[发明专利]用于航空发动机的控制系统和方法

说明书

一种用于航空发动机的方法和控制系统(10)，该航空发动机包括利用机械齿轮传动驱动风扇螺旋桨的燃气轮机，和用于该风扇螺旋桨的专用节距变化机构，包括：燃料流信号输入(20)；节距变化机构信号输入(22)；受控设备(28)，把节距变化机构俯仰角(BetaP)和燃料流(Wf)关联上至少两个受控输出(24、26)和一组约束。用于为第一和第二受控输出(24、26)把受控设备(28)和/或约束解耦成两个分开的单输入单输出(SISO)控制回路的解耦控制(34)和用于把约束与解耦的受控输出解耦并且把这些约束彼此解耦的解耦控制提供了燃气轮机和该风扇螺旋桨的协调控制，同时协调地控制这些约束和输出(24、26)。前馈控制能够补偿负荷变化对发动机转速和风扇螺旋桨转子速度控制的影响。

相关申请的交叉引用

根据35U.S.C.§119(e)，本非临时申请主张对在2014年9 月30日提交的、名称为“用于可变桨距风扇发动机和涡轮轴涡轮螺旋桨发动机的基于模型的控制的方法和系统”的美国临时专利申请62/057595的优先权，其作为参考全部并入本文。

技术领域

本发明涉及用于可变桨距风扇发动机和涡轮轴、涡轮螺旋桨发动机的控制系统。

背景技术

在一些风扇发动机(亦称螺旋桨风扇发动机)中，风扇螺旋桨的轴线平行于燃气发动机的轴线或与其同轴。通常，在涡轮轴、涡轮螺旋桨发动机中，单个或多个螺旋桨的轴线将垂直于燃气发动机的轴线。在这两种配置中，风扇或螺旋桨可以具有固定桨距或可变桨距。如果桨距是可变的，发动机还可以具有专用桨距变化机构(PCM)。螺旋桨转速(Nr)与燃气发动机动力涡轮轴转速(N1)成比例，通过纯机械齿轮系变换，也就是 Nr＝Kgb*N1，式中，Kgb是代表传动比的常数。控制风扇或螺旋桨转速Nr相当于控制动力涡轮转速。通常，推力预定为螺旋桨转速Nr的函数，还是燃气发动机高压(IIP)涡轮轴转速(N2)或发动机压力比(EPR)的函数。主要的挑战是协调螺旋桨转速(Nr)、HP涡轮轴转速(N1)与任何PCM桨距角的主控制，同时保持一组有效约束，包括但不限于芯部压力(Px)、排气温度(T)、芯部速率(N2dot)和/或扭矩(Tq)，与规定限值保留在一起，包括但不限于负载变化，同时抑制外部干扰和/或内部已知干扰，包括但不限于可变放气阀和可变定子叶片。

还需要一种用于可变桨距风扇发动机或涡轮轴、涡轮螺旋桨发动机的系统化控制方法和完整的控制系统，协调地控制风扇或螺旋桨与发动机，同时适应有效约束。

发明内容

在一方面中，实施例涉及一种用于航空发动机的控制系统，该航空发动机包括利用机械齿轮系驱动风扇螺旋桨的燃气轮机，和用于该风扇螺旋桨的专用桨距变化机构。该控制系统包括：燃料流信号输入；和桨距变化机构信号输入；受控设备，把来自桨距变化机构信号输入的桨距变化机构桨距角(BetaP)和来自燃料流信号输入的燃料流(Wf)关联上至少两个受控输出和至少一个约束以及至少一个已知内部干扰输入；用于为第一和第二受控输出把受控设备解耦成两个分开的单输入单输出(SISO)控制回路的解耦控制和用于把约束与受控输出解耦以及这些约束彼此解耦从而每个约束被分到SISO控制回路的解耦控制。受控输出的第一者是螺旋桨转速(Nr) 或动力涡轮轴转速(N1)，受控输出的第二者是发动机芯部转速(N2)、发动机压力比(EPR)或发动机转矩(Tq)。这些约束可以是芯部速率(N2dot)、芯部压力(Px)、排气温度(T)和发动机转矩(Tq)。