ES2935364T3

ES2935364T3 - Generación de energía eléctrica en condiciones de alto empuje

Info

Publication number: ES2935364T3
Application number: ES20176767T
Authority: ES
Inventors: Caroline Turner
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2019-06-12
Filing date: 2020-05-27
Publication date: 2023-03-06
Anticipated expiration: 2040-05-27
Also published as: US20200392903A1; EP3751116B1; EP3751116A1; GB201908375D0; CN112081666A; CN112081666B; GB2584696A

Abstract

Un motor de turbina de gas (101) para una aeronave comprende un carrete de alta presión (HP) que comprende un compresor HP (105) y una primera máquina eléctrica (117) accionada por una turbina HP (107), la primera máquina eléctrica (117) tener una primera potencia máxima de salida; un carrete de baja presión (LP) que comprende un compresor LP (104) y una segunda máquina eléctrica (119) accionada por una turbina LP (108), teniendo la segunda máquina eléctrica (119) una segunda potencia máxima de salida; un sistema de combustión (106) que comprende una unidad dosificadora de combustible; y un controlador de motor (123) configurado para identificar una condición en la que el motor (101) está en un modo de operación de despegue máximo o un modo de operación de ascenso máximo y, en respuesta a una demanda de energía eléctrica que está entre cero y la segunda potencia máxima de salida, (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Generación de energía eléctrica en condiciones de alto empuje

Campo técnico

Esta descripción se refiere a los motores de la turbina de gas.

Antecedentes

Los motores de la turbina de gas con máquinas eléctricas que operan como motores y generadores se conocen, como los que se usan para la aeronave más eléctrica. Si bien tales motores pueden incluir una pluralidad de tales máquinas eléctricas por redundancia, solo se acoplan a uno de los carretes. Por ejemplo, una configuración conocida incluye tales máquinas eléctricas acopladas al carrete de alta presión de un turboventilador doble. Otro incluye tales máquinas eléctricas acopladas al carrete de presión intermedia de un turboventilador de triple carrete.

Un problema con tal configuración es que, para una demanda de energía eléctrica determinada, no hay más remedio que suplirla desde el único carrete del motor. Por tanto, el diseño de la turbomaquinaria debe ser capaz de adaptarse a todas las posibles demandas de energía eléctrica en todo el entorno operativo, lo que inevitablemente conduce a un compromiso.

Por lo tanto, se ha propuesto incluir una máquina eléctrica en dos o más ejes de un motor de múltiples carretes. Si bien numerosos documentos presentan candidatos para las implementaciones físicas óptimas de tal arquitectura, pocos hacen referencia a la estrategia de control óptima para operar tales configuraciones.

La publicación de solicitud de patente europea EP 2733312 A1 describe un método para aumentar la eficiencia operativa de un motor de turbina de gas en funcionamiento. El método incluye: suministrar energía mecánica desde un primer carrete del motor de turbina de gas en funcionamiento a una primera máquina eléctrica para generar energía eléctrica utilizando la primera máquina eléctrica y suministrar energía mecánica desde un segundo carrete del motor de turbina de gas en funcionamiento a una segunda máquina eléctrica para generar así energía eléctrica utilizando la segunda máquina eléctrica. El método incluye además detectar uno o más parámetros operativos del motor de turbina de gas en funcionamiento y, en base a uno o más parámetros operativos detectados, dejar de generar energía eléctrica utilizando la segunda máquina eléctrica y, en su lugar, suministrar al menos una parte de la energía eléctrica generada por la primera máquina eléctrica a la segunda máquina eléctrica para operar en modo motor y así generar y suministrar energía de salida mecánica al segundo carrete del motor.

La publicación de solicitud de patente internacional WO 2014/143218 A1 describe un motor de turbina de gas con una primera y segunda máquinas eléctricas en comunicación mecánica con los carretes de HP y LP del motor, un sistema eléctrico configurado para suministrar energía en paralelo a los primeros y segundos buses eléctricos. y un sistema de almacenamiento de energía.

La publicación de solicitud de patente estadounidense US 2018/216526 A1 describe un método para hacer funcionar un motor de turbina de gas. El motor de turbina de gas incluye al menos un carrete de alta presión y un carrete de baja presión. El método incluye hacer que se extraiga energía eléctrica desde el carrete de alta presión y el carrete de baja presión hacia un sistema de distribución de energía; determinar un evento de ajuste de energía asociado con el carrete de alta presión; e iniciar una operación de asistencia de energía para redirigir la energía eléctrica al carrete de alta presión basándose, al menos en parte, en el evento de ajuste de energía.

La publicación de solicitud de patente internacional WO 2006/023981 A1 describe un método para coordinar el funcionamiento del motor con la extracción de energía eléctrica. El método incluye: recibir un comando para la reducción de la energía de salida de un motor; esperar hasta que ocurra un evento predeterminado para solicitar la reducción de la energía de salida del motor; reducir o apagar completamente al menos una carga aplicada a un generador de carrete de alta velocidad conectado a un carrete de alta velocidad del motor; reducir la reducción de la energía de salida del motor; y cambiar la extracción de energía del generador de carrete de alta velocidad a un generador de carrete de baja velocidad conectado a un carrete de baja velocidad del motor.

Resumen

En un aspecto, se proporciona un motor de turbina de gas para una aeronave, que comprende:

un carrete de alta presión (HP) que comprende un compresor de HP y una primera máquina eléctrica accionada mediante una turbina de HP, teniendo la primera máquina eléctrica una primera energía máxima de salida;

un carrete de baja presión (LP) que comprende un compresor de LP y una segunda máquina eléctrica accionada mediante una turbina de LP, teniendo la segunda máquina eléctrica una segunda energía máxima de salida;

un sistema de combustión que comprende una unidad de medición de combustible; y

un controlador de motor configurado para identificar una condición en el sentido de que el motor está en un modo de operación de despegue máximo o un modo de operación de ascenso máximo, y: en respuesta a una demanda de energía eléctrica que está entre cero y la segunda energía máxima de salida, extrayendo únicamente energía eléctrica de la segunda máquina eléctrica para satisfacer la demanda de energía eléctrica; en respuesta en respuesta a una demanda de energía eléctrica que se encuentra entre la segunda energía máxima de salida y la suma de la primera energía máxima de salida y la segunda energía máxima de salida, extrayendo la segunda energía máxima de salida de la segunda máquina eléctrica y el resto de la demanda energía eléctrica de la primera máquina eléctrica.

En otro aspecto, se proporciona un método para hacer funcionar un motor de turbina de gas para una aeronave del tipo que tiene:

un carrete de alta presión (HP) que comprende un compresor de HP y una primera máquina eléctrica accionada por una turbina de HP, teniendo la primera máquina eléctrica una primera energía máxima de salida;

un carrete de baja presión (LP) que comprende un compresor de LP y una segunda máquina eléctrica accionada por una turbina de LP, teniendo la segunda máquina eléctrica una segunda energía máxima de salida;

un sistema de combustión que comprende una unidad de medición de combustible;

comprendiendo el método:

identificar una condición en el sentido de que el motor está en un modo de operación de despegue máximo o en un modo de operación de ascenso máximo;

en respuesta a una demanda de energía eléctrica que está entre cero y la segunda energía máxima de salida, extraer energía eléctrica de la segunda máquina eléctrica únicamente para satisfacer la demanda de energía eléctrica; en respuesta a una demanda de energía eléctrica que se encuentra entre la segunda energía máxima de salida y la suma de la primera energía máxima de salida y la segunda energía máxima de salida, extrayendo la segunda energía máxima de salida de la segunda máquina eléctrica y el resto de la demanda de energía eléctrica de la primera máquina eléctrica.

Breve descripción de los dibujos

Las modalidades se describirán ahora a manera de ejemplo únicamente con referencia a los dibujos adjuntos, que son puramente esquemáticos y no están a escala, y en los que:

La Figura 1 muestra una disposición general de un motor para una aeronave;

La Figura 2 es un diagrama de bloques del motor de la Figura 1;

La Figura 3 es un diagrama de bloques de la interfaz del controlador electrónico del motor y otros sistemas en el motor de la Figura 1;

La Figura 4 es un diagrama de bloques de los módulos funcionales del controlador de energía en el controlador electrónico del motor de la Figura 3;

La Figura 5 es un diagrama de bloques de los módulos funcionales del clasificador en el controlador de energía de la Figura 4;

La Figura 6 muestra un procedimiento para optimizar la operación del motor de la Figura 1 durante las condiciones de ascenso máximo o despegue máximo;

La Figura 7 muestra un procedimiento para optimizar la operación del motor de la Figura 1 en condiciones en las que la turbina de baja presión no está obstruida;

La Figura 8 muestra un procedimiento para optimizar la operación del motor de la Figura 1 durante una aproximación a la condición de inactividad;

La Figura 9 muestra una característica de un compresor de flujo axial;

Las Figuras 10Ay 10B muestran las líneas de trabajo transitorias para, respectivamente, un compresor de alta presión y un compresor de baja presión;

Las Figuras 11Ay 11B muestran las líneas de trabajo transitorias para, respectivamente, un compresor de alta presión y un compresor de baja presión donde se implementa el control de la entrada y/o salida de la energía;

La Figura 12 muestra un procedimiento para optimizar la operación del motor de la Figura 1 durante un evento de aceleración;

La Figura 13 muestra un gráfico de la relación aire-combustible frente al flujo de masa en una cámara de combustión para diferentes condiciones de operación;

La Figura 14 muestra un procedimiento para optimizar la operación del motor de la Figura 1 durante un evento de desaceleración;

Las Figuras 15A y 15B muestran, respectivamente, un aumento en la demanda de energía eléctrica, y la línea de trabajo transitoria correspondiente para el compresor en el mismo carrete que el motor-generador que satisface dicha demanda de energía;

Las Figuras 16A y 16B muestran, respectivamente, un aumento en la demanda de energía eléctrica, y la línea de trabajo transitoria correspondiente para el compresor en el mismo carrete que el motor-generador que satisface dicha demanda de energía con la asistencia de un sistema de almacenamiento de energía;

La Figura 17 muestra un procedimiento para optimizarla operación del motor de la Figura 1 en el caso de un aumento en la demanda de energía eléctrica;

Las Figuras 18A y 18B muestran características para, respectivamente, un compresor de alta presión y un compresor de baja presión y el movimiento del punto de operación cuando la energía del eje se transfiere desde el carrete de baja presión al carrete de alta presión;

La Figura 19 muestra un procedimiento para optimizar la toma y/o transferencia de energía para aumentar el margen de sobretensión;

Las Figuras 20A y 20B muestran características para, respectivamente, un compresor de alta presión y un compresor de baja presión y el movimiento del punto de operación cuando la energía del eje se transfiere desde el carrete de alta presión al carrete de baja presión;

La Figura 21 muestra un procedimiento para optimizar la absorción y/o transferencia de energía para aumentar la eficiencia de la compresión; y

La Figura 22 muestra un procedimiento para implementar una función de limitador de velocidad.

Descripción detallada

La presente invención se describe en el contexto de arquitecturas de motores turboventiladores con engranajes y dos carretes. Sin embargo, será evidente para los expertos en la técnica que los principios de la presente invención pueden aplicarse a otros tipos de motores, incluidas las turbinas de gas con dos o más carretes, tales como turboventiladores de accionamiento directo, turbopropulsores o motores de rotor abierto.

Figuras 1 y 2

En la Figura 1 se muestra una disposición general de un motor 101 para una aeronave, y en la Figura 2 se presenta un diagrama de bloques equivalente de los componentes principales del mismo.

En la presente modalidad, el motor 101 es un turboventilador y, por tanto, comprende un ventilador 102 conducido que recibe el aire de entrada A y genera dos flujos de aire: un flujo de derivación B que pasa axialmente a través de un conducto de derivación 103 y un flujo del núcleo C que entra en un núcleo de la turbina de gas.

El núcleo de la turbina de gas comprende, en la serie de flujo axial, un compresor de baja presión 104, un compresor de alta presión 105, una cámara de combustión 106, una turbina de alta presión 107 y una turbina de baja presión 108.

En uso, el flujo del núcleo C se comprime por el compresor de baja presión 104 y luego se dirige al compresor de alta presión 105 donde tiene lugar una compresión adicional. El aire comprimido que sale del compresor de alta presión 105 se dirige a la cámara de combustión 106 donde se mezcla con combustible y la mezcla se combustiona. Los productos de combustión calientes resultantes luego se expanden a través de, y de esta manera accionan, la turbina de alta presión 107 y, a su vez, la turbina de baja presión 108 antes de agotarse para proporcionar una pequeña proporción del empuje total.

La turbina de alta presión 107 acciona el compresor de alta presión 105 a través de un eje de interconexión 109. La turbina de baja presión 108 acciona el compresor de baja presión 104 a través de un eje de interconexión 110. Juntos, el compresor de alta presión 105, el eje de interconexión 109 y la turbina de alta presión 107 forman parte de un carrete de alta presión del motor 101. De manera similar, el compresor de baja presión 104, el eje de interconexión 110 y la turbina de baja presión 108 forman parte de un carrete de baja presión del motor 101.

El ventilador 102 se impulsa por la turbina de baja presión 101 a través de una caja de engranaje de reducción en forma de una caja de engranaje epicicloidal 111 de configuración planetaria. Por tanto, además del compresor de baja presión 104, el eje de interconexión 110 también se conecta con un engranaje solar 112 de la caja de engranaje 111.

El engranaje solar 112 se enmalla con una pluralidad de engranajes planetarios 113 ubicados en un portador giratorio 114, cuyos engranajes planetarios 113 a su vez se enmallan con una corona dentada 115 estática. El portador giratorio 114 se conecta con el ventilador 102 a través de un eje de ventilador 116.

Sin embargo, se apreciará que puede proporcionarse un número diferente de engranajes planetarios, por ejemplo, tres engranajes planetarios, o seis, o cualquier otro número adecuado. Además, se apreciará que en modalidades alternativas puede usarse en su lugar una caja de engranaje epicíclica de configuración en estrella.

Con el fin de facilitar la generación eléctrica mediante el motor 101, una primera máquina eléctrica 117 capaz de operar tanto como motor como generador (en adelante, "motor-generador de HP") forma parte del carrete de alta presión y, por tanto, se conecta con el eje de interconexión 109 para recibir el accionamiento del mismo. En la presente modalidad, esto se implementa mediante el uso de una disposición de torre-eje del tipo conocido. En modalidades alternativas, el motor-generador de HP 117 puede montarse coaxialmente con la turbomaquinaria en el motor 101. Por ejemplo, el motor-generador de HP 117 puede montarse axialmente en línea con el conducto 118 entre los compresores de baja y alta presión.

De manera similar, una segunda máquina eléctrica 119 capaz de operar tanto como motor como generador (en lo sucesivo, "motor-generador de LP") forma parte del carrete de baja presión y, por tanto, se conecta con el eje de interconexión 110 para recibir accionamiento del mismo. En la presente modalidad, el motor-generador de LP 119 se monta en el cono de cola 120 del motor 101 coaxialmente con la turbomaquinaria. En modalidades alternativas, el motor-generador de LP 119 puede ubicarse axialmente en línea con el compresor de baja presión 104, que puede adoptar una configuración de disco o tambor de paletas para proporcionar espacio para el motor-generador de LP 119.

Por supuesto, los expertos en la técnica apreciarán que puede adoptarse cualquier ubicación adecuada para los motores-generadores de HP y de LP.

En la presente modalidad, los motores-generadores de HP y de LP son motores-generadores del tipo de imán permanente. Por tanto, los rotores de las máquinas comprenden imanes permanentes para la generación de campos magnéticos para la interacción con los embobinados del estator. La extracción de energía o la aplicación de energía a los embobinados se realiza mediante un módulo de electrónica de energía (PEM) 121. En la presente modalidad, el PEM 121 se monta en la caja del ventilador 122 del motor 101, pero se apreciará que puede montarse en otro lugar, como en el núcleo de la turbina de gas, o en el vehículo al que se acopla el motor 101, por ejemplo.

El control del PEM 121 y del motor-generador de HP y LP se realiza en el presente ejemplo mediante un controlador electrónico del motor (EEC) 123. En la presente modalidad, el EEC 123 es un controlador digital del motor de plena autoridad (FADEC), cuya configuración será conocida y comprendida por los expertos en la técnica. Por lo tanto, controla todos los aspectos del motor 101, es decir, tanto del núcleo de la turbina de gas como de los motoresgeneradores 117 y 119. De esta manera, el EEC 123 puede responder de manera integral tanto a la demanda de empuje como a la demanda de energía eléctrica.

Se describirá una modalidad del sistema general con referencia a la Figura 3, y la arquitectura del software de control se describirá con referencia a las Figuras 4 y 5. Las diversas estrategias de control implementadas en respuesta a diversos fenómenos operativos del motor se describirán con referencia a las Figuras 6 a 22.

Varias modalidades del motor 101 pueden incluir una o más de las siguientes características.

Se apreciará que en lugar de ser un turboventilador que tiene una disposición de ventilador de conductos, el motor 101 puede ser un turbohélice que comprende una hélice para producir empuje.

Los compresores de baja y alta presión 104 y 105 pueden comprender cualquier número de etapas, por ejemplo, múltiples etapas. Cada etapa puede comprender una hilera de aspas del rotor y una hilera de paletas del estator, que pueden ser paletas del estator variables (en el sentido de que su ángulo de incidencia puede ser variable). Además de, o en lugar de, las etapas axiales, los compresores de baja o alta presión 104 y 105 pueden comprender etapas de compresión centrífuga.

Las turbinas de baja y alta presión 107 y 108 también pueden comprender cualquier número de etapas.

El ventilador 102 puede tener cualquier número deseado de aspas del ventilador, por ejemplo, 16, 18, 20 o 22 aspas de ventilador.

Cada aspa del ventilador puede definirse como teniendo una separación radial que se extiende desde una raíz (o cubo) en una ubicación radialmente interna lavada con gas, o posición de separación del 0 por ciento, hasta una punta en una posición de separación del 100 por ciento. La relación entre el radio del aspa del ventilador en el cubo y el radio del aspa del ventilador en la punta, la relación cubo-punta, puede ser menor que (o del orden de) cualquiera de: 0,4, 0,39, 0,38, 0,37, 0,36, 0,35, 0,34, 0,33, 0,32, 0,31,0,3, 0,29, 0,28, 0,27, 0,26, o 0,25. La relación cubo-punta puede estar en un intervalo inclusivo limitado por dos cualesquiera de los valores antes mencionados (es decir, los valores pueden formar límites superiores o inferiores). La relación cubo-punta puede medirse en la parte del borde delantero (o axialmente más adelante) del aspa. La relación cubo-punta se refiere, por supuesto, a la porción del aspa del ventilador lavada con gas, es decir, la parte radialmente fuera de cualquier plataforma.

El radio del ventilador 102 puede medirse entre la línea central del motor y la punta de un aspa del ventilador en su borde delantero. El diámetro del ventilador puede ser mayor que (o del orden de) cualquiera de: 2,5 metros (alrededor de 100 pulgadas), 2,6 metros, 2,7 metros (alrededor de 105 pulgadas), 2,8 metros (alrededor de 110 pulgadas), 2,9 metros (alrededor de 115 pulgadas), 3 metros (alrededor de 120 pulgadas), 3,1 metros (alrededor de 122 pulgadas), 3,2 metros (alrededor de 125 pulgadas), 3,3 metros (alrededor de 130 pulgadas), 340 cm (alrededor de 135 pulgadas), 3,5 metros (alrededor de 138 pulgadas), 3,6 metros (alrededor de 140 pulgadas), 3,7 metros (alrededor de 145 pulgadas), 3,8 metros (alrededor de 150 pulgadas) o 3,9 metros (alrededor de 155 pulgadas). El diámetro del ventilador puede estar en un intervalo inclusivo delimitado por dos de los valores mencionados (es decir, los valores pueden formar límites superiores o inferiores).

La velocidad de rotación del ventilador 102 puede variar durante el uso. Generalmente, la velocidad de rotación es menor para ventiladores de mayor diámetro. Simplemente por medio del ejemplo no limitativo, la velocidad de rotación del ventilador en condiciones de travesía puede ser inferior a 2500 rpm, por ejemplo, inferior a 2300 rpm. Simplemente por medio del ejemplo no limitativo adicional, la velocidad de rotación del ventilador 102 en condiciones de travesía para un motor que tiene un diámetro de ventilador en el intervalo de 2,5 metros a 3 metros (por ejemplo, 2,5 metros a 2,8 metros) puede estar en el intervalo de 1700 rpm a 2500 rpm, por ejemplo, en el intervalo de 1800 rpm a 2300 rpm, o, por ejemplo, en el intervalo de 1900 rpm a 2100 rpm. Simplemente por medio del ejemplo no limitativo adicional, la velocidad de rotación del ventilador en condiciones de travesía para un motor que tiene un diámetro de ventilador en el intervalo de 3,2 metros a 3,8 metros puede estar en el intervalo de 1200 rpm a 2000 rpm, por ejemplo, en el intervalo de 1300 rpm a 1800 rpm, por ejemplo, en el intervalo de 1400 rpm a 1600 rpm.

Durante el uso del motor 101, el ventilador 102 (con sus aspas de ventilador asociadas) gira alrededor de un eje de rotación. Esta rotación da como resultado que la punta del aspa del ventilador se mueva con una velocidad Upunta. El trabajo realizado por las aspas del ventilador sobre el flujo da como resultado un aumento de la entalpía dH del flujo. Una carga de punta del ventilador puede definirse como dH/Upunta2, donde dH es el aumento de la entalpía (por ejemplo, el aumento de la entalpía promedio unidimensional) a través del ventilador y Upunta es la velocidad (de traslación) de la punta del ventilador, por ejemplo, en el borde delantero de la punta (que puede definirse como el radio de la punta del ventilador en el borde delantero multiplicado por la velocidad angular). La carga de la punta del ventilador en condiciones de travesía puede ser mayor que (o del orden de) cualquiera de: 0,3, 0,31, 0,32, 0,33, 0,34, 0,35, 0,36, 0,37, 0,38, 0,39 o 0,4 (todas las unidades en este párrafo son Jkg'1K'1/(ms'1)2). La carga de la punta del ventilador puede estar en un intervalo inclusivo delimitado por dos de los valores de la oración anterior (es decir, los valores pueden formar límites superiores o inferiores).

El motor 101 puede tener cualquier relación de derivación deseada, donde la relación de derivación se define como la relación del régimen de flujo de masa del flujo B a través del conducto de derivación al régimen de flujo de masa del flujo C a través del núcleo en condiciones de travesía. Dependiendo de la configuración seleccionada, la relación de derivación puede ser mayor que (o del orden de) cualquiera de los siguientes: 10, 10,5, 11, 11,5, 12, 12,5, 13, 13,5, 14, 14,5, 15, 15,5, 16, 16,5, o 17. La relación de derivación puede estar en un intervalo inclusivo limitado por dos cualesquiera de los valores antes mencionados (es decir, los valores pueden formar límites superiores o inferiores). El conducto de derivación puede ser sustancialmente anular. El conducto de derivación puede estar radialmente fuera del núcleo del motor 103. La superficie exterior del conducto de derivación radialmente puede estar definida por una góndola y/o una caja de ventilador.

La relación de presión global del motor 101 puede definirse como la relación entre la presión de estancamiento corriente arriba del ventilador 102 y la presión de estancamiento a la salida del compresor de alta presión 105 (antes de la entrada a la cámara de combustión). Por medio del ejemplo no limitativo, la relación de presión global del motor 101 en la travesía puede ser mayor que (o del orden de) cualquiera de los siguientes: 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75. La relación de presión global puede estar en un intervalo inclusivo limitado por dos cualesquiera de los valores mencionados anteriormente (es decir, los valores pueden formar límites superiores o inferiores).

El empuje específico del motor 101 puede definirse como el empuje neto del motor dividido por el flujo de masa total a través del motor 101. En condiciones de travesía, el empuje específico del motor 101 puede ser menor que (o del orden de) cualquiera de los siguientes: 110 Nkg-1s, 105 Nkg-1s, 100 Nkg-1s, 95 Nkg-1s, 90 Nkg-1s, 85 Nkg-1s, o 80 Nkg-1s. El empuje específico puede estar en un intervalo inclusivo delimitado por dos de los valores de la oración anterior (es decir, los valores pueden formar límites superiores o inferiores). Tales motores pueden ser particularmente eficientes en comparación con los motores de la turbina de gas convencionales.

El motor 101 puede tener cualquier empuje máximo deseado. Por ejemplo, el motor 101 puede ser capaz de producir un empuje máximo de al menos (o del orden de) cualquiera de los siguientes: 160 kilonewtons, 170 kilonewtons, 180 kilonewtons, 190 kilonewtons, 200 kilonewtons, 250 kilonewtons, 300 kilonewtons, 350 kilonewtons, 400 kilonewtons, 450 kilonewtons, 500 kilonewtons o 550 kilonewtons. El empuje máximo puede estar en un intervalo inclusivo limitado por dos cualesquiera de los valores antes mencionados (es decir, los valores pueden formar límites superiores o inferiores). El empuje mencionado anteriormente puede ser el empuje neto máximo en condiciones atmosféricas estándar al nivel del mar más 15 grados Celsius (presión ambiente 101,3 kilopascales, temperatura 30 grados Celsius), con el motor 101 estático.

En uso, la temperatura del flujo a la entrada de la turbina de alta presión 107 puede ser particularmente alta. Esta temperatura, que puede denominarse temperatura de entrada a la turbina o TET, puede medirse a la salida de la cámara de combustión 106, por ejemplo, inmediatamente corriente arriba de la primera paleta de turbina, que a su vez puede denominarse paleta de guía de tobera. En la travesía, la TET puede ser al menos (o del orden de) cualquiera de los siguientes: 1400 kelvin, 1450 kelvin, 1500 kelvin, 1550 kelvin, 1600 kelvin o 1650 kelvin. La TET en la travesía puede estar en un intervalo inclusivo limitado por dos cualesquiera de los valores antes mencionados (es decir, los valores pueden formar límites superiores o inferiores). La TET máxima en uso del motor 101 puede ser, por ejemplo, al menos (o del orden de) cualquiera de los siguientes: 1700 kelvin, 1750 kelvin, 1800 kelvin, 1850 kelvin, 1900 kelvin, 1950 kelvin o 2000 kelvin. La TET máxima puede estar en un intervalo inclusivo limitado por dos cualesquiera de los valores mencionados anteriormente (es decir, los valores pueden formar límites superiores o inferiores). La TET máxima puede ocurrir, por ejemplo, en una condición de alto empuje, por ejemplo, en una condición de despegue máximo (MTO).

Un aspa de ventilador y/o una porción del perfil aerodinámico de un aspa del ventilador descrita y/o reivindicada en la presente descripción puede fabricarse a partir de cualquier material o combinación de materiales adecuados. Por ejemplo, al menos una parte del aspa del ventilador y/o el perfil aerodinámico puede fabricarse al menos en parte a partir de un compuesto, por ejemplo, un compuesto de matriz de metal y/o un compuesto de matriz orgánica, tal como fibra de carbono. Por medio del ejemplo adicional, al menos una parte del aspa del ventilador y/o el perfil aerodinámico puede fabricarse al menos en parte de un metal, como un metal a base de titanio o un material a base de aluminio (como una aleación de aluminio-litio) o un material a base de acero. El aspa del ventilador puede comprender al menos dos regiones fabricadas mediante el uso de diferentes materiales. Por ejemplo, el aspa del ventilador puede tener un borde delantero protector, que puede fabricarse mediante el uso de un material que sea más capaz de resistir el impacto (por ejemplo, de aves, hielo u otro material) que el resto de la paleta. Un borde delantero de este tipo puede fabricarse, por ejemplo, mediante el uso de titanio o una aleación a base de titanio. Por tanto, simplemente a manera de ejemplo, el aspa del ventilador puede tener un cuerpo de fibra de carbono o de aluminio con un borde delantero de titanio.

El ventilador 102 puede comprender una porción del cubo central, desde la que pueden extenderse las aspas del ventilador, por ejemplo, en una dirección radial. Las aspas del ventilador pueden unirse a la porción central de cualquier manera deseada. Por ejemplo, cada aspa de ventilador puede comprender un accesorio que puede acoplar en una ranura correspondiente en el cubo. Simplemente a manera de ejemplo, tal dispositivo puede tener la forma de una cola de milano que puede acoplar y/o encajar en una ranura correspondiente en el cubo/disco para fijar el aspa del ventilador al cubo. Por medio del ejemplo adicional, las aspas del ventilador pueden formarse integralmente con una porción del cubo central. Tal disposición puede ser un disco de aspas o un anillo de aspas. Puede usarse cualquier método adecuado para fabricar tal disco de aspas o anillo de aspas. Por ejemplo, al menos una parte de las aspas del ventilador puede mecanizarse a partir de una palanquilla y/o al menos una parte de las aspas del ventilador puede unirse al cubo/disco mediante soldadura, tal como soldadura por fricción lineal.

El motor 101 puede proporcionarse de una tobera de área variable (VAN). Tal tobera de área variable puede permitir que el área de salida del conducto de derivación sea variada en su uso. Los principios generales de la presente descripción pueden aplicarse a motores con o sin VAN.

Como se usa en la presente, las condiciones de la travesía tienen el significado convencional y el experto en la materia las comprenderá fácilmente. Por tanto, para un motor de turbina de gas dado para una aeronave, la persona experta reconocería inmediatamente que las condiciones de la travesía significan el punto de operación del motor en la mitad de la travesía de una misión dada (que puede denominarse en la técnica como la "misión económica") puede significar las condiciones de la travesía de una aeronave a la que se diseña para acoplarse el motor de turbina de gas. Con respecto a esto, la mitad de la travesía es el punto en el ciclo de vuelo de una aeronave en el que se ha quemado el 50 por ciento del combustible total que se quema entre la cima del ascenso y el inicio del descenso (que puede aproximarse por el punto medio - Tales condiciones de la travesía pueden definirse convencionalmente como las condiciones en la mitad de la travesía, por ejemplo, las condiciones experimentadas por la aeronave y/o el motor en el punto medio (en términos de tiempo y/o distancia) entre la cima del ascenso y el inicio del descenso. Por tanto, las condiciones de la travesía definen un punto de operación del motor de turbina de gas que proporciona un empuje que aseguraría una operación en estado estable (es decir, manteniendo una altitud constante y un número de Mach constante) en la mitad de la travesía de una aeronave a la que se diseña para acoplarse, teniendo en cuenta el número de motores proporcionados a esa aeronave. Por ejemplo, cuando un motor se diseña para acoplarse a una aeronave que tiene dos motores del mismo tipo, en condiciones de travesía, el motor proporciona la mitad del empuje total que se requeriría para la operación en estado estable de esa aeronave a mitad de travesía.

En otras palabras, para un motor de turbina de gas dado para una aeronave, las condiciones de la travesía se definen como el punto de operación del motor que proporciona un empuje específico (requerido para proporcionar, en combinación con cualquiera de los otros motores de la aeronave, la operación en estado estable de la aeronave a la que se diseña para acoplarse a un determinado número de Mach a mitad de la travesía) en las condiciones atmosféricas de mitad de la travesía (definidas por la Atmósfera Estándar Internacional de acuerdo con ISO 2533 en la altitud de mitad de la travesía). Para cualquier motor de turbina de gas para una aeronave, se conocen el empuje a mitad de travesía, las condiciones atmosféricas y el número de Mach, y por tanto el punto de operación del motor en condiciones de travesía se define claramente.

Las condiciones de la travesía pueden corresponder a las condiciones atmosféricas estándar de la ISA a una altitud que se encuentra en el intervalo de 10000 a 15000 metros, tal como de 10 000 a 12 000 metros, o de 10400 a 11 600 metros (alrededor de 38000 pies), o de 10500 a 11500 metros, o de 10600 a 11400 metros, o de 10700 metros (alrededor de 35 000 pies) a 11 300 metros, o de 10800 a 11 200 metros, o de 10900 a 11 100 metros, o 11 000 metros. Las condiciones de la travesía pueden corresponder a las condiciones atmosféricas estándar a cualquier altitud dada en estos intervalos.

La velocidad de avance en la condición de la travesía puede ser cualquier punto en el intervalo de Mach 0,7 a 0,9, por ejemplo, uno de Mach 0,75 a 0,85, Mach 0,76 a 0,84, Mach 0,77 a 0,83, Mach 0,78 a 0,82, Mach 0,79 a 0,81, Mach 0,8, Mach 0,85, o en el intervalo de Mach 0,8 a 0,85. Cualquier velocidad dentro de estos intervalos puede ser la condición de la travesía. Para alguna aeronave, las condiciones de la travesía pueden estar fuera de estos intervalos, por ejemplo, más abajo de Mach 0,7 o por encima de Mach 0,9.

Por tanto, por ejemplo, las condiciones de la travesía pueden corresponder específicamente a una presión de 23 kilopascales, una temperatura de menos 55 grados Celsius y un número de Mach hacia adelante de 0,8.

Por supuesto, se apreciará, sin embargo, que los principios de la invención reivindicados en la presente descripción todavía se pueden aplicar adecuadamente a los motores que tienen características de diseño adecuadas que caen fuera de los intervalos de los parámetros mencionados anteriormente.

Figura 3

En la Figura 3 se muestra un diagrama de bloques de la interfaz del EEC 123 y otros sistemas de motor.

Como se describió anteriormente, en la presente modalidad, el EEC 123 se acopla con el PEM 121 para controlar el motor-generador de HP 117 y el motor-generador de LP 119. De esta manera, se puede extraer o agregar energía a cada uno de los ejes 109 y 110.

En la presente modalidad, el PEM 121 facilita la conversión de la corriente alterna hacia y desde la corriente continua. Esto se logra en la presente modalidad mediante el empleo de un convertidor de energía bidireccional respectivo para la conversión de la CA hacia y desde la CC. Por tanto, como se muestra en la Figura, el PEM 121 comprende un primer convertidor de energía bidireccional 301 conectado con el motor-generador de HP 117, y un segundo convertidor de energía bidireccional 302 conectado con el motor-generador de LP 119. Los lados de dc de los convertidores de energía 301 y 302 están en el presente ejemplo conectados entre sí para facilitar la transferencia de energía bidireccional entre los motores-generadores 117 y 119.

En una modalidad, tanto los motores-generadores como los convertidores de energía bidireccionales asociados se clasifican a la misma energía continua. En una modalidad específica, se clasifican de 250 kilowatts a 2 megawatts. En una modalidad más específica, se clasifican de 300 kilowatts a 1 megawatt. En una modalidad más específica, se clasifican a 350 kilowatts.

En otras modalidades, el motor-generador de HP 117 y el primer convertidor de energía bidireccional 301 se clasifican a una energía continua diferente que el motor-generador de LP 119 y el segundo convertidor de energía bidireccional 302. En una modalidad específica, se clasifican de 250 kilowatts a 2 megawatts. En una modalidad más específica, se clasifican de 350 kilowatts a 1 megawatt. En una modalidad más específica, se clasifican a 350 kilowatts.

Los expertos en la técnica estarán familiarizados con el término "energía continua", es decir, una salida de energía máxima sostenible que no daña los componentes debido a sobrecorriente, sobretensión o sobrecalentamiento, por ejemplo.

En el presente ejemplo, los lados de dc de los convertidores de energía 301 y 302 también se conectan con un canal de dc 303.

En el presente ejemplo, el canal de dc 303 tiene conectadas varias cargas, que pueden ubicarse en el motor 101 o en el vehículo. Algunos, tales como los sistemas anticongelantes 304, pueden ser parte del motor, como los sistemas anticongelantes de góndola eléctrica, o parte de la aeronave en la que se instala el motor 101, tales como los sistemas anticongelantes de alas eléctricas.

Otras cargas pueden conectarse con el canal de dc 303 y ser capaces de extraer energía del bus y suplirla, como un dispositivo de almacenamiento de energía en forma de batería 305. En el presente ejemplo, el control del estado de la carga/descarga de la batería 305 se facilita mediante un convertidor dc-dc 306. Otros dispositivos de almacenamiento de energía pueden conectarse al canal de dc 303, así como también o en lugar de la batería 305, como un capacitor.

Otras cargas, indicadas en 307, pueden conectarse con el canal de dc 303, tales como los sistemas de control ambiental de la cabina, los sistemas de actuación eléctrica, las unidades de energía auxiliar, etc.

En operación, el EEC 123 recibe una pluralidad de señales de demanda, específicamente, una demanda de empuje en forma de una señal de ángulo de la palanca de energía (PLA) que puede establecerse manualmente o mediante un sistema de aceleración automática, y una demanda de energía eléctrica (Po). En adición, la CEE recibe una pluralidad de conjuntos de parámetros medidos, específicamente, un conjunto relativo a los parámetros de vuelo del vehículo, ^ ^aeronave, y un conjunto relativo a los parámetros operativos del motor, I ^motor. Como se describirá además con referencia a las Figuras 4 y 5, estas demandas y parámetros facilitan la derivación de un conjunto de parámetros de salida para controlar el núcleo de la turbina de gas y los motores-generadores.

Por tanto, en adición del conjunto rutinario de parámetros de salida generados por un FADEC, como el flujo de combustible W ^fpara ser medido por una unidad de medición de combustible 308 en el motor 101, o ángulo de paleta de estator variable, manejo de ajustes de purga, etc. en la presente modalidad, el EEC 123 comprende un módulo controlador de energía 309 para generar una señal de control P^hpara el primer convertidor de energía bidireccional 301 y una segunda señal de control P^lpara el segundo convertidor de energía bidireccional 302. Las señales de control P^hy P^lcontrolan la operación de los convertidores de energía en términos de dirección y magnitud de la energía eléctrica. De esta manera, el EEC 123 puede cumplir con la energía demandada P^dmediante el uso de un balance adecuado de la energía eléctrica de los motores-generadores HP y LP. Como se describirá con referencia a las Figuras posteriores, la forma óptima de hacer esto varía a lo largo de una misión.

Además de las señales de control P^hy P^l, en el presente ejemplo, el controlador de la energía 309 se configura para derivar una señal de control P^batpara el convertidor dc-dc 306 para facilitar la carga o descarga de la batería 305.

En una modalidad específica, el controlador de la energía 309 se configura para, en operación normal, establecer P^bata cero, y solo cambiar su estado como se establece en las rutinas de optimización descritas en la presente descripción, por ejemplo, las rutinas descritas con referencia a las Figuras 8 y 12.

En otra modalidad específica, el controlador de la energía 309 incluye la funcionalidad de optimización de la batería y modifica el parámetro de demanda de energía P^dsumando o restando un valor P^batdependiendo de si es más óptimo cargar, descargar o mantener la carga de la batería 305. Los expertos en la técnica estarán familiarizados con este tipo de rutinas de optimización del estado de carga de la batería.

Por tanto, en tal modalidad, el controlador de la energía 309 modifica el parámetro de la demanda de energía P^drealizando una operación de suma-asignación P^d+ = ^bat. La convención de signos usada en la presente descripción es de manera que una P positivaBAT significa que la batería 305 debe cargarse y, por tanto, se requiere una generación adicional de los motores-generadores HP y LP, mientras que un P negativoBAT significa que la batería 305 se va a descargar.

Se apreciará que en las modalidades que carecen de un dispositivo de almacenamiento de energía, esta señal no se generará y, por tanto, el parámetro de la demanda de energía P^dno se modificará en absoluto.

En el presente ejemplo, otra señal de control P^aise genera para activar los sistemas anticongelantes 304. En el presente ejemplo, sólo se controla el sistema anticongelante de la góndola del motor 101, sin embargo, se prevé que el EEC 123 puede, en implementaciones alternativas, tener autoridad sobre el anticongelación de las alas en determinadas circunstancias. De manera similar a la modificación de P^dpor la suma-asignación de P^bat, el controlador de la energía 309 se configura para realizar la asignación de adición P^d+ = P^aipara tener en cuenta la energía necesaria para los sistemas anticongelantes 304. Nuevamente, se apreciará que en las modalidades que carecen de sistemas anticongelantes eléctricos, esta señal no se generará y no se modificará P^dse realizará de esta manera.

Figura 4

En la práctica, el EEC 123 alberga microprocesadores para ejecutar módulos de programa para controlar el motor 101. En la Figura 4 se muestra un diagrama de bloques de los módulos funcionales del controlador de la energía 309.

Los parámetros de entrada descritos previamente con referencia a la Figura 3 son recibidos inicialmente por un módulo clasificador 401 para generar un modo de ajuste del optimizador para un módulo optimizador 402. La operación del módulo clasificador 401 se describirá adicionalmente con referencia a la Figura 5, y los diversos modos del módulo optimizador se describirán con referencia a las Figuras 7 a 22.

Los parámetros de entrada también se suministran a un filtro 403 antes de actualizar un módulo de modelo del motor 404. El filtro 403 en el presente ejemplo es un integrador para suavizar los transitorios a corto plazo para no causar grandes variaciones en el modelo del motor. El módulo de modelo del motor 404 ejecuta un modelo en tiempo real del motor 101 para facilitar la predicción de cambios en los parámetros operativos, tal como W ^f, P^h, y P^ldada una demanda de empuje. Tales modelos y su integración dentro de un EEC serán familiares para los expertos en la técnica.

Siguiendo la entrada en un ajuste de optimización dado, el módulo optimizador 402 encuentra el conjunto óptimo de parámetros para la operación del motor 101 dado el estado operativo corriente de la aeronave en la que se instala el motor y del propio motor.

Figura 5

El módulo clasificador 401 se detalla en la Figura 5.

En la presente modalidad, el módulo clasificador 401 comprende un comparador 501 que compara la altitud actual (ALT), el número de Mach (Mn) y el ángulo de la palanca de energía para determinar el régimen de vuelo. Se apreciará que se pueden utilizar otras entradas para aumentar la fidelidad del proceso de comparación, tales como las condiciones del motor, la temperatura ambiente, etc.

En la presente modalidad, el comparador se configura para identificar si el motor opera en una condición de despegue máximo si la altitud es menor que un umbral, el número de Mach es menor que un umbral y el ángulo de la palanca de energía es máximo. En una modalidad, el umbral de altitud es 1524 metros (5000 pies), mientras que el umbral del número de Mach es 0,3.

En la presente modalidad, el comparador se configura para identificar si el motor funciona en una condición de ascenso máximo si la altitud está por encima de un umbral y el ángulo de la palanca de energía es máximo. En una modalidad, el umbral de altitud es de 9100 metros (30000 pies).

La estrategia de optimización para la condición de despegue máximo y el modo de operación de ascenso máximo se describirán con más detalle con referencia a la Figura 6.

En la presente modalidad, el comparador se configura para identificar si el motor funciona en una travesía si la altitud está por encima de un umbral, el número de Mach está en un intervalo de la travesía y el ángulo de la palanca de energía está en un ajuste de la travesía. En una modalidad, el umbral de altitud es de 9100 metros (30 000 pies), mientras que el intervalo de número de Mach es de 0,8 a 0,9.

En tales circunstancias, la estrategia de optimización que puede emplearse es minimizar el flujo de combustible W ^fcon un empuje constante. Alternativamente, el optimizador puede configurarse para optimizar el margen de sobretensión en el motor, o para optimizar la eficiencia de la compresión en dependencia del motor y los parámetros de la aeronave. Tales estrategias se describirán adicionalmente con referencia a las Figuras 19 y 21, respectivamente.

Alternativamente, el optimizador puede configurarse para optimizar la relación de derivación variando el flujo del núcleo, implementando un ciclo variable.

En la presente modalidad, el comparador se configura para identificar si el motor funciona en un régimen en el que la turbina de baja presión 108 funciona en una condición no obstruida. Esto se manifiesta típicamente en condiciones de inactividad con un número de Mach bajo, aunque la condición no obstruida puede existir en otros puntos operativos en dependencia del diseño específico de la turbina de baja presión 108 y el resto del motor 101. En la presente modalidad, el comparador se configura para identificar esta condición si el número de Mach está por debajo de un umbral, y el ángulo de la palanca de energía está en una posición de inactividad. En una modalidad, el umbral del número de Mach es 0,2. En otras modalidades, se pueden utilizar otras entradas tales como la velocidad corregida del carrete de baja presión para identificar la condición no obstruida.

La estrategia de optimización para la condición de inactividad del número de Mach bajo se describirá con más detalle con referencia a la Figura 7.

En la presente modalidad, el comparador se configura para identificar si el motor funciona en una condición de inactividad del número de Mach de aproximación si la altitud está dentro de un intervalo, el número de Mach está en un intervalo y el ángulo de la palanca de energía está en una posición inactiva. En una modalidad, el intervalo de altitud es de 0 a 1500 metros (5000 pies) sobre el nivel del suelo, y el intervalo del número de Mach es de 0,2 a 0,3.

La estrategia de optimización para la aproximación a la condición de inactividad se describirá con más detalle con referencia a la Figura 8.

El módulo clasificador 401 comprende además un diferenciador 502 que se configura para monitorear el PLA y P^dparámetros e identificar un tipo transitorio.

En respuesta a que el cambio en el ángulo de la palanca de energía sea positivo, el diferenciador 502 se configura para identificar el inicio de un evento de aceleración. La estrategia de optimización para esta maniobra se describirá con más detalle con referencia a la Figura 12.

En respuesta a que el cambio en el ángulo de la palanca de energía sea negativo, el diferenciador 502 se configura para identificar el inicio de un evento de desaceleración. La estrategia de optimización para esta maniobra se describirá con más detalle con referencia a la Figura 14.

En respuesta a un cambio en la demanda de energía eléctrica P^d, el diferenciador 502 se configura para hacer que el optimizador invoque la estrategia de optimización descrita con referencia a la Figura 17.

El módulo clasificador 401 comprende además un limitador 503 que se configura para monitorear las velocidades del carrete de alta presión y baja presión, N^hy N^l. En caso de que la velocidad del carrete se acerque a un límite, que puede ser un límite máximo o una zona de exclusión, puede invocarse la estrategia de optimización descrita con referencia a la Figura 22.

En el presente ejemplo, las salidas del comparador 501, el diferenciador 502 y el limitador 503 se comparan mediante un priorizador 504. Se apreciará que puede haber salidas concurrentes de cada etapa inicial del módulo comparador y, por tanto, en la presente modalidad, el comparador se configura para filtrar a un solo ajuste del optimizador de salida. En la presente modalidad, las salidas del limitador 503 son prioridades sobre las salidas del diferenciador 502, que a su vez tienen prioridad sobre las salidas del comparador 501.

Figura 6

Siguiendo la identificación de una condición máxima de despegue o ascenso por parte del módulo clasificador 401, el optimizador 402 entra en la rutina de optimización correspondiente en la etapa 601. En la etapa 602, se pregunta si la demanda de energía P^des menor que la energía nominal máxima del motor-generador de LP 119, PLmáx. Si es así, entonces el control pasa a la etapa 603 donde el optimizador 402 maximiza la generación de energía por el motorgenerador de LP 119, P^l.

Preferir la descarga eléctrica del carrete de baja presión en condiciones de temperatura limitada, como despegue máximo y condiciones de ascenso máximo, reduce la carga en el carrete de alta presión. Para una demanda de energía dada Po, esto da como resultado una velocidad de rotación N del carrete de alta presión más altaH. Esto aumenta el flujo del núcleo C a través del núcleo de la turbina de gas y, por lo tanto, reduce la temperatura de salida del estator requerida para suministrar la energía de la turbina de baja presión para un empuje dado.

Se ha descubierto que para los motores-generadores clasificados a 350 kilowatts, es posible reducir la temperatura de salida del estator en 2 kelvin. Se apreciará que cuanto mayor sea la clasificación de los motores-generadores, mayor será la reducción que puede lograrse.

Claramente, si la demanda de energía P^ddespués de tener en cuenta la carga/descarga de la batería y/o la operación del sistema anticongelante es mayor que la energía nominal máxima del motor-generador de LP 119, PLmáx, entonces la pregunta formulada en la etapa 602 se responderá negativamente. En este caso, el control pasa a la etapa 604 donde el optimizador 402 maximiza la generación de energía por el motor-generador de LP 119, P^l, y minimiza la generación de energía por el motor-generador HP 117, P^h. Por tanto, el motor-generador de LP 119 se dirige a generar PLmáx y el motor-generador de HP 117 se dirige a generar el resto, P^d— PLmáx.

En una modalidad, si la capacidad de reserva estuviera disponible en el motor-generador de LP 119, entonces el optimizador 402 puede optar por desviar PLmáx — P^dal motor-generador de alta presión 117 que puede aumentar aún más el flujo del núcleo y reducir la temperatura de salida del estator.

Figura 7

Siguiendo la identificación de un régimen no obstruido para la turbina de baja presión 108 por el módulo clasificador 401, el optimizador 402 entra en la rutina de optimización correspondiente en la etapa 701. Como se describió anteriormente, esto puede provocarse por una condición de operación en inactividad del número de Mach bajo, por ejemplo, el punto de operación de inactividad del suelo.

En la etapa 702, se pregunta si la demanda de energía PD es menor que la energía máxima nominal del motorgenerador HP 117, PHmáx. Si es así, entonces el control pasa a la etapa 703 donde el optimizador 402 maximiza la generación de energía por el motor-generador HP 119, P^h.

Como la turbina de baja presión 108 no está obstruida, hay un gran impacto cuando se requiere para proporcionar energía eléctrica a través del motor-generador 119 LP. La reducción de la velocidad del carrete de baja presión, NL, es de manera que hay una fuerte caída en la eficiencia del compresor de baja presión 104 y, por tanto, un aumento en el consumo de combustible. En la práctica, también puede haber una caída en la eficiencia del motor-generador de LP 119 debido a la menor velocidad de rotación. Por tanto, a los números Mach de vuelo bajos que hacen que la turbina de baja presión 108 se desatasque, es posible mejorar el consumo de combustible mediante esta rutina de optimización.

De manera similar a la situación de la Figura 6, si la demanda de energía P^des mayor que la energía nominal máxima del motor-generador HP 117, PHmáx, entonces la pregunta formulada en la etapa 702 se responderá negativamente. En este caso, el control pasa a la etapa 704 donde el optimizador 402 maximiza la generación de energía por el motorgenerador HP 117, P^h, y minimiza la generación de energía por el motor-generador de LP 119, P^h. Por tanto, el motorgenerador de HP 117 se dirige a generar PHmáx y el motor-generador de LP 119 se dirige a generar el resto, P^d— PHmáx.

En una modalidad, si la capacidad de reserva estuviera disponible en el motor-generador 117 de HP, entonces el optimizador 402 puede optar por desviar PHmáx — P^dal motor-generador de LP 119 que puede reducir aún más el consumo de combustible.

Figura 8

Siguiendo la identificación de una aproximación a la condición de inactividad por parte del módulo clasificador 401, el optimizador 402 entra en la correspondiente rutina de optimización en la etapa 801. En la etapa 802, se pregunta si la demanda de energía P^des menor que la energía nominal máxima del motor-generador de LP 119, PLmáx. Si es así, entonces el control pasa a la etapa 603 donde el optimizador 402 maximiza la generación de energía por el motorgenerador de LP 119, P^l. El exceso de capacidad del motor-generador de LP 119, PLmáx — P^d, se transfiere al motorgenerador de HP 117.

Esto tiene dos efectos. Primero, la extracción de la máxima energía posible del carrete de baja presión reduce significativamente la velocidad de rotación del carrete de baja presión, N^l. Recordando que en el motor 101 el ventilador 102, que es el elemento generador de empuje primario, gira con el carrete de baja presión, quedará claro que una reducción de N^lreduce el empuje generado por el motor 101. Esto relaja el requisito de usar dispositivos de alta resistencia en la estructura del avión para lograr la velocidad de descenso requerida. Esto reduce el ruido y reduce el consumo de combustible.

En segundo lugar, en la aproximación, el ajuste de inactividad del motor a menudo se ve restringida por el requisito de que el motor responda a un transitorio del acelerador de manera oportuna; en el caso de un giro, el motor debe suministrar el empuje nominal completo lo más rápido posible. La velocidad inicial del carrete de alta presión N^htiene un efecto poderoso en el tiempo de respuesta durante una aceleración del motor, por lo que maximiza N^hen inactividad reduce significativamente el tiempo de aceleración del motor. Sin embargo, esto suele ser a expensas de un empuje en inactividad bajo.

El inventor ha descubierto que al transferir energía del carrete de baja presión al carrete de alta presión se permite una mayor N^hy por tanto un tiempo de respuesta más corto, junto con un empuje en inactividad reducido debido a la menor N^l. Se ha demostrado que, en un motor del tipo descrito en la presente descripción, 105 kilowatts de transferencia de energía logran una N suficientemente altaH y una reducción del 75 por ciento en el empuje en inactividad.

Si la demanda de energía P^des mayor que la energía nominal máxima del motor-generador de LP 119, PLmáx, entonces la pregunta formulada en la etapa 802 se responderá negativamente. En este caso, el control pasa a la etapa 804 donde el optimizador 402 maximiza la generación de energía por el motor-generador de LP 119, P^l, y minimiza la generación de energía por el motor-generador HP 117, P^h. Por tanto, el motor-generador de L^p119 se dirige a generar PLmáx y el motor-generador de HP 117 se dirige a generar el resto, P^d— PLmáx.

En una modalidad, el optimizador 402 se configura además para identificar que el mantenimiento del N^hcausará una operación insegura del compresor de baja presión 104. Esto puede deberse a que el punto de operación del compresor de baja presión LP 104 se acerca demasiado a la sobretensión o estrangulamiento. En respuesta a la aparición de tal condición, el flujo de combustible W ^fpuede aumentar.

Alternativamente, para reducir el consumo de combustible en la aproximación, el optimizador 402 puede configurarse para complementar el motor-generador de HP mediante el uso de un dispositivo de almacenamiento de energía, por ejemplo, la batería 305 mediante el control del P^batparámetro, u otra fuente de energía como la unidad de energía auxiliar en la aeronave. De esta manera, se pueden reducir las emisiones comunitarias en la aproximación.

Figura 9

Una de las principales consideraciones para el control de un motor de turbina de gas es la prevención de la sobretensión en las etapas de compresión. En la Figura 9 se muestra una característica 901 para un compresor de flujo axial, como el compresor de baja presión 104 o el compresor de alta presión 105.

La característica 901 grafica la relación de presión frente a la función del flujo, que en este caso es un flujo adimensional (WVT/P). La característica 901 muestra una pluralidad de líneas de velocidad adimensionales 902, 903, 904, 905, junto con la línea de trabajo en estado estable del compresor 906, que es el lugar de los puntos de operación para varios ajustes del acelerador en estado estable a diferentes velocidades adimensionales. En adición, se muestra la línea 907 de sobretensión, que es el lugar de los puntos en los que el compresor entra en sobretensión a las diversas velocidades adimensionales. Para un valor dado de la función del flujo, la relación de presión a la que se encuentra la sobretensión se denota R. La diferencia en la relación de presión en la línea de trabajo 906 y el valor de R en la línea de aumento 907 para un valor dado de la función del flujo se denota dR. Por lo tanto, el el margen de sobretensión para un determinado punto de operación del compresor puede definirse como dR/R.

Es importante mantener un cierto margen de sobretensión en todos los puntos del entorno operativo. Esto es para mitigar amenazas aleatorias, como inestabilidades del flujo de entrada debido a vientos cruzados o turbulencias, por ejemplo. Para un primer pedido, a menudo se recomienda que los compresores de baja presión tengan un margen de sobretensión de alrededor del 15 por ciento y que los compresores de alta presión tengan un margen de sobretensión de alrededor del 20 por ciento. Una proporción significativa del margen de sobretensión, típicamente hasta la mitad, es para tener en cuenta las excursiones transitorias de la línea de trabajo durante las maniobras de aceleración y desaceleración. Tales fenómenos transitorios se describirán adicionalmente con referencia a las Figuras 10A, 10B, 11A y 11B.

Figuras 10Ay 10B

Las características para el compresor de alta presión 105 y el compresor de baja presión 106 que muestran los fenómenos transitorios durante los eventos de aceleración se representan en las Figuras 10Ay 10B, respectivamente.

En la Figura 10A, la línea de trabajo en estado estable del compresor de alta presión 1001 se muestra junto con las líneas de velocidad constante corregida 1002, 1003, 1004 y 1005, y la línea de sobretensión 1006. Durante una maniobra de aceleración, el compresor de alta presión 105 se mueve desde un punto de operación inicial 1007 a un punto de operación final 1008 a través de una línea de trabajo transitoria 1009 por encima de la línea de trabajo de estado estable 1001.

De manera similar, en la Figura 10B, la línea de trabajo en estado estable del compresor de baja presión 1011 se muestra junto con las líneas de velocidad constante corregida 1012, 1013, 1014 y 1015, y la línea de sobretensión 1016. Durante una maniobra de aceleración, el compresor de baja presión 106 se mueve desde un punto de operación inicial 1017 a un punto de operación final 1018 a través de una línea de trabajo transitoria 1019 que cruza la línea de trabajo de estado estable 1011.

Durante la maniobra de aceleración, el compresor de alta presión 105 se mueve inicialmente hacia la sobretensión debido al requisito de compatibilidad del flujo con la turbina de alta presión 107. La función del flujo de la turbina de alta presión 107 (W405VT405/P405) se fija sustancialmente durante la mayoría de las condiciones de operación del motor 101, debido a que las paletas de guía de la tobera están obstruidas. Para iniciar la maniobra de aceleración, por ejemplo, debido a un aumento en el ajuste del ángulo de la palanca de energía, la cantidad de combustible dosificado por la unidad de medición de combustible 308 (W^f) se incrementa. Esto conduce a un aumento en la temperatura de entrada de la turbina, T405. Normalmente, la velocidad del carrete de alta presión N^hse evita que cambie instantáneamente debido a su inercia. Consecuentemente, el punto de operación del compresor de alta presión 105 sube por una línea de velocidad constante corregida. Como la sobrecarga continúa y se supera la inercia del carrete de alta presión, el punto de operación se mueve a lo largo de la línea de trabajo transitoria 1009 paralela a la línea de sobretensión 1006. Cuando finaliza la aceleración, el compresor de alta presión 105 adopta su punto de operación final 1008 en la línea de trabajo de estado estable 1001.

Con referencia ahora a la Figura 10B, al inicio de la maniobra de aceleración, el punto de operación del compresor de baja presión 104 se mueve un poco hacia la sobretensión y luego cruza la línea de trabajo de estado estable 1011. El movimiento inicial hacia la sobretensión repentina se debe a la reducción del flujo en el compresor de alta presión 105 debido a la inercia del carrete de alta presión como se describió anteriormente. A medida que aumenta la velocidad del compresor de alta presión 105, puede aceptar más flujo. Sin embargo, debido a la mayor inercia del carrete de baja presión (recordando que acciona el ventilador 102 a través de la caja de engranaje 111), no puede acelerar a la misma velocidad y por lo tanto los puntos de operación del compresor de baja presión 104 durante la maniobra de aceleración caen más abajo de la línea de trabajo de estado estable 1011.

Se debe entender que la manipulación durante las maniobras de aceleración puede afectar significativamente el diseño de la turbomaquinaria del compresor e imponer requisitos para que los sistemas gestionen los transitorios modificando la línea de trabajo transitoria o la línea de sobretensión, como las paletas de guía variables y las válvulas de escape.

Figuras 11Ay 11B

Por el contrario, en el motor 101 es posible utilizar el motor-generador de HP 117 y opcionalmente el motor-generador de LP 119 para reducir la excursión transitoria.

La Figura 11A muestra la característica del compresor de alta presión 105 cuando se usa el motor-generador de HP 117 para superar la inercia del carrete de alta presión. Puede verse que, para el mismo grado de sobrecarga, la línea de trabajo transitoria 1101 está mucho más cerca de la línea de trabajo de estado estable 1001 y más lejos de la línea de sobretensión 1006. Por tanto, para una configuración del compresor dada, esta técnica puede usarse para mejorar el margen de sobretensión durante una maniobra de aceleración o facilitar un mayor grado de sobrecarga (hasta el límite de temperatura de salida del estator) y, por tanto, un tiempo de aceleración más rápido.

La Figura 11B muestra la característica del compresor de baja presión 104 durante la aplicación de la misma técnica en el carrete de baja presión mediante el uso del motor-generador de LP 119. Puede verse que la línea de trabajo transitoria 1102 está de nuevo mucho más cerca de la línea de trabajo de estado estable 1011 debido a la reducción en la inercia efectiva del carrete de baja presión por el motor-generador de LP 119.

Figura 12

Las etapas llevadas a cabo por el optimizador 402 para lograr las ventajas descritas anteriormente para un evento de aceleración se establecen en la Figura 12.

Siguiendo la identificación de una condición de aceleración por parte del módulo clasificador 401, el optimizador 402 entra en la rutina de optimización correspondiente en la etapa 1201. En la presente modalidad, con un sistema de almacenamiento de energía tal como la batería 305 disponible en el canal de dc 303, en la etapa 1202 se pregunta si el estado de carga de la batería es mayor que un valor mínimo. Como apreciarán los expertos en la técnica, esto puede no ser absolutamente cero, sino que será un estado de carga mínimo, por ejemplo, 20 por ciento, más debajo del cual la batería puede dañarse.

Si es así, se hace una pregunta adicional en la etapa 1203 en cuanto a si la demanda de energía total de la aeronave no modificada P^d(es decir, antes de cualquier modificación del mismo para tener en cuenta la optimización de la batería) es menor que la energía máxima disponible de la batería 305, PBATmáx. Si es así, entonces el control pasa a la etapa 1204 donde el optimizador 402 anula cualquier proceso de optimización de batería concurrente y suministra completamente la demanda de energía P^dmediante el uso de la batería 305, suministrándose cualquier exceso al motor-generador de HP 117 para superar la inercia del carrete de HP. Opcionalmente, cualquier exceso adicional puede suministrarse al motor-generador de LP 119.

En el caso de que alguna de las preguntas formuladas en las etapas 1202 o 1203 se responda negativamente, es decir, la batería 305 tiene un estado de carga mínimo, o la demanda total de energía de la aeronave no modificada P^des mayor que la energía máxima de la batería 305, PBATmáx (o si de hecho la modalidad particular del motor 101 no incluye una batería), entonces el control pasa a la etapa 1205 en el que la generación de energía por el motorgenerador de LP 119, P^l, se maximiza y la generación de energía mediante el motor-generador HP 117, P^h, se minimiza.

Después de la optimización de la estrategia de generación de energía para satisfacer la demanda de energía P^den las etapas anteriores, el flujo de combustible W ^fmedido por la unidad de medición de combustible 308 se incrementa en la etapa 1206.

Figura 13

Cuando se inicia un evento de desaceleración, se reduce el flujo de combustible por la unidad de medición de combustible 308. En el sentido opuesto al escenario descrito anteriormente, a medida que disminuye el flujo de combustible, la temperatura de entrada a la turbina disminuye instantáneamente. Esto se debe a que, como se describió anteriormente, durante la mayoría de los escenarios operativos, las paletas de guía de la tobera en la turbina de alta presión 107 se obstruyen y la función del flujo permanece constante. Como la velocidad del carrete de alta presión N^hno puede cambiar instantáneamente debido a su inercia, la reducción en la temperatura de entrada de la turbina T405 hace que el punto de operación del compresor de alta presión 105 se mueva hacia abajo en una línea de velocidad constante corregida en su característica. Esto se manifiesta como un aumento en el flujo de masa W31 y una disminución de la presión P31 a la salida del compresor de alta presión 105.

El resultado de esto para la cámara de combustión 106 es que no solo la cantidad de combustible entregada es menor, sino que el flujo de masa W31 a través de él ha aumentado. Esto significa que la cámara de combustión 106 funciona con una relación aire-combustible (FAR) más baja de lo normal, lo que corre el riesgo de una extinción débil (también conocida como explosión pobre).

Con referencia a la Figura 13, que es un gráfico de FAR frente a la función del flujo, se ilustra el límite de extinción débil 1301 para la cámara de combustión 105. El flujo corregido a través de la cámara de combustión 105 a la derecha del límite de extinción débil 1301 da como resultado la extinción de la llama y es una condición de operación inaceptable. En el punto 1302 se muestra un FAR en estado estacionario para un flujo de masa particular a través de la cámara de combustión 106. La limitación de cuán agresiva puede ser una maniobra de desaceleración viene dictada por el margen de carga insuficiente admisible. En los motores de la técnica anterior, en los que la función del flujo aumenta ligeramente al comienzo de la maniobra de desaceleración, el margen de carga insuficiente se limita a M1 debido a la proximidad de la relación aire-combustible al límite de la extinción débil 1301 durante la desaceleración, mostrado en el punto 1303.

Sin embargo, al reducir activamente la velocidad del carrete de alta presión al inicio y durante el evento de desaceleración por el motor-generador de HP 107, el punto de operación del compresor de alta presión 105 ya no se ve forzado a descender a una línea de velocidad constante al comienzo de la maniobra. En cambio, solo hay una ligera desviación de la línea de trabajo de estado estable debido a la reducción en la temperatura de entrada de la turbina, T405. A medida que la velocidad del compresor de alta presión 105 comienza a desacelerar sustancialmente instantáneamente, el flujo de masa a través de la cámara de combustión 106 también se reduce sustancialmente instantáneamente. Como se muestra en el punto 1304 en la Figura 13, el margen adicional M2 permite un mayor grado de falta de combustible.

Se debe entender que este enfoque permite optimizar el diseño de la cámara de combustión 106 debido al mayor margen de extinción débil, y también permite optimizar el diseño del vehículo ya que el motor solo puede lograr una mayor reducción del empuje sólo con el motor sin recurrir a una alta resistencia. dispositivos para reducir la velocidad aerodinámica hacia adelante en, por ejemplo, una maniobra de desaceleración de golpe.

También se apreciará que el enfoque proporciona un método para controlar la extinción débil en la cámara de combustión 105. Mediante el uso del modelo del motor 404, por ejemplo, el inicio de la extinción débil puede identificarse evaluando la relación corriente de aire-combustible en la cámara de combustión 105. Esto puede lograrse, por ejemplo, al utilizar el número de Mach de vuelo, la altitud y la temperatura para determinar el flujo de masa en el motor 101, la característica del ventilador 102 para determinar el flujo de masa C en el núcleo de la turbina de gas y las características de los compresores 104 y 105 para determinar el flujo de masa en la cámara de combustión 105. Esto puede combinarse con el flujo de combustible comandado W ^fjunto con un modelo del proceso de combustión para determinar la relación aire-combustible.

En respuesta a la identificación de que la relación aire-combustible se acerca al límite de extinción débil 1301, el EEC 123 puede usar el controlador de la energía 309 para extraer la energía del eje mecánico del carrete de alta presión mediante el uso del motor-generador HP 117 para evitar una caída adicional en la relación aire-combustible en la cámara de combustión 105.

Figura 14

Las etapas llevadas a cabo por el optimizador 402 para lograr las ventajas descritas anteriormente para un evento de desaceleración se establecen en la Figura 14.

Siguiendo la identificación de una condición de desaceleración por parte del módulo clasificador 401, el optimizador 402 entra en la correspondiente rutina de optimización en la etapa 1401. En la etapa 1402 se pregunta si la demanda de energía P^des menor que la capacidad máxima de generación de energía del motor-generador HP 117, PHmáx. Si es así, entonces el control pasa a la etapa 1403, con lo cual la generación de energía del motor-generador HP 117, PH, se maximiza para satisfacer PD.

En la presente modalidad, el exceso de capacidad PHmáx - P^dse transfiere a otras cargas. En una modalidad, el exceso de capacidad se dirige a un sistema de almacenamiento de energía, como la batería 305. Como se describió anteriormente, el sistema de almacenamiento de energía puede comprender adicional o alternativamente un capacitor. Adicional o alternativamente, el exceso de capacidad puede dirigirse a un consumidor eléctrico tal como el sistema anticongelante 304, que puede ser el sistema anticongelante de la góndola del motor 101. Alternativamente, puede ser el sistema anticongelante de las aletas del vehículo en el que se instala el motor 101.

Si es inapropiado dirigir el exceso de capacidad a cualquier lugar, por ejemplo, si el calentamiento adicional mediante el uso de sistemas anticongelantes puede causar daños dadas las condiciones atmosféricas, o el sistema de almacenamiento de energía está lleno, entonces en una modalidad la etapa 1403 maximiza únicamente P^hhasta P^dpara ayudar a reducir la velocidad del carrete de alta presión.

Si la pregunta formulada en la etapa 1402 se responde negativamente, en el sentido de que la demanda de energía P^des mayor que la capacidad máxima de generación de energía del motor-generador HP 117, PHmáx, luego el control pasa a la etapa 1404 donde primero la generación de energía del motor-generador HP 117, P^h, se maximiza, entonces la generación de energía del motor-generador de LP 119, P^l, se maximiza para suplir el resto del P^d.

Después de la optimización de la estrategia de generación de energía para satisfacer la demanda de energía P^den las etapas anteriores, el flujo de combustible W ^fmedido por la unidad de medición de combustible 308 se reduce en la etapa 1206.

En una modalidad alternativa, el exceso de capacidad PHmáx - P^dpuede dirigirse al motor-generador de LP 119. Esto puede ser posible debido a que este exceso de energía representa una pequeña proporción de la energía generada por la turbina de baja presión 108, lo que conduce a un cambio muy pequeño en el empuje generado por el ventilador 102. Si bien el cambio en el empuje puede ser pequeño, el efecto sobre el carrete de alta presión es grande en términos de prevenir un aumento en el flujo de masa en el punto de reducción del flujo de combustible y, de esta manera, en la capacidad de prevenir una extinción débil.

Figuras 15Ay 15B

Cuando un aumento en la demanda de energía P^docurre, el controlador de la energía 309 debe responder al exigir a su vez un aumento en la salida de energía por parte del motor de turbina de gas.

La Figura 15A ilustra un aumento ilustrativo en la demanda de energía P^dde magnitud dPD dentro de un plazo dt. La Figura 15B muestra una característica de un compresor de flujo axial ilustrativo, que forma parte de un solo carrete de turbina de gas acoplado a un generador. Para satisfacer el aumento de la demanda de energía dPD el trabajo específico de la turbina debe aumentar. La línea de trabajo de estado estable se muestra en 1501, con la línea de sobretensión mostrada en 1502. Para aumentar el trabajo del motor, se requiere un aumento en el flujo de combustible.

Para la situación en la que la carga del generador sigue la etapa de la Figura 15A, el carrete puede mantenerse a una velocidad corregida constante o dejarse acelerar a una velocidad adimensional más alta. El movimiento del punto de operación del compresor ilustrativo para cada opción se muestra en la característica de la Figura 15B. La línea 1503 muestra el movimiento del punto de operación a una velocidad constante corregida. La línea 1504 muestra el movimiento del punto de operación a una velocidad corregida más alta. Puede verse que responder de esta manera significaría que a medida que aumenta la carga del generador, la velocidad adimensional del compresor exhibe una ligera reducción inicial ya que una mayor proporción del trabajo de la turbina se usa para impulsar el generador en lugar del compresor. A medida que aumenta el flujo de combustible, el punto de operación del compresor se mueve hacia y en ambos ejemplos excede la línea de sobretensión 1502.

Por tanto, puede verse que, en particular, con ajustes bajos de aceleración del motor, tal aumento en la demanda de energía Pd Si no se controla, puede provocar que un compresor entre en sobretensión, lo que requiere sistemas de manipulación adicionales para evitar esto y garantizar un margen de sobretensión adecuado. En la práctica, esta situación puede ocurrir, por ejemplo, en el motor de una aeronave durante el descenso cuando los sistemas anticongelantes necesitan habilitarse, pero los motores están en un ajuste de inactividad.

Figuras 16A y 16B

En la presente modalidad, sin embargo, se adopta el enfoque de utilizar el sistema de almacenamiento de energía para mitigar la posibilidad de sobretensión. Por tanto, como se ilustra en la Figura 16A, el mismo aumento en la demanda de energía P^dde magnitud dPD dentro de un plazo dt se exige. En lugar de que esto se cumpla únicamente con uno o ambos del motor-generador de HP 117 y el motor-generador de LP 119, se cumple durante la maniobra por la batería 305. Por tanto, como se muestra en la Figura, inicialmente la demanda de energía es satisfecha por la batería 305, como se muestra en la región sombreada 1601. A medida que el motor 101 acelera, la proporción que se proporciona por el (los) motor (es) generador (es) aumenta gradualmente hasta que el motor 101 satisface completamente la nueva demanda de energía.

La Figura 16B muestra la línea de trabajo transitoria 1602 en una característica del compresor cuando se adopta este enfoque. Dado que el aumento inicial de la demanda de energía se satisface con una fuente de energía diferente a la del motor del núcleo de la turbina de gas, no se produce una caída concomitante en la velocidad adimensional del compresor. Además, el aumento en el flujo de combustible puede atenuarse, de modo que el aumento en la línea de trabajo durante la maniobra transitoria no sea tan grande como en el ejemplo de las Figuras 15A y 15B. De esta manera, se mantiene un margen de sobretensión adecuado, lo que energíalmente permite un diseño más óptimo del compresor y/o la eliminación de los sistemas de manipulación.

En una modalidad alternativa, la batería 305 puede proporcionar toda la demanda de energía más alta mientras que el motor 101 acelera a una velocidad corregida más alta, en cuyo punto la provisión de la demanda de energía P^dse conmuta de la batería al (los) motor (es) generador (es) en el motor 101.

Figura 17

Etapas realizadas por el optimizador 402 para lograr la funcionalidad descrita anteriormente para un aumento en la demanda de energía Pd se muestran en la Figura 17.

Siguiendo la identificación de un aumento en la demanda de energía dentro de un período de tiempo dado dt por el diferenciador 502 en el módulo clasificador 401, el optimizador 402 entra en la rutina de optimización correspondiente en la etapa 1701. En la etapa 1702, el optimizador 401 evalúa los puntos de operación del compresor de baja presión 104 y el compresor de alta presión 105 para la demandada Pd. En la presente modalidad, esto puede lograrse mediante el uso del modelo del motor 404 y el conocimiento del ajuste corriente del ángulo de la palanca de energía, etc. Alternativamente, puede usarse una tabla de búsqueda o similar en su lugar.

En la etapa 1702, el margen de sobretensión de corriente en el compresor de baja presión 104, dRL/RL, y el margen de sobretensión de corriente en el compresor de alta presión 105, dRH/RH se evalúan, nuevamente mediante el uso del modelo del motor 404 en la presente modalidad, o alternativas adecuadas si es necesario.

En la etapa 1703, se evalúa la velocidad máxima permitida de aceleración para cada carrete dado el requisito de mantener un margen de sobretensión adecuado durante la maniobra. En la presente modalidad, esto puede lograrse haciendo referencia a los respectivos programas de aceleración de los carretes.

Luego se pregunta si la aceleración del carrete de alta presión y del carrete de baja presión solo satisfará la demanda de energía requerida dentro del período de tiempo exigido. Si no es así, por ejemplo, si la nueva demanda de energía es muy alta o se requiere en un período de tiempo muy corto, entonces el control pasa a la etapa 1706 donde se toma la decisión de utilizar la batería 305 (u otra unidad de almacenamiento de energía como un capacitor) para satisfacer la demandada Pd.

Entonces, o si la pregunta formulada en la etapa 1705 fue respondida negativamente, los carretes de alta presión y los carretes de baja presión se aceleran a sus nuevos puntos operativos aumentando el flujo de combustible medido por la unidad de medición de combustible 308. Como se describió anteriormente, en este punto, la nueva demanda de energía puede entonces ser satisfecha completamente por uno o más del motor-generador de HP 117 y el motorgenerador de LP 119. La transición puede ser gradual, o la batería 305 puede suplir únicamente la demanda de energía adicional dPD hasta conseguir los nuevos puntos operativos.

Figuras 18Ay 18B

El efecto de la transferencia de energía desde el motor-generador de LP 119 al motor-generador HP 117 en el punto de operación del compresor de alta presión 105 se muestra en la Figura 18A sobre la característica de los compresores. El efecto sobre el punto de operación del compresor de baja presión 104 se muestra en su característica en la Figura 18B.

A medida que se agrega la energía al carrete de alta presión, la relación de presión y la función del flujo aumentan, como se muestra en la Figura 18A por la transición de un punto de operación inicial 1801 a un punto de operación final 1802 a una velocidad no dimensional más alta en la línea de trabajo del compresor 1803.

La extracción de energía del carrete de baja presión baja la línea de trabajo del compresor de baja presión 104. Recordando que la velocidad de rotación del compresor de baja presión es fija con relación al ventilador 102, con un empuje constante, el punto de operación del compresor de baja presión solo puede moverse en una línea de velocidad constante no dimensional, en este caso la línea de velocidad 1804. Debido al aumento de la función del flujo en el compresor de alta presión 105, el compresor de baja presión 104 no se estrangula y, por lo tanto, también ve un aumento en la función del flujo. Por tanto, el punto operativo se mueve desde un punto operativo inicial 1805 hasta un punto operativo final 1806 en la línea de velocidad 1804 alejándose de la línea de sobretensión 1807.

Por lo tanto, se debe entender que controlar el grado de energía eléctrica generada por uno o ambos del motorgenerador de HP 117 y el motor-generador de LP 119 permite variar el régimen de flujo de masa del flujo del núcleo C incluso con ajustes de empuje fijos. Recordando que la relación de derivación del motor 101 se define como la relación del régimen de flujo de masa del flujo B a través del conducto de derivación y el caudal de masa del flujo C a través del núcleo de la turbina de gas, esto permite la relación de derivación del motor 101 para ser variado. Esto tiene ventajas particulares en términos de optimizar la velocidad del chorro del motor 101 para velocidades aerodinámicas particulares.

En una modalidad, la transferencia de energía puede usarse para variar aún más la relación de derivación haciendo operar el motor-generador de LP 119 como un generador y haciendo operar el motor-generador HP 117 como un motor.

De esta forma, se debe entender que el motor 101 puede operar como un motor de ciclo variable.

También se verá que la transferencia de energía del carrete de baja presión al carrete de alta presión es una forma efectiva de aumentar el margen de sobretensión en ambos compresores. También debe tenerse en cuenta que estos efectos fundamentales ocurren incluso en ausencia de transferencia de energía activa: si la demanda de energía P^dsea mayor o igual que la capacidad del motor-generador de LP 119, entonces se logra un aumento en el margen de sobretensión satisfaciendo la demanda de energía P^dmaximizando la extracción de carretes de baja presión. Esto se debe a que se requiere una mayor caída de la entalpía a través de la turbina de baja presión 108, que requiere un mayor flujo de masa. El mayor flujo de masa a través del compresor de alta presión 105, aunque no es tan alto como con la transferencia de energía, todavía desencadena el compresor de baja presión 104 y aumenta su margen de sobretensión. Por tanto, se debe entender que esta estrategia proporciona un medio adecuado para aumentar el margen de sobretensión en el motor 101.

Figura 19

Las etapas llevadas a cabo por el optimizador 402 para aumentar el margen de sobretensión se establecen, por lo tanto, en la Figura 19.

Siguiendo la identificación de una condición operativa en la que el módulo clasificador 401 necesita aumentar el margen de sobretensión, el optimizador 402 entra en la rutina de optimización correspondiente en la etapa 1901. Como se describió anteriormente, las condiciones de operación, como los vientos cruzados fuertes u otros fenómenos de flujo de entrada inestable, pueden desencadenar la entrada en esta rutina.

En la etapa 1902, se pregunta si la demanda de energía corriente P^des menor que la energía nominal máxima del motor-generador de LP 119, PLmáx. Si es así, entonces el control pasa a la etapa 1903 donde el optimizador 402 maximiza la generación de energía por el motor-generador de LP 119, P^lpara aumentar el margen de sobretensión en el compresor de baja presión 104, y transfiere cualquier exceso de energía eléctrica PLmáx - P^dal motor-generador de HP 117 para elevar su punto de operación hasta su línea de trabajo, aumentando también el margen de sobretensión.

Si la pregunta formulada en la etapa 1902 se responde negativamente, en el sentido de que el motor-generador de LP 119 no es únicamente capaz de satisfacer la demanda de energía P^d, entonces el control pasa a la etapa 1904 donde el optimizador 402 maximiza la generación de energía por el motor-generador de LP 119, P^lpara aumentar el margen de sobretensión en el compresor de baja presión 104. Recuerde que la extracción de energía del carrete de alta presión normalmente mueve el punto de operación del compresor de alta presión 105 hacia abajo de su línea de trabajo normal, pero que la extracción de energía del carrete de baja presión normalmente mueve el punto de operación hacia arriba por su línea de trabajo. Por tanto, en la etapa 1904, el optimizador 402 minimiza la generación de energía por el motor-generador HP 117, P^hque mantienen sustancialmente su punto de operación en torno a su valor de estado estable, o ligeramente más alto en su línea de trabajo.

Figuras 20A y 20B

Si bien el margen de sobretensión puede aumentarse mediante el método de la Figura 19, en algunos casos puede ser beneficioso invertir la dirección de la transferencia de energía de manera que la energía se transfiera desde el motor-generador de HP 117 al motor de LP 119. La Figura 20A muestra el movimiento del punto de operación del compresor de alta presión 105 en este escenario. La Figura 20B muestra el movimiento del punto de operación del compresor de baja presión 104 en este escenario. Las características incluyen líneas de eficiencia isentrópica constante para los compresores. Puede verse que la transferencia de energía desde el carrete de alta presión al carrete de baja presión puede permitir un aumento en la eficiencia de compresión en el motor 101 moviendo los puntos operativos de los compresores a las regiones de alta eficiencia.

Figura 21

Las etapas llevadas a cabo por el optimizador 402 para aumentar la eficiencia de la compresión se establecen, por lo tanto, en la Figura 21.

Siguiendo la identificación de una condición operativa en la que el módulo clasificador 401 puede aumentar la eficiencia de compresión, el optimizador 402 entra en la rutina de optimización correspondiente en la etapa 2101. Como se describió anteriormente, las condiciones de operación, tal como un flujo de entrada suficientemente estable, pueden permitir la entrada en esta rutina.

En la etapa 2102, se pregunta si la demanda de energía corriente P^des menor que la energía máxima nominal del motor-generador HP 117, PHmáx. Si es así, entonces el control pasa a la etapa 2103 donde el optimizador 402 maximiza la generación de energía por el motor-generador HP 117, P^hpara aumentar la eficiencia de compresión en el compresor de alta presión 104, y transfiere cualquier exceso de energía eléctrica PHmáx - P^dal motor-generador de LP 119 para bajar su punto de operación en su línea de trabajo, aumentando también la eficiencia de compresión en este ejemplo.

Si la pregunta formulada en la etapa 2102 se responde negativamente, en el sentido de que el motor-generador 117 HP no es únicamente capaz de satisfacer la demanda de energía P^d, luego el control pasa a la etapa 2104 donde el optimizador 402 maximiza la generación de energía por el motor-generador HP 117, P^hpara aumentar la eficiencia de compresión en el compresor de alta presión 105. Además, el optimizador 402 minimiza la generación de energía por el motor-generador de LP 119, P^lpara mantener el compresor de baja presión 104 en una región lo más alta posible de eficiencia de compresión.

Figura 22

Como se describió anteriormente, también es posible utilizar el motor-generador de HP 117 y el motor-generador de LP 119 para implementar la limitación de velocidad. Esto puede proporcionar ventajas en términos de seguridad, al prevenir condiciones de exceso de velocidad o al administrar la operación alrededor de las zonas de exclusión, por ejemplo, intervalos de velocidad donde los niveles de vibración son altos.

El limitador 503 supervisa las velocidades del eje NH y NL. En una forma de modalidad, el limitador se dispara si se excede un límite mecánico, es decir, simplemente sobre la base de revoluciones por minuto. Alternativamente, el limitador se dispara sobre la base de un límite aerodinámico, es decir, una velocidad corregida, y por lo tanto tiene en cuenta las temperaturas. De esta manera, se puede prevenir la interrupción del flujo en los compresores.

Por tanto, siguiendo la identificación de una condición límite por parte del módulo clasificador 401, el optimizador 402 entra en la correspondiente rutina de optimización en la etapa 2201. En la etapa 2202, se pregunta si el límite es la velocidad del eje de baja presión, N^l(mecánica o aerodinámica), o la velocidad del eje de alta presión, N^h(ya sea mecánico o aerodinámico).

Si el gatillo era la velocidad del eje de baja presión, N^l, entonces el control pasa a la etapa 2203 en el que el optimizador 302 maximiza la generación de energía por el motor-generador de LP 119, P^lpara disminuir la velocidad del eje de baja presión. Como se describió anteriormente con respecto a otras rutinas de optimización, la energía eléctrica generada puede almacenarse si la capacidad está disponible en un sistema de almacenamiento de energía como la batería 305, o alternativamente puede desviarse a otros sistemas como los sistemas anticongelantes o energíalmente el motor-generador de HP 117.

Si el gatillo era la velocidad del eje de alta presión, Nh, entonces el control pasa a la etapa 2204 en el que el optimizador 302 maximiza la generación de energía por el motor-generador HP 117, P^hpara disminuir la velocidad del eje de alta presión. De nuevo, la energía generada de esta manera puede desviarse al almacenamiento o a las cargas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un motor de turbina de gas (101) para una aeronave, que comprende:

un carrete de alta presión (HP) que comprende un compresor de HP (105) y una primera máquina eléctrica (117) accionada por una turbina de HP (107), la primera máquina eléctrica (117) que tiene una primera energía máxima de salida;

un carrete de baja presión (LP) que comprende un compresor de LP (104) y una segunda máquina eléctrica (119) accionada por una turbina de LP (108), la segunda máquina eléctrica (119) que tiene una segunda energía máxima de salida;

un sistema de combustión (106) que comprende una unidad de medición de combustible; y

un controlador de motor (123) configurado para identificar una condición en el sentido de que el motor (101) está en un modo de operación de despegue máximo o un modo de operación de ascenso máximo, y:

en respuesta a una demanda de energía eléctrica entre cero y la segunda energía máxima de salida, extraer energía eléctrica de la segunda máquina eléctrica (119) únicamente para satisfacer la demanda de energía eléctrica, en respuesta a una demanda de energía eléctrica que se encuentra entre la segunda energía máxima de salida y la suma de la primera energía máxima de salida y la segunda energía máxima de salida, extraer la segunda energía máxima de salida de la segunda máquina eléctrica (119) y el resto de la demanda de energía eléctrica de la primera máquina eléctrica (117).

2. El motor de turbina de gas (101) de la reivindicación 1, en el que el controlador del motor (123) está configurado para identificar que el motor (101) está en los modos de operación de despegue máximo o ascenso máximo comparando uno o más de la altitud, el número de Mach y el ángulo de la palanca de energía.

3. El motor de turbina de gas (101) de la reivindicación 2, en el que el controlador del motor (123) está configurado para identificar que el motor (101) está en el modo de operación de despegue máximo si:

la altitud es inferior a 1500 metros (5000 pies);

el número de Mach está por debajo de 0.3;

el ángulo de la palanca de energía está al máximo.

4. El motor de turbina de gas (101) de la reivindicación 2 o la reivindicación 3, en el que el controlador del motor (123) está configurado para identificar que el motor (101) está en el modo de operación de ascenso máximo si:

la altitud es superior a 9100 metros (30000 pies);

el ángulo de la palanca de energía está al máximo.

5. Un método para operar un motor de turbina de gas (101) para una aeronave del tipo que tiene:

un carrete de alta presión (HP) que comprende un compresor de HP (105) y una primera máquina eléctrica (117) accionada por una turbina de HP (107), teniendo la primera máquina eléctrica (117) una primera energía máxima de salida;

un carrete de baja presión (LP) que comprende un compresor de LP (104) y una segunda máquina eléctrica (119) accionada por una turbina de LP (108), teniendo la segunda máquina eléctrica (119) una segunda energía máxima de salida;

un sistema de combustión (106) que comprende una unidad de medición de combustible;

comprendiendo el método:

identificar una condición en el sentido de que el motor (101) está en un modo de operación de despegue máximo o en un modo de operación de ascenso máximo;

en respuesta a una demanda de energía eléctrica que está entre cero y la segunda energía máxima de salida, extraer energía eléctrica de la segunda máquina eléctrica (119) únicamente para satisfacer la demanda de energía eléctrica; en respuesta a una demanda de energía eléctrica que se encuentra entre la segunda energía máxima de salida y la suma de la primera energía máxima de salida y la segunda energía máxima de salida, extraer la segunda energía máxima de salida de la segunda máquina eléctrica (119) y el resto de la demanda de energía eléctrica de la primera máquina eléctrica (117).

6. El método de la reivindicación 5, en el que la identificación de la condición de que el motor (101) está en los modos de operación de despegue máximo o ascenso máximo comprende comparar uno o más de una altitud de la aeronave, un número de Mach de la aeronave y un ángulo de palanca de energía.

7. El método de la reivindicación 6, en el que se considera que el motor (101) está en el modo de operación de despegue máximo si:

la altitud es inferior a 1500 metros (5000 pies);

el número de Mach está por debajo de 0.3;

el ángulo de la palanca de energía está al máximo.

8. El método de la reivindicación 6 o la reivindicación 7, en el que se considera que el motor (101) está en el modo de operación de ascenso máximo si:

la altitud es superior a 9100 metros (30000 pies);

el ángulo de la palanca de energía está al máximo.