CN1277656A - 矢量喷管校准 - Google Patents

Abstract

在矢量喷管中用于排气转向的鱼鳞片的控制系统内校准多个与操纵环连接的作动筒的方法和系统。作动筒包括输出杆,它们被定位在各自的第一位置,在这一位置测量输出行程。作动筒再定位在不同的第二位置,再次测量它的输出行程。每个作动筒的行程测量被校准,以便在第一和第二测量位置之间实现共同的线性特性。已校准的作动筒保证当输出杆定位在其最小和最大伸出位置之间时作动筒协调一致地线性操作。

Description

矢量喷管校准

                        发明背景

本发明总体上涉及飞机燃气涡轮发动机，更具体而言涉及用于发动机的矢量排气喷管。

典型的高性能内外函燃气涡轮发动机包括一可变面积的收敛-扩散形排气喷管，它相对纵向或轴向中心线是轴对称的。喷管包括多个沿圆周邻接的初级排气鱼鳞片，它们再与多个沿圆周邻接的次级排气鱼鳞片相连。次级鱼鳞片通过相应的外部压力连杆连接在一个也支承着初级鱼鳞片的公共的静止机匣上。

此组合件铰接成四连杆机构的形式，以改变在初级与次级鱼鳞片之间喷管喉道处标注为A8的排气流通面积，以及用于改变在次级鱼鳞片下游端标注为A9的喷管出口流通面积。恰当的线性作动筒诸如液压作动筒沿圆周间隔地围绕着机匣并各有连接在喷管上的输出杆，用于转动初级鱼鳞片调节喉道面积，以及又调节出口与喉道的面积比。

为了提高以内外出燃气涡轮发动机为动力装置的飞机的机动性，发展了矢量排气喷管。在转让给本受让人的美国专利4994660中公开了一种非轴对称的矢量排气喷管(AVEN^)。在这种类型的喷管中，初级操纵环围绕在初级鱼鳞外侧面上的凸块并在工作上与多个初级线性作动筒连接，它们控制初级操纵环垂直于喷管轴向中心线的轴向位置。在喷管内的外部连杆连接在次级操纵环上，后者再连接在多个安装在机匣上的次级线性作动筒上。

在工作时，初级环的轴向移动或滑动控制初级鱼鳞片的转动并因而也调节喷管喉道面积。次级环也可以沿轴向滑动以便独立地控制次级鱼鳞片的转动，并因而又调节出口面积和面积比。此外，次级环可以在空间倾斜以实施俯仰或偏航或两者兼得，以及使次级鱼鳞片倾斜以实施喷管转向，在这种情况下，与在传统的非矢量排气喷管中与发动机中心线同轴地排气不同，发动机的排气以与发动机中心线有一小的角度地排出。

因为次级鱼鳞片可以改变推力方向，所以它们大大增加了喷管设计及其推广实施的复杂性。由于这一原因，另外许多专利给予有关本受让人的AVEN^排气喷管以各种特点。这些专利既涉及喷管机械上的细节，也涉及喷管的控制系统。

因为在喷管内利用了多个沿圆周邻接的次级鱼鳞片，还必须设有恰当的鱼鳞片间密封装置，以避免鱼鳞片处于推力转向的恰当范围内时鱼鳞片之间气流泄漏。不过此范围是有限的，以避免鱼鳞片间气流泄漏或各种构件不希望的变形。

此外，推力方向可变的喷管的控制系统发展为在反馈闭式回路内控制作动筒的数字式程序控制调节器。喷管调节器典型地包括在喷管构件机械性能范围内避免喷管推力转向过渡的极限值。以及，喷管调节器还必须足够迅速地实时处理用于喷管及以它为动力的飞机极高速机动飞行所需要的数据。

由于使用三个以上次级操纵环的作动筒以提供冗余度，进一步增加了喷管的复杂性。冗余的硬件需要精确控制第四个或更多个作动筒，以免与确定次级环平面的原始的三个作动筒发生冲突。在有些设计中可能要求使用两个冗余的次级作动筒系统，每个系统有三个作动筒。因此六个作动筒必须协调一致地控制，以免它们之间彼此加载和保证全部作动筒同步工作。

多个作动筒的同步工作由于其中加入冗余的位置传感器或作动筒而更进一步复杂化。典型的反馈调节需要测量各作动筒的输出行程，在调节器内将它们与对应的指令信号作比较，在闭式回路中使指令与测量行程之间的差别趋于最小值或零值。因此准确的反馈测量对于若干作动筒的协调工作是至关重要的。

更具体地说，在制造各作动筒时需要相当昂贵的初始校准，以保证其中冗余的位置传感器不仅提供彼此相同的输出，而且控制推力转向的协同工作的作动筒有相同的输出。典型的位置传感器在形式上是线性变量微分变换器(LVDT)，一般包括输出电压的细长线圈，输出的电压随作动筒输出杆的轴向行程线性改变。因此，在初始的制造过程中LVDTs必须在各作动筒内仔细地对准，以便在工作时的最小值与最大值之间获得相同的线性特性。

此外，还需要化费大量时间和费用将各作动筒装配在相应的推力转向环上，以便在一开始将环正交或垂直于喷管中心线定位，所以环单纯沿轴向滑移以及将环斜置以实施环的俯仰和偏航，都可以借助于连接在环上的各作动筒协调一致的行程准确地获得。

为了将预定的固定不变的调节规律储存在控制喷管工作的喷管调节器内，需要准确地制造和装配若干个连接在次级操纵环上的次级作动筒。因此，在各作动筒内LVDTs初始校准的改变以及在作动筒与次级操纵环组装时的改变，都将导致矢量喷管性能上的变化，即使不是可能，但要想在调节器内自行校正这种在性能上的变化是困难的。

因此，要求提供一种用于排气喷管内推力转向作动筒经改进的控制系统，它可以自动校准在已装配好的喷管操纵系统内未经校准或误校准的作动筒。

                    本发明的概要

在矢量喷管中用于排气转向的鱼鳞片的控制系统内校准多个与操纵环连接的作动筒的方法和系统。作动筒包括输出杆，它们被定位在各自的第一位置，在这一位置测量输出行程。作动筒再定位在不同的第二位置，再次测量它的输出行程。每个作动筒的行程测量被校准，以便在第一和第二测量位置之间实现共同的线性特性。已校准的作动筒保证当输出杆定位在其最小和最大伸出位置之间时作动筒协调一致地线性操作。

                    附图的简要说明

下面结合附图更详细和具体地按照优先和示范的实施例说明本发明以及本发明进一步的目标及优点，附图包括：

图1  按本发明示范性实施例的燃气涡轮发动机轴对称大量排气喷管等轴的局部剖面图；

图2  图1所示排气喷管局部纵剖面图，表示了若干次级作动筒之一，这些作动筒连接在次级操纵环上用于排气喷管的推力转向；

图3  示意表示连接在图1和2所示次级操纵环上的两个冗余的三作动筒驱动系统以及在反馈闭式回路中用于驱动作动筒的控制系统；

图4  示意表示图3所示次级作动筒之一，它包括一个冗余的输出位置传感器对；

图5  作动筒位置传感器随输出杆行程的线性输出响应的示范性图例；以及

图6  校准图3所示控制系统的一种示范性方法的流程图，以获得图5所示的作动筒共同的线性特性线。

                  优选实施例的说明

图1和2表示作为范例的轴对称矢量排气喷管10，它接收来自内外出涡轮风扇式燃气涡轮发动机(未表示)的排出的燃气12，产生为推动飞机(未表示)飞行的推力。喷管10相对于纵向或轴向中心线14是轴对称的并包括一个固定的或静止的环形机匣16，它适合于固定连接在燃气涡轮发动机排气管(未表示)上以接受来自那里的排气12。

由图2可以清楚看出，喷管10包括多块其前端铰接在机匣16上的沿圆周互相结合的初级喷口鱼鳞片18。多块沿圆周互相结合的次级喷口鱼鳞片20分别在其前端铰接在初级鱼鳞片18之一的后端上，并确定了一个用A8表示的最小流动面积的喉道22。次级鱼鳞片20的后端或下游端确定了有一个用A9表示的流动面积的喷管出口24。

次级鱼鳞片20的后端分别铰接在沿圆周有间隔的外部压力连杆26上，后者的前端铰接在公共的次级操纵环28上。至少三个沿圆周间隔的次级作动筒30在各接头32处铰接在公共的次级操纵环28上。次级作动筒30是线性作动筒，诸如液压作动筒，它们各有输出杆30a，输出杆可按选择伸出或收缩，用于在各接头32处相应地移动次级环28。

由于次级鱼鳞片20在它们的后端连接在对应的外连杆26上，而连杆又与次级环28连接，所以移动次级环28可用来控制出口24的流动面积A9以及相应地控制出口与喉道的面积比A9/A8。

为了调整喉道22的流动面积A8，每个初级鱼鳞片18在其外侧有相应的凸块，它与装在初级操纵环34内的滚轮接触，操纵环34围绕着初级鱼鳞片18。如图1所示，多个，例如三个初级作动筒36在它们的前端铰接在机匣16上，而具有的各输出杆铰接在初级环34上。

因为初级鱼鳞片18在其前端铰接在机匣16上，所以工作时排气12的压力迫使初级鱼鳞片沿径向向外与初级环34接触，初级环34用来调整喉道22的尺寸。当初级环34向前或向后轴向移动时，初级鱼鳞片34^*后部上的凸块型面控制鱼鳞片的回转运动和相应地调整喉道22的面积。

以此方式，初级和次级鱼鳞片可借助它们各自的作动筒和环独立地控制，来调整喉道22和出口24的面积，以及调整它们的面积比A9/A8。此外，通过倾转次级环28，次级鱼鳞片20还可以歪斜或相对于中心线14调整矢量，以实施推力转向。

上面所说明的排气喷管10，除了驱动次级环28的次级作动筒30的某些细节及其控制系统外，总体结构是传统的。这种喷管的其他详细情况可见前面背景部分中提及的美国专利4994660。

图3示意表示按本发明示范性实施例的改进的控制连接在次级环28上的次级作动筒30行程的控制系统38，次级环28如图2所示又连接在外连杆26和次级鱼鳞片20上，用于在排气喷管内转向推力。

在优先的实施例中，三个一组的两个次级作动筒30组分别连接在次级环28上提供冗余的运动，所有的次级作动筒30需要协调它们之间的输出行程，以避免互相之间力量冲突和在次级环28内产生不希望的应力或变形。

次级作动筒30以及初级作动筒36的协调运动在喷管调节器40内实行，它在工作上与每个作动筒30、36连接成典型的闭式反馈回路，用于根据恰当的指令信号或控制信号独立控制若干作动筒的行程。例如，图3表示了四个典型的控制指令，包括喉道面积A8、面积比A9/A8、俯仰和偏航角。如上所述，初级环34的轴向位置通过确定初级鱼鳞片18的位置来控制喉道面积A8。以及，次级环28的轴向和倾斜位置通过相应地确定次级鱼鳞片20的位置调整面积比A9/A8、俯仰和偏航角。

喷管调节器40最好是数字的程序控制计算机的形式，诸如矢量电子控制(VEC)处理机，它可以按调节规律或用软件照惯例编制程序，以实施排气喷管所要求的反馈控制。

反馈调节回路需要测量若干次级作动筒30各输出杆30a的行程。图4更详细地表示了一个代表性的次级作动筒30，它包括输出杆30a，其轴向位置按传统为液压控制。适用的液压调节器42与每个次级作动筒30相关联，用于提供液压流体以便在最小收缩位置与最大伸出位置之间确定出杆30a的位置。

表示在图4中的每一个次级作动筒30最好包括一对冗余的位置传感器44，它们测量各作动筒30的行程用于反馈调节系统。传感器44在工作上通过电导线与反馈闭式回路内的喷管调节器40连接，用于按照指令信号和测得的反馈信号独立控制作动筒30的行程。

各次级作动筒30和位置传感器44可采用任何传统的形式，诸如带线性变量微分变换器(LVDT)式传感器44的液压线性作动筒。LVDTs44典型地是细长的线圈的形式，在电路上与调节器40连接并供以适当的电压。LVDTs44在每个作动筒内与输出杆30a协同工作，所以输出杆的伸或缩由传感器44产生一个与输出杆的行程成线性关系的相应的输出电压。

典型地，输出杆30a最小或全收缩位置产生相应的最小输出电压，输出杆全伸出或最大位置产生最大输出电压，在它们之间的中间位置遵循一条在它们之间线性倾斜的特性线。因此作动筒30的输出行程可以借助于相应的传感器44对独立地测量，它们产生代表被测输出杆30a行程的测得的反馈信号F。

调节器40为每个次级作动筒30提供一个行程指令信号S，用于在各液压调节器42中根据此信号确定输出杆30a的位置。在反馈回路中，测得的行程F与指令行程S比较以产生一个信号差，当输出杆按指令正确定位时信号差趋于最小值或零值。

如上所述，各次级作动筒30和其中冗余的位置传感器44除了传感器44不需要如以前所做的那样精确地初始校准外是常规的。因此，传感器44可以未经校准而显著降低其成本。不过因为作动筒30为了降低成本可以使用未经校准的传感器44，所以在作动筒内的各传感器44多半不仅在若干次级作动筒30的每一个内而且在每个次级作动筒30之间会有不同的线性特性。例如，这六个作动筒30总共有12个传感器44，每个传感器44很可能在有关的输出杆30a在其最小和最大位置之间运动时产生略有不同的线性特性。

按照本发明，喷管调节器40包括在输出杆的两个位置自动校准若干传感器44的手段，以便在它们之间获得一种共同的线性特性。更具体地说，图5举例表示了传感器44的示范性曲线图，其中输出杆在其最小和最大位置之间的行程，相应地产生表示为伏/伏的最小和最大输出信号。为了最有效地协调若干次级作动筒30的输出行程，这些传感器44为此最好共有一条在图5中用实直线表示的共同的线性特性线46，它从在最小行程位置处的最小输出值倾斜向上到在最大行程位置处的最大输出值。

然而，鉴于各传感器44处于未经校准的原始状况，每个传感器44很可能有图5中虚线表示的不同的未经校准的线性特性48。对于每个传感器44而言实际的未经校准的特性线48有很大的随意性，但可以用输出偏置常数A和标志与共同的线性特性46斜率之差的常数B来确定。

图5中的图线表示，与各传感器44来初始校准的特性线48无关，它们可以简单地校准为共同的线性特性线46，后者可以任选其中一个传感器的特性或可以是随意选择的一条传感器共同的特性线。每个次级作动筒30行程测量的校准可通过为每个传感器44提供偏置和斜率常数A、B简单地实现共同的线性特性线46。

偏置常数A可选择在作动筒行程内的任何点，以便在此点提供基本相等的值来补偿与传感器输出信号之差。选择斜率常数用于调整未经校准的特性线48的斜率，使之与其目的特性线46的斜率相匹配，以保证每个传感器对于在最小与最大行程之间的相应值有基本相等的输出响应。以此方式，各传感器44在制造时无需在机械上校准，而是代之以在喷管调节器内采用恰当的软件电学地校准。

更具体地，在图6的实施例中用流程图表示校准过程。为了安全的原因，校准过程只有在飞机不飞行时才允许进行，此时，飞机的发动机不超过慢车功率，以及起动恰当的维护联锁装置。校准过程可在初次使用排气喷管前进行，也可以在影响喷管调节的力学或温度状况改变而需要时周期性地进行。

此过程以次级作动筒30的输出杆30a定位于图5用P1表示的各第一位置时开始，该位置在最小和最大伸出位置的中间，并最好处于故障自动保护位置。故障自动保护位置是这样一个位置，即，在万一发生各种型式故障时输出杆30a自动在此位置找到一个各义的中央行程位置。在故障自动保护位置，喷管未调矢量，但采取一个例如在巡航时为获得名义排气排力的恰当的位置，以允许飞机按常规的方式连续工作。

然后在此第一位置通过在调节器40恰当的存储器内记录反馈信号F进行次级作动筒30的行程测量。接着通过驱动作动筒将次级作动筒30的输出杆30a定位在与有关的第一位置不同的第二位置P2。表示在图5中的第二位置P2最好是各输出杆最小或全收缩位置。尽管不同的第一和第二位置P1和P2可按另一种方式选择，但第一位置P1优选故障自动保护位置，因为这是输出杆在故障自动保护模式时所处的位置，所以在这里准确度最高。

在输出杆的各第二位置，再次使用相应的传感器44测量次级作动筒的行程，以及测得的行程F再次记录在调节器的存储器内。

由每个次级作动筒30这两个点的数据，可以在调节器内通过数学方式确定在它们之间延伸的相应的线，以便为了在它们之间实现共同的线性特性利用在第一和第二位置测得的行程校准或补偿每个作动筒30的行程测量。如上面结合图5所述，通过在两个不同的行程位置记录传感器的输出，可以在它们之间确定相应的直线，以及也可以确定在各特性线与共同的线性特性线46之间的差别，从而可以计算出适当的偏置及斜率常数A、B。这些常数用于在调节器内改变反馈行程F的测量值，用于在每个单独的反馈回路内遵循共同的线性特性46。

因此通过修正测量行程F完成校准，而与原始的传感器44缺乏一致性无关。如此修正的测量行程F实际上与从一个经初始校准的传感器44处获得的信号没有什么区别，但在作动筒的制造方面却要简单得多。此外，调节系统的校准可随时按需通过重复校准过程简便和自动地完成，到目前为止还不可做到这一点。

在表示在图6中的校准过程最佳实施例中，当作动筒运动到它们各自的第一和第二位置和为了确定所需要的用于那里的校准量测量了在那里的行程后，作动筒重新将它们的输出杆定位在原始的或第一故障自动保护位置。在此第一位置再次测量不同作动筒30的行程，以核实各自传感器的共同的线性特性，它们应产生基本上一致的输出值。

如上所述，测量步骤最好采用相应的线性位置传感器44进行，它们各有一种对于作动筒行程基本上线性的输出响应。在这种情况下每种作动筒杆可以为了测量输出行程简单地再定位在两个位置上和最少用两个点便可以定义相关的特性线.在针对每个传感器44引入校准的偏置和斜率常数A、B时，可以在调节器40内获得每个传感器基本相同的线性特性并可按反馈调节规律用于控制各次级作动筒30。

由于每个次级作动筒30最好包括在其中冗余的传感器44对，所以每个作动筒的行程在第一和第二位置都使用每个传感器实施冗余地测量。每个次级作动筒30两个传感器相应的偏置和斜率常数在调节器40内算出，为达到基本相同的线性特性用于校准每个作动筒冗余的行程测量。每个次级作动筒30内两个传感器的线性特性应当相同，以避免在调节器内出现差错，否则会将喷管置于故障自动保护的工作模式。

不同次级作动筒30每一个之间的线性特性最好也相同，以避免它们之间的力量冲突和由此在次级环内引起任何相关的应力和变形。因为在每个冗余的驱动系统中使用三个次级作动筒30，所以作动筒位置测量误差仅涉及次级环28的位置不准确。然而，与次级环28相连的冗余系统作动筒之间行程测量的误差将造成它们之间力的冲突，因为三点确定一个平面，而体现冗余的操作系统的四个或更多个点内必须准确遵循第一个系统，以保持次级环28唯一的平面运动。

因为不同的次级作动筒30通过次级环28互相连接，所以在校准过程中只要喷管几何尺寸允许它们便可以在第一和第二位置之间协调一致地运动。然而，在最佳实施例中，所有的输出杆30a可以同步运动到第一个故障自动保护位置，从这里起各输出杆30a再单独定位在相应的第二个最小位置，然后从那里移动。这就允许各输出杆30a为了校准而在要求的第一和第二位置之间移动，不会超出次级鱼鳞片20和它们之间相应的鱼鳞片间密封装置的运动能力。

在最佳实施例中各输出杆30a再收缩到它们的最小位置，输出杆30a中剩余的一根被恰当地定位，以允许此输出杆不受阻碍地运动并收缩到其最小位置。

各输出杆30a在它们的第一和第二校准位置之间顺序的运动再由分开的冗余系统内三个作动筒的每一个完成。当各冗余系统校准后，另一个冗余系统可置于传统的旁路工作模式，这种模式允许它们的输出杆无阻碍地被运动中的次级环28带动。

本发明突出的优点在于，除了现在可以使用未经校准的次级作动筒30和相应地改变调节器40的调节规律在电学上实现自动地校准以用于标准的反馈闭式回路外，此调节系统可与原始的调节系统是一致的。对于每个传感器44比较简单的修正或校准常数可以容易地储存在调节器的存储器内，并用于按调节规律获得不同传感器44有基本相同的线性特性，而与它们是否经初始校准无关。因此，矢量喷管10可以用短得多的时间完成校准，减少操作者的干预，以及推力转向系统的互连构件没有因它们之间缺乏协调而造成的不希望的应力和变形。

在这里说明了本发明优先的和示范性的实施例，但行家们由这里的说明显然可以对本发明作出其他的修改，因此属于本发明真正的精神和范围内的所有这种修改要求在所附权利要求内保护。

因此，定义和区分本发明的要求由美国专利证保护的权利要求如下：

Claims (11)

1.在矢量喷管中用于推力转向的喷口鱼鳞片的调节系统内校准多个与操纵环连接的作动筒的方法，包括：

将作动筒的输出杆定位在各自的第一位置；

测量在此第一位置作动筒的行程；

将输出杆定位在与第一位置不同的各自的第二位置；

测量在此第二位置下作动筒的行程；以及

对每个作动筒校准行程测量，以便在它们之间实现共同的线性特性。

2.按照权利要求1所述的方法还包括：

再次将输出杆定位在第一位置；

再次测量在此第一位置作动筒的行程；以及

核实共同的线性特性。

3.按照权利要求2所述的方法，其中，测量步骤利用各位置传感器来完成，它们各有一种对作动筒行程基本上线性的输出响应。

4.按照权利要求3所述的方法还包括：

对每个作动筒在第一和第二位置冗余地测量行程；以及

对每个作动筒校准冗余的行程测量以获得基本上相同的线性特性。

5.按照权利要求4所述的方法，其中，校准包括用于每个作动筒的偏置和斜率常数，以实现共同的线性特性。

6.按照权利要求2所述的方法，其中，输出杆再定位在第二位置，然后从那里移动。

7.按照权利要求2所述的方法，其中，第一位置是在输出杆最小收缩位置与最大伸出位置之间的故障自动保护位置；以及，第二位置是最小位置。

8.按照权利要求7所述的方法，其中，输出杆再收缩到最小位置；以及，输出杆中剩余的一根被定位，以允许此被收缩的输出杆不受阻碍地运动到最小位置。

9.用于控制沿圆周间隔的多个具有连接在可确定燃气涡轮发动机排气喷管内矢量推力方向的操纵环上的输出杆的作动筒行程的调节系统，包括：

多个位置传感器用于测量作动筒行程；

在工作上与作动筒和传感器连接成反馈闭式回路的调节器，用于独立控制作动筒行程；

传感器未经校准并对作动筒在输出杆不同的第一和第二位置之间有不同的响应；以及

调节器包括在第一和第二位置之间校准传感器的装置，以实现它们之间共同的线性特性。

10.按照权利要求9所述的系统，其中，校准手段包括用于每个传感器的偏置和斜率常数，以实现共同的线性特性。

11.按照权利要求10所述的系统，其中，每个作动筒包括在其中的一个冗余的传感器对；以及每个冗余的传感器对的偏置和斜率常数校准这些传感器，以由此实现它们基本上相同的线性特性。

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