CN110199102A - 燃气涡轮发动机燃料控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

在用于燃气涡轮发动机(1)的燃料控制系统(10)中，燃气涡轮发动机具有气体发生器(4)和由气体发生器(4)驱动的涡轮(6)：主燃料调节器(12)基于输入请求(PLA)确定要引入燃气涡轮发动机(1)中的燃料流量(W_f)的需求(W_fdem)；并且可操作地联接到主燃料调节器(12)的第一限制器级(14)基于发动机安全操作限制引起调节燃料流量(W_f)。第一限制器级(14)设置有Ngdot限制器(20)，以在确定气体发生器速度变化率(N_gdot)克服加速度/减速度的调度安全限制时，引起调节燃料流量(W_f)；Ngdot限制器(20)实现预测器(23)，以执行燃料流量变化率(W_fdot)或燃料流量(W_f)的预测该预测允许气体发生器速度变化率(N_gdot)跟踪调度参考值(Ngdot_ref)。

Description

燃气涡轮发动机燃料控制系统和方法

优先权要求

本申请要求2017年1月20日提交的欧洲专利申请No.17425003.5的优先权，其公开内容通过引用结合于此。

技术领域

本解决方案涉及一种用于控制燃气涡轮发动机中的燃料流的系统以及相应的方法。

背景技术

用于燃气涡轮发动机的燃料控制系统通常被配置成确定要供应给发动机的适量燃料以满足输入动力需求(例如，输入动力需求源自于飞行员的动力杆)，而不克服发动机物理极限，例如“失速”和“熄火”限制。

在发动机运行期间需要限制的主要量之一是气体发生器的加速度/减速度(所谓的“Ngdot”量)。

通过所谓的“Ngdot限制器”，即闭环控制级，来实现加速度/减速度限制，所谓的“Ngdot限制器”是发动机控制系统的一部分，并且当实际的气体发生器的速度变化率正达到其操作限制时，例如正达到失速或熄火限制时，通过控制发动机来进行干预。一旦气体发生器的变化率远远超出这些限制，就通过发动机控制系统的主控制器(例如，用于涡轮螺旋桨发动机的扭矩控制器或用于涡轮风扇发动机的速度控制器)，来撤消发动机控制。

Ngdot限制器的一些主要任务如下：

在快速加速请求的情况下，防止压缩机失速余量的过度减小(所谓的“再猛击(re-slam)”)；

实现一致的加速时间；和

在快速减速请求的情况下，提供足够的燃烧室火焰的稳定余量，避免熄火。

Ngdot限制器的一般目标是最大化跟踪性能，以便降低安全余量(例如失速/熄火余量)，从而充分利用发动机能力；“跟踪”是当Ngdot限制器控制发动机时，实际气体发生器速度变化率与最大允许加速度/减速度的接近程度的度量。

与Ngdot限制器相关的主要设计挑战之一是实现能够跟踪发动机的非线性行为的控制器。

已知的发动机控制系统依赖于并联运行的线性调节器和限制器；通过所谓的“优先级选择方案”选择主动调节器/限制器(即实际控制发动机的调节器/限制器)，并通过调节器增益调度来考虑发动机非线性。

即使增益调度线性架构为许多应用提供了令人满意的结果，但已经证明其在限制气体发生器加速/减速方面表现出有限的跟踪能力。此外，调节器/限制器增益调度可能不足以令人满意地处理发动机的非线性行为。

特别是，虽然计算速度快且因此被指示用于实时控制系统，但是在所有区域和操作条件下通过一组线性模型来描述发动机动力学可能导致错误并且在跟踪发动机气体发生器速度变化率上缺乏准确性。

在气体发生器速度变化率限制期间的不良加速/减速跟踪意味着Ngdot限制器不能将气体发生器速度变化率完全限制低于安全限制(例如允许相对于该限制的过冲/振荡)，并且，在任何情况下，在期望的和实际的速度变化率之间可能发生错误。

因此，为了避免损坏和故障，发动机设计者必须在关键安全区域(例如喘振和熄火区域)保持更高的余量，因此不能充分利用发动机能力。

发明内容

本解决方案的目的是提供改进的Ngdot限制器的跟踪性能，以克服上述缺点。

根据本解决方案，因此提供了一种如所附权利要求书中所限定的燃气涡轮发动机控制系统和方法。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在参考附图，仅作为非限制性示例描述其优选实施例，其中：

图1是燃气涡轮发动机的示意图；

图2是燃气涡轮发动机的控制系统的示意性框图；

图3是燃气涡轮发动机控制系统中的Ngdot限制器的示意性框图；

图4示出了基于Ngdot限制器的发动机分段线性模型的示意图；

图5示出了在Ngdot限制器中实现的预测器模型的示意图；

图6示出了根据不同实施例的在Ngdot限制器中实现的预测器模型的示意图；和

图7A-7B和8A-8B示出了与所提出的解决方案(图7B和8B)相对于最先进的解决方案(图7A和8A)的跟踪性能相关的图。

具体实施方式

如将详细讨论的，本解决方案设想基于发动机“分段线性动态模型”，使用预测器来估计与燃料流量相关的量(即，相同的燃料流量或燃料流量变化率)；根据另一方面，本解决方案设想使用可操作地联接到预测器的附加调节器，以便补偿可能的预测器不确定性。

该解决方案通过引入非线性预测器，克服了线性增益调度架构在将气体发生器速度变化率有效地限制到其最大/最小调度限制方面的已知限制，非线性预测器的目的是预测当Ngdot限制器是发动机控制系统中的主动控制器时，允许跟踪和匹配加速度/减速度限制的燃料流量变化率(或燃料流率)的量。

本解决方案应用于燃气涡轮发动机1，特别是用于飞行器；如图1示意性所示，燃气涡轮发动机1通常包括：

轴向/离心式压缩机2，联接到进气口3；

高压涡轮，所谓的“气体发生器”4，经由压缩机轴5联接到轴向/离心式压缩机2；

低压涡轮，所谓的“动力涡轮”6，由气体发生器4驱动并与气体发生器4机械分离；和

螺旋桨7，经由动力轴8和合适的传动装置9联接到动力涡轮6。

燃气涡轮发动机1还包括控制系统10，控制系统10包括电子控制单元(例如微处理器，微控制器或类似的电子处理单元)，其配备有存储适当软件指令的非易失性存储器，以便执行发动机控制方法(如以下段落中详细讨论的)。

特别地，控制系统10从联接到燃气涡轮发动机1的传感器(这里未示出)接收多个发动机量的测量值，以便执行控制方法，其中：

燃气发电机扭矩Q；

压缩机可变几何位置V_g；

稳态下的压缩机可变几何位置V_g ^ss；

核心发动机速度N_g(即气体发生器4的速度)；

动力涡轮/螺旋桨速度N_p；

压缩机入口温度θ₂；

压缩机入口压力δ₂；和

空速CAS。

如图2中示意性示出的，控制系统10包括：

主燃料调节器级12，接收指示输入动力请求的信号PLA，特别是飞行器动力杆13的角度或设定，并且配置成确定相应的所需燃料流量W_fdem；

第一Ngdot限制器级14，配置成基于发动机安全限制来限制气体发生器4的加速度，并确定允许跟踪发动机加速度限制的第一限制燃料流量W_f1；

第二Ngdot限制器级15，配置成基于发动机安全限制来限制气体发生器4的减速度，并确定允许跟踪发动机减速度限制的第二限制燃料流量W_f2；

第一优先选择器级16，特别是最小选择器，联接到第一Ngdot限制器级14和主燃料调节器级12，并配置成确定所需燃料流量W_fdem和第一限制燃料流量W_f1之间的最小值(换句话说，来自第一优先选择器级16的输出处的燃料流量，在相同的所需燃料流量W_fdem低于第一限制燃料流量W_f1的情况下，是所需燃料流量W_fdem，或者在第一限制燃料流量W_f1低于所需燃料流量W_fdem的情况下，是第一限制燃料流量W_f1)；和

第二优先选择器级17，特别是最大选择器，联接到第一优先选择器级16和第二Ngdot限制器级15，并配置成确定第二限制燃料流量_Wf2和来自第一优先选择器级16的输出处的燃料流量之间的最大值。

如图2所示，控制系统10可以包括另一优先选择器级18，其接收来自第二优先选择器级17的输出处的燃料流量，并且以已知的方式(这里未详细讨论)，基于发动机的进一步限制(例如对压缩机输送压力或螺旋桨扭矩的限制)，根据最小和最大优先方案，将其与进一步的燃料流量需求进行比较。

控制系统10的输出处(在该示例中，在另一优先选择器级18的输出处)的实际燃料流量W_f表示确定要输送到燃气涡轮发动机1以便满足飞行员的需求和发动机安全限制的实际燃料流量。

本解决方案设想用于Ngdot限制器20的特定且有利的实施方式，该Ngdot限制器20在图2的控制系统10中用于第一Ngdot限制器级14和第二Ngdot限制器级15两者。如现在将详细描述的，Ngdot限制器20被配置用于优化跟踪调度的Ngdot值，其被设计成在气体发生器变化率限制期间保持发动机操作限制。

本解决方案通过引入非线性预测器来克服线性增益调度架构在将气体发生器速度变化率有效地限制到其最大允许值方面的缺点，其目的是当Ngdot限制器是主动控制器时，预测燃料流量变化率(或燃料流量)的量，以匹配加速度/减速度限制。

特别地，预测器基于“分段线性动态模型”的原理。分段线性模型的思想源于所研究系统的性质本身：航空发动机是非线性非平稳的设备。

“分段线性动态模型”代表了不同需求之间的折衷：其将线性模型的计算效率与非线性模型的精度相结合。它包括从详细的燃气涡轮发动机1的基于性能的静态模型导出的非线性静态特性，以及描述稳态条件周围的发动机动态的一组线性系数。

预测模型本身可能不足以保证在气体发生器变化率限制期间所需的跟踪性能。这是因为预测模型是实际发动机行为的近似。为了克服这种可能的限制，附加的反馈调节器可以与预测模型并行运行。然后将它们的输出相加在一起以提供限制的燃料流率。

由于预测模型通常足够准确，因此反馈调节器的作用是根据最大允许加速度/减速度与实际气体发生器速度变化率之间的差异来校正模型的不确定性。反馈调节器可以设计为固定增益线性控制器。无论如何，反馈调节器上的增益调度可以进一步提高跟踪性能。

更详细地，并且参考图3，Ngdot限制器20包括：

已知类型的Ngdot限制调度器22(这里未详细讨论)，其被配置为根据设计的调度(通常由发动机制造商提供)并基于气体发生器速度N_g的测量值和燃气涡轮发动机1的实际状态x(如将讨论的，状态x由多个发动机参数表示)来提供调度的Ngdot参考值Ngdot_ref；

预测器23，其联接到Ngdot限制调度器22以接收调度的Ngdot参考值Ngdot_ref，并且在所示实施例中配置为，基于燃气涡轮发动机1的实际状态x和所示实施例中的可变几何位置参考值V_gref(即，压缩机可变几何位置V_g的调度参考值)，确定燃料流量变化率W_fdot(即，燃料流量W_f的导数)的预测其允许跟踪调度的Ngdot参考值Ngdot_ref；

反馈调节器24，其接收Ngdot参考值Ngdot_ref与Ngdot反馈值Ngdot_fdbk之间的误差Err，并配置成确定燃料流量变化率预测的修正项W_fdot_corr，Ngdot反馈值Ngdot_fdbk在燃气涡轮发动机1中被测量并反馈到控制系统10中的Ngdot限制器20；和

求和级25，其从预测器23接收燃料流量变化率预测和来自反馈调节器24的修正项W_fdot_corr，并且被配置为实现其总和，以便在输出处产生限制燃料流量变化率W_fdot_lim，限制燃料流量变化率W_fdot_lim允许跟踪发动机限制(并且基于限制燃料流量变化率W_fdot_lim，确定上面讨论的第一限制燃料流量W_f1和第二限制燃料流量W_f2)。

现在详细讨论预测器23的实现，其用作Ngdot限制器20的控制方案中的前馈动作。

如前所述，预测器23基于燃气涡轮发动机1的分段线性模型，其被配置为通过分段线性化来模拟相同燃气涡轮发动机1的非线性行为。

在图4中显示了大体用26表示的分段线性模型的方案，其中x代表燃气涡轮发动机1的状态，由下式给出：

x＝[N_g,N_p,θ₂,δ₂,CAS]

燃气涡轮发动机1可以用以下表达式建模：

其中第一项基于燃料流量W_f，第二项基于压缩机可变几何量V_g，J是气体发生器极惯性。

在上面的表达式中，项(例如，项表示由燃料流量的变化引起的扭矩变化)是所谓的偏导数(或偏微分)，其是描述任何给定状态x的燃气涡轮发动机1的物理行为的多维映射。这些偏导数可以从热力学模拟器(例如NPSS-数字推进系统模拟)和/或从在相同燃气涡轮发动机1上执行的实验测量确定，热力学模拟器通常用于模拟燃气涡轮发动机1(并且因此通常可用)。

如前所述，预测器23的目标是确定燃料流量变化率，其在给定燃气涡轮发动机1的实际状态x的情况下，使气体发生器4根据参考调度来加速/减速。

根据分段线性模型的上述表达式，由此可以确定燃料流量项；特别地，考虑到气体产生加速度参考和压缩机可变几何位置参考V_gref(均取决于测量状态x)，获得以下表达式(表示预测器模型)：

图5示出了大体用28表示的预测器模型的方案，其实现上述表达式(在离散时间实现的情况下，ΔW_f是燃料流量变化率)。

假设可以忽略与压缩机可变几何位置V_g相关联的表达式的第二项，则可以将燃料流量变化率的表达式简化为：

作为替代，并再次参考上述预测模型的表达式，假设项为常数(为了简化模型)，可以导出以下用于燃料流量变化率的表达式：

图6示出了再次用28表示的预测器模型的方案，其实现上述替代表达式(在离散时间实施的情况下，燃料流量变化率乘以采样时间T_s，以便确定ΔW_f)。

通常，并且对于技术人员显而易见的是，预测器23的输出将是燃料流量W_f或燃料流量变化率这取决于控制燃气涡轮发动机1的发动机调节器/限制器的输出。

对于本领域技术人员显而易见的是，预测器23可以以几种方式在控制系统10的电子控制单元中数字地实现：

直接实现上述预测模型28的表达式；

借助于存储在相关非易失性存储器中的查找表，其中存储和插入从同一表达式计算的一组值；或

通过近似函数，例如一组多项式。

在图7A，8A(示出了现有技术解决方案的跟踪性能)和7B，8B(显示本解决方案的跟踪性能)中示出了所提出的解决方案的跟踪性能与采用增益调度线性调节器的最先进的解决方案的跟踪性能之间的比较。

特别地，图7A，7B示出了当Ngdot限制器20控制燃气涡轮发动机1(时间间隔用双箭头表示)时，相对于调度的加速限制(用虚线示出)的气体发生器加速图(用实线示出)；图8A，8B示出了相应的加速跟踪误差。

在所示的示例中，本解决方案的跟踪误差比现有技术解决方案的相应跟踪误差低一个数量级(在本解决方案中约为1％，而在现有技术解决方案中约为15％)。

从先前的讨论中可以清楚地看出本解决方案的优点。

特别地，再次强调了Ngdot限制器20相对于现有技术解决方案的跟踪性能改进，导致非常好的加速度/减速度跟踪，允许喘振和熄火区域的低余量以及在加速/减速操作期间对全发动机能力的利用。

此外，所提出的解决方案的另一个好处是能够容易地针对不同的发动机或应用调整Ngdot限制器20。

实际上，预测器23的参数可以容易地从发动机的热力学模型(例如，NPSS模型)导出，该热力学模型通常在新发动机的开发期间产生以评估其可操作性和性能能力。值得注意的是，可以从实际发动机的实验活动中推断出相同的数据。由于反馈调节器24仅用于校正预测器误差，因此相同的反馈调节器24将需要较小的增益调谐以适合新的发动机应用。

该特征使得发动机对发动机的可扩展性相对于现有技术解决方案特别容易，其中，反而，线性增益调度调节器需要覆盖整个发动机加速动态行为，因此需要大量努力来用于增益调谐和调度活动。

通常，以下是所讨论解决方案的一些技术优势：

在加速度/减速度限制下改进的跟踪性能，导致全部发动机能力的利用和安全区域(例如喘振和熄火区域)的微小余量；

需要零或小调节器增益调度；

预测器23和附加反馈调节器24在发动机设计修改或新发动机引入方面的易扩展性；

适用于任何涡轮发动机，特别是飞行器；和

数字实现的低内存要求。

最后，清楚的是，可以对这里描述和说明的内容进行修改和变化，而不脱离如所附权利要求书中限定的本发明的范围。

特别地，如已经提到的，取决于在控制系统10中实施的控制方案，来自预测器23的输出可以是燃料流量W_f，而不是燃料流量变化率W_fdot(或ΔW_f)。

由相同预测器23实现的模型可以根据用于表示系统状态x的可用测量值来简化(然而，会导致加速度/减速度限制跟踪的可能恶化)。

此外，可以使用其他参数来校正模型/预测器，例如压缩机入口压力δ₂和/或压缩机入口温度θ₂，以便考虑温度和/或高度效应。

Claims (15)

1.一种燃气涡轮发动机(1)的燃料控制系统(10)，所述燃气涡轮发动机(1)具有气体发生器(4)和由所述气体发生器(4)驱动的动力涡轮(6)，所述燃料控制系统(10)包括：

主燃料调节器(12)，所述主燃料调节器(12)被配置成，基于输入请求(PLA)，确定要引入所述燃气涡轮发动机(1)中的燃料流量(W_f)的需求(W_fdem)；

Ngdot限制器(20)，所述Ngdot限制器(20)被配置成，当确定所述气体发生器速度变化率(Ngdot)克服调度的加速度或减速度的发动机安全操作极限时，引起调节所述燃料流量(W_f)，

其特征在于，所述Ngdot限制器(20)包括预测器(23)，所述预测器(23)被配置成执行所述燃料流量变化率(W_fdot)或燃料流量(W_f)的预测允许所述气体发生器速度变化率(N_gdot)跟踪调度参考值(Ngdot_ref)；其中，对所述燃料流量(W_f)的调节基于所述预测

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，其中，所述Ngdot限制器(20)进一步包括反馈调节器(24)，所述反馈调节器(24)被配置为基于在所述燃气涡轮发动机(1)中测量的反馈气体发生器速度变化率(N_gdot_fdbk)和所述调度参考值(Ngdot_ref)之间的误差(Err)，为所述预测提供修正项(W_fdot_corr)。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，进一步包括求和级(25)，所述求和级(25)被配置成，执行所述预测和所述修正项(W_fdot_corr)之间的求和，以在所述Ngdot限制器(20)的输出处产生限制燃料流量值(W_fdot_lim)，允许所述气体发生器速度变化率(N_gdot)跟踪所述调度参考值(Ngdot_ref)；其中，对所述燃料流量(W_f)的调节基于所述限制燃料流量值(W_fdot_lim)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其特征在于，其中，所述预测器(23)被配置为，基于所述燃气涡轮发动机(1)的分段线性模型(26)来实现预测器模型(28)，以基于所述燃气涡轮发动机(1)的实际状态(x)来确定所述预测

5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，其中，所述分段线性模型(26)基于描述所述燃气涡轮发动机(1)对其任何给定状态(x)的物理行为的偏导数；其中所述偏导数由所述燃气涡轮发动机(1)的热力学模拟器或所述燃气涡轮发动机(1)上的实验测量值确定。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，其中，所述燃气涡轮发动机(1)进一步包括联接到所述气体发生器(4)的压缩机(2)；其中所述预测器模型(28)被配置成实现以下表达式：

其中：

所述燃气涡轮发动机的所述状态(x)由x＝[N_g,N_p,θ₂,δ₂,CAS]给出，其中N_g是所述气体发生器(4)的速度，N_p是所述动力涡轮(6)的速度，θ₂是发动机入口温度，δ₂是发动机入口压力，CAS是空速；

J是所述气体发生器(4)的极惯性矩；

N_gref是所述气体发生器速度的参考值；

Q是气体发生器扭矩；

V_g是压缩机可变几何量；

V_gref是所述压缩器可变几何量的参考值；

SS表示稳态条件。

7.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其特征在于，包括：

包括所述Ngdot限制器(20)的第一限制器级(14)，所述第一限制器级(14)可操作地联接到所述主燃料调节器(12)，引起调节所述燃料流量(W_f)，以限制所述气体发生器(4)的加速度，并且配置成提供第一限制燃料流量(W_f1)；

第一优先选择器级(16)，所述第一优先选择器级(16)联接到所述第一限制器级(14)和所述主燃料调节器(12)，并配置成确定所需燃料流量(W_fdem)和所述第一限制燃料流量(W_f1)之间的最小值；

包括相应的Ngdot限制器(20)的第二限制器级(15)，所述第二限制器级(15)可操作地联接到所述主燃料调节器(12)，以限制所述气体发生器(4)的减速度，并且配置成提供第二限制燃料流量(W_f2)；和

第二优先选择器级(17)，所述第二优先选择器级(17)联接到所述第一优先选择器级(16)和所述第二限制器级(15)，并配置成确定所述第二限制燃料流量(W_f2)和来自所述第一优先选择器级(16)的所述输出处的所述燃料流量之间的最大值，作为要引入所述燃气涡轮发动机(1)中的所述燃料流量(W_f)。

8.一种燃气涡轮发动机(1)，其特征在于，包括根据前述权利要求中任一项所述的燃料控制系统(10)。

9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，包括联接到所述涡轮(6)的螺旋桨或涡轮风扇(7)。

10.一种燃气涡轮发动机(1)的燃料控制方法，所述燃气涡轮发动机(1)具有气体发生器(4)和由所述气体发生器(4)驱动的涡轮(6)，包括：

基于输入请求(PLA)，确定要引入所述燃气涡轮发动机(1)中的燃料流量(W_f)的需求(W_fdem)；和

当确定气体发生器速度变化率(N_gdot)克服调度加速度或减速度的安全操作限制时，根据发动机安全操作限制，引起调节所述燃料流量(W_f)，

其特征在于，包括确定所述燃料流量变化率(W_fdot)或燃料流量(W_f)的预测允许所述气体发生器速度变化率(N_gdot)跟踪调度参考值(Ngdot_ref)；其中，对所述燃料流量(W_f)的调节基于所述预测

11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，进一步包括：基于在所述燃气涡轮发动机(1)中测量的反馈气体发生器速度变化率(N_gdot_fdbk)和所述调度参考值(Ngdot_ref)之间的误差(Err)，为所述预测提供修正项(W_fdot_corr)。

12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，进一步包括执行所述预测和所述修正项(W_fdot_corr)之间的求和，以在所述输出处产生限制燃料流量值(W_fdot_lim)，允许所述气体发生器速度变化率(N_gdot)跟踪所述调度参考值(Ngdot_ref)；其中，对所述燃料流量(W_f)的调节基于所述限制燃料流量值(W_fdot_lim)。

13.根据权利要求10-12中任一项所述的控制方法，其特征在于，其中确定预测包括基于所述燃气涡轮发动机(1)的实际状态(x)，基于分段线性模型(26)实现预测模型(28)，以确定所述预测

14.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于，其中，所述分段线性模型(28)基于描述所述燃气涡轮发动机(1)对其任何给定状态(x)的物理行为的偏导数；其中，所述偏导数由所述燃气涡轮发动机(1)的热力学模拟器或者由所述燃气涡轮发动机(1)上的实验测量值确定。

15.根据前述权利要求中任一项所述的控制方法，其特征在于，其中，引起调节包括：

确定第一限制燃料流量(W_f1)以限制所述气体发生器(4)的加速度；

确定所需燃料流量(W_fdem)与所述第一限制燃料流量(W_f1)之间的最小值；

确定第二限制燃料流量(W_f2)以限制所述气体发生器(4)的减速度；和

确定所述第二限制燃料流量(W_f2)与来自所述第一优先选择器级(16)的所述输出处的所述燃料流量之间的最大值，作为要引入所述燃气涡轮发动机(1)中的所述燃料流量(W_f)。