技术领域本发明涉及涡轮发动机的领域和调节涡轮发动机的方法。
背景技术：
术语“涡轮发动机”在本上下文中用于表示通过使工作流体在涡轮中膨胀将来自工作流体的热能转变为机械能的任何机器。更特定而言，工作流体可以是在空气在压缩机中压缩之后与燃烧腔室中的空气进行燃烧化学反应得到的燃烧气体，压缩机由涡轮经由第一旋转轴驱动。因此，如在本上下文中所理解，涡轮发动机，包括旁路或非旁路涡轮喷气机，涡轮螺旋桨，涡轴发动机和燃气涡轮等。在下文的描述中，术语“上游”和“下游”相对于工作流体通过这样的涡轮发动机的正常流动方向限定。具体地，本描述涉及一种调节涡轮发动机的方法，涡轮发动机包括至少：压缩机，燃烧腔室，其在压缩机下游；第一涡轮和第二涡轮，其在燃烧腔室下游；第一旋转轴，其约束成至少随着压缩机和第一涡轮旋转；第二旋转轴，其约束成随着第二涡轮旋转，然而第二旋转轴相对于第一旋转轴自由旋转；以及，调节器，其用于控制燃料到燃烧腔室的进给。这种涡轮发动机特别地用于静态应用时被称作“燃气涡轮”，当第二旋转轴用于驱动推进螺旋桨时被称作“涡轮螺旋桨”或者当安装于交通工具上但用于驱动除了推进螺旋桨之外的推进装置时被称作“涡轴发动机”。因此，涡轴发动机特别地用于驱动飞行器的旋翼。在此领域中并且更特别的用于飞行器涡轴发动机和涡轮螺旋桨，并且特别地用于驱动旋翼的涡轴发动机，从第二涡轮的动力传输中的突然中断或者“自由涡轮”可能导致第二涡轮危险地失控。为了避免由于这种失控造成的更严重的损坏，提出了如果所述第二旋转轴的旋转速度超过最大阈值，则使调节器切断燃料到燃烧腔室的进给。然而设置这个最大阈值需要较大的技术折衷。在某些应用中，在发动机的特定操作条件下，需要达到第二轴的显著超速。因此，在旋翼飞行器的领域中，这可能用于在飞行器执行剧烈的机动飞行的情况下允许旋翼的旋转速度的瞬时峰值。然而，与在稳定条件，特别地最大连续动力(MCP)条件或最大起飞动力(TOP)条件下第二旋转轴递送的最大扭矩相比，用于第二旋转轴的旋转速度的高最大阈值也需要第二涡轮和第二旋转轴显著过大尺寸。通常仅在不利于发动机性能的情况下实现这种过大尺寸，并且与其重量的显著增加相关联，其中这种增加特别不适合于航空领域。面对具有至少两个这样的发动机的多发动机动力设备中的这种缺陷，在现有技术中提出的一种解决方案是在动力设备中合并交叉抑制(crossedinhibition)装置，其用于避免由于第二旋转轴超过所述最大速度阈值而同时切断到两个发动机的供给。然而，这种方案面临着其它缺陷，并且特别是在发生意外期间在两个发动机下游的动力传输中断的情况下。发明目的本发明设法补救这些缺陷。具体地，本发明的描述设法提出了一种调节涡轮发动机的方法，其使得能在下游动力传输中断的情况下避免其自由涡轮危险地失控，同时并不对于主动的速度峰值构成障碍，不需要自由涡轮或其下游的动力传输的过大尺寸。在至少一种实施方式中，由于以下现实而实现了这个目的：第二旋转轴的旋转速度的最大阈值随着至少一个指示物理参数而变化，至少一个指示物理参数与第二涡轮从燃烧气体提取的机械动力相关联，当所述指示物理参数超过较高阈值时和当所述指示物理参数低于下阈值时，第二旋转轴的旋转速度的所述最大阈值减小。利用这些供应，用于第二旋转轴的旋转速度的这个最大阈值对于自由涡轮下游的动力传输中断造成的超速和自由涡轮速度的主动的和瞬时偏移是不同的。若干不同的物理参数与第二涡轮从燃烧气体提取的机械动力相关联。因此，举例而言，由第二旋转轴传输的扭矩，以及其旋转速度与所述动力具有直接关系。因此，举例而言，在这种方法中所用的指示物理参数可以由第二旋转轴传输的扭矩构成。然而，发动机的其它物理参数也与燃烧气体传输到第二涡轮的机械动力相关联。特别地，气体发生器的速度也与这个动力有密切关系。因此，举例而言，在该方法中所用的指示物理参数也可以是第一旋转轴的旋转速度。特别地在这种情形下，用于第二旋转轴的旋转速度的所述最大阈值可以具体地不仅根据第一旋转轴的至少所述旋转速度，而且也根据周围压力和/或温度而变化。特别地，周围压力和/或温度可以用于规范化第一旋转轴的旋转速度以确定第二旋转轴的旋转速度的所述最大阈值。其它物理参数与第二涡轮从燃烧气体提取的动力相关联并且适合于用作该方法中的指示物理参数，作为由第二旋转轴传输的扭矩和/或第一旋转轴的旋转速度的替代或补充，这些物理参数包括例如：在所述压缩机下游的压力；在所述燃烧腔室下游的温度；供应给燃烧腔室的燃料的(质量或体积)流率；通过所述压缩机的空气的(质量或体积)流率；和/或用于控制发动机的控制构件的移动。因此当所述指示物理参数超过了较高阈值时产生第二旋转轴的旋转速度的所述最大阈值。这种第二旋转轴的旋转速度的最大阈值的减小超过与第二涡轮从燃烧气体提取的机械动力相关联的指示物理参数的较高阈值允许在自由涡轮下游的动力传输中断之后更快地中断燃料进给，或者由于导致发动机速度不受控制地升高的调节燃料进给方面的失败造成。同时，第二轴的旋转速度的较高最大阈值低于指示物理参数的这个较高阈值使得能适应在气体发生器低速时自由涡轮的瞬时超速。然而，低于指示物理参数的所述较高阈值，如果第二旋转轴的旋转速度超过了显著低于其最大阈值的警告阈值，则记录警告，例如为了在任何这样的瞬时超速之后触发发动机的检查。此外，第二旋转轴的旋转速度的所述最大阈值可以随着所述指示物理参数在第一旋转轴的旋转速度的中间阈值与其较高阈值之间的增加而逐渐减小，从而使第二旋转轴的最大旋转速度适应第二涡轮从燃烧气体提取并且由第二旋转轴以正常方式传输的动力升高。这使得能优化第二涡轮和第二旋转轴的尺寸设定。而且，低于指示物理参数的下阈值，第二旋转轴的超速可能表示重大故障。特别地，如果由第二旋转轴传输的扭矩低于特定阈值，第二旋转轴的超速可能已经由第二旋转轴下游的动力传输的中断造成。即使所用的指示物理参数是某些其它参数，在低于指示物理参数的下阈值时，第二旋转轴的超速可以指示特别地用于测量指示物理参数的(多个)传感器中的故障。如果第二涡轮从燃烧气体提取的动力相关联的指示物理参数低于这个下阈值，那么第二旋转轴超速并且特别地可能表示对于指示物理参数测量的值并非真实值。当所述指示物理参数低于其下阈值时第二旋转轴的速度的所述最大阈值减小使得能维持第二旋转轴的旋转速度的高最大阈值，即使由第二涡轮从燃烧气体提取的动力量实际上是不确定的。本发明还提供了一种数据介质，其包括适合于由可编程的数字调节器执行以便实施这种调节方法的指令集合。在本发明的上下文中，术语“数据介质”涵盖能由计算机系统和特别地处理器诸如可编程的电子调节器读取的任何数据存储装置。这种数据介质可以特别地是磁性数据存储装置诸如光盘或者电子数据存储装置诸如易失性或非易失性电子存储器。因此本发明的描述将这种指令集合提供为计算机程序和软件产品。而且，本发明还提供一种涡轮发动机，其包括至少：压缩机；燃烧腔室，其在压缩机下游；第一涡轮和第二涡轮，其在燃烧腔室下游；第一旋转轴，其约束成至少随着所述压缩机和所述第一涡轮旋转；第二旋转轴，其约束成随着第二涡轮旋转，然而第二旋转轴相对于第一旋转轴自由旋转；以及，用于向燃烧腔室进给燃料的回路；以及，调节器，其用于控制燃料到燃烧腔室的进给并且被配置成如果所述第二旋转轴的旋转速度超过最大阈值则切断所述进给。在这种方法的至少一种实施方式中，第二旋转轴的旋转速度的所述最大阈值根据第二涡轮从燃烧气体提取的机械动力相关联的至少一个指示物理参数而变化。本发明还提供一种动力设备，其包括至少两个这样的涡轮发动机，和本发明还提供一种飞行器，并且特别是旋翼飞行器，其包括至少一个这样的涡轮发动机和可能地至少两个。附图说明现将通过阅读作为非限制性示例给出的实施例的详细描述来更好地理解本发明并且使其优点更明显。描述参考附图，在附图中：-图1是旋翼飞行器的示意透视图；-图2是图1所示飞行器的动力设备的示意图，其具有两个涡轮发动机；以及-图3是示出固定到图2所示发动机之一的自由涡轮上的旋转轴的旋转速度的最大阈值如何根据自由涡轮的旋转轴传输的扭矩或者根据相同发动机的气体发生器的旋转轴的旋转速度变化。具体实施方式第一图示出了旋翼飞行器1，更具体而言直升机，其具有主旋翼2和反扭矩尾旋翼3，反扭矩尾旋翼3联接到动力设备4以便驱动它们。示出的动力设备4包括两个涡轴发动机5。更具体而言，这些发动机5是涡轴发动机，每一个具有连接到主要传动齿轮箱7的动力输出轴6以驱动主旋翼2和尾旋翼3。动力设备4的发动机5之一在图2中更详细当示出。每个发动机5包括压缩机8、燃烧腔室9、由第一旋转轴11连接到压缩机8的第一涡轮10；以及第二涡轮12，也被称作“自由”涡轮，第二涡轮12联接到第二旋转轴13，第二旋转轴13依次联接到动力输出轴6。由压缩机8、燃烧腔室9、第一涡轮10和旋转轴11形成的组件也被称作“气体发生器”。的进给回路14用于向燃烧腔室9进给在气体发生器GG中每一个中的燃料。进给回路14包括至少一个阀14a，至少一个阀14a连接成用于控制数字调节器15，通常为被称作全权数字发动机控制(FADEC)的类型。调节器15可以特别地包括可编程的电子处理器，可编程的电子处理器具有电子存储器，电子存储器包含用于调节发动机5操作的指令集合。调节器15也连接到传感器集合，传感器集合特别地包括用于感测第一旋转轴11的旋转速度的传感器16，用于感测第二旋转轴13的旋转速度的传感器17，分别感测周围温度和压力的传感器18和19，用于感测第二旋转轴13上的扭转的传感器20，用于感测在燃烧腔室9与第一涡轮10之间的温度的传感器21，分别用于感测在压缩机8与燃烧腔室9之间的压力和空气流率的传感器22和23；以及，用于感测递送到燃烧腔室9的燃料流率的传感器24。最后，调节器15也可以连接到控制杠杆25，控制杠杆25由飞行器1的飞行员促动以便控制每个发动机5的操作速度。举例而言，传感器20可以是在法国专利申请FR2972256和FR2931552中所公开类型的扭转扭矩表，其通过测量第二旋转轴扭转时的变形而测量由第二旋转轴传输的扭矩M2。温度传感器18和21可以特别地是热电偶，但是传感器21同样也可以是例如高温计。传感器24可以是流率测量旋转器或者用于感测燃料进给回路中的计量单元位置的传感器。典型地，每个发动机5的部件的尺寸设定用于发动机5的明确限定的操作范围。为了优化动力设备4和飞行器1的性能，适当地避免发动机5的部件和特别地发动机5的旋转零件的任何过大尺寸。然而，必须不损害安全性。因此，为了避免可能导致这些旋转零件断裂的超速，和特别地第二涡轮12的超速，由于这些超速，碎屑可能会损害飞行器1的其它部件，调节器14被配置成使得在传感器17测量的第二旋转轴13的旋转速度N2超过最大阈值N2,max的情况下切断到燃烧腔室9的燃料进给。这种配置可以使用存储于调节器15的电子存储器中的指令来实施。在每个发动机5中，由于多种不同原因，第二涡轮12和第二旋转轴13可以开始超速。例如，在发动机5以高速操作时，第二涡轮12下游的动力传输中断的情况下，无论这是否涉及其第二旋转轴13、动力输出轴6或者主要传动齿轮箱7，第二涡轮12不再由任何可感知的对抗扭矩制动并且其能失控并且快速地到达超速，这是危险的。第二涡轮12以及第二旋转轴13的危险的超速也可以由调节器15的故障造成的速度的不受控制的增加而造成。在两种情形下，在气体发生器以高速操作时，发生第二旋转轴13的超速。而且，剧烈的机动飞行可能会导致第二涡轮12和第二旋转轴13的瞬时超速。举例而言，如果主旋翼2的集体螺距突然改变以便接合自动旋转，同时在主要传动齿轮箱7内的自由轮卡住或堵塞并且暂时维持在第二涡轮12与主旋翼2之间的动力传输，第二旋转轴13和第二涡轮12可以由主旋翼2驱动超速。这些瞬态超速因此可能在显著更低的气体发生器的速度发生。由于飞行器1的剧烈的机动飞行，为了允许第二旋转轴13的这种瞬时超速，同时也对于第二涡轮12下游的动力传输中断或者调节器15故障造成的第二旋转轴13的超速做出快速反应，在第一实施例中，施加给传感器17测量的第二旋转轴13的旋转速度N2的最大阈值N2,lim根据第二旋转轴13上的传感器20测量的扭转扭矩M2而变化。因此，如图3所示，当扭转扭矩M2大于较高阈值M2,lim3时，施加给速度N2的最大阈值N2,lim对应于稳定化的最大速度N2,maxstab，稳定化的最大速度N2,maxstab能由具有此最大扭矩M2,lim3减去第一安全裕量ΔN2,sec1的第二涡轮12可达到的稳定最大速度N2,maxstab，而当扭矩M2小于中间扭矩M2,lim2但仍大于下阈值M2,lim1时，施加到速度N2的所述最大阈值表示显著更高的值，对应于具有扭矩M2,lim2的第二涡轮12可达到的最大瞬时速度N2,maxtrans减去第二安全裕量ΔN2,sec2。在第二旋转轴13所传输的扭矩M2的中间阈值M2,lim2与较高阈值M2,lim3之间，调节器向速度N2施加最大阈值N2,max，随着扭矩M2增加，该最大阈值逐渐减小。而且，如果第二涡轮12进入超速，同时由第二旋转轴3传输的扭矩M2低于下阈值M2,lim1，这意味着在第二涡轮12下游存在动力传输中断或者存在传感器20故障。因此，减小了第二旋转轴13的速度N2的最大阈值N2,max。特别地，并且如图3所示，第二旋转轴13的速度N2的这个最大阈值N2,max可以基本上与小于其下阈值M2,lim1的扭矩M2和大于其较高阈值M2,lim3的扭矩M2相同。另外，调节器15可以被配置成当第二旋转轴13的旋转速度超过警告阈值N2,avert时记录警告，警告阈值N2,avert低于至少当第二旋转轴13上测量的扭矩M2在下阈值M2,lim1与其较高阈值M2,lim3之间的范围时的最大阈值N2,max。因此，即使调节器15在此速度接受大瞬时超速，其仍记录关于该事件的警告，可能造成动力设备4检查。这个记录可以由吸引飞行员注意力的可见或可听警告信号来实现。在图3中，第二旋转轴13的扭矩M2和旋转速度N2分别表达为在标称全速预期的标称扭矩和标称旋转速度M2,nom和N2,nom的百分比。因此，在图示实施方式中，当在第二旋转轴13上测量的扭矩M2低于下阈值M2,lim1，例如等于其标称全速扭矩M2,nom的50％或者高于较高阈值M2,lim3，例如等于标称全速N1的其扭矩M2,nom的105％时，那么，举例而言，其旋转速度N2的最大阈值N2,max仅为其标称全速N2,nom的105％。而且，当扭矩M2在下阈值M2,lim1与中间阈值M2,lim2之间时，例如等于标称全速的扭矩M2,nom的70％时，那么，第二旋转轴13的旋转速度N2的最大阈值N2,max的显著更高。举例而言，第二旋转轴13的旋转速度N2的整个最大阈值N2,max然后可以是其标称全速度N2,nom的121％，从而允许瞬时超速。超过扭矩M2的中间阈值M2,lim2，旋转速度N2的最大阈值N2,max可以逐渐降低，例如，降低至在较高阈值M2,lim3时其标称全速N2,nom的112％。此外，在扭矩M2的下阈值M2,lim1与较高阈值M2,lim3之间，当第二旋转轴13的旋转速度N2超过警告阈值N2,avert时，调节器15被配置成记录警告，警告阈值N2,avert小于扭矩M2的这个值范围的最大阈值N2,max。例如，在图示实施方式中，警告阈值N2,avert为在标称全速N2,nom第二旋转轴13的速度N2,nom的105％，即，当第一旋转轴11的测量速度N1低于其下阈值N1,lim1或者高于较高阈值N1,lim3时第二促动器13的旋转速度N2的最大阈值N2,max的相同水平。这些数值中的每一个以说明的方式给出，并且对于每个阈值，可以选择其它更适当的值，例如根据动力设备4和飞行器1的参数。然而，在其它实施方式中，与第二涡轮12从燃烧气体提取的机械动力相关联的其它指示物理参数可以用作扭矩M2的替代或补充。因此，在第二实施方式中，施加到传感器17所测量的第二旋转轴13的扭转速度N2的最大阈值N2,lim根据传感器16测量的第一旋转轴11的旋转速度N1和因此根据气体发生器的速度而变化。如图3所示，作为传感器16测量的第一旋转轴11的旋转速度N1的这个最大阈值N2,lim的函数的变化可以类似于在第一实施方式中作为扭矩M2的函数。因此，在图3中，旋转速度N1也表达为在用于扭矩M2的相同轴线上的第一旋转轴11的标称全速N1,nom的旋转速度的百分比。当第一旋转轴11的测量速度N1低于下阈值N1,lim1，例如等于其标称全速N1,nom的50％或者高于较高温度N1,lim3，例如等于其标称全速N1,nom的105％时，那么举例而言，第二旋转轴13的旋转速度N2的最大阈值N2,max可以仅为其标称全速N2,nom的105％。而且，当第一旋转轴11的速度N1在下阈值N1,lim1与中间阈值N1,lim2之间，例如等于其标称全速N1,nom的50％时，那么第二旋转轴13的旋转速度N2的最大阈值N2,max显著更高。举例而言，第二旋转轴13的旋转速度N2的此最大阈值N2,max然后可以等于其标称全速N2,nom的121％从而允许瞬时超速。超过第一旋转轴11的速度N1的中间阈值N1,lim2，第二旋转轴13的旋转速度N2的最大阈值N2,max可以逐渐降低，例如降低至较高阈值N1,lim3的其标称全速N2,nom的112％以便考虑第二旋转轴13传输的增加的扭矩。此外，在第一旋转轴11的旋转速度N1的下阈值N1,lim1与较高阈值N1,lim3之间，当第二旋转轴13的旋转速度N2超过警告阈值N2,warn时，调节器15被配置成记录警告，警告阈值N2,warn小于在第一旋转轴11的这个速度范围N1内的最大阈值N2,max。例如，如图所示，警告阈值N2,avert为在标称全速N2,nom的第二旋转轴13的速度N2,nom的105％，即当第一旋转轴11的测量速度N1低于其下阈值N1,lim1或者高于较高阈值N1,lim3时，第二旋转轴13的旋转速度N2的最大阈值N2,max的相同水平。这些数值中每一个仅以说明的方式给出并且对于每个阈值可以选择其它更适当的值，例如，根据动力设备4和飞行器1的参数。因此，图3所示的曲线也再现了在不变的周围压力p0和周围温度T0下第二旋转轴11的测量速度N1的第二旋转轴13的旋转速度N2的最大阈值N2,max的变化。然而，这个最大阈值N2,max也可以根据传感器18、19所感测的周围压力p0和周围T0温度变化。例如，第二旋转轴13的旋转速度N2的最大阈值N2,max可以表达气体发生器的规范化速度MG的函数，气体发生器的规范化速度MG表达为旋转速度N1与周围压力p0乘积除以周围温度T0的平方根。也可以使用其它指示物理参数作为扭矩M2或旋转速度N1补充或替代。因此，在其它实施方式中，最大阈值N2,max可以以举例说明的方式随着压缩机8下游经过发动机5的空气流中的传感器22、23所测量的空气的压力或流率Qa、燃料进给回路中的传感器24测量的燃料流率Qc和/或控制杠杆25相对于其中性位置的位置而变化。第二旋转轴13的旋转速度N2的最大阈值N2,max根据这些指示物理参数中每一个的变化可以类似于图3中示出作为扭矩M2或速度N1的函数。在上文所提到的实施方式中的每一个中，根据至少一个指示物理参数的最大阈值N2,max的变化可以在调节器15中存储为映射。这个映射可以特别地存储于调节器15内的数据介质上并且其可以由计算机程序使用，计算机程序包括用于执行这种调节发动机5方法的指令序列，并且也可能存储在适合于由调节器15的处理器读取以进行这种实施的数据介质上。然而，调节器15可以呈除了可编程数字调节器之外的形式。因此，举例而言，其同样可以是利用硬接线逻辑的机械、流体或电子调节器。尽管参考具体实施方式描述了本发明，显然可以对这些实施方式进行各种修改和变化而不偏离权利要求限定的本发明的总体范围。此外，所描述的各种实施方式的个别特征可以在额外实施方式中组合。因此，描述和附图应在说明的意义而不是限制的意义上来理解。