操作耦接到飞行器螺旋桨的燃气涡轮发动机的系统和方法与流程

本公开内容总体上涉及涡轮螺旋桨发动机，并且更具体地涉及当在螺旋桨逆桨操作期间检测轴剪切事件时避免误报。

背景技术：

用于检测燃气涡轮发动机中的轴剪切事件的一种技术是使用发动机的扭矩特征作为检测阈值的一部分。然而，当螺旋桨逆桨时，扭矩有时下降到用于检测轴剪切事件的水平以下。

因此，需要改进。

技术实现要素：

根据广泛的方面，提供一种用于操作耦接到飞行器螺旋桨的燃气涡轮发动机的方法。所述方法包括：检测用于使所述螺旋桨逆桨的命令；响应于检测到用于使所述螺旋桨逆桨的所述命令禁止轴剪切检测逻辑；检测所述螺旋桨的所述逆桨的完成；以及响应于检测到螺旋桨逆桨的完成启用所述轴剪切检测逻辑。

在根据先前实施例中的任一实施例的实施例中，所述方法还包括：在禁止所述轴剪切检测逻辑的同时限制所述燃气涡轮发动机的速度，直到检测到所述逆桨的完成。

在根据先前实施例中的任一实施例的实施例中，检测所述螺旋桨的所述逆桨的完成包括：确定已经超过时间阈值。

在根据先前实施例中的任一实施例的实施例中，检测所述螺旋桨的所述逆桨的完成包括：确定所述螺旋桨的旋转速度已经达到速度阈值，以及以下中的一者：（a）确定所述螺旋桨的扭矩高于轴剪切检测阈值；以及（b）确定已经超过时间阈值。

在根据先前实施例中的任一实施例的实施例中，所述速度阈值是所请求的速度减去增量值（deltavalue）。

在根据先前实施例中的任一实施例的实施例中，检测所述螺旋桨的所述逆桨的完成包括：确定所述螺旋桨的叶片角度已经达到角度阈值，以及以下中的一者：（a）确定所述螺旋桨的扭矩高于轴剪切检测阈值；以及（b）确定已经超过时间阈值。

在根据先前实施例中的任一实施例的实施例中，检测所述螺旋桨的所述逆桨的完成包括：确定所述螺旋桨的速度的变化率降到变化率阈值以下，以及以下中的一者：（a）确定所述螺旋桨的扭矩高于轴剪切检测阈值；以及（b）确定已经超过时间阈值。

在根据先前实施例中的任一实施例的实施例中，检测所述螺旋桨的所述逆桨的完成包括：确定所述螺旋桨的扭矩的变化率已经从负转变到正，以及以下中的一者：（a）确定所述螺旋桨的所述扭矩高于轴剪切检测阈值；以及（b）确定已经超过时间阈值。

根据另一广泛方面，提供一种用于操作耦接到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；以及非暂时性计算机可读介质，其上存储有程序指令。所述程序指令可由所述处理单元执行用于：检测用于使所述螺旋桨逆桨的命令；响应于检测到用于使所述螺旋桨逆桨的所述命令禁止轴剪切检测逻辑；检测所述螺旋桨的所述逆桨的完成；以及响应于检测到螺旋桨逆桨的完成启用所述轴剪切检测逻辑。

在根据先前实施例中的任一实施例的实施例中，所述程序指令还可被执行以用于在禁止所述轴剪切检测逻辑的同时限制所述燃气涡轮发动机的速度，直到检测到所述逆桨的完成。

在根据先前实施例中的任一实施例的实施例中，检测所述螺旋桨的所述逆桨的完成包括：确定已经超过时间阈值。

在根据先前实施例中的任一实施例的实施例中，检测所述螺旋桨的所述逆桨的完成包括：确定所述螺旋桨的旋转速度已经达到速度阈值，以及以下中的一者：（a）确定所述螺旋桨的扭矩高于轴剪切检测阈值；以及（b）确定已经超过时间阈值。

在根据先前实施例中的任一实施例的实施例中，所述速度阈值是所请求的速度减去增量值。

在根据先前实施例中的任一实施例的实施例中，检测所述螺旋桨的所述逆桨的完成包括：确定所述螺旋桨的叶片角度已经达到角度阈值，以及以下中的一者：（a）确定所述螺旋桨的扭矩高于轴剪切检测阈值；以及（b）确定已经超过时间阈值。

在根据先前实施例中的任一实施例的实施例中，检测所述螺旋桨的所述逆桨的完成包括：确定所述螺旋桨的速度的变化率降到变化率阈值以下，以及以下中的一者：（a）确定所述螺旋桨的扭矩高于轴剪切检测阈值；以及（b）确定已经超过时间阈值。

在根据先前实施例中的任一实施例的实施例中，检测所述螺旋桨的所述逆桨的完成包括：确定所述螺旋桨的扭矩的变化率已经从负转变到正，以及以下中的一者：（a）确定所述螺旋桨的所述扭矩高于轴剪切检测阈值；以及（b）确定已经超过时间阈值。

根据本文中所描述的实施例，可以按各种组合使用本文中所描述的系统、设备和方法的特征。

附图说明

现在参考附图，在附图中：

图1是根据说明性实施例的燃气涡轮发动机的示意性横截面视图；

图2是根据说明性实施例的图1的燃气涡轮发动机及其控制系统的示意图；

图3是根据说明性实施例的用于操作螺旋桨的方法的流程图；

图4是根据第一说明性实施例的示出用于检测螺旋桨逆桨过程的完成的两个条件的曲线图；

图5是根据第二说明性实施例的示出用于检测螺旋桨逆桨过程的完成的两个条件的曲线图；

图6是根据第三说明性实施例的示出用于检测螺旋桨逆桨过程的完成的两个条件的曲线图；

图7是根据第四说明性实施例的示出用于检测螺旋桨逆桨过程的完成的两个条件的曲线图；以及

图8是根据说明性实施例的用于实施图3的方法的计算设备的框图。

应注意的是，在所有附图中，用相似的附图标记标识相似特征。

具体实施方式

本文描述了用于操作耦接到螺旋桨的燃气涡轮发动机的方法和系统。更具体地，提供用于在使用轴剪切检测逻辑来检测发动机和/或螺旋桨的轴剪切事件时操作发动机的方法和系统。使用本文中所描述的方法和系统来避免螺旋桨逆桨期间的假性轴剪切调节。

图1示出了燃气涡轮发动机10，针对所述燃气涡轮发动机，可以使用轴剪切检测逻辑来检测轴事件，诸如轴剪切、轴解耦或任何其他类型的轴故障。发动机10通常包括串行流动连通的以下部件：螺旋桨12，通过所述螺旋桨推进环境空气；用于对空气加压的压缩机区段14；燃烧器16，在燃烧器16中，压缩空气与燃料混合并且被点燃用于生成环形热燃烧气体流；以及用于从燃烧气体提取能量的涡轮机区段18。低压筒管（lowpressurespool）由低压轴20和低压涡轮机26构成。低压轴驱动螺旋桨12。高压筒管由附接到高压轴28的高压涡轮机24构成，高压轴28连接到压缩机区段14。轴事件可以在在低压涡轮机26和螺旋桨12之间沿着低压轴20的任何点22处发生并且被检测到。轴事件可以发生在与发动机10相关联的轴的一部分或与螺旋桨12相关联的轴的一部分上。在具有三个筒管（即，低压筒管、高压筒管和动力涡轮机筒管）的发动机配置中，轴事件可以在沿着低压筒管的低压轴或动力涡轮机筒管的动力涡轮机轴的任何点处发生并且被检测到。

发动机10可以用于飞行器或另一类型的车辆。发动机10还可以用于工业用途和/或船舶用途，诸如用于船或其他海军应用中。螺旋桨12可以用于固定翼飞行器或旋翼飞行器（诸如直升机）的主（或尾）旋翼。螺旋桨12包括毂13以及从毂13径向延伸的一个或多个叶片15。叶片15均可围绕其自己的径向轴线旋转通过多个叶片角度，可以改变所述叶片角度以实现若干操作模式，诸如顺桨、完全反向和向前推力。螺旋桨12的叶片角度（在本文中也称为叶片桨距）可以由螺旋桨控制器控制。

如本文中所提及的，调整叶片桨距以使螺旋桨12“顺桨”是指将螺旋桨12的叶片15引导到顺桨位置。在顺桨位置中，叶片桨距被定位在存在最大旋转阻力和最小向前阻力的位置处。可以例如在发动机启动之后、在发动机在地面上或飞行中关闭之前和/或在起飞阶段期间发动机故障时实施将螺旋桨叶片桨距控制到顺桨位置。对螺旋桨12的“逆桨”或“逆桨化”的提及是指将螺旋桨12的叶片15引导离开顺桨位置，使得叶片15从“粗略”的叶片桨距（即大致平行于气流（即，具有低向前阻力和高扭矩））到其中叶片15大幅削减周围空气的“精细”（即，螺旋桨的增加的动力吸收以及减小的扭矩）叶片桨距。

现在参考图2，示出了用于控制发动机10和螺旋桨12的各种控制系统的示例性实施例。发动机控制器200可操作地连接到发动机10。各种传感器向发动机控制器200提供测量结果，并且发动机控制器200通过调整一系列致动器和阀来作出响应。例如，发动机每分钟转数（rpm）由曲轴位置传感器或另一类型的传感器监测，并且发动机控制器200被配置成根据所请求的发动机速度响应于所测量的rpm来打开和关闭一个或多个燃料阀以添加或去除发动机燃料。所属领域的技术人员将容易理解发动机控制器200的其他传感器和控制功能。

螺旋桨控制器202耦接到用于控制螺旋桨12的叶片15的角度的桨距改变机构206。螺旋桨控制器202通过叶片角度变化对所请求的螺旋桨速度的变化和/或另一螺旋桨命令作出响应。螺旋桨控制器202感测螺旋桨速度并且指示桨距改变机构206改变叶片角度以调整扭矩吸收、并且因此调整螺旋桨速度。

螺旋桨控制器202和发动机控制器200通信地连接以便交换信息，诸如各种传感器测量结果以及其他发动机和/或螺旋桨数据。虽然被示出为单独的，但是发动机控制器200和螺旋桨控制器202可以设置为单个组合单元。

在一些实施例中，轴剪切检测逻辑204设置在发动机控制器上。轴剪切检测逻辑204可以替代地设置在螺旋桨控制器202上，或者与发动机控制器200和螺旋桨控制器202两者分开。轴剪切检测逻辑204被配置成用于检测轴事件，诸如燃气涡轮发动机（诸如发动机10）的轴剪切、轴解耦和/或轴故障。在一些实施例中，轴剪切检测逻辑204使用发动机扭矩或螺旋桨扭矩作为用于检测轴事件的条件中的一者。例如，在一些实施例中，轴剪切检测逻辑根据在美国专利申请公布no.2018/0045071中描述的方法和系统来配置，所述美国专利申请公布的内容在此以引用方式并入。如此，使用扭矩检测阈值作为轴剪切检测逻辑的一部分。在检测到轴剪切事件时，可以提供各种调节，诸如关闭发动机或减少发动机燃料流量。

根据本文中所描述的实施例，提供逆桨逻辑208以在螺旋桨逆桨期间避免来自轴剪切检测逻辑204的假性调节，所述假性调节可以在螺旋桨逆桨过程期间扭矩下降到扭矩检测阈值以下时发生。虽然被示出为螺旋桨控制器202的一部分，但是逆桨逻辑208还可以设置在发动机控制器200中，或者与发动机控制器200和螺旋桨控制器202两者分开。在一些实施例中，逆桨逻辑208设置为轴剪切检测逻辑204的一部分。

参考图3，示出了采用如由发动机控制器200、螺旋桨控制器202或被配置成用于实施方法300的步骤的另一计算设备实施的逆桨逻辑208的示例性方法300。在步骤302处，检测螺旋桨的逆桨命令。在一些实施例中，从飞行器的驾驶舱或飞行甲板接收逆桨命令，作为来自飞行员或另一飞行器操作者的开/关输入。逆桨命令可以直接在螺旋桨控制器202处接收，或者经由发动机控制器200或飞行器控制器（未示出）接收。

在步骤304处，响应于检测到用于使螺旋桨12逆桨的命令禁止轴剪切检测逻辑204。在一些实施例中，禁止轴剪切检测逻辑204是指停用逻辑204，以防止对轴剪切事件的任何检测。在一些实施例中，禁止轴剪切检测逻辑204是指暂停逻辑204，例如在其中轴剪切检测逻辑204是在发动机10运行时始终循环运行的脚本的情况下。在一些实施例中，禁止轴剪切检测逻辑204是指降低用作检测逻辑204的一部分的扭矩检测阈值或另一阈值。所属领域的技术人员将容易理解可以禁止轴剪切检测逻辑204的其他方式。禁止命令可以从逆桨逻辑208发送到轴剪切检测逻辑204。禁止命令可以经由有线或无线连接从螺旋桨控制器202传输到发动机控制器200。在一些实施例中，禁止命令经由航空电子数据总线使用航空无线电公司（arinc）技术标准发送。还可以使用其他数据传送标准。

在一些实施例中，方法300包括限制燃气涡轮发动机（诸如发动机10）的气体发生器速度的步骤306。速度限值可以是预先确定的并且被选择为发动机10在没有轴剪切检测逻辑204的情况下运行的“安全”速度。这样做是为了最小化与在螺旋桨逆桨过程期间禁止轴剪切检测逻辑204相关联的风险。替代地，在没有步骤306的情况下实施方法300。应注意，根据一些实施例，步骤306可以与步骤304同时发生，或者在步骤304之前发生。

在步骤308处，由逆桨逻辑208检测螺旋桨的逆桨的完成。在步骤310处，响应于检测到逆桨过程的完成启用轴剪切检测逻辑204。在此上下文中，“启用”应理解为是指废除或终止在步骤304处实施的任何类型的禁止。轴剪切检测逻辑204的启用可以分别通过螺旋桨控制器202和发动机控制器200或者独立于其按从逆桨逻辑208传输到轴剪切检测逻辑204的命令的形式出现。

如果在禁止轴剪切检测逻辑204的同时以限制气体发生器速度306的步骤306实施方法300，则去除对气体发生器速度的限制的步骤312可以在响应于检测到螺旋桨逆桨308的完成启用轴剪切检测逻辑310的步骤310之后或与其同时实施。

根据步骤308，可以使用各种技术来确认逆桨过程的完成。在接收到逆桨命令时，使用至少一个条件来检测逆桨的完成。在一些实施例中，使用螺旋桨12的叶片角度或叶片桨距实施检测逆桨过程的完成。当叶片角度达到预先确定的叶片角度阈值时，逆桨逻辑在步骤308处确认逆桨过程的完成，并且方法300移动到步骤310。

在一些实施例中，使用时间阈值来确认逆桨过程的完成。例如，在接收到逆桨命令时启动计时器，并且在计时器达到时间阈值时检测逆桨过程的完成。

在一些实施例中，使用两个或更多个条件来确认逆桨过程的完成。参考图4，示出了曲线图400，其表示使用两个条件检测螺旋桨逆桨的完成的实施例。曲线图400的顶部部分表示螺旋桨随时间的速度。曲线402是实际螺旋桨速度，曲线404是所请求或所命令的螺旋桨速度。第一条件对应于实际螺旋桨速度402大于或等于所请求的螺旋桨速度404。因此，使用所请求的螺旋桨速度404作为要满足的第一条件的速度阈值。如曲线图400的示例中所示，这发生在时间t2处。

曲线图400的底部部分示出了随时间的螺旋桨扭矩。曲线406表示实际螺旋桨扭矩，曲线408表示轴剪切检测阈值。第二条件对应于螺旋桨扭矩406高于最小阈值，诸如轴剪切检测阈值408。第二条件发生在时间t1处，时间t1在时间t2之前。因此，在此实施例中，仅当满足第一条件和第二条件两者时才在时间t2处检测到螺旋桨逆桨过程的完成。

在一些实施例中，第一条件的速度阈值对应于所请求的螺旋桨速度+/-增量值，以考虑螺旋桨满足所请求的速度的精度。所述增量值可以根据螺旋桨设计从螺旋桨的规格确定。

应注意，还在时间t3之前的任何时间满足对应于螺旋桨扭矩的第二条件。然而，在时间t3和时间t1之间不再满足所述条件。如果在时间t3和t1之间满足第一条件，则将在时间t1处检测到完成。在一些实施例中，将用于第一条件的速度阈值设置为已知仅在螺旋桨扭矩已经下降到剪切检测阈值以下之后才由螺旋桨获得的值，以便避免其中在时间t3之前满足第一条件和第二条件两者并且发生对螺旋桨逆桨的错误检测的情况。

图5是使用两个条件检测逆桨过程的完成的另一示例性实施例的曲线图500。在此示例中，第一条件由螺旋桨12的叶片角度代替。曲线502表示螺旋桨的叶片角度，曲线504表示角度阈值。当叶片角度达到角度阈值时，在时间t2处满足第一条件。一旦获得所命令的速度，螺旋桨的叶片角度便从精细（或低）角度转变到较粗略（或较高）角度。第二条件仍然是螺旋桨扭矩，并且在时间t1处满足，时间t1在时间t2之前发生。在此实施例中，在时间t2处满足两个条件，这是检测到逆桨过程的完成的时候。

图6是使用两个条件检测逆桨过程的完成的另一示例性实施例的曲线图600。在此示例中，第一条件由螺旋桨速度的变化率（即，np-dot）代替。曲线602表示螺旋桨速度的变化率，曲线604表示变化率阈值。当螺旋桨速度的变化率602沿向下方向与变化率阈值604相交时，在时间t1处满足第一条件。在螺旋桨逆桨序列完成时，螺旋桨速度的变化率预期降低。第二条件仍然是螺旋桨扭矩，并且在时间t2处满足，时间t2在时间t1之后发生。在此实施例中，在时间t2处满足两个条件，这是检测到逆桨过程的完成的时候。

图7是使用两个条件检测逆桨过程的完成的又另一示例性实施例的曲线图700。在此示例中，第一条件由螺旋桨扭矩的变化率（即，q-dot）代替。曲线702表示螺旋桨扭矩的变化率。当螺旋桨扭矩的变化率702通过与曲线图700的水平轴线相交而从负转变为正时满足第一条件。在时间t1处满足第一条件。第二条件仍然是螺旋桨扭矩，并且在时间t2处满足，所述时间t2在时间t1之后发生。在此实施例中，在时间t2处满足两个条件，这是检测到逆桨过程的完成的时候。

在一些实施例中，诸如在图4至图7中示出的实施例中，使用计时器替代扭矩阈值作为第二条件。例如，在接收到逆桨命令时启动设置为45秒的计时器，并且在所述计时器达到45秒时满足第二条件。在也满足第一条件时，检测到逆桨过程的完成。应注意，仅使用45秒作为示出所述概念的任意值。其他值也可以适用。

应理解的是，可以使用各种实施例来检测逆桨过程的完成。在一些实施例中，一旦逆桨完成，便使用与扭矩相关的第二条件来启用轴剪切检测逻辑，并且因此，仅使用第一条件来检测逆桨的完成。另外，检测逆桨过程的完成可以用于除禁止轴剪切检测逻辑以外的不需要最小扭矩的应用。如此，用于图4至图7中的第一条件的示例中的任一者可以单独使用，而无需通过第二条件来补充。

逆桨逻辑208可以以各种方式来实现，诸如以处理器上的软件、可编程芯片上的软件、专用集成芯片(asic)上的软件、或作为硬件电路来实现。在一些实施例中，逆桨逻辑208在位于电子发动机控制器（eec）或发动机控制单元（ecu）内部的专用电路板上的硬件中实现。eec或ecu可以设置为飞行器的全权数字发动机控制（fadec）的一部分。在一些情况下，可以使用处理器来将信息传达到电路。在其它实施例中，逆桨逻辑208在数字处理器中实现。

在图8中示出用于实现逆桨逻辑208的计算系统800的示例性实施例。计算设备800除其他之外还可以包括处理单元802以及其中存储有计算机可执行指令806的存储器804。处理单元802可以包括被配置成致使实施一系列步骤以便实现方法300的任何合适设备，使得指令806在由计算设备800或其他可编程装置执行时可以致使执行本文中所描述的方法中指定的功能/动作/步骤。处理单元802可以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、现场可编程门阵列（fpga）、可重新配置的处理器、其他合适编程或可编程逻辑电路或其任何组合。

存储器804可以包括任何合适机器可读存储介质。存储器804可以包括非暂时性计算机可读存储介质，诸如例如但不限于电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、装置或设备或者前述介质的任何合适组合。存储器804可以包括位于设备800内部或外部的任何类型的计算机存储器的合适组合，诸如例如，随机存取存储器（ram）、只读存储器（rom）、压缩光盘只读存储器（cdrom）、电光存储器、磁光存储器、可擦除可编程只读存储器（eprom）以及电可擦除可编程只读存储器（eeprom）、铁电ram（fram）等等。存储器可以包括适于可检索地存储可由处理单元执行的机器可读指令的任何存储装置（例如，设备）。

本文中所描述的逆桨逻辑208可以用高级过程或面向对象的编程或脚本语言或者其组合实现，以便与计算机系统（例如计算设备800）通信或辅助其操作。替代地，逆桨逻辑208可以用汇编语言或机器语言实现。所述语言可以是经编译或经解释的语言。用于实现逆桨逻辑208的程序代码可以存储在存储介质或设备上，例如rom、磁盘、光盘、闪存驱动器或者任何其他合适的存储介质或设备。所述程序代码可以由通用或专用可编程计算机读取以用于在所述存储介质或设备由计算机读取以实施本文中所描述的过程时配置和操作计算机。逆桨逻辑208的实施例还可以视为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实现。所述计算机程序可以包括计算机可读指令，所述计算机可读指令致使计算机、或者更具体地致使计算设备800的处理单元802按特定和预先限定的方式操作以实施本文中所描述的功能。

计算机可执行的指令可以呈许多形式，包括由一个或多个计算机或其他设备执行的程序模块。通常，程序模块包括实施特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。通常，在各种实施例中，程序模块的功能可以根据需要被组合或分布。

用于检测轴事件的方法和系统的各种方面可以单独使用、组合使用或者按未在前述内容中描述的实施例中具体论述的多种布置结构使用，并且因此其应用并不限于在前述描述中所阐述或附图中所示出的部件的细节和布置结构。例如，在一个实施例中描述的方面可以按任何方式与在其他实施例中描述的方面组合。虽然已经示出和描述了特定实施例，但是对所属领域的技术人员将显而易见的是，可以在不背离本发明的更广泛方面的情况下作出改变和修改。以下权利要求书的范围不应受到在示例中阐述的实施例的限制，而是应该被给予与整个说明书一致的最广泛的合理解释。