计算和评估发动机排放的运行支持系统和方法

摘要

本发明涉及计算和评估发动机排放的运行支持系统和方法。根据一个实施例，提供一种用于发动机的运行支持系统。一个诊断单元，其被构造为接收来自发动机的发动机数据，并根据发动机数据采用热动力学模型生成状况指示，所述热动力学模型基于与发动机相关联的部件映射。一个排放计算单元，其连接到诊断单元并被构造为基于所述状况指示计算发动机的排放信息。一个图形用户界面，其连接到排放计算单元并被构造为显示所述排放信息。

说明书

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机的运行支持，更具体地，涉及计算和评估发动 机排放的运行支持系统和方法。

背景技术

确定和燃气涡轮发动机的运行相关的排放是期望的。这些排放目前是根据 发动机制造商提供的信息来估计，通常是针对发动机额定工况和运行进行估计。 或者，可以根据排气系统中排放传感器的采样进行估计。传统的排放估计不够 精确。发动机的实时排放和许多参数相关，包括燃料、运行速度和其他运行特 征，以及各个发动机特征。常规的估计可能未捕获所有的这些参数。

如果飞行员能知道关于发动机排放的实时信息，那么驱动飞行器的燃气涡 轮发动机的运行将得到明显的改善。例如，知道所述排放可以实现运行改变以 改善排放、提供关于发动机的健康信息、和/或能够更好地符合环境规范。

所以，期望能提供产生改进的排放信息的改进的运行支持系统和方法。另 外，通过后面结合附图和背景技术对本发明进行的详细描述以及权利要求，本 发明的其他期望的特征和特质会更加明显。

发明内容

根据一个示例性实施例，一种发动机的运行支持系统被提供。一个诊断单 元被构造为接收来自发动机的发动机数据并采用热动力模型根据所述发动机数 据产生状况指示，所述热动力模型基于和发动机相关的部件映射。排放计算单 元被连接到诊断单元并被构造为根据所述状况指示计算发动机排放信息。图形 用户界面被连接到排放计算单元并被构造为显示所述排放信息。

根据另一个示例性实施例，提供一种支持发动机运行的方法。该方法包括 收集发动机数据；根据发动机数据采用基于与发动机相关联的部件映射的热动 力模型产生状况指示；根据状况指示产生发动机排放信息；在图形用户显示器 上显示排放信息。

附图说明

本发明将结合下面的附图被详细描述，图中相同的数字表示相同的零件， 其中：

图1是根据示例性实施例的飞行器系统的框图；

图2是根据示例性实施例的支持和维持发动机运行的运行支持系统的框图；

图3是根据示例性实施例呈现在图2的运行支持系统的图形用户界面上的 可视显示的示意图。

具体实施方式

下面的详细说明仅仅是本质上的示范，并不表示限制本发明或者本发明的 应用与使用。另外，不受在前面背景技术或者后面详细说明中出现的理论的约 束。

大致上本文所讨论的示例性实施例涉及运行支持系统和方法。特别地，该 实施例包括从飞行器发动机接收发动机数据并采用热动力模型根据发动机数据 生成发动机排放信息的发动机诊断单元。所述热动力模型基于部件映射并可以 根据标量被修正。排放信息被用于改变发动机运行和/或减少发动机排放。

图1是根据示例性实施例的飞行器系统100的框图。总体上，飞行器系统 100包括发动机系统110和运行支持系统120。发动机系统110包括燃气涡轮发 动机，比如飞行器发动机。在一个示例性实施例中，发动机系统110包括给燃 烧室供应压缩空气的压缩机。压缩空气在燃烧室内和燃料混合并被点燃以产生 燃烧气体。燃烧气体被导向抽取能量的高压和低压涡轮机例如以提供马力。总 体上，本文公开的所述系统100可以与任意的燃气涡轮机配置一起使用。在一 个示例性实施例中，发动机系统110是飞行器比如直升机的燃气涡轮发动机。 如下面详细所述，运行支持系统120被用于支持单个发动机系统110或多个发 动机比如一队飞行器。

运行支持系统120通常支持并维持发动机系统110的运行。例如，运行支 持系统120处理来自发动机系统110的发动机数据；为飞行员、维修组和其他 感兴趣方提供关于发动机系统110的信息；任选地，控制发动机系统110的运 行。如下面所述，运行支持系统120还提供关于排放的信息，包括实时或当前 的排放信息和排放预测。

通常，运行支持系统120是机载设置。但是运行支持系统120的任意部件 可以替换地是非机载的，或者机载和非机载的组合。在一个示例性实施例中， 运行支持系统120被嵌载在飞行器上的全权限数字发动机控制(FADEC)、发动 机控制单元(ECU)或健康与使用监视系统(HUMS)单元内。

图2是图1的运行支持系统120更为详细的框图。如所示，运行支持系统 120包括多个功能单元或模块210，220，230，240，250，260，270，280和290。 每个单元210，220，230，240，250，260，270，280和290包含或者共享实现 下面将详细描述的各个和整体功能所必需的处理部件。作为一些例子，处理部 件包括带有合适逻辑回路、存储器、软件和通信总线的数字计算机或微处理器， 从而能在下面所讨论的单元内储存和处理模型。

如下面所述，运行支持系统120接收来自飞行器不同部分的数据，这些数 据可以由机载设备生成，或者接收自非机载的外部系统、飞行器或地面操作。 具体地，运行支持系统120可以接收来自例如驾驶舱、飞行员或其他系统的飞 行器仪表数据和来自发动机系统110(图1)的发动机仪表数据。运行支持系统 120还可以接受来自设置在发动机排气装置上或附近的排放传感器252的排放 信息和来自GPS单元262的定位信息。

在一个示例性实施例中，运行支持系统120包括诊断发动机模型单元210， 其接收作为输入参数的飞行器仪表数据和发动机仪表数据。例如，飞行器仪表 数据和发动机仪表数据可包括与发动机或飞行器相关任何合适类型的数据，比 如以下一种或多种：发动机运行小时；静压；总压；发动机系统110(图1)内 不同位置的温度，比如压缩机入口或出口、燃烧室和涡轮机；气体产生器速度； 发动机转矩；发动机转矩传感器电压；耐油球的温度；计量的燃料流。其他发 动机数据可包括飞行器的标定空气速度，环境温度和环境总压。通常，这些系 统110和120可用的任意和所有参数都能被模型单元210所用。诊断发动机模 型单元210通常评估输入参数并生成诊断指示。

诊断发动机模型单元210的诊断模型发展出针对每个发动机的主要发动机 部件的标量。诊断标量被收集、分析趋势和被统计地以及以其他方式评估从而 产生针对每个部件的大范围标量，这些标量此时表示该部件的真实的各个方面。 这些部件通常是但不限于发动机系统110(图1)的空气动力学旋转部件，它们 在发动机模型内以基本形式由映射表示。在一个实施例中，诊断发动机模型单 元210提供信号调节比如范围内和信号有效性检查，单位转换，缩放比例，过 滤/采样和稳态检测。诊断发动机模型单元210提供诊断指示给数据趋势和储存 单元240，如下面更详细所述。

来自诊断发动机模型单元210的诊断指示还被提供给发动机专用模型单元 220。发动机专用模型单元220包括用于稳态发动机诊断的发动机系统110(图 1)的高保真数学表达。该数学表达被称为发动机专用模型。来自诊断发动机模 型单元210的诊断指示通过发动机专用模型的处理生成诊断标量(或状况指示/ 发动机参数)，如下面所述。如上所述，诊断标量在诊断发动机模型中被开发。 诊断标量被用于发动机专用模型单元220时，该单元与诊断发动机模型单元210 相似但是没有该模型的诊断能力，当产生诊断标量时该模型成为发动机特有的 模型。换句话说，此时该模型是一种发动机专用模型并且仅代表在那个时点的 特定发动机。

通常，发动机专用模型嵌入运行支持系统120以连续地监视发动机的健康 和/或其他类型的发动机属性。通过在诊断模型内将作为诊断标量的具体部件参 数适应到测量的发动机状态来实现发动机诊断。

在发动机专用模型单元220的一个实施例中，标量是预期的发动机状态和 实际发动机状态之间的差。这些差可能是发动机与发动机之间的不同和/或发动 机部件侵蚀所造成的。在一个实施例中，这些标量可表示涡轮叶片的侵蚀。这 些标量可以被用作系数、偏差和加法器以用于调节模型空气-热动力学表达。作 为一个实施例，这些标量能缩放发动机部件的空气流和效率从而和所测量的数 据匹配。所述的匹配过程通过执行自适应算法来完成，该算法使用所述标量迭 代地调整或适应额定的发动机部件效率。所以，热动力学发动机模型精确反映 了随时间的实际发动机性能，该模型被改进作为发动机专用模型。

发动机专用模型单元220的模型在发动机系统110(图1)的整个运行范围 内是完整的。该模型忠实于实际燃气涡轮发动机系统110(图1)的工作，相对 于被认为是“额定的”发动机的部件级以及发动机级性能改变的显现都优于经 验的基于算法的模型。相比之下，经验的基于算法的模型的相互作用很容易变 得偏离或者失真于“真实”性能，但在分析来自这样系统的模型所生成的结果 时这种失真本质上并不是显而易见的。部件级的基于映射的空气-热动力学物理 模型在发动机的寿命跨度中要稳健和准确的多，并产生保真度更高的部件的表 示。

总的来说，发动机专用模型单元220采用一个或者多个部件级的基于映射 的空气-热动力学模型来获得表征特定发动机的部件级映射标量，这进而生成发 动机专用模型，该模型是发动机自身的高保真表示。该发动机专用模型单元220 给数据趋势和储存单元240提供发动机诊断标量，如下面更详细所述。该发动 机专用模型单元220可以和采用数学等式来试图开发发动机中一个参数和一个 或多个参数之间的关系的基于算法的系统形成对比。这些常规模型在发动机随 着时间流逝偏离“额定”状态或者进入更加极端的操作，远离算法的开发基础 时会失去准确度。相比而言，发动机专用模型单元220的模型以与基于映射的 部件专用模型相同的方式表示发动机中真实的空气-物理关系。因为部件映射最 早是利用高保真设计实践和工具进行研发，然后在部件的整个运行范围内在严 格受控“设备”中进行广泛地测试，后来通过多次高度仪表化、高度受控的发 动机级测试在发动机中得多确认，所以基于映射的部件能提供有利的燃气涡轮 发动机及其相关性能的表示。

预测单元230接收来自发动机专用模型单元220的发动机诊断标量，然后 用类似于发动机专用模型单元220的模型的热动力学模型评估这些标量，除了 预测单元230的热动力学模型不会对发动机数据做出反应。所以，预测单元230 可具有类似于发动机专用模型单元220的模型，但是这个模型是预测性的。具 体来说，预测单元230分析部件标量的整体趋势，并将诊断标量从现在投射到 将来的某个时间，从而建立发动机专用预测模型来预报在用户提供条件下的发 动机性能来作为预报指示。在“预测”模式下，该模型不再是“发动机专用”， 而是“未来发动机专用”模型。所以，预测单元230的模型被用于预测在特定 的额定条件下(例如入口温度，高度，功率，安装构造等等)的发动机性能， 从而产生预报指示。来自预测单元230的预测发动机性能还被提供给数据趋势 和储存单元240。被分析趋势的输出包括发动机输出性能，比如温度，燃料流， 速度和功率，以及特定部件效率，空气流和压比。

排放计算单元250接收来自排放传感器252的排放数据，来自发动机专用 模型单元220的发动机诊断标量，以及来自预测模型单元230的预报指示。然 后，排放计算单元250计算发动机系统110的实时排放。所嵌入的排放计算可 以凭经验建立以使用相关的气体路径参数，从而准确地计算发动机排放。例如， 排放计算可以在整个发动机系统的范围上使用合适的气体性质，气体分子成分， 气体温度和压力以及流量，以及燃料流量，温度和性质。排放的准确计算可以 使用来自前述单元210，220，230的温度、压力、流量和燃料流量。该模型可 更容易地适合于采用这些模型生成的信息来进行准确排放计算。如果有新的信 息可用，这些排放计算的编码可以被升级或修改。

如上所述，运行支持系统120还接收来自排放传感器252的排放数据，排 放传感器可以被视为或者可以不被视为运行支持系统的一部分。排放传感器可 包括检测例如NOX，CO，CO2，颗粒物，未燃烧烃的传感器，这些传感器最 通常地用于对发动机排气流进行采样。排放计算单元250还可以在排放计算中 利用来自排放传感器252的排放采样来重新标定排放计算单元250的排放计算 例程，从而使得计算精确，和/或作为针对计算得到的排放的有效性检查。这种 标定可发生在飞行设备设置或地面设备设置中，在维护期间，或其他任何种类 的工作台测试设备。在有些实施例中，排放传感器252可以省略，所述标定可 以通过其他机构获得。

排放计算单元250还可以估计未来发动机使用的排放，例如，通过使用来 自预测单元230的预报指示。排放计算单元250给数据趋势和储存单元240提 供实时排放和预测排放。例如，排放信息可以连同飞行器航电设备或其他定位 系统被考虑，从而在整个实际飞行航线上追踪排放输出。虽然示出的是作为一 种分离的单元，但在其他实施例中，排放计算单元250可以和发动机专用模型 单元220整合成一体。

排放信息还被提供给排放限制单元260。排放限制单元260将预测的和/或 实时的排放与关于这种排放的合适的规则、法律和规定(例如，通常是“标准”) 进行比较。在一个示意性实施例中，排放限制单元260还接收来自GPS单元262 的飞行器当前位置或预测位置，GPS单元可以视为或者不视为运行支持系统120 的一部分。所以，排放限制单元260可以将预测的和/或实时的排放与具体位置 的标准进行比较，从而产生排放符合信息。

来自排放限制单元260的排放符合信息被提供给发动机控制单元270。发动 机控制单元270可以评估该排放符合信息从而确定是否修改发动机运行以降低 排放和/或遵守适用的排放标准。例如，利用关于当前排放的信息，通过采用可 用发动机可控变量来执行对这些排放的控制，从而在满足发动机输出需求和/或 调整发动机输出的同时改变发动机状态。在一个实施例中，运行修改包括改变 发动机速度、可变几何尺寸、发动机放气、燃料流量、燃料选择、排气参数和/ 或环境变化。另外，如下面所述，发动机控制单元270可以自动地进行这些调 整和/或建议飞行员干涉或选择发动机运行模式。在一个实施例中，发动机控制 单元270可以改变发动机运行的多个变量中的一个，直到达到所需的排放水平， 同时仍然保持重要边界，比如输出功率，发电机频率，放气流量等等。发动机 控制单元270在评估和/或实施适当的响应时也考虑来自GPS单元262的定位。

排放信息和排放符合信息可以被提供给例如，设置在飞行器驾驶舱内的图 形用户界面(GUI)290供飞行员考虑。GUI290通常包括显示本文描述的信息 的任何合适的显示设备以及和运行支持系统120相互作用的输入设备。所述显 示可包括为给飞行员或其他飞行机组成员提供能可视化地表现彩色或单色飞行 信息的任何合适类型的显示媒体，比如，各种CRT和平板显示系统(例如，CRT 显示器，LCD显示器，OLED显示器，等离子显示器，投影显示器，HDDs， HUDs等)。GUI290可以作为主飞行显示器和/或多功能显示单元的一部分。

如上所述，数据趋势和储存单元240可以接收来自多个源的数据，包括来 自发动机(例如发动机系统110)的输入参数，来自诊断发动机模型单元210 的诊断指示，来自发动机专用模型单元220的发动机参数，来自预测模型单元 230的预报指示，和来自排放计算单元250的排放信息。数据趋势和储存单元 240提供这种数据的分箱和储存，以及用于历史分析或随时间的排放性能的统计 分析和趋势分析。例如，来自GPS单元262的飞行器定位被用作可趋势分析的 参数。排放计算的数据趋势分析被用来提高这些数字的置信度。

作为历史单元，系统120不仅提供发动机在任意选定时间的排放率的证明， 还提供在选定的时间段比如耗费在特定地点(例如机场)的时间内累计排放的 证明。通过排放的历史记录、针对时间的趋势分析、使用等级、和地点，可以 预测未来的排放水平。通过这种方式，发动机在违反排放规定前被指示需要维 护动作，或者被选择用于其他用途。数据的趋势分析还提供了如果被确定为异 常而去除某些数据或预测的机会。通过合适的以往发动机性能和排放的数据库， 可以对这些历史进行任意次数的投射和使用。

在一个实施例中，维护单元280可考虑在数据趋势和储存单元240中进行 的对运行支持系统120所收集和生成的数据的统计分析，从而确定发动机是否 需要维护。例如，这些数据可以导致地面班组调整飞行器的维护计划表和/或采 取关于排放问题的矫正行动。

图3是根据一个示意性实施例呈现在GUI290上的可视化显示300。可视化 显示300包括前面所讨论的参数，输入和/或输出中任一个，包括健康指示，发 动机输入数据，诊断标量，维护信息等等。在该实施例中，可视化显示300包 括排放信息310。排放信息310包括水平轴表示的时间和垂直轴表示的数量(例 如，CO2的磅数)。如上所述，排放信息310基于GPS单元262所提供的定位 和排放限制单元260提供的标准。如所示，随着时间计算排放，如线320所表 示。如上所述，排放信息可根据飞行器的位置和适当的排放标准被绘制，如用 线312，314，和316所表示。在所示的实施例中，当飞行器在US和国际空域 飞行时，在航程的起始阶段排放被估计在适当的标准之内。但是，当飞行器进 入EU时，标准更为严格，当前的排放就超出该实施例中适当的标准。当目前 的排放超出标准时给飞行员或用户提供警告340。在图3中，目前的时间由线 318表示，排放信息310进一步估计未来的排放(虚线330表示)，从而提供关 于飞行器未来性能的指示。如图3所示，可期望排放在相应的标准316以下。 在其他实施例中，所建议的或自动的发动机控制修正(例如由发动机控制单元 270提供)被显示在显示器300上。所述信息的例子包括“减少供油”、“调整速 度”和/或“修正航线”。

所以，通过连续地给飞行员显示排放状况，防止无意的排放，而且能实现 排放的符合或减少排放，运行支持系统120能改善发动机运行。这减少了飞行 员或机组的工作负担，减少了排放，并提高了对周围环境的认知。

如上所述，运行支持系统120结合飞行器发动机被描述。但是，也能提供 其他类型发动机的应用。可用的发动机应用包括，但不限于，飞机推进(风扇， 涡轮喷射器，涡轮轴，涡轮推进器)，直升机推进(涡轮轴)和飞行器辅助动力 单元，地面动力单元，发电机组，船载动力系统和工业燃气轮机。

虽然在前面的描述中已经展示了本发明的至少一个实施例，但是应当明白 还存在大量的变型。应当明白所述的一个实施例或者多个实施例仅是示范性的， 并不表示以任何方式限制本发明的范围，应用或构造。相反地，前面的详细描 述给本领域技术人员提供了实施本发明示意性实施例的常规路径。应当明白在 不脱离权利要求所限定的本发明范围的前提下还可以对实施例中所描述的元件 布置和功能作出多种改动。