CN116906186A - 热传输总线的瞬态控制 - Google Patents

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史蒂芬·约瑟夫·卡法罗
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特里·赫伊·尊·玛
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Abstract

一种涡轮机的热传输总线的瞬态控制方法，包括：测量工作流体的测量温度和测量压力；确定涡轮机的选择的运行状态，其中选择的运行状态是多个运行状态中的一个；根据工作流体的期望状态选择包括期望温度范围和期望压力范围的期望操作条件；将测量温度与期望温度范围进行比较，并且将测量压力与期望压力范围进行比较；以及根据测量温度与期望温度范围的比较以及测量压力与期望压力范围的比较来调控热传输总线的控制。

Description

热传输总线的瞬态控制
技术领域
这些教导大体涉及涡轮机，并且更具体地，涉及涡轮机的热传输总线。
背景技术
燃气涡轮发动机通常包括布置成彼此流动连通的风扇和核心。包括各种附件系统以确保风扇和/或核心按要求操作。例如，主润滑系统为例如压缩机区段、涡轮区段和动力齿轮箱(如果设置有的话)内的轴承和齿轮啮合提供润滑。除了提供给这些部件的润滑特性之外，主润滑系统从这些部件去除热量，使得它们可以在期望温度范围内操作。
燃气涡轮发动机的其他附件系统(例如环境控制系统)也需要在操作期间去除热量。因此，燃气涡轮发动机通常包括许多热交换器，每个热交换器专用于燃气涡轮发动机的单独附件系统。燃气涡轮发动机的这些单独附件系统中的至少某些需要在燃气涡轮发动机运行循环的潜在不同阶段最大程度地去除热量。
附图说明
通过提供在以下详细描述中描述的热传输总线的瞬态控制，特别是当结合附图研究时，至少部分地满足了各种需要。在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本说明书的方面的完整且可行的公开，包括其最佳模式，其中：
图1是根据本公开的燃气涡轮发动机的示意横截面视图；
图2包括根据本公开的变型构造的示意图；
图3包括根据本公开的变型构造的流程图；
图4包括根据本公开的变型构造的流程图；
图5包括根据本公开的变型构造的框图；
图6包括根据本公开的变型构造的流程图；
图7包括根据本公开的变型构造的流程图；和
图8包括根据本公开的变型的温度随时间的图形表示。
图中的元件是为了简单和清楚而示出的，并且不一定按比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸和/或相对位置可能相对于其他元件被夸大，以帮助提高对本公开的变型的理解。此外，在商业上可行的实施例中有用或必需的常见但易于理解的元件通常未被描绘，以便于对本公开的这些变型进行较少阻碍的观察。某些动作和/或步骤可以以特定的发生顺序来描述或描绘，但本领域技术人员将理解实际上不需要关于顺序的这种特异性。
具体实施方式
迄今为止，涡轮机的热传输总线操作以将工作流体的特性维持在期望的条件下。然而，例如在发动机启动、油门推动起飞和油门切断期间，这种操作可能会受到影响。因此，可能会在工作流体中观察到温度、压力或流率的大瞬变，导致热传输总线对这些变化做出反应，例如，当瞬态条件终止时，可能危及热传输总线或涡轮机本身的操作。
在工作流体是二氧化碳(CO2)的情况下，系统的期望操作是保持CO2为气态或优选地，超临界。
这些都是航空应用设置环境中的重大挑战。
一般而言，本公开的各个方面可以与涡轮机的热传输总线的瞬态控制方法一起采用，该方法包括：提供联接到涡轮机的热传输总线，其中热传输总线包括工作流体；在热传输总线上的至少一个点处测量工作流体的测量温度和测量压力；确定涡轮机的选择的运行状态，其中选择的运行状态是多个运行状态中的一个；根据工作流体的期望状态选择包括期望温度范围和期望压力范围的期望操作条件；将测量温度与期望温度范围进行比较，并且将测量压力与期望压力范围进行比较；以及根据测量温度与期望温度范围的比较以及测量压力与期望压力范围的比较来调控热传输总线的控制。
在变型中，该方法包括根据工作流体的期望状态和选择的运行状态来选择期望操作条件。
在其他变型中，该方法也可以替代地根据测量温度与期望温度范围的比较以及测量压力与期望压力范围的比较来调控涡轮机本身的控制。
本公开的各个其他方面可以与涡轮机的热传输总线的瞬态控制系统一起采用，该系统包括：热传输总线，其中热传输总线包括工作流体；温度传感器，温度传感器包括温度输出信号；压力传感器，压力传感器包括压力输出信号；选择的运行状态输入，选择的运行状态输入包括选择的运行状态信号，其中选择的运行状态是多个运行状态中的一个；期望操作条件输入，期望操作条件输入包括根据工作流体的期望状态选择的期望温度范围信号和期望压力范围信号；以及处理器，处理器生成热传输总线控制信号。处理器通过执行以下步骤来生成热传输总线控制信号：将温度输出信号与期望温度范围信号进行比较，并且将压力输出信号与期望压力范围信号进行比较；并且根据温度输出信号与期望温度范围信号的比较以及压力输出信号与期望压力范围信号的比较来生成热传输总线控制信号。
在一个变型中，期望操作条件输入是工作流体的期望状态和选择的运行状态的函数。
在其他变型中，该系统还可以或替代地包括处理器，该处理器通过执行以下步骤来生成热传输总线控制信号和涡轮机控制信号：根据温度输出信号与期望温度范围信号的比较以及压力输出信号与期望压力范围信号的比较来生成涡轮机控制信号。
通过协调控制例如工作流体泵速度、泵入口导向轮叶(IGV)取向和旁通阀来确保工作流体特性。
协调控制的本教导还可以用于保护燃料状态(例如，避免焦化，或避免燃料泵中同时存在多相燃料，例如液体和气体)。
协调控制的本教导可以遵守工作流体的操作温度限制。
即使在例如温度或压力未被直接测量的区域中，协调控制的本教导也可以利用特定热传输总线的已知物理学，以经由模型或设计限制来保护整个系统中的工作流体状态。
协调控制的本教导可以用于调节工作流体状态以保护硬件部件(例如，两相流对泵的损坏)并避免超过温度限制。
本公开的方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本公开的实践而获知。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种用于至少部分地结合到燃气涡轮发动机或飞行器中的至少一个中的热管理系统。热管理系统包括具有热交换流体流过其中的热传输总线和用于在热传输总线中生成热交换流体流的泵。热管理系统还包括与热传输总线中的热交换流体热连通的多个热源交换器。多个热源交换器沿热传输总线布置。热管理系统还包括在多个热源交换器下游的位置处与热传输总线中的热交换流体永久地或选择性地热连通的至少一个散热器交换器。
在本公开的另一个示例性实施例中，提供了一种燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机包括通过一个或多个轴联接到涡轮区段的压缩机区段和用于为位于压缩机区段或涡轮区段中的至少一个中的一个或多个部件提供润滑的主润滑系统。燃气涡轮发动机还包括热管理系统，热管理系统具有热传输总线和多个热源交换器，热传输总线具有热交换流体流过其中，多个热源交换器与热传输总线中的热交换流体热连通。多个热源交换器沿热传输总线布置，并且包括用于将热量从主润滑系统传递到热传输总线中的热交换流体的热交换器。热管理系统还包括在多个热源交换器下游的位置处与热传输总线中的热交换流体永久地或选择性地热连通的至少一个散热器交换器。
现在参考附图，其中同一数字在整个附图中指示相同元件，图1是根据本公开的示例性实施例的涡轮机(更具体地，燃气涡轮发动机)的示意横截面视图。更特别地，对于图1的实施例，燃气涡轮发动机是高旁通涡轮风扇喷气发动机10，本文中称为“涡轮风扇喷气发动机10”或“涡轮机10”。如图1所示，涡轮风扇喷气发动机10限定轴向方向A(平行于供参考的纵向中心线12延伸)和径向方向R。大体上，涡轮风扇喷气发动机10包括风扇区段14和设置在风扇区段14下游的核心涡轮发动机16。
所描绘的示例性核心涡轮发动机16大体上包括限定环形入口20的基本上管状外壳18。外壳18以串行流动关系包围：压缩机区段，其包括增压器或低压(LP)压缩机22和高压(HP)压缩机24；燃烧区段26；涡轮区段，其包括高压(HP)涡轮28和低压(LP)涡轮30；以及喷射排气喷嘴区段32。高压(HP)轴或线轴34将高压涡轮28驱动地连接到高压压缩机24。低压(LP)轴或线轴36将低压涡轮30驱动地连接到低压压缩机22。
对于图1的示例中描绘的实施例，风扇区段14包括可变螺距风扇38，可变螺距风扇38具有以间隔开的方式联接到盘42的多个风扇叶片40。如所描绘的，风扇叶片40大体上沿径向方向R从盘42向外延伸。借助于风扇叶片40被可操作地联接到合适的致动构件44，每个风扇叶片40可相对于盘42绕螺距轴线P旋转，致动构件44被构造成共同地一致改变风扇叶片40的螺距。风扇叶片40、盘42和致动构件44可通过低压线轴36跨动力齿轮箱46绕纵向中心线12一起旋转。动力齿轮箱46包括多个齿轮，用于将低压线轴36的转速降低到更有效的旋转风扇速度。
仍然参考图1的示例性实施例，盘42被可旋转的前毂48覆盖，前毂48在空气动力学上成形为促进气流通过多个风扇叶片40。另外，示例性风扇区段14包括周向围绕可变螺距风扇38和/或核心涡轮发动机16的至少一部分的环形风扇壳体或外机舱50。应当理解，外机舱50可以被构造成由多个周向间隔开的出口导向轮叶52相对于核心涡轮发动机16被支撑。此外，外机舱50的下游区段54可以在核心涡轮发动机16的外部分上延伸，以在其间限定旁通气流通道56。
在涡轮风扇喷气发动机10的操作期间，一定量的空气58通过外机舱50和/或风扇区段14的关联入口60进入涡轮风扇喷气发动机10。当一定量的空气58穿过风扇叶片40时，如箭头62指示的空气58的第一部分62被引导或导向到旁通气流通道56中，并且如箭头64指示的空气58的第二部分64被引导或导向到低压压缩机22中。空气58的第一部分62和空气58的第二部分64之间的比通常称为旁通比。然后，当空气58的第二部分64被导向通过高压(HP)压缩机24并进入燃烧区段26时，空气58的第二部分64的压力增加，在燃烧区段26中空气58的第二部分64与燃料混合并燃烧，以提供燃烧气体66。随后，燃烧气体66被导向通过高压涡轮28和低压涡轮30，其中来自燃烧气体66的一部分热能和/或动能被提取。
然后，燃烧气体66被导向通过核心涡轮发动机16的喷射排气喷嘴区段32，以提供推进推力。同时，随着空气58的第一部分62在第一部分62从涡轮风扇喷气发动机10的风扇喷嘴排气区段76排出之前被导向通过旁通气流通道56，空气58的第一部分62的压力显著增加，也提供推进推力。
此外，如图1的示例中示意性地描绘的，涡轮风扇喷气发动机10进一步包括各种附件系统，以帮助涡轮风扇喷气发动机10和/或包括涡轮风扇喷气发动机10的飞行器的操作。例如，示例性涡轮风扇发动机10进一步包括主润滑系统78，主润滑系统78被构造成向例如压缩机区段(包括低压压缩机22和高压压缩机24)、涡轮区段(包括高压涡轮28和低压涡轮30)、高压线轴34、低压线轴36和动力齿轮箱46中的各种轴承和齿轮啮合提供润滑剂。由主润滑系统78提供的润滑剂可以增加这些部件的使用寿命，并且可以从这些部件中去除一定量的热量。另外，涡轮风扇喷气发动机10包括压缩机冷却空气(CCA)系统80，用于将来自高压压缩机24或低压压缩机22中的一个或两者的空气提供给高压涡轮28或低压涡轮30中的一个或两者。此外，示例性涡轮风扇发动机10包括主动热间隙控制(ACC)系统82，用于冷却涡轮区段的壳体，以遍及各种发动机操作条件，将各种涡轮转子叶片和涡轮壳体之间的间隙维持在期望范围内。此外，涡轮风扇喷气发动机10包括发电机润滑系统84，用于向电子发电机提供润滑，以及为电子发电机提供冷却/热量去除。电子发电机可以向例如涡轮风扇喷气发动机10的启动电动机，和/或涡轮风扇喷气发动机10和/或包括涡轮风扇喷气发动机10的飞行器的各种其他电子部件提供电力。
如还示意性地描绘的，涡轮风扇喷气发动机10驱动或启用包括示例性涡轮风扇发动机10的飞行器的各种其他附件系统。例如，涡轮风扇喷气发动机10将来自压缩机区段的压缩空气提供给环境控制系统(ECS)86。ECS 86可以向飞行器的座舱提供空气供应，用于加压和热控制。另外，可以将空气从涡轮风扇喷气发动机10提供到电子冷却系统88，用于将涡轮风扇喷气发动机10和/或飞行器的某些电子部件的温度维持在期望的范围内。
然而，应当理解，图1中描绘的涡轮风扇喷气发动机10仅作为示例，并且在其他示例性实施例中，本公开的方面可以附加地或替代地适用于任何其他合适的燃气涡轮发动机。例如，在其他示例性实施例中，涡轮风扇喷气发动机10可以替代地为任何其他合适的航空燃气涡轮发动机，诸如涡轮喷气发动机、涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机等。另外，在还有的其他示例性实施例中，涡轮风扇喷气发动机10可以包括任何其他合适的附件系统，或可操作地连接到任何其他合适的附件系统。附加地或替代地，示例性涡轮风扇发动机10可以不包括上面讨论的一个或多个附件系统，或可以不可操作地连接到上面讨论的一个或多个附件系统。
如图2所示，热传输总线102包括流过其中的中间热交换流体，并且可以由一个或多个合适的流体导管形成。热交换流体可以是具有高温操作范围的可压缩或不可压缩流体。例如，在某些实施例中，热交换流体可以是水和乙醇的混合物，或任何合适的流体，例如超临界CO2。泵104设置为与热传输总线102中的热交换流体流体连通，用于在热传输总线102中生成热交换流体流。如图2中所见，泵104可以生成大致在顺时针方向上通过热传输总线102的热交换流体流。泵104可以是包括叶轮的旋转泵，或者替代地可以是任何其他合适的流体泵。另外，泵104可以由电动机提供动力，或者可以替代地与例如涡轮风扇喷气发动机10的高压线轴34或低压线轴36机械连通并由其提供动力。
此外，示例性热传输总线102包括与热传输总线102中的热交换流体热连通的多个热源交换器106。多个热源交换器106被构造成将热量从涡轮风扇喷气发动机10传递到热传输总线102中的热交换流体。
对于所描绘的实施例，存在三个热源交换器106，三个热源交换器106各自沿热传输总线102串行流动布置。然而，在其他示例性实施例中，可以包括任何其他合适数量的热源交换器106，并且一个或多个热源交换器106可以沿热传输总线102并行流动布置。例如，在其他实施例中，可以仅存在与热传输总线102中的热交换流体热连通的至少两个热源交换器106，或者替代地，可以存在与热传输总线102中的热交换流体热连通的至少四个热源交换器106，至少五个热源交换器106，或至少六个热源交换器106。
所描绘的多个热源交换器106选择性地与热传输总线102中的热交换流体热连通。更具体地，所描绘的热传输总线102包括用于选择性地绕过多个散热器交换器106中的每一个(或多个热源交换器106中的多于一个或全部)的多个旁通管线100。每个旁通管线100在上游接合点101和下游接合点103之间延伸——上游接合点101恰好位于相应热源交换器106的上游，而下游接合点103恰好位于相应热源交换器106的下游。另外，每个旁通管线100经由三通热源阀105在相应上游接合点101处与热传输总线102会合。三通热源阀105各自包括与热传输总线102流体连接的入口、与热传输总线102流体连接的第一出口、以及与旁通管线100流体连接的第二出口。三通热源阀105可以各自是可变吞吐量三通阀，使得三通热源阀105可以改变从入口到第一和/或第二出口的吞吐量。例如，三通热源阀105可以被构造为提供从入口到第一出口的百分之零(0％)和百分之一百(100％)之间的任何位置的热交换流体，并且类似地，三通热源阀105可以被构造为提供从入口到第二出口的百分之零(0％)和百分之一百(100％)之间的任何位置的热交换流体。
另外，图2的示例性热传输总线102还包括永久地或选择性地与热传输总线102中的热交换流体热连通的至少一个散热器交换器108。至少一个散热器交换器108位于多个热源交换器106的下游，并且被构造为将热量从热传输总线102中的热交换流体传递到例如大气、燃料、风扇流等。例如，在某些实施例中，至少一个散热器交换器108可包括冲压热交换器、燃料热交换器、风扇流热交换器或引气热交换器中的至少一个。冲压热交换器可以被构造为集成到涡轮风扇喷气发动机10或包括涡轮风扇喷气发动机10的飞行器中的一个或两者中的“空气到热交换流体”热交换器。在操作期间，冲压热交换器可以通过使一定量的冲压空气流过冲压热交换器而从其中的任何热交换流体去除热量。另外，燃料热交换器是“流体到热交换流体”热交换器，其中来自热交换流体的热量被传递到涡轮风扇喷气发动机10的液体燃料流。此外，风扇流热交换器大体上是“空气到热交换流体”热交换器，其使例如旁通空气流过热交换流体，以从热交换流体去除热量。此外，引气热交换器大体上是“空气到热交换流体”热交换器，其使例如来自LP压缩机的引气流过热交换流体，以从热交换流体去除热量。
对于图2的实施例，所描绘的热传输总线102的至少一个散热器交换器108包括用作燃料热交换器的单独的散热器交换器108。然而，在其他示例性实施例中，至少一个散热器交换器108可以包括任何其他合适数量的散热器交换器108。例如，在其他示例性实施例中，可以提供单个散热器交换器108，可以提供至少两个散热器交换器108，可以提供至少四个散热器交换器108，或者可以提供至少五个散热器交换器108。另外，在还有的其他示例性实施例中，至少一个散热器交换器108中的两个或更多个可以替代地布置成彼此并行流动。
所描绘的至少一个散热器交换器108选择性地与热传输总线102中的热交换流体热连通。更具体地，所描绘的热传输总线102包括一个或多个旁通管线110，用于选择性地绕过多个散热器交换器108中的每个散热器交换器108。每个旁通管线110在上游接合点112和下游接合点114之间延伸——上游接合点112恰好位于相应散热器交换器108的上游，而下游接合点114恰好位于相应散热器交换器108的下游。另外，每个旁通管线110经由三通散热器阀116在相应上游接合点112处与热传输总线102会合。三通散热器阀116各自包括与热传输总线102流体连接的入口、与热传输总线102流体连接的第一出口、以及与旁通管线110流体连接的第二出口。三通散热器阀116可以各自是可变吞吐量三通阀，使得三通散热器阀116可以改变从入口到第一和/或第二出口的吞吐量。例如，三通散热器阀116可以被构造为提供从入口到第一出口的百分之零(0％)和百分之一百(100％)之间的任何地方的热交换流体，并且类似地，三通散热器阀116可以被构造为提供从入口到第二出口的百分之零(0％)和百分之一百(100％)之间的任何地方的热交换流体。
值得注意的是，三通散热器阀116可以与涡轮风扇喷气发动机10和/或包括涡轮风扇喷气发动机10的飞行器的控制器可操作地通信。控制器可以基于例如涡轮风扇喷气发动机10和/或飞行器的操作条件、热交换流体的温度和/或任何其他合适的变量绕过至少一个散热器交换器108中的一个或多个。替代地，控制器可以基于用户输入绕过至少一个散热器交换器108中的一个或多个。
此外，每个旁通管线110还在相应下游接合点114处与热传输总线102会合。在每个散热器交换器108和下游接合点114之间，热传输总线102包括用于确保热交换流体的正确流动方向的止回阀118。更具体地，止回阀118防止热交换流体从下游接合点114流向相应散热器交换器108。
值得注意的是，这样的构造可以允许使用燃料热交换器，而没有将燃料加热到需要包括脱氧系统(例如图2中通过示例示出的脱氧系统124)的点的风险。例如，现有的燃料热交换器在燃料的温度升高超过预定温度阈值时存在燃料焦化或在燃料系统内形成沉积物的风险(因此需要脱氧系统)。然而，由于图2的示例中描述的实施例的各种散热器交换器106的冗余和选择性构造，可以停止使用燃料热交换器，使得燃料不超过预定温度阈值。这样，在一些应用中，可以控制燃料热交换器以便操纵热传递来避免燃料沸腾。
然而，应当理解，热传输总线102仅作为示例提供，并且在其他示例性实施例中，热传输总线102可以以任何其他合适的方式构造。
根据本公开的示例性实施例，热传输总线102可以允许燃气涡轮发动机和包括这种燃气涡轮发动机的飞行器更高效地操作。更具体地，根据本公开的示例性实施例的包括热传输总线102可以允许减小燃气涡轮发动机的核心的体积，因为可能需要更少的热交换器和/或更小的热交换器来维持期望量的热量去除。另外，根据本公开的示例性实施例，使用热传输总线102去除的热量可以允许将这种热量重定向到需要热量来操作的一个或多个附件系统。有利地，热传输总线102可以帮助发动机循环更有效(即，可以减少提供一定量的推力所需的燃料)。另外，热传输总线102的瞬态控制允许温度调控以满足多个部件的期望冷却或加热。
参考图3，流程图示出了根据本公开的用于热传输总线(例如图2中所示的热传输总线102)的瞬态控制的系统和方法的操作。首先，在步骤302，测量热传输总线工作流体的操作状态。操作状态可以包括例如压力、温度、或流率、或其组合。操作状态可以例如通过压力、温度或流率传感器(例如图2的温度和压力传感器122)在热传输总线上的不同点处或在热传输总线上的单个点处测量。
接下来，在步骤304，根据发动机运行状态(例如，启动、关闭、巡航、高功率等)选择工作流体的期望操作条件(例如，温度、压力、流率…)。给定操作状态的期望操作条件以及操作状态的类型将取决于使用的特定热传输总线(例如尺寸和构造)，使用的工作流体，以及与热传输总线一起使用的涡轮机、燃气涡轮发动机而变化。
接下来，在步骤306，调控热传输总线内的可用控制手柄(handle)(例如，工作流体泵速度、泵入口导向轮叶、每个热源交换器的旁通阀和每个散热器交换器的旁通阀)，以针对期望的流体状态来操纵工作流体特性。例如，图2的泵104、三通热源阀105和三通热同步阀116可以被调控以操纵工作流体特性。
同样在步骤304之后，并与步骤306并行，在步骤308，改变热传输总线热传递接口(例如，冷却空气流量、燃料流量等)的可用控制手柄(发动机操作)与步骤306中的热传输总线内的可用控制手柄的调控协调地被调控，以针对期望的流体状态操纵工作流体特性。例如，可用控制手柄可以包括改变风扇螺距调度(scheduling)、改变可变发动机几何结构调度、以及调整入口和旁通流导向轮叶以将冷却空气引导到与热传输总线和发动机流接口的热交换器中或周围、改变风扇和核心的速度，以改变进入这些类型的热交换器的流、这些控制手柄的组合等，取决于在特定发动机中实施的控制手柄。
在步骤306和308之后，系统和方法循环回到步骤302，并继续循环通过步骤302、304、306和308，直到操作停止，例如，当涡轮风扇喷气发动机完成停机时。
图3中所示或所附描述中描述的一个或多个教导可以与图1和图2中的一个或多个中描述的主题以各种组合来使用。
参考图4，示出了热传输总线的瞬态控制方法的流程图。图2中示出了一种合适的热传输总线102。
最初，在步骤402中，热传输总线联接到涡轮机。热传输总线包含通过泵循环通过热传输总线的工作流体。一种合适的泵104在图2中示出。
接下来，在步骤404中，在热传输总线上的至少一个点处测量工作流体的测量温度和工作流体的测量压力。一种合适的温度和压力传感器122在图2中示出。
接下来，在步骤406中，确定涡轮机的选择的运行状态。选择的运行状态是涡轮机的多个运行状态中的一个。
接下来，在步骤408中，根据工作流体的期望状态选择包括期望温度范围和期望压力范围的期望操作条件。还可以或另外根据涡轮机的确定的运行状态来选择期望操作条件。这种确定可以例如使用在代码段的控制下执行这种确定的处理器来进行，或者例如使用使用包括可编程控制器或硬件逻辑装置(例如专用集成电路或分立的硬件逻辑装置或开关)的控制器实施的适当条件逻辑来进行。
接下来，在步骤410中，将测量温度与期望温度范围进行比较，并且将测量压力与期望压力范围进行比较。这种比较可以例如使用期望温度范围、期望压力范围、测量温度和测量压力作为输入，并使用在代码段的控制下执行这种确定的处理器来进行，或者例如使用使用包括可编程控制器或硬件逻辑装置(例如专用集成电路或分立的硬件逻辑装置或开关)的控制器实施的适当条件逻辑来进行。
最后，在步骤412中，根据测量温度与期望温度范围的比较以及测量压力与期望压力范围的比较来调控热传输总线的控制。这种调控可以包括调整泵的速度、调整热源交换器中的一个或多个旁通阀、调整散热器交换器中的一个或多个旁通阀或前述两个或更多个的组合。在图2中示出了一种合适的泵104、热源交换器中的一种合适的旁通阀(即，三通热源阀105)、以及散热器交换器中的一种合适的旁通阀(即，三通散热器阀116)。
图4中所示或所附描述中描述的一个或多个教导可以与图1、2和3中的一个或多个中描述的主题以各种组合来使用。
参考图5，示出了用于热传输总线的瞬态控制的系统500的框图。该系统包括：热传输总线502，热传输总线502包括循环通过热传输总线的工作流体；温度传感器504，温度传感器504生成温度输出信号；压力传感器506，压力传感器506生成压力输出信号；选择的运行状态输入508，选择的运行状态输入508接收选择的运行状态信号，其中选择的运行状态是多个运行状态中的一个；期望操作条件输入510，期望操作条件输入510接收根据工作流体的期望状态选择的期望温度范围信号和期望压力范围信号；处理器512，处理器512联接到选择的运行状态输入508和期望操作条件输入，并且通过执行以下步骤生成热传输总线控制信号：将温度输出信号与期望温度范围信号进行比较，并且将压力输出信号与期望压力范围信号进行比较；并且根据温度输出信号与期望温度范围信号的比较以及压力输出信号与期望压力范围信号的比较来生成热传输总线控制信号。执行这种步骤的处理器可以是例如在代码段的控制下执行这种步骤的处理器，或者例如使用使用包括可编程控制器或硬件逻辑装置(例如专用集成电路或分立的硬件逻辑装置或开关)的控制器实施的适当条件逻辑的处理器。
在系统500的一个变型中，可以根据工作流体的期望状态和所述选择的运行状态生成期望操作条件输入。
在另一个变型(其可以是单独的变型或与上面的一个变型组合)中，处理器512可以通过执行以下附加步骤生成涡轮机控制信号：根据温度输出信号与期望温度范围信号的比较以及压力输出信号与期望压力范围信号的比较来生成涡轮机控制信号。执行这种步骤的处理器可以是例如在代码段的控制下执行这种步骤的处理器，或者例如使用使用包括可编程控制器或硬件逻辑装置(例如专用集成电路或分立的硬件逻辑装置或开关)的控制器实施的适当条件逻辑的处理器。
图5中所示或所附描述中描述的一个或多个教导可以与图1、2、3和4中的一个或多个中描述的主题以各种组合来使用。
参考图6，示出了用于热传输总线的瞬态控制的方法的流程图。
在步骤602中，在沿通过热传输总线的工作流体的流体路径的至少一个位置测量热传输总线的工作流体的压力和温度。在一个示例中，温度和压力可以由图2的温度和压力传感器122测量。
在步骤604中，基于工作流体的相的模型估计工作流体的相。该模型可以通过实验或计算生成。
在步骤606中，基于确定的相实现热传输总线的主动或调度控制，以用于根据工作流体的期望相的优化性能和安全性。作为示例，热传输总线的主动或调度控制可以通过控制图2所示的泵104、三通热源阀105和三通散热器阀116来实现。
图6中所示的或所附描述中描述的一个或多个教导可以与图1、2、3、4和5中的一个或多个中描述的主题以各种组合来使用。
参考图7，示出了用于热传输总线的瞬态控制的方法的流程图。
在步骤702中，在沿通过热传输总线的工作流体的流体路径的至少一个位置测量热传输总线的工作流体的温度。在一个示例中，温度由图2的温度和压力传感器122测量。
在步骤704中，基于涡轮机的运行状态(例如，启动、巡航、起飞或停机)来选择工作流体的选择的热特性。可以使用例如模型(例如针对采用热传输总线的特定涡轮机类型模型、类型或版本通过实验或计算确定的模型)来选择这些选择的热特性。
在步骤706中，涡轮机的可用控制手柄或杠杆(例如，泵速度、发动机引气旁通(冷却流)、发动机燃料旁通等)用于针对期望工作流体状态调整热传输总线工作流体特性。
图7中所示或所附描述中描述的一个或多个教导可以与图1、2、3、4、5和6中的一个或多个中描述的主题以各种组合来使用。
在关闭(OFF)操作模式下，泵停止(即，0rpm)，热传输总线工作流体温度低于阈值温度，并且热传输总线压力低于热回渗之后的涡轮机燃料的阈值压力。
从关闭操作模式，如果工作流体处于预期状态(温度和压力)；并且没有检测到泵/控制器故障，则处理可以移动到启动操作模式。
在启动(START UP)操作模式下，泵遵循启动轮廓启动(由于泵是电动泵，启动特性可以定制)，并且工作流体加压并使用来自涡轮机的热发动机空气加热到涡轮机燃料的超临界状态。
从启动操作模式，如果工作流体按预期加压/加热、泵正常启动并且所有阀和传感器按预期操作，则处理可以移动到运行操作模式。然而，从启动操作模式，如果感测到泵故障、某些传感器/阀故障或异常工作流体状态，则处理将替代地移动到停机操作模式。
在运行(RUNNING)操作模式下，泵处于操作速度，并且热传输总线工作流体温度处于或高于阈值温度，并且热传输总线工作流体压力高于维持涡轮机燃料处于超临界状态所需的阈值压力。基于经由电子发动机控制接收的涡轮机的功率管理来选择用于热传输总线的泵速度和旁通阀控制。在图2中示出了一种合适的泵104、热源交换器中的一种合适的旁通阀(即，三通热源阀105)、以及散热器交换器中的一种合适的旁通阀(即，三通散热器阀116)。
从运行操作模式，当涡轮机的电子发动机控制命令停机，或检测到导致停机的故障条件时，处理将替代地移动到停机操作模式。
在停机(SHUTDOWN)操作模式下，泵遵循滑阀下降轮廓下降，并且旁通阀移动到停机位置。
与关闭、启动、运行和停机操作模式相关的一种或多种教导可以与图1、2、3、4、5、6和7中的一个或多个中描述的主题以各种组合使用。
在图8中，随时间示出了涡轮风扇喷气发动机的排气温度802、发动机压缩机温度804和发动机速度806，热传输总线中的工作流体的压力808和温度810，以及热传输总线泵的控制输入812的图形表示。
在图形表示的最左侧时间814，热传输总线泵打开，这增加了工作流体的压力，并且工作流体的温度由于压力的增加而增加。然后，在燃料打开时间816，其在发动机控制逻辑已经确定其当前条件适合燃料引入时发生，燃料流向涡轮机，导致排气温度804和发动机压缩机温度804急剧升高。发动机速度806也随着燃料被供应到涡轮机而增加。进而，由于燃料在涡轮机中燃烧而导致的温度升高被热传输总线(通过热源交换器)收集为热量，以便在燃料被供应到涡轮机时将热量添加到燃料(通过散热器交换器)，直到将足够的热量添加到燃料中以使燃料达到临界点818，此时燃料变为超临界。当接近临界点818时，调控热传输泵速度和/或调控热源交换器和/或散热器交换器中的旁通阀，以便将燃料维持在超临界状态。
图8中所示或所附描述中描述的一个或多个教导可以与图1、2、3、4、5、6和7中的一个或多个中描述的主题以及上述操作模式以各种组合使用。
除非本文另有规定不同的具体含义，否则本文使用的术语和表述具有与上述技术领域的技术人员所赋予的这些术语和表述一致的普通技术含义。除非另有明确指示，否则本文使用的词语“或”应被解释为具有分离结构而不是连接结构。除非本文另有说明，否则术语“联接”、“固定”、“附接到”等既指直接联接、固定或附接，也指通过一个或多个中间部件或特征的间接联接、固定或附接。
除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数引用。
如本文在整个说明书和权利要求书中使用的，近似语言被应用于修饰可以允许变化而不会导致与其相关的基本功能发生改变的任何定量表示。因此，由诸如“约”、“近似”和“基本上”的术语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度，或用于构造或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可以指在10％的裕度内。
本领域的技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改、变化和组合，并且这样的修改、变化和组合应被视为在本发明概念的范围内。本公开的进一步方面由以下条项的主题提供：
示例1包括一种涡轮机的热传输总线的瞬态控制方法，所述方法包括：在所述热传输总线上的至少一个点处测量工作流体的测量温度和测量压力；确定涡轮机的选择的运行状态，其中所述选择的运行状态是多个运行状态中的一个；根据所述工作流体的期望状态选择包括期望温度范围和期望压力范围的期望操作条件；将所述测量温度与所述期望温度范围进行比较，并且将所述测量压力与所述期望压力范围进行比较；以及根据所述测量温度与所述期望温度范围的比较以及所述测量压力与所述期望压力范围的比较来调控所述热传输总线的控制。
示例2包括根据任何前述条项所述的方法，其中，选择所述期望操作条件进一步包括选择包括根据所述工作流体的所述期望状态和所述选择的运行状态选择的所述期望温度范围和所述期望压力范围的所述期望操作条件。
示例3包括根据任何前述条项所述的方法，进一步包括：根据所述测量温度与所述期望温度范围的比较以及所述测量压力与所述期望压力范围的比较来调控所述涡轮机的控制。
示例4包括根据任何前述条项所述的方法，其中，提供联接到所述涡轮机的所述热传输总线包括提供联接到飞行器发动机的所述热传输总线。
示例5包括根据任何前述条项所述的方法，其中，提供所述热传输总线包括提供包括泵的所述热传输总线，并且其中调控所述热传输总线的控制包括调控所述泵的控制。
示例6包括根据任何前述条项所述的方法，其中，提供所述热传输总线包括提供包括多个热交换器的所述热传输总线，并且其中调控所述热传输总线的控制包括引导所述工作流体通过所述多个热交换器中的一个或多个。
示例7包括根据任何前述条项所述的方法，其中，根据所述工作流体的所述期望状态选择包括所述期望温度范围和所述期望压力范围的所述期望操作条件，其中所述选择适于避免在所述涡轮机中燃烧的燃料的焦化。
示例8包括根据任何前述条项所述的方法，其中，根据所述工作流体的所述期望状态选择包括所述期望温度范围和所述期望压力范围的所述期望操作条件，其中所述选择适于避免超过所述涡轮机的温度限制。
示例9包括根据任何前述条项所述的方法，其中，根据所述工作流体的所述期望状态选择包括所述期望温度范围和所述期望压力范围的所述期望操作条件，其中所述选择适于避免在所述涡轮机中的另一个点处超过所述工作流体的温度限制。
示例10包括根据任何前述条项所述的方法，其中，其中，根据所述工作流体的所述期望状态选择包括所述期望温度范围和所述期望压力范围的所述期望操作条件，其中所述选择适于避免在所述涡轮机中的另一个点处超过温度限制。
示例11包括根据任何前述条项所述的方法，其中，提供所述热传输总线包括提供包括泵的所述热传输总线，并且其中根据所述工作流体的所述期望状态选择包括所述期望温度范围和所述期望压力范围的所述期望操作条件，其中所述选择适于维持所述泵中的所述工作流体的操作状态。
示例12包括一种涡轮机的热传输总线的瞬态控制系统，包括：所述热传输总线，其中所述热传输总线包括工作流体；温度传感器，所述温度传感器包括温度输出信号；压力传感器，所述压力传感器包括压力输出信号；选择的运行状态输入，所述选择的运行状态输入包括选择的运行状态信号，其中选择的运行状态是多个运行状态中的一个；期望操作条件输入，所述期望操作条件输入包括根据所述工作流体的期望状态选择的期望温度范围信号和期望压力范围信号；处理器，所述处理器通过执行以下步骤来生成热传输总线控制信号：将所述温度输出信号与所述期望温度范围信号进行比较，并且将所述压力输出信号与所述期望压力范围信号进行比较；并且根据所述温度输出信号与所述期望温度范围信号的比较以及所述压力输出信号与所述期望压力范围信号的比较来生成所述热传输总线控制信号。执行这种步骤的所述处理器可以是例如在代码段的控制下执行这种步骤的处理器，或者例如使用使用包括可编程控制器或硬件逻辑装置(例如专用集成电路或分立的硬件逻辑装置或开关)的控制器实施的适当条件逻辑的处理器。
示例13包括根据任何前述条项所述的系统，其中，包括所述期望温度范围信号和所述期望压力范围信号的所述期望操作条件输入是所述工作流体的所述期望状态和所述选择的运行状态的函数。
示例14包括根据任何前述条项所述的系统，进一步包括：所述处理器，所述处理器通过执行以下附加步骤来生成所述热传输总线控制信号和涡轮机控制信号：根据所述温度输出信号与所述期望温度范围信号的比较以及所述压力输出信号与所述期望压力范围信号的比较来生成所述涡轮机控制信号。
示例15包括根据任何前述条项所述的系统，其中，所述涡轮机是飞行器发动机。
示例16包括根据任何前述条项所述的系统，其中，所述热传输总线包括泵，并且其中所述热传输总线控制信号控制所述泵。
示例17包括根据任何前述条项所述的系统，其中，所述热传输总线包括多个热交换器，并且其中所述热传输总线控制信号控制引导所述工作流体通过所述多个热交换器中的一个或多个。
示例18包括根据任何前述条项所述的系统，其中，所述期望温度范围信号和所述期望压力范围信号适于避免在所述涡轮机中燃烧的燃料的焦化。
示例19包括根据任何前述条项所述的系统，其中，所述期望温度范围信号和所述期望压力范围信号适于避免超过所述涡轮机的温度限制。
示例20包括根据任何前述条项所述的系统，其中，所述热传输总线包括泵，并且其中所述期望温度范围信号和所述期望压力范围信号适于维持所述泵中的所述工作流体的操作状态。

Claims (10)

1.一种涡轮机的热传输总线的瞬态控制系统，其特征在于，包括：
所述热传输总线，其中所述热传输总线包括工作流体；
温度传感器，所述温度传感器包括温度输出信号；
压力传感器，所述压力传感器包括压力输出信号；
选择的运行状态输入，所述选择的运行状态输入包括选择的运行状态信号，其中选择的运行状态是多个运行状态中的一个；
期望操作条件输入，所述期望操作条件输入包括根据所述工作流体的期望状态选择的期望温度范围信号和期望压力范围信号；
处理器，所述处理器通过执行以下步骤来生成热传输总线控制信号：
将所述温度输出信号与所述期望温度范围信号进行比较，并且将所述压力输出信号与所述期望压力范围信号进行比较；并且
根据所述温度输出信号与所述期望温度范围信号的比较以及所述压力输出信号与所述期望压力范围信号的比较来生成所述热传输总线控制信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其中，包括所述期望温度范围信号和所述期望压力范围信号的所述期望操作条件输入是所述工作流体的所述期望状态和所述选择的运行状态的函数。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：
所述处理器，所述处理器通过执行以下附加步骤来生成所述热传输总线控制信号和涡轮机控制信号：
根据所述温度输出信号与所述期望温度范围信号的比较以及所述压力输出信号与所述期望压力范围信号的比较来生成所述涡轮机控制信号。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，其中，所述涡轮机是飞行器发动机。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，其中，所述热传输总线包括泵，并且其中所述热传输总线控制信号控制所述泵。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，其中，所述热传输总线包括多个热交换器，并且其中所述热传输总线控制信号控制引导所述工作流体通过所述多个热交换器中的一个或多个。
7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，其中，所述期望温度范围信号和所述期望压力范围信号适于避免在所述涡轮机中燃烧的燃料的焦化。
8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，其中，所述期望温度范围信号和所述期望压力范围信号适于避免超过所述涡轮机的温度限制。
9.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，其中，所述热传输总线包括泵，并且其中所述期望温度范围信号和所述期望压力范围信号适于维持所述泵中的所述工作流体的操作状态。
10.一种涡轮机的热传输总线的瞬态控制方法，其特征在于，包括：
在所述热传输总线上的至少一个点处测量工作流体的测量温度和测量压力；
确定所述涡轮机的选择的运行状态，其中所述选择的运行状态是多个运行状态中的一个；
根据所述工作流体的期望状态选择包括期望温度范围和期望压力范围的期望操作条件；
将所述测量温度与所述期望温度范围进行比较，并且将所述测量压力与所述期望压力范围进行比较；以及
根据所述测量温度与所述期望温度范围的比较以及所述测量压力与所述期望压力范围的比较来调控所述热传输总线的控制。
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