CN115315389A - 自动叶片桨距控制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对涡轮发动机的推进主体的桨叶或叶片的桨距角进行控制的方法，该方法包括根据螺旋桨的旋转速度(XN测量)和转速设定值(XN设定)来生成桨距命令(i最终)，该方法包括正常调节链(13)和非正常调节链(16)，在正常调节链中，桨距命令还根据推进主体的桨叶或叶片的桨距角的值(β测量)来生成，在非正常调节链中，桨距命令与推进主体的桨叶或叶片的桨距角的值无关地生成。

Description

自动叶片桨距控制
技术领域
本发明涉及涡轮机的一般技术领域，更具体地，涡轮机为包括具有可变设置的螺旋桨或风扇的涡轮机，例如具有两个无涵道对转螺旋桨(通常被称为开式转子)的涡轮机，或者具有VPF(Variable Pitch Fan，可变桨距风扇)型涵道风扇的涡轮喷气发动机，该涡轮喷气发动机的叶片具有可变设置并且可选地旨在能够以推力反转模式(空气穿过风扇的方向反转)运行。
背景技术
涡轮机通常配备有功率控制系统，功率控制系统能够控制不同参数(例如燃料流量、或者风扇的桨叶的设置角或螺旋桨的叶片的设置角)的变化，以使涡轮机的功率适应飞行阶段。在文本的其余部分中，通常将使用的示例是作为自动推进元件的螺旋桨，但是应当理解，自动化可以适用于包括风扇或螺旋桨的任何推进元件。此外，假定推进元件的桨叶或叶片被设计成具有同一个设置角。
如在图2中示出，一种用于对螺旋桨的转速(régime)进行自动调整的常规策略包括使用具有多个嵌套控制器的串级控制：
-高级控制器1，高级控制器基于驱动螺旋桨的发动机2的转速测量值XN测量来控制设置β，从而自动调整螺旋桨的转速XN，
-局部控制器3，局部控制器通过基于设置修改装置4的位置返回β测量来控制设置修改装置4，从而自动调整设置角β。
在这种系统中，设置修改装置4作用于推进元件(风扇或螺旋桨)的桨叶或叶片的设置β，以改变该推进元件的转速XN。
设置测量装置5在设置修改装置4的输出部处获取设置测量值β测量，该设置测量值β测量被返回给局部控制器3。
该设置角的测量可以通过对角进行直接测量来直接地进行，或者通过测量另一个参数来间接地进行，另一个参数是设置角的“映像”。例如，致动器的位置将通过运动线被表示为设置角。
转速测量装置6在发动机2的出口处获取转速的测量值XN测量，转速测量值XN测量被返回给高级控制器1。
转速测量值XN测量和转速设定值XN设定被发送到高级控制器1中，高级控制器作为输出发送设置设定值β设定。
设置设定值β设定和设置测量值β测量被发送到局部控制器3中，局部控制器作为输出发送命令i，该命令被发送到设置修改装置4中。
该策略的问题在于，在设置测量装置5发生故障的情况下，局部控制器3的回路就不能再运行，从而使高级控制器1的回路不能运行。
通常，在失去设置-测量线的情况下，发动机的安全措施被控制为开环，发动机的安全措施通常是通过使发动机转速返回到怠速状态，并且使推进元件的桨叶或叶片顺桨。由于发动机的推进部分与气体发生器之间的联接已经失去，这种返回到开环是危险的：
-在发动机的功率仍然很高时，如果设置过快地降低(螺旋桨的转速降低)，则存在高的扭矩过大风险；
-在螺旋桨的位置未被测量时，如果螺旋桨没有被迅速地布置在安全位置，则存在螺旋桨将进入空气动力失速(激发振荡模式)或者甚至意外反转(被归类为灾难性的事件)的区域的风险。
此外，在任何情况下，这种调节都转化成推力的失去以及推力控制的失去。
发明内容
本发明的一个目的是提供用于即使在失去设置测量线的情况下以可变设置来设置螺旋桨的仪器和控制。
本发明提供了一种用于对涡轮机的推进元件的桨叶或叶片的设置角进行控制的方法，该方法包括根据螺旋桨的旋转速度和转速设定值来生成设置命令，该方法包括正常控制线和降级控制线，在正常控制线中，设置命令也根据推进元件的桨叶或叶片的设置角的值来生成，在降级控制线中，设置命令与推进元件的桨叶或叶片的设置角的值无关地生成。
这使得即使增加了与局部回路的移除相关的一些限制(例如在使正常控制线不能运行的故障期间)，也能够继续控制螺旋桨转速，这使得能够通过使发动机不同地运行来避免故障。因此，可以设想在稳定的转速期间继续正常地运行发动机，并且在瞬态转速期间仅修改命令模式，这使得能够继续运行发动机。
有利地，本发明通过单独地或组合地采用的以下特征来完成：
-该方法还包括选择降级控制线或正常控制线的步骤；
-该方法还包括命令返回步骤，命令返回步骤被配置成将设置命令返回给正常控制线和降级控制线中的至少一个；这保证了当在正常控制线和降级控制线之间切换时设置角命令的连续性；
-正常控制线包括第一控制器和第二控制器，第一控制器被配置成根据转速设定值和转速测量值来提供设置设定值，第二控制器被配置成根据设置设定值和设置测量值来提供降级命令；
-命令返回线被配置成将设置命令返回给第二控制器和降级控制线中的至少一个，并且第二控制器被配置成根据设置设定值、设置测量值以及设置命令来提供降级命令；
-转速设定值是由涡轮机产生的功率的函数，并且能在下限和上限之间变化，下限被配置成避免在螺旋桨处的过大扭矩，上限被配置成避免螺旋桨的空气动力学失速；
-转速设定值具有有限的梯度；这使得能够限制设定值变化，从而使命令曲线平滑，这增加了驱动模式的安全性。
根据另一方面，本发明提供了一种用于对涡轮机的螺旋桨的设置进行控制的控制装置，该涡轮机包括致动器，致动器被配置成修改螺旋桨的设置角，控制装置包括：
-控制器，
-第一传感器，第一传感器被配置成确定螺旋桨的设置角的值；
-第二传感器，第二传感器被配置成确定螺旋桨的旋转速度；
控制器被配置成：
-在正常控制模式下，根据螺旋桨的旋转速度、设置角的值以及转速设定值来向致动器提供正常设置命令；
-在降级控制模式下，与设置角的值无关地、根据螺旋桨的旋转速度和转速设定值，向致动器提供降级设置命令；
控制装置还包括选择器，选择器被配置成选择控制器的正常控制模式或降级控制模式。
根据另一方面，本发明提供了一种涡轮机，该涡轮机包括具有可变设置的螺旋桨以及根据本发明的用于控制该设置的控制装置，其中，控制器执行根据本发明的用于控制该设置的方法。
根据另一方面，本发明提供了一种飞行器，该飞行器包括根据本发明的涡轮机。
附图说明
通过以下描述，本发明的其它特征和优点将变得更加明显，以下描述是纯说明性的且非限制性的并且必须参照附图来阅读，在附图中：
图1是现有技术的用于对螺旋桨的桨叶的设置进行控制的系统的构架的示意性模型；
图2是根据本发明的用于对螺旋桨的桨叶的设置进行控制的系统的构架的示意性模型；
图3是根据本发明的用于对螺旋桨的桨叶的设置进行控制的系统的宏控制器的功能结构的示意性模型；
图4是具有可变设置的螺旋桨的涡轮机的示意性模型，该涡轮机例如为具有双无涵道风扇(通常被称为“开式转子”)的涡轮机。
具体实施方式
参照图2，转速控制系统7的实施例包括：
-设置修改致动器8，设置修改致动器被配置成根据螺旋桨设置修改设定值来修改螺旋桨的设置；
-涡轮机9，涡轮机被构造成旋转地驱动螺旋桨；
-第一传感器10，第一传感器被配置成测量螺旋桨的设置角；
-第二传感器11，第二传感器被配置成测量螺旋桨的旋转速度；
-控制器12，控制器被配置成发出命令i，以根据转速设定值XN设定、由第一传感器10测量的设置角的值β测量、以及由第二传感器11发送的旋转速度的测量值XN测量来改变螺旋桨的设置。
参照图3，控制器12包括：
-正常控制线13，正常控制线包括第一控制命令14和第二控制步骤15，第一控制命令14被配置成根据转速设定值XN设定和转速测量值XN测量来生成设置修改设定值β设定，第二控制步骤15被配置成根据设置测量值β测量和设置修改设定值β设定来生成正常设定值iβ；
-降级控制线16，降级控制线包括第三控制步骤17，第三控制步骤17被配置成根据转速设定值XN设定和转速测量值XN测量来生成降级设定值iXN；
-选择器18，选择器被配置成从正常控制线13和降级控制线16中选择控制线，选择器18通过接收导致选择降级控制线16的故障信号而被触发。
故障信号是在故障检测期间生成的，故障检测可以通过以下过程来完成：
-对设置角的采集值进行范围测试，以确保测量到的值是合理的，这些范围测试能够被连接到传感器(测量范围)或发动机(在特定的运行点，设置角被预期在一定区域中)；
-通道之间的偏差测试：采集通常是双重的，这确保了两个测量值是一致的。
如果测量值不一致，则认为检测到故障。
控制器12的这种管理使得即使增加了与局部回路的移除相关的一些限制(例如在使正常控制线13不能运行的故障期间)，也能够继续控制螺旋桨转速。
特别地，对于具有可变设置风扇的涡轮螺旋桨发动机、或者具有VPF型无涵道风扇的涡轮喷气发动机(该涡轮喷气发动机的桨叶具有可变设置并且可选地被设计成能够在推力反转模式下运行)、或者通常被称为“开式转子”的双螺旋桨无涵道式涡轮螺旋桨发动机，这种结构使得能够在存在故障时提高设置角测量值的鲁棒性。
在优选实施例中，控制器12包括返回步骤19，返回步骤被配置成将设置命令i最终：
-返回给第二控制步骤15，这使得能够确保正常设定值iβ的连续性；
-返回给第三控制步骤17，这使得能够确保降级设定值iXN的连续性；
-优选地，返回给第二控制步骤15和第三控制步骤17，这使得能够确保正常设定值iβ、降级设定值iXN以及正常输出iβ与降级输出iXN彼此间的连续性，使得即使当选择器18从正常控制线13转换到降级控制线16时，或者如果故障恢复，相反地从降级控制线转换到正常控制线时，控制器12的输出也是连续的。
具体地，因此，未被选择器18选择的控制线被连续地更新，以避免当未被选择的控制线被选择时设定值的突变。在此，术语“被选择的”应该被理解为表示控制线通过选择器18而被连接到控制器12的输出部。
当设置控制系统7与包括具有可变设置的螺旋桨的涡轮机(例如在图4中示出的“开式转子”涡轮机20，该涡轮机包括配备有多个具有可变设置的叶片22的至少一个转子21)相关联时，该组件可以在两种运行模式下实现。
气体发生器9旋转地驱动转子21，并且产生由驾驶员或自动驾驶方法限定的恒定功率，气体发生器由涡轮机的低压轴和/或高压轴形成并且包括至少一个压缩机和至少一个涡轮。
根据所设想的飞行阶段(例如爬升、下降或巡航飞行)，转子21的旋转速度可以改变，以优化叶片22的推进效率。因此，可以决定修改叶片22的设置，以改变由空气施加在叶片22上的力，从而修改被施加到转子的扭矩以及所述转子21的旋转速度。
在正常运行的情况下，选择正常控制线13。
第一传感器10(在图4中未示出)测量叶片22的设置，并且将该信息返回给控制器12。第二传感器11测量转子21的转速，并且将该信息返回给控制器12。
根据飞行阶段所需的推力，转速设定值XN设定被发送到控制器12。
第一控制步骤14对转速设定值XN设定和转速测量值XN测量进行比较。根据观察到的差，在第二控制步骤15中，由第一控制模块14发送设置修改设定值β设定。
第二控制步骤15对设置修改设定值β设定和设置测量值β测量进行比较，并且根据观察到的差发送设置命令电流iβ。
设置修改致动器8根据接收到的设置命令电流iβ来修改叶片22的设置β，设置命令电流具有修改转子22的转速XN的作用。
在正常控制线13发生故障(例如第一传感器10发生故障)的情况下，选择器18切换到降级控制线16。第三控制步骤17被配置成省略设置测量值β测量，并且基于转速设定值XN设定与转速测量值XN测量之间的偏差来直接地控制设置修改致动器8。因此，控制器12被特别设计成处理该输入-输出对并且发送用于控制高动态的设置修改致动器8的信号。
未被选择的控制线使用反馈19来保持与系统的状态一致。反馈的原则是为了重新构建未被选择的控制线的内部状态，使得如果未被选择的控制线被启用，则未被选择的控制线将产生相同的输出。因此，在第二控制步骤和第三控制步骤中包括被选择的命令电流i最终(被选择的命令电流被发送到致动器8)。这样，当存在从一个控制线到另一个控制线的切换时，转变是缓和的，而没有命令信号的任何突变。
在禁用正常控制线13时，由于软件设置停止利用设置测量值使得在达到最小设置停止时限制设置设定值，软件设置停止因此被移除，软件设置停止被配置成限制最小的可使用的设置。
当螺旋桨转速设定值与由发动机产生的功率不适应时，这种保护特别有用。因此，控制器12可以请求低设置而没有任何保护阻止控制器这样做，这可能将螺旋桨设置成处于空气动力失速区域。
因此，有必要具有自适应功率控制，自适应功率控制用于尽可能多地减少具有与由发动机产生的功率相关的、过高的螺旋桨转速设定值的风险。
因此，根据发动机的功率，最小-最大类型的限制被施加到转速设定值XN设定：
-转速设定值的最小阈值防止扭矩过大，当由发动机产生的功率由于设置过大而无法由螺旋桨转换时，会造成扭矩过大；
-转速设定值的最大阈值防止进入空气动力学失速区域。
这些限制与叶片和发动机的设计有关，是由设计者提供的输入数据。
必须开发功率管理，以将在启用降级控制线16时与正常控制线13的禁用相关的附加限制考虑在内。
特别地，对设置角的动态限制不再由正常控制线13控制，因此有必要通过减小设定值的梯度来调节转速设定值XN设定。
根据设置角的动态限制以及转速与设置之间的关系来确定设定值的梯度，对于正常运行，设置角的动态限制是已知的且被限定的，转速与设置之间的关系在设计时是已知的。因此，能够可选地通过添加安全边界来确定转速的动态限制。
可以设想多种驱动方法以处理转速设定值的调节。
在第一驱动模式下，发动机在调节转速设定值的情况下继续正常运行。对转速的控制能够使发动机继续运行。发动机正常地运行，并且在稳定的转速期间提供推力。在瞬态转速期间，通过限制变化来缓和转速设定值的调节，这能够使发动机继续运行，并且避免失去推力控制。特别地，这使得能够通过避免失去推力控制来在正常情况下完成飞行，从而一旦到达地面就进行维护。当螺旋桨可以通过健康的行为而被驱动时，第一驱动模式是优选的，这意味着设置的变化导致螺旋桨转速的单调变化。特别地，这使得能够保持发动机可运行。
在第二驱动模式下，由于对转速设定值的控制，使得能够安全返回到安全位置。这以失去推力控制为代价来降低发动机的风险。当螺旋桨可以以被认为不健康的行为来驱动时，优选地采用该第二驱动模式。
在螺旋桨不可驱动的情况下使用的第三驱动模式下，命令电流被直接施加到致动器上，而不对转速进行任何控制，这样以在开环中返回到顺桨怠速状态。

Claims (10)

1.一种用于对涡轮机的推进元件的桨叶或叶片的设置角进行控制的方法，所述方法包括根据螺旋桨的旋转速度(XN测量)和转速设定值(XN设定)来生成设置命令(i最终)，所述方法的特征在于，所述方法包括正常控制线(13)和降级控制线(16)，在所述正常控制线中，所述设置命令还根据所述推进元件的桨叶或叶片的设置角的值(β测量)来生成，在所述降级控制线中，所述设置命令与所述推进元件的桨叶或叶片的设置角的值无关地生成。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括选择所述降级控制线或所述正常控制线的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括命令返回步骤，所述命令返回步骤被配置成将所述设置命令返回给所述正常控制线和所述降级控制线中的至少一个。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述正常控制线包括第一控制器和第二控制器，所述第一控制器被配置成根据所述转速设定值和转速测量值来提供设置设定值，所述第二控制器被配置成根据所述设置设定值和设置测量值来提供降级命令。
5.根据与权利要求3结合的权利要求4所述的方法，其中，命令返回线被配置成将所述设置命令返回给所述第二控制器和所述降级控制线中的至少一个，并且其中，所述第二控制器被配置成根据所述设置设定值、所述设置测量值以及所述设置命令来提供所述降级命令。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述转速设定值是由所述涡轮机产生的功率的函数，并且能在下限和上限之间变化，所述下限被配置成避免在所述螺旋桨处的过大扭矩，所述上限被配置成避免所述螺旋桨的空气动力学失速。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述转速设定值具有有限的梯度。
8.一种用于对涡轮机的螺旋桨的设置进行控制的控制装置，所述涡轮机包括致动器(8)，所述致动器被配置成修改所述螺旋桨的设置角，所述控制装置包括：
-控制器(12)，
-第一传感器(10)，所述第一传感器被配置成确定所述螺旋桨的设置角的值；
-第二传感器(11)，所述第二传感器被配置成确定所述螺旋桨的旋转速度；
所述控制器(12)被配置成：
-在正常控制模式(13)下，根据所述螺旋桨的旋转速度、所述设置角的值、以及转速设定值来向所述致动器提供正常设置命令；
-在降级控制模式(16)下，与所述设置角的值无关地、根据所述螺旋桨的旋转速度和转速设定值，向所述致动器提供降级设置命令；所述控制装置还包括选择器(18)，所述选择器被配置成选择所述控制器(12)的正常控制模式(13)或降级控制模式(17)。
9.一种涡轮机，所述涡轮机包括具有可变设置的螺旋桨以及根据权利要求8所述的用于控制所述设置的控制装置，其中，所述控制器(12)执行根据权利要求1至7中任一项所述的用于控制设置的方法。
10.一种飞行器，所述飞行器包括根据权利要求9所述的涡轮机。
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