用于限制喘振风险的涡轮发动机上的提取的控制方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于限制喘振风险的涡轮发动机上的提取的控制方法和装置。本发明专利技术涉及用于飞机推进的涡轮发动机（T）上的机械能和/或空气提取的控制方法。它基于能量管理器和涡轮发动机控制系统之间的交换请求/授权协议。在对提取需求的修改之后执行该协议。本发明专利技术旨在检查喘振裕度是否与提取需求的修改可兼容，并且如果需要的话，采用临时措施以避免涡轮发动机的喘振，例如通过缓冲器提供至少一部分的能量需求。以此方式研发的本发明专利技术允许优化用于飞机推进的涡轮发动机的操作，同时完全避免涡轮发动机的喘振风险。

Control method and device for extraction of turbine engines for limiting surge risk

The invention relates to a control method and device for extracting a turbine engine for limiting the risk of surge. The invention relates to a method for controlling mechanical energy and / or air extraction on a turbine engine (T) for aircraft propulsion. It is based on an exchange request / authorization protocol between the energy manager and the turbine engine control system. After the modification of the extraction requirement, the protocol is executed. The present invention aims to check whether the surge margin is compatible with the modification of the extraction requirements and, if necessary, to use temporary measures to avoid a turbine engine surge, for example, providing at least a part of the energy requirement through a buffer. The invention developed in this way allows optimization of the operation of a turbine engine for aircraft propulsion while avoiding the risk of turbine engine surge.

【技术实现步骤摘要】
用于限制喘振风险的涡轮发动机上的提取的控制方法和装置
本专利技术涉及涡轮发动机及其控制的领域。本专利技术尤其涉及设在配有涡轮发动机的一些飞机上的推进器组的控制。本专利技术尤其适用于涡轮喷气发动机和涡轮螺旋桨发动机（其中包括桨扇发动机，英语中一般用术语“openrotors”（开式转子发动机）或“propfans”（桨扇发动机）表示），其可以用于飞机的推进。涡轮螺旋桨发动机与涡轮喷气发动机的区别是设有无涵道式螺旋桨桨叶。涡轮风扇发动机或英语中的“turbofan”包括用作螺旋桨的涵道风扇。本专利技术尤其适用于这些类型的涡轮发动机。
技术介绍
用于飞机推进的涡轮发动机还可以简称为“发动机”。因此在本文中，术语“发动机”对应于用于飞机推进的涡轮发动机。这些涡轮发动机使用一个或多个气体涡轮机，同时回收在由一个或多个压缩机供给空气的燃烧室中所产生的能量。在涡轮发动机操作期间，在压缩机处可能出现的一种已知现象是称为“喘振”的现象。这种现象在下文中通过飞机推进器组的涡轮喷气发动机的示例来进行解释，但是这在涡轮螺旋桨发动机中（或者通常在任何的涡轮发动机的压缩机中）也是相同的。喘振现象对应于压缩机叶片的空气动力学失速。这对应于从压缩机的高压区向低压区回流的趋势。这会引起压缩机流率的以振荡形式的不稳定性。通常，应该注意避免这种现象的发生，因为流率（débit）的变化或反转可能导致涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机性能的降低。因此，已知控制涡轮喷气发动机的压缩机的操作，以避免在将要发生喘振的操作点的范围（也称为“喘振区”）内或在该范围附近进行操作。换言之，对于给定的流速，要确保压缩机的压力比（或其压缩率）不超过一定限度，或者相反地，压缩机中根据其压力比或其负载存在足够的流量。在实践中，往往使压缩机在最大可允许压力比下进行操作，以便于确保涡轮发动机的良好效率。在飞机的涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机的情况下，涡轮增压器的负载不但取决于由涡轮发动机提供的用于飞机推进的功率，还取决于用于飞机推进之外的其它功能的机械功率或空气的提取（prélèvement）。提取可以有两种性质：机械提取和/或空气提取。机械（能量）提取对应于在涡轮机和压缩机之间的驱动轴处经由机械传动装置进行的功率提取。例如这允许为飞机的液压设备产生液压功率，和/或驱动一个或多个发电机以供应电能。空气提取（在航空领域中通常用英文术语“bleedair（放气）”来表示）在于提取由压缩机所压缩的空气的一部分，以便于供给（例如）除霜系统、空调系统、载荷冷却系统、燃料惰化系统和/或发动机的内部冷却系统。这些提取会影响相对于喘振区的裕度。通常在高压轴上实现的机械功率的提取使压缩机的操作点更接近涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机的喘振区。空气提取往往主要增加压缩机中的流量（空气的质量流量），而空气提取对压力比的影响通常可以忽略不计，这样会使压缩机的操作点远离喘振区。发动机在喘振方面的最关键的操作点处于其空转转速（或“空转速度”）下。事实上，在发动机的最低转速下，压缩机被低速驱动并且当然具有低压力比，但是压缩机中的空气流量也极大减小，从而可能会在低压力比下发生喘振。因此在空转压力比方面提供的裕度非常小。已知几种方法来增加飞机发动机的操作点与喘振区之间的距离并确保其之间的一定的裕度。首先，可以增加发动机的空转，这样会增加空转操作点与喘振区之间的距离，如前所述。另外，发动机可以具有位于低压压缩机或高压压缩机之后的泄压阀。这些阀的打开增加压缩机内的空气流量。然而，虽然这些阀能够将涡轮发动机的推力保持在期望的水平，但是使用这些阀来获得此推力会导致消耗的显著增加，并且会增加故障风险。另一种使得不会对相对于喘振区的裕度产生过大负面影响的已知的方式在于，在包括低压压缩机、中间压缩机和高压压缩机的涡轮喷气发动机中，经由变速器，在连接到中间压缩机的轴处提取功率，而不是像通常情况那样在连接到高压压缩机的轴处提取功率。但是这并不总是可能的，特别是因为用于飞机推进的许多涡轮发动机并没有中间轴。关于空转（ralenti），通常用于限定其速度的方案是考虑到最不利的特殊情况，即考虑最大机械提取（以产生机械功率、电功率或液压功率）和最小空气提取。空转速度的定义还考虑到可能随之出现的最快的加速阶段，且在此期间发生压力比的快速增加，而流量并不立即增加。因此，根据飞机中通常使用的涡轮发动机的控制策略，涡轮发动机被控制，使得其压缩机（特别是高压压缩机）的操作线（由其多个连续操作点所限定）保持喘振裕度，这考虑到涡轮发动机可能的突然加速时对机械提取的需求的最高水平（即使对于这些需求设置了阈值限制），并且不考虑空气提取（由于假设这些可以随时停止）。这会导致采用可能很高的空转速度。文献US2014/0297155描述了一种飞机发动机的管理方法，其中持续地估计机械提取水平以使其能够被考虑到并且被校正（通过限制对功率提取的授权），以便确保发动机能够产生所必需的推力，或保持在可允许的温度范围内。该文献还提供了考虑这些提取以启动发动机的称作“几何形状可变”的装置（例如，在压缩机的入口处的空气引导阀或泄压阀）的可能性。可以实现对几何形状可变机构的这种控制，使能考虑到相对于喘振区的裕度。然而，涡轮发动机的管理，特别是对于涉及在飞机的涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机操作期间所进行的提取的管理，可以进一步被优化。
技术实现思路
因此，在本专利技术中提出了一种用于飞机推进的涡轮发动机上的机械能和/或空气提取的控制方法，所述飞机包括从所述涡轮发动机提取机械能的机械能提取机构以满足机械能提取需求，和/或用于从所述涡轮发动机中提取空气的空气提取机构以满足空气提取需求，所述飞机包括用于操控在所述涡轮发动机上的提取的能量管理器和用于操控所述涡轮发动机的操作的涡轮发动机控制系统。该方法包括：-在提取需求的修改之后，由所述能量管理器向所述涡轮发动机控制系统发出修改提取的授权请求；-由所述涡轮发动机控制系统估计所述涡轮发动机的当前喘振裕度；以及-如果所述当前喘振裕度允许在没有所述涡轮发动机的喘振风险的情况下修改提取，则所述涡轮发动机控制系统向所述能量管理器发出修改提取的授权，并且修改所述提取；-如果所述当前喘振裕度不允许在没有所述涡轮发动机的喘振风险的情况下修改所述提取，则由所述涡轮发动机控制系统修改所述涡轮发动机的一个或多个操作参数以增加喘振裕度，并且响应于提取需求的修改，采取临时措施。由于使用飞机的能量管理器与涡轮发动机控制系统（例如具有空转管理器）之间的通信协议，以此方式研发的本专利技术允许优化用于飞机推进的涡轮发动机的操作。根据请求/许可类型的协议，该通信使得，只要涡轮发动机不在能保证即使提取被修改（以及涡轮发动机可能的快速加速）也不存在喘振的操作点上，则阻止对涡轮发动机上的提取进行修改。在提取的修改未被授权的时间期间，采取措施以允许飞机功能的可接受的操作。因此，稳定操作中的喘振裕度可以低于通常采用的喘振裕度，并且没有涡轮发动机的操作修改会产生喘振的风险。因此可以使涡轮发动机在更接近喘振区的操作线上进行操作，并采用更低的空转转速。这有利于涡轮发动机和其装配的飞机的燃料消耗，减小推力以改进下降率，限制制动器在地面上的磨损，并且通过其操控改进对仪器的地面控制，以及改进其噪声本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于飞机推进的涡轮发动机（T）上的机械能和/或空气提取的控制方法，所述飞机包括从所述涡轮发动机（T）提取机械能的机械能提取机构以满足机械能提取需求，和/或用于从所述涡轮发动机（T）中提取空气的空气提取机构以满足空气提取需求，所述飞机包括用于操控在所述涡轮发动机（T）上的提取的能量管理器（AEM）和用于操控所述涡轮发动机（T）的操作的涡轮发动机（T）控制系统；所述方法包括：‑ 在提取需求的修改之后，由所述能量管理器（AEM）向所述涡轮发动机控制系统发出修改提取的授权请求（S8）；‑ 由所述涡轮发动机控制系统估计所述涡轮发动机（T）的当前喘振裕度（S13）；以及‑ 如果所述当前喘振裕度允许在没有所述涡轮发动机（T）的喘振风险的情况下修改提取，则所述涡轮发动机控制系统向所述能量管理器（AEM）发出修改提取的授权（S18），并且修改所述提取（S10）；‑ 如果所述当前喘振裕度不允许在没有所述涡轮发动机（T）的喘振风险的情况下修改所述提取，则由所述涡轮发动机控制系统修改所述涡轮发动机（T）的一个或多个操作参数以增加喘振裕度，并且响应于提取需求的修改，采取临时措施。

【技术特征摘要】
2016.12.06 FR 16619911.一种用于飞机推进的涡轮发动机（T）上的机械能和/或空气提取的控制方法，所述飞机包括从所述涡轮发动机（T）提取机械能的机械能提取机构以满足机械能提取需求，和/或用于从所述涡轮发动机（T）中提取空气的空气提取机构以满足空气提取需求，所述飞机包括用于操控在所述涡轮发动机（T）上的提取的能量管理器（AEM）和用于操控所述涡轮发动机（T）的操作的涡轮发动机（T）控制系统；所述方法包括：-在提取需求的修改之后，由所述能量管理器（AEM）向所述涡轮发动机控制系统发出修改提取的授权请求（S8）；-由所述涡轮发动机控制系统估计所述涡轮发动机（T）的当前喘振裕度（S13）；以及-如果所述当前喘振裕度允许在没有所述涡轮发动机（T）的喘振风险的情况下修改提取，则所述涡轮发动机控制系统向所述能量管理器（AEM）发出修改提取的授权（S18），并且修改所述提取（S10）；-如果所述当前喘振裕度不允许在没有所述涡轮发动机（T）的喘振风险的情况下修改所述提取，则由所述涡轮发动机控制系统修改所述涡轮发动机（T）的一个或多个操作参数以增加喘振裕度，并且响应于提取需求的修改，采取临时措施。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述临时措施包括，通过允许储存能量或产生能量的缓冲器（BUF）来供应全部的或部分的机械能提取需求（S11）。3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述临时措施包括，使提取空气的消耗部件开始操作或增加对空气的需求，或者禁止其关闭。4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，修改所述涡轮发动机（T）的操作参数包括增加所述涡轮发动机的空转转速（S20）。5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，还包括：-估计所述涡轮发动机（T）的当前操作点；-估计当前机械能提取；以及-估计当前空气提取（S1），并且其中，当前喘振裕度的确定随所述涡轮发动机（T）的当前操作点以及当前机械能提取和当前空气提取而变化。6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述临时措施包括，通过停止或限制会增加机械提取需求的部件的功率来限制机械提取（S7），被停止或限制功率的这些部件是根据预先建立的部件或部件的相应功能的优先级列表所选择的。7.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，继续实施这些临时措施，直...

【专利技术属性】
技术研发人员：J巴尔科夫斯基，PE鲁，L迪福，T加西亚，C勒纳尔，
申请(专利权)人：空中客车德国运营有限责任公司，空中客车运营公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE