CN114109618A - 混合动力发动机速度调节 - Google Patents

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CN114109618A CN202111004356.9A CN202111004356A CN114109618A CN 114109618 A CN114109618 A CN 114109618A CN 202111004356 A CN202111004356 A CN 202111004356A CN 114109618 A CN114109618 A CN 114109618A
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罗伯特·乔恩·麦奎斯顿
卡梅伦·罗伊·诺特
斯蒂芬·约瑟夫·卡法罗
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Abstract

提供了一种用于操作混合动力燃气涡轮发动机的方法。该方法包括：接收指示轴的实际旋转速度的数据；计算轴的实际旋转速度与轴的命令旋转速度之间的误差；将计算的误差提供给能够与混合动力推进发动机的燃料输送系统一起操作的燃料流控制回路；将计算的误差提供给能够与混合动力推进发动机的电机一起操作的电机控制回路，该电机驱动地联接到轴；以及基于计算的误差，利用电机控制回路，修改来自电机的轴上的扭矩。

Description

混合动力发动机速度调节
相关申请的交叉引用
本申请是一项非临时申请，根据35U.S.C.§119(e)要求对2020年8月31日提交的美国临时申请第63/072,573号享有优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本主题大体涉及一种用于混合动力发动机的系统和方法，以调节发动机的旋转速度。
背景技术
传统的商用飞行器通常包括机身、一对机翼和提供推力的推进系统。推进系统通常包括至少两个飞行器发动机，如涡轮风扇喷气发动机。每个涡轮风扇喷气发动机通常安装在飞行器的相应一个机翼上，例如在机翼下的悬挂位置，与机翼和机身分开。
混合动力推进系统正在被发展以提高传统商用飞行器的效率。各种混合动力推进系统包括由飞行器发动机之一驱动的电机。本公开的发明人提出了各种构造和/或方法来改进目前已知的混合动力推进系统。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分阐述，或者从描述中可以明显看出，或者通过本发明的实践可以了解。
在本公开的一个示例性方面，提供了一种用于操作混合动力燃气涡轮发动机的方法。该方法包括：接收指示轴的实际旋转速度的数据；计算轴的实际旋转速度与轴的命令旋转速度之间的误差；将计算的误差提供给能够与混合动力推进发动机的燃料输送系统一起操作的燃料流控制回路；将计算的误差提供给能够与混合动力推进发动机的电机一起操作的电机控制回路，该电机与轴驱动地联接；以及基于计算的误差，利用电机控制回路，修改来自电机的轴上的扭矩。
参照以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。结合到本说明书并构成其一部分的附图说明了本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且可行的公开，包括其最佳模式，其中：
图1是根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意性横截面图。
图2是根据本公开的另一个示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意性横截面图。
图3是描述实际轴速度和命令轴速度的图表。
图4是用于控制轴速度的控制方案的示意图。
图5是用于操作燃气涡轮发动机的方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的现有实施例，附图中说明了其中的一个或多个示例。详细描述使用数字和字母名称来指代附图中的特征。在附图和描述中，相似或类似的名称被用来指代本发明的相似或类似部分。
如本文所使用的，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用，以区分一个部件和另一个部件，而不是为了表示各个部件的位置或重要性。
术语“前面”和“后面”指的是燃气涡轮发动机或运载器内的相对位置，并指燃气涡轮发动机或运载器的正常操作姿态。例如，就燃气涡轮发动机而言，前面是指靠近发动机进气口的位置，后面是指靠近发动机喷嘴或排气口的位置。
术语“上游”和“下游”指的是相对于路径中的流动的相对方向。例如，就流体流动而言，“上游”是指流体流自的方向，而“下游”是指流体流向的方向。然而，本文所用的术语“上游”和“下游”也可以指电的流动。
单数形式的“一”、“一个”、“该”包括复数参考，除非上下文明确规定了其他情况。
本文在整个说明书和权利要求书中使用的近似语言被应用于修改任何可以允许变化而不导致与之相关的基本功能变化的定量表示。因此，由一个或多个术语，如“约”、“大约”和“基本上”，所修改的数值并不限于指定的精确数值。至少在某些情况下，近似的语言可以对应于测量该值的仪器的精度，或构建或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。至少在某些情况下，近似语言可以对应于测量数值的仪器的精度，或者构建或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似的语言可以指在单个数值、数值范围和/或限定数值范围的端点的1、2、4、5、10、15或20％的范围内。
在这里以及整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换，这样的范围被识别并包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有指示。例如，本文公开的所有范围都包括端点，并且端点可以相互独立组合。
可以理解的是，本章中使用的任何参考数字可能不是指与其他章节中相同参考数字相关的相同部件和特征。
本公开大体涉及一种用于调节燃气涡轮发动机的轴的旋转速度的系统和方法。例如，本公开的系统和方法可以调节燃气涡轮发动机的低压轴的旋转速度，该低压轴驱动燃气涡轮发动机的风扇。
所公开的系统和方法利用能够与轴一起旋转的电机，以及包括燃料流控制回路和电机控制回路的控制方案。燃料流控制回路通常可用于通过增加或减少到发动机的燃料流来调节轴的速度，以控制轴速度。相比之下，电机控制回路可以通过向轴添加或从轴提取相对较小的功率量来解决高于和低于设定轴速度的轴速度的振荡。
在某些示例性方面，该系统和方法可以接收指示轴的实际旋转速度的数据，并计算相对于期望的轴的旋转速度的误差。该误差可被提供给燃料流控制回路和电机械控制回路。电机控制回路可以向例如电机电源提供命令，以便向电机提供功率，以基于计算的误差，修改来自电机的轴的扭矩。附加地或替代地，，电机控制回路可以向例如电机提供命令，以基于计算的误差从电机的轴上提取功率。
本公开的系统和方法可在操作期间使轴的旋转速度正常化。这可以减少某些部件(例如，在燃料系统内)的周期，并进一步可以改善发动机的燃料消耗。
现在参考图1，提供了可包含本公开的一个或多个创造性方面的燃气涡轮发动机的示例性实施例的横截面图。特别地，图1的示例性燃气涡轮发动机被构造为单个非管道式转子发动机10，其限定了轴向方向A、径向方向R和周向方向C。从图1可以看出，发动机10采取了开放式转子推进系统的形式，并且具有转子组件12，其包括围绕发动机10的中心纵向轴线14布置的翼型件的阵列，并且更特别地包括围绕发动机10的中心纵向轴线14布置的转子叶片16的阵列。
此外，正如将在下面更详细地解释的那样，发动机10另外还包括定位在转子组件12后方的非旋转轮叶组件18(即，相对于中心轴线14非旋转)，其包括也围绕中心轴线14布置的翼型件的阵列，并且更具体地包括围绕中心轴线14布置的轮叶20的阵列。
转子叶片16围绕中心线14以典型的等间隔关系布置，并且每个叶片具有根部22和尖端24以及在它们之间限定的跨度。同样，轮叶20也是围绕中心线14以典型的等间隔关系布置，每个轮叶都有根部26和尖端28以及在它们之间限定的跨度。转子组件12还包括位于多个转子叶片16前方的轮毂44。
此外，发动机10包括具有核心(或高压/高速系统)32和低压/低速系统的涡轮机30。可以理解的是，正如本文所使用的，术语“速度”和“压力”是相对于高压/高速系统和低压/低速系统可互换地使用。此外，可以理解的是，术语“高”和“低”"是在同一语境中用来区分这两个系统的，并不意味着暗示任何绝对的速度和/或压力值。
核心32一般包括高速压缩机34、高速涡轮36、以及在其间延伸并连接高速压缩机34和高速涡轮36的高速轴38。高速压缩机34、高速涡轮36和高速轴38可统称为发动机的高速线轴。此外，燃烧区段40位于高速压缩机34和高速涡轮36之间。燃烧区段40可以包括一个或多个构造，用于接收燃料和空气的混合物，并提供燃烧气体流经高速涡轮36以驱动高速线轴。
低速系统类似地包括低速涡轮机42、低速压缩机或增压器44、以及在低速压缩机44和低速涡轮机42之间延伸并连接的低速轴46。低速压缩机44、低速涡轮42和低速轴46可统称为发动机的低速线轴55。
尽管发动机10被描述为低速压缩机44位于高速压缩机34的前方，但在某些实施例中，压缩机34、44可以处于相互交错的布置中。附加地或替代地，，尽管发动机10被描述为高速涡轮36位于低速涡轮42的前方，但在某些实施方案中，涡轮36、42可以类似地处于相互交错的布置中。
仍然参考图1，涡轮机30通常被包裹在整流罩48中。此外，可以理解的是，整流罩48至少部分地限定了进气口50和排气口52，并包括在进气口50和排气口52之间延伸的涡轮机械流动通道54。进气口50在所示的实施例中是环形或轴对称的360度进气口50，其位于转子叶片组件12和固定或静止轮叶组件18之间，并为进入的大气空气提供路径，以沿着径向方向R进入导向轮叶28内侧的涡轮机械流动通道54(以及压缩机44、34、燃烧区段40和涡轮36、42)。这样的位置可能由于各种原因有利，包括管理结冰性能以及保护进气口50免受操作中可能遇到的各种物体和材料的影响。
然而，在其他实施例中，进气口50可以定位在任何其他合适的位置，例如，在轮叶组件18的后面，以非轴对称的方式布置，等等。
如图所示，转子组件12由涡轮机30驱动，更具体地说，由低速线轴55驱动。更具体地说，仍然是图1所示的实施例中的发动机10包括动力齿轮箱56，并且转子组件12由涡轮机30的低速线轴55穿过动力齿轮箱56驱动。以这样的方式，转子组件12的旋转转子叶片16可以围绕轴线14旋转并产生推力，以推动发动机10，并因此沿前进方向F推动与其相关联的飞行器。例如，在某些实施例中，以类似于图1中描述的示例性发动机10的方式构造的一个或多个发动机可以被结合到图1、4和/或5的飞行器中并加以利用。
动力齿轮箱56可以包括用于相对于低速涡轮42降低低速线轴55的旋转速度的齿轮组，从而转子组件12可以以比低速线轴55更慢的旋转速度旋转。
如上所述，发动机10包括轮叶组件18。轮叶组件18从整流罩48延伸出来，位于转子组件12的后面。轮叶组件18的轮叶20可以安装在固定框架或其他安装结构上，并且不相对于中心轴线14旋转。为参考目的，图1还用箭头F描绘了前进方向，这又限定了系统的前部和后部。如图1所示，转子组件12位于涡轮机30的前方，呈“拉动”构造，并且排气口52位于导向轮叶28的后面。正如可以理解的那样，轮叶组件18的轮叶20可以被构造为从转子组件12拉直气流(例如，减少气流中的漩涡)以提高发动机10的效率。例如，轮叶20的尺寸、形状和构造可以被设计为使来自转子叶片16的气流产生反作用的漩涡，以便在两排翼型件(例如，叶片16、轮叶20)之后的下游方向上，气流的漩涡程度大大降低，这可以转化为诱导效率的提高。
仍然参考图1，可能期望转子叶片16、轮叶20或两者都包含桨距变化机构，从而使翼型件(例如，叶片16、轮叶20等)可以相对于桨距旋转轴线独立或相互结合地旋转。这种桨距变化可用于在各种操作条件下改变推力和/或漩涡效应，包括调整在转子叶片16上产生的推力的大小或方向，或提供推力逆转特征，这在某些操作条件下可能是有用的，如在飞行器着陆时，或理想地调整至少部分由转子叶片16、轮叶20或来自转子叶片16相对于轮叶20的空气动力相互作用产生的声学噪音。更具体地说，对于图1的实施例，转子组件12被描述为具有桨距变化机构58，用于围绕它们各自的桨距轴线60旋转转子叶片16，而轮叶组件18被描述为具有桨距变化机构62，用于围绕它们各自的桨距轴线64旋转轮叶20。
然而，可以理解的是，图1中描绘的示例性单个转子非管道式发动机10仅仅是举例说明，在其他示例性实施例中，发动机10可以具有任何其他合适的构造，包括例如任何其他合适数量的轴或线轴、涡轮、压缩机等；固定桨距叶片16、20或两者；直接驱动构造(即，可以不包括齿轮箱56)；等等。例如，在其他示例性实施例中，发动机10可以是三线轴发动机，有中速压缩机和/或涡轮。在这样的构造中，可以理解的是，本文中关于涡轮、压缩机或线轴的速度和/或压力的术语“高”和“低”是方便区分部件的术语，但不要求任何具体的相对速度和/或压力，并且不排斥额外的压缩机、涡轮和/或线轴或轴。
附加地或替代地，在其他示例性实施例中，可以提供任何其他合适的燃气涡轮发动机。例如，在其他示例性实施例中，该燃气涡轮发动机可以是涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷气发动机等。此外，例如，尽管该发动机被描述为单个非管道式转子发动机，在其他实施例中，该发动机可以包括多级开放式转子构造，下面描述的公开的各个方面可以结合在本文中。
进一步，还是在其他示例性实施例中，发动机10可以被构造为管道式涡扇发动机。例如，简要地参考图2，描述了根据本公开的另一示例性实施例的发动机10。图2的示例性实施例的构造方式与上述关于图1的示例性发动机10基本相同，并且相同或类似的参考数字可指相同或类似的部分。然而，如将理解的，对于所示的实施例，发动机10进一步包括机舱80，机舱80至少部分地周向地围绕着转子组件12和涡轮机30，在它们之间限定了旁路通道82。
现在回到图1，可以理解的是，对于所示的实施例，示例性的混合动力推进系统进一步包括燃料输送系统66。燃料输送系统66通常包括燃料源68(其可以是，例如，包括发动机10的飞行器的燃料箱)、在燃料源68和发动机10的燃烧区段40之间延伸的一条或多条燃料管线70以及燃料阀72。燃料阀72与一条或多条燃料管线70进行流体连通，被构造为调节从燃料源68通过一条或多条燃料管线70到燃烧区段40的燃料流。燃料阀72可被称为燃料计量单元(“FMU”)，或构造为燃料计量单元(“FMU”)的一部分，并可通常控制发动机10的动力输出。
此外，将进一步理解到，发动机与电力系统100集成。电力系统100通常包括与高压系统(或核心32)或低压系统中的至少一个联接的电机102，以及能量储存单元104。
进一步，对于所示的实施例，电力系统100包括电连接电力系统100的各个部件的电力总线108。电力总线108可以是，例如，以任何合适的构造布置的一条或多条电线。
仍然参考图1的示例性实施例，虽然没有描绘，但可以理解的是，示例性电力系统也可以包括辅助动力单元。辅助动力单元，如果包括的话，可以包括驱动发电机的内燃机，并且可以位于远离发动机10的地方。例如，在至少某些示例性实施例中，辅助动力单元，如果提供的话，可以位于使用发动机10的飞行器的机身内，例如，在飞行器的后端，并与电力总线108电联接。
进一步地，仍然是对于所示的实施例，电力系统100的电机102是与发动机的低压系统联接的LP电机102A。更具体地说，对于所示的实施例，LP电机102A被嵌入发动机10内，位于发动机10的涡轮区段内或后面的位置，并且在沿径向方向R通过发动机10的核心气流路径54的内侧。然而，可以理解的是，在其他示例性实施例中，LP电机102A可以另外或替代地以其他合适的方式构造。例如，在其他实施例中，LP电机102A可以嵌入发动机10的压缩机区段，可以沿径向方向R位于核心气流路径54的外侧(以及，例如，在整流罩48内)，等等。
此外，对于所示的实施例，LP电机102A不是与发动机10集成的电力系统100的唯一电机102。更具体地说，电力系统100进一步包括高压电机102B，其与发动机10的高压系统/核心联接，并且与电力总线108进行电连通。在所示的实施方案中，HP电机102B也在核心气流路径54的内侧位置被嵌入发动机10内。然而，在所示的实施方案中，HP电机102B位于发动机10的压缩机区段内。可以理解的是，在其他实施例中，HP电机102B可以替代性地沿着径向方向R定位在核心气流路径54的外侧，通过例如齿轮连接来驱动。例如，在某些实施方案中，HP电机102B可以与附件齿轮箱(未示出)联接，该附件齿轮箱又与发动机10的高压系统联接。
在至少某些示例性实施例中，能量储存单元104可以包括一个或多个电池。此外，或替代地，能量储存单元104可以包括一个或多个超级电容器阵列、一个或多个超级电容器阵列，或两者。在至少某些实施例中，能量储存单元104可以被构造为向电力系统100提供至少5千瓦(kW)的能量，例如至少50千瓦，例如至少50千瓦，例如至少250千瓦，例如至少300千瓦，例如至少350千瓦，例如至少400千瓦，例如至少500千瓦，例如高达5兆瓦(MW)，例如高达10兆瓦(MW)。此外，能量储存单元104可以被构造为提供这种电力至少两分钟，例如至少三分钟，例如至少五分钟，例如高达一个小时。
仍然参考图1，示例性电力系统100可操作地连接到控制器116。控制器116可以是发动机10的发动机控制器(例如，全权限数字发动机控制控制器)，可以是飞行器控制器，可以是专用于电力系统100的控制器，等等。
控制器116可以被构造为在发动机10的操作期间接收指示发动机10的各种操作条件和参数的数据。例如，发动机10包括一个或多个传感器114，其被构造为感测指示发动机10的各种操作条件和参数的数据，例如旋转速度、温度、压力、振动等。然而，更具体地说，对于图1中描述的示例性实施例，一个或多个传感器114包括第一速度传感器114A，其被构造为感测指示转子组件12的一个或多个参数的数据(例如，旋转速度、加速度、驱动转子组件12的转子轴上的扭矩等)；第二传感器114B，其被构造为感测指示高压系统的数据(例如高压线轴38的旋转速度、压缩机出口温度等)；第三传感器114C，其被构造为感测指示一个或多个燃烧区段参数的数据(例如燃烧区段40内的温度、流向燃烧区段40的燃料、燃烧区段40内或周围的一个或多个压力等)、一个或多个高压涡轮参数(如涡轮进气口温度、高压涡轮36的旋转速度等)，或两者；第四传感器114D，其可操作为感测指示低压系统的一个或多个参数的数据(例如低压线轴55的旋转速度)；以及第五传感器114E，其被构造为感测指示一个或多个可变几何形状部件的数据(例如一个或多个可变进气口导向轮叶、出口导向轮叶、转子叶片16、导向轮叶20的位置等)。
特别参考控制器116的操作，在至少某些实施例中，控制器116可以包括一个或多个计算装置118。计算装置118可以包括一个或多个处理器118A和一个或多个存储器装置118B。一个或多个处理器118A可以包括任何合适的处理装置，例如微处理器、微控制器、集成回路、逻辑装置和/或其他合适的处理装置。一个或多个存储器装置118B可以包括一个或多个计算机可读介质，包括但不限于非临时性计算机可读介质、RAM、ROM、硬盘、闪存驱动器和/或其他存储器装置。
一个或多个存储器装置118B可以储存一个或多个处理器118A可访问的信息，包括可由一个或多个处理器118A执行的计算机可读指令118C。指令118C可以是任何一组指令，指令在被一个或多个处理器118A执行时，使得一个或多个处理器118A执行操作。在一些实施例中，指令118C可以由一个或多个处理器118A执行，以使一个或多个处理器118A执行操作，例如控制器116和/或计算装置118被构造的任何操作和功能、用于操作电力系统100的操作(例如方法300)，如本文所述，和/或一个或多个计算装置118的任何其它操作或功能。指令118C可以是用任何合适的编程语言编写的软件，或者可以用硬件实现。此外，和/或替代性地，指令118C可以在处理器118A上以逻辑地和/或虚拟地独立的线程执行。存储器装置118B可以进一步储存可由处理器118A访问的数据118D。例如，数据118D可以包括指示动力流的数据，指示发动机10/飞行器操作条件的数据，和/或本文所述的任何其他数据和/或信息。
计算装置118还可以包括网络接口118E，其用于例如与发动机10的其他部件、包含发动机10的飞行器、电力系统100等进行通信。例如，在所描述的实施例中，如上所述，发动机10包括一个或多个传感器114，用于感测指示发动机10和各种附件系统的一个或多个参数的数据，并且电力系统100包括能量储存单元104、LP电机102A、HP电机102B和辅助动力单元。控制器116通过例如网络接口118E可操作地联接到这些部件，从而控制器116可以接收指示由一个或多个传感器114在操作期间感测到的各种操作参数的数据、部件的各种操作条件等，并且进一步可以提供命令以控制电力系统100的电流量和这些系统的其他操作参数，例如，响应由一个或多个传感器114感测到的数据和其他条件。
网络接口118E可以包括用于与一个或多个网络接口的任何合适的部件，例如包括发射器、接收器、端口、控制器、天线和/或其他合适的部件。例如，在所示的实施例中，网络接口118E被构造为与这些部件无线通信的无线通信网络(如图1中虚线通信线所示)。
本文讨论的技术提到了基于计算机的系统以及由基于计算机的系统采取的行动和向其发送以及来自其的信息。本领域的普通技术人员将认识到，基于计算机的系统的固有灵活性允许大量可能的构造、组合以及部件之间的任务和功能的划分。例如，本文讨论的处理可以使用单个计算装置或多个计算装置组合工作来实现。数据库、存储器、指令和应用可以在单个系统上实现，也可以分布在多个系统上。分布式部件可以按顺序或并行地操作。
仍然参考图1，可以理解的是，在所描述的系统操作期间，发动机10可以用低压系统驱动转子组件12，更具体地说，通过低压轴55驱动低压涡轮42，对于所示的实施例，进一步通过齿轮箱56和转子轴/风扇轴(未标出)。低压涡轮42又由燃烧区段40中产生的、流经高压涡轮36的燃烧气体流驱动。因此，作为一般事项，为了控制转子组件12的旋转速度，发动机10使用例如燃料计量单元72控制通过燃料输送系统66到燃烧区段40的燃料流，因为这将控制通过高压涡轮36和低压涡轮42提供的燃烧气体内的量/能量。
然而，可以理解的是，仅仅控制燃料流可能无法提供对转子组件12的旋转速度的期望控制水平。例如，燃料系统可能包括流动动力学，例如阻止期望控制水平的非线性流动动力学。例如，简要参考图3，提供了图表，其描述了当控制方案只命令燃料流来控制转子组件12的旋转速度时，实际的转子速度(线152)和转子速度命令(在150线)。在图中，时间在154处的“X轴”上显示(以秒为单位)，旋转速度在156处的“Y轴”上显示(以每分钟转数为单位，相对于在线150的转子速度命令)。
根据转子速度命令，转子速度命令和实际转子速度的差异可能至少约为+/-0.06％，频率为4至6秒之间。虽然这样的差异在量级上相对较小，但这可能导致控制变化的数量和频率相对较高，这可能减少零件寿命，消耗额外的能量等。此外，在稳定状态条件下，如巡航时，这种情况可能为飞行员和/或飞行器提供不期望和/或不利的响应。
为了改进这种结构，本公开利用混合动力系统的方面来减少并可能有效地消除转子速度命令和实际转子速度之间的差异。更具体地说，现在参考图4，描绘了可由发动机控制器实施以控制转子组件的旋转速度的控制方案200的示意性流程图。在某些示例性的实施例中，控制方案200可以使用图1中描绘的控制器116来实施，以控制发动机10，特别是图1的转子组件12。
如图所示，示例性的控制方案200一般包括燃料流控制回路202和电机控制回路204。控制方案200接收由线206指示的旋转速度命令，该命令可以从结合了被控制的发动机的飞行器的操作员接收。控制方案200进一步接收在线208处指示的实际旋转速度，并在求和块210计算旋转速度命令与实际旋转速度之间的误差。
值得注意的是，如本文所使用的，指示旋转速度的数据可以指用于控制发动机功率和速度输出的任何合适的参数。例如，该数据可以是速度数据，可以是压力数据(例如，整体压力比、发动机压力比等)，或类似的数据。
对于所示的实施例，旋转速度命令和实际旋转速度各自指的是低压轴的速度，该低压轴被驱动地连接到转子组件，例如图1描绘的示例性转子组件12。然而，在其他示例性方面，旋转速度命令和实际旋转速度反而可以各自指转子组件的转子轴或其他合适的轴的速度。例如，在其他示例性的实施例中，旋转速度命令和实际旋转速度反而可以各自指的是发动机的高压轴(例如，图1和图2的发动机10的轴38)的速度。
旋转速度命令和实际旋转速度之间的计算的误差被提供给燃料流控制回路202和电机控制回路204。
燃料流控制回路202利用燃料流控制器212接收计算的误差。燃料流控制器212随后向控制流向发动机的燃料流的燃料阀214发送命令。燃料阀212可以是例如燃料计量单元的一部分(例如，见图1的燃料输送系统66的示例性阀72)。流向发动机的燃料流一般控制燃烧区段内产生的燃烧气体的量和/或燃烧气体中的能量的量，接着控制发动机的高压系统(包括高压涡轮和高压轴)的旋转速度，接着控制低压系统(包括低压涡轮和低压轴)的旋转速度，接着直接控制转子组件的旋转速度。
与燃料流控制回路202并联操作的是电机控制回路204。电机控制回路204类似地利用电机控制器216接收旋转速度命令和实际旋转速度之间的计算的误差。至少部分地基于接收到的旋转速度命令和实际旋转速度之间的计算的误差，电机控制器216向电机功率分配器220提供在线218处表示的功率命令，电机功率分配器220接着向电机提供命令的功率量，电机接着可将接收到的电力量转换为机械功率，并将这种机械功率直接提供给低压轴，如前所述，低压轴接着控制转子组件的旋转速度。
此外，对于所描述的示例性方面，电机控制器216被构造为多输入、单输出控制器，该控制器被构造为接收计算的误差和如线222所示被提供给电机的实际电力量的反馈。以这样的方式，电机控制器216可以以相对较高的精度向电机提供电力。此外，通过这样的构造，控制器216可以将随着时间的流逝所需的电动机功率量最小化，以最小化提供的功率量或吸取的功率量。
然而，在其他示例性实施例中，电机控制回路204的电机控制器216可以是单输入、单输出控制器，不接收被提供的实际电力量的反馈。在这样的构造下，主要的反馈将响应于接收到线208指示的更新的实际旋转速度数据，以在求和210处计算的更新的误差值的形式。
如将理解的那样，由于燃料流控制回路202的性质，燃料流控制回路202可以在比电机控制回路204低的频率下操作。例如，在至少某些示例性方面，燃料流控制回路202可以在第一频率下操作，并且电机控制回路204可以在第二频率下操作，第二频率高于第一频率。在某些示例性方面，第二频率可以比第一频率至少高约5倍，例如比第一频率至少高约10倍，例如比第一频率高达500倍。利用这样的构造，就不太会有燃料流控制回路202和电机控制回路204相互竞争以控制转子组件的旋转速度的担忧。
此外，鉴于需要相对较小的变化来使转子组件/低压轴的旋转速度相对于命令速度正常化，在图4的控制方案200中被添加到低压轴的功率量可以相对较小。例如，在某些实施例中，控制方案200可以通过电机控制回路204利用电机将小于约30马力(“hp”)的功率添加到低压轴，例如小于30马力，例如小于25马力，例如小于20马力，例如小于15马力，例如至少1马力，例如至少3马力，例如至少5马力，例如至少10马力。
可以理解的是，对于上文参照图1描绘和描述的示例性发动机，在各种飞行操作期间可以利用被控制的电机。以这种方式，当控制方案200正在操作以使转子速度正常化时，电机可能已经在向发动机增加功率，或者可能已经在从发动机中提取功率。因此，可以理解的是，至少在某些示例性方面，控制方案200可以被构造为除了已经提供的功率之外，还用电机向低压轴增加功率。
此外，将理解的是，尽管在本公开的某些示例性方面，控制方案200可以额外地或替代地提取功率以使转子组件的旋转速度正常化。例如，控制方案200可以提供命令来提取一定量的电力以提供类似的结果，而不是向电机提供电力。此外，对于电机已经从发动机中提取功率的实施例，控制方案200可以被构造为相对于已经提取的功率，减少用电机从低压轴中提取的功率量。
根据图4中描绘的控制方案200的示例性方面控制低压轴的旋转速度可以导致转子组件或低压轴的实际旋转速度与转子组件或低压轴的命令旋转速度之间的相对低的差异。例如，在某些示例性方面，当发动机在稳定状态下操作时，并且当低压系统旋转速度大于约每分钟500转(“RPM”)时，例如大于约1000RPM，例如大于约1500RPM，例如大于约2000RPM，例如大于约2500RPM，例如大于约3000RPM，例如大于约3500RPM，例如大于约4000RPM，例如小于约10000RPM，根据图4中描绘的控制方案200的示例性方面控制低压轴的旋转速度可导致小于约±0.05％的差异，例如小于约±0.02％。
然而，将理解的是，图4中描绘的示例性控制方案200仅以示例方式提供。在其他示例方面，可以提供任何其他合适的控制方案和方法。例如，尽管对于图4中描绘的示例性控制方案200，电机被驱动地联接到低压轴，以及其他示例性方面，但根据公开的控制方案200被控制的电机可以被驱动地联接到例如高压轴、风扇轴/转子轴等。以这样的方式，控制方案可被构造为控制与电机驱动联接的轴的旋转速度，或不同轴的旋转速度。例如，当被控制方案200控制的电机与高压轴联接时，控制方案可以调节高压轴的旋转速度，并在一定程度上调节低压轴的旋转速度。控制方案接收到的指示实际旋转速度的数据可以用于联接到电机的轴。
此外，尽管示例性控制方案200被描述为具有单独的控制回路和控制器(例如，单独的控制器216、212、220)，但将理解的是，在某些示例性方面，参照图4描绘和描述的控制方案200的命令可以各自结合到任何其他合适的控制器构造中，例如结合到单个控制器，例如结合到上文参照图1描述的示例性控制器116，等等。
现在参考图5，提供了根据本公开的示例性方面的用于操作混合动力燃气涡轮发动机的方法300的流程图。该示例性方法300可以利用上文参考图4描述的示例性控制方案200来控制以类似于上文参考图1描述的示例性发动机10的方式构造的发动机。
方法300包括在(302)处接收指示轴的命令旋转速度的数据，以及在(304)处接收指示轴的实际旋转速度的数据。可以理解的是，在(302)处接收指示轴的命令旋转速度的数据可以包括从包含发动机的飞行器的飞行器控制器、发动机控制器等接收数据。
进一步地，对于所描述的示例性方面，在(304)处接收指示轴的实际旋转速度的数据可以包括在(306)处接收指示流向混合动力燃气涡轮发动机的燃料流、与轴联接并由轴驱动的转子组件的旋转速度参数、轴的旋转速度参数、施加到转子组件的转子轴的扭矩、混合动力燃气涡轮发动机的高压系统的旋转速度参数、压力比参数、或其组合的数据。旋转速度参数可包括旋转速度、旋转加速度或其组合。压力比参数可以包括总体压力比、发动机压力比、压缩机压力比，等等。
进一步，如所指出的，该方法300可用于控制类似于上文参照图1描述的示例性发动机10的发动机。因此，可以理解的是，该轴可以是燃气涡轮发动机的低压轴，并且进一步地，该燃气涡轮发动机可以包括与低压轴联接并由其驱动的转子组件。
然而，在其他示例性方面，可以根据示例性方法300控制任何其他合适的发动机。
仍然参考图5，方法300进一步包括在(308)处计算轴的实际旋转速度和轴的命令旋转速度之间的误差，在(312)处将计算的误差提供给能够与混合动力推进发动机的电机一起操作的电机控制回路。对于所描述的示例性方面，该电机驱动地联接到轴。
进一步，对于方法300的示例性方面，该方法进一步包括至少部分地用能够与混合动力推进发动机的燃料输送系统一起操作的燃料流控制回路来控制轴的旋转速度。更具体地说，对于所描述的示例性方面，至少部分地用能够与混合动力推进发动机的燃料输送系统一起操作的燃料流控制回路来控制轴的旋转速度包括在(310)处，向可与混合动力推进发动机的燃料输送系统一起操作的燃料流控制回路提供计算的误差。此外，对于所描述的示例性方面，至少部分地用能够与混合动力推进发动机的燃料输送系统一起操作的燃料流控制回路来控制轴的旋转速度进一步包括在(314)处，基于在(310)处提供给燃料流回路的计算的误差，用燃料流回路修改流向混合动力燃气涡轮发动机的燃料流。在某些示例性方面，在(314)处修改流向混合动力燃气涡轮发动机的燃料流可包括使用燃料计量单元来修改燃料流。
类似地，示例性方法300另外包括在(316)处，基于在(312)处提供给电机控制回路的计算的误差，利用电机控制回路修改来自电机的轴上的扭矩。在所描述的示例性方面，在(316)处修改来自电机的轴上的扭矩包括在(318)处从电机向轴添加扭矩。更具体地说，在所描述的示例性方面，在(316)处修改来自电机的轴上的扭矩包括在(320)处向利用电机向轴添加5马力至30马力。
值得注意的是，在某些示例性方面，在(316)处修改来自电机的轴上的扭矩可以包括相对于被添加到轴上或从轴上提取的扭矩的基线量，修改来自电机的轴上的扭矩。例如，电机可以是混合动力发动机的一部分，该发动机在操作条件的基线水平上操作(例如，巡航操作模式)，向轴添加基线量的扭矩或从轴提取基线量的扭矩。
正如可以理解的那样，用燃料流控制回路控制轴的旋转速度的处理可能相对缓慢。例如，为了用燃料流控制回路控制轴的旋转速度，必须修改被提供给发动机的燃料量，并且这种修改需要时间来改变被提供给发动机的高压系统的能量的量，接着转化为发动机的低压系统(例如发动机的低压轴)的旋转速度的变化。
相比之下，电机控制回路可以相对快速地操作，因为(理论上至少)用电机控制回路对轴的扭矩的命令修改可以在通过电机控制回路到驱动地联接到轴的电机的电力速度下实施。相应地，例如，可以理解的是，对于图5中描绘的方法300的示例性方面，燃料流控制回路可以在第一频率下操作，电机控制回路可以在第二频率下操作。第二频率可高于第一频率，例如至少比第一频率高约5倍，例如至少比第一频率高约10倍，例如比第一频率高达一千倍。
根据图5中描绘的方法300的示例性方面控制驱动地联接到轴的转子组件的旋转速度可以有效地减少或消除轴的实际旋转速度与轴的命令旋转速度之间的差异。例如，在图5中描绘的方法300的示例性方面中，方法300进一步包括在(322)处，以限定为小于±0.005％的差异(例如以小于约±0.002％的差异)的旋转速度，利用轴使转子组件旋转。在(322)处利用轴使转子组件旋转可以包括以至少为500RPM的旋转速度，例如至少1000RPM，例如至少1500RPM，例如至少2000RPM，例如至少2500RPM，例如至少3000RPM，例如至少3500RPM，例如至少4000RPM的旋转速度，利用轴使转子组件旋转。
本书面描述使用实例来披露本发明，包括最佳模式，也使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求书界定，并可包括本领域技术人员所想到的其他例子。这样的其他例子如果包括与权利要求书的字面语言没有差别的结构元素，或者如果包括与权利要求书的字面语言没有实质性差别的等效结构元素，则旨在属于权利要求书的范围。
本发明的进一步方面是由以下条款的主题提供：
一种操作混合动力燃气涡轮发动机的方法，包括：至少部分地用能够与所述混合动力推进发动机的燃料输送系统一起操作的燃料流控制回路来控制轴的旋转速度；接收指示所述轴的实际旋转速度的数据；计算所述轴的所述实际旋转速度和所述轴的命令旋转速度之间的误差；将计算的误差提供给能够与所述混合动力推进发动机的电机一起操作的电机控制回路，所述电机驱动地联接到所述轴；以及基于所述计算的误差，利用所述电机控制回路，修改来自所述电机的所述轴上的扭矩。
根据这些条款中的一个或多个条款的方法，其中所述轴是所述燃气涡轮发动机的低压轴。
根据这些条款中的一个或多个条款的方法，其中所述燃气涡轮发动机进一步包括与所述轴联接并由所述轴驱动的转子组件。
根据这些条款中的一个或多个条款的方法，其中所述燃料流控制回路以第一频率操作，其中所述电机控制回路以第二频率操作，并且其中所述第二频率高于所述第一频率。
根据这些条款中的一个或多个条款的方法，其中所述第二频率比所述第一频率快至少五倍。
根据这些条款中的一个或多个条款的方法，其中所述第二频率比所述第一频率快至少约10倍。
根据这些条款中的一个或多个条款的方法，其中修改来自所述电机的所述轴上的扭矩包括从所述电机向所述轴添加扭矩。
根据这些条款中的一个或多个条款的方法，修改来自所述电机的所述轴上的扭矩包括利用所述电机向所述轴添加5马力到30马力。
根据这些条款中的一个或多个条款的方法，其中接收指示所述轴的所述实际旋转速度的数据包括接收指示流向所述混合动力燃气涡轮发动机的燃料流、与所述轴联接并由所述轴驱动的转子组件的旋转速度参数、所述轴的旋转速度参数、施加到所述转子组件的转子轴的扭矩、所述混合动力燃气涡轮发动机的高压系统的旋转速度参数、或其组合的数据。
根据这些条款中的一个或多个条款的方法，其中至少部分地用所述燃料流控制回路控制所述轴的所述旋转速度进一步包括：将所述计算的误差提供给能够与所述混合动力推进发动机的燃料输送系统一起操作的所述燃料流控制回路；以及基于所述计算的误差，利用所述燃料流回路来修改流向所述混合动力燃气涡轮发动机的燃料流。
根据这些条款中的一个或多个条款的方法，其中所述电机控制回路包括多输入、单输出控制器，所述多输入、单输出控制器被构造为接收所述计算的误差，并提供功率命令输出，所述多输入、单输出控制器被构造为接收所述计算的误差和电动机功率反馈信号，并进一步被构造为提供功率命令，以控制所述电机的功率。
根据这些条款中的一个或多个条款的方法，其中所述电机控制回路包括单输入、单输出控制器，所述单输入、单输出控制器被构造为接收所述计算的误差的输出，提供功率命令，以控制所述电机的功率。
根据这些条款中的一个或多个条款的方法，其中所述燃气涡轮发动机是非管道式转子涡轮风扇发动机。
根据这些条款中的一个或多个条款的方法，其中所述燃气涡轮发动机是单个非管道式转子涡轮风扇发动机。
根据这些条款中的一个或多个条款的方法，进一步包括以限定小于±0.005％的差异的旋转速度，利用所述轴使转子组件旋转。
根据这些条款中的一个或多个条款的方法，进一步包括以限定小于±0.002％的差异的旋转速度，利用所述轴使转子组件旋转。
一种用于燃气涡轮发动机的控制器，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器储存指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，执行以下控制步骤：至少部分地用能够与所述混合动力推进发动机的燃料输送系统一起操作的燃料流控制回路来控制轴的旋转速度；接收指示所述轴的实际旋转速度的数据；计算所述轴的所述实际旋转速度和所述轴的命令旋转速度之间的误差；将计算的误差提供给能够与所述混合动力推进发动机的电机一起操作的电机控制回路，所述电机驱动地联接到所述轴；以及基于所述计算的误差，利用所述电机控制回路，修改来自所述电机的所述轴上的扭矩。
根据这些条款中的一个或多个条款的控制器，其中所述燃料流控制回路被构造为以第一频率操作，其中所述电机控制回路被构造为以第二频率操作，并且其中所述第二频率高于所述第一频率。
根据这些条款中的一个或多个条款的控制器，其中所述第二频率比第一频率快至少五倍。
根据这些条款中的一个或多个条款的控制器，其中所述控制器进一步被构造为基于所述计算的误差，利用所述燃料流回路来修改流向所述混合动力燃气涡轮发动机的燃料流。
根据这些条款中的一个或多个条款的控制器，其中控制器被进一步构造为执行这些条款中的一个或多个条款的方法的一个或多个步骤。
一种航空运载器，包括根据这些条款中的一个或多个条款的控制器，可根据这些条款中的一个或多个条款的方法进行操作，或两者都是。

Claims (10)

1.一种操作混合动力燃气涡轮发动机的方法，其特征在于，包括：
至少部分地用能够与所述混合动力推进发动机的燃料输送系统一起操作的燃料流控制回路来控制轴的旋转速度；
接收指示所述轴的实际旋转速度的数据；
计算所述轴的所述实际旋转速度和所述轴的命令旋转速度之间的误差；
将计算的误差提供给能够与所述混合动力推进发动机的电机一起操作的电机控制回路，所述电机驱动地联接到所述轴；以及
基于所述计算的误差，利用所述电机控制回路，修改来自所述电机的所述轴上的扭矩。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述轴是所述燃气涡轮发动机的低压轴。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述燃气涡轮发动机进一步包括与所述轴联接并由所述轴驱动的转子组件。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述燃料流控制回路以第一频率操作，其中所述电机控制回路以第二频率操作，并且其中所述第二频率高于所述第一频率。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，其中所述第二频率比所述第一频率快至少五倍。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，其中所述第二频率比所述第一频率快至少约10倍。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中修改来自所述电机的所述轴上的所述扭矩包括从所述电机向所述轴添加扭矩。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，修改来自所述电机的所述轴上的所述扭矩包括利用所述电机向所述轴添加5马力到30马力。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中接收指示所述轴的所述实际旋转速度的数据包括接收指示流向所述混合动力燃气涡轮发动机的燃料流、与所述轴联接并由所述轴驱动的转子组件的旋转速度参数、所述轴的旋转速度参数、施加到所述转子组件的转子轴的扭矩、所述混合动力燃气涡轮发动机的高压系统的旋转速度参数、或其组合的数据。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中至少部分地用所述燃料流控制回路控制所述轴的所述旋转速度进一步包括：
将所述计算的误差提供给能够与所述混合动力推进发动机的燃料输送系统一起操作的所述燃料流控制回路；以及
基于所述计算的误差，利用所述燃料流回路来修改流向所述混合动力燃气涡轮发动机的燃料流。
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