CN110199103A - 用于管理燃气涡轮发动机中的反向模式操作的控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃气涡轮发动机(1)的控制系统(10)，燃气涡轮发动机具有气体发生器(4)和由气体发生器(4)驱动的涡轮机(6)，控制系统(10)设有：控制单元(12)，控制燃气涡轮发动机(1)的正向操作模式或反向操作模式；监控单元(14)，可操作地联接到控制单元(12)，接收指示正向或反向动力请求的输入信号(PLA)并使控制单元(12)基于输入信号(PLA)控制正向或者反向操作模式。监控单元(14)具有启用级(20)，以基于满足安全条件的检查来启用正向和反向操作模式之间的转换。

Description

用于管理燃气涡轮发动机中的反向模式操作的控制系统和 方法
优先权要求
本申请要求于2017年1月20日提交的欧洲专利申请No.17425004.3的优先权，其公开内容通过引用结合于此。
技术领域
本解决方案涉及一种用于管理燃气涡轮发动机中的反向模式操作的控制系统和方法，特别是用于飞行器。
背景技术
如已知并且如图1中示意性示出的，燃气涡轮发动机1，特别是用于飞行器，通常包括：
轴向/离心式压缩机2，联接到进气口3；
高压涡轮，所谓的“气体发生器”4，经由压缩机轴5联接到轴向/离心式压缩机2；
低压涡轮，所谓的“动力涡轮”6，由气体发生器4驱动，并与气体发生器4机械分离；和
螺旋桨7，经由动力轴8和合适的传动装置9联接到动力涡轮6。
燃气涡轮发动机1由自动电子控制系统10管理，该自动电子控制系统10包括电子控制单元(例如微处理器，微控制器或类似的电子处理单元)，其配备有存储适当软件指令的非易失性存储器，以便实施发动机控制策略以满足输入动力需求(例如，源自飞行员的动力杆的输入动力需求)。
特别地，已知发动机操作通常设想当飞行员的动力杆高于空转位置时的正向模式操作，以及当飞行员的动力杆低于空转位置时的反向模式操作(空转位置表示同一杆的零角度位置)。
本申请人已经认识到，已知的控制系统虽然通常提供令人满意的结果，但是不能正确地处理正向操作模式和反向操作模式之间的转换，特别是从完全正向操作到完全反向操作的转换。
发明内容
本解决方案的目的是提供燃气涡轮发动机的改进控制，特别是用于适当地管理其反向模式操作。
根据本解决方案，因此提供了一种如所附权利要求书中所限定的控制系统和方法。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在参考附图，描述仅作为非限制性示例的其优选实施例，其中：
图1是已知类型的燃气涡轮发动机的示意图；
图2和3示出了根据已知控制方案的与燃气涡轮发动机的操作相关的曲线图；
图4是根据本解决方案的燃气涡轮发动机的控制系统的示意性框图；
图5是在燃气涡轮发动机控制系统中实现的控制算法的示意性框图；和
图6示出了与图4的燃气涡轮发动机控制系统的操作相关的曲线图。
具体实施方式
本解决方案源于申请人意识到，在诸如当飞行员突然要求从高正向动力完全反向时的所谓的“中止起飞”，或者当飞行员从完全反向起飞时或通常当飞行员突然将飞行员的控制杆从正向位置移动到反向位置时的“触地后错过着陆”的操纵期间，使发动机螺旋桨处于超速状态的风险很高。
实际上，当命令这样的转换时，螺旋桨的螺距穿过叶片平坦位置(螺距角≈0°)，具有最小的螺旋桨扭矩阻力，而气体发生器由于其惯性仍然输送高热力学动力。
在这方面，图2显示了当飞行员要求(在示例性曲线图中的时间3,5秒)从正向操作转换到完全反向操作时的螺旋桨速度Np与时间相比的曲线图，考虑了不同的高度操作值(箭头指示高度水平的逐渐增加)。
在飞行员命令之后，螺旋桨超速状态是明显的，其中螺旋桨速度Np超过目标操作值(图2中的虚线所示，在该示例中约为2000rpm)；特别是，高度越高，螺旋桨超速量越高。
由于发动机超速保护系统的干预，螺旋桨超速可能导致损坏和故障，或最终可能导致燃料切断或发动机停机。确实，发动机控制系统可以命令关闭，并且在这样的操作条件期间关闭发动机可能导致高风险事件，例如飞行器离开跑道。
为了避免这种事件，已知的解决方案要求飞行员在执行上述操作时采取适当的动作，以避免螺旋桨进入超速状态。
特别是，指示飞行员不要将控制杆直接从完全正向位置移动到完全反向位置，而是将移动分为三个阶段：
第一阶段，控制杆从完全正向转为空转；
第二阶段，控制杆保持在空转；和
第三阶段，控制杆从空转转为完全反向。
在命令反向操作之前等待在空转可以允许在命令反向操作之前减少气体发生器动力。
然而，这种已知的解决方案具有许多缺点。
飞行员确实要求高工作量，他们必须考虑螺旋桨速度条件，同时执行困难和危险的操作，例如上述“中止起飞”和“错过着陆”操作。
此外，即使飞行员在命令从正向操作模式转换到反向操作模式之前等待在空转，等待时间也可能不足以避免螺旋桨超速。
在这方面，图3示出了螺旋桨速度Np的不同曲线图(再次在不同的高度值，如图2的曲线图)，考虑了在控制杆的空转位置处的等待时间的不同长度(从1到4秒)；这些曲线图是申请人进行的模拟结果。
从这些曲线图中可以清楚地看出，同样考虑到不同的可能的高度值，飞行员一般决定的可变等待时间可能无法保证避免螺旋桨超速的发生，从而导致燃气涡轮发动机和飞行器损坏的高风险。
此外，取决于高度值和其他发动机操作条件，飞行员命令的等待时间甚至可能太长，这可能导致所需飞行器操纵(例如上述“中止起飞”和“错过着陆”操作)的不正确执行。
因此，本解决方案的一个方面设想，当飞行员请求正向操作模式和反向操作模式之间的转换时，例如请求从完全正向操作到完全反向操作时，通过由发动机控制系统实现的自动螺旋桨超速保护，来减少飞行员在防止螺旋桨超速事件发生时的工作量。在这种情况下，自动防止通过平螺距区域的螺旋桨转换，直到验证安全条件，表明可以执行安全转换(即避免螺旋桨超速)。
更详细地，并且参考图4，燃气涡轮发动机1的控制系统10包括：控制单元12，被构造为执行用于控制发动机操作的合适的控制算法；和监控单元14，可操作地联接到控制单元12，并构造成监控其操作。
特别地，控制单元12包括：正向模式控制级15，被构造为执行合适的控制算法，以在正向模式操作期间控制燃气涡轮发动机1；和反向模式控制级16，被构造为执行合适的控制算法，以在反向模式操作期间控制燃气涡轮发动机1。
控制系统10从联接到燃气涡轮发动机1的传感器(这里未示出)接收多个发动机量的测量值，以实现上述控制算法，其中：
气体发生器扭矩Q；
气体发生器(或压缩机)可变几何位置Vg；
核心发动机速度Ng(即，气体发生器4的速度)；
动力涡轮/螺旋桨速度Np；
压缩机入口温度T2；
压缩机入口压力δ2；和
空速CAS。
从核心发动机速度Ng开始，控制系统10还根据以下表达式确定校正的核心发动机速度Ngr：
其中θ2又由下式给出：
其中Tisa是标准温度校正值，等于518,67兰金(rankine)(1兰金＝15℃)。
在这里未详细讨论的已知方式中，由正向模式控制级15和反向模式控制级16实现的控制算法被设计为确定相应的驱动量(例如电流)，用于驱动螺旋桨控制单元的驱动量(驱动量q1)，用于驱动气体发生器4的燃料计量单元以确定相应燃料流量Wf的驱动量(驱动量q2)，以及用于驱动气体发生器可变几何形状的驱动量(驱动量q3)；控制单元12还可以提供进一步的驱动量。
监控单元14被构造为基于指示输入动力请求的输入信号PLA，特别是飞行员的动力杆(示意性地示出并用17表示)的角度或设置，启用正向模式控制级15或反向模式控制级16，以便激活燃气涡轮发动机1的正向模式或反向模式操作。
根据本解决方案的特定方面，监控单元14包括状态转换级20，其被构造为，当输入信号PLA指示飞行员的使发动机操作反向的请求时，控制燃气涡轮发动机1的正向模式操作和反向模式操作之间的状态转换，特别地，从正向模式到反向模式。
详细地，并且参考图5，状态转换级20被构造为在方框22处确定飞行员的从正向动力(PLA≥空转)转换到反向动力(PLA<空转)的请求；换句话说，状态转换级20基于输入信号PLA的值，确定飞行员已将输入动力杆从正向位置移动到反向位置。
在确定转换请求之后，状态转换级20在方框24处检查是否验证了安全条件，该安全条件指示可以执行安全转换(即，避免螺旋桨超速)。
在该特定实施例中，状态转换级20检查校正的核心发动机速度Ngr是否低于给定的安全阈值Thr：
Ngr<Thr。
可以根据操作高度，并根据发动机操作参数，例如压缩机入口温度T2，设置安全阈值Thr。例如，安全阈值Thr可以表示为核心发动机速度Ngr的预定百分比。
只要不满足上述安全条件(即，只要Ngr≥Thr)，状态转换级20就保持燃气涡轮发动机1的正向模式操作(保持正向模式控制级15启用并且禁用反向模式控制级16)。
只有在验证了安全条件(即Ngr<Thr)之后，并且输入动力杆仍处于反向(PLA<空转)，状态转换级20才能在方框26处启用燃气涡轮发动机1的反向模式操作(禁用正向模式控制级15并启用反向模式控制级16)。
因此，状态转换级20表示启用级，其被构造为基于满足安全条件的检查来启用正向操作模式和反向操作模式之间的转换。
根据本解决方案的另一方面，由状态转换级20检查的安全条件可以包括附加参数；例如，只有在验证了所谓的WOW(着陆重量)状态之后，才能启用到反向模式操作的转换，这意味着飞行器的轮子在地面上。
在任何情况下，由于监控单元14中的状态转换级20的操作，自动且可靠地防止了螺旋桨超速(或者，通常，燃气涡轮发动机1的任何其他危险状况)，得益于只有在确定由惯性引起的气体发生器4的动力输送降低到阈值以下之后才启用状态转换。
在这方面，图6示出了在飞行员的转换请求之后的螺旋桨速度Np(在不同高度值处，如图2和图3的曲线图)的曲线图；这些曲线图是申请人进行的模拟结果。
从这些曲线图中可以清楚地看出，即使考虑到不同的可能高度值，当螺旋桨的螺距穿过平坦位置(螺距角≈0°)时，总是避免螺旋桨超速的发生(螺旋桨速度Np不超过目标操作值，再次以虚线示出)。
从先前的讨论中可以清楚地看出本解决方案的优点。
特别地，再次强调的是，本解决方案允许自动控制燃气涡轮发动机1的正向操作模式和反向操作模式之间的转换，而无需飞行员的干预(因此不增加飞行员的工作量和复杂操纵，特别是在快速转换请求期间，不增加飞行员的工作量)。
有利地避免了螺旋桨超速状态的发生，从而避免了燃料切断和发动机关闭的风险。
最后，清楚的是，可以对本文描述和说明的内容进行修改和变化，而不脱离如所附权利要求书中限定的本发明的范围。
特别地，强调发动机控制系统10的监控单元14中的状态转换级20可以监控其他发动机参数，以便检查安全条件并启用状态转换(特别是从正向模式到反向模式)，例如螺旋桨的螺距。
此外，再次强调的是，除了在前面详细讨论的从正向模式操作到反向模式操作的转换，状态转换级20还可以有利地控制从发动机操作的反向模式到正向模式的转换。

Claims (17)

1.一种用于燃气涡轮发动机(1)的电子控制系统(10)，所述燃气涡轮发动机(1)具有气体发生器(4)和由所述气体发生器(4)驱动的涡轮(6)，包括：
控制单元(12)，所述控制单元(12)被构造成控制所述燃气涡轮发动机(1)的正向操作模式或反向操作模式；和
监控单元(14)，所述监控单元(14)可操作地联接到所述控制单元(12)，被构造成接收指示正向动力请求或反向动力请求的输入信号(PLA)，并使所述控制单元(12)基于所述输入信号(PLA)控制所述正向操作模式或所述反向操作模式，
其特征在于，所述监控单元(14)包括启用级(20)，所述启用级(20)被构造成基于满足安全条件的检查来启用所述正向操作模式和所述反向操作模式之间的转换。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其中，所述控制单元(12)具有第一级(15)和第二级(16)，所述第一级(15)被构造成控制所述正向操作模式，所述第二级(16)被构造成控制所述燃气涡轮发动机(1)的所述反向操作模式，并且所述监控单元(14)被构造成基于所述输入信号(PLA)启用所述第一级或所述第二级；其中，所述启用级(20)被构造成基于所述输入信号(PLA)确定在所述正向操作模式和所述反向操作模式之间转换的请求，并且只有在满足对所述安全条件的所述检查时，禁用所述第一级(15)并启用所述第二级(16)。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，其中，在所述正向操作模式和所述反向操作模式之间转换时，所述安全条件与由于惯性引起的所述气体发生器(4)的剩余动力有关。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，其中，对所述安全条件的所述检查基于所述气体发生器(4)的速度(Ng)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，其中，所述燃气涡轮发动机(1)包括联接到所述气体发生器(4)的压缩机(2)；其中，对所述安全条件的所述检查基于所述气体发生器(4)的校正的速度(Ngr)，所述校正的速度(Ngr)作为高度和所述压缩机(2)的入口处的温度的函数。
6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，其中，对所述安全条件的所述检查包括检查所述气体发生器(4)的速度是否低于给定阈值(Thr)。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，其中，所述阈值(Thr)是所述高度和所述压缩机(2)的所述入口处的所述温度的函数。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的控制系统，其特征在于，其中，对于飞行器，所述安全条件进一步包括检查所述飞行器的轮子是否在地面上。
9.一种燃气涡轮发动机(1)，其特征在于，包括根据前述权利要求中任一项所述的控制系统(10)。
10.一种燃气涡轮发动机(1)的控制方法，所述燃气涡轮发动机(1)具有气体发生器(4)和由所述气体发生器(4)驱动的涡轮(6)，所述控制方法包括：
基于指示正向动力请求或反向动力请求的输入信号(PLA)，激活正向操作模式或反向操作模式，
其特征在于，包括基于满足安全条件的检查来启用所述正向操作模式和所述反向操作模式之间的转换。
11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，其中，所述启用包括：基于所述输入信号(PLA)，确定在所述正向操作模式和所述反向操作模式之间转换的请求，以及仅在满足所述安全条件的所述检查时，禁用所述正向操作模式并启用所述反向操作模式。
12.根据权利要求10或11所述的控制方法，其特征在于，其中，在所述正向操作模式与所述反向操作模式之间转换时，所述安全条件与由于惯性引起的所述气体发生器(4)的剩余动力相关联。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的控制方法，其特征在于，其中，对所述安全条件的所述检查基于所述气体发生器(4)的所述速度(Ng)。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的控制方法，其特征在于，其中，所述燃气涡轮发动机(1)包括联接到所述气体发生器(4)的压缩机(2)；并且其中，对所述安全条件的所述检查基于所述气体发生器(4)的校正的速度(Ngr)，所述校正的速度(Ngr)作为高度和所述压缩机(2)的所述入口处的温度的函数。
15.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于，其中，对所述安全条件的所述检查包括检查所述气体发生器(4)的速度是否低于给定阈值(Thr)。
16.根据权利要求15所述的控制方法，其特征在于，其中，所述阈值(Thr)是所述高度和所述压缩机(2)的所述入口处的所述温度的函数。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的控制系统，其特征在于，其中，对于飞行器，所述安全条件进一步包括检查所述飞行器的轮子是否在地面上。
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