CN113825897A - 包括上游锥体的除冰系统的涡轮机，以及相关方法 - Google Patents

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Abstract

涡轮机(1)，包括定位在上游端并被固定以与低压轴(20)一起旋转的锥体(40)，所述锥体(40)的除冰系统，所述除冰系统包括定位在锥体(40)中的电阻加热元件(52)、能量传输系统(54)、耦合到高压轴(20)并通过开关组(58)连接到能量传输系统(54)的电源(56)，以及计算机(60)，所述计算机(60)被构造成根据环境压力和温度数据以及低压轴(20)的运行状态来限定对锥体(40)除冰的功率设定点，并且作为由电源(56)供给的电功率的函数，并且限定用于该开关组(58)切换的占空比，从而将电功率输送到电阻加热元件(52)。

Description

包括上游锥体的除冰系统的涡轮机，以及相关方法
技术领域
本发明涉及涡轮机的领域，更准确地说，是涉及涡轮机锥体的除冰系统，以及相关方法。
现有技术
飞行器上采用的涡轮机通常具有在涡轮机的进气口处定位在上游端的锥体。
然而，在结冰条件下的飞行过程中，在该锥体上存在积冰的风险。这种积冰具有双重问题。事实上，积冰过多会不必要地改变前锥体的质量和气动特性。此外，如果锥体上积聚的大量冰突然释放，由此释放的冰可能会被涡轮机吸收，这可能会损坏涡轮机。
一种已知的解决方案包括在涡轮机中抽取热气流，并在锥体的内腔中形成该热气流的循环。然而，很容易理解的是，在涡轮机中进行热空气将影响其效率，并导致燃油消耗增加，这非常不利。此外，具有高相对转速的部件之间的气流传递会导致在这些部件之间提供密封的问题。
一种已知的替代解决方案包括使用电气防冰系统，其包括定位在涡轮机锥体内壁上并由电源供电的加热元件。然而，该替代解决方案存在几个问题。对于旋转的前锥体，对耗散热功率的需求取决于空气到达锥体的速度，所述速度与低压轴的速度有关。该需求取决于由最小值和最大值限制的范围。事实上，耗散功率必须足以确保前锥体的合适防冰水平。然而，耗散功率必须不得导致温度超过前锥体材料所允许的最大温度，以避免这些材料的机械特性的损失。防冰系统使用的机械功率优选地直接在发动机上提取，以确保系统相对于飞机电气网络的自主性。该电源由发电机供给，所述发电机通过直接输出或通过齿轮箱机械地链接到涡轮喷气发动机的轴。关于涡轮喷气发动机的现有技术包括从连接到高压轴的单个齿轮箱提取能量。因此，对耗散热功率的需求取决于涡轮喷气发动机低压轴的速度，而可用电功率取决于涡轮喷气发动机高压轴的速度。然而，低压轴和高压轴的速度为独立地取决于飞行阶段、环境、涡轮喷气发动机的磨损及瞬态条件的不同速度。
因此，一种问题是加热元件的控制模式的可行性，其允许确保前锥体的合适防冰水平，并遵守锥体材料的最高允许温度，不管高压轴和低压轴在涡轮喷气发动机的所有工作点上的速度偏移如何。
因此，本发明寻求至少部分地响应这些问题。
发明内容
为此，本发明涉及一种涡轮机，其包括定子，每个都相对于定子旋转的高压轴、低压轴，以及沿气流方向定位在涡轮机的上游端并旋转地固定到低压轴的锥体，所述涡轮机包括所述锥体的除冰系统，所述系统包括定位在所述锥体的内壁上的多个电阻加热元件、在所述电阻加热元件和涡轮机定子之间的能量传输系统，所述锥体可相对于定子旋转，连接到高压轴并通过开关组连接到能量传输系统的电源，计算机，所述计算机被构造成根据环境温度和压力数据以及低压轴的运行速度来限定对锥体除冰的功率设定点，并且根据电源供给的电功率来限定该开关组的占空比，从而向电阻加热元件输送电功率。
根据一个示例，所述计算机被构造成根据涡轮机高压轴的运行速度来确定由电源供给的电功率。
根据一个示例，涡轮机还包括定位在开关组和能量传输系统之间的功率传感器，其适于向计算机提供关于被输送到能量传输系统的功率的信息。
然后，涡轮机通常包括估计器和诊断单元，所述估计器被构造成根据高压轴的运行速度和由计算机确定的占空比来确定电阻加热元件耗散的理论功率，所述诊断单元被构造成比较由计算机确定的理论耗散功率和由功率传感器测量的输送到能量传输系统的功率，并且如果由计算机确定的理论耗散功率与由功率传感器测量的输送到能量传输系统的功率之间的偏差大于或等于阈值，则向用户输送错误信号。
根据一个示例，能量传输系统是旋转变压器，其包括旋转地固定到锥体的移动组件，以及固定到定子的固定组件。
根据一个示例，所述一个电源是连接到高压轴的永磁交流发电机。
本发明还涉及一种飞行器，其包括先前限定的涡轮机。
本发明还涉及一种涡轮机的上游锥体的除冰方法，其中根据锥体的环境温度和压力条件以及锥体的转速(其对应于涡轮机低压轴的速度，所述锥体固定到低压轴)限定了所需的除冰功率设定点，根据由连接到涡轮机高压轴的电源供给的电功率限定了开关组的占空比，通过占空比控制所述开关组，从而经由在所述电阻加热元件和涡轮机定子之间的能量传输系统将电功率输送到定位在锥体中的电阻加热元件。
根据一个示例，根据涡轮机高压轴的转速确定由电源供给的电功率。
根据一个示例，通过一种提供关于输送到能量传输系统的功率信息的功率传感器确定由电源供给的电功率。
附图简要说明
在阅读经由非限制性示例给出的本发明不同实施例的以下进行的详细说明书后，将更好地理解本发明及其优点。该说明书参考附图页，其中：
图1示出了根据本发明一个方面的涡轮机的示意图。
图2是图1的涡轮机的上游区域的详细视图。
图3是根据本发明一个方面的系统操作的示意图。
图4是根据本发明一种变型的系统操作的示意图。
在所有附图中，共同原件均标注有相同的附图标记。
具体实施方式
图1和2示意性地显示根据本发明一个方面的涡轮机。这些附图中所示的是涡轮机1的一部分的剖面图。所示的涡轮机1包括沿主轴Z-Z延伸的低压轴10，所述主轴限定涡轮机的纵向方向并将低压压缩机12连接到低压涡轮14，沿纵向方向延伸并将高压压缩机22连接到高压涡轮24的高压轴20，定位在高压压缩机22和高压涡轮24之间的燃烧室4。
低压轴10链接到风扇16，并且具有沿气流方向定位在其上游端的锥体40。如前文所表示的，本发明旨在提出一种防止在该锥体40形成冰的系统和方法。
该涡轮机还包括一在此示意性显示的附件齿轮箱7。需要注意的是，附件齿轮箱7的定位也可以变化，并且在图1中是任意的。这些不同组件的操作众所周知，这里不再详细地描述。此外，需要注意的是，涡轮机部件的命名“高压”和“低压”通常由本领域技术人员所认可，并且不指定绝对压力值而是相对压力值，低压部件内的流体压力小于类似高压部件内的流体压力。
低压轴10和高压轴20相对于机壳30沿主轴Z-Z旋转地安装，所述机壳30通常表示限定涡轮机1外壳的诸多元件，并且涡轮机1经由所述元件固定到飞行器，机壳30因此相对于飞行器固定，与沿主轴Z-Z旋转地安装的高压轴20和低压轴10不同。固定在这里是指在在定子意义上固定的元件，适于固定的元件也会受到导致变形的力和应力。
如图所示的涡轮机1设置有对其锥体40除冰的系统50，如附图中示意性显示的那样。
如图所示的除冰系统50包括定位在锥体40中的多个电阻加热元件52、在电阻加热元件52和涡轮机1的定子之间的能量传输系统54，连接到高压轴20并通过开关组58连接到能量传输系统54的电源56，以及计算机60。
电阻加热元件52通常是定位在锥体40内壁上的电阻加热衬垫，以便在激活电阻加热元件52时并对其提供能量时允许加热锥体40。
电源56通常是连接到高压轴20的永磁交流发电机。电源56被构造成根据高压轴20的转速输送电功率。
电源56通过能量传输系统54连接到电阻加热元件52。能量传输系统54在涡轮机1的固定组件(或定子)和定位在涡轮机1的旋转锥体40中的电阻加热元件52之间提供能量传输。能量传输系统54通常包括旋转变压器，其具有固定到涡轮机1定子的固定组件(或定子)，以及旋转地固定到锥体40的移动组件(或转子)。例如，能量传输系统54的定子可被固定到轴承支架，所述轴承支架定位在涡轮机1的压缩机空腔中。
开关组58插入在电源56和能量传输系统54之间。该开关组58被构造成控制被传输到能量传输系统54的功率，并且因此控制传输到电阻加热元件52的功率。
计算机60通过控制该开关组58的占空比来控制供给到电阻加热元件52的电源。更通常地，计算机60确定所需的除冰功率以便于为电阻加热元件52供电，并限定开关组58的占空比，从而供给适于电阻加热元件52的电功率。
根据环境温度T和压力P条件以及根据标记为N1的低压轴10的速度，通过计算机60完成了所需除冰功率的确定。事实上，对于旋转上游锥体40，完成锥体40除冰功率需求取决于环境条件，并且也取决于锥体上的空气流速，所述流速与风扇16的转速有关，并且因此与低压轴10的转速N1有关。
然后，计算机60确定了该开关组58的占空比，从而供给适于电阻加热元件52的电功率。如前所述，电源56连接到高压轴20；因此产生的电功率直接地取决于高压轴20的转速(标记为N2)。然而，高压轴20的转速与低压轴10的转速并不相关。因此，根据电源56供给的电功率以及所需的除冰功率构造了计算机60，从而限定该开关组58的占空比，以输送电功率到电阻加热元件52。
因此，计算机60可以根据涡轮机1的高压轴20的转速N2确定由电源56供给的电功率。这种类型的操作如图3示意性地示出。
因此，图3示意性地显示：
-T：环境温度值(或锥体40周围的外部温度)。
-P：环境压力值(或锥体40周围的外部压力)。
-N1：低压轴的速度。
-N2：高压轴的速度。
-Ecdr：所需除冰功率的计算。
-Cdr：除冰功率设定点。
-Erc：占空比的计算。
-Rc：占空比。
计算机60因此可以根据电源56输送的功率适配该开关组58的占空比，其允许避免由于高压轴20的转速N2太高而导致供给到电阻加热元件52的电功率过大的情况。更准确地，对系统建模允许限定一种使除冰功率与高压轴速度联系的定律，从而允许限定不同的飞行阶段的占空比。因此建立的定律考虑了公差和变化，特别是用于电源56和不同电气部件以及用于电阻加热元件52的公差和变化。
因此，本实施例使得可确保可用电功率和涡轮机的不同操作模式的所需除冰功率之间的匹配，同时避免添加额外的传感器，特别是安装在旋转元件上的传感器。
作为一种变型，该系统包括一个在开关组58和能量传输系统54之间定位在能量传输系统54上游的功率传感器62。该功率传感器62因此测量被输送到能量传输系统54的输入处的功率。因此测量的信息被供给到计算机60用于计算占空比，而非使用高压轴20的运行速度N2。该变型如图4示意性地示出。该变型允许省去能量传输系统54上游的不同部件的特性变型，以确定占空比，并且因此使得可改进系统的精度。
该系统还可以完成评估和诊断功能，这些功能能够由计算机60或专用部件完成。
这些可选功能在图4中示意性地示出，其在此被示出为由计算机60完成。
然后，计算机60根据确定的占空比和高压轴20的速度确定理论除冰功率，即根据系统的特性评估供给到电阻加热元件52的除冰功率。然后将因此计算的理论除冰功率与由功率传感器62测量的功率进行比较，以完成系统诊断。如果理论除冰功率和所测量功率之间的差距大于阈值，则发送错误信号以向用户指示故障。
因此，图4示意性地显示：
-T：环境温度值。
-P：环境压力值。
-N1：低压轴的速度。
-N2：高压轴的速度。
-Ecdr：所需除冰功率的计算。
-Cdr：除冰功率设定点。
-Erc：占空比的计算。
-Rc：占空比。
-Pm：所测量的功率。
-Epd：除冰功率的估算。
-Ed：诊断完成。
-Es：错误信号。
该变型因此允许改进除冰精度方面的性能，同时通过诊断方法限制与在旋转参考系中引入传感器相关的系统可靠性损失的影响，从而允许检测和考虑可能的故障。

Claims (10)

1.一种涡轮机(1)，包括定子、高压轴(20)、低压轴(10)，所述高压轴(20)和低压轴(10)均可相对于所述定子旋转，以及锥体(40)，所述锥体(40)沿气流方向位于所述涡轮机(1)的上游端，并旋转地固定到所述低压轴(20)上，所述涡轮机(1)包括所述锥体(40)的除冰系统，该系统包括：
-位于所述锥体(40)的内壁上的电阻加热元件(52)，
-在所述电阻加热元件(52)与所述涡轮机(1)的定子之间的能量传输系统(54)，所述锥体(40)可相对于所述定子旋转，
-与所述高压轴(20)相连，并通过一组开关(58)连接到所述能量传输系统(54)的电源(56)，
-计算机(60)，
所述计算机(60)设置为：
-根据环境温度和压力数据以及所述低压轴(20)的运行速度来限定对所述锥体(40)除冰的功率设定点，并且
-根据电源(56)供给的电功率来限定该组开关(58)的占空比，从而向所述电阻加热元件(52)输送电功率。
2.根据权利要求1所述的涡轮机(1)，其中，所述计算机(60)设置为根据所述涡轮机的高压轴(N2)的运行速度来确定由所述电源(56)供给的电功率。
3.根据权利要求1所述的涡轮机(1)，还包括位于该组开关(58)与所述能量传输系统(54)之间的功率传感器(62)，所述功率传感器适于向所述计算机(60)提供关于被输送到所述能量传输系统(54)的功率的信息。
4.根据权利要求3所述的涡轮机(1)，还包括估计器和诊断单元，所述估计器设置为根据所述高压轴(N2)的运行速度和由所述计算机(60)确定的占空比来确定由所述电阻加热元件(52)耗散的理论功率，所述诊断单元设置为比较由所述计算机(60)确定的理论耗散功率和由所述功率传感器(62)测量的输送到所述能量传输系统(54)的功率，如果由所述计算机(60)确定的理论耗散功率与由所述功率传感器(62)测量的输送到所述能量传输系统(54)的功率之间的偏差大于或等于一个阈值，则向用户输送一错误信号。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮机(1)，其中，所述能量传输系统(54)是旋转变压器，其包括旋转地固定到所述锥体(40)上的可移动组件，以及固定到所述定子上的固定组件。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮机(1)，其中，所述一个电源(56)是连接到所述高压轴(10)的永磁交流发电机。
7.一种飞行器，包括根据权利要求1至6中任一项所述的涡轮机(1)。
8.一种为涡轮机(1)的上游锥体(40)除冰的方法，其中：
a-根据锥体(40)的环境温度和压力条件以及涡轮机(1)的低压轴(10)的运转速度限定一所需的除冰功率设定点，所述锥体(40)固定到低压轴(10)，
b-根据所需的除冰功率和由连接到涡轮机(1)高压轴(10)的电源(56)供给的电功率限定一组开关(58)的占空比，
c-通过所述占空比控制所述组开关(58)，从而经由在所述电阻加热元件(52)与所述涡轮机(1)的定子之间的能量传输系统(54)将电功率输送到位于所述锥体(40)中的电阻加热元件(52)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，根据所述涡轮机(1)的高压轴(10)的转速确定由电源(56)供给的电功率。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，利用一提供关于输送到能量传输系统(54)的功率信息的功率传感器(62)确定由电源(56)供给的电功率。
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