СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА УСТАНОВОЧНОЙ ТОЧКИ
METHOD AND DEVICE TO GENERATE SIGNAL OF SETTING POINT

Область техники
Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей. Оно применимо, предпочтительно, но без ограничений, в области авиации.
Более конкретно, изобретение относится к способу и устройству для формирования сигнала установочной точки, предназначенному для использования в контуре сервоуправления, с помощью которого управляют устройством измерения топлива в газотурбинном двигателе, таком как турбореактивный двигатель. Как правило, установочный сигнал представляет собой сигнал, представляющий массовый расход топлива, подаваемого измерительным устройством в систему впрыска топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя.
Предшествующий уровень техники
Как известно, устройство измерения топлива газотурбинного двигателя имеет клапан, также называемый измерительным клапаном топлива (FMV, ИКТ), и положение этого клапана пропорционально расходу топлива, впрыск которого требуется выполнить в камеру сгорания, в то время как перепад давлений на клапане поддерживают постоянным.
Оценку массового расхода топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, выполняют с помощью компьютера газотурбинного двигателя и подают ее в измерительное устройство в форме сигнала установочной точки. Одна из технологий, которую обычно используют для идентификации положения клапана на основе оценки массового расхода топлива, передаваемой компьютером, состоит в следующем.
При перемещении клапан преграждает проходное сечение S топлива через измерительное устройство в большей или меньшей степени. Сечение S также называется площадью отверстия измерительного устройства, и оно может быть легко выражено как функция положения клапана.
Как известно, такая площадь S пропорциональна объемному расходу топлива. Ее получают на основе сигнала установочной точки массового расхода, подаваемого компьютером, и деления ее на плотность (масса на единицу объема) топлива, протекающего через измерительное устройство.
Плотность топлива обычно предполагается постоянной в течение миссии турбинного двигателя и является заранее заданной.
К сожалению, это предположение не учитывает возможное изменение свойств используемого топлива или каких-либо вариаций температуры топлива во время работы турбинного двигателя. В результате возникают неточности при оценке положения клапана измерительного устройства.
Таким образом, существует потребность в технологии, которая позволила бы точно измерять топливо, поступающее в турбинный двигатель, без последствий от каких-либо упомянутых выше недостатков и, в частности, получать точный сигнал установочной точки для сервоуправления измерительным устройством.
В документе US 5305597 предложен способ формирования сигнала установочной точки для устройства измерения топлива, в котором используется результат измерения, подаваемый расходомером расхода топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания. Этот результат измерения используют для оценки калибровочного сигнала, пропорционального мгновенной плотности топлива.
Калибровочный сигнал служит для регулировки сигнала установочной точки массового расхода топлива, оценку которого выполняют на основе положений клапана измерительного устройства. Его обновляют на основе заданного критерия всякий раз, когда определяют, что результат измерения, подаваемый расходомером, является достаточно точным, то есть, как правило, один раз, когда измеряемый расход достаточно велик и слабо изменяется.
Краткое изложение сущности изобретения
В настоящем изобретении предложен способ, который представляет собой альтернативу способу, описанному в документе US 5305597, и который служит для улучшения точности измерения топлива в турбинном двигателе.
В первом аспекте изобретение направлено на способ формирования для формирования сигнала установочной точки, представляющего расход топлива, которое устройство измерения топлива, имеющее золотниковый клапан, должно подавать в систему для впрыска топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя, при этом положение клапана измерительного устройства определяют на основе сигнала установочной точки, и упомянутый способ содержит:
этап получения первого сигнала, представляющего результат измерения, подаваемый расходомером расхода топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания;
этап оценки второго сигнала, представляющего расход топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, на основе результата измерения положения клапана измерительного устройства;
этап оценки третьего сигнала, представляющего результат измерений, поданный расходомером, путем применения цифровой модели расходомера ко второму сигналу; и
этап формирования сигнала установочной точки путем суммирования сигнала компенсации с первым сигналом, причем сигнал компенсации получают путем вычитания третьего сигнала из второго сигнала.
В соответствии с этим в изобретении также предложено устройство формирования, предназначенное для формирования сигнала установочной точки, представляющего расход топлива, которое устройство измерения топлива, имеющее золотниковый клапан, должно подавать в систему впрыска топлива камеры сгорания турбинного двигателя, при этом положение клапана измерительного устройства определено по сигналу установочной точки, содержащее:
средство для получения первого сигнала, представляющего результат измерения, подаваемый расходомером расхода топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания;
средство оценки второго сигнала, представляющего расход топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, на основе результата измерения положения клапана измерительного устройства;
средство для оценки третьего сигнала, представляющего результат измерения, подаваемый расходомером, путем применения цифровой модели расходомера ко второму сигналу; и
средство для формирования сигнала установочной точки путем суммирования сигнала компенсации с первым сигналом, причем сигнал компенсации получен путем вычитания третьего сигнала из второго сигнала.
Изобретение, таким образом, предлагает комбинировать два сигнала для улучшения точности, с которой топливо измеряют в турбинном двигателе, то есть, во-первых, формируют сигнал на основе положения клапана измерительного устройства (то есть сигнал, обычно используемый для регулирования расхода топлива) и, во-вторых, сигнал, подаваемый расходомером, выполненный с возможностью измерения расхода топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания. В качестве примера, расходомер представляет собой измеритель массового расхода (WFM, ИМР), такой как измеритель крутящего момента, или он представляет собой измеритель объемного расхода, оба из которых известны сами по себе. Предпочтительно выбрать расходомер, который выполнен с возможностью точного измерения абсолютного значения (то есть точного значения) расхода топлива, протекающего через него, для компенсации плохой точности в отношении абсолютного значения сигнала, получаемого на основе положений клапана измерительного устройства.
В отличие от этого следует учитывать, что отсутствует необходимость в измерителе потока, который имеет короткую постоянную времени. Как известно, постоянная времени датчика характеризует его время отклика, то есть его инерцию. Такая инерция приводит к увеличению смещения по времени между моментом, когда выполняют измерение с помощью датчика, и моментом, когда датчик подает сигнал в ответ на измерение.
Сигнал, получаемый на основе положения клапана измерительного устройства, является точным для относительного значения (то есть он обеспечивает точное представление динамического изменения расхода топлива с течением времени) и поэтому его предпочтительно можно использовать для компенсации инерции расходомера.
Изобретение, таким образом, позволяет комбинировать предпочтительные характеристики результатов измерений, выводимых из расходомера, и результатов измерений, получаемых из измерительного устройства.
Расходомер, предпочтительно, расположен рядом с клапаном измерительного устройства, последовательно с ним, таким образом, что поток топлива, протекающий через клапан измерительного устройства, и поток топлива, пропускаемый через расходомер, - оба по существу имеют одинаковую температуру. Это улучшает точность сигнала установочной точки, формируемого в соответствии с изобретением.
В варианте разность температур может быть встроена в цифровую модель расходомера, которая используется для оценки третьего сигнала.
Используя расходомер в соответствии с изобретением становится возможным повысить избыточность по сравнению с измерениями, выполняемыми измерительным устройством, что, таким образом, позволяет улучшить точность сигнала установочной точки. Ограничения в отношении точности могут быть поэтому снижены для измерительного устройства, что, таким образом, позволяет уменьшить затраты, связанные с оборудованием, установленным на турбинном двигателе.
Улучшение точности сигнала установочной точки и, в результате - точности, с которой измеряют топливо, впрыскиваемое в камеру сгорания, представляет различные преимущества, которыми невозможно пренебречь. Для турбореактивного двигателя эти преимущества, в частности, представляют собой следующие:
проще сконструировать компрессор высокого давления;
срок службы компрессора высокого давления увеличивается и, следовательно, также увеличивается рабочий диапазон турбореактивного двигателя в отношении его пределов по накачке и затуханию;
расходомер можно использовать для детектирования повреждений на выходе из измерительного устройства, которые связаны с переменной геометрией, которая не детектируется измерительным устройством;
снижение ограничений по сертификации измерительного устройства;
улучшение эффективности компрессора высокого давления;
и т.д.
В конкретном варианте осуществления изобретения:
первый сигнал представлен ступенчатым, и его фильтруют цифровым фильтром низкой частоты, который выполнен с возможностью сглаживания ступенек перед суммированием с сигналом компенсации; и
третий сигнал фильтруют с помощью цифрового фильтра низкой частоты перед его вычитанием из второго сигнала для формирования сигнала компенсации.
В соответствии с этим в данном варианте осуществления первый сигнал представляет ступенчатую форму волны, и упомянутое устройство формирования дополнительно содержит первый цифровой фильтр низкой частоты, выполненный с возможностью сглаживания ступенек первого сигнала, и второй цифровой фильтр, аналогичный первому фильтру, первый сигнал фильтруют с помощью первого фильтра перед его суммированием с сигналом компенсации, и третий сигнал фильтруют с помощью второго фильтра перед его вычитанием из второго сигнала для формирования сигнала компенсации.
Изобретение, таким образом, позволяет учитывать конкретные особенности расходомера и, в частности, характеристики сигнала, которые он подает, то есть в этом примере сигнала, который имеет ступенчатую форму. Измеритель крутящего момента представляет собой пример расходомера, который подает сигналы в ступенчатой форме.
Однако изобретение также применимо к другим типам сигнала (и, таким образом, к другим типам расходомера) при условии, что используется цифровой фильтр, который адаптирован к форме колебаний сигналов. Адаптация цифрового фильтра к форме колебаний сигналов сама по себе не представляет какой-либо трудности для специалиста в данной области техники.
Постоянную времени первого цифрового фильтра выбирают так, чтобы она была достаточно большой, чтобы обеспечить возможность сглаживания ступенек при ограничении колебаний получаемого, в результате, сигнала на выходе фильтра. Задержка, вводимая первым фильтром в результате такого выбора, компенсируется в изобретении путем фильтрации третьего сигнала с помощью фильтра, который аналогичен первому фильтру, перед вычитанием его из второго сигнала, для формирования сигнала компенсации.
Во втором аспекте изобретение направлено на способ подачи для подачи сигнала установочной точки в устройство измерения топлива, имеющего золотниковый клапан в турбинном двигателе, причем положения клапана измерительного устройства определяют по сигналу установочной точки, упомянутый способ содержит:
этап формирования первого сигнала установочной точки, используя способ формирования в соответствии с изобретением;
если первый сигнал установочной точки больше, чем заданное пороговое значение, этап подачи первого сигнала установочной точки в устройство измерения топлива;
в противном случае - этап подачи в устройство измерения топлива второго сигнала установочной точки, полученного по меньшей мере из второго сигнала.
В соответствии с этим изобретение также направлено на систему подачи, предназначенную для подачи сигнала установочной точки в устройство измерения топлива, имеющего золотниковый клапан в турбинном двигателе, положения клапана измерительного устройства определяют по сигналу установочной точки, содержащую:
устройство формирования, предназначенное для формирования первого сигнала установочной точки в соответствии с изобретением;
средство компаратора, предназначенное для сравнения первого сигнала установочной точки с заданным порогом; и
средство для подачи в устройство измерения топлива:
первого сигнала установочной точки, если он больше, чем заданный порог; или
второго сигнала установочной точки, полученного по меньшей мере из второго сигнала, в противном случае.
Изобретение, таким образом, позволяет компенсировать неточность расходомера, когда он передает слишком малые значения расхода топлива путем переключения на сигнал установочной точки, формируемый, в частности, на основе положения клапана измерительного устройства.
В качестве примера, когда первый сигнал установочной точки меньше, чем заданный порог, второй сигнал установочной точки, подаваемый в устройство измерения топлива, может быть получен в результате комбинирования между вторым сигналом и первым сигналом установочной точки.
Эта комбинация, в частности, может быть линейной комбинацией или комбинацией, которая является более сложной и основана на полиноме. Предпочтительно, выбирают такую комбинацию, которая обеспечивает постепенный переход между вторым сигналом установочной точки и первым сигналом установочной точки для исключения явления накачки турбинного двигателя, явления, известного само по себе.
В третьем аспекте изобретение также направлено на турбинный двигатель, включающий в себя систему в соответствии с изобретением для подачи сигнала установочной точки в устройство измерения топлива, имеющее клапан.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых
фиг. 1 изображает схему, представляющую систему подачи топлива в соответствии с изобретением, предназначенную для подачи сигнала установочной точки в устройство измерения топлива в турбинном двигателе вместе с основными этапами способа подачи в конкретном варианте осуществления для передачи сигнала установочной точки, в соответствии с изобретением;
фиг. 2 изображает устройство формирования, в соответствии с изобретением, предназначенное для формирования сигнала установочной точки в конкретном варианте осуществления, в котором устройство включено в систему подачи топлива, показанную на фиг. 1, и также показаны основные этапы способа формирования, в соответствии с изобретением, для формирования сигнала установочной точки; и
фиг. 3 изображает пример сигнала, подаваемого расходомером, таким как расходомер, используемый в устройстве формирования на фиг. 2, вместе с сигналом, полученным после фильтрации.
Описание предпочтительных вариантов изобретения
На фиг. 1 изображена, в ее окружении, система 1 для подачи сигнала установочной точки в устройство 2 измерения топлива для турбореактивного двигателя, приводящего в движение самолет (не показан), в частности вариант осуществления изобретения.
Однако эта ситуация не является ограничительной, и изобретение в равной степени хорошо применимо к другим турбинным двигателям, таким как, например, турбовинтовой двигатель и к другим типам летательных аппаратов.
Известным образом устройство 2 измерения топлива, часто называемое "измерительным блоком", служит для регулирования количества топлива, поступающего из топливного контура 3 самолета и подаваемого в систему 4 для впрыска топлива в камеру сгорания турбореактивного двигателя (не показан).
С этой целью в блоке 2 предусмотрен золотниковый клапан 2A или "клапан измерения топлива" (FMV), положение которого изменяется как функция расхода, с которой требуется выполнять впрыск топлива в камеру сгорания. При его движении клапан перекрывает проходное сечение топлива, обозначаемое как S и также называемое площадью отверстия измерительного устройства. Следует заметить, что взаимосвязь между площадью S и положением клапана известно само по себе и не описано здесь более подробно.
Площадь S пропорциональна объемному расходу Qv топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, то есть:
Qv=KS √∆P
где K обозначает константу, и ∆P представляет собой перепад давлений на измерительном блоке 2, который присутствует на клапане 2A. Этот перепад давлений поддерживают постоянным с помощью клапана 2B регулятора, который известен сам по себе.
Объемный расход Qv получают путем деления массового расхода Qm на плотность ρ топлива, протекающего через измерительное устройство. Плотность ρ в этом примере предполагается постоянной.
Массовый расход Qm передают с помощью системы 1 в измерительный блок 2 в форме сигнала C установочной точки через контур сервоуправления (не показан). Система 1 в этом примере встроена в компьютер турбореактивного двигателя.
В соответствии с изобретением и для оценки сигнала C установочной точки, который требуется подавать в измерительный блок, система 1 подачи действует в два этапа.
На первом этапе она действует в каждый момент выборки для оценки первого сигнала C1 установочной точки на основе, во-первых, измерений М положения клапана 2A, передаваемых датчиком 5 положения, и, во-вторых, сигнала S1 измерений, представляющего расход топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, который подают от измерителя 6 массового потока (WFM).
В качестве примера, датчик 5 положения представляет собой линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор (LVDT,) известный специалисту в данной области техники. Измерение М затем преобразуют с помощью также известного преобразователя 7 сигнала S2, представляющего массовый расход.
Сигналы S1 и S2 составляют, соответственно, первый сигнал и второй сигнал в смысле изобретения.
В WFM 6 записана постоянная времени τ6. В этом примере он последовательно соединен с измерительным блоком 2 в непосредственной близости к нему. В результате, температура топлива, по существу, является одинаковой, когда оно протекает через измерительный блок 2 и когда оно протекает через WFM 6. Поскольку WFM составляет оборудование, которое известно специалисту в данной области техники, его работа не описана здесь более подробно.
Сигнал S1 установочной точки формируют на основе сигналов S1 и S2 устройством 8 системы 1 в соответствии с изобретением и более подробно описан ниже со ссылкой на фиг. 2.
На втором этапе система 1 определяет, является ли сигнал C1 установочной точки достаточно точным для его передачи в измерительный блок 2 через контур сервоуправления. Ниже некоторого расхода и из-за его инерции WFM 6 является менее точным, чем измерительное устройство 2 при оценке расхода топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания.
Таким образом, сигнал C1 установочной точки сравнивают с порогом THR, используя известный компаратор 9. В этом примере компаратор 9 вырабатывает сигнал, обозначенный как α, который имеет высокий уровень (цифровой "1"), если сигнал C1 больше, чем порог THR, и имеет низкий уровень (цифровой "0") в противном случае.
Компаратор предназначен для детектирования низких расходов топлива, при которых точность WFM 5 недостаточна и не позволяет получать надежный результат измерения массового расхода топлива, впрыскиваемого в камеру 4 сгорания. Порог THR заранее определен (например, THR=450 килограмм в час (кг/ч)) и его выбирают как функцию точности и временной постоянной измерителя 6 потока.
В настоящем описанном примере, если сигнал α равен 1, тогда система 1 подает сигнал C1, оцениваемый устройством 8, в измерительный блок как его сигнал C1 установочной точки. В отличие от этого, если сигнал α равен 0, тогда система 1 передает сигнал S2, передаваемый датчиком 5 положения и преобразователем 7 как сигнал C установочной точки.
В этом примере эта операция выполняется посредством:
элемента 10 вычитающего устройства, выполненного с возможностью вычитания сигнала S2 из сигнала C1;
элемента 11 умножителя, выполненного с возможностью умножения сигнала из элемента вычитания на сигнал α; и
элемента 12 сумматора, выполненного с возможностью суммирования сигнала S2 с сигналом из элемента 11 умножителя.
Следует учитывать, что в настоящем описываемом примере сигнал C установочной точки, подаваемый системой 1, представляет собой либо сигнал C1 установочной точки, сформированный устройством 8, или, в противном случае, сигнал S2. В варианте осуществления система 1 может подавать в измерительный блок 2 комбинацию сигналов S2 и C1 как сигнал C установочной точки.
Эта комбинация, в частности, может представлять собой линейную комбинацию сигналов C1 и S2. С этой целью компаратор 9 может, например, подавать сигнал α, который является реальным, то есть который имеет значение, зависящее от разности между сигналом C1 и порогом THR. Это служит для обеспечения перехода от сигнала S2, подаваемого преобразователем 7, на сигнал C1, формируемый устройством 8, что происходит постепенно с увеличением расхода топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания.
В варианте осуществления другие устройства можно использовать для оценки варианта, по которому сигналы C1 и S2 комбинируют, например, используя фильтр порядка, больше, чем 1.
Со ссылкой на фиг. 2 ниже представлено описание основных этапов, воплощаемых устройством 8 и приводящих к формированию сигнала C1 установочной точки.
Как упомянуто выше и в соответствии с изобретением для формирования C1 установочной точки устройство 8, во-первых, использует сигнал S1, подаваемый расходомером, и, во-вторых, сигнал S2, подаваемый преобразователем 7, и выполняет оценку на основе положения М клапана 2A.
В этом примере сигнал S1, подаваемый расходомером 6, имеет ступенчатую форму, как схематично показано на фиг. 3.
Для обеспечения возможности его использования при формировании сигнала C1 установочной точки сигнал S1 фильтруют с помощью цифрового фильтра 8A низкой частоты, который выполнен с возможностью сглаживания сигнала S1, другими словами, устранения его ступенчатости. С этой целью его постоянную времени Τ выбирают так, чтобы она была достаточно большой. Постоянная времени определяется экспериментально: выбранная постоянная времени является наименьшей, что обеспечивает получение гладкого сигнала после фильтрации (предпочтительно постоянная меньше, чем 1000 секунд (с)). Следует заметить, что слишком большая постоянная времени хотя и не оказывает влияния на стабильность системы, может привести к тому, что сигнал C1 установочной точки будет неправильным из-за его сходимости к значению сигнала S2.
Сигнал, получаемый на выходе из фильтра 8A, обозначен как S1'.
Путем указания фиг. 3 изображает сигнал S1', получаемый после фильтрации сигнала S1, который показан на том же чертеже, при этом сигнал S1' получают, используя цифровой фильтр низкой частоты, выбранный для устранения ступенек из сигнала S1.
Параллельно обработке, применяемой к сигналу S1, сигнал S2 подают в цифровой модуль 8B моделирования. Модуль 8B выполнен с возможностью моделирования расхода топлива, теоретически измеряемого расходомером 6, когда поток топлива, представленный сигналом S2, протекает через него. Сигнал, моделируемый модулем 8B и представляющий расход топлива, измеряемый расходомером 6, обозначен как S3.
Модуль 8B основан на цифровой модели механических элементов расходомера 6 и учитывает, в частности, его временную постоянную τ6. В этом примере временная постоянная τ6 предполагается постоянной и равной временной постоянной, применяемой изготовителем расходомера. Следует заметить, что такая цифровая модель известна и не описана более подробно здесь.
Поскольку модуль 8B моделирует расходомер 6, из этого следует, что моделированный сигнал S3 также представляет собой ступенчатый сигнал аналогично сигналу S1.
Цифровой фильтр 8C низкой частоты поэтому предусмотрен аналогично цифровому фильтру 8A (и, в частности, имеет ту же самую временную постоянную τ) для сглаживания ступенчатого сигнала. В описанном в настоящее время примере фильтры 8A и 8C являются идентичными.
Сглаженный сигнал S3', полученный на выходе фильтра 8C, затем подают в элемент 8D вычитателя, который выполнен с возможностью вычитания сигнала S3' из сигнала S2.
1
Сигнал S4, получаемый в результате такой операции вычитания, затем суммируют с помощью элемента 8E сумматора с сигналом S', подаваемым фильтром 8A, для формирования сигнала C1 установочной точки. Сигнал S4 представляет собой сигнал компенсации в данном изобретении.