涡轮叶尖间隙主动控制方法、系统和航空发动机技术方案

本发明专利技术涉及一种涡轮叶尖间隙主动控制方法、系统和航空发动机，其中涡轮叶尖间隙主动控制方法包括：接收输入参数，基于输入参数计算高压涡轮的流量、高压涡轮的间隙泄漏量和高压涡轮的效率中的至少一个；选择高压涡轮的流量、高压涡轮的间隙泄漏量和高压涡轮的效率中的至少一个构造优化目标，根据最优控制理论计算发动机的作动系统的位置指令值；和根据计算出的位置指令值驱动作动系统动作以调整涡轮叶尖间隙的大小。本发明专利技术采用间接的监测方法，可以降低叶尖间隙的控制难度，有效减少气流泄漏并防止碰磨的发生，提高发动机运行安全性，降低耗油率，延长发动机的服役寿命。延长发动机的服役寿命。延长发动机的服役寿命。

【技术实现步骤摘要】
涡轮叶尖间隙主动控制方法、系统和航空发动机


[0001]本专利技术涉及航空发动机
，尤其涉及一种涡轮叶尖间隙主动控制方法、系统和航空发动机。

技术介绍

[0002]叶尖间隙为发动机的转子叶片和机匣之间的距离，它对发动机的性能有很大的影响。叶尖间隙过大，会造成气动损失，导致涡轮效率下降，单位推力下燃油消耗量增加，使发动机的性能降低；而叶尖间隙过小，又很可能会引起叶尖与机匣的碰撞或摩擦，严重危害发动机的安全，甚至导致严重的事故。
[0003]叶尖间隙的变化主要受到发动机运行中转子和机匣受温度变化产生的热变形和转子高速运转时受离心力引起的转子径向伸长等因素的影响。而且，由于离心力和温度、压力等气体条件的影响，叶尖间隙的大小会随转子转速的变化而变化。在飞行任务中，发动机面临着不同的环境条件和工作点，叶尖间隙变化较大。由于涡轮部件转子、叶片和机匣的热特性，在过渡态过程中叶尖间隙也会发生变化。例如，在加速过程中，转子速度增加会导致叶尖间隙减小，气体温度升高，涡轮部件升温，叶片由于质量小，与气体完全接触，升温很快，而机匣加热比叶片要慢得多，因此会进一步减小叶尖间隙。
[0004]在飞行任务中，叶尖间隙最小的情况称为“窄点”，除了窄点以外，大多数工作点的间隙都比较大，效率较低。被动间隙控制系统使用不同的材料、绝缘技术等来改变热性能，但是这些手段不能补偿由于速度变化而引起的间隙变化，为了在不同的操作条件下尽量减少叶尖间隙，一般采用主动间隙控制方法实时调节叶尖间隙的大小，使叶尖间隙保持在最佳工作状态附近，提高发动机的效率，降低排气温度，从而达到延长发动机寿命的目的。
[0005]从控制回路来说，主动间隙控制技术可以分为闭环间隙主动控制和开环间隙主动控制。开环间隙主动控制在控制策略上采用开环设计，即根据发动机传感器信号直接调节预设的冷却气体流量。这种控制方式的缺点是控制精度有限，而且发动机性能退化后不能保证预期设计的性能。闭环间隙主动控制需要利用先进的间隙传感器，检测出某工况时的叶尖间隙值，通过反馈控制回路控制间隙的最佳值。但是，叶尖间隙和叶尖振动位移的实时测量虽然对于发动机性能和安全性的大幅提升具有“赋能”作用，但其研制难度很大。闭环间隙主动控制系统需要使用叶尖间隙传感器给控制单元发送信号，控制单元根据该信号调整间隙大小。原则上，闭环控制可以检测任何间隙变化(对称、不对称、退化)并快速反应，因此用于检测涡轮叶尖间隙的传感器必须满足较高的精度要求，且必须能够在高温、高振动、空气环境污染中正常工作，然而目前还没有能够满足这些条件的传感器，很难实现叶尖间隙的在线测量，目前主流航空发动机厂商普遍使用的技术手段是基于间隙模型反馈的闭环控制。
[0006]但是，叶尖间隙模型需要开展流动、传热、变形等一系列工作，而且发动机叶尖间隙会受到转子离心力、转静子热膨胀以及发动机外部载荷、机匣椭圆度等多种因素的综合影响，即叶尖间隙随着发动机性能的衰退是不断变化的，另外叶尖间隙的孔道结构也非常
复杂，因此叶尖间隙模型的建模工作相当复杂，模型要达到一定精度以满足闭环控制的要求存在巨大的挑战，基于间隙模型反馈的闭环控制实现起来难度很大。
[0007]需要说明的是，公开于本专利技术
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

[0008]本专利技术实施例提供一种涡轮叶尖间隙主动控制方法、系统和航空发动机，有效降低控制难度。
[0009]根据本专利技术的一个方面，提供一种涡轮叶尖间隙主动控制方法，包括：
[0010]接收输入参数，基于输入参数计算高压涡轮的流量、高压涡轮的间隙泄漏量和高压涡轮的效率中的至少一个；
[0011]选择高压涡轮的流量、高压涡轮的间隙泄漏量和高压涡轮的效率中的至少一个构造优化目标，根据最优控制理论计算发动机的作动系统的位置指令值；和
[0012]根据计算出的位置指令值驱动作动系统动作以调整涡轮叶尖间隙的大小。
[0013]在一些实施例中，基于输入参数计算高压涡轮的流量、高压涡轮的间隙泄漏量和高压涡轮的效率中的至少一个的操作包括：
[0014]将输入参数输入涡轮性能模型，通过涡轮性能模型计算输出参数的理论值、高压涡轮的流量和高压涡轮的效率；
[0015]测量输出参数的测量值；
[0016]将计算所得的输出参数的理论值和测量所得的输出参数的测量值输入自适应滤波器，通过自适应滤波器计算高压涡轮的间隙泄漏量、高压涡轮流量修正系数和高压涡轮效率修正系数。
[0017]在一些实施例中，输出参数包括发动机的高压轴的转速、高压涡轮的出口温度和发动机的排气温度。
[0018]在一些实施例中，输出参数还包括高压涡轮的出口压力。
[0019]在一些实施例中，高压涡轮流量修正系数和高压涡轮效率修正系数作为输入参数输入涡轮性能模型。
[0020]在一些实施例中，输入参数还包括高压涡轮的进口温度、高压涡轮的进口压力、高压涡轮的膨胀比、高压轴的当前转速、发动机的燃油流量和作动系统中阀门的开度。
[0021]在一些实施例中，优化目标中的控制参数包括高压涡轮的流量、高压涡轮的间隙泄漏量和高压涡轮的效率中任一个的值或者高压涡轮的流量、高压涡轮的间隙泄漏量和高压涡轮的效率中至少两个基于预设函数的值。
[0022]在一些实施例中，优化目标中的控制参数为：
[0023][0024]优化目标函数为：
[0025][0026]约束条件为：
[0027][0028]其中，为控制参数，为高压涡轮的泄漏流量，为高压涡轮的效率，γ
sp
为控制参数的设定值，k为离散时间序列的时刻，P为模型预测域的步数，M为控制域的步数，α和β为加权系数，N2为高压轴的当前转速，为高压轴在巡航状态时的转速，EGT为发动机的排气温度，W
f
为发动机的燃油流量，HPTACC为作动系统中阀门的开度。
[0029]在一些实施例中，优化目标中的控制参数为：
[0030][0031]优化目标函数为：
[0032][0033]约束条件为：
[0034][0035]其中，为控制参数，为高压涡轮的泄漏流量，为高压涡轮的效率，γ
sp
为控制参数的设定值，k为离散时间序列的时刻，P为模型预测域的步数，M为控制域的步数，α和β为加权系数，N2为高压轴的当前转速，为高压轴在巡航状态时的转速，EGT为发动机的排气温度，W
f
为发动机的燃油流量，HPTACC为作动系统中阀门的开度。
[0036]根据本专利技术的另一个方面，提供一种涡轮叶尖间隙主动控制系统，包括：
[0037]计算单元，被配置为接收输入参数并基于输入参数计算高压涡轮的流量、高压涡轮的间隙泄漏量和高压涡轮的效率中的至少一个；
[0038]作动系统；和
[0039]控制单元，与计算单元和作动系统信号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种涡轮叶尖间隙主动控制方法，其特征在于，包括：接收输入参数，基于所述输入参数计算高压涡轮的流量、高压涡轮的间隙泄漏量和高压涡轮的效率中的至少一个；选择所述高压涡轮的流量、所述高压涡轮的间隙泄漏量和所述高压涡轮的效率中的至少一个构造优化目标，根据最优控制理论计算作动系统(30)的位置指令值；和根据计算出的所述位置指令值驱动所述作动系统(30)动作以调整所述涡轮叶尖间隙的大小。2.根据权利要求1所述的涡轮叶尖间隙主动控制方法，其特征在于，所述基于所述输入参数计算高压涡轮的流量、高压涡轮的间隙泄漏量和高压涡轮的效率中的至少一个的操作包括：将所述输入参数输入涡轮性能模型(11)，通过涡轮性能模型(11)计算输出参数的理论值、高压涡轮的流量和高压涡轮的效率；测量所述输出参数的测量值；将计算所得的所述输出参数的理论值和测量所得的所述输出参数的测量值输入自适应滤波器(12)，通过所述自适应滤波器(12)计算所述高压涡轮的间隙泄漏量、高压涡轮流量修正系数和高压涡轮效率修正系数。3.根据权利要求2所述的涡轮叶尖间隙主动控制方法，其特征在于，所述输出参数包括发动机的高压轴的转速、高压涡轮的出口温度和发动机的排气温度。4.根据权利要求3所述的涡轮叶尖间隙主动控制方法，其特征在于，所述输出参数还包括高压涡轮的出口压力。5.根据权利要求2所述的涡轮叶尖间隙主动控制方法，其特征在于，所述高压涡轮流量修正系数和所述高压涡轮效率修正系数作为所述输入参数输入所述涡轮性能模型(11)。6.根据权利要求5所述的涡轮叶尖间隙主动控制方法，其特征在于，所述输入参数还包括高压涡轮的进口温度、高压涡轮的进口压力、高压涡轮的膨胀比、高压轴的当前转速、发动机的燃油流量和所述作动系统(30)中阀门的开度。7.根据权利要求1所述的涡轮叶尖间隙主动控制方法，其特征在于，所述优化目标中的控制参数包括所述高压涡轮的流量、所述高压涡轮的间隙泄漏量和所述高压涡轮的效率中任一个的值或者所述高压涡轮的流量、所述高压涡轮的间隙泄漏量和所述高压涡轮的效率中至少两个基于预设函数的值。8.根据权利要求1所述的涡轮叶尖间隙主动控制方法，其特征在于，所述优化目标中的控制参数为：优化目标函数为：约束条件为：
其中，为控制参数，为高压涡轮的泄漏流量，为高压涡轮的效率，γ
sp
为控制参数的设定值，k为离散时间序列的时刻，P为模型预测域的步数，M为控制域的步数，α和β为加权系数，N2为高压轴的当前转速，为高压轴在巡航状态时的转速，EGT为发动机的排气温度，W
f
为发动机的燃油流量，HPTACC为所述作动系统(30)中阀门的开度。9.根据权利要求1所述的涡轮叶尖间隙主动控制方法，其特征在于，所述优化目标中的控制参数为：优化目标函数为：约束条件为：其中，为控制参数，为高压涡轮的泄漏流量，为高压涡轮的效率，γ
sp
为控制参数的设定值，k为离散时间序列的时刻，P为模型预测域...

【专利技术属性】
技术研发人员：周健，辛长堃，魏芳，佘云峰，郑建弘，
申请(专利权)人：中国航发商用航空发动机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：