CN113767214A - 调节包括临时功率增加装置的涡轮机的方法 - Google Patents

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Abstract

用于调节包括临时功率增加装置(26)的涡轮机(10)的方法，所述调节方法包括步骤(E3)，在该步骤中，根据以下调节注射的制冷流体流率，即大气压力(P0)和/或环境温度(T0)和/或诸如气体发生器的转速(N1)、低压涡轮或自由涡轮的转速(N2)、在压缩机级的出口处的气体压力(P3)、在低压涡轮或自由涡轮的入口处的温度(T45)、驱动扭矩(TQ)中的至少一个参数和/或直升机转子的总距(XPC)或涡轮螺旋桨发动机的螺距。

Description

调节包括临时功率增加装置的涡轮机的方法
技术领域
本公开涉及一种控制包括临时功率增加装置的涡轮机的方法。
术语“涡轮机”指的是带有产生动力的气体涡轮的任何航行器(craft)，其特别是可以包括涡轮喷气发动机和涡轮轴，涡轮喷气发动机通过对高速排出热气体的反应而供应推进所需的推力，涡轮轴通过发动机轴的旋转而供应动力。例如，涡轮轴用作直升机、船舶、火车的发动机，或者用作工业发动机。涡轮螺旋桨发动机(驱动螺旋桨的涡轮轴)也是用作飞机发动机的涡轮轴。
背景技术
已知不同的装置用于临时增加涡轮机的功率，例如FR 3 000 137或FR 3 057614。这种装置用于在涡轮机的压缩机的上游注射冷却剂，这具有临时增加其功率的效果。
然而，这些已知的装置消耗大量的冷却剂，考虑该冷却剂必需携带在航行器上而造成了一个问题，这限制了它的可用性。此外，在整个封围部中，注射没有被优化。因此，在该领域中存在需求。
发明内容
一个实施例涉及一种控制包括临时功率增加装置的涡轮机的方法，所述装置包括储存器和注射回路，储存器构造成包含冷却剂，注射回路构造成经由在涡轮机的至少一个压缩机级上游的注射歧管注射冷却剂，冷却剂的注射流率是可变的，所述控制方法包括：激活临时功率增加装置的步骤，其中在涡轮机的至少一个压缩机级的上游注射冷却剂；以及控制冷却剂的流率的步骤，其中根据以下调节所注射的制冷剂的流率，即大气压力；和/或环境温度；和/或诸如气体发生器的旋转速度、低压涡轮或动力涡轮的旋转速度、在压缩机级的出口处的气体压力、在低压涡轮或动力涡轮的入口处的温度、发动机扭矩的涡轮机的至少一个参数；和/或涡轮机被构造成待组装的诸如直升机旋翼的总距(collectivepitch)或一个或多个涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨的螺距的飞行器的至少一个参数。
在本文中，术语“下游”和“上游”沿着涡轮机内部的气体的正常流动方向来考虑。
例如，冷却剂可以是水或者水和例如防冻剂的添加剂的混合物，防冻剂诸如甲醇、乙醇或乙二醇。下文中，除非另有说明，术语“冷却剂”应理解为“冷却流体”。
例如，由于可变流量的泵，例如具有固定排量但是具有转速可变的转子的泵或者具有固定转速的转子但是排量可变的泵，注射流率可以是可变的。在这样的示例中，泵可以用来从储存器泵出冷却剂，并且将其经由歧管以预定的压力注射，在该情况下，冷却剂储存器不必需是加压的。根据另一个示例，由于可变开度的阀，注射流率可以是可变的。在这样的示例中，储存器可以是加压的。根据又一个示例，注射回路包括泵和阀，泵的流率和/或阀的开度是可变的。
这样的方法适用于涡轮机被构造成待组装的任何类型的飞行器(例如固定翼或旋转翼，存在一个或多个涡轮机，等等)。
发明人已经发现，当所注射的冷却剂的流率根据大气压力或环境温度或该两者进行调节时，所注射的冷却剂的流率可以尽可能地接近于涡轮机针对给定压力增加的实际要求。例如，对这样的冷却剂注射的要求可以限于低高度和高温度的包络。例如，从ISA到ISA+30和从0米到3000米。
具体地，冷却剂的注射能够冷却压缩级上游的空气，因而增加其密度，并且因此增加涡轮机的燃烧室中的氧气质量流率。此外，燃烧室中的冷却流体的汽化能够非常显著地增加燃烧室下游的压力和/或体积密度，并且因此增加涡轮机中回收的机械功。因此，根据压力和温度使冷却剂的密度和粘度变化，大气压力和环境温度是对于调节流率需要考虑的相关参数。
例如，使用映射表(或表格)来施加控制，映射表将大气压力和/或环境温度作为输入，并且将要注射的流率作为输出。根据另一个示例，可以使用这样的映射表来施加控制，该映射表将来自大气压力和环境温度的参数作为输入，并且将要注射的流率作为输出，然后经由另一个映射表或分析计算(或分析函数)进行任何修正，另一个映射表或分析计算将来自大气压力和环境温度的另一个参数作为输入，并且将流率的修正(要增加或减少)作为输出。根据又一个示例，可以使用类型为“根据大气压力和/或环境温度而要注射的流率”的分析计算来施加控制。根据另一个示例，可以如下施加控制，即，使用类型为“要注射的流率根据来自大气压力和环境温度的两个参数中的一个”的分析计算，随后在适用的情况下根据来自大气压力和环境温度中的另一个参数、使用映射表或另一个分析计算进行修正，映射表或另一个分析计算将另一个参数作为输入，将流率的修正(要增加或减去)作为输出。例如，使用类型为流率＝函数(大气压力、环境温度)、或者流率＝函数(大气压力)×取决于环境温度的固定修正系数、或者流率＝[大气压力、环境温度]来施加控制。
在某些实施例中，所注射的冷却剂的流率被调节成使得冷却剂/空气的质量比率在0.5％和15％之间，例如在1％和12％之间。这使得能够根据飞行包络(高度、温度)或飞行员的要求来适应功率要求。
这使得无论高度/温度包络的点位如何都可以精确地考虑要注射的流率的要求。相反，在现有技术中只考虑了要注射的流率的一个点，确定高度/温度包络的一个点位处的尺寸，并且要注射的流率没有重新校准，并且因此在包络的其余部分中尺寸过大。
在某些实施例中，所注射的冷却剂的流率根据来自储存器内部的冷却剂温度和注射歧管的液位处的冷却剂的压力中的至少一个进行调节。
冷却剂的特征，诸如其温度和压力，是代表其粘度和密度的参数，并且因此是用于调节流率的有利参数。换句话说，流体的物理化学参数有助于调节电动泵的额定功率(rating)，诸如保证适当的流率。
在某些实施例中，如果检测到涡轮机的瞬时功率损失和/或如果检测到涡轮机进入预定额定功率和/或如果检测到额外的功率需求和/或用户要求，则激活临时功率增加装置。
这样就能够通过只在严格必要的情况下激活临时功率增加装置而将冷却剂的消耗限制在严格必要的范围内。例如，临时功率增加装置的激活可以是自动的或手动的。例如，通过监测某些参数，诸如瞬时功率、额定功率或功率要求，如果超过阈值，则可以自动激活临时功率增加装置。用户也可以确定有对于临时功率增加的要求，并且手动操作临时功率增加装置。
在某些实施例中，临时功率增加装置根据以下激活：涡轮机的至少一个参数，诸如气体发生器的旋转速度、低压涡轮或动力涡轮的旋转速度、在压缩机级的出口处的气体压力、在低压涡轮或动力涡轮的入口处的温度、发动机扭矩，和/或飞行器的至少一个参数，其中涡轮机被构造成待组装的诸如直升机旋翼的总距或一个或多个涡轮螺旋桨发动机的螺距。
这些参数，单独或组合起来考虑，可以代表涡轮机的瞬间功率损失，代表进入到涡轮机的预定额定功率和/或代表额外的功率要求。此外，根据情况，飞行员可以授权或不授权临时功率增加装置在必要时自动触发流体的注射，或保持唯一的权力来决定激活流体的注射。
在某些实施例中，在激活临时功率增加装置之前确定临时功率增加装置是否是可激活的。
这样就能够在试图使用临时功率增加装置之前检查其是否是可用的，这能够在试图使用临时功率增加装置而该装置不可用的情况下节省冷却剂。这也能够使它保证注射的有效性(足够的流体)，并且在没有足够的流体时通知飞行员。换句话说，这能够保证注射的有效性和可以通知飞行员功能的可用性。
在某些实施例中，根据来自储存器内部的冷却剂的液位、储存器内部的冷却剂的温度、注射歧管的液位处的冷却剂的压力、以及临时功率增加装置的注射回路的电动泵的旋转速度中的至少一个参数来确定临时功率增加装置是否是可激活的。
这些参数，单独或组合起来考虑，可以代表临时功率增加装置的可用性。
在某些实施例中，根据来自储存器内部的冷却剂的液位、储存器内部的冷却剂的温度、临时功率增加装置的激活时间、涡轮机的瞬时功率中的至少一个参数、或者用户要求而停止临时功率增加装置的激活。
这能够以严格必要的程度限制冷却剂的消耗。例如，功率增加装置的停止可以是自动的或手动的。例如，通过监测某些参数，诸如储存器内部的冷却剂的液位、储存器内部的冷却剂的温度、临时功率增加装置的激活时间和/或涡轮机的瞬时功率，如果超过阈值，则可以自动地停止临时功率增加装置。用户也可以决定不再需要临时增加功率，并且手动停止临时功率增加装置。
一个实施例涉及一种计算机程序，其包括用于执行本文中所描述的任何实施例所要求保护的方法的指令。
该程序可以使用任何编程语言，并且以源代码、目标代码或源代码与目标代码之间的中间代码、诸如以部分编译形式的形式出现，或者以任何其它期望的形式出现。
一个实施例涉及一种可由计算机读取的记录介质，其上记录了根据本文的计算机程序。
记录介质可以是能够储存程序的任何实体或设备。例如，介质可以包括一种诸如ROM的存储装置，例如CD-ROM或微电子回路ROM，或者磁记录装置，例如磁盘(软盘)或硬盘。
替代地，记录介质可以是集成电路或专用电子卡，程序被纳入其中，该电路或卡适合于执行或被用于执行有关方法。
一个实施方案涉及一种集成电路或电子卡，该集成电路或电子卡被构造成执行根据本文的方法。
附图说明
在阅读下文通过非限制性示例给出的不同实施例的详细说明后，将更好地理解本文的主题及其优点。本说明书涉及附图的页面，附图中：
[图1]图1示出了配备双涡轮机的飞行器，
[图2]图2详细示出了图1的涡轮机，以及
[图3]图3示出了用于控制图2的涡轮机的方法。
具体实施方式
图1示出了旋转翼飞行器100，在该示例中为直升机，其具有联接至用于其致动的推进组件50的主旋翼102和抗扭矩尾旋翼104。图示的推进组件50包括两个涡轮机10，即在该示例中为两个涡轮轴，其输出轴12都连接到主变速箱106以致动主旋翼102和尾旋翼104。
参考图2对涡轮机10进行更详细的描述，本说明书适用于两个涡轮机10。涡轮机10从上游到下游包括进气壳体11、高压压缩机12、低压压缩机14、燃烧室16、高压涡轮18和动力涡轮20。高压压缩机12、低压压缩机14、燃烧室16和高压涡轮18形成气体发生器15，构造成产生驱动动力涡轮20所需的气体。该动力涡轮20驱动连接到变速箱24的发动机轴22旋转，其驱动轴12旋转。
涡轮机10具有临时的功率增加装置26，包括冷却剂储存器26A和注射回路26B。在该示例中，回路26B可以具有带有可变流率的泵26B1、带有固定开口(开/关式开口)的阀26B2和注射歧管26B3。在该示例中，泵26B1可以是电动泵并且阀26B2可以是电动阀。因此，冷却剂从储存器26A流向泵26B1，随后从泵26B1流向阀26B2，再随后从阀26B2流向注射部26B3。在该示例中，注射部26B3在进气壳体11的增压部内、在高压压缩机12的上游注射冷却剂。例如，注射部26B3可以由壳体11的冲洗孔形成。根据一个变型，注射部可以在更下游处打开，在用于引导进气13的叶片、也称为进气叶片(IGV)的阶段中打开。
在该示例中，临时功率增加装置26由控制单元30控制，其直接控制泵26B1和阀26B2。在该示例中，控制单元30可以是涡轮机10的全权限数字电子控制(或FADEC)系统。控制单元30接收来自各种传感器32的信息，这些传感器的数量和性质不受限制。控制单元30包括形成记录介质、存储计算机程序的ROM 30A，计算机程序包括用于执行下文所述的控制方法的指令。换句话说，当所述计算机程序由计算机执行时，控制单元30形成计算机的一个示例，而ROM 30A形成记录介质的一个示例，在其上记录了包括用于执行下文所述控制方法的指令的计算机程序。
参考图3描述了控制涡轮机10的方法，或换言之，控制临时功率增加装置26(以下简称装置)的方法。该方法由控制单元30执行。
在第一步骤E1期间，确定装置26是否可激活。在该示例中，能根据参数组L1确定装置26是否可激活，该参数组L1参数包括储存器26A内部的冷却剂的液位Nf、储存器26A内部的冷却剂的温度Tf、注射歧管26B3的液位处的冷却剂的压力Pf、以及临时功率增加装置26的注射回路26B的泵26B1的转子转速Nep。例如，这些不同参数的值可以经由传感器32实时测量。
如果确定装置26不再可激活(步骤E1为“否”)，例如因为冷却剂的液位太低，或者因为泵26B1不能正确操作，则该方法终止。在该示例中，当方法终止时，它会回到步骤E1的开始。例如，在再次开始步骤E1之前可以有一定延迟。如果确定装置26是可激活的(步骤E1为“是”)，那么该方法就行进到步骤E2。
在步骤E2期间，确定装置26是否必需激活。在该示例中，能根据参数组L2确定装置26是否必需激活，该参数组L2包括燃气发生器15的旋转速度N1、动力涡轮20的旋转速度N2、压缩机14的(即压缩机的所有级的)出口处的气体压力P3、动力涡轮20入口处的温度T45、轴22的发动机扭矩TQ、转子102的总距XPC、以及任何用户请求。例如，这些不同参数的值可以经由传感器32实时测量。
如果确定装置26不必需激活(步骤E2为“否”)，则该方法终止。在该示例中，当方法终止时，它会回到步骤E1的开始。例如，在再次开始步骤E1之前可以有一定延迟。如果确定装置26必需激活(E2为“是”)，例如因为人们基于上述参数而检测到涡轮机10瞬间失去动力或进入涡轮机10的预定额定功率(rating)或者对于额外动力的需要、或者用户的要求，那么装置26激活。为了做到这一点，控制单元可以激活泵26B1并且打开阀26B2。然后，该方法行进到步骤E3。
在步骤E3期间，控制经由歧管26B3注射的冷却剂的流率。在该示例中，能根据参数组L3控制流率，该参数组L3包括大气压力P0、环境温度T0、储存器26A内部的冷却剂的温度Tf、注射歧管26B3的液位处的冷却剂压力Pf、燃气发生器15的旋转速度N1、动力涡轮20的旋转速度N2、压缩机14的(即压缩机的所有级的)出口处的气体压力P3、动力涡轮20的入口处的温度T45、轴22的发动机扭矩TQ、以及转子102的总距XPC。例如，这些不同参数的值可以经由传感器32实时测量。为了调节流率，控制单元30直接驱动通过泵26B1递送的流率。例如，可以调节流率，使得冷却剂/空气的质量比率在1％和12％之间。
在调节流率时，该方法行进到步骤E4，在此期间，确定装置26是否可以停止。例如，步骤E3和步骤E4之间有一定的延迟，但不是必需的。
在步骤E4期间，确定装置26是否可以停止。例如，可以根据参数组L4确定装置26可以停止，该参数组L4包括储存器26A内部的冷却剂的液位Nf、储存器26A内部的冷却剂的温度Tf、临时功率增加装置26的激活时间(即步骤E2与步骤E4中的激活之间经过的时间)、涡轮机10的瞬时功率、或者用户请求。例如，这些不同参数的值可以经由传感器32实时测量。
如果确定不必需停止装置26(步骤E4为“否”)，则装置26保持激活，并且该方法返回到控制步骤E3。例如，在再次开始步骤E3之前可以有一定延迟。如果确定必需停止装置26(步骤E4为“是”)，例如因为储存器26A中不再有足够的冷却剂、因为装置26已经活动了预定的时间长度、因为涡轮机的瞬时功率在不可接受的阈值处、或者应用户的要求，则停止装置26。例如，为了停止装置26，控制单元30停止泵26B1并且关闭阀26B2。该方法因此终止并且回到步骤E1的开始。例如，在再次开始步骤E1之前可以有一定延迟。
尽管本发明已经参考具体的实施例进行了描述，但是显而易见的是，在不超出权利要求书所限定的本发明的一般范围的情况下，可以对这些示例进行修改和和改变。特别是，可以将图示/提到的不同实施例的各个特征组合在另外的实施例中。因此，需要以说明性而非限制性的意义来考虑说明书和附图。
同样显而易见的是，参考方法描述的所有特征可以被单独或组合地转换为设备，并且相反地，参考设备描述的所有特征可以被单独或组合地转换为方法。

Claims (11)

1.一种控制涡轮机(10)的方法，所述涡轮机(10)构造成组装在飞行器(100)上，所述涡轮机(10)包括临时功率增加装置(26)，所述装置包括储存器(26A)和注射回路(26B)，所述储存器(26A)构造成包含冷却剂，所述注射回路(26B)构造成经由在所述涡轮机(10)的至少一个压缩机级(12、14)上游的注射歧管(26B3)注射冷却剂，所述冷却剂的注射流率是可变的，所述控制方法包括：激活所述临时功率增加装置(26)的步骤(E2)，其中在所述涡轮机(10)的至少一个压缩机级(12、14)的上游注射冷却剂；以及控制冷却剂的流率的步骤(E3)，其中根据以下调节所注射的制冷剂的流率，即大气压力(P0)、和/或环境温度(T0)、和/或诸如气体发生器的旋转速度(N1)、低压涡轮或动力涡轮的旋转速度(N2)、在压缩机级的出口处的气体压力(P3)、在低压涡轮或动力涡轮的入口处的温度(T45)、发动机扭矩(TQ)的所述涡轮机的至少一个参数、和/或所述涡轮机(10)被构造成待组装的诸如直升机旋翼的总距(XPC)或一个或多个涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨的螺距的所述飞行器(100)的至少一个参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所注射的冷却剂的流率被调节成使得冷却剂/空气的质量比率在0.5％和15％之间，例如在1％和12％之间。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据来自所述储存器内部的冷却剂的温度(Tf)和所述注射歧管的液位处的冷却剂的压力(Pf)中的至少一个其它参数对所注射的冷却剂的流率进行调节。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，如果检测到所述涡轮机(10)的瞬时功率损失和/或如果检测到所述涡轮机(10)进入预定额定功率和/或如果检测到额外的功率需求和/或用户要求，则激活所述临时功率增加装置(26)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述临时功率增加装置(26)根据以下激活：
-所述涡轮机的至少一个参数，诸如气体发生器的旋转速度(N1)、低压涡轮或动力涡轮的旋转速度(N2)、在压缩机级的出口处的气体压力(P3)、在低压涡轮或动力涡轮的入口处的温度(T45)、发动机扭矩(TQ)，和/或
-所述飞行器(100)的至少一个参数，其中所述涡轮机(10)被构造成待组装的诸如直升机旋翼的总距(XPC)或一个或多个涡轮螺旋桨发动机的螺距。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在激活(E1)所述临时功率增加装置(26)之前确定所述临时功率增加装置(26)是否是可激活的。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：根据来自所述储存器内部的冷却剂的液位(Nf)、所述储存器内部的冷却剂的温度(Tf)、所述注射歧管的液位处的冷却剂的压力(Pf)、以及所述临时功率增加装置的注射回路的电动泵的旋转速度(Nep)中的至少一个参数来确定所述临时功率增加装置(26)是否是可激活的。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，根据来自所述储存器内部的冷却剂的液位(Nf)、所述储存器内部的冷却剂的温度(Tf)、所述临时功率增加装置的激活时间、所述涡轮机的瞬时功率中的至少一个参数、或者用户要求而停止(E4)所述临时功率增加装置(26)的激活。
9.一种计算机程序，包括当所述计算机程序由计算机执行时用于执行如权利要求1至8中任一项所述的方法的指令。
10.一种由计算机读取的记录介质(30A)，其上记录如权利要求9所述的计算机程序。
11.构造成用于执行如权利要求1至8中任一项所述的方法的集成电路或电子卡。
CN202080031076.4A 2019-04-24 2020-04-10 调节包括临时功率增加装置的涡轮机的方法 Pending CN113767214A (zh)

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