CN115680887A

CN115680887A - 一种航空发动机磁轴承控制系统及方法

Info

Publication number: CN115680887A
Application number: CN202211256121.3A
Authority: CN
Inventors: 王严伟; 宋启波; 王永明
Original assignee: AECC Sichuan Gas Turbine Research Institute
Current assignee: AECC Sichuan Gas Turbine Research Institute
Priority date: 2022-10-13
Filing date: 2022-10-13
Publication date: 2023-02-03
Anticipated expiration: 2042-10-13
Also published as: CN115680887B

Abstract

本发明涉及航空发动机技术领域，公开了一种航空发动机磁轴承控制系统及方法，航空发动机磁轴承控制系统结构简单，具有较好的经济性、可实现性和可靠性，尤其适用于多电航空发动机磁轴承控制。通过磁轴承控制单元将信号采集单元传递的磁轴承位置信息和FADEC控制器传输的信号进行综合运算，依据计算结果向磁轴承控制驱动单元发送相应的控制信号；磁轴承控制单元输出的控制信号作用于磁轴承控制驱动单元，磁轴承控制驱动单元同时输出控制电流至磁轴承，从而及时根据发动机状态进行磁轴承的适应性调节，可以在不增加磁轴承系统架构的条件下，仅通过控制算法就可以快速实现可广泛应用在航空发动机磁轴承控制中，解决磁轴承在航空发动机适用性难题。

Description

一种航空发动机磁轴承控制系统及方法

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，公开了一种航空发动机磁轴承控制系统及方法。

背景技术

具备磁轴承支撑发动机转子系统，尤其是多电发动机，因其取消了传统机械轴承，可以大幅提升发动机效率。但是磁轴承的可靠控制直接决定了发动机运转稳定性，从而影响航空发动机机动性能、可靠性等。

在飞机大机动条件下，发动机的姿态剧烈变化，必然导致磁轴承的支撑力在各个方向的变化；发动机的磁轴承过载加速度较大，尤其战斗机最大超过10倍重力加速度且变化速率快；磁轴承周围环境温度高变化速率快。在这种极端苛刻条件下，磁轴承的控制系统的响应必须迅速，且在发动机状态变化时能够及时根据设定控制策略，响应发动机的各种剧烈变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种航空发动机磁轴承控制系统及方法，航空发动机磁轴承控制系统结构简单，具有较好的经济性、可实现性和可靠性，尤其适用于多电航空发动机磁轴承控制；磁轴承控制方法运用航空发动机状态数据及发动机磁轴承位置信息进行磁轴承状态调整，在不增加磁轴承系统架构的条件下，仅通过控制算法就可以快速实现。

为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：

一种航空发动机磁轴承控制系统，包括：

FADEC控制器，用于将收集的发动机参数并进行预处理，以此识别发动机状态，并将预处理数据及识别到的发动机状态传递至磁轴承控制单元；

信号采集单元，用于磁轴承的位置信息，并传递至磁轴承控制单元；

磁轴承控制单元，用于根据收集到的预处理数据、发动机状态以及磁轴承的位置信息进行计算，并依据计算结果向磁轴承控制驱动单元发送相应的控制信号；

磁轴承控制驱动单元，用于根据收集到的控制信号，输出控制电流至磁轴承。

进一步地，FADEC控制器进行预处理的参数包括发动机转速、温度、燃油流量。

进一步地，信号采集单元包括用于采集磁轴承位置信息的位移传感器。

为实现上述技术效果，本发明还提供了一种航空发动机磁轴承控制方法，包括如下步骤：

收集发动机参数并进行预处理，根据预处理数据识别发动机状态，并收集磁轴承的位置信息；

根据预处理数据、发动机状态以及磁轴承的位置信息，向磁轴承驱动机构发送相应的控制信号。

进一步地，磁轴承控制单元的控制信号包括加速磁轴承控制信号、减速磁轴承控制信号和稳态磁轴承控制信号。

进一步地，发动机参数包括转速、温度、燃油流量，通过计算获取燃油流量变化值、转速变化值和温度变化值，确定发动机状态，发动机状态包括稳态、加速状态、减速状态。

进一步地，发动机状态识别方法包括：

当N2g－N2≤a，或N1max－N1≤b，或Tt5max－Tt5≤c，或WFB－WFBmin≤d，或WFBmax－WFB≤d，且持续时间大于t，识别为稳态；

当N2g－N2>a，且N1max－N1>b，且Tt5max－Tt5>c，且WFB－WFBmin>d，且WFBmax－WFB>d，且持续时间大于t，识别为加速状态；

当N2－N2g>a，且N1max－N1>b，且Tt5max－Tt5>c，且WFB－WFBmin>d，且WFBmax－WFB>d，且持续时间大于t，识别为减速状态；

其中，N2g为发动机根据油门杆角度实时计算的高压转子转速给定值；N2为发动机高压转子转速实时采集值；N1max为发动机低压转子转速最大值；N1为发动机低压转子转速实时采集值；Tt5max为发动机涡轮后温度最大值；Tt5为发动机涡轮后温度实时采集值；WFB为发动机计算实时燃油流量；WFBmin为发动机慢车及以上状态最小燃油流量；WFBmax为发动机慢车及以上状态最大燃油流量，其中a、b、c、d、t分别为对应的预设阈值。

进一步地，磁轴承包括前径向磁轴承、轴向磁轴承、后径向磁轴承。

进一步地，依据发动机燃油流量变化值，向前径向磁轴承、后径向磁轴承的发送相应的输出电流值。

进一步地，依据发动机转速变化值或温度变化值，向前径向磁轴承、轴向磁轴承、后径向磁轴承发送相应的输出电流。

与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：

1、本发明中的磁轴承控制单元将信号采集单元传递的磁轴承位置信息和FADEC控制器传输的信号进行综合运算，依据计算结果向磁轴承控制驱动单元发送相应的控制信号；磁轴承控制单元输出的控制信号作用于磁轴承控制驱动单元，磁轴承控制驱动单元同时输出控制电流至磁轴承，从而及时根据发动机状态进行磁轴承的适应性调节；可广泛应用在航空发动机磁轴承控制中，解决磁轴承在航空发动机适用性难题。

2、本发明的航空发动机磁轴承控制系统结构简单，具有较好的经济性、可实现性和可靠性，尤其适用于多电航空发动机磁轴承控制；

3、本发明的航空发动机磁轴承控制方法运用航空发动机状态数据及发动机磁轴承位置信息进行磁轴承状态调整，在不增加磁轴承系统架构的条件下，仅通过控制算法就可以快速实现。

附图说明

图1为实施例中航空发动机磁轴承控制系统的结构框图；

图2为实施例中航空发动机磁轴承控制方法具体操作流程图；

其中，1、FADEC控制器；2、磁轴承控制单元；3、磁轴承控制驱动单元；4、信号采集单元。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例

参见图1和图2，一种航空发动机磁轴承控制系统，包括：

FADEC控制器1，用于将收集的发动机参数并进行预处理，以此识别发动机状态，并将预处理数据及识别到的发动机状态传递至磁轴承控制单元2；

信号采集单元4，用于磁轴承的位置信息，并传递至磁轴承控制单元2；

磁轴承控制单元2，用于根据收集到的预处理数据、发动机状态以及磁轴承的位置信息进行计算，并依据计算结果向磁轴承控制驱动单元3发送相应的控制信号；

磁轴承控制驱动单元3，用于根据收集到的控制信号，输出控制电流至磁轴承。

本实施例中的航空发动机磁轴承控制方法，包括如下步骤：

在本实施例中，首先发动机的FADEC控制器1将采集到的发动机转速、温度、燃油等信号计算获取燃油流量、转速、温度变化的值等预处理数据，并进行判断获取发动机状态，将预处理数据及发动机状态传输给磁轴承控制单元2；信号采集单元4采集磁轴承的实时位置信息，并传递至磁轴承控制单元2；磁轴承控制单元2将信号采集单元4传递的磁轴承位置信息和FADEC控制器1传输的信号进行综合运算，依据计算结果向磁轴承控制驱动单元3发送相应的控制信号；磁轴承控制单元2输出的控制信号包括加速磁轴承控制信号、稳态磁轴承控制信号、减速磁轴承控制信号；该类控制信号最终作用于磁轴承控制驱动单元3，磁轴承控制驱动单元3同时输出控制电流至磁轴承，从而及时根据发动机状态进行磁轴承的适应性调节；可广泛应用在航空发动机磁轴承控制中，解决磁轴承在航空发动机适用性难题。

本实施例中的信号采集单元4包括用于采集磁轴承与转子之间位置的位移传感器，通过位移传感器感知磁轴承位置传输至磁轴承控制单元2。

本实施例中，FADEC控制器1对收集的发动机转速、温度、燃油流量参数进行预处理，计算获取燃油流量变化值、转速变化值和温度变化值，以此获取发动机状态，发动机状态包括稳态、加速状态、减速状态。

本实施例中，磁轴承控制单元2的控制信号包括加速磁轴承控制信号、减速磁轴承控制信号和稳态磁轴承控制信号。

如图2所示，为实施例中航空发动机磁轴承控制方法具体操作流程图，在发动机起动时识别发动机为加速运行状态，发动机FADEC控制器1输出信号，磁轴承控制系统执行加速控制算法；

当发动机控制系统识别到进入慢车稳态时，磁轴承控制系统获取信号并由磁轴承控制单元2向磁轴承控制驱动单元3发出加速磁轴承控制信号，磁轴承控制驱动单元3按磁轴承加速控制策略向磁轴承传输相应的控制电流；

此后在发动机运行过程中，依据发动机控制系统的转速变化值、燃油流量变化值、涡轮后温度变化值进行识别发动机状态。详细判定如下：

当N2g－N2≤a，或N1max－N1≤b，或Tt5max－Tt5≤c，或WFB－WFBmin≤d，或WFBmax－WFB≤d，且持续时间大于t，识别为稳态，磁轴承控制单元2向磁轴承控制驱动单元3发出稳态磁轴承控制信号，磁轴承控制驱动单元3按磁轴承稳态控制策略向磁轴承传输相应的控制电流；

当N2g－N2>a，且N1max－N1>b，且Tt5max－Tt5>c，且WFB－WFBmin>d，且WFBmax－WFB>d，且持续时间大于t，识别为加速状态，磁轴承控制单元2向磁轴承控制驱动单元3发出加速磁轴承控制信号，磁轴承控制驱动单元3按预设的磁轴承加速控制策略向磁轴承传输相应的控制电流；

当N2－N2g>a，且N1max－N1>b，且Tt5max－Tt5>c，且WFB－WFBmin>d，且WFBmax－WFB>d且持续时间大于t，识别为减速状态，磁轴承控制单元2向磁轴承控制驱动单元3发出减速磁轴承控制信号，磁轴承控制驱动单元3按磁轴承减速控制策略向磁轴承传输相应的控制电流；

其中，N2g为发动机根据油门杆角度实时计算的高压转子转速给定值；N2为发动机高压转子转速实时采集值；N1max为发动机低压转子转速最大值；N1为发动机低压转子转速实时采集值；Tt5max为发动机涡轮后温度最大值；Tt5为发动机涡轮后温度实时采集值；WFB为发动机计算实时燃油流量；WFBmin为发动机慢车及以上状态最小燃油流量；WFBmax为发动机慢车及以上状态最大燃油流量，其中a、b、c、d、t分别为对应的预设阈值，本实施例中取a为96r/min，b为125r/min，c为15K，d为10kg/h，持续时间阈值t为0.25。

需要说明的是，以上是对航空发动机正常运行过程中的状态采取对应的磁轴承控制策略；然而发动机状态还可以包括起动状态、停车状态和慢车稳态(能够维持发动机稳定运作的最低转速状态)，若处于起动状态，磁轴承控制驱动单元3按磁轴承加速控制策略向磁轴承传输相应的控制电流，但需考虑发动机转子模态及推力变化对磁轴承控制稳定性的影响进行电流的适应性调整。而在发动机停车前一般会进入慢车稳态，此时发动机判定为慢车稳态，磁轴承控制单元2向磁轴承控制驱动单元3发出减速磁轴承控制信号，磁轴承控制驱动单元3按磁轴承减速控制策略向磁轴承传输相应的控制电流。同时，当发动机油门杆置于停车阈时，磁轴承按减速控制策略执行。

本实施例中的航空发动机磁轴承包括前径向磁轴承、轴向磁轴承、后径向磁轴承，且每个磁轴承都设置有对应的位移传感器。

磁轴承控制驱动单元3依据发动机燃油流量变化值，向前径向磁轴承、后径向磁轴承的发送相应的输出电流值；依据发动机转速变化值或温度变化值，向前径向磁轴承、轴向磁轴承、后径向磁轴承发送相应的输出电流。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种航空发动机磁轴承控制系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的航空发动机磁轴承控制系统，其特征在于，FADEC控制器进行预处理的参数包括发动机转速、温度、燃油流量。

3.根据权利要求1所述的航空发动机磁轴承控制系统，其特征在于，信号采集单元包括用于采集磁轴承位置信息的位移传感器。

4.一种航空发动机磁轴承控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的航空发动机磁轴承控制方法，其特征在于，磁轴承控制单元的控制信号包括加速磁轴承控制信号、减速磁轴承控制信号和稳态磁轴承控制信号。

6.根据权利要求4所述的航空发动机磁轴承控制方法，其特征在于，发动机参数包括转速、温度、燃油流量，通过计算获取燃油流量变化值、转速变化值和温度变化值，确定发动机状态，发动机状态包括稳态、加速状态、减速状态。

7.根据权利要求6所述的航空发动机磁轴承控制方法，其特征在于，发动机状态识别方法包括：

8.根据权利要求4-7任意一项所述的航空发动机磁轴承控制方法，其特征在于，所述磁轴承包括前径向磁轴承、轴向磁轴承、后径向磁轴承。

9.根据权利要求8所述的航空发动机磁轴承控制方法，其特征在于，依据发动机燃油流量变化值，向前径向磁轴承、后径向磁轴承的发送相应的输出电流值。

10.根据权利要求8所述的航空发动机磁轴承控制方法，其特征在于，依据发动机转速变化值或温度变化值，向前径向磁轴承、轴向磁轴承、后径向磁轴承发送相应的输出电流。