CN1314893C - 具有伺服控制门移位的涡轮喷气发动机机电反推力装置 - Google Patents

Abstract

一个涡轮喷气发动机反推力装置，包括两扇门(10a、10b)，每扇门都能够借助至少各自的一个控制致动器(12)在该反推力装置的一个打开位置与一个关闭位置之间移位；两台电机(14a、14b)，每台电机为每扇门驱动上述至少一个控制致动器；每台电机由连接到全权数字引擎控制器(20)的一个电子控制单元(18a、18b)控制；以及两个伺服控制装置，它们被用于按照确定的位置参考值的函数来控制上述门中相应的那些门的移位，上述伺服控制装置能够使上述那些门按照施加到该反推力装置的力的任何变化的函数以及按照这两扇门之间的任何力的差值的函数而被同步移位。

Description

具有伺服控制门移位的涡轮喷气发动机机电反推力装置

发明领域

本发明涉及旁路涡轮喷气发动机的反推力装置的一般领域。更特别地讲，它涉及一个具有至少两个可移位部件的机电反推力装置，它们在该反推力装置处于打开位置时互相协作来产生反向推力，举例来说，它涉及一个具有多个门、格栅或外壳的反推力装置。

发明背景

在航空领域，适合于旁路涡轮喷气发动机的反推力装置已广为人知。它们被用来通过在着陆期间协助制动而提高飞机的安全性。反推力装置通常具有至少两个运动部件(譬如滑动门)的形式，它们适宜于由控制致动器使其相对于该涡轮喷气发动机的吊舱移动，以便在以反向推力运行时，即在处于打开位置时，它们对来自该涡轮喷气发动机的气体中的一部分构成一个障碍，这部分气体被朝前转向以便为该飞机提供反向推力。

这些滑动门通常由一个液压控制系统来移动。这样一种控制系统实际上包括用于驱动该反推力装置的门的液压致动器、一个用于向这些控制致动器的液压室输送带压液体的液压控制单元、以及液压管路。为这种类型的控制系统输送液体所需的液压功率直接取自该飞机的液压管路。

当该反推力装置正被打开或关闭时，这些门必须要按照同步方式被移位。这些门的非同步移位会对该反推力装置产生很高的动态应力，并可能对该反推力装置与该飞机造成大量的损坏。不良的门移位同步是因为作用在这些门上的不同负荷造成的，这会导致门之间的位置产生很大的差值。此外，施加到该反推力装置的门上的驱动力也可能各不相同。在这种情况下，就可能出现该反推力装置被扭曲、从而被损坏的危险。

为了探测施加到液压控制反推力装置的力的任何这种变化，而且为了探测它的门上的力之间的任何差值，已知的方法是提供带有传感器的控制致动器(actuator)，这些传感器测量这些致动器的液压室内呈现的液体压力。通过比较各个传感器获得的压力测量值，就能够既探测施加到该反推力装置的力的任何变化，而且也探测这些门之间的任何力的差值，这样就能够避免该反推力装置的任何扭曲，这种扭曲可能导致这些门之间的位置产生差值。

采用液压控制系统的反推力装置技术具有一些特别与各种液压管路占据的体积相关的缺点。为这些管路寻找一条通道是很困难的，这是因为在该反推力装置的前框架上只有少量的可用空间。这种技术的另一个缺点在于它采用由于其腐蚀作用及可燃性而具有危险的液体。此外，为探测并纠正这些门的闭锁及卡死而采用压力传感器就不可能了解该反推力装置的性能如何随时间变化，也就不能够预测它的任何退化以及/或者老化。

发明内容

所以，本发明试图通过提出一种紧凑的机电反推力装置来减少这些缺点的影响，该反推力装置能够探测并纠正施加到该反推力装置的力的任何变化以及这些门之间的任何力的差值，以便能够使它们的移位达到精确同步。

为此，本发明提供一个包括两扇门的涡轮喷气发动机(turbojet)反推力装置，每扇门能够借助至少各自的一个控制致动器在该反推力装置的打开位置与关闭位置之间移位，该反推力装置的特征是还包括：两台电机，每台电机为每扇门驱动至少一个控制致动器；每台电机由连接到全权数字引擎控制器(FADEC)的一个电子控制单元加以控制；以及两个伺服控制装置，它们被用于根据确定的位置参考值来控制这些门中相应的那些门的移位，该伺服装置能够根据施加到该反推力装置的力的任何变化以及这两扇门之间的任何力的差值来使这些门被同步移位；其中

该伺服装置包括用于计算施加到该反推力装置的力的变化的装置以及用于补偿该力的变化的装置，该用于计算力的变化的装置包括：用于计算每台电机的旋转速度的时间导数的装置；用于计算为每台电机供电的激励电流的时间导数的装置；以及用于根据每台电机的旋转速度以及激励电流的计算导数来计算施加到该反推力装置的力的变化的装置。

所以，本发明的伺服控制装置能够使施加到该反推力装置的力的任何变化被探测并得到补偿。在探测到这些变化时，本发明能够补偿上述变化以便调节这些门的移位速度。这种补偿的执行方法是通过根据该计算的力的变化来操作施加到每台电机的激励电流。

类似地，该伺服装置的优点是包括用于计算这两扇门之间的力的差值的装置以及用于校正这种力的差值的装置。力的差值是通过比较每台电机的激励电流的导数来计算的。

采用这种方法，本发明的伺服装置还被用来探测该反推力装置的门之间的力的任何差值以便使它们的移位同步。一个力的差值可能导致该反推力装置变形、从而损坏的危险。该伺服控制装置能够使这样一种差值通过操作每台电机的激励电流或者旋转速度而得以校正。

附图说明

从下述参考所附附图给出的说明可以看出本发明的其他特点与优点，这些附图表示一个没有限制性质的实施例。其中：

图1是表示本发明的反推力装置的一个实施例的框图；以及

图2是与图1所示的反推力装置的实施例相关的局部框图。

优选实施例

首先参看图1，它表示本发明的反推力装置的一个实施例。

该反推力装置有两扇门10a与10b，每扇门都能借助至少一个控制致动器12而在该反推力装置的一个打开位置与一个关闭位置之间移位(图1中画了三个致动器，一个中央致动器与两个位于每扇门的两个侧面末端的致动器)。

该反推力装置还包括两台电机14a与14b，每台电机控制各自的一扇门的移位。这些电机经由传输轴16驱动每扇门10a与10b的控制致动器12，这些传输轴使每扇门的控制致动器互相连接。

每台电机14a与14b被直接安装在一个电子控制单元18a与18b上，这些控制单元控制这两扇门的整个移位顺序，并调节该电机的旋转速度。每个电子控制单元18a与18b在电气上被连接到该飞机的一个FADEC 20的两条通道20a与20b中的一条。展开或缩回该反推力装置的命令由该FADEC向电子单元18a与18b发布。也可以将这些电子单元组合到该FADEC之中。

电子控制单元18a与18b的电功率供应经由一条电线22提供，该电线被连接到安装该涡轮喷气发动机的飞机上的电网24。为了向电机14a与14b供电，这些电子控制单元对该电气信号进行转换并使之适配。

控制该反推力装置的门的致动器12属于机电类型。它们经由安装在每个致动器上的齿轮箱26驱动。该反推力装置的门10a与10b的控制关系(速度型控制或者开/关型控制)从这些电子单元经由电机14a与14b、传输轴16以及齿轮箱26被传输到每个控制致动器12。

在控制致动器12中的一个控制致动器上可以提供一个驱动插口28，以使与该控制致动器相连的门能够被手动控制，特别是在对该反推力装置进行维护操作的时候。在图1所示的范例中，中央致动器12在它的齿轮箱26上具有这样一个驱动插口28。由于每扇门的齿轮箱互相连接，所以举例来说，这单个插口就能够使一个负责维护的操作员利用一个单独的把手来打开及/或关闭该反推力装置的门。每扇门的驱动插口28的入口在电气上可以被连接到电子控制单元18a与18b，以便在这种维护运行期间解除电功率的供应来避免该反推力装置的任何不适时的展开。

电子控制单元18a与18b也可以经由一种导线型的电气链接30彼此交换数据。特别是，这两个电子单元之间的这种数据交换能够使来自这两扇门的位置信息被加以比较。为了便于同步这两扇门的移位，还可以提供这两扇门10a与10b之间的一种机械链接32以及使这两扇门的致动器互相连接的一个柔性同步轴34。

该反推力装置具有三个锁定等级，每个等级都能够独立地控制该反推力装置。

一个第一锁定等级由被称为一个主锁定设备的、与该反推力装置的每扇门相连的一个机械闭锁设备36a与36b提供。每个主锁定设备被直接安装在相应的电机14a与14b上。这些主锁定设备36能够使与之相连的门受到控制。举例来说，它们可以是盘式制动器类型或者是借助一个防止该传输轴转动的销钉来达到闭锁的类型。

假设两扇门10a与10b在机械上通过链接32与34相连，那么，门10a与10b中的一扇门的主锁定设备36就对以它作为一个副锁定设备的另一扇门构成一个第二锁定等级。该副锁定设备被设计得能在该主锁定设备故障时经受得住来自这扇门的负荷。所以，如果这些门中的一扇门的锁定设备被认为是该主锁定设备，那么，另一扇门的锁定设备就可以被认为是该副锁定设备，反之亦然。

该第三锁定等级由被称为一个第三锁定设备的相邻锁定设备38提供，它位于门10a与10b中每一扇门或者仅仅一扇门的一个侧面末端。这些第三锁定设备可以被连接到电子单元18a与18b、连接到FADEC 20、以及/或者连接到该飞机的驾驶员座舱。为了提供足够的运行安全性并避免可能的共模，它们最好直接从该飞机驾驶员座舱进行控制。在被连接到该FADEC或者被连接到该飞机驾驶员座舱时，这些第三锁定设备即使在这些电子单元故障的情况下也仍然维持运行。在这些主锁定设备与副锁定设备故障时它们仍然能够承受作用在该反推力装置门上的负荷。

本发明的反推力装置还包括用于根据预定位置参考值来伺服控制门10a与10b中每扇门的移位的装置。这些伺服控制装置能够保证门的移位同步，并同时考虑施加到该反推力装置的、单独在每扇门上监测到的力的任何变化以及在这两扇门之间可能存在的力之间的任何可能差值。

施加到该反推力装置的力在它的门的整个展开与收缩过程中发生变化，所以，每台电机为克服这些力而需要提供的扭矩在门移位的过程中不是固定不变。特别是，施加到该反推力装置的这些力包括空气动力学的力、摩擦力以及由于该反推力装置的可能退化而造成的力。本发明的伺服控制装置能够使这些力中的任何变化受到探测，并使这种变化(如果存在的话)得以补偿。假设每台电机提供的扭矩正比于该电机的激励电流，那么该伺服控制装置就经由伺服控制电路来操作激励电流，以便克服施加到该反推力装置的力，该电路的细节将在后面参考图2加以说明。

FADEC 20经由一个伺服控制电路向该反推力装置提供一个打开及关闭位置参考值。这个位置参考值一经提供，构成每个电子控制单元18a与18b的一部分的一个第一比较器40a与40b就分析FADEC 20发布的位置参考值与每扇门的实际位置之间的差值。举例来说，每扇门的实际位置由位于一个门控制致动器12的出口处的一个位置传感器42来测量。

每个电子控制单元18a与18b都具有一个第一校正器网络44a与44b，只要该反推力装置的每扇门的参考位置与测量位置之间存在一个差值，它就为每台电机14a与14b提供一个参考旋转速度Ω*a与Ω*b。

沿着该伺服控制电路，在该第一校正器网络的下游，一个第二补偿器46a与46b被用来为每台电机14a与14b将该第一校正器网络44a及44b发送的参考旋转速度Ω*a及Ω*b与在每台电机14a及14b的一根旋转轴上测得的实际旋转速度Ωa及Ωb加以比较。举例来说，每台电机的旋转速度Ωa及Ωb由一个旋转变压器48或由一个音轮来测量。

当每台电机的参考旋转速度Ω*a及Ω*b与测量速度Ωa及Ωb之间存在一个差值时，一个第二校正器网络50a与50b被用来计算每台电机的测量旋转速度的时间导数。该速度的这个导数被用来计算施加到该反推力装置的力的任何变化。

只要FADEC 20发布的参考位置与每扇反推力装置门的测量位置之间存在一个差值，每个第二校正器网络就产生一个用于向每台电机14a与14b供电的参考激励电流I*a与I*b。

沿着该伺服控制电路，在第二校正器网络50a与50b的下游，一个第三补偿器52a与52b被用来为每台电机14a与14b将如此产生的参考激励电流I*a及I*b与在每台电机的输入端测得的激励电流Ia及Ib加以比较。举例来说，该电流测量装置可以由各自的电流表夹线头54构成。

当参考激励电流I*a及I*b与测量激励电流Ia及Ib之间存在差值时，一个第三校正器网络56a与56b被用来计算为每台电机测得的激励电流的时间导数。

根据激励电流中这个计算所得的变化，就能够计算施加到该反推力装置的力的任何变化。已知的方法是：

$\left(1\right)---{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{motor}}=J\×\left(\frac{\mathrm{d\Ω}}{\mathrm{dt}}\right)+{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{resist}}$

其中：Γ_motor表示由每台电机提供的扭矩；J是一个与该反推力装置的总体机械惯量相应的常数；dΩ/dt是每台电机的旋转速度的时间导数；而Γ_resist代表由施加到该反推力装置的力产生的反向扭矩。

在计算装置58a与58b中取式(1)的时间导数，就能够计算施加到该反推力装置上的力的任何变化(相当于dΓ_resist/dt)。式(1)的时间导数被写成：

$\left(2\right)---\frac{d{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{motor}}}{\mathrm{dt}}=J\×\left(\frac{d^2\mathrm{\Ω}}{{\mathrm{dt}}^2}\right)+\left(\frac{d{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{resist}}}{\mathrm{dt}}\right)$

其中：每台电机14a与14b提供的电机扭矩的导数(dΓ_motor/dt)正比于为该电机供电的测量激励电流Ia与Ib的导数(这些电流的导数由第三校正器网络56a与56b计算)；该反推力装置的机械惯量是一个预先估算的常数；而电机的加速度d²Ω/dt²通过在该第二校正器网络50a与50b中计算该速度的导数来求取。

一旦以这种方法算出施加到该反推力装置的力的变化，每扇门的电机14a与14b就必须提供能够克服这种力的驱动扭矩。假设一台电机提供的扭矩正比于为该电机供电的激励电流，那么只要对该激励电流施加校正作用就会使该电机提供用于克服这些力的扭矩。这个作用由计算装置58a与58b计算，并被施加到每个电子控制单元18a与18b的第三补偿器52a与52b。

此外，符合本发明的、用于伺服控制该反推力装置的门的移位的装置还探测并纠正这两扇门之间的力的任何差值。在力中可能存在这样一个差值。在这种情况下，施加到两扇门的力是不同的，而且可能出现扭曲并从而损坏该反推力装置的危险。所以，重要的是比较为每台电机14a与14b供电的激励电流Ia与Ib以便修正施加到一台电机的速度参考值Ω*a与Ω*b或者电流参考值I*a与I*b来使它变慢(或使它加速)。这种方法被用来减少这两扇门之间的位置差值，从而有利于同步这些门的移位并降低任何使该反推力装置扭曲的危险。

从上述式(2)出发，并假设每台电机提供的电机扭矩(Γ_motor)正比于它的激励电流(即I＝k×Γ_motor)，那么就能够推知，每台电机的激励电流的时间导数可以被写成：

$\left(3\right)---\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}=k\×[J\×\left(\frac{d^2\mathrm{\Ω}}{d{t}^2}\right)+\left(\frac{d{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{resist}}}{\mathrm{dt}}\right)]$

此外，假设为了保证该反推力装置的门被同步移位而使两台电机14a与14b以实际相同的旋转速度运行，那么就可以推知：

$\left(4\right)---k\×[J\×\left(\frac{d^2\mathrm{\Ωa}}{{\mathrm{dt}}^2}\right)]\≈k\×[J\×\left(\frac{d^2\mathrm{\Ωb}}{{\mathrm{dt}}^2}\right)]$

从而，通过比较每台电机的激励电流的导数，并将式(3)与(4)加以组合就得到下式：

${\left(\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}\right)}_a-{\left(\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}\right)}_b\≈k\×[{\left(\frac{d{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{resist}}}{\mathrm{dt}}\right)}_a-{\left(\frac{d{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{resist}}}{\mathrm{dt}}\right)}_b]$

其中(dΓ_resist/dt)_a与(dΓ_resist/dt)_b代表施加到该反推力装置的每扇门上的力的变化。

结果，通过比较这些电机的激励电流的导数，就能够确定该反推力装置的两扇门之间的任何力的差值。所以，如果不同的力被施加到这些门上，就能够探测该差值。每个激励电流导数由每个电子控制单元18a与18b中相应的第三校正器网络56a与56b计算，而比较则由一个比较器60进行。

当以这种方法探测到这两扇门之间的一个力的差值时，必须将希望的校正作用施加到这两扇门中的一扇或两扇。举例来说，该校正作用可以包括完全停止该反推力装置系统、或者使这些门倒转、或者使这些门倒转几厘米再在该当初希望的方向上重新启动它们。究竟执行何种校正作用由该吊舱制造商自由选择。也能够考虑让这些门立即继续运动。

该校正作用可以经由每个电子控制单元的第二比较器网络46a与46b在伺服控制这些电机的旋转速度的回路中执行。它也可以经由第三比较器网络52a与52b在伺服控制这些电机的激励电流的回路中执行(见图2中的点划线)。

所以，每个电子控制单元18a与18b提供相应的门10a与10b的位置的回路调节，从而能够在考虑施加到该反推力装置的力的任何变化以及该反推力装置的两扇门之间的力的任何差值的每种情况下，在这些门的移位中根据FADEC 20发布的参考值来获得精确同步。

在对用于伺服控制每扇门的移位的装置所作的上述说明中，各种比较器(40a与40b、46a与46b、52a与52b)以及各种校正器网络(44a与44b、50a与50b、56a与56b)都按照常规软件的形式来实现，而且由该软件处理的数据(旋转速度与激励)都按照数字形式加以处理。类似地，用于比较该激励电流导数的计算装置58a与58b以及比较器60也以软件形式来实现。在本发明中采用软件来伺服控制这些门的移位为实现用于伺服控制速度及激励电流的回路提供了更大的灵活性。

所以，本发明具有许多优点，特别是具有探测及纠正施加到该反推力装置的任何可能的力的差值来避免它的任何扭曲的能力。故而，这种功能使该反推力装置受到保护以便保持它的完整性，特别是在出现问题的时候。通过计算反向扭矩，也能够探测该反推力装置的可能锁定或卡死。此外，计算该反向扭矩揭示了该反推力装置如何随时间变化，这样就能够预测它的任何退化以及/或者老化。更普遍地讲，本发明能够改进该反推力装置的安全性。

Claims (9)

1、一个涡轮喷气发动机反推力装置，包括两扇门(10a、10b)，每扇门都能够借助至少各自的一个控制致动器(12)在该反推力装置的打开位置与关闭位置之间移位，该反推力装置的特征是还包括：

-两台电机(14a、14b)，每台电机为每扇门驱动上述至少一个控制致动器；每台电机由连接到全权数字引擎控制器(20)的一个电子控制单元(18a、18b)控制；以及

-两个伺服控制装置，它们被用于根据确定的位置参考值来控制上述门中相应的那些门的移位，上述伺服控制装置能够使上述的门根据施加到该反推力装置的力的任何变化以及根据这两扇门之间的任何力的差值而被同步移位；

其中，上述伺服控制装置包括：

用于计算施加到该反推力装置的力的变化的装置，该用于计算力的变化的装置包括：

-用于计算上述电机中每台电机的旋转速度(Ωa、Ωb)的时间导数的装置(50a、50b)；

-用于计算为上述电机中每台电机供电的激励电流(Ia、Ib)的时间导数的装置(56a、56b)；以及

-用于根据上述电机中每台电机的旋转速度及激励电流的上述计算导数来计算施加到该反推力装置的力的变化的装置(58a、58b)；以及

用于补偿上述力的变化的装置。

2、如权利要求1的反推力装置，其特征是，上述用于补偿该反推力装置的上述力的变化的装置包括用于操作每台电机的激励电流的装置(58a、58b)。

3、如权利要求1或2的反推力装置，其特征是，上述伺服控制装置包括用于计算这两扇门之间的一个力的差值的装置，以及用于校正上述力的差值的装置。

4、如权利要求3的反推力装置，其特征是，上述用于计算这两扇门之间的上述力的差值的装置包括：

-用于计算为上述电机中的每台电机供电的激励电流(Ia、Ib)的时间导数的装置(56a、56b)；

-用于比较上述电机的激励电流的上述导数的装置(60)；以及

-用于根据这些电机的激励电流的导数的上述比较来计算上述力的差值的装置(60)。

5、如权利要求3的反推力装置，其特征是，上述用于校正该力的差值的装置包括用于操作上述电机中每台电机的激励电流或者旋转速度的装置(60)。

6、如权利要求1的反推力装置，其特征是，该伺服控制装置包括用于测量这些电机(14a、14b)中每台电机的旋转速度(Ωa、Ωb)的装置(48)以及用于测量为上述电机中每台电机供电的激励电流(Ia、Ib)的装置。

7、如权利要求1或2的反推力装置，其特征是，该伺服控制装置还包括用于根据每扇门(10a、10b)的实际位置与由上述全权数字引擎控制器提供的参考位置之间的差值来为上述电机中每台电机产生一个参考旋转速度(Ω^*a、Ω^*b)以及一个参考激励电流(I^*a、I^*b)的装置(44a、44b、50a、50b)。

8、如权利要求7的反推力装置，其特征是，该伺服控制装置还包括用于测量上述门的实际位置的装置(42)。

9、一种具有如前述权利要求中任一项的反推力装置的涡轮喷气发动机。