置可以将油门杆位置或角度与目标推力输出或发动机操作条件(例如通过调度或查询表)相互关联。
在各个实施例中，方法200还包括在245，通过控制器由命令功率输出和一个或多个环境条件确定命令推力输出。命令推力输出基于以下的一个或多个：命令低轴速度、命令发动机压力比或者两者。更进一步讲，实际推力输出基于以下的一个或多个：发动机10的实际低轴速度、发动机10的实际发动机压力比或者两者。例如，实际低轴速度可以包括机械速度(例如低轴34的转速)或基于低轴的转速和通过低轴(例如通过风扇叶片42)的流体的温度、压力、密度和流速中的一个或多个的组合的校正机械速度。作为另一实例，发动机压力比(EPR)可以由一比率限定，所述比率包括在风扇叶片42的上游并邻近风扇叶片42的流体的总压力与涡轮区段90的下游(例如排气喷嘴的下游)的流体的总压力的比。
在一个实施例中，中轴速度到低轴速度特征曲线限定调度、查询表或者将一个或多个中轴速度与一个或多个低轴速度相互关联的传递函数。中轴速度到低轴速度特征曲线可以限定相对于低轴的转速，中轴的期望的或最佳的转速。中轴速度相对于低轴速度的期望或最佳关系可以提供一个或多个输入，以确定发动机10的燃料流速、VGV位置、VSV位置或排放阀位置或其变化。
仍参见图1-图2，方法200中的中压缩机负载可以包括中压缩机排放阀位置(例如来自排放阀位置传感器119)和可变定子轮叶(VSV)位置(例如来自VSV位置传感器117)中的一个或多个。在各个实施例中，方法200中的高压缩机负载可以包括可变导叶(VGV)位置，例如至少基于VGV位置传感器137确定和调节的所述位置。
现在参见图3-图7，大体提供并入方法200的控制示意图的各个示范性实施例。大体在图3-图7中提供的控制示意图可以结合大体在图1中提供的发动机10和控制器220执行。
结合大体在图2提供的方法200参见图3所示的示范性实施例，中轴速度到低轴速度特征曲线(显示为NL/NI曲线)、命令功率输出(显示为cmd.pwr.output)和一个或多个环境条件(显示为env.cond.)作为输入分别提供至控制器320，其中，控制器320输出命令燃料流速(显示为cmd Wfuel)和命令IPC负载(显示为cmd IPC load)。控制器320至少基于命令功率输出、一个或多个环境条件和发动机的实际功率输出，将命令燃料流速和命令IPC负载(例如VSV位置、排放位置或者两者)传送至发动机10。发动机10执行命令燃料流速和命令IPC负载，以产生实际功率输出，其可以包括以下的一个或多个：实际推力输出、实际中轴速度(NI)和实际高轴速度(NH)。实际功率输出大体由一个或多个传感器(例如速度传感器115、125、135和压力传感器138、139)监测和测量，并传送至控制器320作为来自发动机10的传感器反馈。在图3所示的实施例中，实际功率输出还可以包括来自一个或多个传感器的测量值，所述传感器例如图1中大致提供的VSV位置传感器117、排出阀位置传感器119和VGV位置传感器137。
在各个实施例中，控制器320至少基于控制器320的输入或一个或多个传递函数限定单输入/单输出(SISO)控制器、多输入/多输出(MIMO)控制器或调度或查询表。
参照图2，方法200还可以包括在243，通过控制器确定命令高压缩机负载，其中，命令高压缩机负载至少基于可变导叶(VGV)位置。例如，参照图3-图7，控制器320还可以基于VGV位置、上游HPC压力(例如图1中的IPC 22和HPC 24之间)和下游HPC压力(例如在燃烧区段26内，燃烧室的上游)将命令HPC负载输出给发动机10。
现结合图2的方法200参见图4，控制示意图基本上可以如关于图3显示和描述的类似地配置。图3的控制器320还可以包括几个控制器，如在图3-图7中示意性显示为321、322、323和324。在方法200的各个实施例中，如图4所示的实施例，在240确定命令燃料流速、命令中压缩机负载和命令高压缩机负载还可以包括确定命令功率输出和发动机的实际功率输出之间的差。例如，如图4所示，至少基于来自发动机10的实际推力输出和来自控制器321的命令推力输出的差，将推力输出误差提供至控制器322。
结合图2的方法200仍参见图4，方法200还可以包括在255，通过控制器由命令推力输出和实际推力输出的差确定命令燃料流速。参见图4，实际推力输出和来自控制器321的命令推力输出之间的差可以产生推力输出误差，例如命令的和实际的低轴速度NL或发动机压力比的差等。
图2的方法200还可以包括在257处，通过控制器由命令中轴速度和实际中轴速度确定命令中压缩机负载。例如，参照图4，控制器323可以基于命令中轴速度和实际中轴速度之间的差由中轴速度误差确定命令中压缩机负载。在一个实施例中，方法200还包括在259处，通过中轴速度到低轴速度特征曲线(NL/NI曲线)确定命令中轴速度是至少基于实际推力输出的。在各个实施例中，确定命令中轴速度是至少基于实际推力输出的，其中，实际推力输出是实际低轴速度。例如，命令中轴速度可以基于作为实际低轴速度的实际推力输出与中轴速度到低轴速度特征曲线(NL/NI曲线)的结合。
在再一些实施例中，方法200在244可以包括，通过可变导叶(VGV)调度至少基于实际高轴速度确定高压缩机负载，如关于图4示出的。
参见图4，控制器322、323可以各自配置为SISO控制器。现参见图5，大体提供的控制示意图基本上可以如关于图3-图4所描述的类似地配置。在图5中，控制器324可以配置为MIMO控制器，其中，确定命令燃料流速和命令中压缩机负载包括由推力输出误差和中轴速度误差确定命令燃料流速和命令中压缩机负载。推力输出误差由命令推力输出和实际推力输出之间的差限定，中轴速度误差由命令中轴速度和实际中轴速度之间的差限定。
现参见图6，大体提供的控制示意图基本上可以如关于图3-图5所描述的类似地配置。图2的方法200还可以包括在223，将实际推力输出和实际中轴速度提供至控制器；以及在225，至少基于实际推力输出、实际中轴速度、命令功率输出和一个或多个环境条件，通过控制器确定命令推力输出和命令中轴速度。例如，如图6中大体提供的，实际中轴速度和实际推力输出可以作为输入，连同命令功率输出和一个或多个环境条件分别提供至控制器321，以输出命令推力输出和命令中轴速度。在各个实施例中，控制器321(例如限定发动机10的功率模块)，可以使用实际推力输出、实际中轴速度或者两者作为输入以例如通过计算积分或导数确定发动机10的安全操作模式或其变化，实现失效保护操作。在再一些实施例中，控制器321可以使用实际推力输出、实际中轴速度或者两者作为输入以基于预期的输入结果修改命令推力输出。例如，使用实际推力输出、实际中轴速度或者两者作为输入可以提高发动机可操作性，包括浪涌保护、转子过速保护、贫油熄火或大体上由于过速或过加速/减速带来的不利条件。
图2的方法200还可以包括在233，通过控制器提供命令高轴速度；在235，通过控制器至少基于命令高轴速度和实际高轴速度之间的差确定命令高压缩机负载。例如，在图7中，实际高轴速度NH和命令高轴速度NH之间的差可以导致高轴速度误差，其输入到控制器324中。在各个实施例中，可以至少基于VGV调度，相对于实际推力输出、实际高轴速度和命令高轴速度中的一个或多个，由查询表、调度或传递函数限定命令高轴速度。
发动机10和方法200的各个实施例可以实现三轴燃气涡轮发动机(例如关于图1-图7描述的发动机10)的期望操作。在一个实施例中，方法200可以实现交叉反转式涡轮发动机的操作，其可以期望地控制中涡轮120、高涡轮130或两者相对于在涡轮转子120、130的一个或两者中交叉的低涡轮110的转速。例如，方法200可以实现交叉式涡轮区段90的稳定运行和性能，其可以防止低涡轮110相对于中涡轮120、高涡轮130或者两者的过速或欠速。
此书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书界定，且可包括所属领域的技术人员所想到的其它实例。如果此类其它实例包括并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种控制燃气涡轮发动机的方法，所述燃气涡轮发动机包括：风扇区段，所述风扇区段联接到低涡轮并一起限定低轴；中压缩机，所述中压缩机联接到中涡轮并一起限定中轴；以及高压缩机，所述高压缩机联接到高涡轮并一起限定高轴，所述方法包括：
将中轴速度到低轴速度特征曲线提供至控制器；
将命令功率输出提供至所述控制器；
将一个或多个环境条件提供至所述控制器；
通过所述控制器确定命令燃料流速；
通过所述控制器确定命令中压缩机负载；以及
生成所述发动机的实际功率输出，其中，所述实际功率输出为以下的一个或多个：实际低轴速度、实际中轴速度、实际高轴速度和实际发动机压力比。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
通过所述控制器确定命令高压缩机负载，其中，所述命令高压缩机负载至少基于可变导叶(VGV)位置。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，确定命令燃料流速、命令中压缩机负载和命令高压缩机负载包括确定所述命令功率输出和所述发动机的所述实际功率输出之间的差。
4.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
通过所述控制器从所述命令功率输出和所述一个或多个环境条件确定命令推力输出。
5.根据权利要求4所述的方法，所述方法还包括：
通过所述控制器从所述命令推力输出和实际推力输出的差确定命令燃料流速。
6.根据权利要求5所述的方法，所述方法还包括：
通过所述控制器从所述命令中轴速度和所述实际中轴速度确定所述命令中压缩机负载。
7.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括：
至少基于所述实际推力输出，通过所述中轴速度到低轴速度特征曲线，确定命令中轴速度。
8.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
至少基于所述实际高轴速度，通过可变导叶(VGV)调度，确定所述高压缩机负载。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述命令燃料流速和所述命令中压缩机负载包括从推力输出误差和中轴速度误差确定所述命令燃料流速和所述命令中压缩机负载，其中，所述推力输出误差由所述命令推力输出和所述实际推力输出之间的差限定，并且其中，所述中轴速度误差由命令中轴速度和所述实际中轴速度之间的差限定。
10.一种燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括：低轴速度传感器；中轴速度传感器；高轴速度传感器；可变定子轮叶位置传感器，所述可变定子轮叶位置传感器测量中压缩机的一个或多个可变定子轮叶(VSV)的位置；排放阀位置传感器，所述排放阀位置传感器测量中压缩机的排放阀位置；可变导叶传感器，所述可变导叶传感器测量高压缩机的可变导叶(VGV)的位置；以及控制器，所述控制器配置成执行指令，所述指令包括：
接收所述发动机的命令功率输出和一个或多个环境条件；
确定所述命令功率输出和实际功率输出之间的差；
确定命令中轴速度和实际中轴速度之间的差；
通过VSV位置和排放阀位置中的一个或多个，确定命令燃料流速和中压缩机负载；以及
监测所述发动机的实际功率输出，其中，监测所述实际功率输出包括接收低轴速度、中轴速度、高轴速度和发动机压力比中的一个或多个。
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