CN115585067A - 气体涡轮引擎和操作方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种控制气体涡轮引擎(10)的方法。该气体涡轮引擎(10)包括压缩机(14)、燃烧器(16)和被配置为驱动该压缩机(14)的马达(28)。该方法包括：在第一怠速模式下，控制燃烧器(16)燃料流量以使压缩机(14)旋转速度(N2)保持在预定值或高于预定值；并且在第二怠速模式下，控制该燃烧器和该马达(28)以驱动该压缩机(14)以使该压缩机旋转速度(N2)保持在第二预定值或高于第二预定值，该第二预定值低于该第一预定值。

Description

气体涡轮引擎和操作方法

技术领域

本公开涉及用于飞行器的气体涡轮引擎和操作气体涡轮引擎的方法。

背景技术

对燃料消耗较低的飞行器气体涡轮的需求持续存在。围绕气体涡轮引擎的特定问题包括在低推力设置下维持高效。在低推力设置下，相对于产生的推力的量，燃料流量可能相对较高，从而导致高推力燃料消耗率(SFC)比。在怠速时，在不需要推力或需要非常小推力的情况下，燃烧器中仍然必须燃烧大量燃料，以便使压缩机维持在足够高的旋转速度以向燃烧器供应加压空气，从而维持引擎稳定性并允许加速远离怠速。因此，期望提供一种减少怠速时燃料燃烧的引擎和操作方法。

发明内容

根据第一方面，提供了一种气体涡轮引擎控制器，该气体涡轮引擎包括：

压缩机；

燃烧器；和

马达，该马达被配置为驱动该压缩机；其中该控制器被配置为：

在第一怠速模式下，控制燃烧器燃料流量以使压缩机旋转速度保持在第一预定值或高于第一预定值；并且

在第二怠速模式下，控制燃烧器燃料流量和该马达以驱动该压缩机以使该压缩机旋转速度保持在第二预定值或高于第二预定值，

该第二预定值低于该第一预定值。

有利地，通过使用该马达驱动该压缩机，可以获得较低的怠速旋转速度，这使得与在较高旋转速度下相比燃烧更少燃料。

该马达可以包括气动式马达、液压式马达和电动马达中的一者。

该第二预定压缩机旋转速度可包括足以使压缩机递送压力和/或质量流量保持在高于维持燃烧所需的预定最小值的值的速度。

燃烧器可以包括多个燃料喷射器。该控制器可以被配置为在第二怠速模式下运行期间仅运行该燃料喷射器的一部分。有利地，通过仅运行该燃料喷射器的一部分，尽管在第二怠速模式下运行期间空气质量流量减少，但可以保持燃烧器的燃烧区内的正确化学计量。

该燃烧器可包括分级稀燃燃烧器，该分级稀燃燃烧器包括一个或多个引燃喷射器和一个或多个主喷射器。

该控制器还可被配置为在启动模式下运行该气体涡轮引擎，其中该引擎从离线状态加速到该第一怠速模式和该第二怠速模式中的一者。

该控制器可被配置为在停机模式下运行该气体涡轮引擎，包括在该第二怠速模式下运行该气体涡轮引擎，然后关闭该引擎。

根据本发明的第二方面，提供了一种气体涡轮引擎，该气体涡轮引擎包括根据第一方面的控制器。

该气体涡轮引擎可以包括能够独立旋转的第一压缩机和第二压缩机。该第二压缩机可以设置在该第一压缩机的核心流量的下游，并且该马达可以联接到该第二压缩机。

在第一怠速模式下，该控制器可被配置为控制燃烧器燃料流量以使第二压缩机旋转速度保持在预定值或高于预定值；并且

在第二怠速模式下，该控制器被配置为控制该电动马达以驱动该第二压缩机以使该压缩机旋转速度保持在第二预定值或高于第二预定值，该第二预定值低于该第一预定值。

根据第三方面，提供了一种控制气体涡轮引擎的方法，该气体涡轮引擎包括：

压缩机；

燃烧器；和

马达，该马达被配置为驱动该压缩机；其中所述方法包括：

在第一怠速模式下，控制燃烧器燃料流量以使压缩机旋转速度保持在预定值或高于预定值；并且

在第二怠速模式下，控制燃烧器燃料流量和该马达以驱动该压缩机以使该压缩机旋转速度保持在第二预定值或高于第二预定值，

该第二预定值低于该第一预定值。

本领域的技术人员将理解，除非相互排斥，否则关于任何一个上述方面描述的特征如作适当变动，可以应用于任何其他方面。此外，除非相互排斥，否则本文中描述的任何特征可以应用于任何方面以及/或者与本文中描述的任何其他特征组合。

附图说明

现在将参考附图仅以举例的方式来描述实施方案，其中：

图1是第一飞行器的平面图；

图2是用于图1的飞行器的气体涡轮引擎的示意图；

图3是图2的气体涡轮引擎的燃烧设备的截面前视图；

图4是图3的燃烧设备的截面侧视图；

图5是示出图2的气体涡轮引擎怠速时运行的流程图；并且

图6是用于图1的飞行器的第二气体涡轮引擎的示意图。

具体实施方式

参考图1，示出了飞行器1。飞行器1具有常规配置，具有机身2、翼部3、尾部4和一对推进系统5。推进系统5中的一个在图2中详细示出。

图2示意性地示出了推进系统5。推进系统5包括气体涡轮引擎10。气体涡轮引擎10包括轴流式连接的风扇12形式的推进器、低压压缩机13(也称为中压或增压压缩机)形式的第一压缩机13、高压压缩机14形式的第二压缩机、包括燃烧器16的燃烧设备，以及高压涡轮机18和低压涡轮机20。

气体涡轮引擎10以常规方式工作，使得空气被风扇12加速以产生两股气流：进入压缩机13、14的第一核心气流和绕过压缩机13、14以提供推进推力的第二气流。核心空气流过低压压缩机13，在该低压压缩机处，该核心空气被压缩，然后向下游被递送到高压压缩机14，在该高压压缩机处，该核心空气被进一步压缩，然后将该空气递送到燃烧设备16，在该燃烧设备处，该空气与燃料混合并且该混合物燃烧。然后，所得的热燃烧产物在通过喷嘴排出之前通过涡轮机18、20膨胀，从而驱动涡轮机以提供额外的推进推力。高压涡轮机18经由高压互连轴22来驱动高压压缩机14。类似地，低压涡轮机20经由低压互连轴24来驱动低压压缩机13。

本公开可应用的其他气体涡轮引擎可具有另选配置。以举例的方式，此类引擎可具有另选数量的互连轴(例如，三个)和/或另选数量的压缩机和/或涡轮。例如，本发明可以适用于具有一起旋转的单个压缩机、涡轮机和轴的引擎。另外，该引擎可包括设置在从涡轮机到压缩机和/或风扇的驱动系中的减速齿轮箱。

推进系统5进一步包括驱动第一压缩机13和/或第二压缩机14的一个或多个电机。具体地，系统5包括联接到高压轴22并且被配置为驱动高压压缩机14的电动马达28。马达28为常规类型，诸如感应或永磁体电机。在该实施方案中，电动马达28为“芯轴安装”类型，其中马达28的转子直接安装到高压轴22的表面上，并且被设置在该转子的径向外侧的定子围绕，但应当理解，其他安装排布结构，诸如塔轴和锥齿轮，将是合适的。定子包括电绕组(未示出)，该电绕组可通电以产生旋转磁场。该旋转磁场与转子的磁场相互作用，以在充当马达时引起旋转。因此，该高压压缩机可由气体涡轮引擎10经由高压涡轮机18和马达28中的任一者或两者供电。

电动马达28联接到为化学电池、燃料电池和电容器中的一个或多个形式的储能装置30，该储能装置在运行期间为电动马达28提供电能。在一些情况下，可为每个推进系统5提供可为不同类型(化学电池、燃料电池等)的多个储能系统。在其他情况下，可为多个推进系统提供公共储能装置30。

推进系统任选地进一步包括发电机32，该发电机电联接到马达28和储能装置30中的一者或两者，使得可在运行中提供额外的电能，直接提供给马达28或经由储能装置30。发电机32通常由气体涡轮引擎10的低压轴24驱动。发电机32可经由齿轮箱和/或离合器联接到轴24，以允许发电机32与轴24选择性地连接和断开连接。在一些情况下，当不需要马达驱动时，马达28可以充当发电机。

图3中进一步详细地示出了燃烧器16。燃烧器16包括围绕燃烧器16环形布置的多个燃料喷射器排布结构40a-40h。

燃料喷射器排布结构40a中的一个燃料喷射器排布结构在图4中进一步详细示出。燃烧器为分级稀燃型，其中每个燃料喷射器排布结构包括引燃喷射器42和主喷射器44。如将理解的，本公开的控制方法还可以应用于每个站点具有单个喷射器的常规富燃燃烧器。

返回到图2，提供了一种控制器34，该控制器被配置为至少控制马达28、储能装置30和燃烧器16，以控制由马达28提供的扭矩、储能装置30的充电/放电、通过喷射器40a-40h的燃料流速，以及高压压缩机14的旋转速度。控制器34还可被配置为控制发电机32的运行，以控制由发电机32产生的电力。

在操作下述方法之前，引擎首先以点火模式从离线状态启动，并带来稳定性。通常，稳定性被定义为引擎在怠速时以一致的旋转速度运行，而不需要启动器的辅助。该启动方法可以是电的，即经由电动马达28，或通过任何其他方法，诸如气动式或液压式启动马达(未示出)。

现在参考图5，当由飞行员、自动驾驶员或自动油门选择怠速推力设置时，控制器34被配置为以两种怠速模式中的一种怠速模式运行引擎10。如将理解的，“怠速推力设置”通常是指最小引擎推力设置。常规地，可能存在一个或多个怠速设置。例如，引擎控制逻辑部件可以包括飞行怠速推力设置和地面怠速推力设置，该飞行怠速推力设置被配置为在飞行条件期间产生最小怠速推力，并且该地面怠速推力设置被配置为在地面运行期间产生最小怠速推力。通常，飞行怠速设置被配置为产生比地面怠速推力设置更高的怠速推力和旋转速度。这是为了在随后可能在短时间段内需要更高推力的飞行期间(诸如在绕行演习期间)确保更短的加速时间。

在第一步骤中，选择推力设置。这可以包括怠速推力设置，诸如地面怠速或飞行怠速推力设置。

一旦选择了怠速推力设置，就选择了怠速模式。在该实施方案中，两种怠速模式是可用的——第一怠速模式(正常怠速)和第二怠速模式(燃料节省怠速)。控制器或用户根据多个因素选择怠速模式。

例如，在引擎温度低的情况下，可以选择第一怠速模式，并且需要向发动机油输入热量。类似地，在储能单元中可用能量不足的情况下，可以选择第一怠速模式，以选择燃料节省怠速模式。另选地，在第二怠速模式下运行所需的一个或多个部件诸如马达28、发电机32或储能装置30存在故障的情况下，可以选择第一怠速模式。

在正常怠速模式下，控制到燃烧器燃料喷射器的燃料流量，并且监测高速压缩机14转子速度N2。调控燃料流量，使得转子速度N2保持在确保引擎稳定性的目标速度。可以基于基于模型的控制、闭环控制(诸如PID控制器)或任何其他合适的控制策略或这些技术的组合来控制燃料流量。例如，在闭环策略中，高压压缩机旋转速度14可以用作控制回路的输入，其中燃料流速作为控制变量。在第一模式下运行期间，马达28不工作。

通过“引擎稳定性”，应当理解，当在第一怠速模式下运行时，引擎在没有外部辅助的情况下是自持的。应当理解，在气体涡轮引擎中，来自燃烧器的热气流驱动涡轮机，继而驱动压缩机。如果进入涡轮机的气体的温度和压力不足，则涡轮机将产生不足以以足够速度驱动压缩机以维持运行的机械动力，并且引擎将失速。这可以通过最小高压压缩机旋转速度N2来表征，在该旋转速度下实现稳定性。

在正常模式下，可以以某一速度驱动引擎，该引擎可以在该速度下加速到更高推力设置(在期望的情况下)。例如，如果推力设置从怠速变为起飞，则添加额外的燃料以增加推力。在正常怠速模式下，引擎以旋转速度运行，使得后续增加的燃料流量将导致引擎加速。在一个示例中，驱动引擎使得高压压缩机14以对应于其最大认证旋转速度的40％(40％N2)的速度运行。

另选地，可以选择第二燃料节省模式。

在燃料节省模式下，引擎燃烧器16以比在第一怠速模式下更低的燃料流速运行。这通过致动电动马达28以驱动高压压缩机14来实现。高压压缩机14以第二预定旋转速度驱动，该第二预定旋转速度比在正常模式下运行期间的速度低，并且系统在没有马达28辅助的情况下不再自持。可以将第二预定旋转速度设置为产生足够的核心空气流速和压力以维持火焰稳定性的值，即，使得燃烧可以在火焰不熄灭并且没有火花发生器辅助的情况下在燃烧器16内得以维持，但该值低于第一怠速模式的旋转速度。在一个示例中，第二预定旋转速度对应于高压压缩机14最大认证旋转速度的30％(30％N2)。在任何情况下，在第二怠速模式下运行期间的目标旋转速度(通常为高压压缩机的目标旋转速度)低于在第一怠速模式下运行期间的对应目标运行速度。

通常，在此类低速下运行将导致压缩机失速或引擎不稳定，因为涡轮机将不提供足够的电力以向压缩机供电。然而，鉴于马达提供的辅助，可以维持这种较低的旋转速度。

在该模式下，系统可以同样基于开环或闭环控制来控制。例如，在闭环运行中，控制参数可以包括电动马达28电力输入，其中压缩机旋转速度N2作为控制变量。例如，控制器34可以包括PID控制器，该PID控制器被配置为控制马达28扭矩，以便将转子14速度N2保持在给定设定点，该给定设定点低于第一怠速模式下所使用的设定点。

马达28在燃料节省模式下运行期间的电力可以由储能装置30和发电机32中的一者或两者提供。在其他情况下，可以从另外的来源提供电力，诸如辅助动力单元(APU)驱动的发电机或接地电源。在气体涡轮引擎10包括联接到与马达28不同的轴的发电机32的情况下，发电机32的运行可以用于供应电力。在这种情况下，发电机32的运行有效地将电力从低压轴24传递到高压轴22。这导致低压轴上的阻力，从而可能导致低压轴24和相关联风扇12的减速。当飞行器飞行时，这可以进一步减少引擎产生的推力，甚至导致来自风扇12的风动的负净阻力。因此，可以实现更陡的下降，从而提供本发明所公开的控制方法的进一步有益效果。

在燃料节省模式下运行期间，还控制燃料流速。例如，燃料流速可以控制在确保火焰稳定性的此类速率下。同样，燃料流速可以基于开环或闭环控制来控制。例如，燃料流速可以在基于模型的控制下运行，其中高压压缩机14旋转速度N2用作输入以确定燃料流速。作为另外的替代方案，燃料流速可以保持在恒定的低水平，其中马达28被调控以将转子速度N2保持在预定值。

鉴于与空气流速相比燃料流速相对较低(因为压缩机仍以相对较高的旋转速度运行，而燃料流速仅处于足以保持稳定火焰的速率)，燃烧器可能在非常“稀薄”条件下运行，即在远低于化学计量的燃料空气比率下运行。在此类条件下，可能难以保持火焰稳定性。此类稀薄条件也可能导致燃烧产物诸如氮氧化物(NOx)的令人无法接受的高排放。

为了改善这种情况，可以仅运行一部分喷射器。例如，在一个实施方案中，可以运行喷射器40e和40g，而其他喷射器是不工作的。这就确保可操作燃料喷射器局部的燃料-空气比率保持在合理裕度内，而燃料流速保持相对较低。在一个实施方案中，运行的一部分喷射器是包括用于启动的点火器燃烧器的喷射器。类似地，在稀燃系统中，仅引燃喷射器42可以是可操作的，而主喷射器44是不工作的。在另一示例中，可以运行一部分引燃喷射器42，而主喷射器和剩余的引燃喷射器都是不工作的。

所描述的方法具有许多优点。当在燃料节省模式下运行时，燃料流速降低，从而降低了引擎在运行期间的总体燃料消耗。在怠速推力设置下运行可能占一些引擎的总运行的相对较大百分比，特别是对于用于短途路线的引擎或在需要大量滑行的拥挤机场使用的引擎。因此，本发明可能带来显著的燃料节省。

另外，引擎可以在停机过程期间或在此之前不久在第二降低的怠速模式下运行。通常，气体涡轮引擎在飞行中的持续运行导致对引擎及其部件的显著热量输入。这些部件在运行中通过气流、油流和燃料流中的一者或多者进行冷却。然而，当引擎停机时，诸如涡轮叶片和转盘等高温部件将继续向其他部件传输热量。具体地，众所周知，当引擎在高温条件下停机时，引擎轴将变得过热并翘曲。因此，在一些情况下，经典的做法是在飞行后停机之前继续以怠速运行引擎几分钟，以避免对部件造成热损坏。

鉴于在第二怠速模式期间的较低燃料输入，输入到引擎的热量减少，同时冷却流继续。因此，通过在停机之前在第二怠速模式下运行引擎，可以更快速地冷却部件，从而可以使得能够减少飞行后的运行时间。因此，由于在怠速期间使用的燃料减少并且引擎的运行时间减少，因此节省了额外的燃料。

仅运行一部分喷射器确保燃料混合物保持在相对富足的比率。这可以为喷射器设计腾出设计空间，因为仅一部分喷射器需要设计成适应怠速设置时的运行。此外，怠速时的这种富足燃料(或不那么稀薄)燃烧可以减少机场的总体排放，特别是在减少燃料消耗的情况下。这可以提高拥挤机场的整体空气质量。

图6示出了与飞行器10一起使用的另选推进系统配置105。每个推进系统105类似于系统5，其包括气体涡轮机110，该气体涡轮机具有以类似于气体涡轮引擎10的方式配置的风扇112、压缩机114、燃烧器116、高压涡轮机118和低压涡轮机120，以及高压轴122和低压轴124。推进系统还包括马达128。然而，在这种情况下，马达128包括由诸如空气或液压流体等流体驱动的气动式或液压式马达128。

在此类布置中，空气或液压流体由外部来源提供，诸如液压泵(未示出)或来自辅助燃气涡轮机150形式的APU的负载压缩机152的排放。

引擎110可以以与引擎10类似的方式运行，其中控制器134被配置为使用图5中概述并且如上所述的控制方案，其中气动式或液压式马达被控制(诸如通过流量控制阀或可变叶片)以控制速度。

应当理解，本发明不限于上述实施方案，并且在不脱离本文中描述的概念的情况下可进行各种修改和改进。除非相互排斥，否则任何特征可以单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本公开扩展到并包括本文中描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

Claims (12)

1.一种气体涡轮引擎控制器，所述气体涡轮引擎包括：

压缩机；

燃烧器；和

马达，所述马达被配置为驱动所述压缩机；其中所述控制器被配置为：

在第一怠速模式下，控制燃烧器燃料流量以使压缩机旋转速度保持在第一预定值或高于第一预定值；并且

在第二怠速模式下，控制燃烧器燃料流量和所述马达以驱动所述压缩机以使所述压缩机旋转速度保持在第二预定值或高于第二预定值，所述第二预定值低于所述第一预定值。

2.根据权利要求1所述的控制器，其中所述马达包括气动式马达、液压式马达和电动马达中的一者。

3.根据权利要求1所述的控制器，其中所述第二预定压缩机旋转速度包括足以使压缩机递送压力和/或质量流量保持在高于维持燃烧所需的预定最小值的值的速度。

4.根据权利要求1所述的控制器，其中所述燃烧器包括多个燃料喷射器，并且其中所述控制器被配置为在所述第二怠速模式下运行期间仅运行所述燃料喷射器的一部分。

5.根据权利要求1所述的控制器，其中所述燃烧器包括分级稀燃燃烧器，所述分级稀燃燃烧器包括一个或多个引燃喷射器和一个或多个主喷射器。

6.根据权利要求1所述的控制器，其中所述控制器被配置为在启动模式下运行所述气体涡轮引擎，其中所述引擎从离线状态加速到所述第一怠速模式和所述第二怠速模式中的一者。

7.根据权利要求1所述的控制器，其中所述控制器被配置为在停机模式下运行所述气体涡轮引擎，包括在所述第二怠速模式下运行所述气体涡轮引擎，然后关闭所述引擎。

8.一种气体涡轮引擎，包括根据权利要求1所述的控制器。

9.根据权利要求8所述的气体涡轮引擎，其中所述气体涡轮引擎包括能够独立旋转的第一压缩机和第二压缩机。

10.根据权利要求9所述的气体涡轮引擎，其中所述第二压缩机设置在所述第一压缩机的核心流量的下游，并且所述马达联接到所述第二压缩机。

11.根据权利要求10所述的气体涡轮，其中，在第一怠速模式下，所述控制器被配置为控制燃烧器燃料流量以使第二压缩机旋转速度保持在所述第一预定值或高于所述第一预定值；并且

在第二怠速模式下，所述控制器被配置为控制所述燃烧器和所述电动马达以驱动所述第二压缩机以使所述压缩机旋转速度保持在所述第二预定值或高于所述第二预定值，所述第二预定值低于所述第一预定值。

12.一种控制气体涡轮引擎的方法，所述气体涡轮引擎包括：

压缩机；

燃烧器；和

马达，所述马达被配置为驱动所述压缩机；其中所述方法包括：

在第一怠速模式下，控制燃烧器燃料流量以使压缩机旋转速度保持在预定值或高于预定值；并且

在第二怠速模式下，控制所述燃烧器和所述马达以驱动所述压缩机以使所述压缩机旋转速度保持在第二预定值或高于第二预定值，所述第二预定值低于所述第一预定值。

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