阅读说明：本技术 用于操作联接至飞行器螺旋桨的燃气涡轮发动机的方法和系统 (Method and system for operating a gas turbine engine coupled to an aircraft propeller ) 是由 J.查哈尔 C.利希奥 D.麦格拉思 G.辛嘉罗 于 2020-01-17 设计创作，主要内容包括：本文描述了用于操作联接到飞行器螺旋桨的燃气涡轮发动机的方法和系统。从飞行器的动力杆接收螺旋桨推力反向的请求。确定螺旋桨的叶片角度。当叶片角度超过阈值时,阻止螺旋桨的反向推力。当叶片角度低于阈值时,基于请求允许螺旋桨的反向推力。(Methods and systems for operating a gas turbine engine coupled to an aircraft propeller are described herein. A request for propeller thrust reversal is received from a power rod of the aircraft. The blade angle of the propeller is determined. When the blade angle exceeds a threshold value, reverse thrust of the propeller is prevented. When the blade angle is below a threshold, reverse thrust of the propeller is allowed upon request.)

用于操作联接至飞行器螺旋桨的燃气涡轮发动机的方法和 系统

技术领域

本公开总体涉及燃气涡轮发动机，并且更具体而言涉及控制发动机操作。

背景技术

对于螺旋桨驱动的飞行器，控制系统可以调节螺旋桨叶片的叶片角度，以在着陆期间引起从向前推力到反向推力的过渡。从向前推力到反向推力的过渡要求螺旋桨叶片通过称为“盘状（disking）”的操作区域或最小旋转阻力的叶片角度来过渡，其中发动机通常以低功率操作。飞行员使用螺旋桨叶片角度位置的反馈来确定在着陆时何时施加增加的发动机功率。然而，如果在着陆期间从向前推力过渡为反向推力时过早施加增加的发动机功率，则可能会产生正推力而不是反向推力。

因此，需要改进。

发明内容

在一个方面，提供了一种用于操作联接至飞行器螺旋桨的燃气涡轮发动机的方法。该方法包括：从飞行器的动力杆接收螺旋桨的反向推力的请求；获得螺旋桨的叶片角度；当叶片角度超过阈值时，阻止螺旋桨的反向推力；以及当叶片角度低于阈值时允许基于请求的螺旋桨的反向推力。

在另一方面，提供了一种用于操作联接至飞行器螺旋桨的燃气涡轮发动机的系统。所述系统包括处理单元和非暂时性计算机可读存储器，具有存储在其上的程序指令。程序指令可由处理单元执行，以用于：从飞行器的动力杆接收螺旋桨的反向推力的请求；获得螺旋桨的叶片角度；当叶片角度超过阈值时，阻止螺旋桨的反向推力；以及当叶片角度低于阈值时允许基于请求的螺旋桨的反向推力。

附图说明

现在对附图作出参考，其中：

图1是根据说明性实施例的示例性燃气涡轮发动机和螺旋桨的示意图；

图2A是示出根据说明性实施例的用于控制图1的发动机和螺旋桨的操作的系统的示意图；

图2B是示出根据说明性实施例的具有螺旋桨控制器和发动机控制器的图2A的系统的示意图；

图2C是示出根据说明性实施例的具有双通道的图2C的系统的示意图；

图3A是根据说明性实施例的用于控制发动机的操作的方法的流程图；

图3B是示出根据说明性实施例的用于控制发动机的操作的方法的另一实施例的流程图；

图4是根据说明性实施例的用于控制发动机和/或螺旋桨的操作的示例性计算装置的框图。

将注意到的是，贯穿附图，相似的特征由相似的附图标记指示。

具体实施方式

图1示出了用于如下类型的飞行器的飞行器动力装置100，所述类型的飞行器优选地被设置成用于亚音速飞行中，飞行器动力装置100大体上包括发动机110和螺旋桨120。动力装置100以串联流动连通的方式大体上包括：附接到轴108并且环境空气通过其被推动的螺旋桨120；用于加压空气的压缩机部段114；压缩空气在其中与燃料混合并被点燃以用于产生热燃烧气体的环状流的燃烧器116；以及用于从燃烧气体提取能量的涡轮机部段106。螺旋桨120转换来自发动机110的轴108的旋转运动，从而为飞行器提供推进力（也称为推力）。螺旋桨120包括两个或更多个螺旋桨叶片122。可以调节螺旋桨叶片122的叶片角度。叶片角度可以被称为β角、攻角或叶片桨距。动力装置100可被实施为包括单转子或多转子燃气涡轮发动机，其中涡轮机部段106通过减速齿轮箱（RGB）连接至螺旋桨120。

参考图2A，示出了根据实施例的用于操作动力装置100的系统200。在该实施例中，控制系统210在飞行器的飞行员的控制下从飞行器的动力杆212接收动力杆请求。动力杆请求指示了动力杆212所要求的推力类型。动力杆请求指示了动力杆212的位置。可以选择数个动力杆位置，包括如下这些：（1）在起飞期间通常使用的最大向前推力（MAX FWD）；（2）在接近期间在飞行中或者在地面上滑行期间可以使用的飞行怠速（FLT IDLE）；（3）螺旋桨120正在旋转但是提供非常低的推力的地面怠速（GND IDLE）；（4）通常在着陆时使用以使飞行器减速的最大反向推力（MAX REV）。也可以选择上述位置之间的中间位置。

控制系统210接收与螺旋桨120、发动机110和/或飞行器的操作有关的附加输入。在所示的实施例中，控制系统210接收螺旋桨120的叶片角度。在一些实施例中，控制系统210接收指示飞行器处于地面上还是飞行中的飞行器状态。附加输入可以根据实际实施方式而变化。

通常，控制系统210被配置为基于所接收的输入来控制发动机110和螺旋桨120。控制系统210通过将发动机请求输出到用于调节发动机燃料流量的发动机致动器216来控制发动机110，并通过将螺旋桨请求输出到用于调节螺旋桨120的叶片角度的螺旋桨致动器214来控制螺旋桨120。发动机致动器216和/或螺旋桨致动器214可各自被实施为扭矩马达、步进马达或任何其它合适的致动器。控制系统210基于接收到的输入确定发动机请求和螺旋桨请求。螺旋桨致动器214可基于螺旋桨请求来控制液压油压力以调节叶片角度。发动机致动器216可以基于发动机请求来调节流向发动机110的燃料流量。尽管控制系统210被示为与动力装置100分离，但这是出于说明的目的。

控制系统210从飞行器的动力杆212接收螺旋桨120的反向推力的请求。控制系统210被配置为当螺旋桨120的叶片角度超过反向推力叶片角度阈值时通过防止发动机输出功率的增加来控制发动机110以阻止螺旋桨120的反向推力。控制系统210被配置为当叶片角度低于反向推力叶片角度阈值时通过允许发动机输出功率的增加从而基于动力杆请求来允许螺旋桨120的反向推力。阻止反向推力是指防止发动机110基于动力杆212所要求的输出功率来提供输出功率。在一些实施例中，阻止反向推力包括将发动机110的输出功率设置为发动机110的最小水平。允许反向推力是指允许发动机110基于动力杆212所要求的输出功率来提供输出功率。通过基于叶片角度的位置来允许和阻止反向推力，如果在从向前推力向反向推力过渡时过早施加增加的发动机功率，则这可以防止螺旋桨120意外地提供正推力。用于反向推力叶片角度阈值的对应叶片角度可以根据实际实施方式而变化。

参考图2B，根据实施例示出了控制系统210。在该实施例中，螺旋桨控制器252控制螺旋桨120，并且发动机控制器254控制发动机110。螺旋桨控制器252确定并输出螺旋桨请求，并且发动机控制器254确定并输出发动机请求。在该实施例中，螺旋桨控制器252接收输入（例如，动力杆请求、叶片角度、飞行器状态和/或任何其它合适的输入），并且与发动机控制器进行电子通信以提供一个或更多个接收到的输入到发动机控制器254。在一些实施例中，发动机控制器254附加地或替代地接收输入（例如，动力杆请求、叶片角度、飞行器状态和/或任何其它合适的输入）。在一些实施例中，发动机控制器254将接收到的输入中的一个或更多个提供给螺旋桨控制器252。在一些实施例中，螺旋桨控制器252可确定螺旋桨120的叶片角度并将叶片角度提供给发动机控制器254。在替代性实施例中，螺旋桨控制器252和发动机控制器254的功能可以在单个控制器中实施。

为了进一步示出反向推力的允许和阻止，现在将描述从向前推力到反向推力的过渡的示例。当动力杆212请求向前推力时，控制系统210基于动力杆请求控制螺旋桨120的叶片角度和发动机110的输出功率。例如，当飞行器在飞行中并且动力杆位置被设置在飞行怠速位置之处或之上时，螺旋桨控制器252控制叶片角度在向前推力叶片角度阈值以上，以将恒定的螺旋桨速度保持在螺旋桨速度目标并且发动机控制器254基于动力杆位置来控制发动机输出功率。当螺旋桨速度高于目标时，螺旋桨叶片角度增加，这导致螺旋桨120排出更多的空气，并且因此降低了螺旋桨速度。当螺旋桨速度低于目标时，螺旋桨叶片角度减小，这导致螺旋桨120排出较少的空气，并且因此提高了螺旋桨速度。控制螺旋桨120以将恒定速度维持在螺旋桨速度目标可以被称为速度控制。可以基于动力杆位置从安排表确定发动机输出功率。基于动力杆位置控制发动机输出功率可以被称为功率控制。

当动力杆位置移动到地面怠速位置以下以请求反向推力时，螺旋桨控制器252基于动力杆请求（例如，动力杆位置）根据叶片角度安排表确定螺旋桨120的叶片角度，并且发动机控制器254将发动机输出功率设置为低功率状态（例如，发动机110的最小功率水平）。螺旋桨控制器252控制叶片角度以获得与动力杆位置直接相关的反向叶片角度。基于动力杆位置控制螺旋桨叶片角度可称为β控制。当叶片角度高于反向推力叶片角度阈值时，发动机控制器254阻止发动机110增加经由轴108传递至螺旋桨120的功率，以防止螺旋桨120无意地提供正推力。一旦叶片角度低于反向推力叶片角度阈值，则发动机控制器254就可以提高传递至螺旋桨120的功率，因此增大旋转速度，并从而增加反向方向的推力。

发动机控制器254可以进一步使用飞行器状态来允许或阻止推力。在一些实施例中，当螺旋桨120的叶片角度在反向推力叶片角度阈值以下并且飞行器状态指示飞行器在地面上时，发动机控制器254允许反向推力。在一些实施例中，当叶片角度高于反向推力叶片角度阈值时或当飞行器状态指示飞行器在飞行中时，发动机控制器254阻止反向推力。

参考图2C，在一些实施例中，螺旋桨控制器252和发动机控制器254中的每个包括两个通道A和B。对于控制器252、254中的每个，通道A、B是冗余通道，并且通道之一（例如，通道A）被选为活动状态，而另一个通道仍处于待命状态（例如，通道B）。当通道处于活动状态时，该通道配置为生成和输出发动机请求或螺旋桨请求，并且当通道处于待命状态时，该通道不生成和输出发动机请求或螺旋桨请求。当通道处于待命状态时，该通道是有功能的，并且在需要时可以接管控制权。如果确定当前活动的通道或致动器214、216之一故障或不起作用，则当前活动的通道可以被停用并且待命通道被激活。类似地，如果在操作期间至当前活动的通道的输入错误或不存在，则当前活动的通道可以被停用并且待命通道之一被激活。

在所示的实施例中，螺旋桨控制器252的每个通道A、B从至少一个传感器224（例如，双线圈旋转可变差动变压器，其中一个线圈将动力杆请求提供给通道A，并且另一个线圈将动力杆请求提供给通道B）接收动力杆请求。螺旋桨控制器252的每个通道A、B还从至少一个传感器224（例如，双线圈旋转可变差动变压器，其中一个线圈将叶片角度提供给通道A，并且另一个线圈将叶片角度提供给通道B）接收螺旋桨的叶片角度。螺旋桨致动器214（例如，双输入桨距改变机构致动器）基于来自螺旋桨控制器252的活动通道的螺旋桨请求来调节叶片角度。在该示例中，发动机控制器254从螺旋桨控制器254接收叶片角度和动力杆请求。发动机致动器216（例如，双输入扭矩马达）基于来自发动机控制器254的活动通道的发动机请求来调节流向发动机110的燃料流量。

参考图3A，示出了用于操作诸如发动机110的发动机的方法300的流程图。方法300可以由控制系统210和/或发动机控制器254执行。在步骤302，从飞行器的动力杆212接收到螺旋桨120的反向推力的请求。接收反向推力的请求可以包括从与动力杆212相关联的至少一个传感器接收动力杆212的位置。接收反向推力的请求可以包括从螺旋桨控制器252接收反向推力的请求。在步骤304，获得螺旋桨120的叶片角度。获得螺旋桨120的叶片角度可以包括从螺旋桨控制器252接收螺旋桨120的叶片角度。在步骤306，当叶片角度超过反向推力叶片角度阈值时，阻止螺旋桨120的反向推力。在步骤308，当叶片角度低于反向推力叶片角度阈值时，允许螺旋桨120的反向推力。反向推力叶片角度阈值可对应于螺旋桨可提供反向推力的最小叶片角度。在一些实施例中，允许反向推力包括基于动力杆请求（例如，基于动力杆212的位置）确定发动机110的功率要求，并基于功率要求控制发动机110的输出功率。控制发动机110的输出功率可包括基于功率要求确定发动机110的燃料流量，并将燃料流量请求输出至发动机致动器216，以控制至发动机110的燃料流量。

另外参考图3B，示出了用于操作诸如发动机110的发动机的方法300的另一实施例。在一些实施例中，方法300包括：从动力杆212接收动力杆请求，并且获得指示飞行器处于地面上还是飞行中的飞行器状态。在一些实施例中，当飞行器状态指示飞行器在飞行中和/或当叶片角度超过反向推力叶片角度阈值时，方法300阻止反向推力，并且当飞行器状态指示飞行器在地面上时并且当叶片角度低于阈值时，方法300允许基于反向推力请求的反向推力。

可以从包括一个或更多个传感器的相应测量装置接收反向推力、螺旋桨的叶片角度和/或飞行器状态的每个请求。在一些实施例中，作为发动机控制和/或操作的一部分，经由现有的部件获得反向推力、螺旋桨的叶片角度和/或飞行器状态的请求。例如，可以从发动机控制器、螺旋桨控制器或飞行器计算机之一提供反向推力、螺旋桨的叶片角度和/或飞行器状态的请求。反向推力、螺旋桨的叶片角度和/或飞行器状态的请求可以实时动态地获得、可以根据任何预定时间间隔有规律地获得、或者可以不规则地获得。

在步骤352，方法300包括基于飞行器状态确定飞行器是在地面上还是在飞行中。如果飞行器在飞行中，则在步骤354，基于动力杆请求确定发动机110的动力请求，其用于向前推力。在步骤356，根据动力请求控制流向发动机110的燃料流量。在步骤352，如果确定飞行器在地面上，则方法300进行到步骤358。

在步骤358，方法300包括确定动力杆请求是否指示动力杆212的位置在地面怠速位置和飞行怠速位置之间。如果动力杆212的位置在地面怠速位置和飞行怠速位置之间，则在步骤360，确定发动机110的动力请求，以对应于发动机110的最小功率。在步骤358，如果动力杆212的位置不在地面怠速位置和飞行怠速位置之间，则方法300进行到步骤362。

在步骤362，方法300包括确定动力杆请求是否指示动力杆212的位置低于地面怠速位置。如果动力杆不在地面怠速位置以下，则在步骤354，基于动力杆请求（例如，动力杆位置）确定发动机110的动力请求，其用于向前推力。在步骤362，如果动力杆在地面怠速位置以下，则方法300进行到步骤364。

在步骤364，方法300包括确定叶片角度是否低于反向推力叶片角度阈值。如果叶片角度不低于反向推力叶片角度阈值，则在步骤360，确定发动机110的动力请求，以对应于发动机110的最小功率。如果叶片角度低于反向推力叶片角度阈值，则在步骤366，基于用于反向推力的动力杆请求（例如，动力杆位置）确定发动机110的动力请求。

在一些实施例中，本文描述的系统和方法可以与包括两个动力装置的飞行器一起使用。例如，每个动力装置可以根据动力装置100来实施。因此，本文描述的系统和方法可以用于操作联接至第一螺旋桨的第一发动机以及用于操作联接至第二螺旋桨的第二发动机。在一些实施例中，图3A的步骤304包括获得第一螺旋桨的第一叶片角度和第二螺旋桨的第二叶片角度。在一些实施例中，在图3A的步骤306，当第一叶片角度和第二叶片角度中的至少一个超过反向推力叶片角度阈值时，阻止反向推力。在一些实施例中，当飞行器状态指示飞行器在飞行中和/或当第一叶片角度和第二叶片角度中的至少一个超过反向推力叶片角度阈值时，阻止反向推力。在一些实施例中，在图3A的步骤308，当第一叶片角度和第二叶片角度低于反向推力叶片角度阈值时，允许反向推力。在一些实施例中，当飞行器状态指示飞行器在地面上并且当第一叶片角度和第二叶片角度低于反向推力叶片角度阈值时，允许反向推力。与第一发动机相关联的第一发动机控制器可以执行用于允许和阻止第一发动机的反向推力的方法300，并且与第二发动机相关联的第二发动机控制器可以执行用于允许和阻止第二发动机的反向推力的方法300。可替代地，在一些实施例中，多动力装置飞行器的每个动力装置可以独立地实施方法300和/或包括控制系统210。

在一些实施例中，本文描述的系统和/或方法可以与美国专利申请号16 / 159,970中描述的系统和/或方法一起使用，其内容通过引用被包含在本文中。

本文描述的系统和方法可以用于阻止和允许向前推力。在一些实施例中，控制系统210从动力杆212接收向前推力的请求。控制系统210可以被配置为当螺旋桨120的叶片角度低于向前推力叶片角度阈值时控制发动机110来阻止向前推力。控制系统210可以被配置为当叶片角度超过向前推力叶片角度阈值时基于动力杆请求而允许向前推力。向前推力叶片角度阈值的对应叶片角度可以根据实际实施方式而变化。

参考图4，示出了计算装置400的示例。控制系统210可以用一个或更多个计算装置400来实施。例如，螺旋桨控制器252和发动机控制器254中的每个可以由单独的计算装置400来实施。计算装置400包括处理单元412和存储器414，存储器414具有存储在其内的计算机可执行指令416。处理单元412可包括配置成实施方法300的任何合适的装置，使得在由计算装置400或其它可编程设备执行时，指令416可导致如本文中所描述的作为方法300的一部分执行的功能/动作/步骤得到执行。处理单元412可包括例如任何类型的通用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、场可编程门阵列（FPGA）、可重新配置的处理器、其它合适的编程或可编程逻辑电路、或其任何组合。

存储器414可包括任何合适的已知或其它机器可读存储介质。存储器414可包括非暂时性计算机可读存储介质，例如但不限于：电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、设备或装置，或者上述的任何合适的组合。存储器414可包括位于装置内部或者装置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、可擦可编程只读存储器（EPROM）、以及电可擦可编程只读存储器（EEPROM）、铁电RAM（FRAM）等等。存储器414可包括适合于可取回地存储能够由处理单元412执行的机器可读指令416的任何存储器件（例如，装置）。注意到，计算装置400可以实施为完全授权数字发动机控制（FADEC）或其它类似装置的一部分，包括电子发动机控制（EEC），发动机控制单元（EUC），电子螺旋桨控制，螺旋桨控制单元等等。

本文中描述的用于操作发动机的方法和系统可以通过高级面向过程或面向对象编程语言或脚本语言、或者其组合来实施，以与计算机系统（例如计算装置400）通信或辅助计算机系统（例如计算装置400）的操作。可替代地，用于操作发动机的方法和系统可以通过汇编语言或机器语言来实施。语言可以是编译语言或解释语言。实施用于操作发动机的方法和系统的程序代码可存储在存储介质或装置上，例如ROM、磁盘、光盘、闪存驱动器、或任何其它合适的存储介质或装置。程序代码能够由通用或专用可编程计算机读取，以用于在存储介质或装置由计算机读取以执行本文中所描述的步骤时配置和操作该计算机。用于操作发动机的方法和系统的实施例也可以被认为是通过其上存储有计算机程序的非暂时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，这些计算机可读指令导致计算机或更具体地计算装置400的处理单元412以特定且预定的方式来操作，从而执行本文中所描述的功能，例如在方法300中所描述的那些。

计算机可执行指令可呈许多形式，包括由一个或更多个计算机或其它装置执行的程序模块。一般来说，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。通常，在各种实施例中，可按照期望组合或分配程序模块的功能。

以上描述仅意图是示例性的，并且本领域技术人员将认识到，在不偏离所公开的发明的范围的情况下，可对所描述的实施例作出改变。本领域技术人员根据对本公开的阅读将显而易见到落在本发明的范围内的仍其它修改。

用于操作发动机的方法和系统的多个方面可以单独使用、组合使用、或者以前文中描述的实施例中未具体讨论的多种布置来使用，并且因此其应用不局限于在前文的描述中阐述或者在附图中示出的部件的细节和布置。例如，一个实施例中所描述的方面可以以任何方式与其它实施例中所描述的方面相组合。虽然已示出和描述了特定的实施例，但是本领域技术人员将清楚的是，可在不偏离本发明的情况下在其更广泛的方面中作出改变和修改。所附权利要求的范围不应受示例中陈述的实施例的限制，而是应就整体而论给予与该描述一致的最宽合理解释。