CN111255572B - 用于控制气体涡轮引擎的启动或重新点火过程的至少一部分的方法和装置 - Google Patents

用于控制气体涡轮引擎的启动或重新点火过程的至少一部分的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于控制气体涡轮引擎的启动或重新点火过程的至少一部分的方法和装置，具体而言，一种控制气体涡轮引擎的启动或重新点火过程的至少一部分的方法，该方法包括：控制该气体涡轮引擎的燃烧室内的点火；使用第一电机来控制低压压缩机的旋转，以及使用第二电机来控制高压压缩机的旋转，该燃烧室位于该低压压缩机和该高压压缩机的下游；确定该高压压缩机的出口压力是否等于或大于自持阈值压力；以及响应于确定该高压压缩机的出口压力等于或大于该自持阈值压力，停止使用第一电机来控制低压压缩机的旋转和/或使用第二电机来控制高压压缩机的旋转，使得该气体涡轮引擎的操作由通过该气体涡轮引擎吸入的空气维持。

Description

用于控制气体涡轮引擎的启动或重新点火过程的至少一部分 的方法和装置
技术领域
本公开涉及用于控制气体涡轮引擎的启动或重新点火过程的至少一部分的方法和装置。
背景技术
气体涡轮引擎通常具有启动或重新点火过程，其中在气体涡轮引擎的燃烧室内点火之前，增加高压压缩机的角速度。在低速下，该高压压缩机可能经历称为“前端失速”的干扰。如果前端失速退化成单个单元旋转失速，则启动或重新点火过程可能被延迟，或者可能必须中止。
为防止高压压缩机的前端失速，可以使用高压压缩机中的起动放气以从高压压缩机排出空气，由此在高压压缩机的前级处实现更高的流量，同时防止在高压压缩机的后级处的阻塞。然而，起动放气可能在启动或重新点火过程期间增加气体涡轮引擎的噪音输出，并且可能添加气体涡轮引擎的重量，从而减小制动器特定的燃料消耗。
发明内容
根据第一方面，提供了一种控制气体涡轮引擎的启动或重新点火过程的至少一部分的方法，该方法包括：控制气体涡轮引擎的燃烧室内的点火；使用第一电机来控制低压压缩机的旋转，以及使用第二电机来控制高压压缩机的旋转，该燃烧室位于低压压缩机和高压压缩机的下游；确定高压压缩机的出口压力是否等于或大于自持阈值压力；以及响应于确定高压压缩机的出口压力等于或大于自持阈值压力，停止使用第一电机来控制低压压缩机的旋转和/或使用第二电机来控制高压压缩机的旋转，使得气体涡轮引擎的操作由通过气体涡轮引擎吸入的空气维持。
可以控制低压压缩机和高压压缩机的旋转以增加燃料在燃烧室中的停留时间。
使用第一电机来控制低压压缩机的旋转，以及使用第二电机来控制高压压缩机的旋转可以包括：从第一电机向低压压缩机施加最大扭矩。
使用第一电机来控制低压压缩机的旋转，以及使用第二电机来控制高压压缩机的旋转还可以包括：使用第二电机来限制高压压缩机的旋转。
高压压缩机的旋转可以至少部分地由来自燃烧室的燃烧产物通过涡轮的膨胀来驱动，该涡轮驱动将涡轮和高压压缩机互连的轴。
使用第一电机来控制低压压缩机的旋转，以及使用第二电机来控制高压压缩机的旋转可以包括：在向低压压缩机施加最大扭矩之后：确定火焰在燃烧室内是自持的；以及控制第一电机和第二电机以便既不驱动低压压缩机或高压压缩机也不用作发电机。
使用第一电机来控制低压压缩机的旋转，以及使用第二电机来控制高压压缩机的旋转还可以包括：从第二电机向高压压缩机施加最大扭矩。
该方法还可以包括：响应于确定高压压缩机的出口压力等于或大于自持阈值压力，将第一和/或第二电机作为发电机操作。
该高压压缩机和低压压缩机可以分别由高压涡轮和低压涡轮驱动。该涡轮可以由来自燃烧室的燃烧产物的膨胀驱动。该方法还可以包括随着由高压涡轮和低压涡轮施加的扭矩增加而减小由第一电机和第二电机施加的扭矩。
方法可以包括：在该方法期间监测一个或多个引擎参数，一个或多个引擎参数选自至少包括以下的列表：低压压缩机的入口压力；低压压缩机的出口压力；低压压缩机的入口温度；低压压缩机的出口温度；高压压缩机的入口压力；高压压缩机的出口压力；高压压缩机的入口温度；以及高压压缩机的出口温度。
使用第二电机来控制低压压缩机的和高压压缩机的旋转可以包括：基于一个或多个引擎参数中的至少一个引擎参数改变高压压缩机和/或低压压缩机的角速度。
该方法可以包括在飞行期间的在高于海平面的高度处的重新点火规程的至少一部分。
根据第二方面，提供了一种计算机程序，该计算机程序在由计算机读取时，使执行根据第一方面的方法。
根据第三方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质包括计算机可读指令，该计算机可读指令在由计算机读取时，使执行根据第一方面的方法。
根据第四方面，提供了一种用于控制气体涡轮引擎的启动或重新点火过程的至少一部分的装置，该装置包括被配置成执行根据第一方面的方法的控制器。
根据第五方面，提供了一种控制气体涡轮引擎的启动或重新点火过程的至少一部分的方法，该方法包括：增加低压压缩机的角速度；确定低压压缩机的出口压力是否等于或大于第一阈值压力；响应于确定低压压缩机的出口压力等于或大于第一阈值压力，使用第一电机来控制低压压缩机的旋转并使用第二电机控制高压压缩机的旋转，以增加高压压缩机的角速度；确定高压压缩机的出口压力是否等于或大于第二阈值压力；以及响应于确定高压压缩机的出口压力等于或大于第二阈值压力，控制气体涡轮引擎的燃烧室内的点火，该燃烧室位于低压压缩机和高压压缩机的下游。
增加低压压缩机的角速度可以包括使用第一电机来控制低压压缩机的旋转以增加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限制高压压缩机的角速度。
增加低压压缩机的角速度，同时限制高压压缩机的角速度可以增加高压压缩机的出口压力。
增加高压压缩机的出口压力可以将气体涡轮引擎的喘振阈值增加到气体涡轮引擎的操作线上方。
在低压压缩机的出口压力达到第一阈值之前，可以将低压压缩机的角速度加速到低压压缩机阈值速度。该方法还可以包括：在使用第二电机来控制高压压缩机的旋转的步骤的至少一部分中，控制低压压缩机的旋转以使得低压压缩机的角速度等于或低于低压压缩机阈值速度，以增加高压压缩机的角速度。
可以在使用第二电机来控制高压压缩机的旋转的步骤之前减小低压压缩机的角速度，以增加高压压缩机的角速度。
可以在使用第二电机来控制高压压缩机的旋转的步骤期间减小低压压缩机的角速度，以增加高压压缩机的角速度。
该方法可以包括：在使用第二电机来控制高压压缩机的旋转的步骤的至少一部分中，控制低压压缩机的旋转以增加低压压缩机的角速度，以便增加高压压缩机的角速度。
该方法可以包括：使用第二电机来控制高压压缩机的旋转，以将高压压缩机的角速度增加到高压压缩机阈值速度；使用第二电机来控制高压压缩机的旋转，以将高压压缩机的角速度维持在高压压缩机阈值速度；在将高压压缩机的角速度保持在高压压缩机阈值速度的同时，使用第一电机来控制低压压缩机的旋转以改变低压压缩机的角速度。
该方法可以包括：在该方法期间监测一个或多个引擎参数，该一个或多个引擎参数选自至少包括以下的列表：低压压缩机的入口压力；低压压缩机的出口压力；低压压缩机的入口温度；低压压缩机的出口温度；高压压缩机的入口压力；高压压缩机的出口压力；高压压缩机的入口温度；以及高压压缩机的出口温度。
使用第二电机来控制高压压缩机的旋转可以包括：基于一个或多个引擎参数中的至少一个引擎参数改变高压压缩机的角速度。
该方法可以包括，在使用第二电机来控制高压压缩机的旋转的同时，基于一个或多个引擎参数中的至少一个引擎参数，使用第一电机来控制低压压缩机的旋转。
该方法可以包括，在使用第二电机来控制高压压缩机的旋转的同时，控制一个或多个可变导向叶片的位置，以控制进入低压压缩机的空气的流量。
根据第六方面，提供了一种计算机程序，该计算机程序在由计算机读取时，使执行根据第五方面的方法。
根据第七方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质包括计算机可读指令，该计算机可读指令在由计算机读取时，使执行根据第五方面的方法。
根据第八方面，提供了一种用于控制气体涡轮引擎的启动或重新点火过程的至少一部分的装置，该装置包括被配置成执行根据第五方面的方法的控制器。
根据第九方面，提供了一种控制气体涡轮引擎的启动或重新点火过程的至少一部分的方法，该方法包括：确定在启动过程或重新点火过程期间或在操作过程期间何时熄灭气体涡轮引擎的燃烧室中的火焰；通过使用第一电机来控制低压压缩机的旋转，以及使用第二电机来控制高压压缩机的旋转来吹扫燃烧室，该燃烧室位于低压压缩机和高压压缩机的下游；使用第一电机来控制低压压缩机的旋转，以及使用第二电机来控制高压压缩机的旋转以重启启动过程或执行重新点火过程。
该气体涡轮引擎可包括：被布置成驱动低压压缩机的第一轴；被布置成驱动高压压缩机的第二轴；以及由第一轴驱动的风扇。
该风扇可以通过齿轮箱联接至第一轴。
该启动或重新点火过程可以包括使用第一电机来控制低压压缩机的旋转以及使用第二电机来控制高压压缩机的旋转，并且其中确定何时熄灭气体涡轮引擎的燃烧室中的火焰包括：测量以下项中的一项或多项的改变：由第一电机施加的扭矩；由第二电机施加的扭矩；第一轴的角速度；以及第二轴的角速度。
该方法还可以包括：使用第一电机来控制低压压缩机的旋转以维持第一轴的角速度高于第一阈值角速度。
该第一阈值角速度可足以防止风扇的风车运动。
该方法还可以包括：使用第二电机来控制低压压缩机的旋转以维持第二轴的角速度高于第二阈值角速度。
根据第十方面，提供了一种计算机程序，该计算机程序在由计算机读取时，使执行根据第九方面的方法。
根据第十一方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质包括计算机可读指令，该计算机可读指令在由计算机读取时，使执行根据第九方面的方法。
根据第十二方面，提供了一种用于控制气体涡轮引擎的启动或重新点火过程的至少一部分的装置，该装置包括被配置成执行根据第九方面的方法的控制器。
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/或受权利要求书保护的气体涡轮可产生至少为(或大约为)以下中的任何一者的最大推力：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、冰或其他材料的)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示出了根据各种示例的用于控制气体涡轮引擎的启动或重新点火过程的至少一部分的装置的示意图；
图5示出了根据第一示例的控制气体涡轮引擎的启动或重新点火过程的至少一部分的方法的流程图；
图6示出了在启动或重新点火过程期间的图1的引擎的高压压缩机的示例性压缩机特性；
图7示出了根据第二示例的控制气体涡轮引擎的启动或重新点火过程的至少一部分的方法的流程图；
图8示出了在启动或重新点火过程期间的图1的引擎的高压压缩机的燃烧器负载参数；
图9示出了根据第一示例的控制气体涡轮引擎的启动或重新点火过程以稳定燃烧室内的火焰的方法的流程图；
图10示出了在气体涡轮引擎的启动或重新点火过程期间的火焰熄灭之后吹扫气体涡轮引擎的方法的流程图；并且
图11示出了可并入图5或图7的方法中的其他方法步骤的流程图。
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，该推进式风扇生成两股气流：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、包括燃烧室的燃烧设备16、高压涡轮机17、低压涡轮机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，并使风扇23能够以比低压涡轮40更低的旋转速度旋转。
附加地或另选地，齿轮箱30可驱动附加的和/或另选的部件(例如，低压压缩机32和/或增压压缩机，或推进器(航空或水力))。在一些示例中，齿轮箱30可以驱动发电机而不是风扇23，并且可以是增速齿轮箱。
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。
低压压缩机14、高压压缩机15、高压涡轮17和低压涡轮19中的每一者包括一个或多个风扇(未示出)，也称为转子。低压压缩机14和低压涡轮19中的转子安装在第一轴26上，同时高压压缩机15和高压涡轮17中的转子安装在第二轴27上。转子的旋转速度被称为低压压缩机14或高压压缩机15的角速度。
在一些情况下，低压压缩机14、高压压缩机15、高压涡轮17和低压涡轮19可以包括轴流串联的多个风扇，每个风扇在相应的低压压缩机14、高压压缩机15、高压涡轮17和低压涡轮19内形成级。每个级还可以包括一组固定叶片(定子)。
转子或定子可以被形成为具有安装在其上的翼面叶片的风扇盘，也可以形成为整体叶盘。
在使用中，燃烧气体的膨胀驱动高压涡轮17和低压涡轮19中的转子级的旋转。这进而驱动对应轴26、27的旋转，从而驱动低压压缩机14和高压压缩机15中的相应转子的旋转。压缩机14、15压缩穿过核心流A的空气。
低压压缩机14和高压压缩机15具有其可旋转的最大速度(角速度)。最大额定转速取决于引擎的许多设计参数，并且可以在不同的操作条件下变化。例如，环境温度的变化可改变最大速度。最大额定速度不是引擎10的物理阈值，并且压缩机14、15可能以更高的速度旋转。因此，最大额定速度可以被认为是引擎10的标称阈值速度。
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可以不包括齿轮箱30，并且可以替代地包括在低压涡轮19和风扇22之间的直接驱动。
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。
图4示出了根据各种示例的用于控制气体涡轮引擎10的启动或重新点火过程的至少一部分的装置50。该装置50包括控制器52、第一电机54、第二电机56、致动器布置结构58、传感器布置结构60和负载62。
在一些示例中，装置50可以是模块。如本文所使用，措辞“模块”是指其中以后包括一个或多个特征并且可能由另一个制造商或最终用户包括该一个或多个特征的设备或装置。例如，在装置50是模块的情况下，装置50可以仅包括控制器52，并且其余特征(诸如第一电机54、第二电机56、致动器布置结构58、传感器布置结构60和负载62)可以由其他制造商或最终用户添加。
控制器52、第一电机54、第二电机56、致动器布置结构58和传感器布置结构60可以经由无线链路彼此联接，并且可以包括收发器电路和一个或多个天线。附加地或另选地，控制器52、第一电机54、第二电机56、致动器布置结构58和传感器布置结构60可经由有线链路彼此联接并且可包括连接器(诸如通用串行总线(USB)插座)。应当理解，控制器52、第一电机54、第二电机56、致动器布置结构58和传感器布置结构60可以经由有线链路和无线链路的任意组合彼此联接。
控制器52可以包括任何合适的电路以引起本文所述并如图5、图7、图9、图10和图11所示的方法的执行。控制器52可以包括：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/或中央处理器(CPU)；和/或图形处理单元(GPU)以执行方法。在一些示例中，控制器52可以是完全授权数字引擎控制器(FADEC)、电子引擎控制器(EEC)或引擎控制单元(ECU)。
在各种示例中，控制器52可以包括至少一个处理器64和至少一个存储器66。存储器66存储包括计算机可读指令的计算机程序68，这些计算机可读指令在被处理器64读取时引起本文所述并如图5、图7、图9、图10和图11所示的方法的执行。计算机程序68可以是软件或固件，或者可以是软件和固件的组合。
处理器64可以定位在气体涡轮引擎10上，或者可以远离气体涡轮引擎10定位，或者可以分布在气体涡轮引擎10和远离气体涡轮引擎10的位置之间。处理器64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(诸如双核处理器或四核处理器)，或者可以包括多个处理器(其中至少一个可以包括多个处理器核心)。
存储器66可以定位在气体涡轮引擎10上，或者可以远离气体涡轮引擎10定位，或者可以分布在气体涡轮引擎10和远离气体涡轮引擎10的位置之间。存储器66可以是任何合适的非暂态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(诸如闪存存储器)。存储器66可以是永久性不可移动存储器，或者可以是可移动存储器(诸如通用串行总线(USB)闪存驱动器或安全数字卡)。存储器66可以包括：在计算机程序的实际执行期间采用的本地存储器；大容量存储装置；以及高速缓存存储器，其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小在执行代码期间可以从大容量存储装置中检索代码的次数。
计算机程序68可以存储在非暂态计算机可读存储介质70上。可以将计算机程序68从非暂态计算机可读存储介质70转移到存储器66。非暂态计算机可读存储介质70可以是例如USB闪存驱动器、安全数字(SD)卡、光盘(诸如压缩盘(CD)、数字多功能盘(DVD)或蓝光盘)。在一些示例中，计算机程序68可以经由信号72(诸如无线信号或有线信号)转移到存储器66。
输入/输出设备可以直接或通过中间的输入/输出控制器联接到控制器52。各种通信适配器也可以联接到控制器52，以使装置50能够通过中间专用或公共网络联接到其他装置或远程打印机或存储设备。非限制性示例包括此类通信适配器的调制解调器和网络适配器。
第一电机54被配置成控制低压压缩机14的角速度。第一电机54可以直接安装在轴26上(例如，第一电机54的转子可以紧固到并邻接轴26)。另选地，第一电机54可以安装在远离轴26的位置处(诸如在核心壳体上或在风扇壳体上)，并且可以经由齿轮传动装置和一个或多个另外轴联接到轴26。另选地，轴26可以包括形成第一电机54的转子的部分(即，第一电机54的转子可以与轴26成一体并且是该轴的一部分)。
控制器52被配置成控制第一电机54的操作。例如，控制器52可以控制向第一电机54的电力供应以致使第一电机54用作电动机。作为另一个示例，控制器52可以将第一电机54连接至负载62以使第一电机54能够用作发电机。
第二电机56被配置成控制高压压缩机15的角速度(速度)。第二电机56可以直接安装在轴27上(例如，第二电机56的转子可以紧固到并邻接轴27)。另选地，第二电机56可以安装在远离轴27的位置处(诸如在核心壳体上或在风扇壳体上)，并且经由齿轮传动装置和一个或多个另外轴联接到轴27。另选地，轴27可以包括形成第二电机56的转子的部分(即，第二电机56的转子可以与轴27成一体并且是该轴的一部分)。
控制器52被配置成控制第二电机56的操作。例如，控制器52可以控制向第二电机56的电力供应以使第二电机56用作电动机。作为另一个示例，控制器52可以将第二电机56连接至负载以使得第二电机56能够用作发电机。
致动器布置结构58可以包括任何合适的一个或多个致动器，以用于使得能够控制气体涡轮引擎10的至少一部分。例如，致动器布置结构58可以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52被配置成控制致动器布置结构58的操作。
例如，在风扇23是可变间距风扇的情况下，致动器布置结构58可以包括用于改变风扇的间距的伺服电动机(例如，在怠速位置和操作位置之间)。在另一个示例中，在齿轮箱30包括离合器74的情况下，致动器布置结构58可以包括用于使离合器74在第一位置和第二位置之间移动的伺服电动机，该第一位置将风扇23连接到低压涡轮19，并且该第二位置使风扇23与低压涡轮19断开。在另一个示例中，致动器布置结构58可以包括用于移动构件(诸如叶片)以限制通过旁路管道22的气流B的伺服电动机。在另一个示例中，致动器布置结构58可以包括用于使高压压缩机15内的多个叶片76在打开位置和关闭位置之间移动的伺服电动机。在另一示例中，致动器布置结构58可以包括用于打开和关闭高压压缩机15的一个或多个放气口78的一个或多个电磁阀。
传感器布置结构60可以包括用于感测气体涡轮引擎10的一个或多个特性的任何合适的一个或多个传感器。例如，传感器布置结构60可以包括用于感测低压压缩机14的角速度的第一传感器和用于感测高压压缩机15的角速度的第二传感器。控制器52被配置成从传感器布置结构60接收数据。
负载62可以包括被配置成使用和/或存储由至少第二电机56生成的电力的电网。例如，负载62可以包括电能存储设备(诸如电池或超级电容器)，该电能存储设备被配置成存储由至少第二电机56生成的电能。作为另一个示例，负载62可以另选地或另外地包括使用从至少第二电机56供应的电力来操作的一个或多个电子设备。
图5示出了根据第一示例的控制气体涡轮引擎10的启动或重新点火过程的至少一部分的方法100的流程图。
在框102处，方法100可以包括控制高压压缩机15的多个可变叶片76的打开。例如，控制器52可以控制致动器布置结构58以打开高压压缩机15的多个可变入口导向叶片(VIGV)和/或多个可变定子叶片(VSV)。
在框104处，方法100可以包括控制高压压缩机15的一个或多个放气口78的关闭。例如，控制器52可以控制致动器布置结构58以关闭高压压缩机15的一个或多个放气口78。
在框106处，方法100包括使用第一电机54来控制低压压缩机14的旋转以增加低压压缩机14的角速度。例如，控制器52可以控制向第一电机54的电力供应以使得第一电机54能够用作电动机以便增加低压压缩机14的角速度(换句话讲，控制器52控制第一电机54以驱动低压压缩机14以便使低压压缩机14加速)。在操作中，低压压缩机14的旋转将高压压缩机15的入口处的压力增加到高于环境压力的压力。
在框108处，方法100包括使用第二电机56来控制高压压缩机15的旋转以限制高压压缩机15的角速度，同时由第一电机54增加低压压缩机14的角速度。
例如，控制器52可以控制第二电机56以向轴27施加制动力，以便限制高压压缩机15的角速度。在另选示例中，控制器52可以将第二电机56连接至负载62以使得第二电机56能够用作发电机并因此从高压压缩机15提取能量。作为另一个示例，控制器52可以将来自第二电机56的输出部连接到第一电机54的输入部，以使第二电机56能够用作发电机并向第一电机54提供电力以便驱动低压压缩机14。在一些示例中，控制器52可以控制高压压缩机15的角加速度，使得高压压缩机15的角速度不超过阈值速度。
应当理解，在一些示例中，框106和108可以同时执行。在其他示例中，框108可以在框106的启动之前被启动(即，在第一电机54使低压压缩机14加速之前，第二电机56可以连接到负载62或第一电机54)。
在框110处，方法100可以包括确定低压压缩机14的出口压力是否大于或等于阈值出口压力。例如，控制器52可以从传感器布置结构60接收低压压缩机14和高压压缩机15的扭矩和角速度测量值，并且使用所接收的测量值来确定低压压缩机14的出口压力。在另一个示例中，控制器52可以从位于低压压缩机14的出口处的压力传感器接收压力数据，并且然后确定测量压力是否等于或大于阈值出口压力。在另一示例中，框110的执行可能不需要传感器布置结构60，因为控制器52可以根据第一电机54和第二电机56的控制数据来确定低压压缩机14和高压压缩机15的扭矩和角速度。具体地，第一电机54和第二电机56的速度直接与电频率相关，并且扭矩与电流相关，并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66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，则方法100返回框106。如果所确定的出口压力等于或大于阈值出口压力，则方法100移动到框112。
在框112处，方法100可以包括使用第二电机56来控制高压压缩机15的旋转以增加高压压缩机15的角速度。例如，控制器52可以控制向第二电机56的电力供应以使得第二电机56能够用作电动机以便增加高压压缩机15的角速度。
在框114处，方法100可以包括控制气体涡轮引擎10的燃烧室内的点火。例如，控制器52可以控制燃料泵以将燃料泵送到燃烧设备16，并且可以控制向燃烧设备16中的点火器的电力供应以点燃燃料。
在框116处，方法100可以包括控制第一电机54和第二电机56以用作发电机。例如，控制器52可以将第一电机54和第二电机56连接到负载62，以使得第一电机54和第二电机56能够向负载62供应电力。
图6示出了高压压缩机15的压缩机特性，其示出了通过高压压缩机15的质量流量与高压压缩机15的出口和入口处的压力比之间的关系。稳定气体常数的质量流量由给出，其中T01是高压压缩机15的入口处的温度，并且p是高压压缩机15的入口处的压力。
图6包括许多曲线118a-118e，其表示在高压压缩机15的不同固定角速度下的质量流量和压力比之间的关系。第一曲线118a示出了当以最大额定速度的20％驱动高压压缩机15时的压力比和质量流量。第二曲线118b示出了当以最大额定速度的40％驱动高压压缩机15时的压力比和质量流量。第三曲线118c示出了当以最大额定速度的60％驱动高压压缩机15时的压力比和质量流量。第四曲线118d示出了当以最大额定速度的80％驱动高压压缩机15时的压力比和质量流量。第五曲线118e示出了当以最大额定速度的100％驱动高压压缩机15时的压力比和质量流量。
在上端处，固定速度曲线118a-118e由喘振线120界定。
在引擎10的操作下降到喘振线120之上的情况下，通过高压压缩机15的流量变得不稳定并且表现为失速(低速)或喘振(高速)。
在一个示例中，低压压缩机14可以被布置成提供3:1的压力比(在引擎额定速度的100％时)，同时高压压缩机可以提供30:1的压力比(在引擎额定速度的100％时)。因此，在高压压缩机15的较低速度下，在相对低的压力比下会发生失速或喘振。这在喘振曲线120中引起“弯折”124。
通常，引擎10的最有效操作是当高压压缩机15以其最大额定速度的约80％-90％驱动时，这在喘振线120下方偏移。图6示出了轮廓122a、122b，其示出了最有效操作的区域。内轮廓122b内的区域是最高效率区域。通常，在正常运行期间(例如，在巡航、上升和下降期间)，操作引擎10以使得高压压缩机15具有大于最大额定速度的60％的角速度。
当引擎10起动时，高压压缩机15必须从静止状态加速。图6示出了根据图5所示的方法100的引擎10的典型运行线126。
可以看出，在弯折124的区域中，运行线126在喘振线120上方，并且因此引擎10有失速或喘振的风险。如上所讨论，一种解决这一点的方法是使用高压压缩机15中的起动放气孔来从高压压缩机15中抽出空气，从而减小压力比。减轻弯折124的另一种方法是增加引擎10的喷嘴尺寸以增加通过引擎10吸入的空气量。这两种方法都具有减小远离喘振线120的运行线126的作用。
现在将关于图6和图7讨论根据本公开的实施方案的控制引擎10以避免弯折124的另选方法。图7所示的方法200类似于图5所示的方法100，并且在框类似的情况下，使用相同的附图标号。
与图6相比进行考虑，另选方法200可分为五成不同阶段。
在第一阶段202中，方法200可以包括控制高压压缩机15的多个可变叶片76的打开，以及控制高压压缩机15的一个或多个放气口78的关闭。该阶段对应于图5和图7所示的方法100、200的步骤102和104。
在第二阶段204中，第一电机54用于控制驱动低压压缩机14的第一轴26的旋转，同时第二电机56用于限制驱动高压压缩机15的第二轴27的旋转。低压压缩机14被加速到其最大额定速度，并保持在该速度。
第二阶段204的操作致使高压压缩机15中的压力增加，而高压压缩机15的角速度没有任何对应增加。这对应于图5和图7所示的方法100、200的阶段106和108。
在方法步骤110处，方法200可以包括确定低压压缩机14的出口压力是否大于或等于第一阈值出口压力。如果所确定的出口压力不等于或大于阈值出口压力，则方法200返回框106。如果所确定的出口压力等于或大于阈值出口压力，则在框112a处，方法200移动到第三阶段206。
在启动或重新点火方法200的第三阶段206期间，第一电机54和第二电机56用于控制第一轴26和第二轴27的旋转，以增加高压压缩机15的角速度以便达到引擎10可以被点火的速度。
在方法步骤212处，方法200可以包括确定高压压缩机15的出口压力是否大于或等于第二阈值出口压力。如上所讨论，这些值可以由传感器布置结构60直接测量，或可以通过第一电机54和第二电机56的其他测量参数和/或控制参数来推断。
如果所确定的出口压力不等于或大于第二阈值出口压力，则方法200返回框112a。如果所确定的出口压力等于或大于阈值出口压力，则方法100移动到框114，其中点燃燃烧室16内的火焰。然后，方法200移动到第四阶段208。
在方法200的第四阶段208中，第一电机54和第二电机56用于控制低压压缩机14和高压压缩机15的角速度，直到燃烧室16中的火焰稳定，并且引擎10的操作是自持的。当压缩机级14、15只能由涡轮级17、19驱动而不由第一电机54和第二电机56驱动时，引擎10的操作是自持的。在该阶段期间，可以根据需要控制低压压缩机14和高压压缩机15以保持恒定的角速度、连续的加速度或减速度。
在该第四阶段208期间，引擎核心11的涡轮17、19将开始由排气的膨胀来驱动。因此，涡轮机17、19将开始驱动第一轴26和第二轴27以及压缩机14、15。在方法步骤112b处，使用第一电机54和第二电机56来控制低压压缩机14和高压压缩机15的旋转。随着来自涡轮机17、19的贡献增加，第一电机54和第二电机56所需的贡献逐渐减小。
在方法步骤214处，方法200可以包括确定高压压缩机15的出口压力是否大于或等于第三阈值出口压力。第三阈值压力是在没有第一电机54和第二电机56的贡献的情况下引擎的操作可为自持的压力。如上所讨论，这些值可以由传感器布置结构60直接测量，或可以通过第一电机54和第二电机56的其他测量参数和/或控制参数来推断。
如果所确定的出口压力不等于或不大于第三阈值出口压力，则方法200返回框112b。如果所确定的出口压力等于或大于第三阈值出口压力，则方法200移动到框116，其中控制第一电机和第二电机以用作发电机。这形成第五阶段210，其中引擎已经达到怠速条件并且操作是自持的。
在另选启动过程200的第二阶段204和第三阶段206中的对第一电机54和第二电机56的控制可以用于确保高压压缩机15的操作线126在其加速时保持在喘振线120下方。有多种不同的模式用于操作第一电机54和第二电机56以实现该目的。
通常，该操作模式使用第一电机54来转动低压压缩机14以增加高压压缩机15的出口处的压力。这允许增加流过高压压缩机的流量，从而减小高压压缩机15早期阶段失速的可能性。这具有以下作用：增加在给定质量流量下发生喘振或失速的压力比，从而提高喘振线120。
图6示出了在启动过程200的第二阶段204和第三阶段206期间的不同操作模式的效果的示意性示例120'。可以看出，操作线126现在下降到修改的喘振线120'下方。因此，减小了失速的风险。然而，因为不影响操作线126，所以引擎10仍然以有效方式操作。
在第一操作模式中，引擎10的已知参数可以用于确保以一定方式控制第一电机54和第二电机56以便使喘振线120'在操作线126上方移动。
可以基于引擎10的已知设计来确定引擎10的喘振线120。只要在规定公差内制造引擎10，以相同方式生产的所有引擎10将具有相同的喘振线120。另选地，喘振线120可以基于校准或其他制造后过程来确定。
在任一种情况下，可以基于引擎10的已知喘振线120来控制第二阶段204和第三阶段206。在第二阶段204中，低压压缩机14被加速到其额定速度的100％。然后将其保持在该速度，直到高压压缩机15的出口压力达到第一阈值。在这点时，使用第二电机56将高压压缩机15迅速加速到其额定速度的100％。
因此，通过正确选择第一阈值，第一操作模式确保了引擎10快速移动跨过弯折部124移动，并且减小了失速的风险。应当将第一阈值设置为足够高以适应引擎10中的制造变化。
在第二操作模式中，在方法的第二阶段204(图7的步骤106和108)期间，低压压缩机14被加速至其额定速度的100％。低压压缩机14保持在该速度直到达到第一阈值压力。
在第三阶段206的开始时，低压压缩机14的角速度减小到第一标称速度，诸如最大额定速度的50％。在将低压压缩机14保持在该速度时，高压压缩机15随后被加速至弯折部124的区域中的速度。然后，低压压缩机14和高压压缩机15都迅速加速到其最大额定速度的100％，并保持在这些速度，直到高压压缩机15中的压力比和质量流量经过弯折部124。然后将压缩机14、15的角速度减小到第二标称速度，该第二标称速度可以与第一标称速度相同或不同。
在第三操作模式中，连续监测低压压缩机14和高压压缩机15的出口压力以及通过低压压缩机14和高压压缩机15的质量流量，并将其提供给控制器52。如上所讨论，这些值可以由传感器布置结构60直接测量，或可以通过第一电机54和第二电机56的其他测量参数和/或控制参数来推断。
与喘振线120相比，控制器52监测高压压缩机15的操作线126。当控制器52确定引擎正在接近喘振线120时，它将采取以下减轻措施中的一项或多项：
-控制第一电机54以将低压压缩机14维持在恒定速度(例如，最大额定速度的100％)，同时使用第二电机56来改变高压压缩机15的角速度以维持跨高压压缩机15的最大压差。设置低压压缩机14的恒定速度和跨高压压缩机15的压差，以确保喘振线120'增加到操作线126上方。
-使用第一电机54来减小低压压缩机14的角速度，同时增加高压压缩机15的角速度。这减小由低压压缩机14生成的压力，从而允许高压压缩机15在其加速时生成更多的压力。在操作线126经过弯折部124的区域之后，两个机器54、56都被操作为使压缩机14、15以标称速度运转。在一些示例中，第一电机54甚至可以限制低压压缩机14的旋转，并用作发电机。
-第二电机56用于以固定标称速度(例如最大额定速度的100％)操作高压压缩机15，同时第一电机54改变低压压缩机14的角速度以控制高压压缩机15上的压降。
-第一电机54将低压压缩机14维持在标称速度(例如，最大额定速度的100％)，同时第二电机56控制高压压缩机15的速度。同时，致动器布置结构58控制可变入口导向叶片的间距以控制通过引擎核心11的压力。
通过上述每种方法，可以控制高压压缩机15中的气压以确保喘振线120'被修改成远离引擎10的操作线126。
在第四操作模式中，第一电机54可以具有足够的动力以将低压压缩机14加速到高压压缩机15中的压力高于弯折部124的速度，同时在启动方法200的第二阶段204中仍然限制高压压缩机15的旋转。
在较低温度下操作意味着弯折部124以较低速度发生。因此，通过在较低温度下操作和/或将低压压缩机14加速到足够高的速度(以及因此到足够高的压力)，可以避免失速的风险。
在该第四模式中，低压压缩机14的温度测量用于确定弯折部124的移位，并从而确定移动到第二阶段206的第一阈值压力。
第一电机54和第二电机56可以用于在引擎启动方法200的第三阶段206期间递送许多特征。例如，可以通过控制机器54、56以减小在第三阶段206中花费的时间来减小引擎的起动时间。
此外，可以更有效地管理飞行器的功率需求。在飞行器启动过程中，除引擎外，许多系统还需要电力以起动。如果电机54、56以使得引擎10需要较少总电力(例如，减小轴26、27的角速度)的方式操作，则有较大电力可用于飞行器的其他系统。当第一电机54和/或第二电机56作为发电机操作时生成的功率也可以用于这些系统。机器54、56的操作也可以被控制为使得当飞行器中的其他系统需要电力时，它们切换成作为发电机操作。另选地，两个引擎可以同时而不是顺序地起动。
此外，机器54、56可以用于确保引擎10迅速达到润滑剂和密封件有效地操作的操作条件。
在引擎启动过程200的第四阶段208期间，燃烧设备16中的燃料-空气混合物的点火应当以可靠的方式发生。火焰的点燃可能涉及多个步骤—首先，在将火花引入燃烧室16中的情况下形成火焰核。然后，火焰核迁移到燃料喷射器的最接近火花的表面，并稳定在该单个喷射器处。然后，火焰围绕通常布置在环形空间中的其他燃料喷射器扩散。最后，燃料-空气混合物的燃烧生成足够的热量以使引擎10加速。
通常，在地面上发生引擎启动过程。然而，在一些情况下，可能需要在飞行期间重启引擎10。关于图5、图6和图7讨论的过程可以用于地面启动或飞行中重启。然而，在飞行中重启期间，低环境空气温度和压力可减慢点火过程的所有阶段。为了克服这一点，燃料-空气混合物必须在燃烧室16中具有足够长的停留时间以适应低环境空气压力。
图8示出了表征燃烧室16的曲线图。该曲线图示出了递送到燃烧室16的燃料的燃料:空气比与燃烧室的特性(称为燃烧器负荷参数(CLP))之间的关系。示出了曲线128，其限定燃烧室16的稳定操作的区域130a(在曲线的左侧)与不稳定操作的区域130b之间的边界。
CLP限定火焰反应发生所花费的时间(化学反应时间)与反应物在燃烧室16中的停留时间的比率。应当理解，对于CLP>1，火焰将从不持续，而对于CLP<<<1，则存在火焰回火的风险。还将认识到，对于高燃料空气比的反应时间将比对于低比率的反应时间更短。
当停留时间约等于反应时间时，燃烧器16的最大CLP出现并由下式给出：
其中m是燃料混合物的质量流量，p是燃烧室16中的气压，V是燃烧室16的体积，并且n是解释燃烧器16的温度的因数。当燃烧器处于冷态时，在启动时，n通常约为1，并且随着燃烧器16加热升温，n逐渐增加。通常，在引擎10的完全持续操作时，n～1.8。随着n增加，图8中的曲线128朝向较高的CLP值移动。
压力p取决于引擎10的外部条件或物理参数。类似地，质量流量、CLP和燃料:空气比由压缩机14、15的设计参数和操作确定。因此，该体积是引擎10的唯一物理参数，其可被改变以确保CLP能够实现失速解决方案并且不落在不稳定的操作区域130b内。
引擎10必须能够在飞行中重启。飞行中重启所需的体积是设计引擎10时必须考虑的许多燃烧器设计参数之一。通常，实现飞行中重启所需的体积大于地面上起动或引擎10的稳定操作所需的体积。因此，燃烧器16的设计点通常取决于飞行中重启所需的体积。
在图7所示的方法的第四阶段208中，可以控制第一电机54和第二电机56以使低压压缩机14和高压压缩机15旋转，以便通过控制来自低压压缩机14和高压压缩机15的出口压力来增加反应物在燃烧室16中的停留时间，如将关于图9所述。图9更详细地示出了图7的方法200的框112b。
在第一步骤302处，操作第一电机54以向低压压缩机14施加最大扭矩(其中最大扭矩与最大额定速度相关)。同时，在步骤304处，使用第二电机56以调节或限制高压压缩机15的速度。如上所讨论，这可以通过将第二电机56作为发电机操作来完成。
随着火焰开始稳定，燃烧产物驱动涡轮级17、19。因此，为了在高压压缩机处保持恒定速度，第二电机56进一步限制了速度，并且生成增加的功率。
在阶段306处，控制器确定火焰是否是自持的。通过将电机54、56上的速度和/或扭矩和/或轴26、27上的速度/扭矩与预建立极限进行比较，可以确定火焰是自持的。例如，随着电机54、56所需的输入减小，可以确定火焰是自持的。如上所讨论，这些值可以由传感器布置结构60直接测量，或可以通过第一电机54和第二电机56的其他测量参数和/或控制参数来推断。
如果火焰不是自持的，则方法112b返回到框302和304。否则，方法112b移动到框308，其中操作第一电机54和第二电机56，使得它们不向压缩机14、15提供扭矩，并且它们不用作发电机。
然后，引擎10在其自身的动力下被加速至怠速速度。在框214处，方法200确定引擎操作是否是自持的以及引擎已经达到怠速速度。如果否，则该方法返回到框308。一旦达到怠速速度，在步骤116中，第一电机54和第二电机56作为发电机运行。可以通过测量轴26、27的转速来确定怠速速度。
另选地，两个机器54、56都可以被操作以向低压压缩机14和高压压缩机15施加最大扭矩，直到达到引擎10的怠速条件。随着涡轮机17、19向轴26、27以及因此压缩机14、15贡献扭矩，来自机器54、56的贡献逐渐减小以在轴26、27上保持恒定扭矩。
在又一个示例中，随着从涡轮机17、19施加的扭矩增加，可以控制第一电机54和第二电机56以逐渐减小它们施加到轴的扭矩。可以控制逐渐减小，使得当飞行器需要时第一电机和第二电机切换到发电模式。
如在启动过程200的第三阶段206中一样，机器54、56的控制可以用于确保最小的启动时间并管理来自飞行器的电力需求。
此外，第四阶段208的控制可以用于减小飞行中重启期间所需的体积。通过保持较高的通过压缩机14、15的流量，可以在燃烧器16中保持较高的压力。因此，减小了实现飞行中重启所需的体积。因此，在实现飞行中重启所需的容积确定燃烧室16的体积的情况下，燃烧室16可以被做得更小，从而减小引擎的重量和长度。
第四阶段208的控制还可以允许更有效地燃烧燃料并减小氮氧化物排放，并且通过提供增强的质量流量而使得能够引入另选燃料，并且使得引擎10能够在更宽的燃料:空气比范围内运操作。
第四阶段208的控制可以用于地面启动规程，并且也可以用于地面或飞行中重启。
在启动或重启过程中，存在火焰将熄灭的风险。这被称为火焰熄灭并导致挂起起动。在挂起起动之后，有必要从燃烧室16吹扫所有燃料。图10示出了用于从引擎10吹扫残留燃料的示例性方法400。
在第一阶段402处，检测熄灭事件。可能以多种方式来检测熄灭事件。例如，控制器52可以通过参考模型测量值来检测有或没有火焰下的扭矩或轴速度之间的差异。
然后，在第二阶段404，操作第一电机54和第二电机56以从燃烧室16和涡轮17、19吹扫燃料。可以操作第一电机54和第二电机56以便以固定或逐渐降低的速度驱动压缩机14、15持续一定时间段从而吹扫燃料。在一些示例中，该时间段可以是固定的时间段，这取决于在启动过程中何时熄灭火焰。在其他示例中，传感器可以检测排气处的燃料含量，并且可以基于传感器读数来确定时间段。
在该时间段期间，也操作第一电机54和第二电机56，使得轴26、27的速度不降低到发生风磨的速度以下。第一电机54和第二电机56保持高于该最小阈值的速度，直到重新开始启动过程，并且轴26、27再次被加速。
最终，在第三阶段406处，重新初始化启动过程。重新初始化过程将以与上面讨论的方式相同的方式进行。
方法400确保可以更有效地操作重启过程。保持轴26、27的角速度意味着不必重启整个过程。
此外，延长了启动过程的时间段，在该时间段中可以开始关闭和重新点火规程而不必完全关闭引擎10。
例如，第一电机54和第二电机56可以保持轴26、27的速度，使得高压压缩机15保持在图6所示的弯折124上方的操作条件。这样可以加速重启过程。此外，燃烧器16的设计的额外灵活性使得能够通过维持通过燃烧器16的质量流量(以及因此的燃料:空气比)而在飞行中的高海拔处进行重启。
图11示出了可包括在图5或图7的方法中的另外的附加框502、504、506的流程图。框502、504和506可能以任何顺序执行，并且可以在框112或框112a之前的任何时间执行。可以省略任何一个或多个框。
在框502处，方法100、200可以包括控制气体涡轮引擎的可变间距风扇向怠速位置的移动。例如，控制器52可以控制致动器布置结构58的伺服电动机以将风扇23的间距改变到怠速位置。
在框504处，方法100、200可以包括控制气体涡轮引擎的齿轮箱的离合器以断开从涡轮部分到风扇的动力传递。例如，控制器52可以控制离合器74以使风扇23与低压涡轮19脱离。
在框506处，方法100、200可以包括控制对通过气体涡轮引擎的旁路管道的气流的限制。例如，控制器52可以控制致动器布置结构58以移动构件(诸如叶片)以便将气流B限制在气体涡轮引擎10的旁路管道22内。
除了以上讨论的益处之外，上述的装置50和方法100还可以提供若干优点。
首先，分别由第一电机54和第二电机56在框106和108处驱动低压压缩机14和限制高压压缩机15可以减小高压压缩机15中的感应阻力的影响，并且因此可以防止高压压缩机15的下游级阻塞，以及可以防止高压压缩机15的上游级失速和喘振。这可使得气体涡轮引擎10的起动放气的使用能够被最小化或消除。
在一些示例中，以上讨论的装置50和方法100的使用可以使得能够制造包括高压压缩机而没有起动放气的气体涡轮引擎。
第二，高压压缩机15中的叶片76的打开和放气口78的关闭可以有助于在低压压缩机15的出口/高压压缩机15的入口处的压力增加。
第三，在气体涡轮引擎10的启动期间，将第一电机54和第二电机56用作发电机可以有利地将电力供应到电网62。
图11所示的附加框502、504、506可以是有利的，因为框502、504和506可以减少低压压缩机14上的空气阻力，并且从而在启动或重新点火过程中有助于低压压缩机14的出口/高压压缩机15的入口处的压力增加。
在以上讨论的示例中，装置50包括用于控制低压压缩机14的旋转的单个第一电机54和用于控制高压压缩机15的旋转的单个第二电机56。
将理解的是，在一些示例中，装置50可以包括冗余，并且可以包括两个或更多个第一电机54以及两个或更多个第二电机56。可能的是，每个第一电机54和每个第二电机56能够控制低压压缩机14和高压压缩机15的运行而无需来自其他电机54、56的输入。因此，如果其中一台机器出现故障，引擎10仍然可以起动。
在一些示例中，当需要高扭矩时，两个或更多个第一电机54或者两个或更多个第二电机56可以一起操作。然而，可能的是，虽然可以使用多个机器54、56来起动引擎10，但如果需要，该过程仍然可以由单个第一电机54和单个第二电机56操作。
在以上示例中，当要求第一电机54和第二电机56限制低压压缩机14和高压压缩机15的旋转时，它们被用作发电机。这是作为示例，并且可以在不使用第一电机54和第二电机56作为发电机的情况下限制压缩机14、15的旋转。此外，第一机器54和第二机器56根本不需要用作发电机。
在以上方法中，将假设在测量参数针对阈值测量的情况下，可以使用瞬时测量来确定参数高于阈值。另选地，仅在参数已经保持在阈值上持续固定时间段之后才可以确定该参数在阈值上。
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。
在前面的描述中，术语“连接”和“联接”是指在操作上连接和联接。应当理解，在提到的特征之间可以存在任何数量的中间部件，可以不包括中间部件。
例如，控制器52可以从传感器布置结构60接收低压压缩机14和高压压缩机15的扭矩和角速度测量值，并使用所接收的测量值来确定高压压缩机15的出口压力。在另一个示例中，控制器52可以从位于高压压缩机15的出口处的压力传感器接收压力数据，然后确定测量压力是否等于或大于第二阈值出口压力。在另一示例中，框110的执行可能不需要传感器布置结构60，因为控制器52可以根据第一电机54和第二电机56的控制数据来确定高压压缩机15和高压压缩机15的扭矩和角速度。具体地，第一电机54和第二电机56的速度直接与电频率相关，并且扭矩与电流相关，并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66中的阈值出口压力进行比较。

Claims (14)

1.一种控制气体涡轮引擎的启动或重新点火过程的至少一部分的方法，所述方法包括：
控制所述气体涡轮引擎的燃烧室内的点火；
使用第一电机来控制低压压缩机的旋转，以及使用第二电机来控制高压压缩机的旋转，所述燃烧室位于所述低压压缩机和所述高压压缩机的下游；
确定所述高压压缩机的出口压力是否等于或大于自持阈值压力；以及
响应于确定所述高压压缩机的所述出口压力等于或大于所述自持阈值压力，停止使用所述第一电机来控制所述低压压缩机的旋转和/或使用第二电机来控制所述高压压缩机的旋转，使得所述气体涡轮引擎的操作由通过所述气体涡轮引擎吸入的空气维持。
2.根据权利要求1所述的方法，其中控制所述低压压缩机和所述高压压缩机的旋转以增加燃料在所述燃烧室中的停留时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其中使用第一电机来控制低压压缩机的旋转以及使用第二电机来控制高压压缩机的旋转包括：
从所述第一电机向所述低压压缩机施加最大扭矩。
4.根据权利要求3所述的方法，其中使用第一电机来控制低压压缩机的旋转以及使用第二电机来控制高压压缩机的旋转还包括：
使用所述第二电机来限制所述高压压缩机的旋转。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述高压压缩机的旋转至少部分地由来自所述燃烧室的燃烧产物通过涡轮的膨胀驱动，所述涡轮驱动将所述涡轮和所述高压压缩机互连的轴。
6.根据权利要求4所述的方法，其中使用第一电机来控制低压压缩机的旋转以及使用第二电机来控制高压压缩机的旋转包括：
在向所述低压压缩机施加最大扭矩之后：
确定火焰在所述燃烧室内是自持的；以及
控制所述第一电机和所述第二电机以既不驱动所述低压压缩机或所述高压压缩机也不用作发电机。
7.根据权利要求3所述的方法，其中使用第一电机来控制低压压缩机的旋转以及使用第二电机来控制高压压缩机的旋转还包括：
从所述第二电机向所述高压压缩机施加最大扭矩。
8.根据权利要求1所述的方法，包括响应于确定所述高压压缩机的所述出口压力等于或大于所述自持阈值压力，将所述第一电机和/或所述第二电机作为发电机来操作。
9.根据权利要求8所述的方法，其中：
所述高压压缩机和所述低压压缩机分别由高压涡轮和低压涡轮驱动；
所述涡轮由来自所述燃烧室的燃烧产物的膨胀驱动；并且
所述方法还包括随着由所述高压涡轮和所述低压涡轮施加的扭矩增加而减小由所述第一电机和所述第二电机施加的扭矩。
10.根据权利要求1所述的方法，包括在所述方法期间监测一个或多个引擎参数，所述一个或多个引擎参数选自包括至少以下的列表：
所述低压压缩机的入口压力；
所述低压压缩机的出口压力；
所述低压压缩机的入口温度；
所述低压压缩机的出口温度；
所述高压压缩机的入口压力；
所述高压压缩机的出口压力；
所述高压压缩机的入口温度；和
所述高压压缩机的出口温度。
11.根据权利要求10所述的方法，其中使用所述第二电机来控制所述低压压缩机和所述高压压缩机的旋转包括：
基于所述一个或多个引擎参数中的至少一个引擎参数改变所述高压压缩机和/或所述低压压缩机的角速度。
12.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括在飞行期间的在高于海平面的高度处的重新点火规程的至少一部分。
13.一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质包括计算机程序，所述计算机程序在由计算机读取时，使执行如权利要求1至12中任一项中要求保护的方法。
14.一种用于控制气体涡轮引擎的启动或重新点火过程的至少一部分的装置，所述装置包括：第一电机，所述第一电机被配置成控制所述气体涡轮引擎的低压压缩机的角速度；第二电机，所述第二电机被配置成控制所述气体涡轮引擎的高压压缩机的角速度；致动器布置结构；传感器布置结构，用于感测所述气体涡轮引擎的一个或多个特性；负载；和控制器，所述控制器被配置成从所述传感器布置结构接收感测到的数据，并且执行如权利要求1至12中任一项所述的方法。
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