主動間隙控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航空發(fā)動機領(lǐng)域，尤其涉及一種主動間隙控制方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]高壓潤輪主動間隙控制(HighPressure Turbine Active Clearance Control,以下簡稱HPTACC)技術(shù)是一種通過控制發(fā)動機高壓渦輪機匣與葉片之間的間隙，以達到降低發(fā)動機耗油率、延長使用壽命的技術(shù)措施，這種技術(shù)對減少污染物的排放也同時具有較大貢獻。
[0003]應(yīng)用HPTACC技術(shù)的系統(tǒng)常采用熱控制的原理，即利用從壓氣機或風(fēng)扇中抽取的冷卻空氣對高壓渦輪機匣及渦輪外環(huán)支撐件進行沖擊冷卻，通過控制冷卻空氣的流量和溫度，改變高壓渦輪機匣熱膨脹量，使轉(zhuǎn)子葉片與渦輪外環(huán)之間的間隙達到預(yù)期值。
[0004]由于HPTACC技術(shù)對發(fā)動機性能的提高非常明顯，因此適當(dāng)?shù)目刂品桨甘直匾?，目前通常有以下幾種現(xiàn)有的控制方法:
[0005]1、通過先進的葉尖間隙探測傳感器直接獲得葉尖間隙值，再反饋到控制系統(tǒng)中，通過自動調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)(即放氣閥門)來形成間隙閉環(huán)控制。這種控制方法在溫度高、振動大、壓力大的高壓渦輪環(huán)境中，會因傳感器的可靠性差而影響控制效果。
[0006]2、建立高壓渦輪間隙模型，通過將放氣閥門位置的反饋值和發(fā)動機相關(guān)狀態(tài)參數(shù)送入高壓渦輪間隙模型來計算處間隙虛擬值，再將該值與間隙目標值作比較，控制器則基于比較結(jié)果來調(diào)節(jié)伺服活門(或閥門)的位置值，從而實現(xiàn)渦輪間隙的閉環(huán)控制。這種方案對高壓渦輪間隙模型的精度要求非常高，而由于渦輪間隙受眾多參數(shù)的影響，要建立適用于全飛行包線內(nèi)的高精度渦輪間隙模型是很困難的。
[0007]3、研究表明，渦輪間隙和渦輪機匣溫度是存在密切規(guī)律的。因此有方案通過間接地控制高壓渦輪機匣溫度來控制渦輪間隙，但該方案的不足之處在于渦輪機匣溫度的控制計劃獲取困難，更重要的是由于渦輪機匣溫度傳感器響應(yīng)很慢，容易導(dǎo)致過渡態(tài)時放氣閥門頻繁作動，間隙控制精度變差。
[0008]4、根據(jù)發(fā)動機的不同飛行狀態(tài)直接給出執(zhí)行機構(gòu)(即放氣閥門)的位置，基于該位置進行伺服控制。這種方法簡單，控制響應(yīng)快，但明顯的不足之處是由于很難給出全飛行包線內(nèi)放氣閥門目標位置和高壓渦輪間隙之間的準確關(guān)系，實現(xiàn)上比較保守，穩(wěn)態(tài)間隙控制精度差，發(fā)動機發(fā)生性能退化情況下，間隙控制效果更差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是提出一種主動間隙控制方法及系統(tǒng)，能夠提高主動間隙的控制效果，獲得較好的間隙控制精度。
[0010]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種主動間隙控制方法，包括:
[0011]判斷航空發(fā)動機所處的當(dāng)前狀態(tài)，如果所述航空發(fā)動機處于穩(wěn)態(tài)，則選用由閉環(huán)控制器實現(xiàn)的基于間隙相關(guān)參數(shù)調(diào)節(jié)影響渦輪間隙的執(zhí)行機構(gòu)的閉環(huán)控制過程；
[0012]如果所述航空發(fā)動機處于過渡態(tài)，則選用由開環(huán)控制器實現(xiàn)的基于所述間隙相關(guān)參數(shù)調(diào)節(jié)所述執(zhí)行機構(gòu)的開環(huán)控制過程。
[0013]進一步的，所述閉環(huán)控制器和開環(huán)控制器均采用位置式控制形式。
[0014]進一步的，所述閉環(huán)控制過程具體包括:
[0015]根據(jù)所述間隙相關(guān)參數(shù)的目標值和所述間隙相關(guān)參數(shù)的傳感器實測信號值計算所述間隙相關(guān)參數(shù)的差值，并將所述間隙相關(guān)參數(shù)的差值作為輸入量輸入給所述閉環(huán)控制器；
[0016]所述閉環(huán)控制器根據(jù)所述間隙相關(guān)參數(shù)的差值向所述執(zhí)行機構(gòu)提供位置調(diào)整量，以便所述執(zhí)行機構(gòu)對所述渦輪間隙進行調(diào)整。
[0017]進一步的，所述開環(huán)控制過程包括:
[0018]將所述間隙相關(guān)參數(shù)的變化量和所述航空發(fā)動機性能參數(shù)的傳感器實測信號值作為輸入量輸入給所述開環(huán)控制器；
[0019]所述開環(huán)控制器根據(jù)所述間隙相關(guān)參數(shù)的變化量和所述航空發(fā)動機性能參數(shù)的傳感器實測信號值向所述執(zhí)行機構(gòu)提供位置調(diào)整量，以便所述執(zhí)行機構(gòu)對所述渦輪間隙進行調(diào)整。
[0020]進一步的，所述閉環(huán)控制器和開環(huán)控制器均采用增量式控制形式。
[0021]進一步的，所述閉環(huán)控制過程具體包括:
[0022]根據(jù)所述間隙相關(guān)參數(shù)的目標值和所述間隙相關(guān)參數(shù)的傳感器實測信號值計算所述間隙相關(guān)參數(shù)的差值，并將所述間隙相關(guān)參數(shù)的差值作為輸入量輸入給所述閉環(huán)控制器；
[0023]所述閉環(huán)控制器根據(jù)所述間隙相關(guān)參數(shù)的差值按周期向累加器輸出位置調(diào)整增量;
[0024]所述累加器通過累加所述位置調(diào)整增量向所述執(zhí)行機構(gòu)提供位置調(diào)整量，以便所述執(zhí)行機構(gòu)對所述渦輪間隙進行調(diào)整。
[0025]進一步的，所述開環(huán)控制過程包括:
[0026]將所述間隙相關(guān)參數(shù)的變化量和所述航空發(fā)動機性能參數(shù)的傳感器實測信號值作為輸入量輸入給所述開環(huán)控制器；
[0027]所述開環(huán)控制器根據(jù)所述間隙相關(guān)參數(shù)的變化量和所述航空發(fā)動機性能參數(shù)的傳感器實測信號值按周期向累加器輸出位置調(diào)整增量；
[0028]所述累加器通過累加所述位置調(diào)整增量向所述執(zhí)行機構(gòu)提供位置調(diào)整量，以便所述執(zhí)行機構(gòu)對所述渦輪間隙進行調(diào)整。
[0029]進一步的，所述間隙相關(guān)參數(shù)的目標值由所述渦輪間隙的預(yù)設(shè)控制目標值和所述航空發(fā)動機性能參數(shù)的傳感器實測信號值確定。
[0030]進一步的，所述判斷航空發(fā)動機所處的當(dāng)前狀態(tài)的操作具體包括:
[0031]根據(jù)所述航空發(fā)動機的轉(zhuǎn)速傳感器實測信號值確定旋轉(zhuǎn)加速度；
[0032]根據(jù)所述旋轉(zhuǎn)加速度確定當(dāng)前的穩(wěn)態(tài)系數(shù)，并通過比較所述當(dāng)前的穩(wěn)態(tài)系數(shù)和預(yù)設(shè)的穩(wěn)定閾值來判斷所述航空發(fā)動機所處的當(dāng)前狀態(tài)。
[0033]進一步的，所述判斷航空發(fā)動機所處的當(dāng)前狀態(tài)的操作具體包括:
[0034]根據(jù)所述航空發(fā)動機的轉(zhuǎn)速傳感器實測信號值確定旋轉(zhuǎn)加速度；
[0035]根據(jù)所述旋轉(zhuǎn)加速度和上一增量周期的穩(wěn)態(tài)系數(shù)確定當(dāng)前增量周期的穩(wěn)態(tài)系數(shù)，并通過比較所述當(dāng)前增量周期的穩(wěn)態(tài)系數(shù)和預(yù)設(shè)的穩(wěn)定閾值來判斷所述航空發(fā)動機所處的當(dāng)前狀態(tài)。
[0036]進一步的，還包括判斷是否啟用主動間隙控制過程的操作，具體包括:
[0037]判斷所述航空發(fā)動機的轉(zhuǎn)速傳感器實測信號值的幅值是否高于預(yù)設(shè)慢車轉(zhuǎn)速幅值閾值，是則啟用主動間隙控制過程，否則停用主動間隙控制過程。
[0038]進一步的，還包括:
[0039]在所述航空發(fā)動機處于穩(wěn)態(tài)，且所述閉環(huán)控制器發(fā)生故障時，選用由所述開環(huán)控制器實現(xiàn)的基于所述間隙相關(guān)參數(shù)調(diào)節(jié)所述執(zhí)行機構(gòu)的開環(huán)穩(wěn)態(tài)備份控制過程。
[0040]進一步的，還包括:
[0041]在所述航空發(fā)動機處于穩(wěn)態(tài)時，記錄所述閉環(huán)控制器與開環(huán)控制器的輸出值的誤差，并按照預(yù)設(shè)飛行循環(huán)周期，基于所述誤差對所述開環(huán)控制器的參數(shù)進行修正。
[0042]進一步的，所述間隙相關(guān)系數(shù)為渦輪機匣溫度、高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或低壓渦輪出口壓力。
[0043]進一步的，所述執(zhí)行機構(gòu)為冷空氣伺服活門，所述冷空氣伺服活門的控制量為對應(yīng)于伺服活門開度的位置調(diào)整量。
[0044]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種主動間隙控制系統(tǒng)，包括:
[0045]閉環(huán)控制單元，用于通過閉環(huán)控制器實現(xiàn)基于間隙相關(guān)參數(shù)調(diào)節(jié)影響渦輪間隙的執(zhí)行機構(gòu)的閉環(huán)控制過程；
[0046]開環(huán)控制單元，用于通過開環(huán)控制器實現(xiàn)基于所述間隙相關(guān)參數(shù)調(diào)節(jié)所述執(zhí)行機構(gòu)的開環(huán)控制過程；
[0047]發(fā)動機狀態(tài)判斷單元，用于判斷航空發(fā)動機所處的當(dāng)前狀態(tài)；
[0048]控制過程選擇單元，用于在所述發(fā)動機狀態(tài)判斷單元確定所述航空發(fā)動機處于穩(wěn)態(tài)時，選用所述閉環(huán)控制單元實現(xiàn)的閉環(huán)控制過程，在所述發(fā)動機狀態(tài)判斷單元確定所述航空發(fā)動機處于過渡態(tài)時，選用所述開環(huán)控制單元實現(xiàn)的開環(huán)控制過程。
[0049]進一步的，所述閉環(huán)控制器和開環(huán)控制器均采用位置式控制形式。
[0050]進一步的,所述閉環(huán)控制單元具體包括:
[0051]差值計算單元，用于根據(jù)所述間隙相關(guān)參數(shù)的目標值和所述間隙相關(guān)參數(shù)的傳感器實測信號值計算所述間隙相關(guān)參數(shù)的差值；
[0052]第一閉環(huán)控制器，用于接收所述差值計算單元輸入的所述間隙相關(guān)參數(shù)的差值，并根據(jù)所述間隙相關(guān)參數(shù)的差值向所述執(zhí)行機構(gòu)提供位置調(diào)整量，以便所述執(zhí)行機構(gòu)對所述渦輪間隙進行調(diào)整。
[0053]進一步的，所述開環(huán)控制單元具體包括:
[0054]第一開環(huán)控制器，用于接收所述間隙相關(guān)參數(shù)的變化量和所述航空發(fā)動機性能參數(shù)的傳感器實測信號值，并根據(jù)所述間隙相關(guān)參數(shù)的變化量和所述航空發(fā)動機性能參數(shù)的傳感器實測信號值向所述執(zhí)行機構(gòu)提供位置調(diào)整量，以便所述執(zhí)行機構(gòu)對所述渦輪間隙進行調(diào)整。
[0055]進一步的，所述閉環(huán)控制器和開環(huán)控制器均采用增量式控制形式。
[0056]進一步的,所述閉環(huán)控制單元具體包括:
[0057]差值計算單元，用于根據(jù)所述間隙相關(guān)參數(shù)的目標值和所述間隙相關(guān)參數(shù)的傳感器實測信號值計算所述間隙相關(guān)參數(shù)的差值；
[0058]累加器，用于通過累加位置調(diào)整增量向所述執(zhí)行機構(gòu)提供位置調(diào)整量，以便所述執(zhí)行機構(gòu)對所述渦輪間隙進行調(diào)整；
[0059]第二閉環(huán)控制器，用于接收所述差值計算單元輸入的所述間隙相關(guān)參數(shù)的差值，并根據(jù)所述間隙相關(guān)參數(shù)的差值按周期