用于涡轮螺旋桨发动机的组合的螺旋桨速度和螺旋桨螺距控制的系统和方法技术方案

具有燃气涡轮(20)和联接至燃气涡轮(20)的螺旋桨组件(13)的涡轮螺旋桨发动机(12)的电子控制系统(30)基于飞行员输入请求，经由被设计为调节螺旋桨组件(13)的螺旋桨叶片(2)的螺距角(β)的致动组件(29)的驱动量(I

System and method of propeller speed and pitch control for combination of turboprop engines

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于涡轮螺旋桨发动机的组合的螺旋桨速度和螺旋桨螺距控制的系统和方法相关申请的交叉引用本专利申请要求于2018年3月23日提交的欧洲专利申请No.18425017.3的优先权，其全部公开内容通过引用合并于此。
本解决方案涉及用于飞行器的涡轮螺旋桨发动机的组合的螺旋桨速度和螺旋桨螺距控制的系统和方法。
技术介绍
众所周知，涡轮螺旋桨发动机包括燃气涡轮和通过齿轮箱组件联接至燃气涡轮的螺旋桨组件。已知飞行器解决方案，其中飞行员使用单个输入设备(动力杆或油门杆)来输入发动机动力(扭矩或推力)要求；同样的动力杆也用于确定螺旋桨速度或螺距控制要求。考虑到操作和环境条件以及由动力杆的位置确定的动力要求，由例如全权限数字发动机控制器(FADEC)的电子控制系统实现的螺旋桨控制通常基于对螺旋桨速度和螺旋桨螺距参考值的闭环跟踪。控制动作的输出通常是驱动量，例如电流，其被供应到涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨致动组件(例如，伺服阀)，以控制螺旋桨叶片的可变螺距。在螺旋桨系统中，可变螺距是指使螺旋桨叶片的迎角迎风或逆风，以控制动力的产生或吸收(调节推力)。取决于迎角，推力可以沿前向方向(在启动，起飞和飞行状态下)或后向方向(在着陆后或在地面操纵过程中使推力和制动反向)产生。图1示意性地示出了用1表示的飞行器动力杆可以采取的位置以及示例性螺旋桨叶片2的对应螺距位置。螺距可限定为在螺旋桨叶片2的前缘3a和后缘3b之间延伸的弦3与螺旋桨叶片2可绕其旋转的方向R之间的角度β。特别是，将动力杆可能的位置划分为第一范围(表示为“Alpha范围”(具有对应的Alpha操作模式))和不同于第一范围的第二范围(表示为“Beta范围”(具有对应的Beta操作模式)。在涡轮螺旋桨发动机中，Alpha范围是空转和最大起飞(对应最大向前请求)之间的动力杆位置的范围；Alpha模式是飞行期间唯一允许的操作模式。当动力杆位置处于或高于空转位置时，Alpha范围用于飞行操作和地面操作。在Alpha范围内，动力杆位置总是确定正向或前向推力，螺距角从最小空转位置直到最大或顺桨(feather)位置(例如，螺距角β等于89°)。如图1所示，顺桨位置在空气阻力最小的情况下提供零推力，并且如果发动机在飞行中关闭或螺旋桨克服超速阈值，则使用顺桨位置。当处于Alpha模式时，动力杆1为电子控制系统设置螺旋桨速度需求，这将向螺旋桨致动组件提供电流，直到螺旋桨速度测量值达到螺旋桨速度需求为止。在假设典型的飞行器任务的情况下，根据制定为使螺旋桨尽可能接近最佳操作点操作的预定计划，该螺旋桨速度需求是动力杆角度位置的函数。在涡轮螺旋桨发动机中，Beta范围是空转和最大反向之间的动力杆位置的范围；仅当飞行器在地面上时才允许使用。特别地，Beta范围用于地面操作，包括着陆后放慢飞行器速度。当启动涡轮螺旋桨发动机并处于空转状态时，螺距将从空转位置到地面精细位置(零螺距角β，对应于零推力和最大空气阻力)呈现正值(产生正向或前向推力)；而且该位置范围也被认为是Beta范围的一部分，且仅在地面上使用。通过将动力杆1从空转位置移向最大反向，螺旋桨叶片进入反向螺距，将气流从螺旋桨向前引导；这有助于降低着陆滚转期间的飞行器速度，还允许有意地使飞行器向后移动。当处于Beta模式(即，低于空转)时，动力杆位置指示电子控制系统的螺距角需求，这将向螺旋桨致动组件供应电流，直到螺距角测量值达到螺距角需求为止。如上所述，当处于Alpha模式时，电子控制系统驱动螺距致动器组件以实现螺旋桨速度需求。如果实际螺旋桨速度无法达到速度需求，因为发动机产生的动力不足，则控制系统会将螺距移至空转位置以下，因为Alpha模式不控制叶片螺距的位置；如果在飞行过程中发生，可能会非常危险。为了避免这种情况，螺旋桨致动组件配备了称为“液压锁”的安全被动装置，其目的是在飞行操作期间将螺旋桨螺距限制在最小空转位置，即，所谓的“最小飞行螺距(MFP)”。不管螺旋桨控制系统如何控制螺距，如果接合了液压锁，螺距将永远不会低于MFP值。在起飞或飞行操作期间以低于MFP的螺距运行螺旋桨确实被认为是危险/灾难性的，因为这可能会导致螺旋桨超速和过大的阻力，从而导致无法控制飞行器(在双引擎应用中尤其如此)。在大多数已知的涡轮螺旋桨发动机中，无论是在飞行操作状态还是在地面操作(例如滑行和保持)期间，只有单个发动机空转设定可用，最小螺旋桨螺距为MFP值。但是，MFP的空转设定通常会提供比地面操作所需的推力更大的推力，从而增加制动器的使用和燃料消耗，并导致飞行员工作量大。通常，如果螺旋桨能够在MFP设定以下进行操作，则从飞行员的工作量和效率的角度出发，可以优化例如滑行和保持的空转时的地面操作。为了解决该问题，以本申请人的名义于2017年7月28日提交的欧洲专利申请17425083.7公开了一种螺旋桨控制系统，其中，在地面操作期间，可以通过控制动作将螺旋桨螺距限制为“最小地面螺距(MGP)”值，其低于MFP值，其中液压锁脱离。特别地，取决于飞行或地面操作条件来选择MGP或MFP值，如通过合适的传感器，例如WoW(车轮重量)传感器所确定的。上述专利申请中公开的解决方案有利地允许改善飞行器的地面操作，在避开带中减轻螺旋桨的操作，改善燃料消耗并总体上改善飞行器和涡轮螺旋桨发动机的操作。然而，上述专利申请没有详细公开电子控制系统如何能够在螺旋桨速度和螺旋桨螺距控制中管理MGP和MFP值。此外，本申请人已经认识到，已知的控制解决方案在控制两个不同的操作模式，即Alpha模式和Beta模式，特别是从相同的两个操作模式的过渡中，并不是完全令人满意的。特别地，一种已知的控制解决方案设想了两个不同的控制回路，一个用于基于螺旋桨速度需求来控制螺旋桨速度，另一个用于基于螺距角需求来控制螺旋桨螺距角；根据Alpha或Beta操作模式，由控制选择开关交替选择两个控制回路的输出。该控制解决方案的缺点是需要复杂的对齐算法来对齐两个控制回路，以便在两个操作模式之间进行平滑且“无扰动”的过渡。另一种已知的控制解决方案设想了级联两个不同的控制回路，一个用于基于螺旋桨速度需求控制螺旋桨速度，另一个用于基于螺距角需求控制螺旋桨螺距。这种另外的解决方案的缺点在于，只有在提供螺距角的测量值的螺距角传感器始终可用且可操作的情况下，控制动作才可以进行操作。如果在飞行过程中螺距角传感器出现故障，则电子控制系统将无法操作。
技术实现思路
本解决方案的目的是提供一种用于涡轮螺旋桨发动机的改进的控制解决方案，从而能够解决上述已知控制解决方案的缺点。因此，根据本解决方案，提供了如所附权利要求书所限定的控制系统和控制方法。附图说明为了更好地理解本专利技术，现在参考附图，仅作为非限制性示例来描述其优选实施例，其中：图1是确定发动机动力要求的输入动力杆的角位置范围和对应的叶片螺距位置的示意图；图2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于涡轮螺旋桨发动机(12)的电子控制系统(30)，其特征在于，所述涡轮螺旋桨发动机(12)具有燃气涡轮(20)和联接至所述燃气涡轮(20)的螺旋桨组件(13)，所述控制系统(30)构造成基于驾驶员输入请求，经由被设计为调节所述螺旋桨组件(13)的螺旋桨叶片(2)的螺距角(β)的致动组件(29)的驱动量(I

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180323 EP 18425017.31.一种用于涡轮螺旋桨发动机(12)的电子控制系统(30)，其特征在于，所述涡轮螺旋桨发动机(12)具有燃气涡轮(20)和联接至所述燃气涡轮(20)的螺旋桨组件(13)，所述控制系统(30)构造成基于驾驶员输入请求，经由被设计为调节所述螺旋桨组件(13)的螺旋桨叶片(2)的螺距角(β)的致动组件(29)的驱动量(IP)的产生来控制螺旋桨操作，并且包括：
螺旋桨速度调节器(39)，所述螺旋桨速度调节器(39)构造成在其输入处接收螺旋桨速度误差(ep)，并且基于所述螺旋桨速度误差(ep)，在其输出处产生第一控制量(Out1)，所述螺旋桨速度误差(ep)指示螺旋桨速度测量值(Nr)与螺旋桨速度需求(Nrref)之间的差；
螺旋桨螺距调节器(42)，所述螺旋桨螺距调节器(42)构造成在其输入处接收螺旋桨螺距误差(eβ)，并且基于所述螺旋桨螺距误差(eβ)，在其输出处产生第二控制量(Out2)，所述螺旋桨螺距误差(eβ)指示螺旋桨螺距需求(βref)与螺距位置测量值(β)之间的差；和
优先级选择级(45)，所述优先级选择级(45)联接到所述螺旋桨速度调节器(39)和所述螺旋桨螺距调节器(42)的输出，以接收所述第一控制量(Out1)和所述第二控制量(Out2)，并且构造成在所述第一控制量(Out1)和所述第二控制量(Out2)之间实现优先级选择，用于基于所述第一控制量和所述第二控制量之间的所述优先级选择，在其输出处提供所述驱动量(IP)。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，构造成接收输入信号(LA)，所述输入信号(LA)指示确定飞行员输入请求的输入杆(1)的角位置；其中所述优先级选择级(45)构造成，当所述输入信号(LA)指示所述输入杆(1)的位置在第一范围内时，选择所述螺旋桨速度调节器(39)的所述输出处的所述第一控制量(Out1)，所述第一范围介于空转位置到全前向位置之间；并且当所述输入信号(LA)指示所述输入杆(1)的所述位置在不同于所述第一范围的第二范围内时，选择所述螺旋桨螺距调节器(42)的所述输出处的所述第二控制量(Out2)，所述第二范围介于所述空转位置到全反向位置之间。


3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，其中，所述优先级选择级(45)构造成在所述第一控制量(Out1)和所述第二控制量(Out2)之间实现最大选择，以在其输出处选择所述第一控制量(Out1)和所述第二控制量(Out2)中的较大者，用于提供所述驱动量(Ip)。


4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，其中，正驱动量(IP)被设计为确定通过所述致动组件(29)的所述螺距角(β)的增加。


5.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，构造成接合机械锁，以确定在飞行操作模式期间所述螺距角(β)的最小飞行螺距值(MFP)；其中，当所述输入杆(1)的所述位置在第一范围内时，所述螺旋桨螺距需求(βref)等于最小地面螺距值(MGP)，所述最小地面螺距值(MGP)小于所述最小飞行螺距值(MFP)，所述第一范围介于空转位置到全前向位置之间。


6.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，其中，当接收到指示顺桨请求的顺桨命令时，所述螺旋桨螺距需求(βref)等于对应于最大螺距值的顺桨位置值。


7.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，进一步包括：
第一参考发生器(36)，所述第一参考发生器(36)构造成接收指示输入杆(1)的角位置的输入信号(LA)，并确定与所述输入信号(LA)相对应的所述螺旋桨速度需求(Nrref)的值；
第一加法器块(38)，所述第一加法器块(38)构造成在负输入处接收所述螺旋桨速度需求(Nrref)，且在正输入处接收所述螺旋桨速度测量值(Nr)，并且在所述输出处提供所述螺旋桨速度误差(ep)。


8.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，进一步包括：
第二参考发生器(40)，所述第二参考发生器(40)构造成接收指示输入杆(1)的角位置的输入信号(LA)，并确定与所述输入信号(LA)相对应的所述螺旋桨螺距需求(βref)的值；
第二加法器块(41)，所述第二加法器块(41)构造成在正输入处接收所述螺旋桨螺距需求(βref)，且在负输入处接收所述螺距位置测量值(β)，并且在所述输出处提供所述螺旋桨螺距误差(eβ)。


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【专利技术属性】
技术研发人员：皮尔保罗·福特，斯特凡诺·埃托雷，朱塞佩·多尼尼，
申请(专利权)人：通用电气阿维奥有限责任公司，
类型：发明
国别省市：意大利;IT