專利名稱：優(yōu)化航空器自由渦輪動力裝置的控制方法以及實施該方法的控制裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到優(yōu)化自由渦輪動力裝置的調節(jié)方法，所述動力裝置可向航空器提供動力，以及實施該方法的調節(jié)控制裝置。本發(fā)明涉及到安裝在航空器(例如，飛機和直升機)上的自由渦輪動力裝置，能夠提供動力。特別是，這些裝置可通過帶有多級減速器的動力傳輸箱來直接和/或間接地向航空器的設備(交流發(fā)動機、泵、增壓器、空調)提供動力。這些動力裝置包括輔助動力裝置(縮寫形式:APUs)和主動力裝置(縮寫形式:MPUs) 0輔助動力裝置用于飛機主發(fā)動機的起動和/或在地面時提供非推進能量(氣動、電動和/或液壓)。某些牢固的輔助動力裝置也可在發(fā)動機出現(xiàn)故障時干預飛行并試圖重新起動發(fā)動機和/或向上述設備提供能量。主動力裝置屬于發(fā)動機類，因為它們可滿足主發(fā)動機的安全標準，特別是在發(fā)動機出現(xiàn)故障時。不論是在材料還是尺寸上，這些裝置都是基于更為可靠的輔助動力裝置，從而獲得發(fā)動機類型的標識。通常，動力裝置包括壓氣機組件/燃燒室/構成燃氣發(fā)生器的渦輪。在空氣/燃料混合并燃燒后，熱的燃氣在高壓渦輪級(縮寫形式:HP)膨脹，高壓渦輪經由高壓軸或高壓體將所產生的熱動力部分地傳輸給高壓壓氣機級。排出氣體的熱動力也可驅動自由渦輪(縮寫形式:TL)，后者進而經由低壓自由渦輪軸機械地將動力傳輸給動力發(fā)生器的設備(交流發(fā)電機、泵、增壓器等)?，F(xiàn)有技術狀態(tài)通常，調節(jié)系統(tǒng)提供并測量噴入燃氣發(fā)生器燃燒室內的燃料的量，從而將其調整到所要求的動力級。在加速或減速之后，高壓體的速度適合這種噴射，從而達到恒定速度級并提供熱動力給低壓體。傳輸給低壓體的動力而后以電子控制箱(BEC)所需要的恒速而提供所需要動力。在動力裝置中，已知燃料噴射調節(jié)包括如下步驟:-對燃料進行加壓，以合適的壓力將燃料噴入燃燒室，-測量燃料流量是否在預定的流量范圍內，以便將燃氣發(fā)生器所提供的動力級調節(jié)到所需動力級，-測量并控制高壓體轉子轉速，以便所述轉速保持在預定工作范圍內，-測量并控制低壓體的轉子轉速，以及-根據低壓體轉速設定值和其測量轉速之間的差，確定高壓體轉速的設定值，以及根據高壓體轉速的確定設定值和其此前測量值之間的差，確定噴入燃燒室的燃料流量的設定值。而后，通過初步選擇其轉速，該轉速接近其允許最大轉速，施加每個設備的轉速，此時，其動力供應能力最大。在這些情況下，對于在這個轉速時的長期使用來講，每臺設備的質量和成本最小。此外，諸如增壓器這樣的一些設備必須能夠提供不同的經調整的流量，即在地面時為低流量，飛行時為高流量。流速按調整值表示，從而可以對流速進行比較，不論進氣口處的環(huán)境條件如何。為此，對于在整個飛行包線中的使用來講，在增壓器上設置了可變幾何的空氣流量。對這種燃料噴射調節(jié)構型的優(yōu)化是通過低壓體保持被驅動設備的轉速接近最大轉速來實現(xiàn)的，以便提供所需量的動力。特別是，采用增壓器的驅動轉速不發(fā)生變化。而且，只選擇可變幾何的空氣流量，從而使得增壓器笨重，成本高。于是，只通過實現(xiàn)提供最大動力來引導自由渦輪轉速的最初選擇，在提供不同動力級期間，不進行任何有效優(yōu)化。在這些情況下，在動力瞬變過程期間，動力裝置的調節(jié)系統(tǒng)僅在低壓體欠速(underspeed)時起作用，所述欠速是指低于低壓體設定轉速。然而，在動力瞬變過程中，低壓體的速度偏移是很重要的，因為相對于與所連接動力渦輪的燃氣發(fā)生器來講，控制環(huán)路的長響應時間和低壓軸的低慣性?？梢钥闯?，轉速偏移遠遠超過了允許范圍，特別是，在突然卸載(power shed)情況下,速度偏移幅度會超過最大轉速,或在高需求動力的情況下，轉速偏移幅度會低于最低轉速。為此，在超速的情況下，被一起驅動的設備不再能夠提供每個設備所需求的動力。在超速的情況下，監(jiān)測裝置會根據要求而立即停止動力裝置，于是，不再提供所有動力了。
發(fā)明內容
確切地來講，本發(fā)明的目的是優(yōu)化燃料噴射調節(jié)，以避免出現(xiàn)上述問題。為此，設備的傳動速度根據動力情況通過調節(jié)自由渦輪轉速來匹配。更確切地說，本發(fā)明的目的是優(yōu)化上述類型的自由渦輪動力裝置的調節(jié)方法，所述裝置能夠向航空器設備提供動力。按照這種方法，低壓體的轉速是變化的，目的是獲得最小高壓體轉速，以便使得各個設備所提供的動力保持恒定不變。根據優(yōu)選的實施例，因為各個設備所提供的動力數量取決于低壓體所驅動的轉速，自由渦輪低壓體轉速設定值取決于設備最小轉速的最大值，所述轉速能夠以優(yōu)化方式獲得所要求的動力數量，并取決于補充到低壓體轉速設定值的正增量或零增量，從而以各個設備提供的相等動力來使得高壓體轉速達到最小。根據具體實施例，每臺設備不斷提供的動力測量可以檢測出需要提供動力的穩(wěn)定操作，而且，在這種情況下，激活增量處理。按照有利實施例，根據各個設備和自由渦輪的有效曲線，通過計算確定增量，或通過檢測高壓體轉速的變化來確定增量，而后施加所述增量，直到高壓體轉速最小時為止。特別是，對于每臺設備，對于傳輸到低壓體的高壓體熱動力級和對于動力裝置進氣口處溫度和壓力的每個環(huán)境條件，在增量是由計算而確定時，都會存在低壓體轉速的問題，因為低壓體可將最大機械動力提供給其軸。有利的是，提供給每臺設備的動力保持在制造商所計算的范圍內，而由低壓渦輪直接或間接驅動該設備的轉速決定了在這些范圍內提供動力的能力。根據該能力提供所述動力可以僅使用一部分動力，從而避免了任何浪費，而且，這部分動力是在動力需求和提供動力級之間確定的。對于每臺設備來講，于是，所提供的動力級是該設備被驅動的轉速的函數，而所需動力的提供是根據其被驅動的轉速來優(yōu)化的。
此外低壓渦輪的設定轉速的確定可以增加設備轉速至最大，目的是:-使得設備功能在整個飛行包線中達到最大，-增加低壓渦輪和各個設備的整體效能，以便減少燃料消耗，-通過在確定范圍內改變轉速來限定設備所產生的噪音，特別是在地面時。此外，在飛行時，增壓器通過轉速變化而帶有一個附加自由度。從而可以實現(xiàn)體積的減小，且同時保持其性能不變。飛行中調節(jié)的空氣流量是按增壓器設定的。其可在最大速度時進行。為此，在地面時，因為所要求的調節(jié)空氣流量較低，驅動速度得以降低。此外，自由渦輪的效能的變化則會引起在飛行中相對于地面時的速度增加。這兩個因素的結合則會實現(xiàn)燃料消耗的下降。此外，根據設備被驅動時的速度，可獲得每個設備的最佳效能和噪音級，該速度消耗(deduct from)根據上述方法提供給每臺設備的動力。特別是,該速度的下降則會降低增壓器和燃氣發(fā)生器所發(fā)出的噪聲級，從而滿足地面和最后進場時對噪聲污染的要求。根據有利的實施例，低壓體轉速設定值首先且可一直進行調節(jié)，目的是:-將低壓體轉速調整到提供每臺設備所需的動力上；-根據所需動力，將高壓體提供的動力降到最小，從而將低壓體轉速調整到最大整體效能；-將低壓體的轉速調整到具體應用條件，特別是，將噪聲級降到最小。根據最佳實施例，所述方法提供了附加預期步驟，在這個步驟時，動力裝置高壓體速度設定值是根據所需動力和/或所測量動力的變化來調節(jié)的。有利的是，該“預期”功能可預期發(fā)動機轉速調節(jié)的正常反應?？梢灶A期高壓體轉速的應用變化，從而將與此前高壓體速度相關的動力需求調整到與高壓體速度相關的新的動力需求，而所述高壓體速度是以穩(wěn)態(tài)條件下獲得的。有關所需動力變化的數據很快便可獲知，從而可以最佳預期高壓體的反應情況。對所需動力的快速知曉會立即作用在高壓體設定值上并從而直接作用在高壓體速度上，使得低壓體速度的變化幅度要小得多。為此，獲得的這些變化值處于設備制造商所允許的范圍內和自由渦輪的范圍內，例如，所述速度變化幅度下降30-10%。無需進行卸載，且動力供給的可靠性得到保證。本發(fā)明還涉及到能夠實施上述方法的調節(jié)控制裝置。該控制裝置包括低壓體速度調速器，高壓體速度調速器和燃料流量調節(jié)器。低壓體速度調速器包括比較工具，該比較工具根據每臺設備的速度按照動力變化數據以及根據測量結果確定低壓體速度設定值，所述測量值是由測量所提供動力數量和對應于每臺設備所需動力數量的最小轉速的裝置發(fā)送的，所述每臺設備由動力裝置驅動。減法器測量該設定值和低壓體速度之間的差。該差被送至第一轉換器，后者將其轉換成高壓體速度差，再送至高壓體速度調速器。該高壓調節(jié)器包括根據第一轉換器確定高壓體速度設定值的裝置。高壓速度設定值經過限制濾波器(limiting filter)，后者在允許范圍內重新確定設定值。而后，重新確定的設定值以流速設定值形式經由第二轉換器送至流量調節(jié)器。在流量調節(jié)器內，設定值經過限制濾波器，后者在允許范圍內重新確定設定值，而后，以指令形式發(fā)送到流量計量閥。
根據具體實施例:-高壓體速度值的減法器在連續(xù)兩次向所述工具提供修正增量，該工具用于確定低壓速度設定值，與此同時，考慮了修正低壓體速度工具內所測量動力的恒定性；-另外，噪聲限制濾波器與低壓體速度修正工具相聯(lián)接；-在其提供給速度限制濾波器之前，預期比較器可以根據所提供動力和所測量動力之間的變化量來修正動力裝置高壓體速度設定值；-測量持續(xù)提供給每臺設備的動力的裝置，所述測量為直接的，具體是用瓦特計或扭矩計-轉速表組件，或間接地通過數據計算，具體是使用來自相應儀器的電流電壓值；-根據航空器飛行系統(tǒng)的駕駛和控制裝置所發(fā)送的指令，以及根據其它已經獲得的參數，特別是溫度和壓力的環(huán)境條件或電力發(fā)電機輸入端/輸出端的狀態(tài)，在高壓速度調速器輸入端的數字處理裝置內，對需求動力的變化進行量化。附圖簡要說明通過下面具體實施例的非限定性說明，參照附圖，本發(fā)明的其它方面、特性和優(yōu)點會顯現(xiàn)出來，附圖分別如下:-
圖1為低壓體在各個環(huán)境條件下根據其轉速提供給其軸的機械動力變化曲線圖；-圖2為一個設備根據其驅動轉速的效能曲線，目的是確定該設備所需要的動力；以及-圖3為根據本發(fā)明的調節(jié)控制裝置示例的方框圖。
具體實施方式
的詳細說明參照圖1，該圖給出了由動力裝置低壓體提供的機械動力Pf的曲線Cl至Cn，所述動力裝置裝有自由渦輪。示出了根據低壓體轉速Vbp給出的動力Pf，適用于限定的環(huán)境條件，即低壓體輸入端的溫度和壓力，和高壓體的各種熱動力級，HPl至HPn。每個曲線Cl至Cn都帶有“兩角帽”的外形。然后，最大動力值Ml至Mn對應于最佳速度Vtjl,...，Vm，這些速度都是處在最佳曲線Cm上。存儲該最佳曲線CM，以便在調節(jié)控制裝置內使用，從而通過計算確定增量幅度。此外，圖2示出了根據驅動某個設備(此處為增壓器)的速度Ve提供給該設備的給定動力級的效能曲線CR。獲得最佳速度Vtj的最大效能Rm，該速度接近其允許最大速度\。另外，存儲了所有設備的速度％，目的是在下面介紹的調節(jié)控制裝置內使用。參照圖3，給出了調節(jié)控制裝置I的一個示例，該調節(jié)控制裝置包括三個調節(jié)器
11、12和13。該調節(jié)控制裝置置于航空器的自由渦輪動力裝置內，與航空器駕駛系統(tǒng)和控制裝置相連，以便接收調節(jié)數據和指令。控制裝置I的調節(jié)器如下:-轉速調節(jié)器11，用來調節(jié)動力裝置自由渦輪低壓體的驅動軸，-轉速調節(jié)器12，用來調節(jié)動力裝置自由渦輪的高壓體，以及-動力裝置燃料流量調節(jié)器13。對于每臺設備El, E2，...，曲線Cml, Cm2,...，速度VI，V2,...,對應于所要求的動力數量Pdl，Pd2，...，針對低壓體進氣口處溫度和壓力的每個環(huán)境條件，都是由制造商確定的。每個曲線Cml，Cm2,...盡可能始終了解最小速度Vml，Vm2,,設備可根據該速度提供所需部分動力。
為了方便數據采集，各個設備的旋轉數值被轉換成低壓體軸的旋轉數值，考慮了齒輪系的減速和/或倍增系數，這些都是通過(例如)動力傳輸箱來集中。對于示例中的成套設備Ei來講，最小速度Vmi的最大值Max (Vmi)是在環(huán)境條件下確定的。該值Max(Vmi)是該組設備Ei中每臺設備的最大允許速度。在采用該值Vmi的情況下，所有的從動設備都能夠提供這些設備所需動力。有利的是，所獲得的值Max (Vmi)可以與允許限定值進行比較，具體是在50%至100%的范圍內。如此確定的值Max (Vmi)傳送給低壓體速度調節(jié)器11的加法器SI。在每次確定低壓體速度設定值時，該加法器SI也可整合低壓體速度的正增量”e”，此處等于1%，從而給出低壓體速度設定值Cbp，于是:Cep=Max (Vmi) +e該低壓體速度增量"e"是有條件地引入，直到高壓體速度Vhp達到最小。高壓體速度的變化通過提供差值數據“d”而在減法器S2內被監(jiān)視。如果在時刻t時所測量的高壓體速度(Vhp) t的值低于此前時刻t-Ι的值時，即(VHP)t-l，那么，這兩個值之間的差值“d”為負。此外，如果在低壓體上所測量動力Pm在這個時間間隔(t-t-Ι)保持恒定不變，那么，修正工具01 (應用Pm)就將“e”等于1%的值送至加法器SI。如果相反，增量值等于O。這種修正就可使其免于測量波動，并可計算出增量值“e”。此外，也可通過計算來進行增量處理。在每臺設備的某個所提供的動力上，可以使用各種形式:建模、方程式的形成和尋找最小點、反復驗算等等。所追求的目的是找出低壓體速度，該速度可使得高壓體速度為最小，而每臺設備提供的動力仍保持恒定不變。例如，對于一臺設備i來講，根據每個傳動速度提供動力Pmi相當于該設備i的驅動動力Pmi。Pmi之和給出低壓體在這個速度Vbp時提供的動力。呈兩角帽形式的曲線給出對應的Vhp值。然后，通過計算，確定Vbp的最小值。與噪音BI相關的數據可方便地引入到修正工具01內。只要設備內的噪聲級高于最高值，例如IOOdB時，噪聲數據也會激活增量“e”，以小于該閾值的級來對該噪聲進行最小化調節(jié)，采用方式與該速度Vhp的方式相同。低壓體速度的設定值Cbp由加法器SI提供并傳送給減法器S3，后者將低壓體速度的所測值VmBP與值Cbp進行比較。轉換器C2將低壓體速度變化值轉換成高壓體的相等的速度變化值VHP。該速度變化值Vhp被送到高壓體速度調節(jié)器12的預期減法器S4處。減法器S4將該速度變化值Vhp與來自比較器C3的值進行比較，以處理預期“定律”，從而獲得高壓體速度設定值CHP。該預期定律在于根據設備所要求的動力Pd的變化和傳動軸上所測動力Pm的變化來修正高壓體的速度VHP。為此，預期定律可以根據將要提供的和將要測量的動力數量的變化值確定動力需求變化值和確定需應用的速度Vhp變化值，以滿足新的動力需求。然后，將高壓體的速度設定值Chp與限制濾波器22內的限定值進行比較，所述濾波器可在允許范圍內重新確定設定值。在濾波器22的輸出端，將速度設定值Chp與減法器S5內的速度測量值VmHP進行比較。所獲得的差值被整合到轉換器C4內，后者將速度差值轉換成燃料流量差值，從而作為輸出而提供燃料流量設定值C。。該燃料流量設定值Cc以指令形式傳送給流量調節(jié)器13，并經由限流閥24傳送給流量計量閥23。而后，噴入動力裝置燃燒室內的燃料流量的變化會對高壓體速度進行修正，進而對所提供的能量級進行修正。對于恒定動力需求來講，高壓體速度Vhp變化則會對低壓體速度Vbp進行修正:形成新的控制環(huán)路以控制速度。
權利要求
1.一種調節(jié)航空器自由渦輪動力裝置的優(yōu)化方法，所述航空器配有向設備(El, E2,...)提供動力并與高壓體相連的低壓體，其特征在于，該方法包括根據各個設備最小速度(Vml，Vm2)的最大值(Max(Vmi))和正增量或零增量(e)來改變低壓體速度(Vbp)，以獲得高壓體最小速度(Vhp)，從而使得設備所提供的動力(Pf)保持恒定不變。
2.根據權利要求1所述的優(yōu)化方法，其特征在于，因為各個設備提供的動力(Pf)取決于所述低壓體驅動所述設備時的速度，自由渦輪的所述低壓體的速度設定值(Cbp)取決于所述設備的最小速度(Vml，Vm2)的最大值(Max(Vmi))，可使各個所要求的動力數量以最佳方式獲得并取決于加到所述低壓體的速度設定值(Cbp)上的正增量或零增量(e)，以便以所述各個設備提供的相等動力 來使得所述高壓體的速度(Vhp)達到最小。
3.根據權利要求1和2中任一項所述的優(yōu)化方法，其特征在于，每個設備連續(xù)提供的動力測量(Pf)可以檢測提供動力需求的穩(wěn)定操作，而且，在這種情況下，可激活增量處理。
4.根據權利要求1到3中任一項所述的優(yōu)化方法，其特征在于，該增量是通過計算各個設備和自由渦輪的效能曲線確定。
5.根據前面權利要求所述的優(yōu)化方法，其特征在于，對于所述每臺設備，對于傳送給所述低壓體的所述高壓體的熱動力級和對于所述動力裝置進口處溫度和壓力的每個環(huán)境條件，所述低壓體的速度可將最大機械動力提供給其軸。
6.根據權利要求1到3中任一項所述的優(yōu)化方法，其特征在于，增量是通過檢測所述高壓體的速度變化來確定的，然后施加所述增量一直到所述高壓體的速度最小為止。
7.根據前面任一項權利要求所述的優(yōu)化方法，其特征在于，首先并一直對所述低壓體的轉速設定值(Cbp)進行調節(jié)，以便將等到低壓體的轉速(Vbp)調整到提供每個設備所需動力(Pd)上，和/或通過根據所需動力來對低壓渦輪所提供的動力最小化而將等到低壓體的轉速(Vbp)調節(jié)到最大整體效能，和/或將等到低壓體的轉速(Vbp)調整到具體使用條件，特別是使噪聲級(BI)降到最小。
8.根據前面任一項權利要求所述的優(yōu)化方法，其特征在于，所述方法提供了附加的預期步驟，按照該步驟，所述動力裝置的等到高壓體的速度設定值(Vhp)是根據各個設備所需動力(Pd)變化并根據傳動軸上所測動力(Pm)變化來調節(jié)。
9.夠實施前面任一項權利要求所述方法的調節(jié)控制裝置，其特征在于，其包括低壓體速度調節(jié)器(11)、高壓體速度調節(jié)器(12)和燃料流量調節(jié)器(13)，其特征還在于，所述低壓體速度調節(jié)器包括比較工具(Ol)，該比較工具根據每臺設備速度按照動力變化數據以及根據測量值確定所述低壓體的速度設定值(Cbp)，所述測量值是由測量所提供動力數量(Pf)和對應于所述每臺設備所需動力數量(Pd)的最小轉速(Vmi)的裝置發(fā)送，所述每臺設備由動力裝置驅動，其特征還在于，減法器測量所述確定設定值(Cbp)和低壓體的速度(Vbp)之間的差，其特征還在于，該差被送至第一轉換器(C2)，后者將其轉換成高壓體的速度差，再送至所述高壓體速度調節(jié)器(12)，其特征還在于，該高壓體調節(jié)器包括確定來自所述第一轉換器(C2)的高壓體速度設定值(Chp)的裝置(S4，C3)，以及其特征還在于，所述高壓體速度設定值(Chp)通過限制濾波器(22)，后者在允許的范圍內重新確定設定值，該重新確定的設定值然后以流速設定值(Cc)形式經由第二轉換器(C4)送至所述流量調節(jié)器(13)。
10.根據前面權利要求所述的調節(jié)控制裝置，其特征在于，所述流量調節(jié)器的設定值(Ce)通過所述限制濾波器(24)，在送至燃料計量閥(23)之前，在允許范圍內重新確定設定值。
11.根據權利要求9和10中任一項所述的調節(jié)控制裝置，其特征在于，高壓體的速度值的所述減法器連續(xù)兩次提供修正增量(e)給確定低壓體速度設定值的工具(01)，與此同時考慮了修正低壓體速度工具(01)內所測動力恒定不變。
12.根據權利要求9至11任一項所述的調節(jié)控制裝置，其特征在于，噪音限制濾波器(BI)聯(lián)接到低壓體的速度修正工具(01)上。
13.根據權利要求9至12任一項所述的調節(jié)控制裝置，其特征在于，預期比較器能夠根據所提供的動力(Pf)和驅動軸上所測動力(Pm)的變化情況在其提供給限速濾波器前對高壓體的速度設定值(Chp)進行修正。
14.根據權利要求9至13任一項所述的調節(jié)控制裝置，其特征在于，根據航空器飛行系統(tǒng)駕駛和控制裝置所傳遞的指令以及根據其它已經獲得的參數，所要求動力變化在高壓體速度調節(jié)器輸入端在數字處理裝置內進行量化。
15.括動力裝置、高壓體和低壓體速度以及燃料流量的調節(jié)控制裝置的航空器，其特征在于，該調節(jié)控制裝置為權利要求9到14任一項所述調節(jié)控制裝置，可用來實施權利要求I到8任一項所述優(yōu)化方法 。
全文摘要
本發(fā)明具體涉及燃料噴射控制的優(yōu)化。為此，各個設備的傳動速度根據動力通過控制自由渦輪的速度而得到調節(jié)。根據本發(fā)明，優(yōu)化航空器自由渦輪動力裝置控制的方法，所述航空器配有低壓體，其向各個設備(E1，E2，...)提供動力(Pd1，Pd2，...)并與高壓體相連接，所述方法包括改變低壓體的速度(VBP)，從而獲得高壓體的最小速度(VHP)，這樣，各個設備(E1，E2，...)提供的動力(Pf)保持恒定不變。特別是，因為各個設備(E1，E2，...)提供的動力取決于低壓體驅動所述設備時的速度，渦輪的低壓體的速度設定值(CBP)取決于各個設備(E1，E2，...)最小速度(Vm1，Vm2，...)的最大值(Max Vm(i))，以優(yōu)化方式獲得各自所需動力數量，并取決于添加到低壓體速度設定值(CBP)上的正增量或零增量(e)，以便最大限度地降低高壓體速度(VHP)至各個設備(E1，E2，...)的ISO動力供應上。
文檔編號F02C9/28GK103097696SQ201180040534
公開日2013年5月8日 申請日期2011年8月23日 優(yōu)先權日2010年8月25日
發(fā)明者吉恩-米歇爾·阿約 申請人:渦輪梅坎公司