用于调节燃气涡轮机的方法和系统以及包括该系统的燃气 涡轮机 背景技术 本发明涉及燃气涡轮机的控制， 特别地， 但是不是专门地涉及用于航空发动机 ( 特别是涡轮喷气发动机 ) 的燃气涡轮机。
在涡轮喷气发动机中， 提供有多个控制循环， 更特别地 ：
- 主控制循环， 用于通过对输送到燃气涡轮机的燃烧室的燃料的流速起作用， 将涡 轮喷气发动机的速度强制同步于速度设定点上， 所述速度设定点依赖于所期待的推力。
- 本地控制循环， 用于强制同步变几何部分的位置。
在具有多个线轴， 例如具有低压 (LP) 线轴 ( 压缩机和涡轮机 ) 以及高压 (HP) 线 轴的涡轮喷气发动机中， 由主控制循环所伺服控制的量值可以是连接低压涡轮机与低压压 缩机的轴的旋转 NLP 的速度。 可以使用别的量值， 尤其是发动机压力比 ( 或是 EPR)， 即低压 压缩机 ( 或风扇 ) 入口处的压力与低压压缩机 ( 或风扇 ) 出口处的压力的比值。
一部分可变几何， 此后也被命名为 “可变几何” ， 其位置强制同步于依赖于涡轮喷 气发动机的速度的设定点的值， 该速度可以减小或在瞬态相位中 ( 从一个速度切换至另一 个速度 )。众所周知的可变几何的例子是装配有如下部件 ： 具有可变设定角度的压气机定 子叶片， 或者 VSV( 变距定子叶片 )， 用于收集空气以排出压缩机的阀门， 或者在飞行过程中 在涡轮喷气发动机的整个操作时间中被控制的 VBV( 可变排气阀 )， 或者进一步地用于收集 压缩机瞬时排放空气的阀门， 或者在特殊飞行状态中被控制的 TBV( 瞬时排气阀 )。
为了确保涡轮喷气发动机的良性运行， 特别地为了避免压缩机停转、 燃烧熄火或 超速， 门限值被引入到主控制循环中， 该门限值在涡轮喷气发动机所要求的速度的变化中， 限制燃料流速的增加或减少。 这些门限值依赖于在速度发生变化的时刻所估计的涡轮喷气 发动机的热动力状态而被计算出来。如今， 在某些环境中以及特别地在速度连续变换的过 程中， 在所估计的涡轮喷气发动机的热动力状态与其真实的状态之间有可能存在明显的差 异， 这使得要在计算出的门限值或压缩机的标注尺寸上增加额外的余量。
发明内容 本发明目的在于补救前面所述的缺陷， 根据第一方面， 针对这一目的提出一种用 于控制燃气涡轮机的方法， 所述燃气涡轮机包括 ： 具有至少一部分可变几何的压缩机部件、 燃烧室以及涡轮机部件。所述方法包括 ：
- 基于所期望的燃气涡轮机速度， 产生被输送到燃烧室的燃料的流量设定值 ；
- 计算门限值， 以保持燃料流量的设定值大于或等于最小极限值且小于或等于最 大极限值， 所述门限流值取决于燃起涡轮机的热动力状态 ； 以及
- 根据测出的代表可变几何部分的瞬时位置的位置信息与设定点的位置信息之间 的差异， 通过控制致动装置来控制可变几何部分的位置，
在本发明所述方法中所述门限值根据测出的代表可变几何部分的瞬时位置的位 置信息或根据这种测出的位置信息与设定点的位置信息之间的差异通过实时计算自动调
整。 因此， 值得注意的是本发明将一部分代表可变几何的实际位置的信息考虑进去， 这使得为了以最优的方式计算门限值而尽可能接近涡轮喷气发动机的瞬时的真实的热动 力状态成为可能。
因此 ：
- 在压缩机部件与控制的性能相同的情况下， 在过渡到更高速度的过程中， 加速时 间可以得到改善， 而停转的风险可以被降低， 或者
- 在控制的性能相同的情况下， 所述压缩机部件可以通过减少停转余量而被优化， 因此整体上被减少， 或者
- 在压缩机部件的性能相同的情况下， 在控制的规格说明中， 可以允许更大的偏 差。
根据本发明所述方法的一个实施例， 所述门限值是根据与可变几何部分的设定点 的位置相对应的燃气涡轮机的热动力状态计算得到的， 并且根据可变几何部分测出的位置 与设定点位置之间的差异进行实时校正。
根据本发明所述方法的另一个实施例， 所述门限值是根据燃气涡轮机的热动力状 态通过直接考虑所测得的可变几何部分的位置计算得到的。
所述可变几何部分可以是压缩机部件中具有可变设定角度的定子叶片和用于收 集空气的阀门的部件中至少之一。
所述计算出的门限值可以是燃料空气比值 C/P， 其中， C 为将要输送到燃烧室中的 燃料流速， 而 P 为压缩机部件出口处的压力。
根据本发明的第二方面， 后者涉及用于控制燃气涡轮机的系统， 该燃气涡轮机包 括： 具有至少一个可变几何部分的压缩机部件、 燃烧室以及涡轮机部件， 所述控制系统包 括：
- 用于根据燃气涡轮机所期望的速度产生将要输入到燃烧室的燃料的流量设定值 的电路， 所述用于产生燃料流量设定值的电路包括用于计算门限值的电路， 以保持燃料流 量的设定值大于或等于最小极限值且小于或等于最大极限值 ；
- 用于控制可变几何部件位置的电路， 包括位置传感器， 以提供代表可变几何部件 的测得位置的信息， 包括作用于可变几何部件的致动器， 用来控制可变几何部件的位置， 还 包括用于控制致动器以将可变几何部件的位置强制设定于设定点位置上的电路。
在本发明所述的控制系统中， 为了根据所测得可变几何部件的位置或根据所测得 的位置与设定点位置之间的差异， 通过实时计算来自动地调整门限值， 所述用于计算门限 值的电路与用于控制所述可变几何部件位置的电路相连。
根据一个实施例， 所述用于计算门限值的电路被设计为根据与可变几何部件的设 定点位置相对应的燃气涡轮机的热动力状态计算门限值， 并用于根据可变几何部件的所测 得位置与其设定点位置之间的差异来校正计算出的门限流值。
根据另一个实施例， 所述用于计算门限值的电路被设计为通过直接考虑所测得的 可变几何部分的位置， 根据燃起涡轮机的热动力状态计算门限值。
根据所述控制系统的特性， 所述用于计算门限值的电路与至少一个用于控制可变 几何部件的位置的电路相连， 所述可变几何部件选自 ： 压缩机部件中具有可变设定角度的
定子叶片和用于收集空气的阀门。
根据所述调节系统的另一个特性， 所述用于计算门限值的电路被设计为计算燃料 空气比的门限值 C/P， 其中， C 为将要输送到燃烧室中的燃料流速， 而 P 为压缩机部件出口处 的压力。
依然根据本发明的另一方面， 本发明涉及一种燃气涡轮机， 特别地， 涉及一种装备 有上述控制系统的飞机涡轮喷气发动机， 附图说明
通过阅读下述说明性的描述， 可以更加清楚地理解本发明。所述描述是参照说明 书附图进行的， 为非限制性的描述。其中 ：
图 1 示出了飞机涡轮发动机的示意图 ；
图 2 示出了现有技术中用于控制涡轮喷气发动机的系统的示意图 ；
图 3 和 4 表示燃料流速中和代表燃料 / 空气混合物的燃料空气比率 (C/P) 的量相 对于速度 ( 或减少的速度 ) 变化的曲线图 ；
图 5 示出了在压缩机中具有可变设定角度的定子叶片的设定角度的变化 ( 根据 其中 N 为驱动压缩机的叶片的旋转速度， 而 T 为压缩机的入口处的温度 )
图 6 和图 7 示出了根据本发明第一和第二实施例所述的涡轮喷气发动机的控制系 统的示意图。具体实施方式
如下描述是在本发明专利申请所述飞机涡轮喷气发动机的范围内进行的。 然而本 发明也可以应用于其它类型的航空燃气涡轮机， 诸如， 直升飞机涡轮机， 或应用于工业涡轮 机。
图 1 以图解的方式示出了用于飞机的双轴涡轮喷气发动机 10， 所述涡轮喷气发动 机 10 包括装配有喷射器的燃烧室 11， 燃烧室 11 中的燃烧气体驱动高压涡轮机 12 以及低压 涡轮机 13。所述高压涡轮机 12 通过高压轴与向燃烧室 11 提供压缩空气的高压压缩机 14 相连接， 而所述低压涡轮机 13 则通过低压轴与位于涡轮喷气发动机入口处的风扇 15 相连 接。
根据现有技术所述的控制系统的一个实施例如图 2 所示。
所述控制系统包括主控制循环 100， 用于将涡轮喷气发动机的速度强制限定于与 所期待的推力相对应的值上。举例说明， 所述强制限定的量值为低压轴 16 的旋转 NLP 的速 度。
所述主控制循环包括函数发生器 102， 该函数发生器 102 接收推力的设定点的信 息， 所述信息通常通过推力杆角度 αman 来表示， 并且所述函数发生器 102 将这一信息转换 * 为低压轴速度的设定点的数值 NLP 。
传感器 ( 未示出 ) 提供关于低压轴的瞬时实际数值 NLP 的有代表性的信息。比较 器 104 提供了一个差值信号 εNLP， 所述差值信号 εNLP 的符号以及振幅反映了 NLP* 与 NLP 之间的实际差值。
所述差值 εNLP 通过 PID( 比例积分微分 ) 型校正电路 106 转换为代表燃料空气比设定点的数值 (C/P)*， 其中， C 为将要输送到燃烧室中的燃料流的速度， 而 P 为压缩机部件 出口处的压力。本质上， 所述压力 P 是在燃烧室中主要参数， 其代表输送到燃烧室中气流， C/P 的值代表了燃料 / 空气混合物的燃料空气比值 ( 即输送到燃烧室中的燃料流与空气流 之间的比值 )。
门限值处理电路 108 接收 C/P 的设定点的值 (C/P)*， 也就是对于量值 C/P 的临界 或最大门限值 C/Pmax 以及对于同一量值 C/P 的临界或最小门限值 C/Pmin， 所述门限值 C/Pmax 以及 C/Pmin 由计算电路 110 提供， 例如所述计算电路 110 集成于涡轮喷气发动机的发动机 控制单元 ECU。
所述电路 108 提供这样的设定点门限值 (C/P)** ：
当 (C/P)* ≤ C/Pmax 且 (C/P)* ≥ C/Pmin 时， (C/P)** ＝ (C/P)*
当 (C/P)* ＞ C/Pmax 时， (C/P)** ＝ C/Pmax， 并且 * **
当 (C/P) ＜ C/Pmin 时， (C/P) ＝ C/Pmin
电路 112 接收设定点的门限值 (C/P)** 以及代表高压压缩机出口处压力 P30 的信 息， 并且提供设定点的燃料流量的数值 C*， 以控制燃料测量单元 120 的测量装置 122， 用来 * 向燃烧室输送与设定点 C 相对应的燃料流。 所述测量装置 122 通常是在其入口处与出口处具有恒定的压力差的测量装置， 该 测量装置的入口处与用来提供压缩燃料的管道 124 相连接， 其出口处则通过管道 126 与涡 轮喷气发动机的燃烧室的喷射器相连接， 而输送的流量则与测量装置的可动元件的位置相 * 称。函数发生器 114 将设定值 C 转换为位置设定值 XD*。
比较器 116 接收位置设定点的值 XD* 以及由与测量装量相连的位置传感器 128 提 供的实际位置值 XD， 并且计算 XD* 与 XD 之间的差值 εXD。PID 型的校正电路 118 接收所述 差值 εXD 并且产生表示电流强度的量值， 该电流强度控制与测量装置 120 相连的电流伺服 阀 130， 以用来将后者 ( 测量装置 120) 带入到预期的位置， 因此， 其会使注入燃料的流量达 * 到期望的数值 C 。
图 3 示出了根据涡轮喷气发动机的速度 N 的变化而变化的燃料流量 C。
在图 3 中， 曲线 CD 与曲线 CE 代表压缩机的停转线 (stalling line) 以及倾向熄 火线。 曲线 Cmax 则代表流量值的最大门限值， 并且大致上平行于曲线 CD， 为了提供一保险的 余量 d1C， 该曲线 Cmax 位于所述曲线 CD 的下方。曲线 Cmin 则代表流量值的最小门限值， 并且 大致上平行于曲线 CE， 为了提供一保险的余量 d2C， 该曲线 Cmin 位于所述曲线 CE 的上方。
在从空转速度 ID 切换到全功率速度 FP 的过程中， 起初燃料的流速迅速增长， 直到 它遇到曲线 Cmax， 并在达到与所述 FP 速度相对应的数值前跟随着所述曲线 Cmax。相反地， 在 从全功率速度 FP 切换到空转速度 ID 的过程中， 起初燃料的流速迅速减少， 直到它遇到曲线 Cmin 并在达到与所述 ID 速度相对应的数值前跟随着所述曲线 Cmin。
曲线 CN 代表稳定条件下的流速值。
图 4 相似地示出了基于涡轮喷气发动机的速度 N 的量值 C/P 的变换。
曲线 (C/P)N 表示稳定条件下的数值。应当注意到的是 ： 该数值为在此处是恒定 的， 以表示涡轮喷气发动机的一个不变量。
曲线 (C/P)D 以及 (C/P)E 代表压缩机的停转线以及倾向熄火线， 并且线 (C/P)max 以 及 (C/P)min 表示 C/P 的最大或最小的临界值或门限值。
在从 ID 速度到 FP 速度以及从 FP 速度到 ID 速度的瞬时条件下的 C/P 的变化也在 附图中示出。
对于一个给定涡轮喷气发动机， 所述门限值 (C/P)max 以及 (C/P)min 取决于一定数 量的参数。
因此， (C/P)max 取决于连接高压涡轮机与高压压缩机的轴的旋转速度 NHP， 高压压 缩机入口处的温度 T25， 压缩机入口处的压力 Pi， 倾角 i( 飞机的轴与位移方向之间的角 )， 飞机的滑行角度， 特别针对 NHP， NLP， P30 的预先确定的最大允许值， 以及低压涡轮机出口 处的温度 T50， 同时考虑针对于涡轮喷气发动机的相关速度的可变几何的位置。
类似地， (C/P)min 取决于速度 NHP， 温度 T25， 压力 P30 以及特别针对 NHP， NLP， P30 的预先确定的最小允许值， 同时考虑针对于相关速度的可变几何的位置。为了减少飞行过 程中的实时计算操作， (C/P)max 以及 (C/P)min 的数值由电路 110 计算得出 ：
(C/P)max ＝ F1(N， T， Pi， i， ...)
(C/P)min ＝ F2(N， T， Pi， i， ...)
其中， N 为 NHP 的瞬时数值， T 为 T25 的瞬时数值， Pi 为发动机入口处的压力的瞬 时数值， 以及 i 为倾角， 这些数值由传感器提供， 所述函数 F1 和 F2 也已经与涡轮喷气发动机 的其它不变的参数进行了结合， 包括对于当前条件的 VG 设定点的位置。 根据压缩机的特征以及发动机的热动力特征来确定门限值 (C/P)max 以及 (C/P)min 是通过自身已知的方式实施。
门限值 (C/P)max 的确定 ( 主要防止压缩机停转 ) 是通过基于压缩机的标注尺寸的
理论计算来进行的， 其中压缩机的停转特性被计算得出， 随后特性通过压缩机的测试而加以验证。这一特征在可以被控制单元利用的领域中被再次转 换， 即 或调整。 门限值 (C/P)min 的确定 ( 主要用于防止发动机的倾向熄火 ) 是通过基于燃烧室的 标注尺寸理论计算来进行的， 其中所述燃烧室的熄火特征 ： 燃料流量 C/ 空气流量被计算出 来， 随后特性通过燃烧室测试而加以验证。这一特征在可以被控制单元利用的领域中被再 次转换， 即 C/P ＝ F(N)， 这些参数 N、 C、 P 对于控制单元是可用的， 且随后被发动机测试确认 或调整。
这些门限值通常以曲线的模式或方程表达， 以便通过发动机控制单元进行处理。
图 2 中所示控制系统也包括针对可变几何 210 的至少一个本地控制循环 200， 例 如， 具有可变设置角度的高压压缩机定子叶片设定角度的控制循环， 所述可变设置角度允 许使高压压缩机中的空气流速偏差与涡轮喷气发动机的条件相适应。
可变几何的位置在此外被高压轴 18 的 NHP 速度强制限定。
函数发生器 202 接收到由速度传感器提供的代表 NHP 的量值， 并且精心设定了针 * 对于可变几何位置设定点的数值 XVG 。在压缩机叶片具有一可变设定角度的情况下， 所述
这些参数 N、 C、 P、 T 对于控制单元是可用的， 且随后被发动机测试确认设置角度 γ 的设定点数值如图 5 中示出相对变化， 其中， N 表示驱动压缩机轴的旋转速度， 并且 T 为压缩机的入口处的温度。在此外， N ＝ NHP 并且 T ＝ T25。因此， 所述函数发 生器 202 也接收代表温度 T25 的信息。位置传感器 212 提供一个表示可变几何 210 的实际位置的 XVG 量值。例如， 该位 置传感器 212 与控制可变几何 210 的位置的油缸致动器相连。
比较器 204 接收数值 XVG* 以及 XVG 并且为校正电路 206( 例如 PID 型的校正电路 ) 提供 εXVG 值， 该 εXVG 值代表 XVG* 与 XVG 之间的差值。
所述校正电路 206 精细计算用来表示与可变几何的致动器相关联的伺服阀 214 的 控制电流强度的量值， 以便将可变几何的位置带到设定的数值处。
图 6 和图 7 示出了本发明所述的控制系统的两个具体实施例。
在图 6 和图 7 中， 那些与图 2 所示的控制系统中的元件相同的元件具有相同的编 号， 并且不再进行详细的描述。
图 6 中的控制系统与图 2 中的控制系统的区别在于 ： 用于计算最大和最小 C/P 门 限值的电路 110 与比较器 204 的出口相连接， 所述比较器 204 用来接收表示可变几何的设 定点位置与实际位置之间的差值 εXVG 的信息， 这样的差异在瞬时条件下可能更加明显且 令人不安。
C/P 的最大门限值提供给门限电路 108 之后， 实时地自动计算出修正值 (C/P)max’：
(C/P)max′＝ (C/P)max+k1*εXVG， 其中， (C/P)max 比照图 2 所示计算得出， k1 为校正 因数， 表示在停转线上相关可变几何位置的影响系数。
类似地， C/P 的最小门限值提供给门限电路 108 之后， 实时地自动计算出修正值 (C/P)min’：
(C/P)min’ ＝ (C/P)min+k2*εXVG， 其中， (C/P)min 比照图 2 所示计算得出， k2 为校正因 数， 表示在倾向熄火线 (lean extinction line) 上相关可变几何位置的影响系数。
k1 以及 k2 可以是正数或负数。
k1 通过寻找在一给定几何角度 ang1 上的停转线 (C/P)1 与在另一个给定几何角度 ang2 上的停转线 (C/P)2 来确定， 以由此定义所述影响 ：
k1 ＝ [(C/P)2-(C/P)1]/[ang2-ang1]
k2 通过寻找在一给定几何角度 ang1 上的熄火线 (C/P)1’ 与在另一个给定几何角 度 ang2 上的熄火线 (C/P)2’ 来确定， 以由此定义所述影响 ：
k2 ＝ [(C/P)2’ -(C/P)1’ ]/[ang2’ -ang1’ ]
图 7 中的控制系统与图 2 中的控制系统的区别在于 ： 用于计算最大和最小 C/P 门 限值的电路 110 与位置传感器 212 相连， 以便接收表示可变几何的实际位置 XGV 的信息。
所述计算电路 110 自动地通过实时计算产生最大门限值 (C/P)max″以及最小门限 值 (C/P)min″，
(C/P)max″＝ F′ 1(N， T， P， ...， XVG)
(C/P)min″＝ F′ 2(N， T， P， ...， XVG)
其中， F′ 1 以及 F′ 2 与函数 F1 和 F2 不同， 在上述函数中， 其使涡轮发动机的不变 参量与在相关时刻的可变几何的位置 ( 而不是它们的设定点的值 ) 相结合。
为了确定门限值 (C/P)max″以及 (C/P)min″和它们的表达式， 可以采用与确定门限值 (C/P)max 以及 (C/P)min 和其表达式相类似的方式。
在图 6 和图 7 的具体实施方式中， 考虑了所述可变几何的实际位置。然而， 基于它 们可能具有的影响， 可以通过向计算电路 110 提供表示设定点位置与实际位置之间的差值或表示不同的可变几何的实际位置的信息来将多个可变几何的实际位置考虑进来。
本发明的显着特点在于， 为了优化门限值， 本发明更好地将涡轮发动机的实际热 力学状态考虑进来。
与本现有技术相比， 对于给定的压缩机， 与涡轮发动机的热动力状态的错误考虑 因素相关的停转或熄火的风险被降低， 而在速度变化过程中的加速时间也得以改进。
另一个所提供的可能性是减小了相对于停转线的余量， 并因此优化了压缩机的设 计。
对于给定的压缩机来讲， 其它所提供的可能性在于承担较少的可变几何伺服控制 的操作， 以使得减小标注尺寸以及重量成为可能， 或在于允许增加故障的强度， 因为在故障 的情况下， 设定点与位置是不同的。