CN110529423A - 气体涡轮引擎压缩机控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开题为“气体涡轮引擎压缩机控制方法”。公开了一种操作气体涡轮引擎压缩机（14）的方法。该引擎包括：具有环境控制系统引气口（29）的压缩机（14,15），该环境控制系统引气口具有与飞行器环境控制系统空气导管（28）流体连通的出口；以及被构造成使该气体涡轮引擎（10）的压缩机轴（14,15）旋转的空气涡轮起动机（30）。该空气涡轮起动机（30）具有经由空气涡轮阀（34）与该环境控制系统空气导管（28）流体连通的入口。该方法包括确定该压缩机（14,15）的喘振裕度，并且在确定该压缩机（14,15）的喘振裕度低于预定最小喘振裕度的情况下，打开该空气涡轮阀（34）以将空气供应给该空气涡轮（30）。

Description

气体涡轮引擎压缩机控制方法

技术领域

本公开涉及控制气体涡轮引擎的压缩机的方法、气体涡轮引擎的压缩机系统和包括该压缩机系统的气体涡轮引擎。

背景技术

气体涡轮引擎至少包括流式串联的压缩机、燃烧器和涡轮。互连轴连接该压缩机和该涡轮，使得每个涡轮驱动相应的压缩机。

对这些部件的控制是确保可靠和安全操作所必需的。具体地讲，必须控制压缩机以避免失速或喘振。失速和喘振是压缩机内气流的局部破坏。通过对燃料流的谨慎管理，并且还通过压缩机的可变几何特征诸如可变定子叶片和压缩机处理引气件，可以防止失速。

压缩机处理引气件包括压缩机的侧面中的口，该口使高压空气能够从燃烧器上游的压缩机级排出。然后将排出的空气向外倾注到旁路流中，并且不再使用。可以根据控制调度来打开和关闭引气件。当打开引气件时，压缩机级下游的压力降低，从而减少了失速的可能性。

然而，由于压缩空气所做的功被浪费掉，因此从压缩机引出压缩机空气相对低效。因此，处理引气件的任何操作都是不可取的。

飞行器气体涡轮引擎通常还包括环境控制系统(ECS)引气件（也称为“客户引气件”），该引气件从压缩机供应高压空气用于飞行器气动系统和舱室空气。这些ECS引气件根据单独的调度分别对处理引气件起作用。

发明内容

本公开寻求提供一种操作方法和一种控制系统，该控制系统可以为具有处理引气阀的压缩机提供更有效的操作。

根据第一方面，提供了一种操作气体涡轮引擎压缩机的方法，该引擎包括：

压缩机，该压缩机具有环境控制系统引气口，该环境控制系统引气口具有与飞行器环境控制系统空气导管流体连通的出口；

和空气涡轮起动机，该空气涡轮起动机被构造成使气体涡轮引擎的压缩机轴旋转，该空气涡轮起动机具有经由空气涡轮阀与环境控制系统空气导管流体连通的入口，其中该方法包括：

确定压缩机的喘振裕度；以及

在确定压缩机的喘振裕度低于预定最小喘振裕度的情况下，打开空气涡轮阀以将空气供应给空气涡轮。

有利的是，通过在压缩机接近失速或喘振的情况下将空气从环境控制系统引气口提供给空气起动机，使用引气来将额外的动力提供给为压缩机提供动力的轴。鉴于这种额外的轴动力，轴负荷被减轻，并且压缩机被移动进一步远离喘振。因此，可以引出较少量的空气用于相同的失速裕度增加，从而提高压缩机效率。此外，即使在环境控制系统不工作的情况下（诸如，在发生ECS包故障或其他关闭的情况下），也可以保证引气流穿过环境控制系统引气件。因此，可以在处理引气件和/或可变定子叶片(VSV)调度中考虑ECS引气流，从而允许调度不那么保守并且压缩机效率更高。

该方法可包括确定与环境控制系统空气导管连通的环境控制系统空调系统是否在运作，如果不运作，并且确定压缩机的喘振裕度低于预定最小喘振裕度，则打开空气涡轮阀以将空气供应给空气涡轮。

该喘振裕度可以是当前的测量喘振裕度或预测的未来喘振裕度。

气体涡轮引擎可包括经由低压轴联接到低压涡轮的低压压缩机和经由高压轴联接到高压涡轮的高压压缩机。在环境控制系统引气口被设置成与低压压缩机连通的情况下，该空气起动机可被构造成驱动低压轴。另选地，在提供环境控制系统引气口使其与高压压缩机连通的情况下，该空气起动机可被构造成驱动高压轴。

该气体涡轮引擎还可包括被构造成从压缩机的压缩机级排出空气的处理引气件。该方法可包括在确定环境控制系统引气口的质量流量能力不足以将压缩机喘振裕度保持在预定最小喘振裕度以上的情况下打开处理引气件。

该空气起动机可经由附件齿轮箱联接到压缩机轴。

根据第二方面，提供了一种气体涡轮引擎，其包括被构造成根据第一方面的方法来操作的控制器。

本领域的技术人员将理解，除非相互排斥，否则关于任何一个上述方面描述的特征如作适当变动，可以应用于任何其他方面。此外，除非相互排斥，否则本文中描述的任何特征可以应用于任何方面以及/或者与本文中描述的任何其他特征组合。

附图说明

现在将参考附图仅以举例的方式来描述实施方案，其中：

图1是气体涡轮引擎的截面侧视图；

图2是例示图1的气体涡轮引擎的压缩机管理系统的示意图；

图3是例示图2的压缩机管理系统的第一操作模式的流程图；并且

图4是例示图2的压缩机管理系统的第二操作模式的流程图。

具体实施方式

参考图1，气体涡轮引擎通常用10表示，具有主要旋转轴线11。引擎10以轴流式串联方式包括进气口12、推进式风扇13、中压压缩机14、高压压缩机15、燃烧设备16、高压涡轮17、中压涡轮18、低压涡轮19和排气喷嘴20。短舱21通常围绕引擎10并限定进气口12。

气体涡轮引擎10以常规方式工作，使得进入进气口12的空气被风扇13加速以产生两股气流：进入压缩机14的第一气流和通过旁路管道21以提供推进推力的第二气流。中压压缩机14压缩被引导进入其中的气流，然后将该空气输送至高压压缩机15以进一步压缩，再然后将该空气输送至燃烧设备16。

在燃烧设备16中，气流与燃料混合并且混合物燃烧。然后，所得的热燃烧产物膨胀通过高压涡轮17、中压涡轮18和低压涡轮19，从而驱动这些涡轮，然后通过喷嘴20排出，以提供额外的推进推力。高压涡轮17、中压涡轮18和低压涡轮19各自通过合适的互连轴22、23、24分别驱动高压压缩机15、中压压缩机14和风扇13。

本公开可应用的其他气体涡轮引擎可具有另选配置。以举例的方式，此类引擎可具有另选数量的互连轴（例如，三个）和/或另选数量的压缩机和/或涡轮。另外，该引擎可包括设置在从涡轮到压缩机和/或风扇的驱动系中的齿轮箱。

高压压缩机15和中压压缩机14中的每一者均是可变几何类型，具有处理引气件25、26。中压压缩机14还包括可变导向叶片27。

引擎10还形成飞行器环境控制系统(ECS)的一部分，如图2示意性所示。环境控制系统包括ECS导管28，该导管与空气循环机器空调单元35流体连通，并被构造成向飞行器舱室提供加压的冷却空气。导管28供应有来自气体涡轮引擎10的压缩机的空气。在这种情况下，ECS导管28的空气可由至少高压压缩机15经由包括阀29的高压ECS引气口供应。应当理解，在一些情况下，可提供额外的ECS引气阀。例如，在所述实施方案中，提供了任选的中压ECS引气阀42，其经由歧管与中压压缩机14和ECS导管28流体连通。阀29、42可被操作以从高压压缩机15和中压压缩机14中的任一者或两者向ECS导管28供应空气。

ECS还包括空气起动机涡轮30。该空气起动机涡轮30是常规的轴向或径向涡轮类型，并被构造成从高压空气源接收高压输入空气并向输出轴31提供扭矩。来自起动机30的空气通过出口38向外排出，通常返回到排气导管中。

该空气起动机涡轮被构造成接收来自两个输入件中的一个输入件的高压空气。第一输入件由辅助动力单元气动管线32提供。穿过该气动管线的空气是由辅助动力单元(APU) 36压缩机或飞行器的其他引擎10中的一者提供的。APU 36通常是独立的气体涡轮引擎，其用于在主气体涡轮引擎10不工作的情况下提供气动动力、液压动力和电动动力。通过APU气动管线32的气流由设置在空气起动机涡轮30的上游的第一入口阀33控制。在第一入口阀33处于打开位置的情况下，来自APU 36的空气可由APU提供以转动起动机30，并且当该第一入口阀处于关闭位置时，阻止空气在APU和起动机30之间流动。

空气起动机涡轮30的第二输入件由ACS导管28提供。因此，从辅助动力单元气动管线32或ECS导管28提供空气给空气起动机涡轮。

起动机30继而经由起动机输出轴31机械地联接到辅助齿轮箱37。辅助齿轮箱37提供动力给引擎附件39a-d。典型的附件包括引擎燃料泵和油泵以及发电机。齿轮箱37由两个输入机械动力源中的一个动力源驱动，这取决于引擎运行状态。第一动力输入源包括可经由离合器（未示出）联接的起动机输出轴31。第二动力输入源包括引擎附件排出轴40。排出轴40机械地联接到高压引擎轴22。因此，起动机涡轮28气动地联接到高压压缩机15并机械地联接到高压轴22。由于高压轴机械地联接到高压压缩机15，因此应当理解，空气起动机涡轮30的操作将影响高压压缩机15的压力和高压压缩机15的速度（经由高压轴22）。换句话讲，空气起动机30机械地联接到主引擎轴并气动地联接到机械地联接到同一主引擎轴的压缩机。

在另一个示例中，空气起动机可（另选地或除此之外）气动地并机械地联接到中压压力轴。在任何一种情况下，提供高压空气给空气起动机的轴以及由空气起动机机械地驱动的轴是同一个轴。

穿过起动机30的气流经由空气起动机阀34控制，该空气起动机阀是可控的，以从导管28或32中的一者或两者提供通过空气起动机的空气。阀34在打开位置和关闭位置之间是可控的；在打开位置，空气流动至空气起动机34；在关闭位置，空气不流动。阀34可定位到中间位置，在此位置，或多或少的空气可流动。

提供了控制器41，该控制器被构造成根据多种操作模式中的一种来控制阀29、33、34，以确保引擎10在使用中的有效操作。

图3示出了例示系统如何在启动模式下操作的方法流程图。在启动模式中，命令第一入口阀33打开以将空气从APU 36提供给空气涡轮起动机30。还命令起动机涡轮阀34打开以允许空气流动到起动机30。因此，起动机涡轮30旋转，继而经由输出轴31使附件齿轮箱37旋转。这继而使得排出轴40旋转，又使高压轴22和高压压缩机15旋转，以提供压缩空气启动引擎10。监测引擎速度，一旦该速度达到要求的速率，控制器就会将系统切换到运行模式。

图4示出了例示一旦启动引擎10系统如何在运行模式下操作的方法流程图。通常，在运行模式中，关闭第一入口阀33以阻止空气逸出APU 26。ECS阀29、42中的至少一者通常打开，并且空气起动机阀34关闭，使得来自高压压缩机15的引气被提供给ECS空调单元35。空气涡轮起动机30通常与附件齿轮箱37分离，并且齿轮箱37由从高压主引擎轴22提供的机械动力通过排出轴40提供动力。在一些情况下，ECS阀29可根据不需要气流的ECS引气调度关闭。另选地，ECS引气流可由中压口提供。

当处于运行模式时，系统确定环境控制系统是否可操作。这种确定可基于可由飞行员控制的设置诸如开关进行，或者可包括传感器以检测ECS故障。在ECS可操作的情况下，根据ECS引气阀调度来操作引气阀29、42。一般来讲，引气阀调度将操作能够提供必要的舱室气流要求的最低压力阀。例如，在低压缩机压力下，将打开阀42并且关闭阀29，而在较高压缩机压力下，将打开阀29并且关闭阀42。

一般来讲，飞行器包括至少两个引擎，其中每个引擎与相应的空调单元35相关联。然而，在许多情况下，可关闭引擎10的空调单元35。在这种情况下，将通过阀（未示出）或其他方式防止气流通过空调单元。这有几个可能的原因。首先，可通过单个空调单元提供足够的气流、压力和温度，因此飞行员或控制系统可选择关闭一个单元来节省燃料。另选地，空调单元中的一个空调单元可能发生故障，这将再次需要关闭。由于引擎一般会在这种情况下继续运行，因此该引擎必须能够保持足够的喘振裕度，而与该引擎提供的空调单元是否在运作无关。因此，在设计引擎（并且设置预定的处理引气件和VSV调度）时，设计者不能考虑由空调单元提供的额外引气流（以及因此增加的喘振裕度）。因此，必须采用更保守的压缩机调度，从而导致压缩机比率低，因此增加燃料燃烧。

本公开寻求克服这种限制。通过在空调单元关闭的情况下为气流（经由起动机涡轮）提供另选的路线，可在处理调度中考虑正常操作中穿过ECS引气阀14、15的气流，因此可接受较小的压缩机裕度，从而提高效率。此外，由于气流通过空气涡轮起动机并返回到压缩机轴，因此不会浪费这种额外的引气流。

因此，在系统确定环境控制系统不可操作的情况下，系统利用传感器来确定高压压缩机15的喘振裕度。可采用各种方法来确定压缩机喘振裕度。在一个示例中，可测量轴速度，并根据该测量结果来计算喘振裕度。另选地或除此之外，可采取其他测量，诸如压缩机压力比率。

如果确定高压压缩机15的喘振裕度在正常操作限值内（即超过预定最小值），则关闭ECS引气阀29、42。

另一方面，在确定高压压缩机15的喘振裕度低于预定最小值的情况下，根据ECS引气阀调度再次操作ECS引气阀29、42。然而，由于空气不能流入空调单元35，因此必须提供另一个流动路径。

因此，打开空气起动机阀34，并且还关闭空气起动机30的离合器，使得空气起动机现在由来自ECS引气阀29、42中的一个ECS引气阀的空气提供动力并机械地联接到高压轴22。因此，使空气起动机30旋转，这减轻了线轴上的一些扭矩。鉴于高压压缩机15的速度相对于未操作空气起动机的情况会增加，高压压缩机15被移动进一步远离喘振，但仍然增加喘振裕度。

因此，鉴于来自引气的能量回收以及所得的机械动力排出降低，可以从压缩机15中引出更少量的空气用于给定的喘振裕度增加。因此，在瞬态操作期间提高了效率。本发明的其他优点也得以实现。由于在低引擎速度下经常遇到低喘振裕度，因此在进近机场的过程中，处理引气件经常处于操作状态。处理引气件会产生非常高的噪音水平，因此在进近过程中会产生相当大比例的飞行器噪音。通过减少瞬态操作期间的引气流，并在排气之前为穿过涡轮的引气流规定路线，可以减少引气流的质量流量和速度，从而显著降低噪音。还可实现显著的重量减轻，因为可以减小或完全省去处理引气阀26的尺寸。

应当理解，本发明不限于上述实施方案，并且在不脱离本文中描述的概念的情况下可进行各种修改和改进。除非相互排斥，否则任何特征可单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本公开扩展到并包括本文中描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

Claims (10)

1. 一种操作气体涡轮引擎压缩机（14）的方法，所述引擎包括：

压缩机（14, 15），所述压缩机（14, 15）具有环境控制系统引气口（29, 42），所述环境控制系统引气口具有与飞行器环境控制系统空气导管（28）流体连通的出口；和

空气涡轮起动机（30），所述空气涡轮起动机（30）被构造成使所述气体涡轮引擎（10）的压缩机轴（14, 15）旋转，所述空气涡轮起动机（30）具有经由空气涡轮阀（34）与所述环境控制系统空气导管（28）流体连通的入口，其中所述方法包括：

确定所述压缩机（14, 15）的喘振裕度；以及

在确定所述压缩机（14, 15）的所述喘振裕度低于预定最小喘振裕度的情况下，打开所述空气涡轮阀（34）以将空气供应给空气涡轮（30）。

2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括确定与所述环境控制系统空气导管（28）连通的环境控制系统空调系统（35）是否在运作，如果不运作，并且确定所述压缩机（14, 15）的所述喘振裕度低于所述预定最小喘振裕度，则打开所述空气涡轮阀（34）以将空气供应给所述空气涡轮（30）。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述喘振裕度是当前的测量喘振裕度和预测的喘振裕度中的一者。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体涡轮引擎（10）包括经由低压轴（24）联接到低压涡轮（19）的低压压缩机（14）和经由高压轴（17）联接到高压涡轮（18）的高压压缩机（15）。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述环境控制系统引气口（42）被设置为与所述低压压缩机（14）连通，并且所述空气起动机（30）被构造成驱动所述低压轴（24）。

6.根据权利要求4所述的方法，其中所述环境控制系统引气口（29）被设置为与所述高压压缩机（15）连通，并且所述空气起动机（30）被构造成驱动所述高压轴（23）。

7. 根据权利要求1所述的方法，其中所述气体涡轮引擎还包括被构造成从所述压缩机（14, 15）的压缩机级排出空气的处理引气件（25, 26）。

8. 根据权利要求6所述的方法，其中所述方法包括在确定所述环境控制系统引气口（29, 42）的质量流量能力不足以将所述压缩机喘振裕度（14, 15）保持在所述预定最小喘振裕度以上的情况下打开所述处理引气件（25, 26）。

9. 根据权利要求1所述的方法，其中所述空气起动机（30）经由附件齿轮箱（37）联接到所述压缩机轴（23, 24）。

10.一种气体涡轮引擎，所述气体涡轮引擎包括被构造成根据前述权利要求中任一项所述的方法来操作的控制器（41）。