CN109356727A - 控制气体发生器的输出的系统及控制其功率和转矩输出的方法 - Google Patents

控制气体发生器的输出的系统及控制其功率和转矩输出的方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种用于通过操作者操纵的输入装置控制气体发生器的输出的系统及一种控制用于飞行器的气体发生器和推进器组件的功率和转矩输出的方法。所述系统包括测量一个或多个环境条件、气体发生器轴速度和动力涡轮转矩的一个或多个传感器。所述系统还包括操作者操纵的输入装置和一个或多个控制器，所述控制器包括一个或多个处理器和一个或多个存储器装置。所述一个或多个存储器装置存储指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时使得所述一个或多个处理器执行操作。

Description

控制气体发生器的输出的系统及控制其功率和转矩输出的 方法
技术领域
本主题大体上涉及用于飞行器的燃气涡轮发动机。
背景技术
燃气涡轮发动机，例如涡桨发动机大体上包括至少两个操作者操纵的输入装置；用于控制发动机的被命令功率输出的动力杆，用于控制燃料切断并手动设置燃气涡轮发动机的地面空转或飞行空转设置的状态杆，以及用于控制推进器桨距角和推进器速度的推进器杆。
在控制发动机从地面空转状态过渡到最大功率或起飞状态时，在节流杆位置相对气体发生器的命令的功率输出之间的关系可能出现中断，这可能降低发动机操作或性能。而且，发动机状态过渡中的这些中断和不规则可能给推进器组件的控制带来负担，例如，为了缓解通过节流杆位置对推进器组件的有效或高效的控制。在飞行包络上发动机操作状态的过渡或变化通常要求手动改变或输入，因此进一步给推进器组件的控制带来负担，降低了高效的控制。
因此，需要这样的发动机控制系统和操作方法，其去除这些负担，缓解或消除从空转状态到最大功率的发动机状态过程的中断或不规则。更进一步讲，需要这样的发动机控制系统和操作方法，其在去除前述的负担和中断时，可降低存储的数据量或存储器使用。
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。
本公开涉及一种用于通过操作者操纵的输入装置控制气体发生器的输出的系统。所述系统包括测量一个或多个环境条件、气体发生器轴速度和动力涡轮转矩的一个或多个传感器。所述系统还包括操作者操纵的输入装置和一个或多个控制器，所述控制器包括一个或多个处理器和一个或多个存储器装置。所述一个或多个存储器装置存储指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时使得所述一个或多个处理器执行操作。所述操作包括：通过所述操作者操纵的输入装置接收节流杆位置，所述节流杆位置限定至少空转位置、起飞位置和位于其间的一个或多个中间位置；通过一个或多个传感器接收一个或多个环境条件，其中，所述环境条件包括一个或多个环境气温、环境气压和环境气流速率；通过所述控制器基于气体发生器速度输出曲线确定所述气体发生器的第一命令的燃料流，所述气体发生器速度输出曲线至少基于所述节流杆位置、所述一个或多个环境条件和系数参考表；通过所述控制器基于动力涡轮转矩输出曲线确定所述气体发生器的第二命令的燃料流，所述动力涡轮转矩输出曲线至少基于所述一个或多个环境条件；以及通过所述气体发生器基于所述第一命令的燃料流或所述第二命令的燃料流，生成气体发生器输出。
在各个实施例中，生成所述气体发生器输出包括基于所述第一命令的燃料流生成气体发生器轴速度或者基于所述第二命令的燃料流生成动力涡轮转矩。在还有各种实施例中，所述操作还包括：通过所述控制器确定是基于所述气体发生器轴速度还是所述动力涡轮转矩生成所述气体发生器输出至少基于测量动力涡轮转矩的所述一个或多个传感器的测量准确度。在一个实施例中，如果测量所述动力涡轮转矩的所述一个或多个传感器超出预定的准确度阈值，则所述气体发生器输出基于所述第一命令的燃料流。在另一实施例中，确定是基于所述气体发生器轴速度还是所述动力涡轮转矩生成所述气体发生器输出包括：通过所述控制器将在所述节流杆位置处的所述第一命令的燃料流和所述第二命令的燃料流比较，所述节流杆位置限定一个或多个中间位置；以及通过所述气体发生器基于在所述节流杆位置的所述一个或多个中间位置处的所述第一命令的燃料流和所述第二命令的燃料流中的较小者，生成所述气体发生器输出。
在所述系统的各个实施例中，基于气体发生器速度输出曲线确定所述气体发生器的第一命令的燃料流还包括：通过所述控制器至少基于目标气体发生器轴速度曲线和气体发生器功率输出曲线生成所述气体发生器速度输出曲线，所述目标气体发生器轴速度曲线至少基于所述节流杆位置、所述一个或多个环境条件和所述系数参考表，所述系数参考表包括与一个或多个节流杆位置相对的一个或多个系数阵列。在一个实施例中，生成所述气体发生器速度输出曲线包括：通过所述控制器基于所述节流杆位置和所述一个或多个环境条件和第一系数阵列的函数通过所述第一系数阵列计算标准化气体发生器轴速度。
在还有各种实施例中，生成所述气体发生器速度输出曲线还包括：通过所述控制器基于第一参考曲线计算第一气体发生器轴速度，所述第一参考曲线基于预定的第一气体发生器速度和所述一个或多个环境条件；通过所述控制器基于第二参考曲线计算第二气体发生器轴速度，所述第二参考曲线基于预定的第二气体发生器速度和所述一个或多个环境条件；以及通过所述控制器基于所述标准化气体发生器轴速度、所述第一气体发生器轴速度和所述第二气体发生器轴速度计算所述目标气体发生器轴速度。
在一个实施例中，所述第一参考曲线限定查询表、曲线或等式，包括与一个或多个所述环境条件相对的一个或多个所述第一气体发生器轴速度。在另一实施例中，所述第二参考曲线限定查询表、曲线或等式，包括与一个或多个所述环境条件相对的一个或多个所述第二气体发生器轴速度。
在再一实施例中，生成所述气体发生器输出曲线还包括：通过所述控制器至少部分地基于所述第二气体发生器轴速度和所述第一气体发生器轴速度的函数确定第一常数。在一个实施例中，生成所述气体发生器输出曲线至少部分地基于所述标准化的气体发生器轴速度、所述第一常数和所述第一气体发生器轴速度的函数。
在所述系统的再一实施例中，所述操作还包括：通过一个或多个传感器接收测量的推进器速度；通过所述控制器至少基于所述测量的推进器速度确定命令的推进器桨距角；以及通过所述推进器组件至少基于所述命令的推进器桨距角调节所述推进器速度。
本公开还涉及一种控制用于飞行器的气体发生器和推进器组件的功率和转矩输出的方法。所述方法包括：基于气体发生器速度输出曲线确定气体发生器的第一命令的燃料流，气体发生器速度输出曲线至少基于节流杆位置、一个或多个环境条件和系数参考表；基于动力涡轮转矩输出曲线确定所述气体发生器的第二命令的燃料流，所述动力涡轮转矩输出曲线至少基于所述一个或多个环境条件；以及基于所述第一命令的燃料流或所述第二命令的燃料流生成气体发生器输出。
在一个实施例中，所述方法还包括：至少基于测量动力涡轮转矩的一个或多个传感器的测量准确度确定是生成气体发生器轴速度还是动力涡轮转矩。
在各个实施例中，确定是基于所述气体发生器轴速度还是所述动力涡轮转矩生成所述气体发生器输出包括：将在所述节流杆位置处的所述第一命令的燃料流和所述第二命令的燃料流比较，所述节流杆位置限定一个或多个中间位置；以及基于在节流杆位置的一个或多个中间位置处的第一命令的燃料流和第二命令的燃料流中的较小者，生成气体发生器输出。
在方法的一个实施例中，基于气体发生器速度输出曲线确定所述气体发生器的第一命令的燃料流还包括：至少基于目标气体发生器轴速度曲线和气体发生器功率输出曲线生成所述气体发生器速度输出曲线，所述目标气体发生器轴速度曲线至少基于所述节流杆位置、所述一个或多个环境条件和所述系数参考表，所述系数参考表包括与一个或多个节流杆位置相对的一个或多个系数阵列。
在另一实施例中，生成所述气体发生器速度输出曲线包括：基于所述节流杆位置和所述一个或多个环境条件和第一系数阵列的函数通过所述第一系数阵列计算标准化气体发生器轴速度。
在再一实施例中，生成所述气体发生器输出曲线还包括：基于第一参考曲线计算第一气体发生器轴速度，所述第一参考曲线基于预定的第一气体发生器速度和所述一个或多个环境条件；基于第二参考曲线计算第二气体发生器轴速度，所述第二参考曲线基于预定的第二气体发生器速度和所述一个或多个环境条件；以及基于所述标准化气体发生器轴速度、所述第一气体发生器轴速度和所述第二气体发生器轴速度计算所述目标气体发生器轴速度。
在再一实施例中，所述方法还包括：至少基于测量的推进器速度确定命令的推进器桨距角；以及至少基于命令的推进器桨距角调节测量的推进器速度。
本申请技术方案1涉及一种用于通过操作者操纵的输入装置控制气体发生器的输出的系统，所述系统包括测量一个或多个环境条件、气体发生器轴速度和动力涡轮转矩的一个或多个传感器，所述系统还包括操作者操纵的输入装置和一个或多个控制器，所述一个或多个控制器包括一个或多个处理器和一个或多个存储器装置，所述一个或多个存储器装置存储指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时使所述一个或多个处理器执行操作，所述操作包括：
通过所述操作者操纵的输入装置接收节流杆位置，所述节流杆位置限定至少空转位置、起飞位置和位于其间的一个或多个中间位置；
通过一个或多个传感器接收一个或多个环境条件，其中，所述环境条件包括一个或多个环境气温、环境气压和环境气流速率；
通过所述控制器基于气体发生器速度输出曲线确定所述气体发生器的第一命令的燃料流，所述气体发生器速度输出曲线至少基于所述节流杆位置、所述一个或多个环境条件和系数参考表；
通过所述控制器基于动力涡轮转矩输出曲线确定所述气体发生器的第二命令的燃料流，所述动力涡轮转矩输出曲线至少基于所述一个或多个环境条件；以及
通过所述气体发生器基于所述第一命令的燃料流或所述第二命令的燃料流，生成气体发生器输出。
本申请技术方案2涉及根据技术方案1所述的系统，其中，生成所述气体发生器输出包括基于所述第一命令的燃料流生成气体发生器轴速度或者基于所述第二命令的燃料流生成动力涡轮转矩。
本申请技术方案3涉及根据技术方案2所述的系统，所述操作还包括：
通过所述控制器确定是基于所述气体发生器轴速度还是所述动力涡轮转矩生成所述气体发生器输出至少基于测量动力涡轮转矩的所述一个或多个传感器的测量准确度。
本申请技术方案4涉及根据技术方案3所述的系统，其中，如果测量所述动力涡轮转矩的所述一个或多个传感器超出预定的准确度阈值，则所述气体发生器输出基于所述第一命令的燃料流。
本申请技术方案5涉及根据技术方案3所述的系统，其中，确定是基于所述气体发生器轴速度还是所述动力涡轮转矩生成所述气体发生器输出包括：
通过所述控制器将在所述节流杆位置处的所述第一命令的燃料流和所述第二命令的燃料流比较，所述节流杆位置限定一个或多个中间位置；以及
通过所述气体发生器基于在所述节流杆位置的所述一个或多个中间位置处的所述第一命令的燃料流和所述第二命令的燃料流中的较小者，生成所述气体发生器输出。
本申请技术方案6涉及根据技术方案1所述的系统，其中，基于气体发生器速度输出曲线确定所述气体发生器的第一命令的燃料流还包括：
通过所述控制器至少基于目标气体发生器轴速度曲线和气体发生器功率输出曲线生成所述气体发生器速度输出曲线，所述目标气体发生器轴速度曲线至少基于所述节流杆位置、所述一个或多个环境条件和所述系数参考表，所述系数参考表包括与一个或多个节流杆位置相对的一个或多个系数阵列。
本申请技术方案7涉及根据技术方案6所述的系统，其中，生成所述气体发生器速度输出曲线包括：
通过所述控制器基于所述节流杆位置和所述一个或多个环境条件和第一系数阵列的函数通过所述第一系数阵列计算标准化气体发生器轴速度。
本申请技术方案8涉及根据技术方案7所述的系统，其中，生成所述气体发生器速度输出曲线还包括：
通过所述控制器基于第一参考曲线计算第一气体发生器轴速度，所述第一参考曲线基于预定的第一气体发生器速度和所述一个或多个环境条件；
通过所述控制器基于第二参考曲线计算第二气体发生器轴速度，所述第二参考曲线基于预定的第二气体发生器速度和所述一个或多个环境条件；以及
通过所述控制器基于所述标准化气体发生器轴速度、所述第一气体发生器轴速度和所述第二气体发生器轴速度计算所述目标气体发生器轴速度。
本申请技术方案9涉及根据技术方案8所述的系统，其中，所述第一参考曲线限定查询表、曲线或等式，包括与一个或多个所述环境条件相对的一个或多个所述第一气体发生器轴速度。
本申请技术方案10涉及根据技术方案8所述的系统，其中，所述第二参考曲线限定查询表、曲线或等式，包括与一个或多个所述环境条件相对的一个或多个所述第二气体发生器轴速度。
本申请技术方案11涉及根据技术方案8所述的系统，其中，生成所述气体发生器速度输出曲线还包括：
通过所述控制器至少部分地基于所述第二气体发生器轴速度和所述第一气体发生器轴速度的函数确定第一常数。
本申请技术方案12涉及根据技术方案11所述的系统，其中，生成所述气体发生器速度输出曲线至少部分地基于所述标准化的气体发生器轴速度、所述第一常数和所述第一气体发生器轴速度的函数。
本申请技术方案13涉及根据技术方案1所述的系统，所述操作还包括：
通过一个或多个传感器接收测量的推进器速度；
通过所述控制器至少基于测量的推进器速度确定命令的推进器桨距角；以及
通过所述推进器组件至少基于所述命令的推进器桨距角调节推进器速度。
本申请技术方案14涉及一种控制用于飞行器的气体发生器和推进器组件的功率和转矩输出的方法，所述方法包括：
基于气体发生器速度输出曲线确定气体发生器的第一命令的燃料流，所述气体发生器速度输出曲线至少基于节流杆位置、一个或多个环境条件和系数参考表；
基于动力涡轮转矩输出曲线确定所述气体发生器的第二命令的燃料流，所述动力涡轮转矩输出曲线至少基于所述一个或多个环境条件；以及
基于所述第一命令的燃料流或所述第二命令的燃料流生成气体发生器输出。
本申请技术方案15涉及根据技术方案14所述的方法，所述方法还包括：
至少基于测量动力涡轮转矩的一个或多个传感器的测量准确度确定是生成所述气体发生器轴速度还是所述动力涡轮转矩。
本申请技术方案16涉及根据技术方案15所述的方法，其中，确定是基于所述气体发生器轴速度还是所述动力涡轮转矩生成所述气体发生器输出包括：
将在所述节流杆位置处的所述第一命令的燃料流和所述第二命令的燃料流比较，所述节流杆位置限定一个或多个中间位置；以及
基于在节流杆位置的一个或多个中间位置处的第一命令的燃料流和第二命令的燃料流中的较小者，生成气体发生器输出。
本申请技术方案17涉及根据技术方案14所述的方法，其中，基于气体发生器速度输出曲线确定所述气体发生器的第一命令的燃料流还包括：
至少基于目标气体发生器轴速度曲线和气体发生器功率输出曲线生成所述气体发生器速度输出曲线，所述目标气体发生器轴速度曲线至少基于所述节流杆位置、所述一个或多个环境条件和所述系数参考表，所述系数参考表包括与一个或多个节流杆位置相对的一个或多个系数阵列。
本申请技术方案18涉及根据技术方案17所述的方法，其中，生成所述气体发生器速度输出曲线包括：
基于所述节流杆位置和所述一个或多个环境条件和第一系数阵列的函数通过所述第一系数阵列计算标准化气体发生器轴速度。
本申请技术方案19涉及根据技术方案18所述的方法，其中，生成所述气体发生器速度输出曲线还包括：
基于第一参考曲线计算第一气体发生器轴速度，所述第一参考曲线基于预定的第一气体发生器速度和所述一个或多个环境条件；
基于第二参考曲线计算第二气体发生器轴速度，所述第二参考曲线基于预定的第二气体发生器速度和所述一个或多个环境条件；以及
基于所述标准化气体发生器轴速度、所述第一气体发生器轴速度和所述第二气体发生器轴速度计算所述目标气体发生器轴速度。
本申请技术方案20涉及根据技术方案14所述的方法，所述方法还包括：
至少基于测量的推进器速度确定命令的推进器桨距角；以及
至少基于命令的推进器桨距角调节测量的推进器速度。
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图示根据本公开的示范性实施例的飞行器的透视图；
图2图示根据本公开的示范性实施例的节流输入装置的自顶向下的视图；
图3图示根据本公开的示范性实施例的燃气涡轮发动机的示意性剖视图；
图4图示根据本公开的示范性实施例的用于推进器的控制逻辑的系统的示意图；
图5图示根据本公开的示范性实施例的控制器的一个实施例的框图；
图6是概括根据本公开的实施例操作气体发生器和推进器组件的方法的示范性步骤的流程图；
图7是进一步概括根据本公开的实施例操作气体发生器和推进器组件的方法的示范性步骤的流程图；
图8是更进一步概括根据本公开的实施例操作气体发生器和推进器组件的方法的示范性步骤的流程图；
图9是根据本公开的实施例操作气体发生器和推进器组件的方法的流程示意；以及
图10图示概括图6-9中概括的方法的步骤的示范性图；
图11图示描绘气体发生器输出相对节流杆位置的示范性图。
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修改和变化，所述修改和变化处于所附权利要求书和其等效物的范围内。
如本文中所使用，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”和“第五”可互换使用以区分一部件与另一部件而并非意图表示各个部件的位置或重要性。另外，术语“恢复”含义是使信号或逻辑返回到之前的状态或原始状态。
大体上提供了控制包括气体发生器和推进器组件的发动机的转矩和速度输出的系统和方法的实施例。大体上提供的系统和操作方法可标定和重新标定节流杆位置(例如，动力杆角度或PLA)相对转矩或速度输出的关系，例如以在飞行包络上提供对发动机的自动控制(即去掉人工输入或改变)。而且，本文中提供的系统和方法不管发动机可操作性或使用年限如何(例如，不管累积的小时、周期、磨损等如何)都可提供节流杆位置和转矩或速度输出的优化关系。本文中提供的系统和方法可控制气体发生器和和推进器组件以缓解或消除从空转状态到最大功率的转矩或速度输出变化的中断或不规则。大体上提供的系统和方法还可降低人工操作的复杂性，从而提高效率、性能和安全性，并通过提供单个节流杆位置输入以控制气体发生器输出和推进器组件速度，降低成本和燃料消耗。
现在参照附图，图1提供了根据本公开的示范性实施例的示范性飞行器10的透视图。飞行器10界定了包括三个正交的坐标轴线的正交的坐标系。更具体地说，这三个正交的坐标轴线包括侧向轴线L、纵向轴线T和竖直轴线V。在操作中，飞行器10可以沿着侧向轴线L、纵向轴线T和竖直轴线V中的至少一个移动。
在图1的示范性实施例中，飞行器10包括界定驾驶舱20的机身12。驾驶舱20包括节流输入装置22和具有显示器26的仪表控制面板24。飞行器10还包括推进器组件30，推进器组件30包括毂32和从毂32向外延伸的多个叶片34。另外，飞行器10包括气体发生器100(图3)。气体发生器100生成功率并传输功率以驱动推进器组件30的旋转。具体讲，推进器组件30的旋转为飞行器10产生推力。
现在参照图2，节流输入装置22控制气体发生器100的发动机功率。而且，节流输入装置22(例如限定动力杆角度或PLA或推进杆角度TLA等)更普遍地是操作者操纵的输入装置。气体发生器100和推进器组件30的输出转矩和输出速度的独立控制分别是节流输入装置22的功能。在所描绘的实施例中，节流输入装置22限定轴向方向A，节流输入装置22包括具有手柄42的杆40。如所示，杆40可在一个或多个节流杆位置之间移动，例如，沿轴向方向A在第一位置44和第二位置46之间。因此，将杆40移动到第一位置44增大了沿纵向轴线T在第一方向上飞行器10(图1)的推力。相反，将杆40移动到第二位置46增大了沿纵向轴线T在第二方向上飞行器10的推力。应当认识到第一方向沿纵向轴线T与第二方向相反。
在所描绘的示范性实施例中，第一位置44对应于气体发生器100的TAKEOFF(起飞)或MAXIMUM POWER(最大功率)设置(后面称作“TAKEOFF”或“TO”)，第二位置46对应于气体发生器100的MAXIMUM REVERSE(最大反力)设置。另外，节流输入装置22包括IDLE(空转)位置48以及设置在第一位置44和第二位置46之间的一个或多个中间第三位置50。更具体讲，中间第三位置50可包括MAX CRUISE(最大巡航)位置和MAX CLIMB(最大爬升)位置。
现在参照图3，气体发生器100界定了延伸穿过其中的纵向或中心线轴线102以供参考。气体发生器100可以通常包括大体上管状的外壳体104，其界定环形入口106。外壳体104可以由单个壳体或多个壳体形成。外壳体104围住呈连续流动关系的气体发生器压缩机110、燃烧段130、涡轮段140和排气段150。气体发生器压缩机110包括入口导向叶片112的环形阵列、压缩机叶片114的一个或多个连续级、静止和/或可变导向叶片116的一个或多个连续级和离心式压缩机118。压缩机叶片114、叶片116和离心式压缩机118共同界定压缩空气路径120。
燃烧段130包括燃烧室132和延伸到燃烧室132内的一个或多个燃料喷嘴134。燃料喷嘴134供应燃料以与进入燃烧室132的压缩空气混合。此外，燃料和压缩空气的混合物在燃烧室132内燃烧以形成燃烧气体136。如下文将更详细地描述的，燃烧气体136驱动压缩机110和涡轮区段140两者。
涡轮段140包括气体发生器涡轮142和动力涡轮144。气体发生器涡轮142包括涡轮转子叶片146的一个或多个连续级和定子叶片147的一个或多个连续级。同样地，动力涡轮144包括涡轮转子叶片148的一个或多个连续级和定子叶片149的一个或多个连续级。另外，气体发生器涡轮142通过气体发生器轴160驱动气体发生器压缩机110，且动力涡轮144通过动力涡轮轴170驱动推进器组件30。
更具体地说，如在图3中所说明的实施例中所展示，气体发生器压缩机110与气体发生器涡轮142通过气体发生器轴160相互联接，且动力涡轮144与推进器组件30通过动力涡轮轴170相互联接。在操作中，燃烧气体136驱动气体发生器涡轮142和动力涡轮144两者。随着气体发生器涡轮142围绕中心线轴线102旋转，气体发生器压缩机110和气体发生器轴160也都围绕中心线轴线102旋转。另外，随着动力涡轮144旋转，动力涡轮轴170旋转并将旋转能量通过齿轮系180传递至推进器组件30。更具体讲，齿轮系180可包括第一齿轮182和与第一齿轮182啮合的第二齿轮184。第一齿轮182可连接至动力涡轮轴170，第二齿轮184可连接至推进器轴190。操作中，齿轮系180可逐步降低动力涡轮轴170的转速NP。因此，推进器轴190的转速NR可以小于动力涡轮轴170的转速NP。
如所示的，推进器组件30可旋转联接到推进器轴190，多个叶片34可围绕方向R旋转。此外，多个叶片34的每个叶片限定方向R和弦60之间的桨距角θ，弦60在每个叶片的前缘62和后缘64之间延伸。
现在参照图4，图示根据本公开的各方面用于对推进器组件30设置最小桨距角设置和对飞行器10的气体发生器100设置最小气体发生器空转速度的系统200的示范性实施例。一般来说，将参照以上分别参照图1、图2和图3描述的飞行器10、节流输入装置22和气体发生器100来描述系统200。然而，在其它实施例中，可结合任何其它合适的飞行器10或节流输入装置22实施或使用系统200。
如图4中所展示，系统200可包括操作者操纵的输入装置202。在一个实施例中，操作者操纵的装置202可包括节流输入装置22(图1)。如下面更加详细地讨论的，飞行器10的操作者可使用操作者操纵的输入装置202，或者更具体讲，关于每个气体发生器100的单个节流输入装置22，以提供来自节流输入装置的节流杆位置和推进器组件输出功率之间的近似线性的关系。
系统200还可包括控制器210。一般来说，控制器210可对应于任一合适的基于处理器的装置，包括一个或多个计算装置。举例来说，图5图示可包括在控制器210内的合适部件的一个实施例。如图5中所展示，控制器210可包括被配置以执行多种计算机实施功能(例如，执行本文中公开的方法、步骤、计算和类似物)的处理器212和相关联的存储器214。如本文中所使用，术语“处理器”不仅指在此项技术中参考为包括在计算机中的集成电路，而且指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和其它可编程电路。另外，存储器214可通常包括存储器元件，包括(但不限于)计算机可读媒体(例如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性媒体(例如，快闪存储器)、只读光盘(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能光盘(DVD)和/或其它合适的存储器元件或其组合。在各个实施例中，控制器210可定义一个或多个全权限数字发动机控制器(FADEC)、推进器控制单元(PCU)、发动机控制单元(ECU)或电子发动机控制(EEC)。
如所示的，控制器210可包括存储在存储器214中的控制逻辑216。此外，控制逻辑216可包括系数参考表218和动力涡轮转矩输出曲线220。系数参考表218存储在存储器214中，作为一个或多个表、曲线或函数，且在确定在气体发生器100处的第一命令的燃料流时被参考以输出期望的气体发生器轴速度。动力涡轮转矩输出曲线220存储在存储器214中，作为一个或多个表、曲线或函数，且在确定在气体发生器100处的第二命令的燃料流时被参考以输出期望的动力涡轮输出转矩。
系数参考表218可使得降低存储器存储(例如，控制器210的存储器214)，同时使功率输出与节流杆位置实现线性变化。例如，系数参考表218使得利用形状系数而不是可占据相对较大量的存储器存储的多个离散表输出。因此，系数参考表218可实现相对较小量的存储器存储。
而且，控制器210还可包括第一参考曲线(NGR1)605和第二参考曲线(NGR2)606，其中，每个曲线605、606限定一个或多个预定的气体发生器速度，如本文下面进一步描述的。
另外，如图5中所展示，控制器210还可包括通信接口模块230。在若干实施例中，通信接口模块230可包括用以发送和接收数据的相关联的电子电路。因而，控制器210的通信接口模块230可用以从操作者操纵的输入装置202接收数据。此外，通信接口模块230也可用以与气体发生器100的任何其它合适的部件通信，包括被配置以监测气体发生器100和/或推进器组件30的一个或多个操作参数的任何数目的传感器(例如，图4中示出的传感器240、241、242、244、246)。应了解，通信接口模块230可为合适有线和/或无线通信接口的任何组合，并且，因此，可通过有线和/或无线连接而以通信方式联接到气体发生器100的一个或多个部件。
再次参照图4，系统200包括气体发生器轴速度传感器240，其可操作以检测或测量气体发生器轴160的转速NGR。系统200还可包括推进器速度传感器241，其可操作以检测或测量动力涡轮轴170的转速Np或推进器轴190的转速NR。系统200还可包括转矩传感器244，其可操作以检测或测量来自气体发生器轴160的气体发生器100的输出转矩。
系统200还包括一个或多个环境条件传感器246，其可操作以检测或测量一个或多个环境条件。环境条件包括环境空气条件，包括温度、压力和空速。在各个实施例中，传感器246检测或测量国际标准大气(ISA)的变化，例如，基于高度变化的环境空气的温度、压力、密度和粘度中的一个或多个。
系统200还可包括桨距角传感器242，其可操作以检测或测量多个叶片34的每个叶片的桨距角θ。应当认识到，每个速度传感器240、241和桨距角传感器242都可以通过任何适合的有线或无线连接通信联接到控制器210。
仍参照图4，应当认识到传感器244可通过任何适合的有线或无线连接通信联接到控制器210。因此，在一个示范性实施例中，控制器210可从传感器244接收指示飞行器10是否操作于IDLE(空转)、MAX CRUISE(最大巡航)、MAX CLIMB(最大爬升)或MAX TAKEOFF(最大起飞)状态的信号。
图4的系统200可包括桨距改变致动器250，其包括粗桨距室252和细桨距室254。流体(例如，液压流体、发动机油等)可被引导到粗桨距室252或者从粗桨距室252引出，以同时增大多个叶片34的每个叶片的桨距角θ。相反，流体可被引导到细桨距室254或者从细桨距室254引出，以同时减小多个叶片34的每个叶片的桨距角θ。
系统200还可包括通信联接到控制器210的推进器控制单元260。如所示的，推进器控制单元260可包括主桨距控制阀262和推进器超速控制阀264。操作中，推进器控制单元260可从控制器210接收一个或多个命令以通过主桨距控制阀262调节叶片34的桨距角θ。在一个示范性实施例中，推进器控制单元260可操作主桨距控制阀262以将流体引导到细桨距室254中或者从细桨距室254引出。替代性地，或者除此之外，推进器控制单元260可操作主桨距控制阀262以将流体引导到粗桨距室252或者从粗桨距室252引出。
应当认识到，主桨距控制阀262可用来在推进器组件30的转速正以标准操作状态操作时，调节多个叶片34的每个叶片的桨距角θ。例如，标准操作条件可以是当推进器组件30的推进器速度近似为由控制器210(例如FADEC)调度的目标值时。
现在参照图6-8，大体上提供了概括对于飞行器500控制气体发生器和推进器组件的方法(后面称作“方法500”)的示范性步骤的流程图。方法500可在包括气体发生器和推进器组件的系统中实施，气体发生器和推进器组件分别由一个或多个计算装置控制，所述系统例如关于图1-5大体上所显示和描述的飞行器10、气体发生器100、推进器组件30和控制器210。尽管方法500包括以本文中的特定次序提供的步骤，但应当认识到在不偏离本公开的范围下，这些步骤可重新排列、重新排序或者被省略。
方法500包括(见图6)在510处，基于气体发生器速度输出曲线确定气体发生器的第一命令的燃料流，所述气体发生器速度输出曲线至少基于节流杆位置、一个或多个环境条件和系数参考表；在520处，基于动力涡轮转矩输出曲线确定气体发生器的第二命令的燃料流，所述动力涡轮转矩曲线至少基于一个或多个环境条件；以及在530处，基于第一命令的燃料流或第二命令的燃料流生成气体发生器输出。
在各个实施例中，方法500还包括(见图8)在501处，在控制器(例如控制器210)处通过操作者操纵的输入装置(例如操作者操纵的输入装置202)接收节流杆位置。如关于图2显示和描述的，操作者操纵的输入装置202限定至少空转位置48、起飞位置44和其间的一个或多个中间位置50。方法500还包括在502处，在控制器处接收一个或多个环境条件。环境条件包括一个或多个环境空气温度、环境空气压力和周围气流速率(例如，马赫数、飞行器空速测量或计算等)。
在530处，生成气体发生器输出包括基于第一命令的燃料流生成气体发生器轴速度或者基于第二命令的燃料流生成动力涡轮转矩。例如，如在图9的流程图中大体上提供的，气体发生器100基于燃料和空气的燃烧，产生输出转矩和输出速度(例如，测量的NGR)，燃料和空气的燃烧如关于在图3中提供的气体发生器100的示范性实施例大体上描述的。
在各个实施例中，方法500还包括(见图7)在525处，至少基于测量动力涡轮转矩的一个或多个传感器的测量准确度确定是生成气体发生器轴速度还是动力涡轮转矩。例如，参照图1-8，测量动力涡轮转矩的一个或多个传感器可包括转矩传感器244。转矩传感器244可大体上限定测量准确度。在各个实施例中，测量准确度基于读数或测量的百分比(例如，测量的输出转矩的百分比)。在其它实施例中，测量准确度基于测量范围的全刻度的百分比。
在方法500的各个实施例中，确定是基于第一命令的燃料流还是基于第二命令的燃料流生成气体发生器输出(例如，气体发生器轴速度或动力涡轮转矩)至少基于预定的准确度阈值。例如，预定的准确度阈值可以是测量范围或测量范围内的点，在其之下，转矩传感器(例如，转矩传感器244)被认为是不合乎准确要求的，例如，与速度传感器(例如，速度传感器240)对比。如果转矩传感器超出预定的准确度阈值，则气体发生器输出基于第一命令的燃料流(即在530处生成气体发生器输出基于在510处确定的第一命令的燃料流)。如果转矩传感器在预定的准确度阈值内，则气体发生器输出基于第二命令的燃料流(即在530处生成气体发生器输出基于在520处确定的第二命令的燃料流)。例如，在各个实施例中，例如在通常低转矩或低功率条件下，转矩传感器可超出预定的准确度阈值，使得气体发生器输出基于第一命令的燃料流。
在方法500的一个实施例中，在510处确定第一命令的燃料流和在520处确定第二命令的燃料流各自出现在所有的节流杆位置(例如，第一位置44、第二位置46、空转位置48和一个或多个中间位置50)。例如，在510和520中确定的每个燃料流存储在控制器210的存储器214中，且如果传感器240、244失效则可用。
然而，在方法500的另一实施例中，在525处(见图7)，确定是基于气体发生器轴速度还是动力涡轮转矩生成气体发生器输出包括在522处将在限定一个或多个中间位置的节流杆位置处的第一命令的燃料流和第二命令的燃料流比较；以及在524处，基于在节流杆位置的一个或多个中间位置处的第一命令的燃料流和第二命令的燃料流中的较小者生成气体发生器输出。
例如，预定的准确度阈值可限定读数或刻度的范围，或者节流杆位置的范围(例如，相对于期望的气体发生器功率输出)，在此范围转矩传感器244和速度传感器240有大约相似的测量准确度。方法500因此可包括在522处，将在510处确定的第一命令的燃料流和在520处确定的第二命令的燃料流比较，且在524处基于在510和520处确定的燃料流中的较小者生成气体发生器输出。方法500在524处可包括，从第一命令的燃料流到第二命令的燃料流的交替，同时在预定的准确度阈值或节流杆位置的一个或多个中间位置之内。例如，每个传感器240、244可产生在预定的准确度阈值之内的波动或噪声，如果用来生成气体发生器输出，这些波动或噪声可导致的确定的燃料流中的毛刺、波动或振荡。因此，方法500在524处基于510和520确定的燃料流的较小者生成气体发生器输出，以缓解或最小化这些波动的不期望的效应。
现在参照图9，大体上提供了气体发生器100和控制器210的示范性流程图示意。大体上提供动力涡轮转矩曲线220，其限定气体发生器(例如，气体发生器100)的输出转矩相对国际标准大气(ISA)的变化。ISA是在多个高度上环境空气的环境压力、温度、密度和粘度中的一个或多个的函数。例如，当高度增大时，环境压力、温度、密度和粘度也改变。动力涡轮转矩曲线220是基于在多个ISA条件下多个已知的输出转矩的预定参考表、曲线或函数。动力涡轮转矩曲线220还限定基于空速的变化的多个曲线805，例如在图10中大体上提供的。例如，增大空速限定较大输出转矩的曲线805。控制器210基于动力涡轮转矩曲线220确定从气体发生器100产生输出转矩必需的第二命令的燃料流。
现在参照方法500在510处的示范性实施例，系数参考表218包括系数相对环境条件(例如，环境温度、环境压力、空速)的多个阵列。在一个实施例中，系数参考表218限定两个或更多个预定阵列或形状系数，由此内插附加阵列或形状系数。例如，系数参考表218可限定与处于第二位置46或处于IDLE位置48的节流杆位置对应的系数阵列，以及与处于第一位置44(例如，MAXIMUM POWER(最大功率)或TAKEOFF(起飞))或处于中间位置50(例如，MAXCRUISE(最大巡航)或MAX CLIMB(最大爬升))的节流杆位置对应的系数阵列。包括系数参考表218的控制器210可在第一位置和第二位置之间的多个节流杆位置内插另一系数阵列。
在另一实施例中，在510处，基于气体发生器速度输出曲线确定气体发生器的第一命令的燃料流还包括在509处，至少基于目标气体发生器轴速度曲线和气体发生器功率输出曲线，生成气体发生器速度输出曲线。目标气体发生器轴速度曲线至少基于节流杆位置、一个或多个环境条件和系数参考表，系数参考表包括与一个或多个节流杆位置相对的一个或多个系数阵列。
参照图6-11，结合方法500，例如在图10的609处示意性显示的气体发生器速度输出曲线包括气体发生器功率输出曲线651和目标气体发生器轴速度曲线652。气体发生器功率输出曲线651是功率(例如，轴马力、推力等)相对多个节流杆位置(例如，动力杆角度或PLA)的预定函数、表或值的范围，所述多个节流杆位置例如从第一位置44或IDLE位置48到第二位置46或一个或多个中间位置50(见图2)。气体发生器功率输出曲线651将节流杆位置与期望的功率输出相关联。目标气体发生器轴速度曲线652将气体发生器轴160的转速与期望的气体发生器功率输出相关联。当目标气体发生器轴速度曲线652至少基于一个或多个环境条件相对于节流杆位置非线性变化时，气体发生器转矩曲线609将节流杆位置和期望的气体发生器功率输出与传送期望的气体发生器功率输出所需的目标气体发生器轴速度相关联，同时保持节流杆位置和气体发生器功率输出之间的线性关系，如在图11中大体上描绘的。
再参照方法500，在各个实施例中，在509处，生成气体发生器速度输出曲线包括在504处，基于节流杆位置和一个或多个环境条件通过第一系数阵列计算标准化气体发生器轴速度(NGRnorm)。例如，再参照图9，第一系数阵列对应于从系数参考表218确定(例如，内插入或从查询表提取)的节流杆位置。以第一系数阵列和一个或多个环境条件(例如，环境温度、环境压力、空速)的函数，计算标准化气体发生器轴速度(NGRnorm)。
在其他各种实施例中，在509处，生成气体发生器速度输出曲线还包括在505处，基于第一参考曲线计算第一气体发生器轴速度；在506处基于第二参考曲线生成第二气体发生器轴速度，以及在508处，基于标准化气体发生器轴速度、第一气体发生器轴速度和第二气体发生器轴速度计算目标气体发生器轴速度。
第一参考曲线(NGR1)605(见图9和图10)基于预定的第一气体发生器速度和一个或多个环境条件。例如，第一气体发生器速度可对应于给定一个或多个环境条件下在IDLE状态的气体发生器速度。在各个实施例中，第一参考曲线可限定函数、查询表或曲线，其可关于一个或多个环境条件(例如，关于环境温度、环境压力或空速的变化或差)内插或外插第一气体发生器速度。
第二参考曲线(NGR2)606(见图9和图10)基于预定的第二气体发生器速度和一个或多个环境条件。例如，第二气体发生器速度可对应于在节流输入装置22的一个或多个中间位置50处的气体发生器速度。一个或多个中间位置50可对应于气体发生器100的MAXCRUISE或MAX CLIMB状态或功率输出。在各个实施例中，第二参考曲线可限定函数、查询表或曲线，其可关于一个或多个环境条件(例如，相对于环境温度、环境压力或空速的变化或差)内插或外插第二气体发生器速度。
在各个实施例中，第一参考曲线(NGR1)605和第二参考曲线(NGR2)606可各自限定在节流杆的一个或多个棘爪(detent)或位置处的预定气体发生器速度，例如但不限于IDLE位置、MAX CRUISE或MAX CLIMB。
方法500还可包括在507处，至少部分地基于第二气体发生器轴速度和第一气体发生器轴速度的函数确定第一常数K。例如，参照图6-8和图10，第一常数K是第二气体发生器速度NGR2和第一气体发生器速度NGR1之间的差。
仍参照图6-10，在509处生成气体发生器速度输出曲线(例如，气体发生器速度输出曲线609)至少部分地基于标准化气体发生器轴速度NGRnorm(见图9和图10中的604)、第一常数K和第一气体发生器轴速度NGR1的函数。更具体讲，生成气体发生器输出转矩曲线609的目标气体发生器轴速度曲线652基于计算相对于节流杆位置的目标气体发生器轴速度NGRtarget。例如，计算目标气体发生器轴速度NGRtarget可由第一参考速度NGR1和第一常数K与标准化气体发生器轴速度NGRnorm的积的和限定。
NGRtarget＝(KNGRnorm)+NGR1
控制器210确定产生目标气体发生器轴速度NGRtarget必需的第一命令燃料流。当一个或多个环境条件改变，节流杆位置改变，或者两者都改变时，控制器210确定气体发生器输出是基于第二命令的燃料流产生期望的输出转矩还是基于第一命令的燃料流产生目标气体发生器轴速度。
在还有各种实施例中，方法500还包括在535处(见图8)在控制器处通过一个或多个传感器(例如，速度传感器241)接收测量的推进器速度；在540处，至少基于测量的推进器速度确定命令的推进器桨距角；以及在550处，至少基于命令的推进器桨距角调节测量的推进器速度。
在各个实施例中，确定命令的推进器桨距角至少基于节流杆位置。例如，参照图3-4，在控制器210处确定叶片34的命令的推进器桨距角θ基于节流输入装置22、桨距角传感器242和推进器控制单元260。举另一实例，推进器桨距角基于推进器组件30的期望的转速。在各个实施例中，当节流杆位置处于反向位置(例如，包括MAXIMUM REVERSE(最大反力))时，命令的推进器桨距角可至少部分地确定气体发生器输出(例如，在气体发生器100处产生推进器组件30的期望转速、产生气体发生器100的期望转速或者两者的燃料流)。在其它实施例中，当节流杆位置处于前向位置时，命令的推进器桨距角至少部分地基于气体发生器输出(例如在气体发生器100处的燃料流)。
应当认识到，在不偏离本公开的范围下，系统200和方法500的实施例可被重新排列或改变，包括省略步骤。更进一步，应当认识到，尽管系统200和方法500可提供气体发生器输出相对节流杆位置之间的大致线性的关系，例如图11中提供的，但应当理解，节流杆可包括作为安全特征的一个或多个棘爪，在棘爪处节流杆位置不会诱发气体发生器输出的改变，例如，在MAX CRUISE状态或MAXIMUM POWER状态。
提到速度和测量速度的传感器，例如气体发生器轴160、动力涡轮轴170或推进器轴190的转速或其关联的传感器240、241，还可包括基于轴通过其旋转的流体的一个或多个温度(例如，压缩机入口气温)确定、计算或另外提供被校正的速度。
尽管大体上作为固定翼飞行器提供，但本公开还可适用于倾转旋翼飞行器或包括推进器组件的其它设备，例如桨距改变推进器组件和联接到飞行器的气体发生器。
此书面描述使用实例来公开本发明，包括制造和使用任何装置或系统和执行任何合并的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书界定，并且可包括所属领域的技术人员想到的其它示例。如果此类其它实例包括与所附权利要求书的字面语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，那么此类其它实例既定在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于通过操作者操纵的输入装置控制气体发生器的输出的系统，所述系统包括测量一个或多个环境条件、气体发生器轴速度和动力涡轮转矩的一个或多个传感器，所述系统还包括操作者操纵的输入装置和一个或多个控制器，所述一个或多个控制器包括一个或多个处理器和一个或多个存储器装置，所述一个或多个存储器装置存储指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时使所述一个或多个处理器执行操作，所述操作包括：
通过所述操作者操纵的输入装置接收节流杆位置，所述节流杆位置限定至少空转位置、起飞位置和位于其间的一个或多个中间位置；
通过一个或多个传感器接收一个或多个环境条件，其中，所述环境条件包括一个或多个环境气温、环境气压和环境气流速率；
通过所述控制器基于气体发生器速度输出曲线确定所述气体发生器的第一命令的燃料流，所述气体发生器速度输出曲线至少基于所述节流杆位置、所述一个或多个环境条件和系数参考表；
通过所述控制器基于动力涡轮转矩输出曲线确定所述气体发生器的第二命令的燃料流，所述动力涡轮转矩输出曲线至少基于所述一个或多个环境条件；以及
通过所述气体发生器基于所述第一命令的燃料流或所述第二命令的燃料流，生成气体发生器输出。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，生成所述气体发生器输出包括基于所述第一命令的燃料流生成气体发生器轴速度或者基于所述第二命令的燃料流生成动力涡轮转矩。
3.根据权利要求2所述的系统，所述操作还包括：
通过所述控制器确定是基于所述气体发生器轴速度还是所述动力涡轮转矩生成所述气体发生器输出至少基于测量动力涡轮转矩的所述一个或多个传感器的测量准确度。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，如果测量所述动力涡轮转矩的所述一个或多个传感器超出预定的准确度阈值，则所述气体发生器输出基于所述第一命令的燃料流。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，确定是基于所述气体发生器轴速度还是所述动力涡轮转矩生成所述气体发生器输出包括：
通过所述控制器将在所述节流杆位置处的所述第一命令的燃料流和所述第二命令的燃料流比较，所述节流杆位置限定一个或多个中间位置；以及
通过所述气体发生器基于在所述节流杆位置的所述一个或多个中间位置处的所述第一命令的燃料流和所述第二命令的燃料流中的较小者，生成所述气体发生器输出。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，基于气体发生器速度输出曲线确定所述气体发生器的第一命令的燃料流还包括：
通过所述控制器至少基于目标气体发生器轴速度曲线和气体发生器功率输出曲线生成所述气体发生器速度输出曲线，所述目标气体发生器轴速度曲线至少基于所述节流杆位置、所述一个或多个环境条件和所述系数参考表，所述系数参考表包括与一个或多个节流杆位置相对的一个或多个系数阵列。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，生成所述气体发生器速度输出曲线包括：
通过所述控制器基于所述节流杆位置和所述一个或多个环境条件和第一系数阵列的函数通过所述第一系数阵列计算标准化气体发生器轴速度。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，生成所述气体发生器速度输出曲线还包括：
通过所述控制器基于第一参考曲线计算第一气体发生器轴速度，所述第一参考曲线基于预定的第一气体发生器速度和所述一个或多个环境条件；
通过所述控制器基于第二参考曲线计算第二气体发生器轴速度，所述第二参考曲线基于预定的第二气体发生器速度和所述一个或多个环境条件；以及
通过所述控制器基于所述标准化气体发生器轴速度、所述第一气体发生器轴速度和所述第二气体发生器轴速度计算所述目标气体发生器轴速度。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述第一参考曲线限定查询表、曲线或等式，包括与一个或多个所述环境条件相对的一个或多个所述第一气体发生器轴速度。
10.一种控制用于飞行器的气体发生器和推进器组件的功率和转矩输出的方法，所述方法包括：
基于气体发生器速度输出曲线确定气体发生器的第一命令的燃料流，所述气体发生器速度输出曲线至少基于节流杆位置、一个或多个环境条件和系数参考表；
基于动力涡轮转矩输出曲线确定所述气体发生器的第二命令的燃料流，所述动力涡轮转矩输出曲线至少基于所述一个或多个环境条件；以及
基于所述第一命令的燃料流或所述第二命令的燃料流生成气体发生器输出。
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