BR102016024251A2

BR102016024251A2 - Method of programming of impulse for gas turbine engine

Info

Publication number: BR102016024251A2
Application number: BR102016024251-7A
Authority: BR
Inventors: Lu Manxue; Anthony Hamel Jeffrey
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2015-10-19
Filing date: 2016-10-18
Publication date: 2017-07-18
Also published as: US20170107914A1; CA2944460A1; CN107023405B; EP3159523B1; US9771878B2; JP2017078421A; EP3159523A1; CN107023405A

Abstract

trata-se de um método de programação de impulso para um motor de turbina a gás que inclui uma pluralidade de pás que têm um ângulo beta de arfagem variável. o método pode incluir receber, em um sistema de controle, pelo menos uma admissão de condição de um respectivo sensor; receber, em um sistema de controle, uma velocidade de eixo de baixa pressão de um sensor de velocidade de eixo de baixa pressão; receber um comando de controle de um controle de motor digital de autoridade total (fadec) no sistema de controle; gerar uma referência de base de velocidade de eixo de baixa pressão a partir de uma primeira lógica de programação no sistema de controle com base na pelo menos uma admissão de condição recebida e no comando de controle recebido; gerar uma referência de base de ângulo beta a partir de uma segunda lógica de programação da pelo menos uma admissão de condição recebida, da velocidade de eixo de baixa pressão e do comando de controle recebido; e suprir a referência de base de velocidade de eixo de baixa pressão e a referência de base de ângulo beta a um sistema de controle de motor, em que o sistema de controle de motor ajusta pelo menos o ângulo de arfagem da pluralidade de pás de ventilador ou um fluxo de combustível ao motor.

Description

“MÉTODO DE PROGRAMAÇÃO DE IMPULSO PARA MOTOR DE TURBINA A GÁS” Campo da Invenção [001] A presente revelação diz respeito a um sistema de controle para motores de ventilador de arfagem variável e motores de turboeixo e turbo propulsor.

Antecedentes da Invenção [002] Em alguns motores de ventilador (também conhecidos como motores do tipo “propfan”), o eixo geométrico do propulsor de hélice é paralelo ao eixo geométrico do motor a gás ou coaxial com o mesmo. Tipicamente, em um motor de turbopropulsor de turboeixo, o eixo geométrico de um ou mais propulsores será perpendicular ao eixo geométrico do motor a gás. Em ambas as configurações, o ventilador ou propulsor pode ter uma arfagem fixada ou uma arfagem variável. Se a arfagem for variável, o motor também pode ter um mecanismo de mudança de arfagem (PCM) dedicado. A velocidade de propulsor (Nx) é proporcional à velocidade de eixo de turbina de potência (Np) de motor a gás por meio de uma transformação de conjunto de engrenagens mecânica pura, ou seja, Nx = Kgb * Np, em que Kgb é uma constante que representa a razão de engrenagem. O controle da velocidade de propulsor, Nx, é equivalente ao controle da velocidade de turbina de potência, Np. O desafio primário é coordenar o controle da velocidade de propulsor (Nx) ou a velocidade de turbina de potência (Np) (indicadas genericamente como Nx devido à sua relação uma com a outra), a velocidade de eixo de HP (N2), e qualquer ângulo de arfagem de PCM enquanto mantém um conjunto de restrições ativas incluindo, porém, sem limitação, pressão de núcleo (Px), temperatura de escape (T), taxa de velocidade de núcleo (N2dot), e/ou torque (Tq) para permanecer com limites definidos, enquanto rejeita distúrbios externos incluindo, porém, sem limitação, mudança de carga e/ou perturbações conhecidas internas incluindo, porém, sem limitação, válvulas de escape variáveis e aletas de estator variáveis. O desafio inclui dois aspectos importantes, um é qual sistema de controle deve ser projetado para realizar os objetivos de controle de coordenada, o outro é quais referências de controle devem ser programadas para o sistema de controle para seguir e alcançar os objetivos de controle esperados.

[003] Permanece uma necessidade de um método de programação de referência de controle sistemático para fornecer referências de coordenada para um motor de ventilador de arfagem variável ou um turboeixo, sistema de controle de motor de turbo propulsor.

Descrição Resumida da Invenção [004] Aspectos e vantagens da invenção serão apresentados em parte na descrição a seguir, ou podem ser óbvios a partir da descrição, ou podem ser aprendidos através da prática da invenção.

[005] Em geral, é fornecido um método de programação de impulso para um motor de turbina a gás que inclui uma pluralidade de pás que têm um ângulo beta de arfagem variável. Em uma realização, o método inclui receber, em um sistema de controle, pelo menos uma admissão de condição de um respectivo sensor; receber, em um sistema de controle, uma velocidade de eixo de baixa pressão de um sensor de velocidade de eixo de baixa pressão; receber um comando de controle de um controle de motor digital de autoridade total (FADEC) no sistema de controle; gerar uma referência de base de velocidade de eixo de baixa pressão a partir de uma primeira lógica de programação no sistema de controle com base na pelo menos uma admissão de condição recebida e no comando de controle recebido; gerar uma referência de base de ângulo beta a partir de uma segunda lógica de programação da pelo menos uma admissão de condição recebida, da velocidade de eixo de baixa pressão e do comando de controle recebido; e suprir a referência de base de velocidade de eixo de baixa pressão e a referência de base de ângulo beta a um sistema de controle de motor, em que o sistema de controle de motor ajusta pelo menos o ângulo de arfagem da pluralidade de pás de ventilador ou um fluxo de combustível ao motor.

[006] Esses e outros aspectos, funções e vantagens da presente invenção se tornarão mais bem compreendidos com referência à descrição a seguir e às reivindicações anexas. Os desenhos anexos, que são incorporados e constituem uma parte deste relatório descritivo, ilustram realizações da invenção e, juntamente com a descrição, servem para explicar os princípios da invenção.

Breve Descrição das Figuras [007] Uma revelação completa e viabilizadora da presente invenção, que inclui o melhor modo da mesma, destinada a uma pessoa de habilidade comum na técnica, é apresentada no relatório descritivo, que faz referência às Figuras anexas.

[008] A Figura 1 é uma vista em corte transversal de um motor de turboélice de turboeixo exemplificador.

[009] A Figura 2A é uma representação de diagrama de blocos de uma arquitetura de controle primário para um motor de ventilador de arfagem variável ou um motor de turboélice de turboeixo para uma aeronave em voo.

[010] A Figura 2B é uma representação de diagrama de blocos de uma arquitetura de controle primário para uma aleta de orientação externa de arfagem variável para um motor de turboélice de turboeixo para uma aeronave em voo.

[011] A Figura 3 ilustra soluções de ângulo de arfagem para frente e reverso para uma dada combinação de Nx e N2.

[012] A Figura 4 é uma programação de gerenciamento de potência proposta exemplificadora para um motor de ventilador de arfagem variável.

[013] A Figura 5 é uma programação exemplificadora da N2Ref de admissão de base suprida para a formação de N2Ref.

[014] A Figura 6 é uma programação exemplificadora da NxRef de admissão de base suprida para a formação de NxRef.

[015] A Figura 7A mostra a programação do B_Ref_Base de admissão de base suprida ao servocontrole de BetaP dependendo do sinal de impulso para frente ou reverso.

[016] A Figura 7B mostra a programação do dBeta suprido ao servocontrole de BetaP no impulso para frente.

[017] A Figura 7C mostra a programação do dBeta suprido ao servocontrole de BetaP no impulso reverso.

[018] A Figura 7D mostra a programação do dBeta suprido ao servocontrole de BetaP no modo de taxiagem terrestre.

[019] A Figura 8 mostra a programação do OGV Ref Base de admissão de base suprido ao servocontrole de OGV.

[020] A Figura 9A mostra a programação do sinal de dv2dot no impulso para frente.

[021] A Figura 9B mostra a programação do sinal de dv2dot no impulso reverso, fase 1.

[022] A Figura 9C mostra a programação do sinal de dv2dot no impulso reverso, fase 2.

[023] O uso repetido de caracteres de referência no presente relatório descritivo e nas figuras tem como objetivo representar as funções e os elementos iguais ou análogos da presente invenção.

Descrição Detalhada da Invenção [024] Agora, será feita referência em detalhes às realizações da invenção, das quais um ou mais exemplos são ilustrados nas figuras. Cada exemplo é fornecido a título de explicação da invenção, e não como limitação da invenção. De fato, ficará evidente para aqueles versados na técnica que várias modificações e variações podem ser feitas na presente invenção sem se afastar do escopo ou espírito da invenção. Por exemplo, as funções ilustradas ou descritas como parte de uma realização podem ser usadas com outra realização para proporcionar ainda outra realização. Portanto, a presente invenção se destina a abranger tais modificações e variações, conforme incluídas no escopo das reivindicações anexas e nos equivalentes das mesmas.

[025] Conforme usado no presente documento, os termos “primeiro”, “segundo” e “terceiro” podem ser usados alternadamente para distinguir um componente do outro e não se destinam a significar uma localização ou uma importância dos componentes individuais.

[026] Os termos “a montante” e “a jusante” se referem ao sentido relativo em relação ao fluxo de fluido em uma trajetória de fluido. Por exemplo, “a montante” se refere ao sentido a partir do qual o fluido flui, e “a jusante” se refere ao sentido para o qual o fluido flui.

[027] A presente revelação fornece um conjunto de referências de base e referências transientes a um sistema de controle em que o ventilador ou propulsor (propulsor de hélice) e o motor a gás são tratados como uma única fábrica controlada. A arquitetura de sistema de controle inclui todas as saídas e restrições a serem controladas, considera rejeição de perturbações conhecidas e é robusta às mudanças drásticas nas referências. Consequentemente, a presente revelação fornece uma solução de programação de impulso sistemático e coordenado para o controle de motores de ventilador de arfagem variável e turboeixo, motores de turbo propulsor, seja com duto ou sem duto.

[028] Um método de programação de impulso é geralmente fornecido no presente documento para motores de ventilador de arfagem variável e turboeixo e/ou arquiteturas de motor de turbo propulsor que emprega um propulsor de arfagem variável. Em geral, o método de programação de impulso usa o sinal do ângulo de pá de rotor para diferenciar o impulso para frente do impulso reverso; usa a velocidade de motor e velocidade de rotor em conjunto com o ângulo beta para programar o nível de impulso; usa programações e lógica transientes originais para antecipar as mudanças comandadas ou não comandadas em diferentes modos operacionais e compensar as mudanças de modo que as velocidades possam alcançar transientes mais suaves e mais rápidos enquanto intensifica a eficiência de sistema; usa a velocidade de rotor e ângulo de arfagem de pá em coordenação com a velocidade de motor para obter a redução de SFC; e/ou programa as geometrias variáveis de motor para coordenar com a velocidade de motor, pressão e temperatura para garantir a operabilidade e proteção de limites de motor. Desse modo, o método de programação de impulso pode permitir amplas aplicações para operação de motor mais eficiente para atender às exigências de desempenho.

[029] Em uma realização, o método de programação de impulso é baseado em velocidade de núcleo de motor, velocidade de propulsor e o ângulo de arfagem de ventilador. O método pode fornecer referências de controle coordenado para o sistema de controle para controlar o impulso e operabilidade de modo coordenado, enquanto alcança a eficiência ideal de sistema. Utilizando-se um sensor de temperatura de entrada (TEntrada) e um sensor de ângulo beta (B1), o sistema de programação de impulso pode permitir que o sistema de controle alcance eficiência e simplicidade ideais. Adicionalmente, o presente método pode fornecer ação de antecipação coordenada e programações transientes para o sistema de controle para antecipar as mudanças comandadas ou não comandadas em diferentes modos operacionais e compensar as mudanças de modo que as velocidades possam alcançar transientes mais suaves e mais rápidos enquanto intensificam a eficiência de sistema. Por fim, o presente método pode fornecer uma programação coordenada para redução de ruído programando-se o ângulo de arfagem de aleta de orientação de saída (OGV) para coordenar com o ângulo de arfagem de rotor e velocidade de rotor de modo que o ruído seja minimizado, particularmente durante as fases de decolagem e aterrissagem.

[030] Em uma realização, visto que dois ângulos de arfagem diferentes (um para impulso para frente e um para impulso reverso) ajustados na mesma velocidade de propulsor (ou velocidade de motor) são usados para diferenciar o impulso para frente da dianteira reversa, o ângulo de arfagem é especificado com dois valores distintos, respectivamente, (1) especifica a direção dianteira de ângulo de arfagem: + ângulo beta para indicação de impulso para frente; e (2) direção reversa: - ângulo beta para indicação de impulso reverso.

[031] Em uma realização, o presente método programa o valor de velocidade de motor (N2), velocidade de rotor (Nx), e ângulo de arfagem (Beta_Prop) para mapear o impulso solicitado em relação às diferentes temperaturas de entrada (Tentrada): maior Np-> maior impulso, conforme mostrado nas Figuras 3 e 4. Adicionalmente, o presente método também pode programar o ângulo de arfagem (Beta_Prop) para coordenar com a velocidade de rotor para atender a mesma solicitação de impulso, mas resulta em menor coeficiente de combustível específico (SFC) visto que Beta menor induz a Nx maior & menos arrasto.

[032] Sendo assim, os sistemas de controle incluem detecção de ângulo de pá (Beta) por meio de sensores de ângulo de modo que o motor possa responder de modo mais rápido e eficiente às admissões de ângulo de aceleração. Em uma realização, dois sensores são utilizados para detectar o ângulo da pá de rotor (Beta 1) e o ângulo da aleta de orientação externa (OGV) (Beta 2), enquanto outras realizações precisam somente do ângulo de rotor visto que a OGV não está presente. Para programar o impulso para frente, reverso e ocioso, o sistema de controle exige torque, velocidade, pressão, temperatura e sensores de ângulo. Um resumo da configuração de sensor para o controle de motor é resumido abaixo na Figura 1.

[033] A Figura 1 mostra uma vista em corte transversal de uma realização exemplificativa de um sistema de produção de empuxo não canalizado 1000. Conforme é visto na Figura 1, o sistema de produção de empuxo não canalizado 1000 assume a forma de um sistema de propulsão de rotor aberto e tem um elemento giratório 1020 mostrado como um conjunto de propulsor que inclui um arranjo de pás de aerofólio 1021 ao redor de um eixo geométrico longitudinal central 1011 do sistema de produção de empuxo não canalizado 1000. As pás 1021 são dispostas em relação tipicamente espaçada de modo igual ao redor do eixo geométrico longitudinal central 1011, e cada pá 1021 tem uma raiz 1023 e uma ponta 1024 e uma envergadura definida entre as mesmas. As configurações de motor à esquerda ou à direita podem ser alcançadas refletindo-se às pás 1021 (e aletas 1031 discutidas abaixo). Como alternativa, uma caixa de engrenagem de reversão opcional (localizada dentro ou atrás da turbina 1050 ou combinada ou associada com caixa de engrenagem de potência 1060) permite que um gerador de gás comum e turbina de baixa pressão sejam usados para girar as pás de ventilador tanto em sentido horário como anti-horário, isto é, para fornecer tanto configurações à esquerda como à direita, conforme desejado, tal como fornecer um par de conjuntos de motor giratórios de maneira oposta conforme pode ser desejado para determinadas instalações de aeronave. O sistema de produção de empuxo não canalizado 1010 na realização mostrada na Figura 1 também inclui um acionamento integral (caixa de engrenagem de transmissão de potência) 1060 que pode incluir um jogo de engrenagens para diminuir a velocidade rotacional do conjunto de propulsor relativo ao motor 1050.

[034] Por questões de referência, a Figura 1 também mostra uma direção de avanço denotada com a seta F que, por sua vez, define as porções à frente e atrás do sistema. Conforme mostrado na Figura 1, o elemento giratório 1020 em uma configuração “arrastadora” é localizado à frente do alojamento 1040, enquanto o escapamento 1080 é localizado atrás do elemento estacionário 1030. O alojamento 1040 geralmente inclui um motor de turbina a gás ou outro motor configurado para fornecer energia suficiente para girar os elementos giratórios 1020 para criar empuxo.

[035] O sistema de produção de empuxo não canalizado 1000 também inclui, na realização exemplificativa, um elemento estacionário não giratório 1030 que inclui um arranjo de pás 1031 também dispostas ao redor do eixo geométrico central 1011, e cada pá 1031 tem uma raiz 1033 e uma ponta 1034 e uma distância definida entre as mesmas. Essas aletas podem ser dispostas de modo que as mesmas não sejam todas equidistantes do conjunto giratório, e podem incluir, opcionalmente, um invólucro ou duto anular (não mostrado) distalmente do eixo geométrico 1011 (conforme mostrado na Figura 1011) ou podem ser sem invólucro. Essas aletas 1031 são montadas em uma armação estacionária e não giram em relação ao eixo geométrico central 1011, mas podem incluir um mecanismo para ajustar a orientação das mesmas em relação ao eixo geométrico das mesmas e/ou em relação às pás 1021.

[036] Em operação, as pás giratórias 1021 são acionadas pela turbina de baixa pressão 1057 por meio de caixa de engrenagens 1060 de modo que as mesmas girem em torno do eixo geométrico 1011 e gerem impulso para impelir o sistema de produção de impulso sem duto 1000, e, portanto, uma aeronave à qual o mesmo é associado, na direção dianteira F. A velocidade de propulsor, ou velocidade de eixo de baixa pressão, (N1) de rotação das pás 1021 é medida pelo sensor (N1), no eixo de baixa pressão 1051.

[037] Cada um dos conjuntos de pás 1021 e aletas 1031 incorporem um mecanismo de mudança de arfagem de modo que as pás possam ser giradas em relação a um eixo geométrico de rotação de arfagem tanto de modo independente como um em conjunto com o outro. Tal mudança de arfagem pode ser utilizada para variar efeitos de empuxo e/ou torvelinho sob várias condições de operação, incluindo fornecer um recurso de reversão de empuxo que pode ser utilizável em determinadas condições operacionais tais como mediante aterrissagem de uma aeronave. O ângulo de arfagem, ou ângulo beta, das pás 1021 é medido pelo sensor de ângulo beta (B1), e o ângulo de arfagem, ou ângulo beta, das aletas 1031 é medido pelo sensor de ângulo beta (B2).

[038] As aletas 1031 são dimensionadas, conformadas e configuradas para conferir um torvelinho contrário ao fluido de modo que, em uma direção a jusante atrás de ambas as fileiras de pás, o fluido tenha um grau bastante reduzido de torvelinho, que translada para um nível aumentado de eficiência induzida. As aletas 1031 podem ter uma envergadura mais curta do que as pás 1021, conforme mostrado na Figura 1, por exemplo, 50% da envergadura das pás 1021, ou podem ter uma envergadura mais longa ou a mesma envergadura das pás 1021 conforme desejado. As aletas 1031 podem ser fixadas em uma estrutura de aeronave associada ao sistema de propulsão, conforme mostrado na Figura 1, ou outra estrutura de aeronave tal como uma asa, pilone ou fuselagem. As aletas 1031 do elemento estacionário podem ser inferiores ou superiores em número, ou iguais em número, ao número de pás 1021 do elemento giratório e tipicamente mais do que dois ou mais do que quatro, em número.

[039] Na realização mostrada na Figura 1, uma entrada 1070 fornece uma trajetória para que o ar atmosférico de chegada entre no alojamento 1040. A temperatura de entrada dentro da entrada é medida pelo sensor de temperatura de entrada (TEntrada), e a pressão de entrada dentro da entrada é medida pelo sensor de pressão de entrada (P2).

[040] A Figura 1 ilustra o que pode ser denominado uma configuração “arrastadora” em que o elemento giratório que gera empuxo 1020 é localizado à frente do alojamento 1040 do motor, em oposição a uma realização de configuração “empurradora” em que o motor de núcleo 1050 é localizado à frente do elemento giratório 1020. O escapamento 1080 é localizado dentro de e atrás tanto do elemento giratório 1020 como o elemento estacionário 1030.

[041] A seleção de configurações “arrastadora” ou “empurradora” pode ser feita em conjunto com a seleção de orientações de montagem em relação à armação de avião da aplicação de aeronave pretendida, e algumas podem ser vantajosas do ponto de vista estrutural ou operacional, dependendo do fato de a localização de montagem e orientação serem configurações montadas em asa, montadas em fuselagem ou montadas em cauda.

[042] A realização da Figura 1 mostra um motor de turbina a gás 1050 que inclui um compressor 1052, um combustor 1054 e uma turbina 1056 que trabalham juntos para girar um eixo de alta pressão 1053 que se estende ao longo do eixo geométrico longitudinal central 1011. Entretanto, em outras realizações, uma turbina de baixa pressão 1057 pode ser utilizada com qualquer gerador de gás posicionado dentro do alojamento 1040 para girar o eixo. A velocidade de eixo, ou velocidade de núcleo, é medida como a velocidade giratória do eixo pelo sensor de velocidade de núcleo N2 do motor de turbina a gás 1050. A temperatura do combustor 1054 é medido pelo sensor de temperatura de combustor T3, e a pressão dentro do combustor 1054 é medida pelo sensor de pressão de combustor P3. A temperatura da turbina de HP é medida pelo sensor de temperatura de turbina de HP T4, e a velocidade da turbina 1054 é medida pelo sensor de velocidade de turbina de HP N3. O torque produzido pela turbina 1056 no eixo é medido no sensor de torque T1. Por fim, uma pressão do escape que sai da turbina 1056 é medida pelo sensor de pressão P9.

[043] Cada um desses sensores está em comunicação com um ou mais controladores pode compreender um computador ou outra unidade de processamento adequada. O controlador pode incluir instruções legíveis por computador adequadas que, quando implantadas, configuram o controlador para realizar várias funções diferentes, tais como receber, transmitir e/ou executar sinais a partir dos sensores. Um computador geralmente inclui um processador(es) e uma memória. O(s) processador(es) pode(m) ser qualquer dispositivo de processamento conhecido. A memória pode incluir qualquer meio ou mídia legível por computador adequado, que inclui, mas não se limita, um RAM, ROM, discos rígidos, pen drives ou outros dispositivos de memória. A memória armazena informações acessíveis por processador(es), inclusive instruções que podem ser executadas por processador(es). As instruções podem ser qualquer conjunto de instruções que, quando executadas pelo(s) processador(es), fazem com que o(s) processador(es) forneça(m) funcionalidade desejada. Por exemplo, as instruções podem ser instruções de software renderizadas em uma forma legível por computador. Quando o software é usado, qualquer programação, scripting, ou outro tipo de linguagem ou combinação de linguagens adequada pode ser usada para implantar os ensinamentos contidos no presente documento. Alternativamente, as instruções podem ser implantadas por lógica com fios ou outro conjunto de circuitos, inclusive, porém, sem limitação, circuitos de aplicação específica. O dispositivo de computação pode incluir uma interface de rede para acessar informações por uma rede. A rede pode incluir uma combinação de redes, tal como rede Wi-Fi, LAN, WAN, a Internet, rede de celular e/ou outra rede adequada e pode incluir qualquer número de ligações de comunicação com ou sem fio. Por exemplo, o dispositivo de computador poderia se comunicar através de uma rede com fio ou sem fio com cada sensor e outros sistemas do motor (por exemplo, o controle de lógica de motor).

[044] A lógica de controle de motor geral, que pode ser executável em um controlador de motor e/ou controle de motor digital de autoridade total (FADEC) 1100 em determinadas realizações, usa a Velocidade de Eixo de Baixa Pressão (N1) e a Velocidade de Eixo de Alta Pressão (N2) em combinação com o torque (T1) e o ângulo beta (B1, B2) para modular o fluxo de combustível (Wf) e programar o impulso. Enquanto sistemas de controle tradicionais utilizam razão de pressão de motor (EPR), a velocidade de eixo de HP (N2) fornece diversas vantagens. O fluxo de combustível correlaciona diretamente ao torque (T1) e à velocidade de eixo de HP (N2 através da dinâmica rotacional de eixo natural de HP, portanto, o fluxo de combustível (Wf) e a relação dinâmica de velocidade de eixo de HP (N2) é explicitamente baseada em física e pode ser facilmente modelada. Por outro lado, a dinâmica de EPR é difícil de modelar visto que a mesma é altamente dependente de condições de trajetória de fluxo a montante e a jusante. Desse modo, EPR não é explicitamente dominado pelo fluxo de combustível.

[045] Um componente do sistema de controle atualmente fornecido é a capacidade de diferenciação entre os impulsos para frente e reverso. Para uma dada velocidade de núcleo (N2) ou velocidade de propulsor (Nx), há duas soluções para o ângulo de arfagem (Beta) de propulsor. Tal solução é para o impulso para frente, e a segunda solução é para o impulso reverso. Para diferenciar entre as duas soluções, o sistema de controle contém sensores de ângulo para detectar o ângulo de arfagem (Beta). A Figura 3 ilustra as soluções de Beta dianteira e reversa para uma dada combinação de N1 e N2. O sistema de gerenciamento de potência usa admissões de ângulo de aceleração para determinar se impulso para frente ou reverso é solicitado, desse modo, determinando desse modo a solução de ângulo beta apropriada para os N1 e N2 programados. Quando o impulso reverso é selecionado, o sinal reverso de aceleração dispara um controle de circuito aberto de circuito servo Beta. O mecanismo de mudança de arfagem usa torque máximo para acionar o Beta que passa a arfagem plana e para o reverso até que o ângulo beta especificado seja atendido. Nesse ponto, o fluxo de combustível de circuito fechado e controle de beta continuam no impulso reverso.

[046] O sistema de programação de impulso utiliza N1, N2, TEntradai PEntrada, medidores de ângulos beta, torque e fluxo de combustível para modular o impulso para satisfazer as admissões de ângulo de aceleração. A temperatura de entrada (TEntrada) fornece informações acerca da condição de voo na qual o sistema de propulsão opera. O sensor de temperatura de entrada (TEntrada) permite que o sistema de programação de impulso programe o Nx para velocidade de ponta ideais para desempenho e acústica em todo o envelope de voo. O sistema de programação de impulso mapeia N2 ao ângulo beta, e desse modo, o impulso, para o Nx correspondente em uma dada condição de voo. Nx é indicado pelo ângulo de aceleração e TEntrada. Beta precisa ser coordenado para mapear ao Nx para maior impulso e menos arrasto, consequentemente, N2 é determinado pelo ângulo de aceleração e Mach e TEntrada e/ou PEntrada para produzir o impulso desejado para o dado Nx e Beta. Um exemplo de uma programação de gerenciamento de potência proposta é mostrado na Figura 4.

[047] O sistema de programação de impulso também usa os limitadores de pressão de combustor (P3), a turbina de HP temperatura (T4), e torque (T1) como restrições para garantir a operabilidade do motor. Durante o modo de decolagem, o torque é a restrição primária. Na operação de alta potência, a turbina de HP temperatura (T4) poderia ser a restrição da maior prioridade para proteger a turbina de HP do sobreaquecimento. Através da descida e do ponto morto, os limitadores de pressão de combustor (P3) podem ser a restrição da maior prioridade para proteger o combustor de incêndio. A velocidade de motor derivada e a velocidade de turbina de potência derivada são programadas como restrições para evitar excessos de velocidade.

[048] A detecção de excesso de velocidade pode utilizar sensores de N1 e N3 para alertar o sistema de controle sobre as possíveis condições de excesso de velocidade. O excesso de velocidade é indicado por uma discrepância da razão de N1 a N3, que são relacionadas através da razão de caixa de engrenagens. Uma vez que uma discrepância é detectada, o fluxo de combustível é cortado para evitar que uma condição de excesso de velocidade ocorra e as pás de rotor sejam movidas à posição de embandeiramento.

[049] O sistema de controle genérico controla o impulso seguindo as referências programadas e mantém a operação de motor dentro das restrições.

[050] Um exemplo do sistema de controle genérico é mostrado abaixo na Figura 2A para uma realização de um motor de ventilador de arfagem variável ou motor de turbopropulsor de turboeixo. As admissões de controle são fluxo de combustível (Wf) 20 do atuador de combustível (integrado ao servocontrole de fluxo de combustível 62) e PCM ângulo de arfagem (BetaP) 22 do atuador de PCM (integrado ao servocontrole de ângulo de arfagem de PCM 64). As outras geometrias variáveis (VG) são consideradas como admissões de perturbação conhecida. Uma das saídas controladas, 24 pode ser tanto a velocidade de propulsor (Nx) como a velocidade de eixo de turbina de potência (N1) baseada na relação Nx = Kgb · Ml e indicada como Nx. Uma segunda saída controlada, 26 pode ser qualquer uma dentre o motor velocidade de núcleo (N2), a razão de pressão de motor (EPR) e o torque de motor (Tq). Para fins de clareza e brevidade, as saídas controladas, 24, 26 apresentadas no presente documento para a fórmula a seguir são Nx (primeira saída controlada 24) e N2 (segunda saída controlada 26). Restrições típicas para a metodologia de controle podem incluir limites mínimo e máximo tais como, porém, sem limitação: limite de pressão mínima (MinPx), limite de pressão máxima (MaxPx), limite de temperatura máxima (MaxT), limite de torque máximo (MaxTq), limite de taxa de velocidade mínima (MinN2dot), e limite de taxa de velocidade máxima (MaxN2dot).

[051] As saídas controladas 24, 26 N2 e Nx formam a base de circuitos de retorno na arquitetura de sistema de controle 10. Esses sinais de retorno são combinados com referências formadas (ou filtradas) indicadas como N2Ref e NxRef. As combinações dos sinais de retorno e as referências formadas N2Ref e NxRef formam sinais de erro de rastreamento. Os sinais de erro de rastreamento podem seguir através de controles de única admissão e única saída (SISO) de rastreamento de referência e ser então combinados com ações de controle de alimentação direta resultantes da contagem dos efeitos de mudanças de carga aerodinâmica nas saídas controladas 24, 26 (Nx e N2).

[052] A Figura 5 mostra a programação do N2Ref de admissão de base 100 suprido para a formação de N2Ref. O N2Ref de admissão de base 100 é formado a partir do ângulo de alavanca de potência (PLA) do comando de piloto, da velocidade da aeronave (Mach) suprida de um sensor de aeronave, pressão de entrada (P2) do sensor de pressão de entrada, e da temperatura de entrada (TEntrada) do sensor de temperatura de entrada. Dependendo das condições operacionais particular, tomadas a partir das admissões, o N2_Ref_Base 102 é calculado de acordo com a programação.

[053] A Figura 6 mostra a programação do NxRef de admissão de base 200 suprido para a formação de NxRef. O NxRef de admissão de base 200 é formado a partir do ângulo de alavanca de potência (PLA) do comando de piloto, da velocidade da aeronave (Mach) suprida de um sensor de aeronave, e da temperatura de entrada (TEntrada) do sensor de temperatura de entrada. Dependendo das condições operacionais particular, tomadas a partir das admissões, o Nx_Ref_Base 202 é calculado de acordo com a programação.

[054] A combinação das saídas de controle de SISO de rastreamento de referência e dos controles de alimentação direta forma as pseudo-admissões 30, 32 (vldot, v2dot). A aplicação de lógica de seleção 48 para selecionar a admissão com mais demanda das pseudo-admissões resulta do controle de desacoplamento de restrição e de um controle de rastreamento de saída controlada. As pseudo-admissões resultantes do controle de desacoplamento de restrição podem substituir pelo menos uma das pseudo-admissões 30, 32 e formar as admissões para o controle de desacoplamento primário 34. A saída do controle de desacoplamento primário forma a base dos comandos de admissão de controle. Os comandos de admissão de controle alimentam o servocontrole de fluxo de combustível 62 e o servocontrole de ângulo de arfagem de PCM 64 junto à fábrica controlada 28 que gera as saídas controladas 24, 26 e restrições controladas 50.

[055] A Figura 7A mostra a programação 500 do B_Ref_Base de admissão de base 502 suprido ao servocontrole de BetaP 64 (isto é, a unidade de controle para ajustar a arfagem das pás 1021 na Figura 1). O B_Ref_Base 502 é calculado com o uso de admissões formadas a partir do ângulo de alavanca de potência (PLA) do comando de piloto, da velocidade da aeronave (Mach) suprida de um sensor de aeronave, e da velocidade de eixo de baixa pressão N1 para ajustar a arfagem das pás de rotor 1021 dependendo do sinal de impulso para frente ou reverso. Nessa programação e nas outras programações, uma correção de temperatura pode ser realizada com base nessas equações: NxC_Ref = Nx_Ref_Base / sqrt (Θ2); em que Θ2 = TEntrada /518.67;

NxC = Nx/ sqrt (Θ2); em que Θ2 = TEntrada /518.67; e N2C = N2 / sqrt (Θ25); em que Θ25 = TdeScarga/518.67, em que Tdescarga é a temperatura de descarga no compressor de HP (após o compressor, antes de entrar no combustor).

[056] De modo similar, a Figura 8 mostra a programação do OGV_Ref_Base de admissão de base 602 suprido ao servocontrole de OGV A Figura2B (isto é, a unidade de controle para ajustar a arfagem das aletas 1031 na Figura 1). O OGV_Ref_Base é calculado com o uso de admissões formadas do ângulo de alavanca de potência (PLA) do comando de piloto, velocidade da aeronave (Mach) suprida de um sensor de aeronave e do ângulo beta da pá de propulsor (B1) para ajustar a arfagem das aletas de OGV 1031 dependendo do sinal de impulso para frente ou reverso.

[057] No impulso para frente e voo em PLA constante, a programação e lógica transiente para gerar dv2dot são usadas para compensação mais rápida de mudanças de Nx não comandadas causadas pelas manipulações de aeronave e/ou ventos cruzados. Nx e N2 são coordenados pelo controle de MIMO de 2x2. A Figura 9A mostra a programação do sinal de dv2dot 302 a partir da lógica 300 calculada com o uso de admissões formadas a partir do ângulo de alavanca de potência (PLA) do comando de piloto, da velocidade da aeronave (Mach) suprida de um sensor de aeronave, e da velocidade de eixo de baixa pressão N1 (que é igual à velocidade de rotor Nx).

[058] No Voo Para Frente entre a fase de início de aterrissagem e impulso reverso, a programação e lógica transiente para gerar dv2dot mostrada na Figura 9A são usadas para resposta de Nx mais rápida resultante das mudanças de NxRef/N2Ref comandadas por PLA. Beta é retirado do Controle 2x2, e controlado diretamente pela combinação de Beta_Ref_Base e dBeta calculados pela programação e lógica transiente de Beta para se preparar para o impulso Reverso. A Figura 7B mostra a programação 500’ do dBeta 502’ suprido ao servocontrole de BetaP 64 no impulso para frente. O dBeta 502’ é calculado com o uso de admissões formadas a partir do ângulo de alavanca de potência (PLA) do comando de piloto, da velocidade da aeronave (Mach) suprida de um sensor de aeronave, e da velocidade de eixo de baixa pressão N1 (que é igual à velocidade de rotor Nx) para ajustar a arfagem das pás de rotor 1021.

[059] No impulso reverso, o motor segue através de pelo menos duas fases. Em uma primeira fase do impulso reverso, Nx segue o NxRef especificado por Nx_Ref_Base, e a programação e lógica transiente 300’ são usados para gerar dv2dot 302’ para compensar a resposta de Nx. A Figura9B mostra a programação 300’ do dv2dot 302’ calculado com o uso de admissões PLA, NxC, NxC Ref e Beta e supridas à admissão de controle de desacoplamento primário 34 na primeira fase de impulso reverso. O Beta é mantido fora do Controle 2x2, e controlado diretamente pela combinação de programações Beta de Beta_Ref__Base na região negativa e dBeta calculada pela programação e lógica transiente de Beta para a primeira fase de impulso reverso. A Figura 7C mostra a programação de 500” do dBeta 502” suprida à admissão de servocontrole de BetaP 64 no impulso para frente. O dBeta 502” é calculado com o uso de admissões a partir do ângulo de alavanca de potência (PLA) do comando de piloto, da velocidade da aeronave (Mach) de um sensor de aeronave, e do ângulo beta de um sensor de ângulo beta. Beta segue através de FFL e 0 a um ângulo beta negativo mínimo.

[060] Na fase de impulso reverso 2, como Comando de PLA de novos NxRef e N2Ref, Beta é colocado de volta ao Controle 2x2. Nx segue o Nx_Ref_Base e programação e lógica transiente são usadas para gerar dv2dot. A Figura 9C mostra a programação do sinal de dv2dot 302” da lógica 300” calculada com o uso de admissões PLA, Mach, NxC, e NxC_ref.

[061] Por fim, na taxiagem terrestre no Comando de PLA, Beta é mantido fora de Controle 2x2, e controlado diretamente pela combinação de Beta_Ref_Base e dBeta calculados pela programação e lógica transiente. Beta_Ref_Base programa Beta na região negativa para impulso reverso ou região positiva para impulso para frente, mas não segue além do limite fino de voo Beta_FFL. A programação e lógica transiente de dBeta é para compensar a resposta de Nx para NxRef, A Figura 7D mostra a programação do dBeta 502”’ suprido ao servocontrole de BetaP 64. O dBeta 502”’ é calculado com o uso de admissões PLA, Nx, Beta, e NxC_ref para ajustar a arfagem das pás de rotor 1021 no modo de taxiagem terrestre.

[062] Observa-se que a admissão 402 suprida por dvldot 400 é opcional, mas seria consistente com a admissão 302 suprida por dv2dot 300 se for aplicado.

[063] A ação de antecipação pode ser tanto: em que k, T, τ podem ter diferentes valores para as ações programadas acima, respectivamente.

[064] Uma fábrica controlada 28 compreende elementos funcionais que representam motores de ventilador de arfagem variável e motores de turboélice e motores de turboeixo.

[065] Consequentemente, métodos de programação de impulso são descritos para o ventilador de arfagem variável, motores de turboeixo e turbo-propulsor. Em uma realização, pelo menos uma admissão de condição é recebida em um sistema de controle (por exemplo, de um respectivo sensor) para geração de referência de base e pelo menos uma medição de saída é recebida em um sistema de controle para programações e lógica transientes. O comando de controle também pode ser recebido no sistema de controle a partir de um controle digital de autoridade total. As referências de base de saídas controladas são geradas e coordenadas com o uso das mesmas admissões de condição operacional principais (por exemplo, uma referência de base de velocidade de eixo de baixa pressão e uma referência de base de velocidade de eixo de alta pressão) e com o uso de algumas medições de saída controlada como admissões (por exemplo, uma referência de base Beta usa a velocidade de eixo de baixa pressão corrigida como admissão). As programações e lógica transientes são geradas com o uso de pelo menos uma saída controlada e sua referência e uma condição operacional como admissões. As programações e lógica transientes são também programadas de acordo com diferentes modos operacionais de um sistema de controle genérico. As referências de base e as programações e lógica transientes são aplicadas a um sistema de controle genérico para controlar os atuadores e regular as saídas.

[066] As admissões de condição podem incluir, porém, sem limitação, a velocidade de aeronave (MACH) a partir de um sensor de velocidade, de uma admissão de temperatura de entrada de motor de um sensor de temperatura de entrada, uma admissão de pressão de entrada de motor de sensor de pressão de entrada, etc.

[067] Em algumas realizações, o motor de turbina a gás pode incluir uma pluralidade de aletas de orientação que têm um ângulo de arfagem variável. Em tais realizações, uma referência de base de aleta de orientação externa pode ser gerada a partir da pelo menos uma admissão de condição recebida e do comando de controle recebido. Adicionalmente, o ângulo de arfagem variável das aletas de orientação externas pode ser ajustado.

[068] O método também pode incluir receber um sinal de fluxo de combustível; receber um sinal de mecanismo de mudança de arfagem; relacionar, em uma fábrica controlada, um ângulo de arfagem de mecanismo de mudança de arfagem (BetaP) de o sinal de mecanismo de mudança de arfagem e um sinal de fluxo de combustível de fluxo de combustível (Wf) a pelo menos duas saídas controladas, em que uma primeira dentre as saídas controladas é tanto a velocidade de propulsor (Nx) como a velocidade de eixo de turbina de potência (N1) e uma segunda dentre as saídas controladas é a velocidade de núcleo de motor (N2), a razão de pressão de motor (EPR) ou o torque de motor (Tq). Por exemplo, o motor de aeronave pode incluir um atuador de mecanismo de mudança de arfagem, de modo que o método inclua adicionalmente receber um sinal de mecanismo de mudança de arfagem e que relaciona na fábrica controlada o ângulo de arfagem de mudança de arfagem (BetaP) a partir do sinal de mecanismo de mudança de arfagem a pelo menos duas saídas controladas, em que uma primeira dentre as saídas controladas é tanto a velocidade de propulsor (Nx) como a velocidade de eixo de turbina de potência (N1) e uma segunda dentre as saídas controladas é a velocidade de núcleo de motor (N2), a razão de pressão de motor (EPR) ou o torque de motor (Tq).

[069] Conforme usado no presente documento, o termo “ângulo Beta” se refere ao ângulo de pá de ventilador, ângulo de pá de rotor, ângulo de pá de compressor, ângulo de pá de propulsor, etc. Ou seja, o termo “ângulo Beta” se refere à arfagem de qualquer pá variável.

[070] Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, inclusive o melhor modo, e também para permitir que qualquer indivíduo versado na técnica pratique a invenção, inclusive que faça e use quaisquer dispositivos ou sistemas e realize quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorrerem àqueles versados na técnica. Tais outros exemplos estão destinados a serem abrangidos pelo escopo das reivindicações caso incluam elementos estruturais que não difiram da linguagem literal das reivindicações ou caso incluam elementos estruturais equivalentes com diferenças não substanciais da linguagem literal das reivindicações.

Lista de Componentes 10 - Arquitetura de sistema de 46 - fábrica de controle desacoplado controle (em voo) 48 - lógica de seleção 12 - Arquitetura de sistema de 50 - restrições de controle controle (no solo ou impulso 52 - erro de rastreamento de reverso) restrição 20 - Wf, fluxo de combustível 54 - referência de restrição 22 - BetaP, ângulo de arfagem de 56 - limites mínimo e máximo PCM 58 - formação de referência de 24 - saída controlada controle 26 - saída controlada 58A - formação de controle de 28 - fábrica referência primária 30-v1dot 58B - formação de referência de 32 - v2dot controle de restrição 34 - controle de desacoplamento 60 - mudanças na carga primário aerodinâmica 36 - referência BetaP 62 - servocontrole de fluxo de 38 - u2dot combustível 40 - Rastreamento de N2 102. motor 42 - Rastreamento de Nx 104. motor 44 - Controle de desacoplamento de 110 - sistema de controle de motor restrição único 112 - sistema de controle de motor único 114 - regulador de sincronização de fase de velocidade 116 - fase de velocidade de propulsor 118 - fase de velocidade de propulsor 120 - sinal de fase filtrado 122 - sinal de fase filtrado 124 - diferença dos sinais de fase de velocidade 126 - referência de diferença de fase 128 - erro de diferença de fase Reivindicações

Claims

1. MÉTODO DE PROGRAMAÇÃO DE IMPULSO PARA MOTOR DE TURBINA A GÁS que inclui uma pluralidade de pás que têm um ângulo beta de arfagem variável, caracterizado pelo fato de que o método compreende: receber, em um sistema de controle, pelo menos uma admissão de condição de um respectivo sensor; receber, em um sistema de controle, uma velocidade de eixo de baixa pressão de um sensor de velocidade de eixo de baixa pressão; receber um comando de controle de um controle de motor digital de autoridade total (FADEC) no sistema de controle; gerar uma referência de base de velocidade de eixo de baixa pressão a partir de uma primeira lógica de programação no sistema de controle com base na pelo menos uma admissão de condição recebido e no comando de controle recebido; gerar uma referência de base de ângulo beta a partir de uma segunda lógica de programação a partir da pelo menos uma admissão de condição recebida, da velocidade de eixo de baixa pressão e do comando de controle recebido; e suprir a referência de base de velocidade de eixo de baixa pressão e a referência de base de ângulo beta a um sistema de controle de motor, em que o sistema de controle de motor ajusta pelo menos o ângulo de arfagem da pluralidade de pás de ventilador ou um fluxo de combustível ao motor.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma admissão de condição inclui uma admissão de velocidade de aeronave de um sensor de velocidade.

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma admissão de condição inclui uma admissão de temperatura de entrada de motor de um sensor de temperatura de entrada.

4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma admissão de condição inclui uma admissão de pressão de entrada de motor a partir de um sensor de pressão de entrada.

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: gerar uma referência de base de velocidade de eixo de alta pressão a partir do comando de controle e da pelo menos uma admissão de condição do respectivo sensor.

6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle de motor ajusta o fluxo de combustível ao motor com base na referência de base de velocidade de eixo de alta pressão e uma entrada de um sensor de velocidade de eixo de alta pressão.

7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle de motor ajusta tanto o fluxo de combustível quanto o ângulo de arfagem.

8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o motor de turbina a gás inclui uma pluralidade de aletas de orientação externas que têm um ângulo de arfagem variável; sendo que o método compreende adicionalmente: gerar uma referência de base de aleta de orientação externa a partir da pelo menos uma admissão de condição recebida, do comando de controle recebido e do ângulo beta da pá.

9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: ajustar o ângulo de arfagem variável das aletas de orientação externas.

10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o motor de turbina a gás compreende um motor de ventilador de arfagem variável, um motor de turboeixo, ou um motor de turbopropulsor.

11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: receber um sinal de fluxo de combustível; receber um sinal de mecanismo de mudança de arfagem; relacionar em uma fábrica controlada um ângulo de arfagem de mecanismo de mudança de arfagem (BetaP) a partir do sinal de mecanismo de mudança de arfagem e um sinal de fluxo de combustível de fluxo de combustível (Wf) a pelo menos duas saídas controladas, em que uma primeira dentre as saídas controladas é tanto a velocidade de propulsor (Nx) como a velocidade de eixo de turbina de potência (N1) e uma segunda dentre as saídas controladas é a velocidade de núcleo de motor (N2), a razão de pressão de motor (EPR) ou o torque de motor (Tq);

12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o motor de aeronave compreende um atuador de mecanismo de mudança de arfagem, e que inclui adicionalmente receber um sinal de mecanismo de mudança de arfagem e que relaciona na fábrica controlada o ângulo de arfagem de mudança de arfagem (BetaP) a partir do sinal de mecanismo de mudança de arfagem a pelo menos duas saídas controladas, em que uma primeira dentre as saídas controladas é tanto a velocidade de propulsor (Nx) como a velocidade de eixo de turbina de potência (N1) e uma segunda dentre as saídas controladas é a velocidade de núcleo de motor (N2), a razão de pressão de motor (EPR) ou o torque de motor (Tq).

13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: realizar uma programação transitória no impulso para frente para mudar o ângulo beta com base em NxC_Ref, NxC, PLA e Mach.

14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: realizar uma programação transitória no impulso reverso para mudar o ângulo beta com base em Beta_Ref, Beta, PLA e Mach.

15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: realizar uma programação transitória em modo terrestre para mudar o ângulo beta com base em NxC_Ref, NxC, PLA e Beta.

16. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: realizar uma programação transitória no impulso para frente para mudar a velocidade de eixo de baixa pressão e o ângulo beta com base em NxC_Ref, NxC, PLA e Mach.

17. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: realizar uma programação transitória no impulso reverso para mudar a velocidade de eixo de baixa pressão e o ângulo beta com base em NxC_Ref, NxC, PLA e Beta.

18. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: realizar uma programação transitória no impulso reverso para mudar a velocidade de eixo de baixa pressão e o ângulo beta com base em NxC_Ref, NxC, PLA e Mach.