CN110886658A

CN110886658A - 用于检测高涡轮温度操作的方法和***

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Publication number: CN110886658A
Application number: CN201811056182.9A
Authority: CN
Inventors: S.拉马瑞; A.查瑞斯特; N.德斯罗施-迪昂
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 2018-09-11
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2020-03-17

Abstract

本文提供了用于检测燃气涡轮发动机的高温状况的方法和***。获得至发动机的燃烧器的燃料流以及所述发动机的压缩机出口压力。确定所述燃料流与所述压缩机出口压力的比率。将所述比率与阈值进行比较，以及当所述比率超过所述阈值时检测到所述发动机的高温状况。

Description

用于检测高涡轮温度操作的方法和***

技术领域

本公开总体上涉及燃气涡轮发动机，且更具体地涉及检测高涡轮温度操作。

背景技术

在飞行器中，燃气涡轮发动机温度典型地由电子控制***和/或飞行员来监测。发动机温度可借助于温度传感器（例如，热偶）在压缩机涡轮和动力涡轮之间被测量。温度可由发动机温度测量***来确定，该发动机温度测量***计算来自温度传感器的测量值的平均值。

但是，发动机温度测量***可能会失效和/或由温度传感器得到的测量值的平均值可能是错误的，例如当传感器中的一者或多者已经发生故障时。在这种情况下，电子控制***或飞行员会丧失监测涡轮温度的能力。

因此，仍存在改进的空间。

发明内容

在一个方面，提供用于检测燃气涡轮发动机的高温状况的方法。所述方法包括：获得至发动机的燃烧器的燃料流以及所述发动机的压缩机出口压力；确定所述燃料流与所述压缩机出口压力的比率；将所述比率与阈值进行比较；以及当所述比率超过所述阈值时检测到所述发动机的高温状况。

在另一方面，提供用于检测燃气涡轮发动机的高温状况的***。所述***包括处理单元以及非易失性计算机可读存储器，非易失性计算机可读存储器在其上存储有能够由所述处理单元执行的程序指令。程序指令能够由所述处理单元执行，以用于：获得至发动机的燃烧器的燃料流以及所述发动机的压缩机出口压力；确定所述燃料流与所述压缩机出口压力的比率；将所述比率与阈值进行比较；以及当所述比率超过所述阈值时检测到所述发动机的高温状况。

附图说明

现在参考附图，在附图中：

图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图；

图2是示出了根据实施例的用于检测发动机的高温状况的示例性方法的流程图；

图3A是用于各种操作状况的至发动机的燃烧器的燃料流和发动机的压缩机的排出压力之间的比率对比发动机旋转速度的曲线的示例性图形示意图；

图3B是用于各种操作状况的发动机温度对比发动机旋转速度的示例性图形示意图；

图4A是用于检测发动机的高温状况的阈值的示例性图形示意图；

图4B是用于检测发动机的高温状况的具有上限和下限的阈值的示例性图形示意图；以及

图5是用于实施图2的方法的示例性计算装置的框图。

将注意的是，贯穿附图，相同的特征用相同的附图标记来表示。

具体实施方式

图1示出了燃气涡轮发动机10，可以利用本文所述的方法和***来检测其高温状况。要注意的是，虽然发动机10是涡扇发动机，但是高温检测方法和***可应用到涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机以及其他类型的燃气涡轮发动机。

发动机10总体上包括处于串联流连通的下列部件：风扇12，环境空气被推进通过该风扇；用于加压该空气的压缩机部段14；燃烧器16，在该燃烧器中，压缩空气与燃料被混合并且被点火以用于产生热燃气体的环形流；以及涡轮部段18，用于从燃烧气体汲取能量。轴线11限定发动机10的轴向方向。

参考图2，示出了用于检测诸如图1的发动机10的发动机的高温状况的示例性方法200的流程图。发动机10的高温状况是指，发动机10在可能会导致发动机10过热和/或受损的温度下操作。在发动机的操作期间，方法200可以规则或不规则时间间隔被执行。在一些实施例中，方法200经由特定请求被执行，所述特定请求例如来自于飞行员输入、来自于发动机控制***、来自于飞行器控制***、或来自于与发动机10通信的任何其他控制***。

在步骤202，获得至发动机10的燃烧器16的燃料流以及发动机10的压缩机出口压力。根据实施例，可以利用燃料流测量装置来测量至燃烧器16的燃料流，所述燃料流测量装置例如是流量计、微流体传感器等。根据另一实施例，可以估计至燃烧器16的燃料流。估计的燃料流可以基于由控制***和/或燃料流指令命令的燃料流。可以使用其精度在合适范围内（例如，6%至10%的精度范围）的任何其他合适的燃料流估计技术。可以利用压力测量装置来测量压缩机14的排出压力，所述压力测量装置例如是压力计、压力换能器、压力传感器等。燃料流和压力可以在需要时实时地被动态地获得，或者可以根据任何预定时间间隔被规则地记录。在一些实施例中，燃料流和压力经由作为发动机控制和/或操作的一部分的现有部件被获得，并且被简单地提供以用于方法200。替代性地，步骤202包括：只要启动了方法200就触发燃料流和/或压力的测量或估计。

在步骤204，确定燃料流与压缩机出口压力的比率。该比率可被限定如下：

RU=Wf/P3 （1）

在方程（1）中，RU是比率，Wf是至发动机10的燃烧器16的燃料流，P3是发动机10的压缩机14的排出压力。要注意的是，可以利用方程（1）的比率来建模发动机10的热动态特征。

当发动机10在稳态状况下操作时，该比率可被绘制为发动机旋转速度（Ng）的函数以提供操作线。示例被提供在图3A中，其中示出了多条操作线302-312。操作线是如下曲线，其描述了在用于特定稳态操作状况的一系列发动机旋转速度下的比率。总体来说，发动机10的稳态操作指代：发动机10的所有参数都是稳定的，所述参数例如是燃料流、发动机温度、发动机旋转速度、扭矩等；不存在会改变发动机10的状况的飞行员输入；恒定汲取，例如引气、负载等等；以及恒定环境状况，例如纬度和空气温度等等。

图3B示出了用于图3A的相同稳态操作状况的测量发动机温度对比发动机旋转速度的示例性曲线352-362。如图3B所示，用于特定稳态操作状况的操作线总体上对应于在用于相同稳态操作状况的一系列发动机旋转速度下的测量发动机温度。因此，该比率可被用于总体上建模发动机10的温度。可以注意到的是，在图3B中，发动机温度在涡轮部段18处被测量并且被称为涡轮间温度（ITT）。参考图3A和3B，第一操作线302和相应第一曲线352被描述用于-45摄氏度的环境温度；第二操作线304和相应第二曲线354被用于22摄氏度的环境温度；第三操作线306和相应第三曲线356被描述用于55摄氏度的环境温度；第四操作线308和相应第四曲线356被描述用于施加发动机10的最大电气负载；第五操作线310和相应第五曲线360被描述用于施加到发动机10上的最大引气；以及第六操作线312和相应第六曲线362被描述用于施加到发动机10的最大电气负载和引气两者。

往回参考图2，在步骤206，燃料流与压缩机出口压力的比率与阈值进行比较。该比率与阈值的比较可包括：确定该比率是否超过阈值和/或该比率是否小于阈值。

根据实施例，阈值（T）限定低于阈值的第一范围的比率值（0至T1）以及高于阈值的第二范围的比率值（T1至T2），其中第一范围对应于发动机10处于可接受的操作温度内，第二范围对应于发动机10处于高温状况。比率值对应于方程（1）中的比率的值。

根据实施例，阈值根据发动机旋转速度而变化。还参考图4A，示出了阈值402的示例性图形示意图，其中阈值402根据发动机旋转速度而变化。在图4A中，x轴对应于发动机旋转速度，y轴对应于至发动机10的燃烧器16的燃料流与发动机10的压缩机14的排出压力的比率的比率值。在所述实施例中，阈值402限定低于阈值402的比率值对比发动机旋转速度的第一区域424以及高于阈值402的比率值对比发动机旋转速度的第二区域426，其中第一区域424对应于发动机10处于可接受的操作温度内，第二区域426对应于发动机10处于高温状况。

在所述实施例中，阈值402在发动机旋转速度的第一范围412内随着发动机旋转速度增加而增加，并且在发动机旋转速度的第二范围414内是恒定的。第二范围414被示为在第一范围412后面。换句话说，在该实施例中，阈值402在点435之前随着发动机旋转速度增加而增加，在点435处，该阈值调平并且保持大致恒定。虽然第一范围412和第二范围414被示为彼此断开，但是在其他实施例中第一范围412和第二范围414彼此连续。

往回参考图3A和3B，可以观测到，当发动机10以低发动机旋转速度操作时和/或当发动机10以高发动机旋转速度操作时，发动机10的温度可能增加。当发动机10以低发动机旋转速度操作时，这指代发动机10的低功率操作并且可对应于发动机10怠速。当发动机10以高发动机旋转速度操作时，这可对应于发动机10在加速。当发动机10处于低功率操作时，可观测到发动机10的温度增加，尤其是当施加在发动机10上的汲取（例如，舱室引气和/或电气负载）时。发动机10的温度也可被观测到在发动机10在加速时增加，并且随着环境温度增加而增加。如图3A和3B所示，在低发动机旋转速度下和在高发动机旋转速度下，操作线302、304、306、308、310、312和曲线352、354、356、358、360、362被示为向上弯曲，这表明发动机10的温度增加。同样，当环境温度增加和/或施加汲取时，曲线352、354、356、358、360、362示出了发动机10的温度增加。由此，可基于前述观测来设计随着发动机旋转速度进行改变的阈值。因此，可通过测试和/或模拟处于各种稳态操作状况的发动机10来确定阈值。

往回参考图2，方法200还可包括在步骤205确定当前发动机旋转速度，步骤206可包括基于当前发动机旋转速度将所述比率与阈值402进行比较。如图4A所示，基于第一当前发动机旋转速度434来绘制第一示例性比率432。第一示例性比率432与阈值402的比较可包括：从阈值402确定与所确定的第一当前发动机旋转速度434相对应的阈值值433；以及将第一示例性比率432与阈值值433进行比较。虽然在该实施例中，从被绘制为曲线的阈值402来获得阈值值433，但是在其他实施例中，可从方程、查询表和/或任何其他合适技术来确定阈值值。

根据实施例，发动机旋转速度的第一范围412对应于发动机10处于低功率操作，发动机旋转速度的第二范围414对应于发动机10在加速。确定当前发动机旋转速度可包括：确定发动机10是否处于低功率操作和/或发动机10是否在加速。因此，发动机10的状态可被确定，其中该状态对应于发动机10处于低功率操作或者在加速。取决于发动机10的状态，比率与阈值402的比较可改变。例如，如果发动机10处于低功率操作，可使用根据发动机旋转速度进行改变的阈值。举另一示例来说，如果发动机10在加速，可使用恒定阈值。

如图4A所示，描述了第二示例性比率437。第二示例性比率437与阈值402的比较可包括：基于当前发动机旋转速度和/或发动机10的状态（例如，加速）从阈值402确定恒定阈值值438；以及将第二示例性比率437与恒定阈值值438进行比较。

在其他实施例中，阈值可根据发动机旋转速度按照与如图4A所述的方式不同的方式来变化。因此，阈值402被提供仅用于示例目的。

在步骤208，当燃料流与压缩机出口压力的比率超过阈值时，检测到发动机10的高温状况。例如，第一示例性比率432被描述为超过图4A中的阈值402。

检测高温状况可包括：发送表明高温状况的警告。该警告可被发送至飞行器指令***，该飞行器指令***然后可向飞行员和/或其他乘务组员表明发动机10正处于高温状况，使得飞行员和/或乘务组员然后可采取一个或多个校正动作。该警告可被发送至控制***以采取一个或多个校正动作。校正动作可包括：减少在发动机10上的汲取（例如，减少电气负载和/或舱室引气）；防止在发动机10上的任何汲取（例如，防止电气负载和/或舱室引气）；关闭发动机（例如，当发动机10在地面上怠速时）；在低功率操作（例如，怠速）的情况下增加至燃烧器的燃料流；减少由加速计划导致的过度燃料供给；调节发动机10的加速；和/或任何其他合适校正动作。

现参考图4B，根据实施例，阈值402包括上限404和下限406。在一些实施例中，检测高温状况的步骤208包括：检测何时该比率超过上限404。例如，第一示例性比率432被描述为超过图4B中的上限404。

方法200还可包括：确定该比率是否在下限406和上限404之间。如所示的，第三示例性比率439被示为在图4B中的下限406和上限404之间。确定该比率是否在下限406和上限404之间可被用于预测是否可能会发生发动机10的高温状况。因此，如果确定了该比率在下限406和上限404之间，则该方法200还可包括采取一个或多个校正动作。所采取的特定校正动作可取决于发动机10的状态。例如，如果发动机10处于低功率操作，则当该比率在下限406和上限404之间时可增加至燃烧器的燃料流。举另一示例来说，如果发动机10处于低功率操作，则当该比率在下限406和上限404之间时可防止在发动机10上的汲取。所采取的校正动作类型可基于发动机旋转速度和/或可通过制造商来设定。

该方法200还可包括：响应于检测到高温状况，采取一个或多个校正动作。例如，可通过发动机控制***和/或飞行器控制***自动地采取校正动作。例如，检测高温状况可包括：触发控制***内的逻辑，然后该控制***采取一个或多个校正动作。因此，响应于检测到高温状况，可采取一个或多个校正动作以防止发动机10过热。校正动作可取决于发动机10的状态（例如，怠速或加速）而改变。例如，如果发动机10处于低功率操作，则响应于检测到高温状况而可防止在发动机10上的汲取。举另一示例来说，如果发动机10在地面上怠速，则发动机可响应于检测到高温状况而关闭。可以注意的是，用于飞行器的发动机典型地针对高功率操作被优化，这可能导致在低功率操作中缺乏效率。在低功率操作中缺乏效率可能会导致过热。

还可注意的是，当环境温度是高的并且发动机10在加速时，可能发生过度燃料供给。过度燃料供给指代所提供的燃料的量超过用于发动机10的稳态操作的燃料需求。例如，在电子控制发动机中，其中通过跟踪预定燃气发生器加速计划来实现发动机旋转速度的改变，可能由于加速计划并不适合于改变的环境温度而发生过度燃料供给。因此，例如响应于检测到高温状况，可以减少由加速计划导致的过度燃料供给，否则这会导致更长的加速时间。举另一示例来说，当发动机10在加速时，在发动机10上的汲取可被暂时地减少以允许更快的加速，并且一旦达到高功率就被恢复。

当采取校正动作时，可采取校正动作直到不再适于采取校正动作为止。例如，在汲取被减少和/或防止的情况下，则一旦适合这么做就可恢复和/或允许进行汲取。

虽然阈值402被描述为根据发动机旋转速度而定，但是该阈值也可以是一个或多个状况的函数。这种状况可以包括：发动机旋转速度；纬度；环境温度；飞行器旁通门位置；和/或任何其他合适状况或发动机应用。根据实施例，阈值取决于前述状况中的一者或多者从多个阈值被选择。例如，不同的阈值可被用于不同范围的环境温度，特定阈值可取决于当前环境温度被选择。举另一示例来说，不同阈值可被用于不同范围的纬度并且特定阈值可取决于当前纬度被选择。所选择的阈值还可根据发动机旋转速度而改变。因此在一些实施例中，该方法200还包括步骤207：根据发动机的当前操作状态从多个阈值来选择阈值。

应当理解的是，通过使用该比率来建模发动机10的温度，在温度***和/或传感器发生故障的情况下，发动机10可在没有温度指示或低劣的温度指示的情况下被使用。

方法200可通过控制***来实施。参考图5，控制***可通过计算装置510来实施，所述计算装置包括处理单元512和存储器514，在存储器中存储有计算机可执行指令516。处理单元512可包括构造成执行方法200的任何合适装置，使得当由计算装置510或其他可编程设备执行时，所述指令516可使得执行被实施为如本文所述的方法200的一部分的功能/动作/步骤。处理单元512可包括例如任何类型的通用目的微处理器或微控制器、数字信号处理（DSP）处理器、中央处理单元（CPU）、集成电路、可现场编程门阵列（FPGA）、可重构的处理器、其他合适编程的或可编程的逻辑电路，或者其任何组合。

存储器514可包括任何合适的已知或其他机器可读存储介质。存储器514可包括非易失性计算机可读存储介质，例如但不局限于电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体***、设备或装置，或者前述的任何合适组合。存储器514可包括定位在该装置内部或外部的任何类型的计算机存储器的合适组合，例如随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、光盘只读存储器（CDROM）、电光存储器、磁光存储器、可擦除可编程只读存储器（EPROM）和电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、铁电RAM（FRAM）等等。存储器514可包括适合于可取回地存储能够由处理单元512执行的机器可读指令516的任何存储机构（例如，装置）。

要注意，控制***可被实施为全权数字发动机控制（FADEC）或其他类似装置的一部分，包括电子发动机控制（EEC）、发动机控制单元（EUC）等。

本文所述的用于检测燃气涡轮发动机的高温状况的方法和***可以高级过程或面向对象编程或脚本语言或者其组合来实施，以与计算***（例如，计算装置510）通信或者有助于该计算***的操作。替代性地，用于检测燃气涡轮发动机的高温状况的方法和***可以以汇编语言或机器语言来实施。该语言可以是编译语言或解释语言。用于实施用于检测燃气涡轮发动机的高温状况的方法和***的程序代码可以被存储在存储介质或装置上，例如ROM、磁盘、光盘、闪存驱动器、或任何其他合适的存储介质或装置。程序代码可以由通用或专用目的可编程计算机来读取，以用于当存储介质或装置由计算机读取时构造并操作所述计算机，以执行本文所述的程序。用于检测燃气涡轮发动机的高温状况的方法和***的实施例也可被认为借助于在其上存储有计算机程序的非易失性计算机可读存储介质来实施。计算机程序可包括计算机可读指令，其使得计算机、更具体地计算装置510的处理单元512以特定且预定的方式操作以执行本文所述的功能，例如在方法200中描述的功能。

计算机可执行指令可以采用由一个或多个计算机或其他装置执行的多种形式，包括程序模块。通常，程序模块包括执行特定任务或实施特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。典型地，在各个实施例中，程序模块的功能可以根据需要被组合或分配。

上述描述意味着仅仅是示例性的，并且本领域技术人员将认识到，可以做出所述实施例的改变，而不脱离所公开的本发明的范围。在阅读本公开之后，本领域技术人员将显而易见到落入本发明范围内的其他变形。

用于检测燃气涡轮发动机的高温状况的方法和***的各个方面可被单独地、组合地、或以在前文描述的实施例中未具体地讨论的各种布置被使用，并且因此不将其应用局限于在前述描述中阐述或在附图中示出的部件的细节和布置。例如，在一个实施例中描述的方面可以与在其他实施例中描述的方面以任何方式组合。虽然已经示出并描述了特定实施例，但是对于本领域技术人员来说将显而易见的是，可以做出改变和修改而不在其更宽泛方面脱离本发明。下述权利要求书的范围不应当由在示例中阐述的实施例限制，而是应当被赋予与本描述总体上相一致的最宽泛合理的解释。

Claims

1.一种用于检测燃气涡轮发动机的高温状况的方法，所述方法包括：

获得至发动机的燃烧器的燃料流以及所述发动机的压缩机出口压力；

确定所述燃料流与所述压缩机出口压力的比率；

将所述比率与阈值进行比较；以及

当所述比率超过所述阈值时检测到所述发动机的高温状况。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阈值根据发动机旋转速度而改变。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，在发动机旋转速度的第一范围内，所述阈值随着发动机旋转速度增加而增加。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，在发动机旋转速度的第二范围内，所述阈值是恒定的，所述第二范围在所述第一范围后面。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述发动机旋转速度的第一范围对应于所述发动机怠速，所述发动机旋转速度的第二范围对应于所述发动机在加速。

6.根据权利要求2所述的方法，还包括确定当前发动机旋转速度，且其中将所述比率与阈值进行比较包括：基于所述当前发动机旋转速度来将所述比率与阈值进行比较。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阈值对应于当所述发动机在至少一个稳态状况下操作时的发动机温度极限值。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：根据所述发动机的当前操作状态从多个阈值来选择所述阈值。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，获得所述燃料流和所述压缩机出口压力包括：测量所述燃料流和所述压缩机出口压力。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括：取决于发动机旋转速度、纬度、环境温度和飞行器旁通门位置中的一者或多者，从多个阈值来选择所述阈值。

11. 一种用于检测燃气涡轮发动机的高温状况的***，所述***包括：

处理单元；以及

非易失性计算机可读存储器，在其上存储有能够由所述处理单元执行的程序指令，以用于：

确定所述燃料流与所述压缩机出口压力的比率；

将所述比率与阈值进行比较；以及

当所述比率超过所述阈值时检测到所述发动机的高温状况。

12.根据权利要求11所述的***，其中，所述阈值根据发动机旋转速度而改变。

13.根据权利要求12所述的***，其中，在发动机旋转速度的第一范围内，所述阈值随着发动机旋转速度增加而增加。

14.根据权利要求13所述的***，其中，在发动机旋转速度的第二范围内，所述阈值是恒定的，所述第二范围在所述第一范围后面。

15.根据权利要求14所述的***，其中，所述发动机旋转速度的第一范围对应于所述发动机怠速，所述发动机旋转速度的第二范围对应于所述发动机在加速。

16.根据权利要求12所述的***，其中，所述程序指令能够由所述处理单元进一步执行以用于确定当前发动机旋转速度，且其中将所述比率与阈值进行比较包括：基于所述当前发动机旋转速度来将所述比率与阈值进行比较。

17.根据权利要求11所述的***，其中，所述阈值对应于当所述发动机在至少一个稳态状况下操作时的发动机温度极限值。

18.根据权利要求17所述的***，其中，所述程序指令能够由所述处理单元进一步执行以用于根据所述发动机的当前操作状态从多个阈值来选择所述阈值。

19.根据权利要求11所述的***，其中，获得所述燃料流和所述压缩机出口压力包括：测量所述燃料流和所述压缩机出口压力。

20.根据权利要求11所述的***，其中，所述程序指令能够由所述处理单元进一步执行，以用于取决于发动机旋转速度、纬度、环境温度和飞行器旁通门位置中的一者或多者从多个阈值来选择所述阈值。