测试在起动时保护涡轮机防止超速的系统的方法 【技术领域】
本发明涉及对保护涡轮机防止超速的系统的测试, 该测试在引擎起动过程中进 行。本发明可应用于航空发动机和工业涡轮机。背景技术
涡轮引擎旋转的过速, 已知为超速, 可具有严重后果, 尤其是其可导致涡轮转子盘 爆裂, 对引擎带来破坏性的影响。
因此, 引擎通常配备有保护其防止超速的系统。
在通常方式中, 这样的系统包括一插在回路中的截止阀, 用于将燃料供应给引擎 的燃烧室。当涡轮轴的转速超过一限定值或超速阈值时, 超速被一电子超速保护单元探测 到。当探测到超速时, 该电子超速保护单元发出一命令, 以通过各种电子的、 电动液压的或 液压类型的部件关闭该截止阀或减小其流动截面。连同该截止阀, 这些不同部件形成该超 速保护系统的各部分。
已知将超速保护系统的测试合并到自动起动引擎的过程中。 可参考申请 EP 1 036 917 A1。其中描述了一过程, 其中, 一旦引擎开始由起动机驱动旋转, 所述速度阈值被赋予 一测试值。该测试值选择为大致低于点火速度, 即燃料被喷入燃烧室的旋转速度。当该旋 转速度超过该测试超速阈值时, 确认该超速保护系统工作正常。 如果是, 则当到达点火速度 时, 该超速阈值从其低测试值转换到一真实值。
在该已知测试过程中, 确认通过探测燃料计量单元的核心的位置来进行, 该燃料 计量单元通过由引擎的电子调节系统控制的液压装置而设置到其最小位置, 该燃料计量单 元在此最小位置, 使截止阀关闭。因此, 不存在实际的截止阀到达其关闭位置的确认。另 外, 在测试后该超速保护功能的有效性表现为该超速阈值从低测试值到真实值的转变正确 进行。 发明内容 本发明寻求提供一种简单可靠的, 用于在起动过程中测试涡轮机的超速保护系统 的方法, 该保护系统包括 : 一燃料截止构件, 和一控制回路, 该控制回路用于该截止构件连 接到涡轮机的一电子调节系统, 以使该截止构件响应于探测到的超速而关闭, 以阻断或减 小燃料向涡轮机燃烧室的供应, 该方法包含以下测试顺序 :
a) 接收一命令以起动涡轮机, 电子调节系统向截止构件的控制回路发出命令, 以 关闭该截止构件或使其保持在关闭位置 ;
b) 电子调节基于收到的表示该截止构件打开或关闭位置的信息确认该截止构件 的关闭状态 ;
c) 当在步骤 b) 中的确认结果是肯定的时, 该电子调节系统向截止构件的控制回 路发出命令, 以许可打开该截止构件, 并继续涡轮机的起动程序 ; 和
d) 当在步骤 b) 中的确认结果是否定的时, 该电子调节系统发布一涉及超速保护
系统的故障信号。
这样, 该超速保护系统的操作通过直接确认该截止构件响应于一来自涡轮机的电 子调节系统的命令到达其关闭位置而得到测试。另外, 当截止构件的关闭由一不同于涡轮 机的电子调节系统的电子超速保护单元控制时, 该超速保护系统的测试不由该电子超速保 护单元管理, 而是由该电子调节系统管理, 该电子调节系统包括适合于管理复杂功能的资 源。另外, 该超速保护系统的健康状况最终由该电子调节系统所确定, 该电子调节系统通 常为与管理飞机维修的系统相联系的仅有的系统, 从而与此管理维修的系统保存共有的界 面。
根据该方法的特征, 该测试顺序还包含 :
e) 在步骤 c) 后, 确认该截止构件已转换至打开位置 ; 和
f) 当步骤 e) 中的确认结果为否定时, 电子调节系统发布关于该超速保护系统的 故障信号。
这既确认了该超速保护系统关闭截止构件的能力, 也确认了其在以手动模式的起 动阶段过程中许可打开该截止构件的能力。
根据该方法的特征, 当该截止构件的控制回路包含用于关闭截止构件的液压装置 和连接到该液压装置上用于控制关闭从而保护以避免超速的电子超速保护单元时, 关闭该 截止构件或使其保持关闭, 以及许可该截止构件打开的命令通过一通讯总线在引擎的电子 调节系统与该电子超速保护单元之间传送。 该截止构件的位置可基于由用于感知该截止构件的可移动元件位置的位置传感 器提供的信号而得到确认。
当以自动模式起动涡轮机时在测试超速保护系统的方法的建立中, 测试顺序被插 入到起动顺序中, 以在根据自动模式中起动涡轮机的程序而需要打开截止构件前终止。
因此该测试顺序可包括, 在步骤 a) 中, 发送一命令以关闭该预先打开的截止构 件。
当以自动模式起动时, 起动过程遵循一预定的方案, 使得对超速保护系统的测试 可以 “透明” 方式合并到起动程序中, 而不扰乱该程序。 在手动模式起动时不采取此种方式, 具体是因为飞行员或一些其他操作者决定截止构件为点火而打开的瞬间, 使得使用本发明 方法的测试无法执行, 而同样保证起动过程不受扰乱。因此, 在本发明的第一实现中, 该测 试顺序优选限定在手动模式起动的情况下。
在此情况中, 优选地, 以手动模式连续起动的数量由电子调节系统计算, 该电子调 节系统在该计算值超过一预定阈值时在维修过程中发布一要求测试该超速保护系统的信 息。这避免了在没有测试超速保护系统的情况下进行太多次的起动。
当以手动模式起动涡轮机时, 在本发明的测试超速保护系统的方法的第二实现 中, 该测试顺序可包括, 在步骤 a) 中, 发送一命令以响应于起动命令使该截止构件保持在 关闭位置。
本发明因此使该超速保护系统的测试插入到以手动模式起动的过程中。通过迫 使该截止构件保持关闭超过一通常期间, 在该期间中其遵从一以手动模式起动的命令而打 开, 本发明的方法对比手动起动的通常功能具有插入的特征, 这可导致实际点火的延迟。
这就是当测试飞机引擎的超速保护系统时, 该电子调节系统优选设置为仅当飞机
在地面上时允许进行测试的原因, 以避免在飞行时再点火的任何延迟。
同样优选地, 当在未测试超速保护系统的情况下连续手动起动的数量达到或超过 一预定值时, 以第二实现的应用执行测试。
这样, 首先不在每个手动起动测试超速保护系统, 从而避免如果手动起动偶尔和 孤立时对手动模式的任何扰乱。 第二, 在以手动模式执行多次连续起动的情况下, 即在无任 何自动起动插入的情况下, 这避免在没测试超速保护系统时进行起动的数量过多。
在无测试情况下以手动模式连续起动的数量可通过一计数器来计算, 无论是以手 动模式还是以自动模式, 该计数器在每次测试执行时都进行重新预置。 附图说明
通过阅读以下参照附图利用非限制性示例进行的描述, 本发明可被更好地理解,其中 : 图 1 是涡轮机的燃料供应回路的示意图 ;
图 2 是在本发明的第一实现中, 在以自动模式起动测试过程中, 在一超速保护系 统中接收或传送的信号以及其部件状态的时间图 ;
图 3 是一超速保护系统的测试管理方法的流程图 ;
图 4 是在本发明的第二实现中, 在以手动模式起动测试过程中, 由一超速保护系 统发出或传送的信号以及其部件状态的时间图 ; 和
图 5 是一超速保护系统的另一测试管理方法的流程图。
具体实施方式
图 1 显示用于涡轮机 ( 即飞机燃气涡轮引擎 ) 的燃料供应回路的一例子。
通过低压 (LP) 泵来自燃料罐的低压 (LP) 燃料由一低压回路 10 带至高压 (HP) 泵 12 的入口。在例中, 高压泵 12 为由一附属变速箱驱动的正排量泵, 其中该变速箱与引擎的 涡轮轴相连。
由泵 12 传送的高压燃料通过过滤器 14 和热交换器 16 带至计量单元 20, 其中燃料 通过与引擎的润滑油进行热交换而被加热。在来自热交换器 16 的输出处的一部分高压燃 料用作用于引擎的各种液压或电动液压部件的液压流体。
在示例中, 该计量单元 20 包含由伺服阀 24 控制的可变打开计量阀 22。一阀 26 在 燃料入口与计量阀出口之间保持恒定压力差, 以使由计量阀 22 传递的燃料流通过所穿过 的流动截面来确定。流速由在引擎的电子调节系统 (ERS)18 控制下的伺服阀 24 进行调节, 电子调节系统 (ERS)18 通过对应于所希望的流动截面将阀 22 的芯的位置伺服控制到一定 位点位置来控制伺服阀 24。 为此, 代表阀 22 芯真实位置的信息通过一位置传感器 22a 供应 至 ERS 18, 所述传感器例如为一与一固定到阀芯的棒相联系的线性可变差动变压器式传感 器 (LVDT) 类型的传感器。在计量单元入口处的剩余燃料通过阀 26 传送到低压燃料回路。
在计量单元 20 出口处的高压燃料的调节流经过一燃料截止构件 32 而送至引擎的 燃烧室 28 的喷射器。在此使用的术语 “燃料截止构件” 表示一适于在探测到引擎超速的情 况下, 在 ERS18 的控制下完全中断燃料朝向燃烧室流动或将所述燃料流限制到一完全或部 分关闭的最小阀的部件。在所示例中, 该燃料截止构件 (FCM)32 为一具有位置的滑片 32a 的阀, 该滑片 32a 确定通过阀的流动截面。在一侧上, 滑片 32a 受到弹簧 32b 的作用以及室 32c 中的压力, 在 另一侧上, 其受到与计量单元 20 相连的阀 32 入口处的压力。室 32c 接收高压燃料的入口 和经由一专用超速装置 HDS34 与低压燃料回路 10 相连的出口。 此装置为具有激励绕组 34a 的电磁阀形式。当绕组 34a 通电时, 电磁阀 34 设置到其关闭位置并在那保持。滑片 32a 随 后在弹簧 32b 和室 32c 内的压力的帮助下, 被带至用于关闭阀 32 的位置。当绕组 34a 未通 电时, 电磁阀 34 打开, 滑片 32a 可通过从计量单元到达阀 32 的燃料的压力移动到打开位 置。一表示阀 32 关闭或打开位置的信号由位置传感器 32d 提供, 该例如 LVDT 类型的位置 传感器, 与固定到滑片 32a 上的棒 32e 相配合。此信号直接发送到 ERS18。
阀 32 还可由 ERS18 导致打开。
超速装置 HDS34 由一电子超速保护单元 (EOPU)36 控制, 该电子超速保护单元通过 例如 ARINC 格式的通讯总线与 ERS18 相联络。响应于由 ERS18 发布的关闭命令, EOPU36 为 绕组 34a 产生一适于将该超速装置 HDS34 保持在其关闭位置的激励信号。部件 32( 连同位 置传感器 32d)、 34 和 36 于是在此形成超速保护系统 30。自然地, FCM32 和超速装置 HDS34 可不通过使用阀和电磁阀实现, 超速装置 HDS34 可选择性地由合并到 EOPU36 与 FCM32 之间 的系统中的多个部件构成。通过关闭 FCM32 来停止引擎可从驾驶舱通过打开电磁阀 34 来 控制。 ERS18 与飞机驾驶舱 39 相连, 具体接收显示由驾驶员选择的起动模式的信息 : 自 动或手动。
可应用于以自动模式起动引擎的测试超速保护系统的程序的第一实现参照图 2 描述如下。
如其自身众所周知, 以自动模式起动的过程由 ERS18 从发动按照引擎速度 ( 涡轮 轴的转速 ) 按先后管理, ERS18 连续动作以使起动机工作, 触发点火系统, 控制燃料喷射的 速度。
在图 2 中 :
·线 a 显示该测试程序的连续阶段 ;
·线 b 显示引擎的起动机模块的状态 ;
·线 c 显示起动过程由飞行员发起 ( 起动命令 ) 的瞬间 ;
·线 d 显示来自 ERS 的用于打开 FCM 的命令 ;
·线 e 显示 FCM 的打开或关闭位置 ;
·线 f 显示由 ERS 通过将 ERS 连接到 EOPU 的总线发布的命令 ;
·线 g 显示由 EOPU 发布到超速装置 HDS 的控制信号的状态 ;
·线 h 显示由 ERS 使用用于观察 FCM 位置的窗户 ; 和
·线 i 显示引擎的速度 N。
在线 a 上, PBIT 和 CBIT 阶段分别为转换到 EOPU 上的自动测试内逻辑阶段和连续 测试 EOPU 的输入 / 输出的阶段。这些是在电子回路上传统实现的自动内测试阶段。
在接通情况下, PBIT 和 CBIT 阶段实施 ( 线 a)。 由于所选择的起动模式是自动 ( 线 b), ERS 响应于起动命令而发动测试超速保护系统 ( 阶段 IBIT) 的准备和执行 ( 线 c)。
由于 FCM 初始关闭, 打开 FCM 的命令在 IBIT 测试阶段开始前由 ERS 发布 ( 线 d)。
响应于此命令, FCM 打开 ( 线 e)。同时, 在起动机的动作下引擎开始旋转, 其速度 N 开始增 加 ( 线 i)。
测试阶段 IBIT 可在 FCM 一打开时就开始。 应当观察到, 如果不是初始打开, FCM 的 实现打开自然不做要求。
测试阶段 IBIT 通过 ERS 发送到 EOPU 一命令以经由超速装置 HDS 关闭 FCM 而开始 ( 线 d)。
EOPU 经由将其与 ERS 相连的总线确认收到此命令, 作为响应, 其准备一用于激发 该超速装置 HDS 的信号 ( 线 d), 适于使 FCM 关闭。响应于此, FCM 经至关闭位置 ( 线 e)。
FCM 的位置由 ERS 连续监视。
如果发现在对应于 ERS 发布关闭命令后 EOPU 经由超速装置 HDS 关闭 FCM 所需要 时间的一间歇 T 的末端之前 FCM 在其关闭位置, 则 ERS 向 EOPU 发送一命令, 以释放该超速 装置 HDS( 线 f)。EOPU 确认收到此命令, 并中断激励超速装置 HDS 的信号 ( 线 g), 以允许 FCM 打开。
在收到释放超速装置 HDS 命令的确收, 以及所述命令被执行的情况下, EOPU 返回 到内测试阶段 CBIT。 起动过程正常继续, 该 ERS 可动作 ( 线 d) 以使 FCM 占据打开位置 ( 线 e)。此命令 通常发生在当引擎的速度 N 到达一预定值 N1 时以自动模式的起动过程中, 其中该预定值 N1 是在地面上许可的最大速度的函数。FCM 的打开位置于是由 ERS 核实。
测试该超速保护系统的阶段 IBIT 合并到该起动过程中, 以在到达速度 N1 前有效 终止, 这不会造成任何困难, 因为在该起动命令与到达阈值 N1 的瞬间之间通常经过几十秒 钟的时间。
通过将确认 FCM 关闭和打开位置的结果与 EOPU 自动内测试的结果相连结 ( 这些 结果通过总线 38 提供给 ERS), ERS 可决定该超速保护系统的健康状态, 并在至少一个结果 不是肯定时发布一关于该系统的故障信号。 作为示例, 该故障信号可传递到驾驶舱, 以便在 该测试是在起飞前在地面进行时可决定是否放弃起飞并中断起动过程, 或在该测试是在维 修过程中进行时决定检查该超速保护系统的部件。
应当观察到, 在其最小设置中, 该测试包括确认 FCM 到达关闭位置。
上述测试程序以透明方式合并到起动过程中, 这可通过在自动模式下其可预见的 性质得以实现。
在以手动模式起动, 特别是在该截止构件的打开瞬间由飞行员选择时情况不同。
这样, 当选择手动起动模式时, 可如下述参照图 4 和 5 应用本发明的第二实现时执 行该超速保护系统的测试, 或者不执行该超速保护系统的测试。 如果不执行测试, 仍然希望 避免重复执行不测试, 并希望显示出有必要在无测试而已进行几个连续起动的情况下在维 修过程中执行测试。图 3 显示一管理该超速保护系统测试的方法, 该方法随后为此通过引 擎的电子调节系统实现。
如果由该电子调节系统探测到, 选择了手动起动模式 ( 测试 40), 随后该超速保护 系统的测试被抑制 ( 步骤 42)。 免测试起动的计数器的内容 N 在步骤 44 中增加 (N = N+1)。 确认数字 N 是否大于最大阈值 Nmax( 测试 46)。如果是这样, 由电子调节系统发布信息以要 求维修以测试该超速保护系统 ( 步骤 48)。 维修测试根据本发明以自动起动模式进行, 例如
参照图 2 中所描述的那样。应观察到, 计数器的值 N 优选储存在电子调节系统的非易失性 存储器中。在例中, 数字 Nmax 选择为 Nmax ≤ 8。
如果探测到 ( 测试 40) 选择了自动起动模式, 则无论是在工作中还是在维修过程 中, 则该超速保护系统根据本发明进行测试 ( 步骤 50), 计算数字 N 的计数器在步骤 52 中重 新初始化 (N = 0)。
在以手动模式起动引擎的情况下用于测试超速保护系统的程序的第二实现参照 图 4 描述如下。
·线 a 显示该测试程序的连续阶段 ;
·线 b 显示引擎起动模式的状态 ;
·线 c 显示由飞行员起动 ( 起动命令 ) 的瞬间 ;
·线 d 显示通过将 ERS 连接到 EOPU 的总线发布的命令 ;
·线 e 显示由 EOPU 向超速装置 HDS 发布的控制信号的状态 ;
·线 f 显示如果发现存在燃料在阀打开的情况下飞行员驱动主操纵杆的瞬间 ;
·线 g 显示由 ERS 观察的 FCM 位置的状态 ;
·线 h 显示 FCM 的位置。 在线 a, PBIT 至 CBIT 的阶段分别为在 EOPU 接通时自动测试内逻辑的阶段和连续 自动测试 EOPU 的输入 / 输出的阶段。这些是在电子回路中传统进行的自动内测试。
在接通情况下, PBIT 阶段和 CBIT 阶段进行 ( 线 a)。由于所选择的起动模式为手 动 ( 线 b), 如由 ERS 所探测的那样, 根据本发明测试该超速保护系统的程序 (IBIT 阶段 ) 响 应于 ERS 探测到一起动命令而开始 ( 线 c)。
ERS 随后发送到 EOPU 一关闭 FCM 的命令 ( 线 d)。EOPU 通过总线确收该命令, 并将 其转换为一超速装置 HDS 的控制信号, 使 FCM 保持在关闭位置, FCM 被初始关闭 ( 线 g)。
这样, 在 FCM 的打开发生的情况下, 当不测试该超速保护系统而进行手动起动时, 在引擎速度变得足以升高燃料的压力超过打开 FCM 的阈值的起动命令之后的时候, 开始该 测试将抑制 FCM 的打开。
FCM 的关闭位置的确认在大于在起动命令后打开 FCM 的正常时间间隔的时间间隔 dT1 之后被许可 ( 线 g)。这是一个预定的时间间隔, 例如不小于 0.5 秒, 典型为在 0.5 秒至 2 秒的范围内。 由 ERS 对关闭位置的确认也可如例中所显示的, 响应于飞行员驱动主操纵杆 而开始 ( 线 f), 此驱动必然具有关于起动命令足够的延迟。
如果确认 FCM 处于关闭位置, 则 ERS 向 EOPU 发送一命令以释放该超速装置 HDS, 以 使 FCM 打开 ( 线 d)。EOPU 通过总线确收此命令, 并释放该超速装置 HDS( 线 e)。
在长于正常 FCM 打开时间间隔的预定时间间隔 dT2 后, FCM 的打开位置由 ERS 确 认。该时间间隔 dT2 后可选择为等于或基本等于 dT1。一旦该超速装置 HDS 被释放, EOPU 继 续其包括 CBIT 内测试的背景任务的过程。
通过将确认 FCM 的保持关闭和打开位置的结果与 EOPU 的自动内测试结果相连接 ( 这些结果通过总线 38 而可提供给 ERS), ERS 可决定该超速保护系统的健康状态, 如果所 有结果都不是肯定的, 则 ERS 发布一关于该系统的故障信号。在例中, 该故障信号可传递至 驾驶舱, 以便可决定是否放弃起飞。
应当观察到, 在其最小设置中, 该测试包括确认 FCM 保持在关闭位置, 优选在一长
于起动命令后正常打开时间的时间间隔流逝后。
上述测试程序的性质相对于不测试超速保护系统的手动模式起动是侵入性的, 因 为该延迟是设置在 FCM 的打开上。尽管此延迟实际上可被限制为例如小于 1 秒, 可优选不 在手动模式的每次起动都进行系统测试, 而是仅在无测试情况下一定数量的连续手动起动 进行后进行。同样优选避免在飞行中执行手动模式起动时进行测试, 该系统于是阻止在飞 行条件下在手动起动过程中进行测试。
管理以此方法测试在手动模式中的超速保护系统的过程的一个实现在下文中参 照图 5 描述。此过程由 ERS 利用一程序实现。
在不进行超速保护系统测试的情况下, 以手动模式连续起动的数量 M 利用一计数 器计算, 该计数器具有存储在 ERS 的非易失性存储器中的内容。
在选择手动起动模式的情况下, 基于 ERS 中可用的数据检查 (40) 飞机是否在地面 上。如果不是, 则数量 M 由单体 (42) 增加, 手动模式起动在不进行超速保护系统 (44) 测试 的情况下进行。如果飞机在地面上, 则检查 (46) 数量 M 是否小于一预定最大数值 Mmax, 该预 定最大数值 Mmax 大于或等于 1, 例如在 1 至 50 的范围内。如果 M < Mmax, 则该方法移至步骤 42 和 44。如果 M ≥ Mmax, 则执行 (48) 该超速保护系统的一测试, 例如, 如以上参照图 2 所 述。如果测试结果是肯定的 (50), 则计数器的内容 M 重置到零 (52), 该程序终止。如果该 测试的结果是否定的, 则 ERS 发布 (54) 一关于该超速保护系统的故障信号, 该程序终止。
如果选择以自动模式起动, 则进行 (60) 该超速保护系统的测试, 此测试对于自动 起动顺序是 “透明的” 。该计数器的内容 M 重置到零。
在以上的详细描述中, 假定本发明应用于飞机气体涡轮引擎。 然而, 测试超速保护 系统的方法可以其他类型的涡轮机实现。