CN110195657A - 用于控制燃气涡轮发动机的启动或重新启动过程的至少一部分的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于控制燃气涡轮发动机的启动或重新启动过程的至少一部分的方法和设备。一种控制燃气涡轮发动机的启动或重新启动过程的至少一部分的方法,所述方法包括:使用第一电机来控制低压压缩机的旋转,以增加所述低压压缩机的角速度;以及使用第二电机来控制高压压缩机的旋转,以在所述低压压缩机的所述角速度增加的同时,限制所述高压压缩机的角速度。
Description
技术领域
本公开涉及用于控制燃气涡轮发动机的启动或重新启动(re-light)过程的至少一部分的方法和设备。
背景技术
燃气涡轮发动机通常具有启动或重新启动过程,其中,高压压缩机的角速度在燃气涡轮发动机的燃烧设备内点火之前增加。在低速下,高压压缩机可能会经历称为“前端失速(front end stall)”的干扰。如果前端失速退化成单个单元旋转失速,则启动或重新启动过程可被延迟,或者可能不得不中止。
为了防止高压压缩机的“前端失速”,可以使用高压压缩机中的启动排放(startbleed)来从高压压缩机排出空气,从而使得能够在高压压缩机的前部各级处实现更高的流量,同时防止高压压缩机的后部各级处的堵塞。然而,该启动排放可增加燃气涡轮发动机在启动或重新启动过程期间的噪声输出,并且可增加燃气涡轮发动机的重量,从而降低制动燃料消耗率(brake specific fuel consumption)。
发明内容
根据第一方面,提供了一种控制燃气涡轮发动机的启动或重新启动过程的至少一部分的方法,所述方法包括:使用第一电机来控制低压压缩机的旋转,以增加所述低压压缩机的角速度;以及使用第二电机来控制高压压缩机的旋转,以在所述低压压缩机的所述角速度增加的同时,限制所述高压压缩机的角速度。
所述方法还可以包括:控制所述高压压缩机的多个可变叶片的打开。
所述方法还可以包括:控制所述高压压缩机的一个或多个排放端口的关闭。
所述方法还可以包括:确定所述低压压缩机的出口压力是否等于或大于阈值出口压力;以及如果所述出口压力等于或大于所述阈值出口压力,则使用所述第二电机来控制所述高压压缩机的旋转,以增加所述高压压缩机的角速度。
所述方法还可以包括:控制所述燃气涡轮发动机的燃烧室内的点火。
所述方法还可以包括:在控制所述燃气涡轮发动机的所述燃烧室内的点火之后,控制所述第一电机和所述第二电机以充当发电机。
所述方法还可以包括:控制所述燃气涡轮发动机的变距风扇的到空转位置的移动。
所述方法还可以包括:控制所述燃气涡轮发动机的齿轮箱的离合器,以脱离从所述燃气涡轮发动机的涡轮部段到所述燃气涡轮发动机的风扇的动力传递。
所述方法还可以包括:控制通过所述燃气涡轮发动机的旁路管道的气流的限制。
根据第二方面,提供了一种计算机程序,其当由计算机读取时,使得执行如前面段落中所描述的方法。
根据第三方面,提供了一种包括计算机可读指令的非暂时性计算机可读存储介质,所述计算机可读指令当由计算机读取时,使得执行如前面段落中所描述的方法。
根据第四方面,提供了一种包括计算机可读指令的信号,所述计算机可读指令当由计算机读取时,使得执行如前面段落中所描述的方法。
根据第五方面,提供了一种用于控制燃气涡轮发动机的启动或重新启动过程的至少一部分的设备,所述设备包括控制器,所述控制器配置成:使用第一电机来控制低压压缩机的旋转,以增加所述低压压缩机的角速度;以及使用第二电机来控制高压压缩机的旋转,以在所述低压压缩机的所述角速度增加的同时,限制所述高压压缩机的角速度。
所述控制器可被配置成:控制所述高压压缩机的多个可变叶片的打开。
所述控制器可被配置成:控制所述高压压缩机的一个或多个排放端口的关闭。
所述控制器可被配置成:确定所述低压压缩机的出口压力是否等于或大于阈值出口压力;以及如果所述出口压力等于或大于所述阈值出口压力,则使用所述第二电机来控制所述高压压缩机的旋转,以增加所述高压压缩机的角速度。
所述控制器可被配置成:控制所述燃气涡轮发动机的燃烧室内的点火。
所述控制器可被配置成:在控制所述燃气涡轮发动机的所述燃烧室内的点火之后,控制所述第一电机和所述第二电机以充当发电机。
所述控制器可被配置成:控制所述燃气涡轮发动机的变距风扇的到空转位置的移动。
所述控制器可被配置成:控制所述燃气涡轮发动机的齿轮箱的离合器,以脱离从所述燃气涡轮发动机的涡轮部段到所述燃气涡轮发动机的风扇的动力传递。
所述控制器可被配置成:控制通过所述燃气涡轮发动机的旁路管道的气流的限制。
技术人员将会理解的是,除非相互排斥,否则关于任何一个上述方面所描述的特征都可以比照适用于任何其他方面。此外,除非相互排斥,否则本文所描述的任何特征都可以被应用于本文所描述的任何方面和/或与本文所描述的任何其他特征结合。
附图说明
现在将参照附图仅通过示例的方式来描述实施例,附图中:
图1图示了根据各种示例的用于控制燃气涡轮发动机的启动或重新启动过程的至少一部分的设备的示意图;
图2图示了根据第一示例的控制燃气涡轮发动机的启动或重新启动过程的至少一部分的方法的流程图;以及
图3图示了根据第二示例的控制燃气涡轮发动机的启动或重新启动过程的至少一部分的方法的流程图。
具体实施方式
在下面的描述中,术语“连接”和“耦接”意指操作性地连接和耦接。应当理解的是,在所提到的特征之间可存在任何数量的介于中间的部件,包括没有介于中间的部件。
图1图示了根据各种示例的用于控制燃气涡轮发动机12的启动或重新启动过程的至少一部分的设备10。该设备10包括控制器14、第一电机16、第二电机18、致动器装置20、传感器装置22以及负载23。
在一些示例中,设备10可以是模块。如本文所使用的,措辞“模块”是指其中一个或多个特征在稍后的时间并且可能由另一个制造商或由最终用户来包括的装置或设备。例如,在设备10是模块的情况下,设备10可以仅包括控制器14,并且其余的特征(例如,第一电机16、第二电机18、致动器装置20、传感器装置22以及负载23等)可由另一个制造商或由最终用户来添加。
图1还图示了燃气涡轮发动机12的上半部的剖视图。燃气涡轮发动机12具有主旋转轴线24,并且包括空气进气口26和推进风扇28,该推进风扇28产生两个气流A和B。燃气涡轮发动机12包括核心发动机30,其沿轴向流A具有低压压缩机32、高压压缩机34、燃烧设备36、高压涡轮38、低压涡轮40以及核心排气喷嘴42。机舱44围绕燃气涡轮发动机12,并且沿轴向流B限定了旁路管道46和旁路排气喷嘴48。风扇28经由轴50和行星齿轮箱52附接到低压涡轮40并通过该低压涡轮40来驱动。
在操作中,核心气流A中的空气被低压压缩机32加速和压缩,并被引入到高压压缩机34中,在那里进行进一步压缩。从高压压缩机34排出的压缩空气被引入到燃烧设备36中,在那里它与燃料混合,并且混合物被燃烧。然后,所产生的热燃烧产物在通过喷嘴42排出之前膨胀通过、并且由此驱动高压涡轮38和低压涡轮40,以提供推进推力。高压涡轮38经由轴54来驱动高压压缩机34。风扇28提供大部分的推进推力。行星齿轮箱52是减速齿轮箱,并且使得风扇28能够以比低压涡轮40低的旋转速度来旋转。
附加地或替代地,齿轮箱52可以驱动附加的和/或替代的部件(例如,低压压缩机和/或增压压缩机,或者螺旋桨(航空或水力))。在一些示例中,齿轮箱52可以驱动发电机而不是风扇28,并且可以是增速齿轮箱。
附加地或替代地,这样的发动机可具有替代数量的压缩机和/或涡轮和/或替代数量的互连轴。在一些示例中,燃气涡轮发动机12可以不包括齿轮箱52,而是替代地可以包括低压涡轮40和风扇28之间的直接驱动。
控制器14、第一电机16、第二电机18、致动器装置20和传感器装置22可以经由无线链路耦接到彼此,并且可以包括收发器电路以及一个或多个天线。附加地或替代地,控制器14、第一电机16、第二电机18、致动器装置20和传感器装置22可以经由有线链路耦接到彼此,并且可以包括连接器(例如,通用串行总线(USB)插口等)。应当理解的是,控制器14、第一电机16、第二电机18、致动器装置20和传感器装置22可以经由有线和无线链路的任何组合来耦接到彼此。
控制器14可包括任何合适的电路,以使得执行本文所述并且如图2和图3中所示的方法。控制器14可包括:控制电路;和/或处理器电路;和/或至少一个专用集成电路(ASIC);和/或至少一个现场可编程门阵列(FPGA);和/或单处理器或多处理器架构;和/或顺序/并行架构;和/或至少一个可编程逻辑控制器(PLC);和/或至少一个微处理器;和/或至少一个微控制器;和/或中央处理单元(CPU);和/或图形处理单元(GPU),以执行所述方法。在一些示例中,控制器14可以是全权限数字发动机控制器(FADEC)、电子发动机控制器(EEC)或发动机控制单元(ECU)。
在各种示例中,控制器14可包括至少一个处理器56和至少一个存储器58。存储器58存储包括计算机可读指令的计算机程序60,该计算机可读指令当由处理器56读取时,使得执行本文所述并且如图2和图3中所示的方法。计算机程序60可以是软件或固件,或者可以是软件和固件的组合。
处理器56可以位于燃气涡轮发动机12上,或者可以远离燃气涡轮发动机12定位,或者可以分布在燃气涡轮发动机12和远离燃气涡轮发动机12的位置之间。处理器56可以包括至少一个微处理器,并且可以包括单核处理器,可以包括多个处理器核心(例如,双核处理器或四核处理器等),或者可以包括多个处理器(其中至少一个可包括多个处理器核心)。
存储器58可以位于燃气涡轮发动机12上,或者可以远离燃气涡轮发动机12定位,或者可以分布在燃气涡轮发动机12和远离燃气涡轮发动机12的位置之间。存储器58可以是任何合适的非暂时性计算机可读存储介质、一个或多个数据存储设备,并且可以包括硬盘和/或固态存储器(例如,闪存等)。存储器58可以是永久性不可移动存储器,或者可以是可移动存储器(例如,通用串行总线(USB)闪存驱动器或安全数字卡等)。存储器58可以包括:在计算机程序的实际执行期间使用的本地存储器;大容量存储装置;以及高速缓存存储器,该高速缓存存储器提供至少一些计算机可读或计算机可用程序代码的临时存储,以减少在代码的执行期间可从大容量存储装置检索代码的次数。
计算机程序60可被存储在非暂时性计算机可读存储介质62上。计算机程序60可以从非暂时性计算机可读存储介质62传送到存储器58。例如,非暂时性计算机可读存储介质60可以是USB闪存驱动器、安全数字(SD)卡、光盘(例如,压缩盘(CD)、数字通用盘(DVD)或蓝光盘等)。在一些示例中,计算机程序60可以通过信号64(例如,无线信号或有线信号)传送到存储器58。
输入/输出设备可以直接地或通过介于中间的输入/输出控制器来耦接到控制器14。各种通信适配器也可以被耦接到控制器14,以使得设备10能够通过介于中间的私有或公共网络来耦接到其他设备或远程打印机或存储设备。非限制性示例包括这种通信适配器的调制解调器和网络适配器。
第一电机16被配置成控制低压压缩机32的角速度。第一电机16可以被直接安装在轴50上(例如,第一电机16的转子可以被紧固到并且邻接轴50)。可替代地,第一电机16可以被安装在远离轴50的位置处(例如,安装在核心壳体上,或安装在风扇壳体上),并且可以经由传动装置以及一个或多个另外的轴来耦接到轴50。可替代地,轴50可以包括形成第一电机16的转子的部分(也就是说,第一电机16的转子可以与轴50是一体的并且是轴50的一部分)。
控制器14被配置成控制第一电机16的操作。例如,控制器14可以控制向第一电机16的电功率供应,以使第一电机16充当电动机。作为另一个示例,控制器14可将第一电机16连接到负载66,以使得第一电机16能够充当发电机。
第二电机18被配置成控制高压压缩机34的角速度。第二电机18可以被直接安装在轴54上(例如,第二电机18的转子可以被紧固到并且邻接轴54)。可替代地,第二电机18可以被安装在远离轴54的位置处(例如,安装在核心壳体上,或安装在风扇壳体上),并且经由传动装置以及一个或多个另外的轴来耦接到轴54。可替代地,轴54可以包括形成第二电机18的转子的部分(也就是说,第二电机18的转子可以与轴54是一体的并且是轴54的一部分)。
控制器14被配置成控制第二电机18的操作。例如,控制器14可以控制向第二电机18的电功率供应,以使第二电机18充当电动机。作为另一个示例,控制器14可将第二电机18连接到负载,以使得第二电机18能够充当发电机。
致动器装置20可包括任何合适的一个或多个致动器,以便使得能够实现对燃气涡轮发动机12的至少一部分的控制。例如,致动器装置20可包括一个或多个伺服电动机和/或一个或多个电磁阀。控制器14被配置成控制致动器装置20的操作。
例如,在风扇28是变距风扇(variable pitch fan)的情况下,致动器装置20可包括用于改变风扇的螺距(例如,在空转位置和操作位置之间)的伺服电动机。在另一个示例中,在齿轮箱52包括离合器66的情况下,致动器装置20可包括伺服电动机,该伺服电动机用于使离合器66在将风扇28连接到低压涡轮40的第一位置和将风扇28从低压涡轮40断开的第二位置之间移动。在另一示例中,致动器装置20可包括伺服电动机,其用于移动构件(例如,叶片等),以限制通过旁路管道46的气流B。在另一个示例中,致动器装置20可包括伺服电动机,其用于使高压压缩机34内的多个叶片68在打开位置和关闭位置之间移动。在另一示例中,致动器装置20可包括一个或多个电磁阀,其用于打开和关闭高压压缩机34的一个或多个排放端口70。
传感器装置22可包括用于感测燃气涡轮发动机12的一个或多个特性的任何合适的一个或多个传感器。例如,传感器装置22可包括用于感测低压压缩机32的角速度的第一传感器和用于感测高压压缩机34的角速度的第二传感器。控制器14被配置成从传感器装置22接收数据。
负载23可包括电网络,其被配置成使用和/或存储由至少第二电机18产生的电功率。例如,负载23可包括电能存储装置(例如,电池或超级电容器等),其被配置成存储由至少第二电机18产生的电能。作为另一个示例,负载23可替代地或附加地包括使用从至少第二电机18供应的电功率来操作的一个或多个电子装置。
图2图示了根据第一示例的控制燃气涡轮发动机的启动或重新启动过程的至少一部分的方法的流程图。
在框72处,所述方法可以包括控制高压压缩机34的多个可变叶片68的打开。例如,控制器14可以控制致动器装置20来打开高压压缩机34的多个可变入口导叶(VIGV)和/或多个可变定子叶片(VSV)。
在框74处,所述方法可以包括控制高压压缩机34的一个或多个排放端口70的关闭。例如,控制器14可以控制致动器装置34来关闭高压压缩机34的排放端口70中的一个或多个。
在框76处,所述方法包括使用第一电机16来控制低压压缩机32的旋转,以增加低压压缩机32的角速度。例如,控制器14可以控制向第一电机16的电功率供应,以使得第一电机16能够充当电动机,以增加低压压缩机32的角速度(换句话说,控制器14控制第一电机16来驱动低压压缩机32,以加速低压压缩机32)。在操作中,低压压缩机32的旋转将高压压缩机34的入口处的压力增加到高于环境压力的压力。
在框78处,所述方法包括使用第二电机18来控制高压压缩机34的旋转,以在低压压缩机32的角速度被第一电机16增加的同时限制高压压缩机34的角速度。例如,控制器14可以将第二电机18连接到负载23,以使得第二电机18能够充当发电机,并且因此,从高压压缩机34提取能量。作为另一个示例,控制器14可将第二电机18的输出连接到第一电机16的输入,以使得第二电机18能够充当发电机,并向第一电机16提供电功率,以驱动低压压缩机32。在一些示例中,控制器14可以控制高压压缩机34的角加速度,使得高压压缩机34的角速度不超过阈值速度。
应当理解的是,在一些示例中,可以同时执行框76和78。在其他示例中,框78可以在框76开始之前开始(即,第二电机18可以在第一电机16加速低压压缩机32之前连接到负载23或第一电机32)。
在框80处,所述方法可以包括确定低压压缩机32的出口压力是否大于或等于阈值出口压力。例如,控制器14可以从传感器装置22接收低压压缩机32和高压压缩机34的转矩和角速度测量结果,并使用所接收的测量结果来确定低压压缩机32的出口压力。在另一个示例中,控制器14可以从位于低压压缩机32的出口处的压力传感器接收压力数据,并且随后,确定测量的压力是否等于或大于阈值出口压力。在另一示例中,对于框80的执行而言可能不需要传感器装置22,这是因为控制器14可以从第一电机16和第二电机18的控制数据来确定低压压缩机32和高压压缩机34的转矩和角速度。特别地,第一电机16和第二电机18的速度与电频率直接相关,并且转矩与电流相关,且功率与电流和电压的乘积相关。可以将所确定的出口压力与存储在存储器58中的阈值出口压力进行比较。
如果所确定的出口压力不等于或大于阈值出口压力,则所述方法返回到框76。
如果所确定的出口压力等于或大于阈值出口压力,则所述方法移动到框82。
在框82处,所述方法可以包括使用第二电机18来控制高压压缩机34的旋转,以增加高压压缩机34的角速度。例如,控制器14可以控制向第二电机18的电功率供应,以使得第二电机18能够充当电动机,以增加高压压缩机34的角速度。
在框84处,所述方法可以包括控制燃气涡轮发动机12的燃烧室内的点火。例如,控制器14可以控制燃料泵,以将燃料泵送到燃烧设备36,并且可以控制向燃烧设备36中的点火器的电功率供应,以点燃燃料。
在框86处,所述方法可以包括控制第一电机16和第二电机18来充当发电机。例如,控制器14可以将第一电机16和第二电机18连接到负载23,以使得第一电机16和第二电机18能够向负载23供应电功率。
设备10和上述方法可以提供若干优点。
第一,相应地在框76和78处通过第一电机16和第二电机18来驱动低压压缩机32和限制高压压缩机34可以减小高压压缩机34中的诱导阻力的影响,并且因此,可以防止高压压缩机34的下游级堵塞,以及防止高压压缩机34的上游级失速和喘振(surging)。这可以使得能够最小化或消除燃气涡轮发动机12的启动排放的使用。在一些示例中,使用设备10和上述方法可以使得能够制造包括高压压缩机而没有启动排放的燃气涡轮发动机。
第二,叶片68的打开和高压压缩机34中的排放端口70的关闭可有助于增加低压压缩机34的出口/高压压缩机34的入口处的压力。
第三,使用第一电机16和第二电机18作为发电机可以有利地在燃气涡轮发动机12的启动期间向电网络23供应电功率。
图3图示了根据第二示例的控制燃气涡轮发动机的启动或重新启动过程的至少一部分的方法的流程图。图3中所示的方法类似于图2中所示的方法,并且其中,框是类似的,使用了相同的附图标记。
图3中所示的方法与图2中所示的方法的不同之处在于,图3中所示的方法还包括框88、90和92。应当理解的是,框88、90和92可以按任何顺序执行,并且可以在框82之前的任何时间执行。
在框88处,所述方法可以包括控制燃气涡轮发动机的变距风扇的到空转位置的移动。例如,控制器14可以控制致动器装置20的伺服电动机,以将风扇28的螺距改变到空转位置。
在框90处,所述方法可以包括控制燃气涡轮发动机的齿轮箱的离合器,以脱离从涡轮部段到风扇的动力传递。例如,控制器14可以控制离合器66,以使风扇28从低压涡轮40脱离。
在框92处,所述方法可以包括控制通过燃气涡轮发动机的旁路管道的气流的限制。例如,控制器14可以控制致动器装置20来移动构件(例如,叶片等),以限制燃气涡轮发动机12的旁路管道46内的气流B。
图3中所示的方法可能是有利的,因为框88、90和92可以减小低压压缩机32上的气动阻力,并且因此,可以在启动或重新启动过程期间帮助增加低压压缩机32的出口/高压压缩机34的入口处的压力。
将会理解的是,本发明不限于上述实施例,并且在不脱离本文所描述的构思的情况下可以进行各种修改和改进。除非相互排斥,否则任何特征都可以单独使用或与任何其他特征结合使用,并且本公开扩展到并且包括本文所描述的一个或多个特征的所有组合及子组合。
Claims (20)
1. 一种控制燃气涡轮发动机的启动或重新启动过程的至少一部分的方法,所述方法包括:
使用第一电机来控制低压压缩机的旋转,以增加所述低压压缩机的角速度;以及
使用第二电机来控制高压压缩机的旋转,以在所述低压压缩机的所述角速度增加的同时,限制所述高压压缩机的角速度。
2.如权利要求1所述的方法,还包括:控制所述高压压缩机的多个可变叶片的打开。
3.如权利要求1所述的方法,还包括:控制所述高压压缩机的一个或多个排放端口的关闭。
4.如权利要求1所述的方法,还包括:确定所述低压压缩机的出口压力是否等于或大于阈值出口压力;以及如果所述出口压力等于或大于所述阈值出口压力,则使用所述第二电机来控制所述高压压缩机的旋转,以增加所述高压压缩机的角速度。
5.如权利要求1所述的方法,还包括:控制所述燃气涡轮发动机的燃烧室内的点火。
6.如权利要求5所述的方法,还包括:在控制所述燃气涡轮发动机的所述燃烧室内的点火之后,控制所述第一电机和所述第二电机以充当发电机。
7.如权利要求1所述的方法,还包括:控制所述燃气涡轮发动机的变距风扇的到空转位置的移动。
8.如权利要求1所述的方法,还包括:控制所述燃气涡轮发动机的齿轮箱的离合器,以脱离从所述燃气涡轮发动机的涡轮部段到所述燃气涡轮发动机的风扇的动力传递。
9.如权利要求1所述的方法,还包括:控制通过所述燃气涡轮发动机的旁路管道的气流的限制。
10.一种计算机程序,其当由计算机读取时,使得执行如前述权利要求中任一项所述的方法。
11.一种非暂时性计算机可读存储介质,包括计算机可读指令,所述计算机可读指令当由计算机读取时,使得执行如权利要求1至9中任一项所述的方法。
12. 用于控制燃气涡轮发动机的启动或重新启动过程的至少一部分的设备,所述设备包括控制器,所述控制器配置成:
使用第一电机来控制低压压缩机的旋转,以增加所述低压压缩机的角速度;以及
使用第二电机来控制高压压缩机的旋转,以在所述低压压缩机的所述角速度增加的同时,限制所述高压压缩机的角速度。
13.如权利要求12所述的设备,其特征在于,所述控制器被配置成:控制所述高压压缩机的多个可变叶片的打开。
14.如权利要求12所述的设备,其特征在于,所述控制器被配置成:控制所述高压压缩机的一个或多个排放端口的关闭。
15.如权利要求12所述的设备,其特征在于,所述控制器被配置成:确定所述低压压缩机的出口压力是否等于或大于阈值出口压力;以及如果所述出口压力等于或大于所述阈值出口压力,则使用所述第二电机来控制所述高压压缩机的旋转,以增加所述高压压缩机的角速度。
16.如权利要求12所述的设备,其特征在于,所述控制器被配置成:控制所述燃气涡轮发动机的燃烧室内的点火。
17.如权利要求16所述的设备,其特征在于,所述控制器被配置成:在控制所述燃气涡轮发动机的所述燃烧室内的点火之后,控制所述第一电机和所述第二电机以充当发电机。
18.如权利要求12所述的设备,其特征在于,所述控制器被配置成:控制所述燃气涡轮发动机的变距风扇的到空转位置的移动。
19.如权利要求12所述的设备,其特征在于,所述控制器被配置成:控制所述燃气涡轮发动机的齿轮箱的离合器,以脱离从所述燃气涡轮发动机的涡轮部段到所述燃气涡轮发动机的风扇的动力传递。
20.如权利要求12所述的设备,其特征在于,所述控制器被配置成:控制通过所述燃气涡轮发动机的旁路管道的气流的限制。
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