CN117734949A - 飞行器动力装置的燃料供应装置的控制方法及允许实施该方法的燃料供应装置 - Google Patents

飞行器动力装置的燃料供应装置的控制方法及允许实施该方法的燃料供应装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种至少一个飞行器动力装置(18)的燃料供应装置的控制方法。根据本发明，该方法包括以下步骤：在使得偏离初始状态的状态变化发生后，确定燃料流控制系统(32)的状态；根据燃料流控制系统(32)的所确定的状态修改燃料压力；以及，改变燃料流控制系统(32)的状态从而使其返回或接近初始状态。本发明还涉及一种能够实现上述方法的供应装置。

Description

飞行器动力装置的燃料供应装置的控制方法及允许实施该方 法的燃料供应装置
技术领域
本申请涉及一种飞行器动力装置的供应装置的控制方法以及允许实施上述方法的供应装置。
背景技术
根据一实施方式，飞行器包括至少一个供应装置，其连接至少一个燃料容器(贮罐)和至少一个动力装置(机动装置)，该供应装置被构造为能够向所述动力装置供应燃料。
在用氢工作(氢动力)的飞行器的条件下，燃料容器(贮罐)被构造为能够以小于或等于5巴的存储压力并以小于或等于25K(约-250℃)的储存温度存储处于液态且低温状态的氢。由于氢在其燃烧时的燃烧温度约为300K(约+27℃)且燃烧压力(压强)通常介于小于1巴(飞行空转转速)和大约60巴(最大地面功率)之间。因此，供应装置包括被构造为能够将氢从储存压力压缩到燃烧压力的加压系统以及被构造为能够将氢气从储存温度加热到燃烧温度的热交换器。加压系统的最大压力可以是燃烧压力的两倍，即，最大直到约150巴。
此外，供应装置还包括用于控制输送到动力装置的燃料流控制系统，其尤其允许调节动力装置的发动机转速。根据所需的发动机转速，供应动力装置的氢流量应该能够在6g/s到600g/s的大范围上变化，这一大范围对应于燃料的流量控制系统的通道截面从1到100(倍)的变化。
在如此大范围上运行的流量控制系统非常复杂且难以设计。
发明内容
本发明旨在弥补现有技术的全部或部分缺点。
为此，本发明涉及一种控制至少一个飞行器动力装置的燃料供应装置的控制方法，所述供应装置包括：至少一个燃料加压系统，其被构造为能够将燃料压缩至给定压力；以及至少一个燃料流(流动或流量)控制系统，其被构造为能够处于由第一极限状态(极端状态)和第二极限状态所限定的整个状态范围内的不同状态，以便在所述不同状态中的每一种状态中以给定燃料压力向动力装置输送给定燃料量，燃料流控制系统还被构造为能够处于初始状态。
根据本发明，该方法包括以下步骤：在发生偏离初始状态的状态改变后确定燃料流控制系统的状态；然后，根据燃料流控制系统的所确定的状态，修改燃料的加压系统所产生的燃料压力；然后，改变燃料流控制系统的状态以使其回到或接近初始状态。
在氢动力的飞行器中，该方法允许即使使用具有受限的操作范围的燃料流控制系统，也能够大范围地改变输送到动力装置的燃料量。
根据另一特征，确定燃料流控制系统的状态的确定步骤包括在从初始状态朝第一极限状态的第一增加方向和从初始状态到第二极限状态的第二减少方向之中确定燃料流控制系统的状态的变化方向。此外，修改由燃料加压系统产生的压力的修改步骤包括沿与针对燃料流控制系统的状态所确定的变化方向相同的变化方向修改所产生的压力，而改变燃料流控制系统的状态的改变步骤包括沿与所确定的变化方向相反的方向修改状态。
根据另一特征，确定燃料流控制系统的状态的确定步骤包括确定初始状态和确定状态(所确定的状态)之间的状态改变值。此外，修改燃料加压系统所产生的压力的修改步骤包括将所产生的压力修改成(等于)所确定的状态改变值的转换函数的值，改变燃料流控制系统的状态的改变步骤包括将状态修改基本等于所确定的状态改变值的值。
根据另一特征，转换函数包括能够调节的增益。此外，控制方法还包括调节转换函数的增益的调节步骤以防止燃料流控制系统静止于第一极限状态和第二极限状态中的一个中或者振荡。
根据另一特征，燃料流控制系统的状态范围包括中值状态，从而使得状态范围包括与位于中值状态和第二极限状态之间的(多个)状态基本一样多的位于中值状态和第一极限状态之间的(多个)状态，初始状态对应于中值状态。
根据另一特征，燃料流控制系统的状态由传感器确定，该传感器被构造为能够根据由传感器所确定的状态产生状态信号。此外，控制方法还包括处理状态信号的处理步骤。
根据另一特征，该方法包括确定初始状态和由传感器所确定的状态之间至少一个中间状态的步骤。此外，对于每个中间状态，该方法还包括以下步骤：根据所确定的状态或燃料流控制系统的前一中间状态修改由燃料加压系统产生的压力；然后改变燃料流控制系统的状态从而使其返回或更接近初始状态。
本发明还涉及一种飞行器动力装置的燃料供应装置，其允许根据前述特征中任一所述的控制方法。根据本发明，燃料流控制系统包括传感器，其被构造为能够确定燃料流控制系统的状态并根据燃料流控制系统的确定状态生成状态信号。此外，供应装置被构造为能够根据传感器所产生的状态信号操纵(控制)燃料加压系统和燃料流控制系统。
根据另一特征，传感器被构造为能够确定燃料流控制系统的状态、状态的变化方向以及初始状态和确定状态之间的状态变化值。
根据另一特征，燃料流控制系统的状态范围包括中值状态，从而使得状态范围包括与位于中值状态和第二极限状态之间的状态数量基本一样多的位于中值状态和第一极限状态之间的状态，初始状态对应于中值状态。
附图说明
从以下对本发明的描述可以看出其他特征和优点，这些描述仅作为示例给出参考附图进行描述，其中：
-图1是飞行器的示意图，
-图2是示出本发明的实施例的动力装置的供应装置的示意图。
具体实施方式
根据一实施例，飞行器10包括机身12、机翼14以及连接至机身12或机翼14的多个推进组件16。
每个推进组件16均包括动力装置18，该动力装置包括至少一个燃烧室以及发动机控制系统22，该至少一个燃烧室由至少一个喷射器20供应，该喷射器被构造为能够将给定燃料量喷射至燃烧室中，该发动机控制系统被构造为能够控制动力装置18，特别是调节发动机转速。
在以氢运行的飞行器的情况下，氢在其引入燃烧室时具有给定燃烧压力和温度。为了给出数量级，燃烧压力介于1和60巴之间，且燃烧温度约为300K(约+27℃)。
飞行器10包括至少一个燃料供应装置24，其连接至少一个燃料容器26和至少一个动力装置18，其被构造为能够向所述动力装置18供应燃料。
在以氢运行的飞行器的情况下，燃料容器26被构造为能够在给定储存压力和温度下储存处于液态和低温状态下的氢。燃料容器26包括至少一个出口26.1。为了给出数量级，存储压力(压强)小于或等于5巴，且存储温度小于或等于25K(约-250℃)。
根据一实施例，燃料供应装置24包括至少一个燃料加压系统28、至少一个燃料加热系统30、至少一个燃料流控制系统32以及一组导管(管道)34，这些导管被构造为能够通过穿过燃料加压系统28、燃料加热系统30和燃料流控制系统32而将燃料从燃料容器26，尤其是从燃料容器26的出口26.1输送到动力装置18，并且特别是输送到动力装置18的至少一个喷射器20。
根据一种构造，燃料加热系统30包括至少一个热交换器，其具有至少一个入口和至少一个出口，该至少一个热交换器被构造为能够在入口和出口之间产生燃料温度的升高。根据一种运行(工作)模式，热交换器供应在推进组件16处提取的热流体。由于燃料加热系统30可与现有技术相同，因而对此不再进一步描述。
燃料加压系统28至少包括第一入口28.1以及第一出口28.2。其被构造为能够将燃料压缩至给定可变压力。此外，燃料加压系统28还包括控制装置36，其被构造为能够接收至少一个第一输入信号36.1，燃料加压系统28根据控制装置36所接收的输入信号36.1在第一输出口28.2处将燃料压缩至给定的输出压力(后者为前者的函数)。
根据一实施例，燃料加压系统28包括泵，特别是高压泵。根据该实施例，泵的输出压力是泵的转速的函数，旋转速度本身越高，则输出压力越高。此外，控制装置36被构造为能够根据输入信号36.1生成控制信号36.2，从而允许改变泵的转速。
燃料流控制系统32具有至少一个第二入口32.1、至少一个第二出口32.2以及位于第二入口32.1和第二出口32.2之间的可变通过(流动)截面。因此，燃料流控制系统32被构造为能够处于一定范围内的不同状态，该范围由对应于最大通过截面的第一极限状态和对应于最小通过截面的第二极限状态所限定。在每种状态下，燃料流控制系统32以给定燃料压力向动力装置18输送给定燃料量。
燃料流控制系统32的状态范围包括中值状态，状态范围包括与位于中值状态和第二极限状态之间基本一样多的位于中值状态和第一极限状态之间的状态。在中值状态下，燃料流控制系统32的中值通过截面约等于最小通过截面和最大通过截面之和的一半。
根据一实施例，燃料流控制系统32包括阀38，其被构造为能够处于与燃料流控制系统32的第一极限状态相对应的第一极端(极限)位置和与燃料流控制系统32的第二极限状态相对应的第二极端位置之间的不同位置，在第一极端位置中，阀38具有最大通过截面，且在第二极端位置中，阀38具有最小通过截面，该阀被构造为能够处于与第一极端位置和第二极端位置大致等间距的中值位置。
燃料流控制系统32包括传感器40，其被配置为能够确定燃料流控制系统32的状态，并根据传感器40所确定的燃料流控制系统32的状态生成状态信号40.1。根据一实施例，传感器40被配置为能够确定阀38的位置并根据所确定的阀38的位置生成状态信号40.1。
至少，燃料供应装置24包括：至少一个燃料加压系统28，其被构造为能够将燃料压缩至给定压力；以及至少一个燃料流控制系统32，其被构造为能够处于不同状态(连续或离散的多个状态)并且对于每种状态均向动力装置18输送给定燃料量。燃料流控制系统32被构造为能够处于初始状态，在初始状态下，燃料流控制系统32输送初始燃料量。
用于控制燃料供应装置24的控制方法包括以下步骤：在输送至动力装置18的燃料量发生变化后(此时燃料流控制系统32的状态被改变并偏离初始状态)确定燃料流控制系统32状态；然后根据确定的燃料流控制系统32的状态修改燃料加压系统28产生的压力；然后改变燃料流控制系统32的状态，从而使其恢复或接近初始状态。压力修改和改变状态步骤并不协同以保持输送到动力装置18的燃料量基本恒定。燃料流控制系统32对其入口处的压力(压强)变化做出响应以保持输送到动力装置18的期望燃料量。
改变燃料流控制系统状态的步骤作为对于修改燃料加压系统产生的燃料压力的步骤的反应(响应)而得到执行。
输送到动力装置的燃料流量取决于燃料压力、燃料温度和朝向燃烧室的燃料通过截面。燃料流控制系统只控制朝向燃烧室的燃料通过截面。当加压系统增加燃料压力时，燃料流控制系统观察到燃料流量的增大并且作为响应(将)控制燃料流量减少。
因此，根据本发明，存在两个独立且不协同的反馈回路：第一反馈回路，其通过作用于朝向燃烧室的燃料通过截面来控制燃料流量，有效流量取决于上游燃料压力；以及,第二反馈回路，其控制燃料压力，压力的选择是自由的、但受到燃料流控制系统两个极限状态的限制。
作为例子，输送到动力装置18的燃料量的变化，尤其在动力装置18的发动机转速发生变化时发生。
在氢动力的飞行器的例子中，即使使用具有受限运行范围的燃料流控制系统32，这种方法也允许大范围地改变输送到动力装置18的燃料量。
根据一实施例，确定燃料流控制系统32的状态的步骤包括在从初始状态朝第一极限状态的第一增加方向和从初始状态朝第二极限状态的第二减小方向中确定燃料流控制系统32的状态的变化方向。此外，修改燃料加压系统28产生的压力的步骤包括沿与针对燃料流控制系统32的状态所确定的变化方向相同的变化方向修改产生的压力。改变燃料流控制系统32的状态的步骤包括沿与确定的变化方向相反的方向修改状态。因此，如果所确定的状态位于初始状态和第一个极限状态之间，其对应于沿通过截面的第一增加方向改变状态，则燃料加压系统28产生的压力会增大。随着燃料加压系统28产生的压力增大，燃料流控制系统32的状态也被修改，以将燃料流量保持在期望水平，这导致使其恢复到或接近初始状态。反之，如果所确定的状态处于初始状态和第二极限状态之间，这对应于沿通过截面的第二减小方向改变状态，则燃料加压系统28产生的压力降低。随着燃料加压系统28产生的压力降低，燃料流控制系统32的状态被修改以便将燃料流量保持在期望水平，这导致使其恢复到或接近初始状态。
根据一种构造，初始状态对应于中值状态，这允许获得在第一增加方向和第二减小方向上同样宽的工作(操作)范围。
根据一种构造，确定燃料流控制系统32的状态的步骤包括确定燃料流控制系统32的状态的变化方向以及初始状态和所确定的状态之间的状态变化值。此外，修改燃料加压系统28产生的压力的步骤包括沿与针对燃料流控制系统32的状态所确定的变化方向相同的变化方向修改产生的压力并修改以为所确定的状态变化值的转换函数的值。作为变型，改变燃料流控制系统32的状态的步骤包括沿与所确定的变化方向相反的变化方向修改状态并修改以与所确定的状态变化值基本相等的值。
根据这种构造，传感器40被配置为能够确定燃料流控制系统32的状态、状态的变化方向以及初始状态和所确定的状态之间的状态变化值。
根据第一实施例，传感器40被配置为能够：
-根据所确定的变化方向和状态变化值确定应该施加到燃料加压系统28的压力变化方向和变化值，
-根据所确定的压力的变化方向和压力变化值生成状态信号40.1；以及
-将该状态信号40.1作为输入信号36.1直接传送至控制装置36，燃料加压系统28根据接收到的输入信号36.1将燃料压缩到新的值(后者是前者即输入信号36.1的函数)。
根据第二实施例，传感器40被配置为能够根据传感器40所确定的变化方向和状态变化值生成状态信号40.1。
该状态信号40.1作为输入信号36.1直接传送至控制装置36。控制装置被构造为能够根据输入信号36.1确定燃料加压系统28应该实现的变化方向和压力变化值并根据确定的变化方向和压力变化值生成控制信号36.2。
作为变型，将状态信号40.1传送至发动机(动力)控制系统22。发动机控制系统被构造为能够根据接收到的状态信号40.1确定燃料加压系统28应该实现的变化方向和压力变化值，并根据所确定的变化方向和压力变化值生成至控制装置36的输入信号36.1。
根据一种构造，发动机控制系统22可以独立控制燃料加压系统28和燃料流控制系统32。
无论实施例如何，供应装置均被构造为能够根据传感器40生成的状态信号40.1控制燃料加压系统28和燃料流控制系统32，对燃料流控制系统32的控制是基于对燃料加压系统28的控制的反应(响应)而实现。具体而言，供应装置被构造为能够根据传感器40生成的状态信号控制燃料加压系统28，然后响应于对燃料加压系统28所输送的(流体)压力变化而控制燃料流控制系统32。以这种方式，供给装置以非耦合(即非协同)的方式控制燃料加压系统28和燃料流控制系统32二者。
根据操作模式，如果需要稳定性或避免振荡，控制方法包括处理状态信号40.1的步骤，例如通过低通滤波或滞后进行处理。例如，也可能需要燃料流控制系统快速反应，而加压系统更慢做出反应。作为例子，燃料供应装置24包括用于处理状态信号40.1的低通滤波器42。在燃料加压系统包括泵的情况下，该实施例允许避免泵的速度过度地突然变化，尤其是如果泵的惯量不够大的话。
允许根据状态变化值确定压力变化值的转换函数具有与动力装置18的期望动力有关的能够调节的增益。控制燃料供给装置24的控制方法包括调整转换函数的增益的步骤，以防止燃料流控制系统32停留在第一极限状态和第二极限状态中的一个中或出现振荡。
根据第一操作模式，燃料加压系统28产生的压力变化和燃料流控制系统32返回中值状态可以在单个阶段中被完成。
根据第二操作模式，燃料加压系统28产生的压力变化和燃料流控制系统32返回初始状态在至少两个阶段中实现。这第二种操作模式允许避免燃料加压系统28和燃料流控制系统32之间的共振现象。
根据第二操作模式，该方法包括确定初始状态和由传感器40所确定的状态之间的至少一个中间状态的步骤。对于每个中间状态，该方法包括以下步骤：根据所确定的状态或燃料流控制系统32的前一个中间状态来修改燃料加压系统28产生的压力；然后改变燃料流控制系统32的状态，从而使其返回或更接近初始状态。

Claims (10)

1.一种控制至少一个飞行器动力装置(18)的燃料供应装置的控制方法，所述燃料供应装置包括：
被构造为能够将所述燃料压缩至给定压力的至少一个燃料加压系统(28)；以及
至少一个燃料流控制系统(32)，所述燃料流控制系统(32)被构造为能够处于由第一极限状态和第二极限状态所限定的整个状态范围内的不同状态，在所述不同状态中的每一种状态中以给定燃料压力向所述动力装置(18)输送给定燃料量，并且能够处于初始状态；
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在发生偏离所述初始状态的状态改变后，确定所述燃料流控制系统(32)的状态；
然后，根据所确定的所述燃料流控制系统(32)的状态修改所述燃料加压系统(28)产生的燃料压力；
然后，改变所述燃料流控制系统(32)的状态，从而使其回到或接近所述初始状态。
2.根据权利要求1所述的控制燃料供应装置的控制方法，其特征在于，确定所述燃料流控制系统(32)的所述状态的步骤包括：在从所述初始状态朝所述第一极限状态的第一增加方向和从所述初始状态朝所述第二极限状态的第二减小方向之中确定所述燃料流控制系统(32)的状态的变化方向；
修改所述燃料加压系统(28)产生的所述压力的步骤包括：以与针对所确定的所述燃料流控制系统(32)的状态的所述变化方向相同的变化方向修改所产生的所述压力；以及
改变所述燃料流控制系统(32)的所述状态的步骤包括：以与所确定的所述变化方向相反的方向修改所述状态。
3.根据权利要求2所述的控制燃料供给装置的所述控制方法，其特征在于，确定所述燃料流控制系统(32)的所述状态的步骤包括：确定所述初始状态和所确定的状态之间的状态变化值；
修改所述燃料加压系统(28)产生的所述压力的步骤包括：用所确定的所述状态变化值的转换函数的值，来修改所产生的所述压力；以及
改变所述燃料流控制系统(32)的所述状态的步骤包括：用基本等于所确定的所述状态变化值的值，来修改所述状态。
4.根据权利要求3所述的控制燃料供应装置的控制方法，其特征在于，所述转换函数包括能够调节的增益，并且所述控制方法还包括：
调节所述转换函数的所述增益，以防止所述燃料流控制系统(32)振荡或者停留在所述第一极限状态和所述第二极限状态中的一个中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的控制燃料供应装置的控制方法，其特征在于，所述燃料流控制系统(32)的所述状态范围包括中值状态，从而使得所述状态范围包含的位于所述中值状态和所述第二极限状态之间的状态和位于所述中值状态和所述第一极限状态之间的状态基本一样多，所述初始状态对应于所述中值状态。
6.根据前述权利要求中任一项所述的控制燃料供应装置的控制方法，其特征在于，所述燃料流控制系统(32)的状态由传感器(40)确定，所述传感器(40)被配置为能够根据所述传感器(40)确定的所述状态产生状态信号(40.1)，并且所述控制方法还包括处理所述状态信号(40.1)的步骤。
7.根据前述权利要求中任一项所述的控制燃料供应装置的控制方法，其特征在于，所述方法还包括确定位于所述初始状态和所述传感器(40)所确定的状态之间的至少一个中间状态的步骤；
并且，对于每个中间状态，所述方法包括以下步骤：
修改由所述燃料加压系统(28)根据所确定的所述燃料流控制系统(32)的所述状态或前一个中间状态产生的所述压力；
然后，改变所述燃料流控制系统(32)的状态，从而使其返回或接近所述初始状态。
8.一种用于飞行器动力装置的燃料供应装置，所述燃料供应装置使得能够实施根据前述权利要求中任一项所述的控制方法，所述燃料供应装置包括：
被构造为能够将燃料压缩至给定压力的至少一个燃料加压系统(28)；以及
至少一个燃料流控制系统(32)，所述燃料流控制系统(32)被构造为能够处于由第一极限状态和第二极限状态所限定的整个状态范围内的不同状态，在所述不同状态中的每一种状态中以所述给定燃料压力向所述动力装置(18)输送给定燃料量，并且能够处于初始状态；
其特征在于，所述燃料流控制系统(32)包括：
传感器(40)，其被配置为能够确定所述燃料流控制系统(32)的状态，并根据所确定的所述燃料流控制系统(32)的所述状态生成状态信号(40.1)；
并且，所述供应装置被构造为能够根据所述传感器(40)所产生的所述状态信号(40.1)控制所述燃料加压系统(28)和所述燃料流控制系统(32)。
9.根据权利要求8所述的燃料供应装置，其特征在于，所述传感器(40)被构造为能够确定所述燃料流控制系统(32)的状态、所述状态的变化方向以及所述初始状态和所确定的所述状态之间的状态变化值。
10.根据权利要求8或9所述的燃料供应装置，其特征在于，所述燃料流控制系统(32)的所述状态范围包括中值状态，从而使得所述状态范围中包含的位于所述中值状态和所述第二极限状态之间的状态和位于所述中值状态和所述第一极限状态之间的状态基本一样多，并且所述初始状态对应于所述中值状态。
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