CN115839277A - 一种航空发动机及其功率提取与分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航空发动机及其功率提取与分配方法，包括有第一层级控制和第二层级控制，第二层级控制根据飞行条件、功率、推力指令和电气负载指令规划功率提取与分配策略，当发动机处于稳态时，平衡大功率电气负载突变和电能回馈时对发动机产生的冲击，当发动机工作在飞行包线边界或处于过渡态时，提高发动机的可操作性，并且第二层级控制的输出作为第一层级控制的输入指令，完成对第一发电机、第二发电机和储能装置的闭环控制，本申请减少发动机在大功率电气负载突变或产生回馈电能时对发动机动态造成的冲击，并且提高多转子发动机在飞行包线边界和过渡态时的可操作性。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机控制技术领域，特别涉及一种航空发动机及其功率提取与分配方法。
背景技术
飞机上的发电机主要从发动机转轴上提取机械能后转换为电能。由于当前飞机上的电气负载功率等级较小(百千瓦级)，发电机功率提取对发动机性能造成的影响可以忽略。然而，多电发动机、多电飞机以及混合动力电推进等新架构下的功率需求可以达到兆瓦级以上，此时发电机功率提取的动态变化会对发动机运行稳定性的影响需要得到考虑。例如，双转子发动机高压转子上功率提取的突然增加会导致低压压气机的工作线上移，减少喘振裕度，低压转子上功率提取的突然增加会导致低压压气机的工作线下移，增加喘振裕度。此外，新架构下电气负载产生的回馈电能也远大于当前飞机，大功率回馈电能对会发电机的运转造成冲击，进而影响到与发电机相连接的发动机转子。因此，大功率的负载突变和电能回馈对发动机运行稳定性的影响需要得到考虑。
由于发动机的气动热力学特征，多转子发动机中的不同转子运动耦合，不能分别工作在各自的最佳工况点。当发动机工作在飞行包线边界或处于过渡态时，这种耦合对发动机可操作性的影响更为突出。早在60年代已有学者及发动机制造商提出采用机械液压的方法对转子进行解耦，然而由于装置复杂和效率低下，没能在实际中得到应用。大容量发电机的应用提供了一种解决方法，即通过合理分配发电机从发动机转轴上提取的功率，改变转轴的转矩，实现转子的解耦，从而提高发动机的可操作性。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种航空发动机及其功率提取与分配方法，能够减小大功率电气负载突变或产生回馈电能时对发动机动态造成的冲击，同时能够合理分配发电机从发动机转轴上的功率提取，提供一种解决多转子发动机转子动态耦合的方法，提高发动机在飞行包线边界和过渡态的可操作性。
技术方案：本发明所述的一种航空发动机，包括有：
第一转轴，所述第一转轴连接发动机的高压涡轮和高压压气机；
第二转轴，所述第二转轴连接发动机的低压涡轮和低压压气机；
FADEC系统，所述FADEC系统包括发动机控制器、执行机构和发动机传感器；
第一发电机，所述第一发电机从所述第一转轴提取功率，产生的交流电由第一AC/DC双向变换器转换为直流电；
第二发电机，所述第二发电机从所述第二转轴提取功率，产生的交流电由第二AC/DC双向变换器转换为直流电；
储能装置，所述储能装置包括电池和超级电容，所述电池和第一DC/DC双向变换器连接，所述超级电容和第二DC/DC双向变换器连接；
电气负载，所述电气负载突加时表现为负载阶跃，突卸时产生回馈电能；
直流母线，所述直流母线连接所述第一发电机、所述第二发电机、所述储能装置和所述电气负载；
电气传感器，所述电气传感器测量第一发电机、第二发电机、储能装置、直流母线和电气负载的电压、电流和功率。
一种航空发动机的功率提取与分配方法，包括有第一层级控制和第二层级控制，所述第二层级控制根据飞行条件、功率、推力指令和电气负载指令规划功率提取与分配策略，所述第二层级控制的输出作为第一层级控制的输入指令，通过第一层级控制器完成对第一发电机、第二发电机和储能装置的闭环控制，所述第一层级控制器包括有第一AC/DC控制单元、第二AC/DC控制单元、第一DC/DC控制单元和第二DC/DC控制单元。
作为优选，所述第二层级控制根据飞行条件、功率、推力指令和电气负载指令规划功率提取与分配策略具体包括有：
发动机控制器判断发动机处于稳态还是过渡态；
当发动机处于稳态，发动机控制器执行稳态控制计划，同时，功率提取与分配策略控制器判断电气负载状态，若负载阶跃，进一步判断储能装置的电量状态SOC，若SOC＞0.2，则储能装置放电，若SOC＜0.2，则储能装置禁止放电，同时第二发电机增加功率提取；若负载回馈电能，进一步判断储能装置SOC，若SOC＞0.8，则储能装置禁止充电，同时第一发电机减小功率提取；若SOC＜0.8，则储能装置充电；若负载稳态，则发动机按正常计划控制；
当发动机处于过渡态，则发动机控制器执行过渡态控制计划，并判断发动机处于加速状态还是减速状态；若发动机处于减速状态，功率提取与分配策略控制器判断储能装置SOC，若SOC＞0.2，则第二发电机增加功率提取并注入到第一发电机，储能装置禁止充电；若SOC＜0.2，则储能装置禁止放电，第二发电机增加功率提取，减小第二转轴的转矩，多余电能注入到第一发电机；若发动机处于加速状态，判断储能装置SOC，若SOC＞0.2，储能装置放电，向第一发电机注入功率，增加第一转轴的转矩；若SOC＜0.2，储能装置禁止放电，第二发电机增加功率提取，将电能注入到第一发电机，增加第一转轴的转矩。
作为优选，所述第一AC/DC控制单元测量第一发电机的电流、转速和转矩信号，与第二层级控制输出的控制指令比较计算后，向第一AC/DC双向功率变换器输出占空比信号，控制第一发电机产生交流电的大小，改变对高压转子功率提取的多少，进而增加或减少高压转子转矩。
作为优选，所述第二AC/DC控制单元测量第二发电机的电流、转速和转矩信号，与第二层级控制输出的控制指令比较计算后，向第二AC/DC双向功率变换器输出占空比信号，调节第二发电机产生交流电的大小，改变对低压转子功率提取的多少，进而增加或减少低压转子转矩。
作为优选，所述第一DC/DC控制单元测量直流母线的电压和功率信号，与第二层级控制输出的控制信号比较计算后，向第一DC/DC双向功率变换器输出占空比信号，控制电池吸收或释放电能。
作为优选，所述第二DC/DC控制单元测量直流母线的电压和功率信号，与第二层级控制输出的控制信号比较计算后，向第二DC/DC双向功率变换器输出占空比信号，控制超级电容器吸收或释放电能。
有益效果：
(1)、在发动机稳定性方面，本发明可以减少发动机在大功率电气负载突变或产生回馈电能时对发动机动态造成的冲击；
(2)、在发动机可操作性方面，本发明可以提高多转子发动机在飞行包线边界和过渡态时的可操作性；
(3)、在发动机系统结构方面，本发明可以降低发电机的峰值容量要求，进而减小发电机尺寸和重量、减少用于消耗回馈电能的耗散元件和冷却系统、以及可以取消低压压气机与高压压气机之间的放气活门装置。
附图说明
图1是本申请中发动机的系统原理图；
图2是本申请中第二层级控制的功率提取与分配的控制架构原理图；
图3是本申请中第二层级控制的功率提取与分配的策略示意图；
图4是本申请中第一层级控制器控制电池吸收或释放电能示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本申请做进一步阐述。
如图1所示，是本申请中发动机的系统原理图，在本实施例中，包括有：
第一转轴，所述第一转轴连接发动机的高压涡轮和高压压气机；
第二转轴，所述第二转轴连接发动机的低压涡轮和低压压气机；
FADEC系统，所述FADEC系统包括发动机控制器、执行机构和发动机传感器；
第一发电机，所述第一发电机从所述第一转轴提取功率，产生的交流电由第一AC/DC双向变换器转换为直流电；
第二发电机，所述第二发电机从所述第二转轴提取功率，产生的交流电由第二AC/DC双向变换器转换为直流电；
储能装置，所述储能装置包括电池和超级电容，所述电池和第一DC/DC双向变换器连接，所述超级电容和第二DC/DC双向变换器连接；
电气负载，所述电气负载突加时表现为负载阶跃，突卸时产生回馈电能；
直流母线，所述直流母线连接所述第一发电机、所述第二发电机、所述储能装置和所述电气负载；
电气传感器，所述电气传感器测量第一发电机、第二发电机、储能装置、直流母线和电气负载的电压、电流和功率。
本申请中发动机的功率提取与分配方法包括有第一层级控制和第二层级控制，如图2和3所示，其中第二层级控制根据飞行条件、功率、推力指令和电气负载指令规划功率提取与分配策略，具体包括：
发动机控制器判断发动机处于稳态还是过渡态；
当发动机处于稳态，发动机控制器执行稳态控制计划，同时，功率提取与分配策略控制器判断电气负载状态，若负载阶跃，进一步判断储能装置的电量状态SOC，若SOC＞0.2，则储能装置放电，若SOC＜0.2，则储能装置禁止放电，同时第二发电机增加功率提取；若负载回馈电能，进一步判断储能装置SOC，若SOC＞0.8，则储能装置禁止充电，同时第一发电机减小功率提取；若SOC＜0.8，则储能装置充电；若负载稳态，则发动机按正常计划控制。
当发动机处于过渡态，则发动机控制器执行过渡态控制计划，并判断发动机处于加速状态还是减速状态；若发动机处于减速状态，功率提取与分配策略控制器判断储能装置SOC，若SOC＞0.2，则第二发电机增加功率提取并注入到第一发电机，储能装置禁止充电；若SOC＜0.2，则储能装置禁止放电，第二发电机增加功率提取，减小第二转轴的转矩，多余电能注入到第一发电机；若发动机处于加速状态，判断储能装置SOC，若SOC＞0.2，储能装置放电，向第一发电机注入功率，增加第一转轴的转矩；若SOC＜0.2，储能装置禁止放电，第二发电机增加功率提取，将电能注入到第一发电机，增加第一转轴的转矩。
第二层级控制根据飞行条件、功率、推力指令和电气负载指令规划功率提取与分配策略后的输出作为第一层级控制的输入指令，通过第一层级控制器完成对第一发电机、第二发电机和储能装置的闭环控制。
在本实施例中，第一层级控制器包括有第一AC/DC控制单元、第二AC/DC控制单元、第一DC/DC控制单元和第二DC/DC控制单元。
在本实施例中，第一AC/DC控制单元测量第一发电机的电流、转速和转矩信号，与第二层级控制输出的控制指令比较计算后，向第一AC/DC双向功率变换器输出占空比信号，控制第一发电机产生交流电的大小，改变对高压转子功率提取的多少，进而增加或减少高压转子转矩。
在本实施例中，第二AC/DC控制单元测量第二发电机的电流、转速和转矩信号，与第二层级控制输出的控制指令比较计算后，向第二AC/DC双向功率变换器输出占空比信号，调节第二发电机产生交流电的大小，改变对低压转子功率提取的多少，进而增加或减少低压转子转矩。
如图4所示，在本实施例中，第一DC/DC控制单元测量直流母线的电压和功率信号，与第二层级控制输出的控制信号比较计算后，向第一DC/DC双向功率变换器输出占空比信号，控制电池吸收或释放电能。
在本实施例中，第二DC/DC控制单元测量直流母线的电压和功率信号，与第二层级控制输出的控制信号比较计算后，向第二DC/DC双向功率变换器输出占空比信号，控制超级电容器吸收或释放电能。
Claims (7)
1.一种航空发动机，其特征在于：包括有：
第一转轴，所述第一转轴连接发动机的高压涡轮和高压压气机；
第二转轴，所述第二转轴连接发动机的低压涡轮和低压压气机；
FADEC系统，所述FADEC系统包括发动机控制器、执行机构和发动机传感器；
第一发电机，所述第一发电机从所述第一转轴提取功率，产生的交流电由第一AC/DC双向变换器转换为直流电；
第二发电机，所述第二发电机从所述第二转轴提取功率，产生的交流电由第二AC/DC双向变换器转换为直流电；
储能装置，所述储能装置包括电池和超级电容，所述电池和第一DC/DC双向变换器连接，所述超级电容和第二DC/DC双向变换器连接；
电气负载，所述电气负载突加时表现为负载阶跃，突卸时产生回馈电能；
直流母线，所述直流母线连接所述第一发电机、所述第二发电机、所述储能装置和所述电气负载；
电气传感器，所述电气传感器测量第一发电机、第二发电机、储能装置、直流母线和电气负载的电压、电流和功率。
2.一种航空发动机的功率提取与分配方法，其特征在于：包括有第一层级控制和第二层级控制，所述第二层级控制根据飞行条件、功率、推力指令和电气负载指令规划功率提取与分配策略，所述第二层级控制的输出作为第一层级控制的输入指令，通过第一层级控制器完成对第一发电机、第二发电机和储能装置的闭环控制，所述第一层级控制器包括有第一AC/DC控制单元、第二AC/DC控制单元、第一DC/DC控制单元和第二DC/DC控制单元。
3.根据权利要求2所述的一种航空发动机系统的功率提取与分配方法，其特征在于：所述第二层级控制根据飞行条件、功率、推力指令和电气负载指令规划功率提取与分配策略，具体包括有：
发动机控制器判断发动机处于稳态还是过渡态；
当发动机处于稳态，发动机控制器执行稳态控制计划，同时，功率提取与分配策略控制器判断电气负载状态，若负载阶跃，进一步判断储能装置的电量状态SOC，若SOC＞0.2，则储能装置放电，若SOC＜0.2，则储能装置禁止放电，同时第二发电机增加功率提取；若负载回馈电能，进一步判断储能装置SOC，若SOC＞0.8，则储能装置禁止充电，同时第一发电机减小功率提取；若SOC＜0.8，则储能装置充电；若负载稳态，则发动机按正常计划控制；
当发动机处于过渡态，则发动机控制器执行过渡态控制计划，并判断发动机处于加速状态还是减速状态；若发动机处于减速状态，功率提取与分配策略控制器判断储能装置SOC，若SOC＞0.2，则第二发电机增加功率提取并注入到第一发电机，储能装置禁止充电；若SOC＜0.2，则储能装置禁止放电，第二发电机增加功率提取，减小第二转轴的转矩，多余电能注入到第一发电机；若发动机处于加速状态，判断储能装置SOC，若SOC＞0.2，储能装置放电，向第一发电机注入功率，增加第一转轴的转矩；若SOC＜0.2，储能装置禁止放电，第二发电机增加功率提取，将电能注入到第一发电机，增加第一转轴的转矩。
4.根据权利要求2所述的一种航空发动机系统的功率提取与分配方法，其特征在于：所述第一AC/DC控制单元测量第一发电机的电流、转速和转矩信号，与第二层级控制输出的控制指令比较计算后，向第一AC/DC双向功率变换器输出占空比信号，控制第一发电机产生交流电的大小，改变对高压转子功率提取的多少，进而增加或减少高压转子转矩。
5.根据权利要求2所述的一种航空发动机系统的功率提取与分配方法，其特征在于：所述第二AC/DC控制单元测量第二发电机的电流、转速和转矩信号，与第二层级控制输出的控制指令比较计算后，向第二AC/DC双向功率变换器输出占空比信号，调节第二发电机产生交流电的大小，改变对低压转子功率提取的多少，进而增加或减少低压转子转矩。
6.根据权利要求2所述的一种航空发动机系统的功率提取与分配方法，其特征在于：所述第一DC/DC控制单元测量直流母线的电压和功率信号，与第二层级控制输出的控制信号比较计算后，向第一DC/DC双向功率变换器输出占空比信号，控制电池吸收或释放电能。
7.根据权利要求2所述的一种航空发动机系统的功率提取与分配方法，其特征在于：所述第二DC/DC控制单元测量直流母线的电压和功率信号，与第二层级控制输出的控制信号比较计算后，向第二DC/DC双向功率变换器输出占空比信号，控制超级电容器吸收或释放电能。
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| CN202211639024.2A CN115839277A (zh) | 2022-12-20 | 2022-12-20 | 一种航空发动机及其功率提取与分配方法 |
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| CN115839277A true CN115839277A (zh) | 2023-03-24 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116031989A (zh) * | 2023-03-29 | 2023-04-28 | 中国航空工业集团公司金城南京机电液压工程研究中心 | 一种多源电能控制方法及架构 |
-
2022
- 2022-12-20 CN CN202211639024.2A patent/CN115839277A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116031989A (zh) * | 2023-03-29 | 2023-04-28 | 中国航空工业集团公司金城南京机电液压工程研究中心 | 一种多源电能控制方法及架构 |
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