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CN104781508B - 用于保护飞行器涡轮机计算机免于速度测量误差的装置和方法 - Google Patents

用于保护飞行器涡轮机计算机免于速度测量误差的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于保护飞行器涡轮机计算机免于速度测量误差的装置，包括：位于速度调节通道(10)上：涡轮机变速箱轴的速度传感器(21)，速度测量电路(24)，以及速度调节电路(26)；位于监测通道(11)上：涡轮机气体发生器轴的速度传感器(31)，速度测量电路(34)，以及涡轮机停止控制电路(37)，其中，每个通道(10、11)使用能够消除共模误差的不同特征，其中，每个速度传感器提供伪正弦频率信号，并且其中，所述装置包括：在每个通道上的速度监测电路(25、35)，将所述频率信号与最小阈值进行比较，并当所测得的频率低于所述最小阈值时提供误差信号；共有速度交叉检查电路(36)，用于检测两个频率之间的预定偏差的溢出，使得所监测的偏差大于最大的偏差或所监测的偏差小于与一个传感器(21、31)的频率周期的损耗相对应的最小偏差；以及，用于对所述误差信号和表示已超出预定偏差的信号进行分析来控制所述涡轮机停止的装置。

Description

用于保护飞行器涡轮机计算机免于速度测量误差的装置和 方法
技术领域
本发明涉及一种用于保护诸如直升机之类的飞行器上的涡轮机计算机(例如，辅助动力单元APU)免于速度测量误差的装置和方法。
背景技术
本发明的领域属于飞行器涡轮机领域，并且更具体地，属于用于调节这些涡轮机的行为的飞行器涡轮机计算机领域。这些计算机可以在相同壳体中容纳一个调节通道和一个监测通道或一个防止速度测量误差的通道，与这些通道被装配到两个分开的壳体中的方案相比，这使成本更节约、重量更轻。
调节通道的功能在于调节涡轮机速度。然而，该调节通道的故障会导致涡轮轴的超速。实际上，当该轴断裂时，由气体提供给涡轮的功率不再被该轴所驱动的设备吸收，并且涡轮旋转速度极快地增加。这样的极快的超速导致旋转部件的破损和/或与旋转盘的分离。随后由于离心力，这些旋转部件剧烈地向外突出，并且能够穿过围绕涡轮的壳体，从而对发动机造成非常重大的损害，并且危及到飞行器及其乘客。
监测通道的目的在于防止发生这样的超速。监测通道包括与流体力学组件相关的电子组件。该电子组件测量转子的旋转速度。电子组件如果检测到速度测量误差，则控制该流体力学组件，这完全切断了涡轮机的燃料供给。
在一种已知的方式中，涡轮的旋转速度是采用至少两个独立的传感器来进行测量的，一个传感器用于调节通道，另一传感器用于监测通道。代表涡轮机变速箱和气体发生器的旋转速度的频率是用于调节旋转速度(调节)和用于防止相关的超速启动(监测)的主要变量。
由于安全分析已经揭示这些频率和涡轮机发生超速之间的直接联系，因此本发明的目的在于通过保证不存在可能导致未保护的超速的共模误差来提供一种用于保护涡轮机计算机免于速度测量误差的装置和方法，从而使得能够确保频率测量的精度尤其用来避免任何低估的速度测量。该约束根据ARP4754FDALA标准(灾难性)的用于保证最高安全级别的需要来施加。
发明内容
本发明涉及一种用于保护飞行器涡轮机计算机免于速度测量误差的装置，包括：
位于速度调节通道上：
涡轮机变速箱轴的速度传感器，
速度测量电路，
速度调节电路，
位于监测通道上：
涡轮机气体发生器轴的速度传感器，
速度测量电路，
涡轮机停止控制电路，
其特征在于，每个通道使用能够消除共模误差的不同特征，其中，每个速度传感器提供伪正弦频率信号，并且其中，所述装置包括：在每个通道上的速度监测电路，执行所述频率信号与最小阈值的比较并当测得的频率低于所述最小阈值时提供误差信号；共有速度交叉检查电路，检测两个频率之间的确定偏差的溢出，使得所监测的偏差大于最大的偏差或所监测的偏差小于与一个传感器的频率周期的损耗相对应的最小偏差；以及，用于对这些误差信号和所述确定偏差的溢出进行分析来控制所述涡轮机停止的装置。
有利地，所述速度传感器为不同技术并具有不同数量的齿的转轮。
有利地，所述轴为以不同旋转速度旋转的不同的轴。
有利地，所述频率信号为不同频率的信号，使得两个信号之一的周期损耗或两个信号的周期损耗同时导致两个速度之间的异常偏差，所述异常偏差大于辅助动力单元的最大加速度并且远大于在轴最大扭力下的速度偏差。
有利地，所述频率信号在不同的电子线路上传送。
有利地，所述频率信号由不同的电路板所使用。
有利地，本发明的装置包括可每个通道上的线路断开检测电路。
有利地，所述涡轮机为辅助动力单元(APU)。本发明可以涉及一种用于实现此类装置的飞行器，例如直升机。
本发明还涉及一种用于保护飞行器涡轮机计算机免于速度测量误差的方法，所述飞行器包括气体发生器、空气压缩机、变速箱和供电单元，所述计算机包括速度调节通道和监测通道，所述调节通道使用变速箱轴的速度传感器的频率，所述监测通道使用气体发生器轴的速度传感器的频率，
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
测量每个通道上的频率信号，
通过与最小阈值进行比较来检查每个频率信号的相干性，
将这些频率信号相互比较以检测这些频率之间的偏差，
在偏差大于确定值时停止涡轮机。
有利地，在所述涡轮机启动控制之后，当在预定时间内至少在一个通道上检测到不存在频率信号时，停止所述涡轮机。有利地，当操作中频率信号丢失时，停止所述涡轮机。
有利地，当达到最小频率Fmin并且信号相干时，进行以下额外的检查：
在调节通道侧，在检测到可能性不大的速度变化时，停止所述涡轮机，确认发生一个或数个周期损耗导致了该检测，所述调节通道确定该异常并停止所述涡轮机，
在监测通道侧，在检测到所述监测通道的速度信号的齿损耗时，停止所述涡轮机，所述监测通道确定该异常并停止所述涡轮机。
有利地，当未达到最小频率Fmin时，进行以下额外的检查：
在调节通道侧，当频率大于所述最小Fmin时，在检测到所述调节通道的速度在指定时间内未超过低速的情况下，停止所述涡轮机，所述调节通道确定该异常并停止所述涡轮机。
附图说明
图1示出了根据本发明的用于保护飞行器涡轮机计算机免于速度测量误差的装置。
图2示出了本发明的装置的速度测量电路的一个示例性实施例。
具体实施方式
如图1所示，根据本发明的用于保护飞行器涡轮机计算机免于速度测量误差的装置包括速度调节通道10和用于监测速度测量误差的通道11。在输入端E1处，调节通道10利用速度传感器来测量变速箱轴的旋转速度，速度传感器例如为面向安装在该轴上的发音轮20的齿所设置的磁性传感器21。
在输入端E2处，监测通道11利用速度传感器来测量涡轮机气体发生器轴的旋转速度，速度传感器例如为面向安装在该轴上的发音轮30的齿所设置的磁性传感器31。这两个通道产生不同的频率，由此产生的两个频率的相干检查36在监测通道11中进行。
图1示出了分别设置在涡轮机12、传感器13、线路14以及电子控制单元(ECU)15中的针对两个通道10和11的本发明的装置的各个电路。
在调节通道10中，本发明的装置包括：
发音轮20，
涡轮机变速箱轴的速度传感器21，该速度传感器21提供最大能够达到35伏电压峰-峰值的伪正弦频率信号，
布线电路22，该布线电路22传送该伪正弦信号，
在图2中详细示出的用于对该伪正弦信号进行整形的电路23，该电路23提供在0伏(V)至5伏电平之间变化的方形频率信号并检测可能的布线断开，
速度测量电路24，该速度测量电路24提供以每分钟转数为单位的速度测量值，
速度监测电路25，该速度监测电路25执行与最小阈值的比较，检查在指定时间内是否超过低速(underspeed)，监测可能性不大的速度变化，并且可能提供速度问题检测信号S1，
速度调节电路26。
在监测通道11中，本发明的装置包括：
发音轮30，该发音轮30的技术在于具有旋转轴、旋转速度和不同于发音轮20的齿的多个齿，
涡轮机气体发生器轴的速度传感器31，该速度传感器31提供与传感器21的伪正弦频率信号频率不同的伪正弦频率信号，该伪正弦频率信号能够达到最大35伏的电压峰-峰值，
布线电路32，该布线电路32通过与电路22不同的布线利用特定的电线束来传送这个伪正弦频率信号，
用于对与电路23的伪正弦信号不同的这个伪正弦信号进行整形的电路33，该电路33提供在0伏至5伏电平之间变化的方形频率信号，并检测可能的布线断开，
速度测量电路34，该速度测量电路34提供以每分钟转数为单位的与电路24不同的速度测量值，
速度监测电路35，该速度监测电路35执行与最小阈值的比较并可能提供速度问题检测信号S2，
用于对电路24和34所获得的速度进行交叉检查的电路36，该电路36通过对两个信号之一的周期损耗进行检测或同时对两个信号的周期损耗进行检测来检测两个速度之间的异常偏差，信号的周期损耗导致两个速度之间的异常偏差，该异常偏差大于APU的最大加速度并且远大于在轴最大扭力下的速度偏差，并且该电路36提供用于对两个通道10和11的速度进行交叉检查的信号S3，
在检测到超速或检测到速度信号的缺齿的情况下，用于能够控制涡轮机停止的电路37。
本发明的装置以如下方式操作：
当两个速度传感器21和31都不提供信号时：
在调节通道10侧，在涡轮轴启动控制之后或在操作中频率信号丢失的情况下，当在预定时间(例如3秒)内检测到不存在频率信号时，通过电路25停止涡轮机。当调节通道10确定这些缺陷中的一个时，停止涡轮机；
在监测通道11侧，在涡轮轴启动控制之后或在操作中频率信号丢失的情况下，当在预定时间(例如3秒)内检测到不存在频率信号时，通过电路35停止涡轮机。当监测通道11确定这些缺陷中的一个时，停止涡轮机。
在操作中并且在速度传感器21和31之一超出最小频率阈值(Fmin)时，如在电路25和35中所检查的那样，测量到的频率在电路36中进行比较以检测是否超出如下排列的异常偏差：
所监测的偏差大于机械确定的最大偏差，
所监测的偏差小于与传感器21和31之一的频率周期的损耗相对应的偏差。
该异常偏差保证这些测量中的一个是不相干的。本发明的装置随后通过借助监测通道11的特定切断装置来切断燃料供给以确保涡轮机的安全性。
如果调节通道10的速度传感器21不提供频率或提供低估的频率(信号的周期损耗)，则监测通道11正常工作。当传感器31达到最小频率Fmin时，监测通道11确定异常偏差并停止涡轮机。
如果监测通道11的速度传感器31不提供频率或提供低估的频率(信号的周期损耗)，则调节通道10正常工作。当传感器21达到最小频率Fmin时，监测通道11确定异常偏差并停止涡轮机。
如果速度传感器21和31都提供低估的频率(频率信号的周期损耗)，则存在以下三种情况：
情况1：达到频率Fmin并且信号被认为是不相干的。监测通道11确定偏差并停止涡轮机。
情况2：达到频率Fmin并且信号被认为是相干的(脉冲损耗的特定组合)。在这种情况下，进行以下额外的检查：
在调节通道10侧，在(根据最大加速度/减速度)检测到可能性不大的速度变化时，停止涡轮机。确认发生一个或更多周期损耗导致了该检测(这包括操作中的任意脉冲损耗配置)。调节通道10确定该异常并停止涡轮机。
在监测通道11侧，在检测到监测通道11的速度信号的缺齿(监测到频率信号的周期性的异常并检测到异常地长周期)时，停止涡轮机。监测通道11确定该异常并停止涡轮机。
情况3：未达到频率Fmin。在这种情况下，进行以下额外的检查：
在调节通道10侧，在检测到调节通道10的速度在指定时间(频率大于Fmin)内未超过低速时，停止涡轮机。调节通道10确定该异常并停止涡轮机。
值得注意的是，本发明通过仅利用两个技术相同但独立的速度传感器21和31而在满足可应用于会造成灾难性影响的误差(尤其是两个通道10和11上的共模误差)的要求的同时保证了速度测量的完整度。经验显示，某些故障会造成调节通道和监测通道同时发生故障。如果没有采取适当的预防措施，则这些被称为“共模误差”的误差取消了两个通道的独立性。
图2示出了信号测量电路23的一个示例性实施例。该电路包括滞后运算放大器(以2.5V为中心上下浮动300mV)，该滞后运算放大器接收经过低通滤波器40的输入信号，低通滤波器40的输入端被连接到电阻桥并且低通滤波器40之后是两个电容器C1和C2，电容器C1和C2的中点被连接到两个接地(GND)二极管D1和D2，输出端被连接到门45以通过对输入伪正弦信号进行峰值削波来提供方形信号(0-5伏)。第二低通滤波器42提供直流(DC)输出(对可能的布线断开进行检测的欧姆测试)。第三低通滤波器43之后是电容器C3和第四低通滤波器44并提供直流输出(交流信号电平)，二极管D3将第四低通滤波器的输入端接地。
在示例性实施例中，中心电路可被实现为软件，例如电路24和25。特定电路可被实现为专用电路(FPGA)，例如电路33，34和37。

Claims (12)

1.一种用于保护飞行器涡轮机计算机免于速度测量误差的装置，包括：
位于速度调节通道(10)上：
涡轮机变速箱轴的速度传感器(21)，
第一速度测量电路(24)，
速度调节电路(26)，
位于监测通道(11)上：
涡轮机气体发生器轴的速度传感器(31)，
第二速度测量电路(34)，
涡轮机停止控制电路(37)，
其特征在于：
两个速度传感器(21、31)为面向两个发音轮(20、30)的齿所设置的两个传感器，所述两个发音轮(20、30)采用不同的技术并具有不同数量的齿；
所述速度调节通道(10)包括第一速度监测电路(25)，所述第一速度监测电路(25)执行频率信号与最小阈值的比较，并当测得的频率低于所述最小阈值时提供第一速度问题检测信号(S1)，
所述监测通道(11)包括第二速度监测电路(35)，所述第二速度监测电路(35)执行频率信号与最小阈值的比较，并当测得的频率低于所述最小阈值时提供第二速度问题检测信号(S2)；
并且其中，所述装置还包括：
用于对所述第一速度测量电路(24)获得的第一速度和所述第二速度测量电路(34)获得的第二速度进行交叉检查的交叉检查电路(36)，所述交叉检查电路(36)在存在所述第一速度与所述第二速度之间的异常偏差时提供第三速度问题检测信号(S3)；
用于在存在速度问题时能够控制所述涡轮机停止的电路(37)，其中，所述速度问题包括检测到超速或检测到速度信号的缺齿。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述涡轮机变速箱轴和所述涡轮机气体发生器轴为以不同旋转速度旋转的不同的轴。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述频率信号为不同频率的信号，使得两个信号之一的周期损耗或两个信号的周期损耗同时导致所述第一速度与所述第二速度之间的异常偏差，所述异常偏差大于辅助动力单元的最大加速度并且大于在轴最大扭力下的速度偏差。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述频率信号在不同的电子线路上传送。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述频率信号由不同的电路板所使用。
6.根据权利要求1所述的装置，包括：每个通道上的线路断开检测电路(23、33)。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述涡轮机为辅助动力单元。
8.一种飞行器，用于实现前述权利要求中任一项所述的装置。
9.一种用于保护飞行器涡轮机计算机免于速度测量误差的方法，所述飞行器包括气体发生器、空气压缩机、变速箱和供电单元，所述计算机包括速度调节通道和监测通道，所述调节通道使用变速箱轴的速度传感器的频率，所述监测通道使用气体发生器轴的速度传感器的频率，
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
使用两个具有不同特征的伪正弦频率信号，
将所述速度调节通道(10)上的频率信号与最小阈值进行比较，并当测得的频率低于所述最小阈值时提供第一速度问题检测信号(S1)，
将所述监测通道(11)上的频率信号与最小阈值进行比较，并当测得的频率低于所述最小阈值时提供第二速度问题检测信号(S2)，
对所述速度调节通道(10)获得的第一速度和所述监测通道(11)获得的第二速度进行交叉检查，并在存在所述第一速度与所述第二速度之间的异常偏差时提供第三速度问题检测信号(S3)；
在存在速度问题时能够控制所述涡轮机停止，其中，所述速度问题包括检测到超速或检测到速度信号的缺齿。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述涡轮机启动控制之后，当在预定时间内至少在一个通道上检测到不存在频率信号时，停止所述涡轮机。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，当操作中频率信号丢失时，停止所述涡轮机。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，当未达到最小频率Fmin时，进行以下额外的检查：
在调节通道(10)侧，当频率大于所述最小频率Fmin时，在检测到所述调节通道(10)的速度在指定时间内未超过低速的情况下，停止所述涡轮机，所述调节通道(10)确定该异常并停止所述涡轮机。
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