混合电动飞行器推进系统的制作方法

本公开涉及用于飞行器的混合电动推进系统的控制。

背景技术：

现代飞行器引擎通常由全权数字引擎控制(fadec)电子引擎控制器(eec)单元控制，该单元的主机软件被配置成管理并控制引擎。基于气体涡轮的常规飞行器引擎包含一个或多个轴，典型的民用飞行器具有两个或三个轴。推力由低压(lp)涡轮与风扇的机械联接产生。

在混合电动飞行器中，推力由风扇产生，该风扇由电动马达而非气体涡轮驱动。电力从电池和/或可由气体涡轮驱动的发电机提供到电动马达。混合电动推进的一个优点在于风扇和气体涡轮引擎的独立部件各自可以被更有效地操作，从而节省总燃料。然而，与气体涡轮相比，整合气体涡轮引擎与电动推进器的操作可导致由电动马达的控制和响应速度之间的差值引起的问题。尽管电动马达可以立即有效地响应，但是气体涡轮引擎将花费更长的时间来响应控制输入的改变，诸如推力需求的变化。因此，混合电动飞行器必须能够考虑到性能的这种变化。

技术实现要素：

根据第一方面，提供了一种操作混合电动气体涡轮系统的方法，该混合电动气体涡轮系统包括发电机系统、推进器、控制器和电力储存单元，

该发电机系统包括被布置成驱动气体涡轮的发电机，该气体涡轮具有被壳体围绕的多个转子叶片，该转子叶片与该壳体相隔间隙，

该推进器包括被布置成由电动马达驱动的风扇，

该控制器被构造成响应于推力需求来操作气体涡轮，并控制电动马达、电力储存单元和发电机之间的电力供应，

该方法包括控制器：

接收用于改变推力需求的命令；

在一时间段内确定使函数最小化的操作规范，该函数包括供应给气体涡轮的燃料的测量值、自或至电力储存单元的电力的传输，以及电流的测量值和所需推力的测量值之间的差值；以及

根据在该时间段内确定的操作规范来操作电动马达、气体涡轮和电力储存单元。

通过使该函数最小化，可减少影响气体涡轮操作的瞬态变化，例如减少尖端间隙的变化以保持最佳的操作效率。使该函数最小化也可具有其他优点，诸如降低气体涡轮内的热瞬态的速度。

可确定操作规范以将间隙保持在预定公差内。控制器可以例如通过控制冷却空气向壳体的供应来控制壳体的热生长，或者可以通过使壳体相对于转子叶片尖端机械运动来更直接地控制该间隙。

该操作规范可将气体涡轮的速度变化率保持在预定上限或低于预定上限。气体涡轮的速度可与气体涡轮的任一个或多个旋转部件(诸如气体涡轮的风扇、压缩机或涡轮部件)的旋转速度相关，并且在具体的示例中，可与气体涡轮的高压涡轮的旋转速度相关。

在推力需求的改变为推力需求的增大的情况下，该操作规范可包括：

从电力储存单元向电动马达提供第一电力供应；以及

从发电机向电动马达提供第二电力供应，

其中第一电力供应随第二电力供应的增大而减小。

在推力需求的变化为推力需求的减小的情况下，该操作规范可包括：

从发电机向电力储存单元传输第一电力供应；以及

从发电机向电动马达提供第二电力供应，

其中第一电力供应随第二电力供应的减小而减小。

该操作规范可包括通过控制冷却空气向壳体的供应以及/或者控制壳体相对于转子叶片的运动来控制转子叶片尖端和壳体之间的间隙。

函数可为以下形式：

其中α和β为常数，ωd和ωfan为命令的且实际的风扇旋转速度，pbat为传输至或自电力储存单元(307)的电力，wf为供应到气体涡轮(309)的燃料的测量值，在0到t0时间段内计算该函数。

该函数可在操作期间由控制器进行离散化和计算。可针对该操作规范的范围预先计算该函数，其中该操作规范通过访问查找表来确定，该查找表包括对应于推力需求的改变的预先计算的操作规范。

使该函数最小化受到以下的约束：储存在电力储存单元中的电能等于或高于最低水平、风扇速度的变化率等于或低于第一最大值、气体涡轮速度的变化率等于或低于第二最大值，以及传输至或自电力储存单元的电力等于或低于最大电力传输极限。

根据第二方面，提供了用于混合电动气体涡轮系统的控制器，该混合电动气体涡轮系统包括发电机系统、推进器和电力储存单元，

该发电机系统包括被布置成驱动气体涡轮的发电机，该气体涡轮具有被壳体围绕的多个涡轮叶片，该涡轮叶片与该壳体相隔间隙，

该推进器包括被布置成由电动马达驱动的风扇，

该控制器被构造成响应于推力需求而操作气体涡轮并控制电动马达、电力储存单元和发电机之间的电力供应，

该控制器被构造成：

接收用于改变推力需求的命令；

在一时间段内确定使函数最小化的操作规范，该函数包括供应给气体涡轮的燃料的测量值、自或至电力储存单元的电力的传输、以及电流的测量值和所需推力的测量值之间的差值；以及

根据在该时间段内确定的操作规范来操作电动马达、气体涡轮和电力储存单元。

根据第三方面，提供了能够由形成混合电动气体涡轮系统的一部分的计算机实现的控制器来执行的指令，该混合电动气体涡轮系统包括发电机系统、推进器、控制器和电力储存单元，

该发电机系统包括被布置成驱动气体涡轮的发电机，该气体涡轮具有被壳体围绕的多个转子叶片，该转子叶片与该壳体相隔一定间隙，

该推进器包括被布置成由电动马达驱动的风扇，

该控制器被构造成响应于推力需求来操作气体涡轮并控制电动马达、电力储存单元和发电机之间的电力供应；

其中在由该控制器执行时，该计算机可读指令使该控制器执行根据第一方面的方法。

本领域的技术人员将理解，除非相互排斥，否则关于任何一个上述方面描述的特征如作适当变动，可以应用于任何其他方面。此外，除非相互排斥，否则本文中描述的任何特征可以应用于任何方面以及/或者与本文中描述的任何其他特征组合。

附图说明

现在将参考附图仅以举例的方式来描述实施方案，其中：

图1是气体涡轮引擎的截面侧视图；

图2是用于涡轮风扇引擎的控制系统布置结构的示意图；

图3是用于飞行器的混合电动推进系统的示意图；

图4和图5是推力需求和由发电机和电力储存单元供应的电力随时间变化的示意性曲线图。

图6是气体涡轮内的高压区的示意图；

图7是用于控制混合电力系统的控制系统的示意图；并且

图8是操作混合电力系统的方法的示意性流程图。

具体实施方式

参考图1，气体涡轮引擎通常用10表示，具有主要旋转轴线11。引擎10以轴流式串联方式包括进气口12、推进式风扇13、中压压缩机14、高压压缩机15、燃烧器16、高压涡轮17、中压涡轮18、低压涡轮19和排气喷嘴20。短舱21通常围绕引擎10并限定进气口12和排气喷嘴20。

气体涡轮引擎10以常规方式工作，使得进入进气口12的空气被风扇13加速以产生两股气流：进入中压压缩机14的第一气流和通过旁路管道22以提供推进推力的第二气流。中压压缩机14在将空气输送到高压压缩机15(其中发生进一步的压缩)之前，压缩引导至其中的气流。

从高压压缩机15排出的压缩空气被引导至燃烧器16中，在那里压缩空气与燃料混合，并且混合物被燃烧。然后，所得的热燃烧产物在通过喷嘴20排出之前通过高压涡轮17、中压涡轮18和低压涡轮19膨胀，从而驱动高压涡轮、中压涡轮和低压涡轮以提供额外推进推力。高压涡轮17、中压涡轮18和低压涡轮19各自通过合适的互连轴分别驱动高压压缩机15、中压压缩机14和风扇13。

本公开可应用的其他气体涡轮引擎可具有另选配置。以举例的方式，此类引擎可具有另选数量的互连轴(例如，两个)和/或另选数量的压缩机和/或涡轮。另外，该引擎可包括设置在从涡轮到压缩机和/或风扇的驱动系中的齿轮箱。

图2示出了用于常规民用涡轮风扇引擎201的示例控制和监测系统200。引擎201由电子引擎控制器(eec)202和引擎监测单元(emu)203控制，emu203从监测传感器204获取输入，并且eec202从控制传感器205获取输入。eec控制引擎执行器206的操作以控制引擎201的操作。emu203和eec202也连接至机身航空电子设备207，该机身航空电子设备具有用于飞行器的其他部分的监测和控制以及用于向引擎201提供推力需求的其他控件、执行器和传感器。

在用于混合电动飞行器推进系统的控制系统中，需要解决控制的三个方面。第一，混合电力系需要以考虑气体涡轮引擎的可操作性约束的方式进行控制。第二，飞行器飞行控制系统的控制，具体地讲与推力的控制相关，需要与混合电力系集成。第三，飞行管理系统需要与混合电力系集成。

图3示出了基本混合电动飞行器推进系统300的示意图。电动推进单元或引擎301包括通过中轴304连接到电动马达303的风扇302。与常规的气体涡轮引擎一样，引擎301包括围绕风扇302和马达303的短舱305。引擎303通过控制器306内的电力电子器件提供电力，该控制器连接到可包括电池、超级电容器或两者的组合的电力储存单元307。

控制器306也连接到发电机308和气体涡轮引擎309。该气体涡轮引擎309驱动发电机308以产生电力，控制器306在电力储存单元307和电动马达303之间分配该电力。在一些条件下，电动马达303也可充当发电机，例如当需要减小推力并且引擎301的向前运动驱动风扇302直到达到所要求的风扇速度时。然后可从马达303获取能量并将其储存在电力储存单元307中。

控制器306从提供推力或风扇速度需求的飞行器控制系统(未示出)获取输入。然后，控制器306通过平衡气体涡轮引擎309和具有电力储存单元307的发电机308的使用来管理如何实现需求。例如，当接收到需求梯度增大时，控制器306可使用电力储存单元307向马达303提供立即增大的电力，而气体涡轮引擎309则被更缓慢地上电以适应气体涡轮309的不同性能。一旦气体涡轮引擎309达到所要求的功率输出水平，则从发电机308和电力储存单元307获得的电力平衡可以改变，使得所有电力来自发电机308，并且额外电量可被用于对电力储存单元307进行再充电。

控制器306可平衡气体涡轮引擎309的操作与电力储存单元307的方式取决于气体涡轮引擎309的特定特性。典型的气体涡轮动态可简化为与燃料燃烧以及由此产生的操作成本相关的两个不同组的集合：轴电力动态和尖端间隙动态。轴电力动态与供应的燃料和所得的轴速度之间的关系相关。在这种关系中可涉及1到10秒数量级的时间常数，导致工作线偏移和可操作性驱动的约束。尖端间隙动态为高压(hp)叶片尖端和周围壳体之间的间隙的短期变化。以大于风扇速度的约0.1％每秒的速率发生的引擎电力水平的改变通常不能使用当前的主动尖端间隙系统准确跟踪，这可导致叶片尖端和壳体之间的接触或在尖端和壳体之间产生次优间隙。增大叶片尖端和壳体之间的公差可减少这种情况，但是代价是效率显著降低。因此，有利的是能够在允许引擎电力快速变化的同时将尖端间隙保持在减小的公差内。

气体涡轮引擎动态

气体涡轮引擎动态在第一实例中可建模为

其中nh为涡轮速度，wf为燃料流，f(nh)和g(nh)为涡轮速度的函数。

低压(lp)涡轮扭矩τt可定义为：

τt＝h(nl，nh，p0，p30)[公式2]

其中nl为风扇速度，p0为入口压力，p30为hp出口压力。

尖端间隙动态可被分解为四个时间常数：区段增长、叶片增长、壳体增长和盘增长，所有这些都取决于引擎电力水平，叶片增长和盘增长也具有与旋转速度的平方成比例的离心分量。这些动态在授予lewis的us9,546,564中进一步详细描述，其公开内容在此以引用的方式并入本文。

如lewis所述，当引擎开启时，引擎开始加热，并且盘状件和叶片开始旋转，这导致所有旋转部件径向增长。由于叶片的旋转以及其相对小的质量，转子叶片倾向于更快地并且基本上瞬时地增长少量。盘以相对大的量向外径向增长，例如转子叶片的三倍，并且具有较长的时间常数，例如约100秒。相对较大的并且不旋转的壳体以相对大的量增长，例如约转子叶片的三倍，但是具有长的时间常数，例如约50秒。

区段组件可限定壳体的内表面，由沿周向排列的多个不连续的区段组成。该区段组件可被主动地或被动地控制以径向向内或向外移动，从而改变叶片尖端和区段组件之间的间隙。该区段组件以小量增长，例如转子叶片经历的生长的三分之一，但是具有中等时间常数，例如约15秒。在加热时，区段组件径向向内生长，而壳体、盘状件以及转子叶片则径向向外增长。因此，间隙在快速加速和减速阶段减少。为了减少间隙的变化，已知可提供主动或被动尖端间隙控制布置结构，例如通过向壳体提供冷却空气以减小其直径或延迟其增长。另选地，可机械移动区段组件以改变间隙。lewis中描述的一种主动控制尖端间隙的方法可与本文所述的方法结合使用，以进一步减少尖端间隙的变化。

电力储存动态

电力储存单元具有能量状态e，该能量状态需要保持在最低能量状态emin之上，能量耗尽取决于电池提供的瞬时电力pd，即：

电机的动态

电机具有与其惯性相关联的动态和与电路(包括电力电子器件)相关联的动态，以产生磁场。电路和/或电力电子器件动态比气体涡轮中遇到的那些快若干数量级。因此，出于该分析的目的，发电机308和电动马达303都可以被认为是简单的惯性负载，其中扭矩与由电力电子器件调控的电流成比例，使得：

其中jm、jfan、jt、jg分别为马达、风扇、涡轮(lp涡轮通常附接到发电机)和发电机的惯性，im、ig分别为马达电流和发电机电流(其由控制器306中的电力电子器件控制)，并且τt为lp涡轮产生的扭矩。

快速瞬态期间的控制

在飞行器操作、接近或实现阶段爬升期间，将需要飞行器飞行控制系统的推力的快速改变。这将通过增大到电动马达303的电流(并因此增加电力供应)以向风扇302供应增加的电力来实现。电力可单独来自电力储存单元307，或通过加速气体涡轮309以驱动发电机308，或两者的组合。加速(或减速)气体涡轮309将导致工作线偏移和尖端间隙偏移，这两者都将影响设计的标称稳态操作点。例如，在短时间段内(诸如在几秒内)将气体涡轮发电机从巡航状态加速到最大爬升状态，将造成临时性尖端间隙偏移，这意味着稳态间隙将需要被设计为大于最佳值以适应这种情况，由于叶片尖端周围的损失增加，可导致燃料效率损失为约0.1％至约1％。由于较长持续时间的较慢加速，例如为60秒而非几秒，尖端间隙偏移可被设计为零或忽略不计的小，但是这种延迟对于常规的涡轮风扇气体涡轮引擎是不可接受的。

实现相同推力加速度要求的替代方法是设计一种控制器，该控制器可使用电力储存单元307和发电机308两者传送所要求的电力prequired，使得

prequired＝pbat+pgen[公式6]

其中pbat为来自电力储存单元307的电力，而pgen为来自发电机308的电力。

所要求的电力受到各种约束，诸如那些与电力储存单元207的使用相关联的约束、尖端间隙约束或工作线约束，这些约束可表示为：

e(t)≥emin[公式8]

pbat≤pbat，max[公式9]

换句话讲，风扇速度的变化率(nh)需要小于或等于上限x，电力储存单元307中剩余的电能需要大于或等于最小能量阈值emin，并且从电力储存单元307汲取的电力需要小于或等于最大电力极限pbat,max。

一种简单的策略可包括以最大电力pbat,max耗尽来自电力储存单元307的能量，直到剩余的能量达到emin，然后通过发电机308使来自气体涡轮309的电力斜线上升。在这种情况下，当命令加速时，气体涡轮上的尖端间隙被打开(通过闭合尖端间隙阀，减少供应到壳体的冷却)，允许间隙在气体涡轮309被加速之前膨胀。如果从电力储存单元307汲取的最大电力不足，则一种策略可以是以补充所要求的电力的速率增加从气体涡轮309汲取的电力，以便满足公式6。

虽然以上是可能适用于单个混合电力系解决方案的简单策略，但它们(a)可能不是最佳的；并且(b)可能很难在多储存和/或分布式推进解决方案中实现。

要实现完全最优性，需要基于模型的解决方案。有许多方法可以实现这一点，例如通过庞特里亚金最小值原理的最优控制、动态编程等，但一种选择是使用预测控制框架，以便在满足这些约束的同时使燃料燃烧最小化。针对最优控制解决方案使用模型预测控制(mpc)的优点是，可在每个瞬间重新计算解决方案，同时考虑装置反馈和期望的参考轨迹。然后问题变成将以下函数最小化：

其中α和β为常数，ωd和ωfan为命令的且实际的旋转速度，pbat为传输至或自电力储存单元的电力，并且wf为供应给气体涡轮的燃料的测量值。燃料的测量值可以是供应的实际燃料的代理，或者可以是供应给气体涡轮的燃料的实际测量结果。

上述函数在受下列约束的情况下被最小化：

ebat(t0)≥emin[公式11]

e(t)≥emin[公式14]

pbat≤pbat，max[公式15]

以及如上所述的引擎/发电机/马达动态。涡轮速度nh的变化率代表气体涡轮的尖端间隙变化极限等。

在计算机上实现上述解决方案需要将模型离散化，这样函数就变成：

受到下列约束：

ebat(k+i|k)＝ebat(k+i-1|k)-pbat(k+i-1|k)δt[公式17]

z(k+i|k)＝z(k+i-1|k+ωd(k+i|k)-ωfan(k+i|k)[公式18]

nh(k+i|k)-nh(k+i-1|k)≤x[公式19]

nl(k+i|k)-nl(k+i-1|k)≤y[公式20]

e(k+n|k)≥emin[公式21]

pbat(k+i|k)≤pbat，max[公式22]

nh(k+i|k)＝nh(k+i-1|k)+(f(nh)+g(nh)wf)δt[公式25]

在从第一时间间隔i＝1到第(n-1)个时间间隔的多个时间间隔上计算公式16的和，其中i＝n-1。

在以上关系式中，风扇速度被用作推力的代理参数，因为这更容易直接测量。另选地，其他参数诸如引擎301上的压力差值、引擎301的旁路管道内的压力或基于模型的估计可用作推力的代理。

在本实施方案中，nh和nl的变化率被用作间隙变化的代理，从而提供计算优点和实施优点。另选地，可使用例如lewis(参见上文)中描述的全尖端间隙模型。

上文定义的优化问题为非线性编程问题，因为涡轮速度性能是非线性的，并且可通过本领域技术人员将理解的多种方法来解决。然而，与非线性问题相关联的计算复杂性可能妨碍在实时环境中以足够速度执行，因为不能在有限时间内保证最优性和收敛性。为了降低计算复杂性，另选地，引擎动态可近似为围绕一连串的涡轮速度操作点的一组分段线性模型。在操作中，控制器306可通过将开始参数和结束参数输入到查找表中来获得优化的解决方案，该查找表返回操作参数以使控制器306能够从电力储存单元307和发电机向电动马达303提供先前已计算过以最小化上述函数的电力。

总的来说，控制器306被构造成响应于推力变化的命令而向电动马达303提供电力，该推力变化平衡从电力储存单元307和由气体涡轮309驱动的发电机308提供的电力。这样做可使叶片和气体涡轮的壳体之间的尖端间隙保持在预定公差内。例如，尖端间隙可设计成在0.1毫米到1毫米的范围内，具体取决于引擎的应用和类型。在标称尖端间隙周围保持较低公差允许叶片和壳体被设计成具有较小标称间隙，从而提高燃料效率。

在图4中示意性地示出了推力需求增加时电力随时间变化的示例。在时间t1处，从t1到t2的推力需求401的增大由控制器306接收，该推力当前完全由来自发电机308的电力满足。然后，控制器306通过最小化上面提供的函数或通过将要求输入到预先计算的函数的查找表中来确定从电力储存单元307和发电机308获得的电力之间的最佳平衡。然后，由电力储存单元307供应的电力402立即斜升以初始地满足推力需求的增大，而由发电机供应的电力403由于对于气体涡轮的速度变化的约束而更缓慢地增加。随着从发电机308汲取的电力增加，从电力储存单元307汲取的电力减少，直到在时间t2处所有电力再次由发电机308提供。然后可从发电机汲取额外的电量以对电力储存单元307进行再充电。

在图5中概述了相反情况，其中提供了从t2到t1的推力需求的减小，并且控制器确定来自发电机308的电力403和传输至电力储存设备单元307的电力402之间的最佳平衡。在这种情况下，电力储存单元307汲取电力，并且当发电机提供的电力逐渐减少时该汲取到的电力逐渐减少到零。

图6示意性地示出了气体涡轮的高压(hp)区，其中多个叶片601安装到转盘602。传入的热气流603驱动叶片601和盘状件602，然后通过中轴604驱动气体涡轮309和发电机308。壳体605围绕叶片601和盘状件602，该盘状件设置有空气冷却流606。通过一个或多个阀(未示出)对空气冷却流的控制允许对壳体温度的控制，并且因此允许对叶片尖端和壳体605的内表面之间的间隙607的控制程度。

图7示出了用于实现本文所述的优化方法的示例控制系统700。将风扇速度需求连同风扇速度的电流值一起输入到模型预测控制器701，该模型预测控制器确定优化的操作规范以实现所要求的需求。控制器701提供控制输出，该控制输出控制燃料流wf的测量值和汲取至电池或从电池到驱动风扇703的混合电力系统702(即，该系统包括图3的发电机308、气体涡轮309和电力储存单元307)的电力pbat。

图8为示出了根据本公开的操作混合电力系统的示例方法的示例性流程图。在第一步骤801中，推力变化的需求由控制器接收。然后，控制器(步骤802)在一时间段内确定使函数最小化的操作规范，该函数包括对气体涡轮的燃料供应、自或至电力储存单元的电力的传输、以及电流和所需推力的测量值之间的差值。然后，控制器(步骤803)根据在该时间段内确定的操作规范来操作电动马达、气体涡轮和电力储存单元。

应当理解，本发明不限于上述实施方案，并且在不脱离本文中描述的概念的情况下可进行各种修改和改进。除非相互排斥，否则任何特征可单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本公开扩展到并包括本文中描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。