УПРАВЛЕНИЕ ТОПЛИВОДОЗИРУЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ
CONTROL OF A FUEL METERING DEVICE FOR TURBOMACHINE

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится в целом к области техники турбинных двигателей. В частности, изобретение относится к управлению расходом топлива турбинного двигателя. Оно применяется предпочтительно, но не ограниченно, к турбинным двигателям, используемым в области техники авиации.
Известным образом, расход топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания турбинного двигателя, определяется дозирующим устройством, имеющим золотник, также известным как клапан дозирования топлива (fuel metering valve (FMV)). Расход топлива зависит от положения золотника.
Заданное значение для весового расхода топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, оценивается компьютером двигателя. Технология, которая обычно используется для управления положением золотника на основании заданного значения весового расхода, доставляемого компьютером, также описана далее.
По мере его перемещения, золотник изменяет сечение потока S топлива через дозирующее устройство. Сечение S также называется площадью открывания дозирующего устройства и оно легко выражается как функция положения золотника. Известным образом, это сечение S пропорционально объемному расходу топлива, когда разность давлений через дозирующее устройство сохраняется постоянной. Объемный расход равен весовому расходу, поделенному на плотность топлива. Плотность топлива в целом предполагается постоянной на протяжении выполнения задачи турбинного двигателя и определяемой.
Следовательно, возможно преобразовать заданное значение весового расхода топлива в заданное значение положения золотника.
Затем цикл регулировки сравнивает заданное значение положения золотника с реальным положением золотника, измеренным датчиком, и определяет сигнал управления золотником.
Описанный выше метод управления имеет несколько недостатков. Во-первых, он не учитывает ни возможное изменение природы используемого топлива, ни возможное изменение плотности топлива, например, в результате изменения температуры. К тому же, дозирующее устройство является в целом не очень точным.
В результате этого весовой расход действительно впрыскиваемого топлива может отличаться от заданного значения весового расхода. Иначе говоря, управление может быть неточным.
Также известно использование расходомера в топливном контуре для улучшения точности управления.
Например, в документе US 5 305 597 предложено использование измерения, доставляемого расходомером для оценки калибровочного сигнала, пропорционального мгновенной плотности топлива.
В этом документе также предложено использование критерия точности для проверки действительности измерения, доставляемого расходомером. Точнее, измерение, доставляемое расходомером, считается действительным, пока оно постоянно и больше, чем заданное пороговое значение для заданного периода. Когда измерение не считается действительным, для определения калибровочного сигнала используется самая последняя величина, считающаяся действительной.
Тем не менее расходомер может находиться под влиянием различных типов ошибок. Критерий точности, используемый в упомянутом выше документе, не позволяет определить ошибку какого либо-типа или приспособить команду расхода топлива как функцию определенной ошибки. Таким образом, он не обеспечивает удовлетворительную точность в случае ошибки расходомера.
Таким образом, существует потребность в улучшении точности, с которой управляется расход топлива турбинного двигателя.
ОБЪЕКТ И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В изобретении разработан способ управления положением золотника топливодозирующего устройства для турбинного двигателя как функцией заданного значения весового расхода, причем способ содержит:
- этап, на котором получают сигнал положения, поступающий от датчика, выполненного с возможностью измерения положения золотника;
- этап, на котором получают по меньшей мере один сигнал измерения, поступающий от расходомера, выполненного с возможностью измерения расхода топлива в дозирующем устройстве;
- этап, на котором оценивают по меньшей мере один критерий действительности для упомянутого по меньшей мере одного сигнала измерения;
- этап, на котором определяют весовой расход топлива через дозирующее устройство; и
- этап, на котором управляют положением золотника как функцией определенного весового расхода и заданного значения весового расхода;
причем способ отличается тем, что:
- упомянутый по меньшей мере один сигнал измерения содержит первый и второй сигналы измерения температуры топлива, первый и второй сигналы измерения диэлектрической проницаемости топлива, и первый и второй сигналы измерения объемного расхода топлива; и
- этап определения содержит действие как функцию упомянутого по меньшей мере одного критерия действительности для выбора весового расхода среди:
- весового расхода, вычисленного как функция сигнала положения;
- весового расхода, вычисленного как функция сигнала положения и по меньшей мере одного из упомянутых сигналов измерения температуры;
- весового расхода, вычисленного как функция сигнала положения и по меньшей мере одного из упомянутых сигналов измерения диэлектрической проницаемости;
- весового расхода, вычисленного как функция сигнала положения, по меньшей мере одного из упомянутых сигналов измерения температуры, и по меньшей мере одного из упомянутых сигналов измерения диэлектрической проницаемости; и
- весового расхода, вычисленного как функция по меньшей мере одного из упомянутых сигналов измерения температуры, по меньшей мере одного из упомянутых сигналов измерения диэлектрической проницаемости, и по меньшей мере одного из упомянутых сигналов измерения объемного расхода.
Иначе говоря, в изобретении предложено определение ошибки, если таковая присутствует, расходомера, посредством оценки по меньшей мере одного критерия действительности, и выбора весового расхода как функции критерия действительности. Это позволяет выбрать наиболее точный из доступных весовой расход, учитывая ошибки, если таковые присутствуют, расходомера. Таким образом, изобретение позволяет улучшить точность управления, даже в случае ошибки расходомера.
Критерий действительности может содержать критерий действительности для измерения температуры, критерий действительности для измерения диэлектрической проницаемости и критерий действительности для измерения объемного расхода.
Например, если критерий действительности для температуры обозначает, что измерение температуры действительно, критерий действительности для измерения диэлектрической проницаемости обозначает, что измерение диэлектрической проницаемости действительно, и критерий действительности для измерения объемного расхода обозначает, что измерение объемного расхода действительно, то способ управления может выбрать весовой расход, который вычислен как функция сигнала положения по меньшей мере одного из упомянутых сигналов измерения температуры и по меньшей мере одного из упомянутых сигналов измерения диэлектрической проницаемости, посредством этого давая наиболее точное в этих условиях измерение. В общем, для каждой комбинации критериев действительности один из вычисленных весовых расходов является наиболее точным и может быть выбран.
Критерий действительности может дополнительно содержать вторичный критерий действительности для измерения объемного расхода, оцениваемый посредством сравнения, во-первых, весового расхода, вычисленного как функция по меньшей мере одного из упомянутых сигналов измерения температуры, по меньшей мере одного из упомянутых сигналов измерения диэлектрической проницаемости и по меньшей мере одного из упомянутых сигналов измерения объемного расхода, и, во-вторых, весового расхода, вычисленного как функция сигнала положения, по меньшей мере одного из упомянутых сигналов измерения температуры и по меньшей мере одного из упомянутых сигналов измерения диэлектрической проницаемости.
Для расходомера, имеющего вертушку, вертушка в целом не предусмотрена как избыточная. Это сравнение позволяет определить ошибку, влияющую на вертушку, и учитывать ее при определении весового расхода.
К тому же, следующие характеристики, взятые отдельно или в комбинации, позволяют эффективно и надежно объединять измерения:
- критерий действительности для измерения температуры определяется посредством сравнения первого и второго сигналов измерения температуры с диапазоном измерения температуры;
- критерий действительности для измерения диэлектрической проницаемости определяется посредством сравнения первого и второго сигналов измерения диэлектрической проницаемости с диапазоном измерения диэлектрической проницаемости;
- критерий действительности для измерения температуры и критерий действительности для измерения диэлектрической проницаемости также определяются как функция массива данных, представляющего плотность топлива как функцию температуры и диэлектрической проницаемости;
- если диапазон измерения температуры или диэлектрической проницаемости и массив данных не обозначают, что первый и второй сигналы измерения температуры или диэлектрической проницаемости недействительны, то критерий действительности для измерения температуры или диэлектрической проницаемости также определяется как функция разности между первым и вторым сигналами измерения температуры или диэлектрической проницаемости;
- критерий действительности для измерения объемного расхода определяется посредством сравнения первого и второго сигналов измерения объемного расхода с диапазоном измерения объемного расхода; и
- критерий действительности для измерения объемного расхода также определяется как функция разности между первым и вторым сигналами измерения объемного расхода.
В изобретении также разработана компьютерная программа, включающая в себя инструкции для выполнения способа управления согласно изобретению, при исполнении программы компьютером.
В изобретении также разработан электронный блок для управления турбинным двигателем, причем упомянутый электронный блок имеет память, содержащую компьютерную программу согласно изобретению.
В качестве примера, электронный блок может представлять собой компьютер турбинного двигателя или он может представлять собой блок, который выполнен специально для управления расходом топлива.
В изобретении также разработано воздушное судно, имеющее турбинный двигатель и электронный блок согласно изобретению.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение может быть лучше понято при прочтении последующего описания, выполненного в качестве неограничивающего примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:
- Фиг. 1 представляет собой диаграмму контура подачи топлива турбинного двигателя и электронного блока управления двигателем;
- Фиг. 2 представляет собой диаграмму, на которой показана часть работы способа управления в осуществлении изобретения; и
- На Фиг. 3 показана более подробно часть этапа выбора в способе управления, показанного на Фиг. 2.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение описано ниже в контексте его применения в турбинном двигателе, который может быть, например, газовой турбиной для приведения в движение самолета, турбиной вертолета, промышленной турбиной или турбиной вспомогательной силовой установки (ВСУ).
На Фиг. 1 показан контур 1 подачи топлива для турбинного двигателя, вместе с электронным блоком 7 управления двигателем.
Контур 1 подачи топлива содержит бак 2, дозирующее устройство 3, датчик 4 положения и расходомер 5. Он предназначен для подачи топлива в камеру 6 сгорания двигателя.
Дозирующее устройство 3, также обычно называемое "дозирующим" блоком, служит для управления количеством топлива, подаваемого подающим контуром 1 к камере 6 сгорания. Для этого дозирующее устройство 3 имеет золотник (не показан) или клапан дозирования топлива (FMV). Сечение потока для топлива, обозначенное как S и также называемое площадью открывания дозирующего устройства, зависит от положения золотника.
Элемент (не показан) сохраняет постоянную разность давлений на золотнике, и в результате этого объемный расход топлива пропорционален сечению S. Следует заметить, что отношение между сечением S и положением золотника само по себе известно и не описано более подробно.
Датчик 4 положения измеряет положение золотника дозирующего устройства 3 и доставляет сигнал положения в электронный блок 7 управления. В качестве примера, это может быть датчик типа линейно регулируемого дифференциального трансформатора (LVDT). Датчик 4 положения может быть двойным и он может доставлять два сигнала POSa и POSb положения в электронный блок 7 управления.
В качестве примера, расходомер 5 может содержать пару расходомеров, вертушечный расходомер или объемный расходомер, связанный с измерением плотности, где плотность определяется как функция температуры и диэлектрической проницаемости. Таким образом, расходомер 5 обеспечивает множество сигналов измерения в электронный блок 7 управления: сигнал Ta температуры и сигнал Tb температуры, представляющие температуру топлива в подающем контуре 1; сигнал PERMa диэлектрической проницаемости и сигнал PERMb диэлектрической проницаемости, представляющие диэлектрическую проницаемость топлива в подающем контуре 1; и сигнал VOLa объемного расхода и сигнал VOLb объемного расхода, представляющие объемный расход топлива.
Ниже, сноски Ta, Tb, PERMa,... использованы для обозначения самого сигнала измерения или величины, которая соответствует сигналу измерения. Например, Ta может также относиться к температуре, представленной сигналом Ta измерения. Подобным образом, POSa и POSb могут относиться к положениям, представленным сигналами POSa и POSb положения.
Расходомер 5 преимущественно помещен настолько близко, насколько это возможно, к дозирующему устройству 3, чтобы температуры Ta и Tb и диэлектрические проницаемости PERMa и PERMb соответствовали, соответственно, температуре и диэлектрической проницаемости топлива в дозирующем устройстве 3.
Электронный блок 7 управления имеет архитектуру аппаратного обеспечения компьютера. В частности, он содержит процессор 8, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 9, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 10 и устройство 11 сопряжения. Процессор 8 служит для выполнения компьютерных программ, хранимых в ПЗУ 9, используя при этом ОЗУ 10. Устройство 11 сопряжения служит, в частности, для получения сигналов измерения и выдачи сигналов управления.
Электронный блок 7 управления осуществляет способ управления положением золотника в дозирующем устройстве 3. Этот способ управления может быть осуществлен компьютерной программой 12, хранимой в ПЗУ 9 и выполняемой процессором 8. Способ управления направлен на определение заданного значения POS положения для золотника дозирующего устройства 3 как функции заданного значения Wf32 весового расхода топлива для подачи в камеру 6 сгорания, а также сигналов POSa, POSb положения и сигналов Ta, Tb, PERMa, PERMb, VOLa, и VOLb измерения.
В примере, показанном на Фиг. 1, электронный блок 7 управления представляет собой компьютер двигателя, и он осуществляет основной регулировочный цикл для определения заданного значения Wf32 весового расхода как функции желаемой тяги. Основной регулировочный цикл осуществляется компьютерной программой 13, хранимой в ПЗУ 9 и выполняемой процессором 8.
В варианте блок 7 управления может быть специальным электронным блоком для управления дозирующим устройством 3, и он может принимать заданное значение Wf32 весового расхода от компьютера двигателя, который тогда является отдельным блоком.
На Фиг. 2 в форме функциональных модулей, показаны основные этапы способа управления положением золотника в дозирующем устройстве 3. Как объяснено выше, этот способ управления осуществляется компьютерной программой 12, выполняемой электронным блоком 7 управления.
Из положений POSa и POSb модуль 20 определяет весовой расход Wf32_sel. Весовой расход Wf32_sel определяется из предположения того, что плотность топлива является постоянной и заданной. То, как вычислить Wf32_sel из положений POSa и POSb, известно специалисту в данной области техники и не описано более подробно.
Модуль 21 осуществляет первое объединение температур Ta и Tb. Точнее, модуль 21 проверяет, находятся ли Ta и Tb в диапазоне измерения температуры, например в диапазоне [55°C, 150°C]. Если температура Ta или Tb не находится в диапазоне измерения температуры, измерение Ta или Tb, в зависимости от обстоятельств, предполагается недействительным. Эта информация сохраняется.
Соответствующим образом модуль 22 осуществляет первое объединение диэлектрических проницаемостей PERMa и PERMb посредством проверки, находятся ли PERMa и PERMb в диапазоне измерения диэлектрической проницаемости, например в диапазоне [1.88, 2.27]. Если PERMa или PERMb не находится в диапазоне измерения диэлектрической проницаемости, то измерение PERMa или PERMb, в зависимости от обстоятельств, считается недействительным. Эта информация сохраняется.
Модуль 23 осуществляет перекрестное объединение между температурами Ta и Tb и диэлектрическими проницаемостями PERMa и PERMb.
Известным образом плотность топлива изменяется с его температурой. К тому же для данной температуры диэлектрическая проницаемость топлива зависит от типа топлива. Таким образом, возможно сконструировать массив данных, например двухмерную (2D) таблицу, в которой указана, для данных температуры и диэлектрической проницаемости, либо соответствующая плотность топлива, либо иначе то, что пара температуры и диэлектрической проницаемости не соответствует топливу.
Таким образом, модуль 23 осуществляет использование такого массива данных для исключения пар температуры и диэлектрической проницаемости, которые не соответствуют топливу. Если температуры и диэлектрические проницаемости считаются недействительными, эта информация сохраняется.
После этого модуль 24 осуществляет второе объединение температур Ta и Tb, предполагая, что они все еще считаются действительными после объединений, осуществленных модулями 21 и 23. Точнее, модуль 24 проверяет, меньше ли разность между Ta и Tb, чем заданное пороговое значение, например 0,25°C.
Если разность между Ta и Tb больше, чем это пороговое значение, или если ни Ta, ни Tb не считаются действительными после объединений, осуществленных модулями 21 и 23, тогда сохраняется информация "температура недействительна", и модуль 24 не доставляет никакой температуры.
Наоборот, если разность между Ta и Tb меньше или равна пороговому значению, или если только одна из температур Ta и Tb считается действительной после объединений, осуществленных модулями 21 и 23, тогда сохраняется информация "температура действительна", и модуль 24 доставляет температуру T следующим образом:
- среднее значение Ta и Tb, если как Ta, так и Tb считаются действительными;
- Ta, если только Ta считается действительной, а Tb считается недействительной; и
- Tb, если только Tb считается действительной, а Ta считается недействительной.
Модуль 25 осуществляет обработку подобно модулю 24, но для диэлектрических проницаемостей PERMa и PERMb. Таким образом, модуль 25 хранит информацию "диэлектрическая проницаемость недействительна" или "диэлектрическая проницаемость действительна" и, если диэлектрическая проницаемость действительна, он доставляет диэлектрическую проницаемость PERM, которая может быть средним значением PERMa и PERMb, или одной из двух диэлектрических проницаемостей PERMa и PERMb.
Модуль 26 осуществляет объединение объемных расходов VOLa и VOLb. Точнее, модуль 26 проверяет, находятся ли VOLa и VOLb в диапазоне измерения объемного расхода расходомера 5. Если расход VOLa или VOLb не находится в диапазоне измерения объемного расхода, то измерение VOLa или VOLb считается недействительным, при необходимости. Эта информация сохраняется. Если VOLa и VOLb считаются действительными, модуль 26 также проверяет, меньше ли разность между VOLa и VOLb, чем заданное пороговое значение.
Если разность между VOLa и VOLb больше, чем это пороговое значение, или если ни VOLa, ни VOLb не считаются действительными после проверки относительно диапазона измерения, то сохраняется информация "объемный расход недействителен", и модуль 26 не доставляет какого-либо объемного расхода.
Наоборот, если разность между VOLa и VOLb меньше или равна пороговому значению, или если только один из расходов VOLa и VOLb считается действительным после проверки относительно диапазона измерения, то сохраняется информация "объемный расход действителен", и модуль 26 доставляет объемный расход VOL следующим образом:
- среднее значение VOLa и VOLb, если VOLa и VOLb оба считаются действительными;
- VOLa, если только VOLa считается действительным, а VOLb считается недействительным; или
- VOLb, если только VOLb считается действительным, а VOLa считается недействительным.
На основании температуры T, доставленной модулем 24, и диэлектрической проницаемости PERM, доставленной модулем 25, модуль 27 определяет плотность d топлива.
На основании диэлектрической проницаемости PERM, доставленной модулем 25, модуль 28 определяет оценочную величину d' плотности d топлива.
На основании температуры T, доставленной модулем 24, диэлектрической проницаемости PERM, доставленной модулем 25, и объемного расхода VOL, доставленного модулем 26, модуль 29 определяет весовой расход DEB_M.
На основании весового расхода Wf32_sel, доставленного модулем 20, и температуры T, доставленной модулем 24, модуль 30 определяет скорректированный на температуру весовой расход Wf32_T.
На основании весового расхода Wf32_sel, доставляемого модулем 20, и плотности d, доставляемой модулем 27, модуль 31 определяет скорректированный на плотность весовой расход Wf32_d.
На основании весового расхода Wf32_sel, доставляемого модулем 20, и оценочной величины d' плотности, доставляемой модулем 28, модуль 32 определяет скорректированный на диэлектрическую проницаемость весовой расход Wf32_d'.
Модуль 33 выбирает скорректированный весовой расход Wf32_cor из весовых расходов Wf32_sel, Wf32_T, Wf32_d, и Wf32_d' как функции действительностей измерений температуры и диэлектрической проницаемости, как определено модулями 21 - 25. На Фиг. 3 более подробно показан выбор, осуществляемый модулем 33:
- Если диэлектрическая проницаемость действительна и температура недействительна, то модуль 33 выбирает весовой расход Wf32_d'.
- Если диэлектрическая проницаемость и температура действительны, то модуль 33 выбирает весовой расход Wf32_d.
- Если диэлектрическая проницаемость недействительна и температура действительна, то модуль 33 выбирает весовой расход Wf32_T.
- Если как диэлектрическая проницаемость, так и температура недействительны, то модуль 33 выбирает весовой расход Wf32_sel.
Как объяснено выше, информация "температура действительна" или "температура недействительна" и "диэлектрическая проницаемость действительна" или "диэлектрическая проницаемость недействительна", используемая модулем 33, определяется и хранится модулями 24 и 25.
Модуль 34 доставляет весовой расход WFM посредством выбора между весовым расходом DEB_M, доставляемым модулем 29, и весовым расходом Wf32_cor, доставляемым модулем 33.
Точнее, если была сохранена информация "температура действительна", "диэлектрическая проницаемость действительна" и "объемный расход действителен", это значит, что весовой расход DEB_M, который представляет собой расход, определенный как функция измерений расходомера 5, не является ошибочным и представляет собой наиболее точное доступное измерение. В таких условиях весовой расход WFM, который доставляется, равен DEB_M. В варианте, если была сохранена информация "турбина действительна", "диэлектрическая проницаемость действительна" и "объемный расход ", тогда модуль 34 вычисляет разность между DEB_M и Wf32_d. Если эта разность больше, чем заданное пороговое значение, это значит, что существует проблема в измерении объемного расхода, например проблема воздействия на вертушку, если расходомер представляет собой вертушечный расходомер. В таких условиях модуль 34 выбирает весовой расход Wf32_d вместо весового расхода DEB_M.
Наоборот, если информация включает в себя по меньшей мере одну из хранимых в ней "температура недействительна", "диэлектрическая проницаемость недействительна" и "объемный расход недействителен", это значит, что весовой расход DEB_M, то есть, расход, определенный как функция измерений расходомера 5, является ошибочным. В таких условиях весовой расход WFM, который подается, равен Wf32_cor, то есть расходу, определенному на основании положения золотника дозирующего устройства 3, возможно с корректировкой на температуру и/или корректировкой на диэлектрическую проницаемость, если эти измерения действительны.
Информация "температура действительна" или "температура недействительна", "диэлектрическая проницаемость действительна" или "диэлектрическая проницаемость недействительна", и "объемный расход действителен" или "объемный расход недействителен" составляет критерии действительности для сигналов измерения, доставляемых расходомером 5. Обработка, осуществляемая модулями 33 и 34, составляет выбор весового расхода как функции этих критериев действительности, в контексте изобретения.
Посредством выбора из различных упомянутых выше весовых расходов, как функции критериев действительности измерения, способ, показанный на Фиг. 2, служит для определения весового расхода WFM, который является наиболее точным из доступных, при условии наличия ошибок, которые могут влиять на расходомер 5.
Наконец, модуль 35 сравнивает весовой расход WFM с заданным значением Wf32 весового расхода для определения сигнала управления POS для управления положением золотника дозирующего устройства 3. Например, модуль 35 вычисляет разность WFM-Wf32 и использует пропорционально-интегральный регулятор.
В варианте, способ, описанный выше со ссылкой на Фиг. 2 и 3, осуществляется во время устоявшегося режима, то есть, когда расход топлива является, по существу, постоянным. Во время переходного режима, в котором расход топлива меняется, можно выбрать в качестве весового расхода WFM весовой расход DEB_M, Wf32_T, Wf32_d, Wf32_d', или Wf32_sel, как выбирается во время предшествующего устоявшегося режима. Можно предположить, что риск возникновения новой ошибки во время переходного режима очень маленький. Начало и окончание переходного режима может быть определено, например, как функция положений POSa и POSb.
К тому же, когда измерение считается недействительным, оно может считаться действительным еще раз при пересечении порогового значения восстановления, например, заданного или равного 2/3 от порогового значения исключения, которое приводит к рассмотрению его как недействительного.