CN112937885B - 一种利用辅助动力装置进行引气的引气系统以及引气控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用辅助动力装置进行引气的引气系统以及引气控制方法。该引气系统包括负载压气机、防喘阀、控制器和传感器。其中负载压气机能够向飞行器的用气设备提供气体，负载压气机的进口处设有可调整角度的导向叶片，以控制负载压气机的排气压力和流量。防喘阀设置在负载压气机的出口处，用于释放多余的气体以防止负载压气机喘振。传感器设置在用气设备的入口处且用于实时检测流向用气设备的气体的压力和/或流量。控制器能够基于传感器的检测值和用气设备的实际需求量自动调节防喘阀的开度和导向叶片的角度。本发明的引气系统、引气控制方法能够降低对APU引气需求进行准确定义的要求，实现对引气需求的自动精准匹配，减少防喘放气产生的浪费。

Description

一种利用辅助动力装置进行引气的引气系统以及引气控制方法

技术领域

本发明涉及利用辅助动力装置进行引气的引气系统，以及利用该辅助动力装置进行引气的引气控制方法。

背景技术

目前多数飞机会利用辅助动力装置(Auxiliary Power Unit，APU)来为飞机提供辅助动力源，用于满足飞机关于环控引气、主发起动引气和供电的需求。民用飞机尤其是大型客机对APU引气的功率需求也在逐渐增大，因此当前APU的设计通常会采用独立的负载压气机的方案来满足增大的引气功率需求。参见图1所示的现有引气系统的基本构架，负载压气机为与APU动力段转子同轴安装的离心压气机。负载压气机的进口处设计有可变角度的进口导向叶片。通过调节导向叶片的角度可以控制负载压气机的压力和流量，以满足在不同引气模式以及不同环境条件下飞机对APU引气功率的不同需求。负载压气机进口导叶角度的变化由APU控制器(ECU)根据飞机引气需求来进行调节控制。

目前，对于APU引气采用的都是开环控制的方法。APU系统会分别与环控系统和发动机签署引气需求接口文件，定义出在不同环境条件下的引气压力和流量需求。通常而言，导向叶片的角度和高度、环境温度之间按照图2所示表格中的三者关系设定。APU系统会根据负载压气机的特性按照表格中的引气压力和流量需求确定合适的进口导叶角度。当遇到的高度或环境温度处于表格两点之间时则采用线性插值的方式进行处理。最后装机工作时，ECU根据实际的高度和环境温度搜索预设的进口导叶角度查询表(图2)确定目标角度，然后将负载压气机的进口导叶调整到该角度。若环境条件不变则进口导叶的角度也将固定不变；引气流量由用户系统(空调包和发动机)通过调节活门开度来控制，对应流量下的压力则由负载压气机的物理特性来确定。

这种APU引气开环控制方法存在以下问题：

1.对APU引气需求定义的准确性要求非常高，若不能准确定义容易出现供需不匹配的问题。由于APU引气需求定义通常发生在飞机设计的早期阶段，此时不管是提供气源的APU系统还是环控和主发下游用户系统都还没有开展详细设计，对各自的能力和需求都不能准确的界定。同时，从APU引气阀出口到下游用户系统的活门入口之间的飞机输气管路也未开展详细设计，其引起的压力和流量的损失也不能准确的给出。这些都给引气需求的准确定义带来了困难，因此极易导致实际装机时出现一定流量下对应的压力太低而不能正常工作的情况发生。

2.容易出现防喘放气浪费问题。即使在同样的环境条件下，用户系统也会出现不同的引气需求。例如，环控系统在极热或极冷天的情况下，刚打开空调时需要较大的引气流量以达到快速调节舱内温度的目的，而在舱内温度接近或达到舒适温度时引气流量的需求就会减小。在此种情况下，引气流量需求的定义通常会按照大流量需求进行定义，当实际流量需求减小时，由于环境条件不变因此进口导叶角度也不会变，ECU只能采用防喘阀放气的方式将多余的气体放掉，以防止负载压气机喘振。

因此，有必要改进现有的引气系统。

发明内容

针对飞机引气领域的上述现状，本发明的目的之一在于提供一种利用辅助动力装置进行引气的引气系统，该引气系统能够实现闭环控制，设计人员因此无需对引气需求进行准确定义。

该目的通过本发明以下形式的系统来实现。其中，引气系统包括负载压气机、防喘阀、控制器和传感器。其中所述负载压气机被配置成能够向飞行器的用气设备提供气体，所述负载压气机的进口处设有可调整角度的导向叶片，以控制所述负载压气机的排气压力和流量。所述防喘阀设置在所述负载压气机的出口处，用于释放多余的气体以防止所述负载压气机喘振。所述控制器作为整个系统的电子控制单元，其被配置成能够调节防喘阀的开度以及所述导向叶片的角度。传感器设置在用气设备的入口处且用于实时检测流向所述用气设备的气体的压力和/或流量。所述控制器被构造成能够基于所述传感器的检测值和所述用气设备的实际需求量自动调节所述防喘阀的开度和所述导向叶片的角度。

根据传感器在用气设备的出口处所测得的气体压力和/或流量，系统能够获得流入用气设备的气体量。控制器因此能够根据传感器的检测值和用气设备的实际需求量实时调节防喘阀的开度和导向叶片的角度，保证用气设备及时获得与实际需求量相当的实际气体量。据此，引气系统能够减轻对设计人员在前期设计对APU引气需求准确定义的压力，实现对引气需求的自动精准匹配，减少防喘放气产生的浪费。

根据本发明的一种优选实施方式，所述引气系统还包括设置在所述用气设备的进口处的控制活门，其中，所述控制活门和所述防喘阀并联设置，并且控制器被配置成还能与控制活门通信连接以调节通向所述用气设备的实际气体量。

根据本发明的一种优选实施方式，当所述控制活门为不可调活门时，所述控制器被配置成能够基于所述用气设备的实际需求量的变化调节所述防喘阀的开度和导向叶片的角度。

根据本发明的一种优选实施方式，所述控制器被配置成：

在所述用气设备的实际需求量增大时，能够保持所述导向叶片的角度并逐渐调小所述防喘阀的开度，以增大所述用气设备获取的实际气体量；并且

在所述用气设备的实际需求量减小时，能够调小防喘阀的开度和所述导向叶片的角度，以减小所述用气设备获取的实际气体量。

根据本发明的一种优选实施方式，所述控制器被配置成，在所述用气设备的实际需求量增大时，在防喘阀处于关闭状态的引气系统所提供的实际气体量小于用气设备的实际需求量的情况下，能够将防喘阀保持在关闭状态，并根据所述传感器的检测值增大所述导向叶片的角度。

根据本发明的一种优选实施方式，当所述控制活门为可调活门时，所述控制器被配置成基于实际需求量调节所述防喘阀的开度、所述控制活门的开度和导向叶片的角度。

根据本发明的一种优选实施方式，所述控制器被配置成：

在所述用气设备的实际需求量增大时，能够逐渐调小所述防喘阀的开度、逐渐增大所述控制活门的开度和所述导向叶片的角度，以增大所述用气设备获取的实际气体量；并且

在所述用气设备的实际需求量减小时，能够调小所述防喘阀的开度、控制活门的开度以及所述导向叶片的角度，以减小所述用气设备获取的实际气体量。

根据本发明的一种优选实施方式，所述控制器被配置成在所述用气设备的实际需求量增大时，经过预定时间关闭所述防喘阀，其中所述预定时间是在所述用气设备的实际需求量发生变化时，调节所述防喘阀以防止所述负载引气机喘振的耗费时间。

此外，本发明还公开了一种利用辅助动力装置进行引气的引气控制方法，该引气控制方法包括以下步骤：

基于用户的输入指令或响应于飞行器的环境条件确定用气设备的实际需求量；

利用设置在用气设备的入口处的传感器实时监测位于用气设备进口处的气体的压力和/或流量，以计算进入所述用气设备的实际气体量，其中所述气体由负载压气机提供；

基于所述实际气体量和所述实际需求量的差值调节防喘阀的开度和导向叶片的角度，其中，所述防喘阀位于所述负载压气机的出口处且用于释放由所述负载压气机排出的多余气体，所述导向叶片的角度与所述负载压气机的排气量成正相关。

根据本发明的一种优选实施方式，当所述控制活门为不可调活门时，调节所述防喘阀和导向叶片的步骤包括：

当用气设备的实际需求量增大时，保持所述导向叶片的角度并逐渐调小所述防喘阀的开度，以增大所述用气设备获取的实际气体量；

当用气设备的实际需求量减小时，调小防喘阀的开度和所述导向叶片的角度，以减小所述用气设备获取的实际气体量。

根据本发明的一种优选实施方式，当用气设备的实际需求量增大时，在所述防喘阀被关闭后的引气系统所提供的实际气体量小于用气设备的实际需求量的情况下，将防喘阀保持在关闭状态，并根据所述差值增大所述导向叶片的角度。

根据本发明的一种优选实施方式，所述控制活门为可调活门时，调节所述防喘阀和导向叶片的步骤包括：

当用气设备的实际需求量增大时，调小所述防喘阀的开度、逐渐增大所述控制活门的开度和所述导向叶片的角度，以增大所述用气设备获取的实际气体量；

当用气设备的实际需求量减小时，调小所述防喘阀的开度、控制活门的开度以及所述导向叶片的角度，以减小所述用气设备获取的实际气体量。

根据本发明的一种优选实施方式，当用气设备的实际需求量增大时，关闭所述防喘阀。

根据本发明的一种优选实施方式，当用气设备的实际需求量减小时，经过预定时间关闭所述防喘阀，所述预定时间是在所述用气设备的实际需求量发生变化过程中，调节所述防喘阀以防止所述负载引气机喘振的耗费时间。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选实施方式，可任意组合，即得本发明各较佳实例。通过阅读下列的附图和详细描述本领域技术人员可理解本发明的其他系统、方法、特征和优点。目的是所有这种额外的系统、方法、特征和优点包括在本说明书中和本发明内容中，且包括在本发明的范围内，并被所附权利要求保护。

附图说明

为了更好地理解本发明的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本发明的优选实施方式，对本发明的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制。

图1是现有技术的引气系统的结构示意图。

图2示出了现有引气系统的高度、温度和负载压气机的导向活门的开度之间关系的表格。

图3是根据本发明的优选实施方式的引气系统的结构示意图。

图4是根据本发明的第一实施方式的引气控制方法的流程图。

图5是根据本发明的第二实施方式的引气控制方法的流程图。

具体实施方式

接下来将参照附图详细描述本发明的发明构思。这里所描述的仅仅是根据本发明的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本发明的其他方式，所述其他方式同样落入本发明的范围。在以下的具体描述中，例如“上”、“下”、“内”、“外”、“纵”、“横”等方向性的术语，参考附图中描述的方向使用。本发明的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。

参见图3所示的利用辅助动力装置A进行引气的引气系统。该引气系统包括负载压气机1、防喘阀3、传感器5和控制器9(即APU控制器9或ECU)。辅助动力装置A包括沿轴向依次分布的压气机6、燃烧室7和涡轮8。图1所示的负载压气机1为一种单级离心压气机6，其与辅助动力装置A的转子同轴安装。更具体地，负载压气机1邻接辅助动力装置A的压气机6，与其共用进气道。压气机6、燃烧室7和涡轮8作为动力段，其带动负载压气机1旋转产生压缩空气并提供给各用气设备(例如空调包、发动机起动机)。

负载压气机1的进口处设有可调整角度的导向叶片。通过调整导向叶片的角度能够控制负载压气机1的排气压力和流量，进而调节通向各用气设备的实际气体量。

负载压气机1的出口处设有并联设置的引气阀2和防喘阀3。引气阀2例如为截止阀，其具有开启和关闭两种状态。在不需要向用气设备提供引气的情况下，引气阀2被置于关闭状态。与引气阀2并联的防喘阀3用于释放多余的气体以防止负载压气机1喘振。

传感器5设置在用气设备的入口处，其可以实时检测流向用气设备的气体的压力和/或流量，进而使引气系统的控制器9能够获取检测值，进而计算得到流入用气设备的实际气体量。

控制器9作为整个系统的电子控制单元，分别与压气机6、防喘阀3、传感器5通信连接，其可以根据上述传感器5的检测值和用气设备的实际需求量自动调节负载压气机1和防喘阀3。具体而言，其根据用气设备的实际气体量和实际需求量的差值调节负载压气机1的导向叶片和防喘阀3等。

导向叶片的角度与负载压气机1的排气量成正相关。导向叶片的角度处于高值时，负载压气机1的排气量越大；反之，则负载压气机1的排气量越小。

引气系统此外还包括位于用气设备入口处的控制活门4。控制活门4同样地与控制器9连接并受其控制。

以下结合控制活门4分别为开度不可调的不可调活门，以及开度可调的可调活门的两种实施方式说明利用辅助动力装置A引气的引气控制方法。

实施方式一

在该实施方式中，控制活门4为开度不可调的不可调活门。控制器9通过控制防喘阀3的开度和导向叶片的角度来应对用气设备实际需求量的变化。参见图4，在该实施方式中，该引气控制方法包括以下步骤：

步骤11，在该步骤中，引气系统基于用户的输入指令或响应于飞行器的环境条件确定用气设备的实际需求量。例如，机组人员通过设定飞机舱室的温度、湿度等，使得控制器9根据机组人员的设定参数获得各用气设备的实际需求量。此外控制器还可集成与飞行器(飞机)所在环境条件相关联的控制信息，并由该控制信息定义各用气设备的实际需求量。该环境条件可以是飞行器飞行高度、环境温度等。一般情况下，用气设备空调包和发动机不会同时处于用气状态。在飞行器飞行至不同位置时，控制器能够实时监测到相应的环境条件信息，并根据对应于该环境条件信息确定用气设备的实际需求量。步骤12，在该步骤中，引气系统利用设置在用气设备的入口处的传感器5实时监测位于用气设备进口处的气体的压力和/或流量，以计算进入用气设备的实际气体量。通常，机组人员未调节用气设备的实际需求量或者飞机环境条件不变的情况下，用气设备的实际需求量与实际气体量大致相等，用气设备能持续维持在用户所期望的稳定状态。

步骤13，在该步骤中，引气系统基于实际气体量和实际需求量的差值调节防喘阀3的开度和导向叶片的角度。当机组人员在步骤11中调高用气设备的实际需求量或者飞机环境变化而导致用气设备的实际需求量增大。举例而言，机组人员在空调包的制热工况下升高温度或者在空调包的制冷工况下降低温度。引气控制方法据此由步骤12进入步骤131，引气系统保持导向叶片的角度并逐渐调小防喘阀3的开度，以在不调节负载压气机1的功率的情况下增大用气设备获取的实际气体量。负载引气机的排气此时因此被更多地引向用气设备。可选地，引气系统在步骤131中直接关闭防喘阀3。

当用气设备的实际需求量增大时，并且防喘阀3在步骤131被逐渐调小开度直至关闭后，引气系统所提供的实际气体量仍无法满足用气设备的实际需求量的情况下，此时，引气控制方法进入步骤132而将防喘阀3保持在关闭状态，并根据用气设备的实际需求量和实际气体量之间的差值增大导向叶片的角度。

优选地，在步骤131中，防喘阀3被设定成经过预定时间后关闭。该预定时间是在用气设备的实际需求量发生变化时，调节防喘阀3以防止负载引气机喘振的耗费时间。该预定时间和用气设备的实际需求量的调节幅度成正相关，也即，用气设备的实际需求量的调节幅度越大，预定时间越长；用气设备的实际需求量的调节幅度越小，预定时间越短。

当用气设备的实际需求量减小时，举例而言，在空调包运转了一定时间的情况下，飞机内的温度趋于稳定。引气控制方法据此由步骤12进入步骤133，引气系统调小防喘阀3的开度和导向叶片的角度，以减小用气设备获取的实际气体量。负载引气机的排气量被调少并且排气依然被更多地引向用气设备。优选地，在该过程中，相较于导向叶片的角度调整速度，防喘阀3的开度被以更慢的速度进行调整。通过这种设定，负载压气机1不易于在步骤133中发生喘振。

步骤133可替换地为步骤134，也即，引气系统逐渐调小导向叶片的角度，并且经过预定时间关闭防喘阀3。可以理解，与上文相同，该处的预定时间同样与用气设备的实际需求量的调节幅度成正相关。

实施方式二

在该实施方式中，控制活门4为开度可调的可调活门。可调活门能够直接调节用气设备所获取的气体量。参见图5，在该实施方式中，该引气控制方法包括以下步骤：

步骤21，在该步骤中，引气系统基于用户的输入指令或响应于飞行器的环境条件确定用气设备的实际需求量。该步骤21同实施方式一的步骤11。

步骤22，在该步骤中，引气系统利用设置在用气设备的入口处的传感器5实时监测位于用气设备进口处的气体的压力和/或流量，以计算进入用气设备的实际气体量。该步骤22同步骤12。

步骤23，在该步骤中，引气系统基于实际气体量和实际需求量的差值调节防喘阀3的开度和导向叶片的角度。当机组人员在步骤21中调高用气设备的实际需求量或者飞机环境变化而导致用气设备的实际需求量增大.举例而言，机组人员在空调包的制热工况下升高温度或者在空调包的制冷工况下降低温度。引气控制方法据此由步骤22进入步骤231，引气系统调小防喘阀3的开度、逐渐增大控制活门4的开度和导向叶片的角度，以增大用气设备获取的实际气体量。在该步骤231中，优选地，相较于导向叶片的角度调整速度，防喘阀3的开度被以更慢的速度进行调整。通过这种设定，负载压气机1不易于在步骤231中发生喘振。

当用气设备的实际需求量增大时，并且防喘阀3在步骤231被逐渐调小开度直至关闭后，引气系统所提供的实际气体量仍无法满足用气设备的实际需求量的情况下，此时，引气控制方法进入步骤232而将防喘阀3保持在关闭状态，并根据用气设备的实际需求量和实际气体量之间的差值增大导向叶片的角度。

当用气设备的实际需求量减小时，举例而言，在空调包运转了一定时间的情况下，飞机内的温度趋于稳定。引气控制方法据此由步骤22进入步骤233，引气系统调小防喘阀3、控制活门4的开度和导向叶片的角度，以减小用气设备获取的实际气体量。负载引气机的排气量被调少并且排气依然被更多地引向用气设备。优选地，在该过程中，导向叶片被最快地调小角度，或者导向叶片和控制活门4被同步地优先调小角度、开度。防喘阀3则以更晚、更缓慢的速度进行调整。通过这种设定，负载压气机1不易于在步骤133中发生喘振。

步骤233可替换地为步骤234，也即，引气系统逐渐调小导向叶片的角度、控制活门4的开度，并且经过预定时间关闭防喘阀3。可以理解，与上文相同，该处的预定时间同样与用气设备的实际需求量的调节幅度成正相关。

与现有的开环控制方法相比，本发明提出的闭环控制的APU引气方法，可以及时、准确地解决供需不匹配的问题，当实际出现压力或/和流量不能满足用户要求时，ECU会自动调节控制变量到合适的位置，使得压力或/和流量能够满足用户要求；另外，也可以解决浪费问题，由于闭环控制是以压力或/和流量为目标，当用户系统不再需要较大的压力或/和流量时，ECU会自动调节控制变量使得引气输出匹配到新的需求上，从而避免防喘放气浪费。

本发明的保护范围仅由权利要求限定。得益于本发明的教导，本领域技术人员容易认识到可将本发明所公开结构的替代结构作为可行的替代实施方式，并且可将本发明所公开的实施方式进行组合以产生新的实施方式，它们同样落入所附权利要求书的范围内。

Claims (7)

1.一种利用辅助动力装置进行引气的引气系统，所述引气系统包括：

负载压气机，所述负载压气机被配置成能够向飞行器的用气设备提供气体，所述负载压气机的进口处设有可调整角度的导向叶片，以控制所述负载压气机的排气压力和流量；

防喘阀，所述防喘阀设置在所述负载压气机的出口处，用于释放多余的气体以防止所述负载压气机喘振；以及

控制器，所述控制器被配置成能够调节防喘阀的开度以及所述导向叶片的角度，

其特征在于，所述引气系统还包括：

设置在用气设备的入口处且用于实时检测流向所述用气设备的气体的压力和/或流量的传感器，其中，所述控制器被构造成能够基于所述传感器的检测值和所述用气设备的实际需求量自动调节所述防喘阀的开度和所述导向叶片的角度；以及

设置在所述用气设备的进口处的控制活门，其中，所述控制活门和所述防喘阀并联设置，并且控制器被配置成还能够与控制活门通信连接以调节通向所述用气设备的实际气体量，

其中，所述控制活门包括可调活门，而且所述控制器被配置成能够基于实际需求量调节所述防喘阀的开度、所述控制活门的开度和导向叶片的角度，并且相较于导向叶片的角度调整速度，以更慢的速度调整防喘阀的开度。

2.根据权利要求1所述的引气系统，其特征在于，所述控制器被配置成：

在所述用气设备的实际需求量增大时，能够逐渐调小所述防喘阀的开度、逐渐增大所述控制活门的开度和所述导向叶片的角度，以增大所述用气设备获取的实际气体量；并且

在所述用气设备的实际需求量减小时，能够调小所述防喘阀的开度、控制活门的开度以及所述导向叶片的角度，以减小所述用气设备获取的实际气体量。

3.根据权利要求2所述的引气系统，其特征在于，所述控制器被配置成在所述用气设备的实际需求量增大时，经过预定时间关闭所述防喘阀，其中所述预定时间是在所述用气设备的实际需求量发生变化时，调节所述防喘阀以防止负载引气机喘振的耗费时间。

4.一种利用根据权利要求1-3中的任一项所述的引气系统进行引气的引气控制方法，其特征在于，所述引气控制方法包括以下步骤：

基于用户的输入指令或响应于飞行器的环境条件确定用气设备的实际需求量；

利用设置在用气设备的入口处的传感器实时监测位于用气设备进口处的气体的压力和/或流量，以计算进入所述用气设备的实际气体量，其中所述气体由负载压气机提供；

基于所述实际气体量和所述实际需求量的差值调节防喘阀的开度和导向叶片的角度，其中，所述防喘阀位于所述负载压气机的出口处且用于释放由所述负载压气机排出的多余气体，所述导向叶片的角度与所述负载压气机的排气量成正相关，

其中，所述控制活门包括可调活门，而且所述控制器被配置成能够基于实际需求量调节所述防喘阀的开度、所述控制活门的开度和导向叶片的角度，并且相较于导向叶片的角度调整速度，以更慢的速度调整防喘阀的开度。

5.根据权利要求4所述的引气控制方法，其特征在于，调节所述防喘阀和导向叶片的步骤包括：

当用气设备的实际需求量增大时，调小所述防喘阀的开度、逐渐增大所述控制活门的开度和所述导向叶片的角度，以增大所述用气设备获取的实际气体量；

当用气设备的实际需求量减小时，调小所述防喘阀的开度、控制活门的开度以及所述导向叶片的角度，以减小所述用气设备获取的实际气体量。

6.根据权利要求5所述的引气控制方法，其特征在于，当用气设备的实际需求量增大时，关闭所述防喘阀。

7.根据权利要求5所述的引气控制方法，其特征在于，当用气设备的实际需求量减小时，经过预定时间关闭所述防喘阀，所述预定时间是在所述用气设备的实际需求量发生变化过程中，调节所述防喘阀以防止负载引气机喘振的耗费时间。

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