CN108368747A - 用于通过监测高压体的速度来监测涡轮机起动序列的方法、***和计算机程序 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种监测涡轮机的起动序列的方法，该涡轮机包括设置有转子的压气机、能够驱动转子的起动器，和燃烧室。起动序列包括第一阶段和在第一阶段之后的第二阶段，在该第一阶段期间，起动器增大转子的旋转速度直至燃料被喷注到涡轮机燃烧室中的时刻，该第二阶段在起动器停止驱动转子时终止。该方法包括：‑对代表转子在起动序列期间的旋转速度的信号进行采集(ACQ)；‑对所述信号相对于时间的演变的断点的时刻进行检测(DRP1，DRP2，INT)，由此检测到的断点的时刻被视作空气‑燃料混合物在燃烧室中被点火的时刻。

Description

用于通过监测高压体的速度来监测涡轮机起动序列的方法、 ***和计算机程序

技术领域

本发明的领域是对涡轮机的健康状况进行监测的领域，该涡轮机尤其为航空器涡轮喷气发动机和涡轮螺旋桨发动机。

本发明的目的尤其在于检测***的劣化，该劣化可能影响涡轮机起动序列的顺利进行。

背景技术

涡轮机发动机的不良起动序列通常是发动机中的空气-燃料混合物进行不良点火的征兆。点火不足可能有数个原因，包括燃料不充足或甚至缺乏燃料(这可能是由于燃料泵、计量阀、喷注器损坏造成的)或者是能量供应不充足或甚至缺乏能量供应(这可能是由于火花塞或火花产生***劣化造成的)。

在涡轮机起动序列期间发生的***劣化可通过空气-燃料混合物点火时长而被监测到，该时长被定义为燃料被喷注到发动机燃烧室中所处的时刻与该混合物点火所处的时刻之间的时长。

因此，对于给定的涡轮机，点火时长可被用作用于起动涡轮机的***的劣化的指标。因此，可通过在每次起动时进行测量来随时间监测该指标，并且如果测量到的点火时长与参考时长相比存在确认的偏差，则发出警报。于是可以预知起动***的失效并且可以实施程序化的预防性维护操作，以限制由待起动的发动机的失效导致的损失。

燃料计量阀的位置是用于确定燃料被喷注到燃烧室中所处的时刻的一种可靠的措施。该位置可准确地辨识出燃料供应阀打开通入到燃烧室中的开始时间。

为了得到所监测的指标，即燃料点火时长，于是空气-燃料混合物发生点燃所处的时刻必须被检测。

已知这种检测是使用涡轮机EEC(电子发动机计算机(Electronic EngineComputer))实时进行的，以调整在起动时的计量规则以及检测未点燃的情况。该实时的点火检测必须满足若干要求。

首先，该点火检测必须稳健，因为EEC计算机软件随后调整被喷注到燃烧室中的燃料的量。有效但未检测到的点火对起动发动机的可能性可能是不利的。

该点火检测必须是实时进行的，不带有延迟，以适应飞行涡轮机控制规则。

没有严格的精度要求，可以容许点火时刻的检测发生几秒钟的延迟。

以可用的测量的高采集频率(传统地，每15ms刷新一次)进行该检测，这导致要处理大量的数据。然而，EEC计算机计算能力有限，这限制了能够使用的检测算法的类型。

健康状况监测算法不满足与EEC计算机使用的检测点火时刻的算法相同的需求，并因此不满足相同的性能要求。

首先，实施这种健康状况监测指示装置通常分为两个部分，其中的一个部分为航空器机载的计算机，另一个部分为非航空器机载的在地面上的工作站。

在这种情况下，该健康状况监测指示装置的稳健性不是特别关键。在几十次或甚至数百次的飞行历史记录之后，根据整体飞行趋势来监测健康指标。因此，偶尔未被检测到的点火对健康状况监测算法的总体性能只有很小的影响。

也不存在任何的实时计算限制。计算可以进行后验，因为要检测的劣化是缓慢的(分布于数次飞行)。

另一方面，必须尽可能准确地检测点火时刻。这种准确性控制了健康状况监测算法的总体检测性能。

此外，测量采集频率可能是有限的(每秒刷新，或甚至以更长的时间间隔刷新)。因此，对于该限制，点火时刻检测算法必须是稳健的。最后，专用于监测健康状况的机载计算机通常具有高于EEC计算机的性能。此外，健康状况监测计算可以在地面上、在专用的计算站完成，这消除了对可使用的检测算法的类型的所有限制。

传统地，EEC计算机使用来自排气温度传感器的信号输出来检测空气-燃料混合物的点火。该解决方案非常稳健，并因此对涡轮机控制和调整要求提供了一种良好的解决方案。另一方面，传感器位于离燃烧室相对长的距离的位置，这导致了对于健康状况监测需求而言是不可接受的延迟和不准确。

实际上，如果EEC计算机在喷注燃料之后检测到至少为35℃的温升，则点火检测是有效的。这种检测产生了约为3秒的平均延迟，而该平均延迟必须加上一随机误差(例如统计量化的传感器误差)。

用于检测空气-燃料混合物的点火的另一种技术包括监测来自燃烧室的被称为PS3(平面内的静态压力3)的上游压力。在点火之前，压力PS3是非常稳定的。对混合物点火使得该室入口压力发生可检测到的突然升高(阶跃)。

通过监测压力PS3来检测点火时刻是非常准确的，但相对地不是很稳健。取决于起动条件，压力PS3的突然变化过小而不能检测到是相当频繁的。因此，运行经验表明约10％的点火未被这种方法检测到。

发明内容

本发明的目的是公开一种用于检测空气-燃料混合物点火时刻的技术，该技术可靠并准确，并且可以满足用于监测涡轮机起动***的健康状况的性能要求。

为此，本发明公开了一种监测涡轮机的起动序列的方法，该涡轮机包括配备有转子的压气机、能够驱动转子进行旋转的起动器和燃烧室，起动序列包括第一阶段和在第一阶段之后的第二阶段，该第一阶段终止于燃料被喷注到燃烧室中的时刻，并且在该第一阶段期间，起动器受到控制以增大转子的旋转速度，该第二阶段在起动器停止驱动转子时终止。该方法包括下述步骤：

-对代表转子在起动序列期间的旋转速度的信号进行采集；

-对所述信号随时间的变化发生突变的时刻进行检测，由此检测到的突变时刻被视作空气-燃料混合物在燃烧室中被点火的时刻。

对突变时刻进行检测包括下述操作：

-确定根据直接代表转子在第一阶段期间的旋转速度的信号进行了调整的第一回归曲线；

-确定根据直接代表转子在第二阶段期间的旋转速度的信号进行了调整的第二回归曲线；

-从第一回归曲线与第二回归曲线的交叉点开始，检验燃烧室中的空气-燃料混合物的点火时刻。

该方法的某些优选的但非限制性的方面如下：

-采集到的信号直接代表转子在第一阶段和第二阶段期间的旋转速度，并且对突变时刻进行检测由检测在第一阶段期间随时间的非线性变化与在第二阶段期间随时间的线性变化的交叉点组成；

-第一回归曲线和第二回归曲线中的每一条均与质量指标相关联，并且当质量指标低于阈值时，涡轮机起动时刻被判定为异常；

-采集到的信号为直接代表转子在第一阶段和第二阶段期间的旋转速度的信号的导函数，并且对突变时刻进行检测由检测在第一阶段期间随时间的线性变化与在第二阶段期间随时间的固定变化的交叉点组成；

-该方法还包括对代表燃烧室燃料供应阀的位置的信号进行采集以及从代表所述阀的位置的所述信号开始确定燃料被喷注到燃烧室中所处的时刻；

-该方法还包括在入口处对代表流通到燃烧室的气流的压力的信号进行采集，以及当检测到代表所述压力的所述信号的幅值的突变时检验燃烧室中的空气-燃料混合物的点火时刻；

-该方法还包括将涡轮机点火时长确定为喷注时刻与通过检测代表所述压力的所述信号的幅值的突变而检验到的点火时刻之间的持续时间，或者，在未检测到代表所述压力的所述信号的幅值的突变的情况下，将该涡轮机点火时长确定为喷注时刻与被视作与检测到的突变的时刻相同的点火时刻之间的持续时间；

-在地面通过涡轮机健康监测设备来执行检测所述信号随时间的变化的突变时刻的步骤。

本发明还涉及一种用于监测涡轮机起动序列的***，该***包括计算机，该计算机被配置为实施对采集到的信号随时间的变化的突变时刻进行检测的方法中的步骤。本发明还包括计算机程序，该计算机程序包括程序代码指令，该程序代码指令用于执行对采集到的信号随时间的变化的突变时刻进行检测的方法中的步骤。

附图说明

在参照附图阅读本发明的作为非限定性示例给出的优选实施例的以下详细描述之后，本发明的其它方面、目的、优点和特征将变得清楚，在附图中：

-图1和图2示出了靠近燃烧室的压气机转子的旋转速度在涡轮机起动序列期间随时间的变化，以及根据该速度针对起动序列中的两个不同阶段进行了调整的回归曲线；

-图3是示出了根据本发明的方法的一个可行的实施例的图表；

-图4示出了在涡轮机起动序列期间，压气机转子的旋转速度随时间的变化和压气机出口压力随时间的变化。

具体实施方式

本发明涉及一种监测涡轮机的起动序列的方法。涡轮机包括在其中使空气-燃料混合物进行点火燃烧的燃烧室、用于通过阀对燃烧室供应燃料的喷注器，该阀的位置由计量阀来进行调节。

涡轮机还包括压气机转子和能够驱动转子进行旋转的起动器。优选地，压气机位于靠近燃烧室处。在双体(deux corps)涡轮机的情况下，该压气机例如可以是高压压气机。

起动序列包括第一阶段，在该第一阶段期间，起动器受到控制以在时间窗口内增大转子的旋转速度，该时间窗口介于涡轮机收到起动命令与燃料被喷注到涡轮机燃烧室中所处的时刻之间。该第一阶段可被称为预喷注阶段。

该方法还可包括对代表燃烧室燃料供应阀的位置的信号进行采集以及使用代表所述阀的位置的所述信号来确定燃料被喷注到燃烧室中所处的时刻。因此，当检测到阀打开时第一阶段终止。

起动序列包括处于第一阶段之后的第二阶段，当起动器停止转动转子(起动器分离)时该第二阶段完成。

理想地，该第二阶段在对燃烧室中的空气-燃料混合物点火之后开始，并且该第二阶段可被称为点火后阶段。为此，第二阶段尤其可在第一阶段之后给定的持续时间(例如之后的5秒钟)之后开始，以确保对空气-燃料混合物进行的点火在喷注燃料之后不久即生效。该给定的持续时间可被转化为转子的旋转速度的阈值，以确保旋转速度为点火后第二阶段的速度特征。例如，该阈值可以是在第一阶段期间不能够达到的阈值，例如最大速度的35％，或者是与第一阶段结束时的旋转速度完全不同的阈值，例如超过该速度的值的多于5％。

参照示出了一个实施例的图3，该方法包括对直接或间接地代表转子在起动序列期间的旋转速度的信号进行采集“ACQ”。当旋转速度适用于被安装在双体涡轮机的高速压气机上的转子的旋转速度时，该旋转速度通常被认定为速度N2。速度N2将在说明书的其余部分中被提及到，然而本发明不限于此。

在本发明的框架中，通过在起动序列期间监测该速度N2来对检测室中的空气-燃料混合物的点火时刻进行检验“INT”。更具体地，本发明提出了监测代表速度N2的所述信号随时间的变化。对所述信号随时间的变化的突变时刻进行检测可辨别出第一阶段的具有时间特征的变化和第二阶段的具有时间特征的变化。因此，检测到的突变时刻于是可被视作是燃烧室中的空气-燃料混合物的点火时刻。

在第一实施例中，采集到的信号直接代表转子在起动序列期间的旋转速度N2。图1示出了速度N2随时间的被表达为最大速度的百分比的变化，在图1中，该信号N2以1Hz的频率被采集。对于在第一阶段或第二阶段期间进行采集的情况，每次采集由圆圈代表，而对于在第一阶段与第二阶段期间进行的采集，每次采集由三角代表。第一阶段包括在T＝1s时进行的对速度N2的第一次采集和在T＝19s时进行的最后一次采集，该最后一次采集对应于燃料被喷注到燃烧室中。第二阶段包括在T＝25s时进行的对速度N2的第一次采集和在T＝43s时进行的最后一次采集，该最后一次采集对应于起动器发生分离，在这种情况下是在速度N2达到最大速度的55％时发生分离。在这种情况下，当速度N2超过在第一阶段结束时达到的速度N2₁加上N2₁的5％时，开始第二阶段。

在该实施例的框架中，对突变时刻进行检测由检测速度N2在第一阶段期间随时间的非线性变化与速度N2在第二阶段期间随时间的线性变化的交叉点组成。

一旦空气-燃料混合物被点火，则涡轮机和起动器输出扭矩。由起动器输出的扭矩减小(随速度线性减小)，而涡轮机越来越多地参与驱动力。扭矩的总和使得涡轮机在第二阶段期间的加速固定不变，直至起动器被分离。不论外部起动条件如何均满足该特征。

对突变时刻进行检测可尤其包括下述操作：

-确定第一回归曲线RP1，该第一回归曲线根据直接代表转子在第一阶段期间的旋转速度N2的信号进行了调整；

-确定第二回归曲线RP2，该第二回归曲线根据直接代表转子在第二阶段期间的旋转速度N2的信号进行了调整；更具体地，由于上述的随时间的线性变化，所以该第二曲线为直线，但本发明不限于这种情况并且相反本发明包括更复杂的变化；

-从第一回归曲线RP1与第二多项式回归曲线RP2的交叉点开始，检验燃烧室中的空气-燃料混合物的点火时刻。

第一回归曲线RP1与第二回归曲线RP2可以是多项式回归曲线，尤其对于第二曲线RP2而言是一次多项式回归曲线。

如图1所示，第一回归曲线RP1可以是二次多项式回归曲线，然而本发明不限于此。

特别地，当起动器为气动的并且被空气以近似固定不变的压力驱动时，由起动器输出的扭矩随着速度N2的增大而线性地减小。此外，涡轮机的阻力矩随旋转速度增大而增大。结果是发动机的加速度在第一阶段期间减小。最后，可到达零加速度渐近线，在该零加速度渐近线处，发动机扭矩将刚好抵消阻力矩。通常，在到达该阶段之前进行喷注，这解释了在第一阶段期间速度N2随时间变化的曲线的渐近形状。

在图1可见回归曲线在由圆圈和三角代表的实际点处令人满意地叠合。第一回归曲线和第二回归曲线中的每一个均与用于计算速度N2的估计误差的标准偏差的质量指标相关联。该标准偏差在第一阶段期间为0.25％*N2，而在第二阶段期间为0.3％*N2。然而，本文的目标是准确地得知点火时刻，并且更有用的是对于给定的N2得知时刻的估计误差的标准偏差。该标准偏差在第一阶段期间为0.17秒，而在第二阶段期间为0.2秒。

如图2所示，还可根据更少的数据估计出两条回归曲线RP1和RP2，对于二阶调整的回归至少需要5次采集，而对于第二阶段中的一阶调整的回归至少需要3次采集。因此在图2中，第一阶段仅包括七次采集(对应于作为起动点的开始旋转和作为结束点的喷注燃料，其中这两个点之间的每一次采集对应于速度的5％，直至25％)，而第二阶段仅包括三次采集(当速度N2分别为最大速度的35％、45％和55％时进行的采集)。

在图2中，矩形对应于通过检测压力PS3的幅值的突变而确定的点火时刻。因此，通过压力PS3的突变而确定的点火时刻为22.045秒。该点火时刻可与通过检验速度N2随时间的变化的突变时刻而确定的点火时刻(检验在图3所示的变型实施例的框架中第一阶段和第二阶段的回归曲线的交叉点)相比较，通过检验速度N2随时间的变化的突变时刻而确定的点火时刻为22.121秒。因此，通过监测速度N2与通过监测压力PS3的检测误差等于0.076秒，这与待检测的事件相比是可忽略不计的误差。

在第二实施例中，采集到的信号是直接代表转子在起动序列期间的旋转速度的信号的导函数。换言之，在这种情况下使用加速度随时间的变化来检测点火时刻。因此，在该实施例中，通过检测在第一阶段期间随时间的线性变化(加速度减小直至其在燃料喷注的时刻几乎变为零)与在第二阶段期间随时间的固定变化(在点火时刻突然增大之后)的交叉点来检测突变时刻。

关于第一实施例，突变时刻可被确定为第一阶段和第二阶段中的每个的回归曲线的交叉点。作为变型，检测突变时刻包括在燃料被喷注到燃烧室中之后确定导函数的最小值。

重要的是注意到速度N2的导函数要求以足够高的频率对速度进行采集以得到足够的精度。因此该第二实施例更适合于由EEC计算机中的机载软件使用。另一方面，该第二实施例使得能够进行实时检测。

在图3所示的一个可行的实施例中，本发明提出了通过监测速度N2来对点火时刻进行相关检测，其中通过在入口处监测流通到燃烧室的气流的压力(例如在双体涡轮机的情况下为压力PS3)来检测点火。

可以在航空器机载计算机上实施根据本发明的方法，或者另一方面可在地面站中的其它位置实施该方法。如图3所示，也可在机载E/地面S这两个区域中实施该方法，然而机载/地面之间的界限仍然可以取决于涡轮机和航空器的需求和限制来适应。

根据本发明的方法包括随时间进行采集“ACQ”，以及对代表转子的旋转速度N2的信号和在入口处对代表在起动序列期间流通到燃烧室的气流的压力PS3的信号进行采样“SMP”。在操作“RCD”期间记录代表转子的旋转速度N2的信号的不同样本。

该方法包括在对代表所述压力的所述信号的幅值的突变进行检测“JUMP-PS3”的期间，检验燃烧室中的空气-燃料混合物的点火时刻。图4示出了这种突变JUMP。

在机载区域E通过航空器计算机中的软件实施上述的操作。下文描述的操作在地面区域S中例如通过监测涡轮机健康状况的设备来实施。

在操作“RCD”期间记录的代表旋转速度N2的信号的不同样本被分析，以在操作“DRP1”期间确定在第一阶段期间根据信号N2进行了调整的第一回归曲线，以及在操作“DRP2”期间确定在第二阶段期间根据信号N2进行了调整的第二回归曲线。之后在操作“INT”期间，从第一回归曲线与第二回归曲线的交叉点开始检验点火时刻。

当通过监测压力PS3确定了点火时刻时，在操作“ΔA”期间将点火时长确定为喷注时刻与通过PS3的突变检验出的点火时刻之间的持续时间。

当未通过监测压力PS3来确定点火时刻时，使用通过监测速度N2确定的点火时刻来实施操作“ΔA”。

在图3中的被标记为“HM”的操作期间，由此确定的点火时长可被涡轮机健康状况监测算法使用。

上述的原理已被应用于500次真实起动的数据库。

这500次起动中的50次点火，即起动的约10％，未被根据PS3测量进行的检测检测到。

因为通过PS3测量进行的检测是精度方面的参照，所以通过速度测量值N2进行的检测的平均差值为0.15秒(相比通过PS3的突变进行的检测，N2被较晚地检测到)。该误差对于待检测的事件而言可忽略不计并且与健康状况监测算法的标准采样时间段为相同的数量级(通常最大值为8Hz，其为0.125秒的时间段)。因此，使用图3所示的方法，可实现在起动期间对空气-燃料混合物点火的100％检测率，并具有与健康状况监测算法的要求相适应的精度。

在一个变型实施例中，第一回归曲线和第二回归曲线中的每一条均与质量指标相关联，并且当质量指标低于阈值时，涡轮机起动时刻被判定为异常。于是起动序列数据可被标记为无效，并且异常的起动序列不会被健康状况监测算法使用。

本发明不限于上述的方法，而是还包括用于监测涡轮机起动序列的***，该涡轮机包括设有转子的压气机、能够驱动转子进行旋转的起动器以及燃烧室，监测***的特征在于，该监测***包括计算机，该计算机被配置为实施用于检测采集到的信号随时间的变化的突变时刻的方法中的步骤。该监测***尤其可以是地面上的远程***。特别地，该监测***可实施图3中的操作“DRP1”、“DRP2”和“INT”。

本发明还包括计算机程序产品，该计算机程序产品包括代码指令，该代码指令用于执行对采集到的信号随时间的变化的突变时刻进行检测的方法中的步骤。

Claims (13)

1.监测涡轮机的起动序列的方法，所述涡轮机包括配备有转子的压气机、能够驱动所述转子进行旋转的起动器和燃烧室，所述起动序列包括第一阶段和在第一阶段之后的第二阶段，所述第一阶段终止于燃料被喷注到所述燃烧室中的时刻，并且在所述第一阶段期间，所述起动器受到控制以增大所述转子的旋转速度，所述第二阶段在所述起动器停止驱动所述转子时终止，所述方法包括对代表所述转子在所述起动序列期间的旋转速度(N2)的信号进行采集(ACQ)、对所述信号的变化率发生突变的时刻进行检测(DRP1，DRP2，INT)，由此检测到的突变时刻被视作空气-燃料混合物在所述燃烧室中被点火的时刻，所述方法的特征在于，对所述突变时刻进行检测包括下述操作：

-确定根据在所述第一阶段期间采集到的信号进行了调整的第一回归曲线(RP1)；

-确定根据在所述第二阶段期间采集到的信号进行了调整的第二回归曲线(RP2)；

-从所述第一回归曲线与所述第二回归曲线的交叉点(I)开始，检验所述燃烧室中的空气-燃料混合物的点火时刻。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，采集到的信号直接代表所述转子在所述第一阶段和所述第二阶段期间的旋转速度，以及其中，对所述突变时刻进行检测由检测在所述第一阶段期间随时间的非线性变化与在所述第二阶段期间随时间的线性变化的交叉点(I)组成。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一回归曲线(RP1)和所述第二回归曲线(RP2)是多项式回归曲线。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一回归曲线(RP1)是二次多项式回归曲线。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的方法，其中，所述第一回归曲线和所述第二回归曲线中的每一条均与质量指标相关联，以及其中，当质量指标低于阈值时，涡轮机起动时刻被判定为异常。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，采集到的信号是直接代表所述转子在所述第一阶段和所述第二阶段期间的旋转速度的信号的导函数，以及其中，对所述突变时刻进行检测由检测在所述第一阶段期间随时间的线性变化与在所述第二阶段期间随时间的固定变化的交叉点组成。

7.根据权利要求1至6中的一项所述的方法，所述方法还包括对代表燃烧室燃料供应阀的位置的信号进行采集，以及从代表所述阀的位置的所述信号开始确定燃料被喷注到所述燃烧室中所处的时刻。

8.根据权利要求1至7中的一项所述的方法，所述方法还包括在入口处对代表流通到所述燃烧室的气流的压力(PS3)的信号进行采集，以及在检测代表所述压力的所述信号的幅值的突变(JUMP-PS3)的期间检验所述燃烧室中的空气-燃料混合物的点火时刻。

9.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括将涡轮机点火时长(ΔA)确定为喷注时刻与通过检测代表所述压力的所述信号的幅值的突变而检验到的点火时刻之间的持续时间，或者，在未检测到代表所述压力的所述信号的幅值的突变的情况下，将所述涡轮机点火时长确定为所述喷注时刻与被视作与检测到的突变的时刻相同的点火时刻之间的持续时间。

10.根据权利要求1至9中的一项所述的方法，其中，在地面(S)通过涡轮机健康监测设备来执行检测所述信号随时间的变化的突变时刻的步骤。

11.根据权利要求1至10中的一项所述的方法，其中，只要所述转子的旋转速度超过预定的阈值，则所述第二阶段开始。

12.用于监测涡轮机起动序列的***，所述涡轮机包括设有转子的压气机、能够驱动所述转子进行旋转的起动器和燃烧室，监测***的特征在于，所述监测***包括计算机，所述计算机被配置为实施根据权利要求1至11中任一项所述的、用于检测采集到的信号随时间的变化的突变时刻的方法中的步骤。

13.计算机程序，所述计算机程序包括程序代码指令，所述程序代码指令用于执行根据权利要求1至11中任一项所述的、用于检测采集到的信号随时间的变化的突变时刻的方法中的步骤。