主动间隙控制方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种主动间隙控制方法及系统，方法包括：判断航空发动机所处的当前状态，如果航空发动机处于稳态，则选用由闭环控制器实现的基于间隙相关参数调节影响涡轮间隙的执行机构的闭环控制过程；如果航空发动机处于过渡态，则选用由开环控制器实现的基于间隙相关参数调节执行机构的开环控制过程。本发明专利技术在航空发动机处于稳态时采用基于间隙相关参数的闭环控制过程，确保稳态下较高的涡轮间隙的控制精度，而在航空发动机处于过渡态时采用基于间隙相关参数的开环控制过程，使得过渡态下涡轮间隙控制响应更快，避免因响应慢而导致影响涡轮间隙的执行机构发生频繁作动，进而获得过渡态下较好的涡轮间隙的控制精度，提高主动间隙的控制效果。

【技术实现步骤摘要】
主动间隙控制方法及系统
本专利技术涉及航空发动机领域，尤其涉及一种主动间隙控制方法及系统。
技术介绍
高压涡轮主动间隙控制(HighPressureTurbineActiveClearanceControl，以下简称HPTACC)技术是一种通过控制发动机高压涡轮机匣与叶片之间的间隙，以达到降低发动机耗油率、延长使用寿命的技术措施，这种技术对减少污染物的排放也同时具有较大贡献。应用HPTACC技术的系统常采用热控制的原理，即利用从压气机或风扇中抽取的冷却空气对高压涡轮机匣及涡轮外环支撑件进行冲击冷却，通过控制冷却空气的流量和温度，改变高压涡轮机匣热膨胀量，使转子叶片与涡轮外环之间的间隙达到预期值。由于HPTACC技术对发动机性能的提高非常明显，因此适当的控制方案十分必要，目前通常有以下几种现有的控制方法：1、通过先进的叶尖间隙探测传感器直接获得叶尖间隙值，再反馈到控制系统中，通过自动调节执行机构(即放气阀门)来形成间隙闭环控制。这种控制方法在温度高、振动大、压力大的高压涡轮环境中，会因传感器的可靠性差而影响控制效果。2、建立高压涡轮间隙模型，通过将放气阀门位置的反馈值和发动机相关状态参数送入高压涡轮间隙模型来计算处间隙虚拟值，再将该值与间隙目标值作比较，控制器则基于比较结果来调节伺服活门(或阀门)的位置值，从而实现涡轮间隙的闭环控制。这种方案对高压涡轮间隙模型的精度要求非常高，而由于涡轮间隙受众多参数的影响，要建立适用于全飞行包线内的高精度涡轮间隙模型是很困难的。3、研究表明，涡轮间隙和涡轮机匣温度是存在密切规律的。因此有方案通过间接地控制高压涡轮机匣温度来控制涡轮间隙，但该方案的不足之处在于涡轮机匣温度的控制计划获取困难，更重要的是由于涡轮机匣温度传感器响应很慢，容易导致过渡态时放气阀门频繁作动，间隙控制精度变差。4、根据发动机的不同飞行状态直接给出执行机构(即放气阀门)的位置，基于该位置进行伺服控制。这种方法简单，控制响应快，但明显的不足之处是由于很难给出全飞行包线内放气阀门目标位置和高压涡轮间隙之间的准确关系，实现上比较保守，稳态间隙控制精度差，发动机发生性能退化情况下，间隙控制效果更差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种主动间隙控制方法及系统，能够提高主动间隙的控制效果，获得较好的间隙控制精度。为实现上述目的，本专利技术提供了一种主动间隙控制方法，包括：判断航空发动机所处的当前状态，如果所述航空发动机处于稳态，则选用由闭环控制器实现的基于间隙相关参数调节影响涡轮间隙的执行机构的闭环控制过程；如果所述航空发动机处于过渡态，则选用由开环控制器实现的基于所述间隙相关参数调节所述执行机构的开环控制过程。进一步的，所述闭环控制器和开环控制器均采用位置式控制形式。进一步的，所述闭环控制过程具体包括：根据所述间隙相关参数的目标值和所述间隙相关参数的传感器实测信号值计算所述间隙相关参数的差值，并将所述间隙相关参数的差值作为输入量输入给所述闭环控制器；所述闭环控制器根据所述间隙相关参数的差值向所述执行机构提供位置调整量，以便所述执行机构对所述涡轮间隙进行调整。进一步的，所述开环控制过程包括：将所述间隙相关参数的变化量和所述航空发动机性能参数的传感器实测信号值作为输入量输入给所述开环控制器；所述开环控制器根据所述间隙相关参数的变化量和所述航空发动机性能参数的传感器实测信号值向所述执行机构提供位置调整量，以便所述执行机构对所述涡轮间隙进行调整。进一步的，所述闭环控制器和开环控制器均采用增量式控制形式。进一步的，所述闭环控制过程具体包括：根据所述间隙相关参数的目标值和所述间隙相关参数的传感器实测信号值计算所述间隙相关参数的差值，并将所述间隙相关参数的差值作为输入量输入给所述闭环控制器；所述闭环控制器根据所述间隙相关参数的差值按周期向累加器输出位置调整增量；所述累加器通过累加所述位置调整增量向所述执行机构提供位置调整量，以便所述执行机构对所述涡轮间隙进行调整。进一步的，所述开环控制过程包括：将所述间隙相关参数的变化量和所述航空发动机性能参数的传感器实测信号值作为输入量输入给所述开环控制器；所述开环控制器根据所述间隙相关参数的变化量和所述航空发动机性能参数的传感器实测信号值按周期向累加器输出位置调整增量；所述累加器通过累加所述位置调整增量向所述执行机构提供位置调整量，以便所述执行机构对所述涡轮间隙进行调整。进一步的，所述间隙相关参数的目标值由所述涡轮间隙的预设控制目标值和所述航空发动机性能参数的传感器实测信号值确定。进一步的，所述判断航空发动机所处的当前状态的操作具体包括：根据所述航空发动机的转速传感器实测信号值确定旋转加速度；根据所述旋转加速度确定当前的稳态系数，并通过比较所述当前的稳态系数和预设的稳定阈值来判断所述航空发动机所处的当前状态。进一步的，所述判断航空发动机所处的当前状态的操作具体包括：根据所述航空发动机的转速传感器实测信号值确定旋转加速度；根据所述旋转加速度和上一增量周期的稳态系数确定当前增量周期的稳态系数，并通过比较所述当前增量周期的稳态系数和预设的稳定阈值来判断所述航空发动机所处的当前状态。进一步的，还包括判断是否启用主动间隙控制过程的操作，具体包括：判断所述航空发动机的转速传感器实测信号值的幅值是否高于预设慢车转速幅值阈值，是则启用主动间隙控制过程，否则停用主动间隙控制过程。进一步的，还包括：在所述航空发动机处于稳态，且所述闭环控制器发生故障时，选用由所述开环控制器实现的基于所述间隙相关参数调节所述执行机构的开环稳态备份控制过程。进一步的，还包括：在所述航空发动机处于稳态时，记录所述闭环控制器与开环控制器的输出值的误差，并按照预设飞行循环周期，基于所述误差对所述开环控制器的参数进行修正。进一步的，所述间隙相关系数为涡轮机匣温度、高压转子转速或低压涡轮出口压力。进一步的，所述执行机构为冷空气伺服活门，所述冷空气伺服活门的控制量为对应于伺服活门开度的位置调整量。为实现上述目的，本专利技术提供了一种主动间隙控制系统，包括：闭环控制单元，用于通过闭环控制器实现基于间隙相关参数调节影响涡轮间隙的执行机构的闭环控制过程；开环控制单元，用于通过开环控制器实现基于所述间隙相关参数调节所述执行机构的开环控制过程；发动机状态判断单元，用于判断航空发动机所处的当前状态；控制过程选择单元，用于在所述发动机状态判断单元确定所述航空发动机处于稳态时，选用所述闭环控制单元实现的闭环控制过程，在所述发动机状态判断单元确定所述航空发动机处于过渡态时，选用所述开环控制单元实现的开环控制过程。进一步的，所述闭环控制器和开环控制器均采用位置式控制形式。进一步的，所述闭环控制单元具体包括：差值计算单元，用于根据所述间隙相关参数的目标值和所述间隙相关参数的传感器实测信号值计算所述间隙相关参数的差值；第一闭环控制器，用于接收所述差值计算单元输入的所述间隙相关参数的差值，并根据所述间隙相关参数的差值向所述执行机构提供位置调整量，以便所述执行机构对所述涡轮间隙进行调整。进一步的，所述开环控制单元具体包括：第一开环控制器，用于接收所述间隙相关参数的变化量和所述航空发动机性能参数的传感器实测信号值，并根据所述间隙相关参数的变化量和所述航空发动机性能参数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种主动间隙控制方法，包括：判断航空发动机所处的当前状态，如果所述航空发动机处于稳态，则选用由闭环控制器实现的基于间隙相关参数调节影响涡轮间隙的执行机构的闭环控制过程；如果所述航空发动机处于过渡态，则选用由开环控制器实现的基于所述间隙相关参数调节所述执行机构的开环控制过程。

【技术特征摘要】
1.一种主动间隙控制方法，包括：判断航空发动机所处的当前状态，如果所述航空发动机处于稳态，则选用由闭环控制器实现的基于间隙相关参数调节影响涡轮间隙的执行机构的闭环控制过程；如果所述航空发动机处于过渡态，则选用由开环控制器实现的基于所述间隙相关参数调节所述执行机构的开环控制过程；所述主动间隙控制方法还包括：在所述航空发动机处于稳态时，记录所述闭环控制器与开环控制器的输出值的误差，并按照预设飞行循环周期，基于所述误差对所述开环控制器的参数进行修正。2.根据权利要求1所述的主动间隙控制方法，其中所述闭环控制器和开环控制器均采用位置式控制形式。3.根据权利要求2所述的主动间隙控制方法，其中所述闭环控制过程具体包括：根据所述间隙相关参数的目标值和所述间隙相关参数的传感器实测信号值计算所述间隙相关参数的差值，并将所述间隙相关参数的差值作为输入量输入给所述闭环控制器；所述闭环控制器根据所述间隙相关参数的差值向所述执行机构提供位置调整量，以便所述执行机构对所述涡轮间隙进行调整。4.根据权利要求2所述的主动间隙控制方法，其中所述开环控制过程包括：将所述间隙相关参数的变化量和航空发动机性能参数的传感器实测信号值作为输入量输入给所述开环控制器；所述开环控制器根据所述间隙相关参数的变化量和所述航空发动机性能参数的传感器实测信号值向所述执行机构提供位置调整量，以便所述执行机构对所述涡轮间隙进行调整。5.根据权利要求1所述的主动间隙控制方法，其中所述闭环控制器和开环控制器均采用增量式控制形式。6.根据权利要求5所述的主动间隙控制方法，其中所述闭环控制过程具体包括：根据所述间隙相关参数的目标值和所述间隙相关参数的传感器实测信号值计算所述间隙相关参数的差值，并将所述间隙相关参数的差值作为输入量输入给所述闭环控制器；所述闭环控制器根据所述间隙相关参数的差值按周期向累加器输出位置调整增量；所述累加器通过累加所述位置调整增量向所述执行机构提供位置调整量，以便所述执行机构对所述涡轮间隙进行调整。7.根据权利要求5所述的主动间隙控制方法，其中所述开环控制过程包括：将所述间隙相关参数的变化量和航空发动机性能参数的传感器实测信号值作为输入量输入给所述开环控制器；所述开环控制器根据所述间隙相关参数的变化量和所述航空发动机性能参数的传感器实测信号值按周期向累加器输出位置调整增量；所述累加器通过累加所述位置调整增量向所述执行机构提供位置调整量，以便所述执行机构对所述涡轮间隙进行调整。8.根据权利要求3或6所述的主动间隙控制方法，其中所述间隙相关参数的目标值由所述涡轮间隙的预设控制目标值和航空发动机性能参数的传感器实测信号值确定。9.根据权利要求2所述的主动间隙控制方法，其中所述判断航空发动机所处的当前状态的操作具体包括：根据所述航空发动机的转速传感器实测信号值确定旋转加速度；根据所述旋转加速度确定当前的稳态系数，并通过比较所述当前的稳态系数和预设的稳定阈值来判断所述航空发动机所处的当前状态。10.根据权利要求5所述的主动间隙控制方法，其中所述判断航空发动机所处的当前状态的操作具体包括：根据所述航空发动机的转速传感器实测信号值确定旋转加速度；根据所述旋转加速度和上一增量周期的稳态系数确定当前增量周期的稳态系数，并通过比较所述当前增量周期的稳态系数和预设的稳定阈值来判断所述航空发动机所处的当前状态。11.根据权利要求1所述的主动间隙控制方法，其中还包括判断是否启用主动间隙控制过程的操作，具体包括：判断所述航空发动机的转速传感器实测信号值的幅值是否高于预设慢车转速幅值阈值，是则启用主动间隙控制过程，否则停用主动间隙控制过程。12.根据权利要求1所述的主动间隙控制方法，其中还包括：在所述航空发动机处于稳态，且所述闭环控制器发生故障时，选用由所述开环控制器实现的基于所述间隙相关参数调节所述执行机构的开环稳态备份控制过程。13.根据权利要求1所述的主动间隙控制方法，其中所述间隙相关参数为涡轮机匣温度、高压转子转速或低压涡轮出口压力。14.根据权利要求1所述的主动间隙控制方法，其中所述执行机构为冷空气伺服活门，所述冷空气伺服活门的控制量为对应于伺服活门开度的位置调整量。15.一种主动间隙控制系统，包括：闭环控制单元，用于通过闭环控制器实现基于间隙相关参数调节影响涡轮间隙的执行机构的闭环控制过程；开环控制单元，用于通过开环控制器实现基于所述间隙相关参数调节所述执行机构的开环控制过程...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯灵峰，张荣，赵旭东，周璞，
申请(专利权)人：中航商用航空发动机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：上海;31