CN111173620B - 轴共振控制 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种主动控制引擎的旋转轴的扭转共振的方法。该轴具有旋转速度，其特征在于低频旋转速度项和叠加在该低频项上的高频振荡项，该振荡项由扭转共振引起。该方法包括：测量该轴的旋转速度；从所测量的旋转速度提取该振荡项；以及在所提取的振荡项的基础上，将扭矩分量施加到该轴，该扭矩分量以与扭转共振相同的频率进行调制以抵消扭转共振。

Description

轴共振控制
技术领域
本公开涉及用于主动控制引擎的旋转轴的扭转共振的方法和系统。
背景技术
所有气体涡轮引擎都包含一个或多个轴，其中典型的民用航空设计具有两个或三个轴。每个轴将压缩机连接到驱动涡轮，并具有多个共振频率。在设计任何气体涡轮时要考虑的是，不应存在可能危及引擎完整性的控制结构相互作用。例如，控制系统无法激励轴共振，因为这可能导致轴故障。类似地，应当避免可能引起激励共振的压缩机或涡轮扭矩波动的其他系统或引擎设计特征。
避免设计规则的困难是可能发生无法预见的相互作用并引起轴共振频率的力。如果这些足够大，或者如果阀芯系统的阻尼足够低，则可能生成足以限制轴寿命或者在极端情况下导致轴断裂的共振幅度。具体地，低压和/或中压阀芯可以在一些引擎上相对轻微地阻尼，并且这在轴对包含轴共振频率的随机扰动的响应方面可能是个问题。
发明内容
本公开至少部分地基于以下认识：轴的主动阻尼可用于解决由这种不可预见的相互作用引起的共振。
根据第一方面，提供了一种主动控制引擎的旋转轴的扭转共振的方法，该轴具有旋转速度，其特征在于低频旋转速度项和叠加在低频项上的高频振荡项，振荡项由扭转共振引起，该方法包括：
测量轴的旋转速度；
从所测量的旋转速度提取振荡项；以及
在所提取的振荡项的基础上，将扭矩分量施加到轴，扭矩分量以与扭转共振相同的频率进行调制以抵消扭转共振。
有利地，轴的这种主动阻尼可以减小或消除扭转共振，由此减少了设计出共振诱导相互作用的需要。
现在将阐述本公开的方法的可选特征部。这些可单独使用或以任何组合使用。
低频旋转速度项通常与引擎的主导时间常数一致，并且对于大型涡轮风扇引擎可以高达约1Hz。相反，高频振荡项通常可以具有10Hz至1kHz范围内的频率(例如，针对低压轴约为10-20Hz，针对中压轴约为25-750Hz，并且针对高压轴约为100-1000Hz)。
所施加的扭矩分量可以抵消扭转共振以基本上抵消共振。
引擎可以是气体涡轮引擎，例如航空或船用引擎。该轴可以是这种引擎的任何轴，但特别是低压或中压轴，因为这些轴往往是引擎的相对轻微阻尼的轴。
对旋转速度的测量应当是以高于轴的扭转共振频率的频率执行的。例如，它可以在轴的扭转共振频率的至少两倍下执行，并且优选地在轴的扭转共振频率的至少十倍下执行。
从所测量的旋转速度提取振荡项可以包括对所测量的旋转速度进行解调。
方便地，可以通过调节到引擎的燃料的流率，将抵消扭矩分量施加到轴。例如，引擎可以具有引擎燃料控制系统，该引擎燃料控制系统响应于加速需求信号和稳态燃料流量要求而生成用于引擎的燃料流量需求信号。对引擎的燃料流率的调节然后可以通过对燃料流量需求信号进行频率调制来执行。
然而，另一种选择是由电动机(诸如起动电动机或发电机)将抵消扭矩分量施加到轴。
该方法可以同时针对引擎的多个轴执行。
根据第二方面，提供了一种用于减小引擎的旋转轴的扭转共振的系统，轴具有旋转速度，其特征在于低频旋转速度项和叠加在低频项上的高频振荡项，振荡项由扭转共振引起，该系统包括：
设备，该设备用于测量所述轴的旋转速度；和
控制单元，该控制单元用于：从所测量的旋转速度提取振荡项；
并且在所提取的振荡项的基础上，发出将扭矩分量施加到轴的命令，
扭矩分量以与扭转共振相同的频率进行调制以抵消扭转共振。
现在将阐述本公开的系统的可选特征部。这些可单独使用或以任何组合使用。
所施加的扭矩分量可以抵消扭转共振以基本上抵消共振。
引擎可以是气体涡轮引擎，例如航空或船用引擎。轴可以是这种引擎的任何轴，但特别是低压或中压轴。
方便地，用于测量轴的旋转速度的设备可以包括：与轴同轴安装以随其旋转的音轮，该音轮具有周向排的可检测特征部；以及传感器，该传感器被配置为通过生成频率为轴的旋转频率的倍数的交替测量信号来检测该排可检测特征部的通过。
对旋转速度的测量应当是以高于轴的扭转共振频率的频率执行的。例如，它可以在轴的扭转共振频率的至少两倍下执行，并且优选地在轴的扭转共振频率的至少十倍下执行。从所测量的旋转速度提取振荡项可以包括在包括扭转共振频率的频率范围内对所测量的旋转速度进行过滤。
方便地，由控制单元发出的命令可以是调节到引擎的燃料的流率以将抵消扭矩分量施加到轴。在这种情况下，系统还可以包括引擎燃料控制系统，其接收并实施命令。例如，引擎燃料控制系统可以响应于加速需求信号和稳态燃料流量要求而生成用于引擎的燃料流量需求信号。命令然后可以通过对燃料流量需求信号进行频率调制来在引擎燃料控制系统中实现。
然而，另一选择是系统还包括可操作地连接到轴以向其施加扭矩的电动机，电动机接收并实现命令。电动机可以是起动电动机或发电机。
该系统可以被配置用于同时减少引擎的多个旋转轴的扭转共振，例如，通过包括多个相应设备以用于同时测量轴的旋转速度；并且包括一个或多个控制单元以用于提取相应的振荡项并发出相应的命令。
根据第三方面，提供了一种气体涡轮引擎，其具有根据第二方面的用于减小扭转共振的系统。
如本文其他地方所述，本公开可涉及气体涡轮引擎。此类气体涡轮引擎可包括引擎核心，该引擎核心包括涡轮、燃烧器、压缩机和将该涡轮连接到该压缩机的芯轴。此类气体涡轮引擎可包括位于引擎核心的上游的(具有风扇叶片的)风扇。
本公开的布置结构可以特别但并非排他地有益于经由齿轮箱驱动的风扇。因此，该气体涡轮引擎可包括齿轮箱，该齿轮箱接收来自芯轴的输入并将驱动输出至风扇，以便以比芯轴低的旋转速度来驱动风扇。至齿轮箱的输入可直接来自芯轴或者间接地来自芯轴，例如经由正齿轮轴和/或齿轮。芯轴可将涡轮和压缩机刚性地连接，使得涡轮和压缩机以相同的速度旋转(其中，风扇以更低的速度旋转)。
如本文所述和/或所要求保护的气体涡轮引擎可具有任何合适的通用架构。例如，气体涡轮引擎可具有将涡轮和压缩机连接的任何所需数量的轴，例如一个轴、两个轴或三个轴。仅以举例的方式，连接到芯轴的涡轮可以是第一涡轮，连接到芯轴的压缩机可以是第一压缩机，并且芯轴可以是第一芯轴。该引擎核心还可包括第二涡轮、第二压缩机和将第二涡轮连接到第二压缩机的第二芯轴。该第二涡轮、第二压缩机和第二芯轴可被布置成以比第一芯轴高的旋转速度旋转。
在此类布置结构中，第二压缩机可轴向定位在第一压缩机的下游。该第二压缩机可被布置成(例如直接接收，例如经由大致环形的管道)从第一压缩机接收流。
齿轮箱可被布置成由被构造成(例如在使用中)以最低旋转速度旋转的芯轴(例如上述示例中的第一芯轴)来驱动。例如，该齿轮箱可被布置成仅由被构造成(例如在使用中)以最低旋转速度旋转的芯轴(例如，在上面的示例中，仅第一芯轴，而不是第二芯轴)来驱动。另选地，该齿轮箱可被布置成由任何一个或多个轴驱动，该任何一个或多个轴例如为上述示例中的第一轴和/或第二轴。
在如本文所述和/或所要求保护的任何气体涡轮引擎中，燃烧器可被轴向设置在风扇和一个或多个压缩机的下游。例如，在提供第二压缩机的情况下，燃烧器可直接位于第二压缩机的下游(例如在其出口处)。以另一个示例的方式，在提供第二涡轮的情况下，可将燃烧器出口处的流提供至第二涡轮的入口。该燃烧器可设置在一个或多个涡轮的上游。
该压缩机或每个压缩机(例如，如上所述的第一压缩机和第二压缩机)可包括任何数量的级，例如多个级。每一级可包括一排转子叶片和一排定子叶片，该排定子叶片可为可变定子叶片(因为该排定子叶片的入射角可以是可变的)。该排转子叶片和该排定子叶片可彼此轴向偏移。
该涡轮或每个涡轮(例如，如上所述的第一涡轮和第二涡轮)可包括任何数量的级，例如多个级。每一级可包括一排转子叶片和一排定子叶片。该排转子叶片和该排定子叶片可彼此轴向偏移。
每个风扇叶片可被限定为具有径向跨度，该径向跨度从径向内部气体洗涤位置或0％跨度位置处的根部(或毂部)延伸到100％跨度位置处的尖端。该毂部处的风扇叶片的半径与尖端处的风扇叶片的半径的比率可小于(或大约为)以下中的任何一个：0.4、0.39、0.38、0.37、0.36、0.35、0.34、0.33、0.32、0.31、0.3、0.29、0.28、0.27、0.26或0.25。该毂部处的风扇叶片的半径与尖端处的风扇叶片的半径的比率可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。这些比率通常可称为毂部-尖端比率。毂部处的半径和尖端处的半径都可以在叶片的前缘(或轴向最前)部分处测量。当然，毂部-尖端比率指的是风扇叶片的气体洗涤部分，即径向地在任何平台外部的部分。
可在引擎中心线和风扇叶片的前缘处的尖端之间测量该风扇的半径。风扇直径(可能只是风扇半径的两倍)可大于(或大约为)以下中的任何一个：250cm(约100英寸)、260cm、270cm(约105英寸)、280cm(约110英寸)、290cm(约115英寸)、300cm(约120英寸)、310cm、320cm(约125英寸)、330cm(约130英寸)、340cm(约135英寸)、350cm、360cm(约140英寸)、370cm(约145英寸)、380cm(约150英寸)或390cm(约155英寸)。风扇直径可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。
风扇的旋转速度可以在使用中变化。一般来讲，对于具有较大直径的风扇，旋转速度较低。仅以非限制性示例的方式，风扇在巡航条件下的旋转速度可小于2500rpm，例如小于2300rpm。仅以另外的非限制性示例的方式，对于风扇直径在250cm至300cm(例如250cm至280cm)范围内的引擎，在巡航条件下风扇的旋转速度可在1700rpm至2500rpm的范围内，例如在1800rpm至2300rpm的范围内，例如在1900rpm至2100rpm的范围内。仅以另外的非限制性示例的方式，对于风扇直径在320cm至380cm范围内的引擎，在巡航条件下风扇的旋转速度可在1200rpm至2000rpm的范围内，例如在1300rpm至1800rpm的范围内、例如在1400rpm至1600rpm的范围内。
在使用气体涡轮引擎时，(具有相关联的风扇叶片的)风扇围绕旋转轴线旋转。该旋转导致风扇叶片的尖端以速度U尖端移动。风扇叶片13对流所做的功导致流的焓升dH。风扇尖端负载可被定义为dH/U尖端 2，其中dH是跨风扇的焓升(例如1-D平均焓升)，并且U尖端是风扇尖端的(平移)速度，例如在尖端的前缘处(可被定义为前缘处的风扇尖端半径乘以角速度)。在巡航条件下的风扇尖端负载可大于(或大约为)以下中的任何一个：0.3、0.31、0.32、0.33、0.34、0.35、0.36、0.37、0.38、0.39或0.4(本段中的所有单位为Jkg-1K-1/(ms-1)2)。风扇尖端负载可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。
根据本公开的气体涡轮引擎可具有任何期望的旁路比率，其中该旁路比率被定义为在巡航条件下穿过旁路管道的流的质量流率与穿过核心的流的质量流率的比率。在一些布置结构中，该旁路比率可大于(或大约为)以下中的任何一个：10、10.5、11、11.5、12、12.5、13、13.5、14、14.5、15、15.5、16、16.5或17。该旁路比率可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。该旁路管道可以是基本上环形的。该旁路管道可位于核心引擎的径向外侧。旁路管道的径向外表面可以由短舱和/或风扇壳体限定。
本文中描述和/或要求保护的气体涡轮引擎的总压力比可被定义为风扇上游的滞止压力与最高压力压缩机出口处的滞止压力(进入燃烧器之前)之比。以非限制性示例的方式，如本文所述和/或所要求保护的气体涡轮引擎在巡航时的总压力比可大于(或大约为)以下中的任何一个：35、40、45、50、55、60、65、70、75。总压力比可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。
引擎的比推力可被定义为引擎的净推力除以穿过引擎的总质量流量。在巡航条件下，本文中描述和/或要求保护的引擎的比推力可小于(或大约为)以下中的任何一个：110Nkg-1s、105Nkg-1s、100Nkg-1s、95Nkg-1s、90Nkg-1s、85Nkg-1s或80Nkg-1s。比推力可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。与传统的气体涡轮引擎相比，此类引擎可能特别高效。
如本文所述和/或所要求保护的气体涡轮引擎可具有任何期望的最大推力。仅以非限制性示例的方式，如本文所述和/或所要求保护的气体涡轮可以产生至少(或大约为)为以下中的任何一个的最大推力：160kN、170kN、180kN、190kN、200kN、250kN、300kN、350kN、400kN、450kN、500kN或550kN。最大推力可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。上面提到的推力可为在标准大气条件下、在海平面处、加上15℃(环境压力101.3kPa，温度30℃)、引擎静止时的最大净推力。
在使用中，高压涡轮的入口处的流的温度可能特别高。该温度，可被称为TET，可在燃烧器的出口处测量，例如紧接在可被称为喷嘴导向叶片的第一涡轮叶片的上游。在巡航时，该TET可至少为(或大约为)以下中的任何一者：1400K、1450K、1500K、1550K、1600K或1650K。巡航时的TET可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。引擎在使用时的最大TET可以是，例如，至少为(或大约为)以下中的任何一者：1700K、1750K、1800K、1850K、1900K、1950K或2000K。最大TET可在由前一句中的任意两个值界定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。可以例如在高推力条件下发生最大TET，例如在最大起飞(MTO)条件下发生最大TET。
本文中描述和/或要求保护的风扇叶片和/或风扇叶片的翼面部分可由任何合适的材料或材料组合来制造。例如，风扇叶片和/或翼面的至少一部分可至少部分地由复合材料来制造，该复合材料为例如金属基质复合材料和/或有机基质复合材料，诸如碳纤维。以另外的示例的方式，风扇叶片和/或翼面的至少一部分可以至少部分地由金属来制造，该金属为诸如基于钛的金属或铝基材料(诸如铝锂合金)或基于钢的材料。风扇叶片可包括使用不同材料制造的至少两个区域。例如，风扇叶片可具有保护性前缘，该保护性前缘可使用比叶片的其余部分更好地抵抗(例如，来自鸟类、冰或其他物料的)冲击的材料来制造。此类前缘可以例如使用钛或基于钛的合金来制造。因此，仅以举例的方式，该风扇叶片可具有碳纤维或具有带钛前缘的基于铝的主体(诸如铝锂合金)。
如本文所述和/或所要求保护的风扇可包括中央部分，风扇叶片可从该中央部分例如沿径向方向延伸。该风扇叶片可以任何期望的方式附接到中央部分。例如，每个风扇叶片可包括固定件，该固定件可与毂部(或盘状部)中的对应狭槽接合。仅以举例的方式，此类固定件可以是燕尾形式的，其可以插入和/或接合毂部/盘状部中对应的狭槽，以便将风扇叶片固定到毂部/盘状部。以另外的示例的方式，该风扇叶片可与中央部分一体地形成。此类布置结构可被称为整体叶盘或整体叶环。可使用任何合适的方法来制造此类整体叶盘或整体叶环。例如，风扇叶片的至少一部分可由块状物来加工而成，以及/或者风扇叶片的至少部分可通过焊接(诸如线性摩擦焊接)来附接到毂部/盘状部。
本文中描述和/或要求保护的气体涡轮引擎可能或可能不设有可变面积喷嘴(VAN)。此类可变面积喷嘴可允许旁路管道的出口面积在使用中变化。本公开的一般原理可应用于具有或不具有VAN的引擎。
如本文所述和/或要求保护的气体涡轮的风扇可具有任何期望数量的风扇叶片，例如16、18、20或22个风扇叶片。
如本文所用，巡航条件可指气体涡轮引擎所附接的飞行器的巡航条件。此类巡航条件通常可被定义为巡航中期的条件，例如飞行器和/或引擎在爬升顶点和下降起点之间的中点(就时间和/或距离而言)处所经历的条件。
仅以举例的方式，巡航条件下的前进速度可为从0.7马赫至0.9马赫的范围内的任何点，例如0.75至0.85、例如0.76至0.84、例如0.77至0.83、例如0.78至0.82、例如0.79至0.81、例如大约0.8马赫、大约0.85马赫或0.8至0.85。这些范围内的任何单一速度可以是巡航条件。对于某些飞行器，巡航条件可能超出这些范围，例如低于0.7马赫或高于0.9马赫。
仅以举例的方式，巡航条件可对应于在以下范围内的高度处的标准大气条件：10000m至15000m，例如在10000m至12000m的范围内，例如在10400m至11600m(约38000英尺)的范围内，例如在10500m至11500m的范围内，例如在10600m至11400m的范围内，例如在10700m(约35000英尺)至11300m的范围内，例如在10800m至11200m的范围内，例如在10900m至11100m的范围内，例如大约11000m。巡航条件可对应于这些范围内的任何给定高度处的标准大气条件。
仅以举例的方式，巡航条件可对应于：前进马赫数为0.8；压力23000Pa；以及温度为-55℃。
如本文中任何地方所用，“巡航”或“巡航条件”可指空气动力学设计点。此类空气动力学设计点(或ADP)可对应于风扇被设计用于操作的条件(包括例如马赫数、环境条件和推力要求中的一者或多者)。例如，这可能指风扇(或气体涡轮引擎)被设计成具有最佳效率的条件。
在使用中，本文中描述和/或要求保护的气体涡轮引擎可在本文别处定义的巡航条件下操作。此类巡航条件可通过飞行器的巡航条件(例如，巡航中期条件)来确定，至少一个(例如2个或4个)气体涡轮引擎可以安装在该飞行器上以提供推进推力。
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或参数可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或参数可应用于任何方面以及/或者与本文中描述的任何其他特征或参数组合。
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是气体涡轮引擎的上游部分的特写截面侧视图；
图3是用于气体涡轮引擎的齿轮箱的局部剖视图；
图4示意性地示出了引擎燃料控制系统；
图5示意性地示出了用于主动轴阻尼的经修改的引擎燃料控制系统；
图6示意性地在顶部示出了音轮和传感器，并且在底部示出了由传感器生成的交替测量信号和信号的软件数据平均；并且
图7示出了与图2类似、但是替代性气体涡轮引擎的视图。
具体实施方式
图1示出了具有主旋转轴线9的气体涡轮引擎10。引擎10包括进气口12和推进式风扇23，该推进式风扇产生两股气流：核心气流A和旁路气流B。气体涡轮引擎10包括接收核心气流A的核心11。引擎核心11以轴流式串联包括低压压缩机14、高压压缩机15、燃烧设备16、高压涡轮17、低压涡轮19和核心排气喷嘴20。短舱21围绕气体涡轮引擎10并限定旁路管道22和旁路排气喷嘴18。旁路气流B流过旁路管道22。风扇23经由轴26和周转齿轮箱30附接到低压涡轮19并由该低压涡轮驱动。
在使用中，核心气流A由低压压缩机14加速和压缩，并被引导至高压压缩机15中以进行进一步的压缩。从高压压缩机15排出的压缩空气被引导至燃烧设备16中，在该燃烧设备中压缩空气与燃料混合，并且混合物被燃烧。然后，所得的热燃烧产物在通过喷嘴20排出之前通过高压涡轮和低压涡轮17、19膨胀，从而驱动高压涡轮和低压涡轮17、19以提供一些推进推力。高压涡轮17通过合适的互连轴27来驱动高压压缩机15。风扇23通常提供大部分推进推力。周转齿轮箱30是减速齿轮箱。
图2中示出了齿轮传动风扇气体涡轮引擎10的示例性布置结构。低压涡轮19(参见图1)驱动轴26，该轴26联接到周转齿轮布置结构30的太阳轮或太阳齿轮28。在太阳齿轮28的径向向外处并与该太阳齿轮相互啮合的是多个行星齿轮32，该多个行星齿轮通过行星架34联接在一起。行星架34约束行星齿轮32以同步地围绕太阳齿轮28进动，同时使每个行星齿轮32绕其自身轴线旋转。行星架34经由连杆36联接到风扇23，以便驱动该风扇围绕引擎轴线9旋转。在行星齿轮32的径向向外处并与该行星齿轮相互啮合的是齿圈或环形齿轮38，其经由连杆40联接到固定支撑结构24。
需注意，本文中使用的术语“低压涡轮”和“低压压缩机”可分别表示最低压力涡轮级和最低压力压缩机级(即，不包括风扇23)，和/或通过在引擎中具有最低旋转速度的互连轴26(即，不包括驱动风扇23的齿轮箱输出轴)连接在一起的涡轮级和压缩机级。在一些文献中，本文中提到的“低压涡轮”和“低压压缩机”可被另选地称为“中压涡轮”和“中压压缩机”。在使用此类另选命名的情况下，风扇23可被称为第一或最低压力的压缩级。
在图3中以举例的方式更详细地示出了周转齿轮箱30。太阳齿轮28、行星齿轮32和环形齿轮38中的每一者包括围绕其周边以用于与其他齿轮相互啮合的齿。然而，为清楚起见，图3中仅示出了齿的示例性部分。示出了四个行星齿轮32，但是对本领域的技术人员显而易见的是，可以在要求保护的发明的范围内提供更多或更少的行星齿轮32。行星式周转齿轮箱30的实际应用通常包括至少三个行星齿轮32。
在图2和图3中以举例的方式示出的周转齿轮箱30是行星式的，其中行星架34经由连杆36联接到输出轴，其中齿圈38被固定。然而，可使用任何其他合适类型的周转齿轮箱30。以另一个示例的方式，周转齿轮箱30可以是星形布置结构，其中行星架34保持固定，允许环形齿轮(或齿圈)38旋转。在此类布置结构中，风扇23由环形齿轮38驱动。以另一个另选示例的方式，齿轮箱30可以是差速齿轮箱，其中环形齿轮38和行星架34均被允许旋转。
应当理解，图2和图3中所示的布置结构仅是示例性的，并且各种另选方案都在本公开的范围内。仅以举例的方式，可使用任何合适的布置结构来将齿轮箱30定位在引擎10中和/或用于将齿轮箱30连接到引擎10。以另一个示例的方式，齿轮箱30与引擎10的其他部件(诸如输入轴26、输出轴和固定结构24)之间的连接件(诸如图2示例中的连杆36、40)可具有任何期望程度的刚度或柔性。以另一个示例的方式，可使用引擎的旋转部件和固定部件之间(例如，在来自齿轮箱的输入轴和输出轴与固定结构诸如齿轮箱壳体之间)的轴承的任何合适的布置结构，并且本公开不限于图2的示例性布置结构。例如，在齿轮箱30具有星形布置结构(如上所述)的情况下，技术人员将容易理解，输出连杆和支撑连杆以及轴承位置的布置结构通常不同于图2中以举例的方式示出的布置结构。
因此，本公开延伸到具有齿轮箱类型(例如星形或行星齿轮)、支撑结构、输入和输出轴布置结构以及轴承位置中的任何布置结构的气体涡轮引擎。
可选地，齿轮箱可驱动附加的和/或另选的部件(例如，中压压缩机和/或增压压缩机)。
本公开可应用的其他气体涡轮引擎可具有另选配置。例如，此类引擎可具有另选数量的压缩机和/或涡轮和/或另选数量的互连轴。以另外示例的方式，图1中所示的气体涡轮引擎具有分流喷嘴20、22，这意味着穿过旁路管道22的流具有自己的喷嘴，该喷嘴与核心引擎喷嘴20分开，并径向地在该核心引擎喷嘴的外部。然而，这不是限制性的，并且本公开的任何方面也可应用于如下引擎，在该引擎中，穿过旁路管道22的流和穿过核心11的流在可被称为混流喷嘴的单个喷嘴之前(或上游)混合或组合。一个或两个喷嘴(无论是混合的还是分流的)可具有固定的或可变的面积。虽然所描述的示例涉及涡轮风扇引擎，但是本公开可应用于例如任何类型的气体涡轮引擎，诸如开放式转子(其中风扇级未被短舱围绕)或例如涡轮螺旋桨引擎。在一些布置结构中，气体涡轮引擎10可不包括齿轮箱30。
气体涡轮引擎10的几何形状及其部件由传统的轴系限定，包括轴向(与旋转轴线9对准)、径向(在图1中从下到上的方向)和周向(垂直于图1视图中的页面)。轴向、径向和周向相互垂直。
已知使用由电子引擎控制器(EEC)实现的控制系统来控制气体涡轮引擎的推力，使用轴速、引擎压力比(EPR)或涡轮功率比(TPR)间接测量引擎的推力。EEC还控制(i)在安全操作限制内的轴速，以及(ii)引擎不同部位处的温度和压力以避免不期望的状况(诸如喘振或失速)并确保引擎的完整性。现代飞机的环境考虑以及不断增长的动力需求要求坚固且针对飞机操作状况进行优化的控制系统。具体地，电子闭环燃料控制系统具有集成作用，其有助于确保引擎的精确控制，同时满足飞行员对推力的要求并符合安全限制。
例如，引擎10可具有基于Rolls-Royce逆模型或RIMM的引擎燃料控制系统，其在US8321104(通过引用并入本文)中讨论。在图4中示意性地示出的控制系统将高压轴NH的转速与燃料流量要求Wf相关联。更详细地，它在加法器节点41处从修整的总燃料流量需求信号Wfd的反馈中减去稳态燃料流量要求的估计值。该差值在42处乘以引擎转速随燃料增量的估计变化速率NHdot/ΔWf以提供引擎加速度NHdot的估计值，并且然后在框43处对其进行积分以提供NH的估计值。RRIM的动态经由第一引擎模型块44和第二引擎模型块45的非线性模块内的数据或嵌入在反馈回路内的模块调谐到引擎的要求，以便分别从NH的估计值中产生/>和ΔWf/NHdot值，/>是稳态燃料流量要求，并且ΔWf是过度加燃料要求。系统考虑到例如飞行员的引擎转速需求杆和加速度限制器回路比较器以生成加速需求信号NHddot，其在乘法器46处与ΔWf/NHdot值组合以提供发送到加法器节点47的过度加燃料要求ΔWf，以用于与/>值组合以生成最小燃料流量要求Wf。然后将其供应给逻辑块48以与燃料调度/限制回路进行比较(例如提供最大燃料流量信号)以产生修整的总燃料流量需求信号Wfd用于控制燃料系统的操作，该燃料系统继而调节到引擎的燃料流量。
有利地，可以修改这种系统以提供引擎的轴26、27中的任一个的主动阻尼。具体地，引擎燃料控制系统的反馈回路通常在约25ms处运行并且迎合由涡轮扭矩控制的一阶动态特性，从而驱动总阀芯惯性。然而，包括轴共振的高阶动力学的代表性模型可以由二阶传递函数表示，诸如：
或以差分形式为：
或者：
其中τ是轴上的扭矩，θ是轴卷起或扭曲，ω＝dθ/dt是轴的旋转参考系中的扭曲变化率(即ω是轴的扭转振荡)，A是DC增益，ζ是阻尼因子，并且ω0是无阻尼共振频率。
由图4的控制系统产生的修整的总燃料流量需求信号Wfd产生了轴上的标称扭矩τ标称。为了主动抵消或消除扭转共振，τ标称可以通过施加到轴上的扭矩分量来补充，该扭矩分量以与扭转振荡ω相同的频率、但与其相反进行调制。因此，轴上的总扭矩τ＝τ标称-αω，其中α是比例常数。
图5中示出了可以提供这种主动阻尼的经修改的引擎燃料控制系统。在经修改的系统中，另一个加法器节点49将来自逻辑块48的总燃料流量需求信号Wfd调整与-αω成比例的量。值得注意的是，尽管燃料控制系统使用高压轴NH的测量值来确定Wfd，但调整的流量需求信号可以用于主动地阻尼高压轴27或低压轴26。实际上，通过为加法器节点49提供每个轴的相应-αω，可以同时主动地阻尼两个轴。尽管高压涡轮17介于燃烧设备16和低压涡轮19之间，但以这种方式可以衰减低压轴26是有可能的，因为引擎涡轮端中的气体动力学在比轴动力学短得多的时间标度上操作。此外，因为轴共振频率通常被很好地分离，所以用于主动地阻尼一个轴的燃料流量需求信号调制将导致另一个轴的共振的可能性很小。
为了与-αω成比例地执行Wfd的频率调制，要求引擎燃料控制系统可能以比控制系统反馈回路的25ms运行时间高得多的速率测量扭转振荡ω。使用感兴趣轴上的音轮可以实现约5ms的合适测量速率。任何这样的音轮通常将朝向轴的前端安装，即邻近其压缩机安装，并且距离轴的中点一定距离，扭转振荡通常围绕该中间点居中。这将音轮置于扭转振荡具有相对高振幅的位置，并且因此增加了使用轮进行的测量的灵敏度。
常规上，音轮和相关联的传感器用于测量轴速。例如，图6在顶部示意性地示出了音轮51，该音轮与轴同轴安装以随其旋转。音轮具有周向排的齿和可变磁阻传感器52，其通过生成交替测量信号来检测该排齿的通过。当音轮的每个齿靠近传感器的极片的正面时，围绕极片缠绕的导线所经历的磁通量发生变化，这是由于磁路的磁阻的变化，该磁路由极片、音轮和两者之间的气隙组成。
对于轴速测量，软件确定测量信号的定时脉冲(齿通过事件)的滚动平均值(基于例如10到20个样本)，并且这些平均值用于连续地计算和更新旋转速度。具体地，软件通常包括过零检测器，其使用几MHz的时钟速率进行采样以确定过零点之间的定时。然后将其用于计算音轮51的旋转速度。然而，软件还可以在合适的频率(例如20kHz至20MHz)下使用快速A/D转换器来直接采样由音轮产生的正弦波形。
使用本领域技术人员已知的各种频率解调技术中的任一种(例如，使用希尔伯特变换)，然后可以恢复由于轴的扭转振荡ω而引起的与音轮振动相关的谐波含量。
当轴振荡时由音轮传感器52生成的真实轴速信号由下式给出：
N＝Asin(Ωt+B sin(ω0t))
其中Ω是轴旋转速度。这是频率调制信号，并且因此可以使用锁相环路、正交检测和本领域技术人员已知的技术对其进行解调。这可以通过部署现场可编程门阵列或数字信号处理器在EEC中实现，以恢复信号ω＝Bsin(ω0t)，以便在引擎燃料控制系统中使用。
代替音轮，可以使用例如光学编码器来测量扭转振荡ω。这种设备可以提供相对于音轮的改善的信噪比。
上面讨论的主动阻尼方法不依赖于设计出可能引起轴共振的所有可能的相互作用。因此它更具适应性。它还使得能够减少轴响应，由此增加轴使用寿命。
尽管上面关于航空气体涡轮引擎进行了描述，但是可以使用该方法，例如用于主动阻尼联接到推进器的船用引擎的轴，或者用于主动阻尼用于发电的引擎的动力输出轴。
除了调节燃料供应之外，还可以将主动阻尼施加到轴。例如，引擎可以具有电动机53，诸如起动电动机或发电机(诸如图7中所示的那种)，其可以用于将扭矩分量-αω直接施加到轴。
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，否则任何特征可以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 (13)

1.一种主动控制引擎(10)的旋转轴(26,27)的扭转共振的方法，所述轴(26,27)具有旋转速度，其特征在于低频旋转速度项和叠加在低频项上的高频振荡项，所述振荡项由扭转共振引起，所述方法包括：
测量所述轴(26,27)的旋转速度；
从所测量的旋转速度提取所述振荡项；以及
在所提取的振荡项的基础上，将扭矩分量施加到所述轴(26,27)，所述扭矩分量以与所述扭转共振相同的频率进行调制以抵消所述扭转共振。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
对所述旋转速度的测量是以高于所述轴的扭转共振频率的频率执行的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中从所测量的旋转速度提取所述振荡项包括对所测量的旋转速度进行解调。
4.根据权利要求1所述的方法，其中通过调制到所述引擎(10)的燃料的流率，将抵消扭矩分量施加到所述轴(26,27)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中：
所述引擎(10)具有引擎燃料控制系统，所述引擎燃料控制系统响应于加速需求信号和稳态燃料流量要求而生成用于所述引擎(10)的燃料流量需求信号；并且
对所述引擎(10)的燃料的流率的调制是通过对所述燃料流量需求信号进行频率调制来执行的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中抵消扭矩分量由电动机施加到所述轴(26,27)。
7.一种用于减小引擎(10)的旋转轴(26,27)的扭转共振的系统，所述轴(26,27)具有旋转速度，其特征在于低频旋转速度项和叠加在低频项上的高频振荡项，所述振荡项由扭转共振引起，所述系统包括：
设备，所述设备用于测量所述轴(26,27)的旋转速度；和
控制单元，所述控制单元用于从所测量的旋转速度提取所述振荡项；并且在所提取的振荡项的基础上，发出将扭矩分量施加到所述轴(26,27)的命令，所述扭矩分量以与所述扭转共振相同的频率进行调制以抵消所述扭转共振。
8.根据权利要求7所述的系统，其中用于测量所述轴(26,27)的旋转速度的所述设备包括：
音轮，所述音轮与所述轴(26,27)同轴安装以随所述轴旋转，所述音轮具有周向排的可检测特征部；和
传感器(52)，所述传感器被配置为通过生成频率为所述轴(26,27)的旋转频率的倍数的交替测量信号来检测所述排的可检测特征部的通过。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其中：
由所述设备对所述旋转速度的测量是以高于所述轴(26,27)的扭转共振频率的频率执行的；并且
由所述控制单元从所测量的旋转速度提取所述振荡项包括在包括所述扭转共振频率的频率范围内对所测量的旋转速度进行过滤。
10.根据权利要求7所述的系统，其中：
由所述控制单元发出的所述命令是调制到所述引擎(10)的燃料的流率以将抵消扭矩分量施加到所述轴(26,27)；并且
所述系统还包括接收并实施所述命令的引擎燃料控制系统(FADEC)。
11.根据权利要求10所述的系统，其中：
所述引擎燃料控制系统(FADEC)响应于加速需求信号和稳态燃料流量要求而生成用于所述引擎的燃料流量需求信号；并且
所述命令是通过对所述燃料流量需求信号进行频率调制来在所述引擎燃料控制系统(FADEC)中实施的。
12.根据权利要求7所述的系统，还包括可操作地连接到所述轴以向所述轴施加扭矩的电动机，所述电动机接收并实施所述命令。
13.一种气体涡轮引擎(10)，具有根据权利要求7所述的用于减小扭转共振的系统。
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