CN116451363A - 基于转速解耦的无导叶对转涡轮发动机控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无导叶对转涡轮发动机技术领域，公开了一种基于转速解耦的无导叶对转涡轮发动机控制方法及装置。本发明利用仿真模型通过调整电机功率，模拟确定无导叶对转涡轮的高低压涡轮折合转速与所述无导叶对转涡轮发动机的热效率的对应关系，进而确定无导叶对转涡轮的最优折合转速及所述无导叶对转涡轮发动机的最优折合功率。采用本发明公开的基于转速解耦的无导叶对转涡轮发动机控制方法确定的无导叶对转涡轮高低压涡轮最优折合转速控制规律，可以提高无导叶对转涡轮发动机的热效率，解除无导叶对转涡轮发动机高低压轴转速耦合的限制，拓展无导叶对转涡轮的工况范围，大大提高发动机非设计点效率。

Description

基于转速解耦的无导叶对转涡轮发动机控制方法及装置

技术领域

本发明属于燃气涡轮发动机混合电推进领域，尤其涉及基于转速解耦的无导叶对转涡轮发动机控制方法及装置。本发明可用于带对转涡轮的涡喷发动机、涡轴发动机、涡扇发动机以及燃气轮机。

背景技术

无导叶对转涡轮具有结构紧凑，质量小、以及设计点效率高等一系列优点，具有广阔的发展前景。然而，无导叶对转涡轮在非设计工况下存在效率恶化严重问题，其根源在于，低压涡轮利用高压涡轮转子出口气流产生的周向预旋做功，导致低压涡轮的工作状态与高压涡轮高度耦合。随着负载下降，低压涡轮进口气流角偏离高效区，造成对转涡轮发动机效率急剧下降。

针对提高无导叶对转涡轮非设计点性能，目前公开的技术主要有优化涡轮部件气动设计、调节高压涡轮导叶等，效率提升有限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供基于转速解耦的无导叶对转涡轮发动机控制方法及装置，利用控制装置实现高低压涡轮转速解耦，从而优化无导叶对转涡轮发动机非设计点效率。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

基于转速解耦的无导叶对转涡轮发动机控制方法，所述控制方法包括：

步骤S1：获取无导叶对转涡轮发动机的部件特性参数；

步骤S2：根据部件特性参数，建立无导叶对转涡轮发动机的仿真模型，仿真模型包含能量分析模块；

步骤S3：利用仿真模型的能量分析模块，通过调整电机的功率，确定不同负荷下无导叶对转涡轮的折合转速与无导叶对转涡轮发动机的热效率的对应关系；

步骤S4：根据无导叶对转涡轮的折合转速与无导叶对转涡轮发动机的热效率的对应关系，确定不同负荷下无导叶对转涡轮的最优折合转速及电机的最优折合功率，获得最优控制规律。

进一步地，所述无导叶对转涡轮包括高压部件和低压部件，高压部件具有高压涡轮、高压压气机、高压轴和控制高压轴转速的高压轴电机，低压部件具有低压涡轮、低压压气机、低压轴和控制低压轴转速的低压轴电机。

进一步地，所述步骤S3中电机包括高压轴电机和/或低压轴电机。

进一步地，所述无导叶对转涡轮发动机的部件特性参数。

进一步地，所述能量分析模块被配置为，采用热力学第一定律和第二定律计算无导叶对转涡轮发动机的部件的能量流动、流动以及不可逆损失情况。

进一步地，无导叶对转涡轮发动机工作时，电机作为电动机向高压轴和/或低压轴提供输入功率，或者电机作为发电机向高压轴和/或低压轴提取输出功率，以主动调节高压轴和/或低压轴转速。

进一步地，所述步骤S4具体包括：

在保证无导叶对转涡轮发动机不超过最大安全工作温度、不超过最大安全工作转速和喘振裕度不低于最小安全喘振裕度的情况下，将热效率最优对应的无导叶对转涡轮的折合转速确定为无导叶对转涡轮的最优折合转速，将不同负荷下热效率最优对应的电机功率确定为最优折合功率。

进一步地，所述特定发动机负荷下的电机的最优折合功率需满足以下两个条件：

无导叶对转涡轮发动机在30％额定负荷时，无导叶对转涡轮发动机的热效率提高大于2％；以及

在任意负荷下满足无导叶对转涡轮发动机不超过最大安全工作温度、不超过最大安全工作转速和喘振裕度不低于最小安全喘振裕度。

本发明还提供一种基于转速解耦的无导叶对转涡轮发动机控制装置，所述控制装置包括：

获取模块，用于获取无导叶对转涡轮发动机的部件特性参数；

建模模块，用于根据部件特性参数，建立无导叶对转涡轮发动机的仿真模型，仿真模型包含能量分析模块；

第一确定模块，用于利用仿真模型的能量分析模块，通过调整电机的功率，确定不同负荷下无导叶对转涡轮的折合转速与无导叶对转涡轮发动机的热效率的对应关系，电机包括高压轴电机和/或所述低压轴电机；

第二确定模块，用于根据无导叶对转涡轮的折合转速与所述无导叶对转涡轮发动机的热效率的对应关系，确定不同负荷下无导叶对转涡轮的最优折合转速及电机的最优折合功率，获得最优控制规律。

本发明的有益效果是：

(1)无导叶对转涡轮高低压涡轮转速解耦，通过调节电机输入功率或输出功率，能够保证无导叶对转涡轮发动机负荷(总输出功率)一定的情况下，高低压轴转速以及压气机和涡轮共同工作点主动调节，保证部件工作状态位于高效区。本发明中的发动机负荷是指发动机总输出功率/推力。

(2)通过进行仿真模拟，能够验证本方案的有效性。

(3)本公开能够优化非设计点工况，特别是中低负荷下对转涡轮发动机部件效率和循环热效率，降低各部分损失，有效缓解对转涡轮发动机中低负荷下的效率恶化问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本公开实施例中的无导叶对转涡轮发动机的结构简图；

图2为本公开实施例基于转速解耦的无导叶对转涡轮发动机控制优化方法流程图；

图3为本发明方法使用前无导叶对转涡轮发动机40％负荷工况下的能量分析结果示意图；

图4为本发明方法使用后无导叶对转涡轮发动机40％负荷工况下的能量分析结果示意图；

图5为本发明控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需注意，虽然本实施例的描述对象为燃气轮机，但本发明的应用对象不止于此。本发明可用于带无导叶对转涡轮的发动机，包括但不限于涡轴发动机、涡扇发动机、涡喷发动机、涡桨发动机以及燃气轮机。

如图1所示，本实施例中无导叶对转涡轮发动机为双轴式燃气轮机，包括燃烧室、高压压气机、低压压气机、高压涡轮、无导叶低压涡轮以及回热器。

高压部件具有高压压气机、高压涡轮、高压轴和控制高压轴转速的高压轴电机，低压部件具有低压压气机、低压涡轮、低压轴和控制低压轴转速的低压轴电机。具体地，高压涡轮通过高压轴带动高压压气机，同时，高压轴向外输出功率，低压涡轮通过低压轴带动低压压气机。低压涡轮出口燃气通过回热器预加热高压压气机出口空气。高压轴上安装有高压轴电机，通过控制高压轴电机功率控制高压轴转速，低压轴上安装有低压轴电机，通过控制低压轴电机的输入功率或输出功率可以控制低压轴转速。

如图2所示，基于转速解耦的无导叶对转涡轮发动机控制方法，包括：

步骤S1：获取无导叶对转涡轮发动机的部件特性参数；

步骤S2：根据部件特性参数，建立无导叶对转涡轮发动机的仿真模型，仿真模型包含能量分析模块；

步骤S3：利用仿真模型的能量分析模块，通过调整电机的功率，确定不同负荷下无导叶对转涡轮的折合转速与无导叶对转涡轮发动机的热效率的对应关系，电机包括高压轴电机和/或低压轴电机；

步骤S4：根据无导叶对转涡轮的折合转速与无导叶对转涡轮发动机的热效率的对应关系，确定不同负荷下无导叶对转涡轮的最优折合转速及电机的最优折合功率，获得最优控制规律。

本公开利用仿真模型的能量分析模块，通过调整电机的功率，确定无导叶对转涡轮中高低压涡轮的折合转速与燃气涡轮发动机的热效率的对应关系，确定其对整机性能的影响规律，进而确定高低压涡轮的最优折合转速及电机的最优折合功率。即通过向高压轴和/或低压轴输入或提取最优折合功率，主动调节高压轴和/或低压轴的转速，优化高压轴和低压轴的折合转速，实现高低压涡轮转速解耦。采用本公开的基于转速解耦的无导叶对转涡轮发动机控制优化方法确定的高低压涡轮折合转速，可以提高无导叶对转涡轮发动机的热效率，解除无导叶对转涡轮高低压涡轮转速耦合的限制，拓展无导叶对转涡轮的工况范围，大大提高发动机非设计点效率。

在本实施例中，基于转速解耦的无导叶对转涡轮发动机控制方法，包括：

步骤S1：获取无导叶对转涡轮发动机的部件特性参数。

具体地，可以通过计算流体三维仿真或部件特性实验，确定高压压气机、低压压气机、高压涡轮和低压涡轮部件特性图。其中，无导叶对转涡轮发动机的部件特性包括：高压压气机的压比和效率特性、低压压气机的压比和效率特性、高低压对转涡轮的膨胀比和效率特性。

步骤S2：根据部件特性参数，建立无导叶对转涡轮发动机的仿真模型，仿真模型包含能量分析模块。

具体地，在步骤1的部件特性基础上，建立部件级仿真模型，在仿真模型中添加能量分析模块。能量分析模块被配置为，采用热力学第一定律和第二定律计算燃气涡轮发动机的部件的能量流动、流动以及不可逆损失情况。燃气涡轮发动机的部件可以是高压压气机、低压压气机、高压涡轮、低压涡轮、燃烧室。部件级仿真模型能够模拟发动机各截面温度和压力、压气机喘振裕度、高低压轴转速、发动机功率和热效率。

步骤S3：利用仿真模型的能量分析模块，通过调整电机的功率，确定不同负荷下无导叶对转涡轮的折合转速与无导叶对转涡轮发动机的热效率的对应关系。

其中，无导叶对转涡轮折合转速包括高压轴的折合转速和/或低压轴的折合转速。电机包括高压轴电机和/或低压轴电机；

无导叶对转涡轮发动机工作时，电机作为电动机向低压轴提供输入功率，或者电机作为发电机向高压轴和/或低压轴提取功率，引入电机功率控制变量以主动调节高压轴和/或低压轴转速，实现高压轴转速和低压轴转速解耦控制。

在实现时，利用步骤S3构建的仿真模型的能量分析模块，在保证发动机负荷一定的情况下，通过调整高压轴和/或低压轴的输入/输出功率，改变高压涡轮折合转速NHcor和低压涡轮折合转速NLcor，从而计算不同高压涡轮折合转速NHcor和低压涡轮折合转速NLcor组合情况下，无导叶对转涡轮发动机的部件的能量流动、流动以及不可逆损失情况，进而确定高低压涡轮折合转速与无导叶对转涡轮发动机热效率的对应关系。

具体地，以在无导叶对转涡轮发动机负荷分别为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％不变的情况下，通过调整高低压电机功率，计算特定高压涡轮折合转速NHcor和低压涡轮折合转速NLcor组合情况下，无导叶对转涡轮发动机的部件的能量流动、流动以及不可逆损失情况，可以确定在无导叶对转涡轮发动机不同负荷工况下高低压涡轮折合转速与无导叶对转涡轮发动机热效率、燃烧室出口温度、高低压轴实际转速以及高、低压压气机喘振裕度的对应关系。

步骤S4：根据无导叶对转涡轮的折合转速与无导叶对转涡轮发动机的热效率的对应关系，确定不同负荷下无导叶对转涡轮的最优折合转速及电机的最优折合功率，获得最优控制规律。

具体地，在保证无导叶对转涡轮发动机不超过最大安全工作温度、不超过最大安全工作转速和喘振裕度不低于最小安全喘振裕度的情况下，分别将10％负荷、20％负荷、30％负荷、40％负荷、50％负荷、60％负荷、70％负荷、80％负荷、90％负荷、100％负荷下的热效率最优对应的无导叶对转涡轮的折合转速确定为无导叶对转涡轮的最优折合转速；将热效率最优对应的电机功率确定为最优折合功率。最优折合转速和最优电机折合功率随负荷的变化即为优化后的基于转速解耦的最优控制规律。

图3为本发明方法使用前无导叶对转涡轮发动机40％负荷工况下的能量分析结果示意图；图4为本发明方法使用后无导叶对转涡轮发动机40％负荷工况下的能量分析结果示意图，可以看出不同的高压轴的折合转速和/或低压轴的折合转速，会导致发动机取得不同的热效率。图4中通过控制无导叶对转涡轮高压轴和低压轴在最优折合转速，将电机调整在最优折合功率，发动机热效率提高了7.47％。

在另一些实施例中，也可以通过不同负荷下高低压涡轮折合转速与无导叶对转涡轮发动机热效率的对应关系，确定不同负荷下高低压涡轮的最优折合转速和电机的最优折合功率，使得在不同负荷下高压轴和低压轴均处于最优的折合转速，最优折合转速可以在保证发动机不超温、足够喘振裕度的情况下效率最优，减小燃气涡轮发动机系统在不同负荷下的不可逆损失，降低非设计点耗油率。

上述仿真计算在标准大气环境下进行，发动机负荷以及高/低压轴电机功率均为折合到标准工况下的折合参数，控制规律优化结果为不同负荷下对应的最优NHcor、NLcor值。无导叶对转涡轮发动机运行时，通过电机实现不同折合负荷下的最优NHcor、NLcor闭环控制，通过控制燃油流量实现发动机负荷的闭环控制。

图5为一种基于转速解耦的无导叶对转涡轮发动机控制装置的结构示意图，该装置包括包括：获取模块201，建模模块202，第一确定模块203，第二确定模块204。

获取模块201，用于获取无导叶对转涡轮发动机的部件特性参数；

建模模块202，用于根据部件特性参数，建立无导叶对转涡轮发动机的仿真模型，仿真模型包含能量分析模块；

第一确定模块203，利用仿真模型的能量分析模块，通过调整电机的功率，确定高低压涡轮的折合转速与无导叶对转涡轮发动机的热效率的对应关系，电机包括高压轴电机和/或低压轴电机；

第二确定模块204，根据高低压涡轮的折合转速与无导叶对转涡轮发动机的热效率的对应关系，确定高低压涡轮的最优折合转速及电机的最优折合功率。

综上，本公开通过模拟确定电机的功率与发动机热效率的对应关系，确定其对整机性能的影响规律，确定无导叶对转涡轮发动机电机的最优控制规律。即通过向高压轴和/或低压轴输入或提取最优折合功率，主动调节高压轴和/或低压轴的转速，优化高压轴和低压轴的折合转速，实现无导叶对转涡轮发动机高低压涡轮转速解耦。本公开的基于转速解耦的无导叶对转涡轮发动机控制优化方法，可以提高无导叶对转涡轮发动机的热效率，解除无导叶对转涡轮高低压涡轮转速耦合的限制，拓展无导叶对转涡轮的工况范围，大大提高发动机非设计点效率。

需要说明的是，上述实施例提供的控制装置，仅以上述功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成上述的全部或者部分的功能。另外，上述实施例提供的控制方法属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

Claims (9)

1.基于转速解耦的无导叶对转涡轮发动机控制方法，其特征在于：所述控制方法包括：

步骤S1：获取无导叶对转涡轮发动机的部件特性参数；

步骤S2：根据部件特性参数，建立无导叶对转涡轮发动机的仿真模型，仿真模型包含能量分析模块；

步骤S3：利用仿真模型的能量分析模块，通过调整电机的功率，确定不同负荷下无导叶对转涡轮的折合转速与无导叶对转涡轮发动机的热效率的对应关系；

步骤S4：根据无导叶对转涡轮的折合转速与无导叶对转涡轮发动机的热效率的对应关系，确定不同负荷下无导叶对转涡轮的最优折合转速及电机的最优折合功率，获得最优控制规律。

2.根据权利要求1所述的基于转速解耦的无导叶对转涡轮发动机控制方法，其特征在于：所述无导叶对转涡轮包括高压部件和低压部件，高压部件具有高压涡轮、高压压气机、高压轴和控制高压轴转速的高压轴电机，低压部件具有低压涡轮、低压压气机、低压轴和控制低压轴转速的低压轴电机。

3.根据权利要求1所述的基于转速解耦的无导叶对转涡轮发动机控制方法，其特征在于：所述步骤S3中电机包括高压轴电机和/或低压轴电机。

4.根据权利要求1所述的基于转速解耦的无导叶对转涡轮发动机控制方法，其特征在于：所述无导叶对转涡轮发动机的部件特性参数。

5.根据权利要求1所述的基于转速解耦的无导叶对转涡轮发动机控制方法，其特征在于：所述能量分析模块被配置为，采用热力学第一定律和第二定律计算无导叶对转涡轮发动机的部件的能量流动、流动以及不可逆损失情况。

6.根据权利要求1所述的基于转速解耦的无导叶对转涡轮发动机控制方法，其特征在于：无导叶对转涡轮发动机工作时，电机作为电动机向高压轴和/或低压轴提供输入功率，或者电机作为发电机向高压轴和/或低压轴提取输出功率，以主动调节高压轴和/或低压轴转速。

7.根据权利要求1-6任一项所述的基于转速解耦的无导叶对转涡轮发动机控制方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括：

在保证无导叶对转涡轮发动机不超过最大安全工作温度、不超过最大安全工作转速和喘振裕度不低于最小安全喘振裕度的情况下，将热效率最优对应的无导叶对转涡轮的折合转速确定为无导叶对转涡轮的最优折合转速，将不同负荷下热效率最优对应的电机功率确定为最优折合功率。

8.根据权利要求1所述的基于转速解耦的无导叶对转涡轮发动机控制方法，其特征在于：所述特定发动机负荷下的电机的最优折合功率需满足以下两个条件：

无导叶对转涡轮发动机在30％额定负荷时，无导叶对转涡轮发动机的热效率提高大于2％；以及在任意负荷下满足无导叶对转涡轮发动机不超过最大安全工作温度、不超过最大安全工作转速和喘振裕度不低于最小安全喘振裕度。

9.基于转速解耦的无导叶对转涡轮发动机控制装置，其特征在于：所述控制装置包括：

获取模块，用于获取无导叶对转涡轮发动机的部件特性参数；

建模模块，用于根据部件特性参数，建立无导叶对转涡轮发动机的仿真模型，仿真模型包含能量分析模块；

第一确定模块，用于利用仿真模型的能量分析模块，通过调整电机的功率，确定不同负荷下无导叶对转涡轮的折合转速与无导叶对转涡轮发动机的热效率的对应关系，电机包括高压轴电机和/或所述低压轴电机；

第二确定模块，用于根据无导叶对转涡轮的折合转速与所述无导叶对转涡轮发动机的热效率的对应关系，确定不同负荷下无导叶对转涡轮的最优折合转速及电机的最优折合功率，获得最优控制规律。