具有燃料电池的推进系统的通用控制的制作方法

1.本公开涉及用于燃气涡轮发动机的推进系统的通用控制的系统和方法，该推进系统包括燃料电池。


背景技术：

2.燃气涡轮发动机大体上包括涡轮机和转子组件。燃气涡轮发动机(诸如涡轮风扇发动机)可用于飞行器推进。在涡轮风扇发动机的情况下，涡轮机包括处于串行流动顺序的压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段，并且转子组件被构造为风扇组件。减轻燃烧器可操作性问题的可用自由度可能会影响发动机的可操作性范围。基于可用于控制可操作性问题的多个自由度，发动机可能面临各种限制。
附图说明
3.在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本公开的完整且可行的公开，包括其最佳模式，其中：
4.图1是根据本公开的示例性方面的燃气涡轮发动机的横截面视图。
5.图2是根据本公开的集成燃料电池和燃烧器组件的立体图。
6.图3是图2的示例性集成燃料电池和燃烧器组件的示意轴向视图。
7.图4是根据本公开的示例性方面的燃料电池组件的燃料电池的示意图，该燃料电池可并入图2的示例性集成燃料电池和燃烧器组件中。
8.图5是根据本公开的示例性方面的包括集成燃料电池和燃烧器组件的燃气涡轮发动机的示意图。
9.图6是根据本公开的示例性方面的运载器和推进系统的示意图。
10.图7是描绘根据本公开的示例性方面的基于一个或多个发动机约束的燃料电池子系统的控制的流程图。
11.图8是描绘根据本公开的示例性方面的一个或多个发动机约束的可操作性指示器的图表。
12.图9是描绘根据本公开的示例性方面的多个发动机约束的可操作性指示器的图表。
13.图10是根据本公开的示例性方面的控制系统的示意图。
14.图11是根据本公开的另一个示例性方面的控制系统的示意图。
15.图12是根据本公开的又一个示例性方面的控制系统的示意图。
16.图13是描绘根据本公开的示例性方面的操作推进系统的方法的流程图。
具体实施方式
17.现在将详细参考本公开的当前实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标号来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似的标号已用于指
代本公开的相似或类似部分。
18.本文使用词语“示例性”来表示“用作示例、实例或例释”。本文描述为“示例性”的任何实施方式不一定被解释为优于或好于其他实施方式。此外，除非另有明确说明，否则本文描述的所有实施例都应视为示例性的。
19.为了下文描述的目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“竖直”、“水平”、“顶部”、“底部”、“侧向”、“纵向”及其派生词应与它们在附图中被定向时的实施例相关。然而，应当理解，实施例可以假定各种替代变型，除非明确指明相反。还应理解，附图中示出的以及在以下说明书中描述的具体装置仅是本公开的示例性实施例。因此，与本文公开的实施例相关的特定尺寸和其他物理特性不应被视为限制性的。
20.如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用，以使一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
21.术语“前”和“后”是指燃气涡轮发动机或运载器内的相对位置，并且是指燃气涡轮发动机或运载器的正常操作姿态。例如，对于燃气涡轮发动机，前是指更靠近发动机入口的位置，而后是指更靠近发动机喷嘴或排气口的位置。
22.术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流动的方向，“下游”是指流体向其流动的方向。
23.除非本文另有指定，否则术语“联接”、“固定”、“附接到”等既指直接联接、固定或附接，也指通过一个或多个中间部件或特征的间接联接、固定或附接。
24.除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数引用。
25.在例如“a、b和c中的至少一个”或“a、b或c中的至少一个”的上下文中的术语“至少一个”是指仅a、仅b、仅c，或a、b和c的任何组合。
26.如在整个说明书和权利要求书中使用的近似语言被应用于修饰可以允许变化而不会导致与其相关的基本功能发生改变的任何定量表示。因此，由诸如“约”、“近似”和“基本上”的术语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度，或用于构造或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近
27.似语言可以指在1％、2％、4％、10％、15％或20％的裕度内。这些近似裕度可应用于单个5值、限定数值范围的任一端点或两个端点、和/或端点之间的范围的裕度。
28.在此以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换，除非上下文或语言另有指示，否则此类范围被识别并包括其中包含的所有子范围。例如，本文公开的所有范围都包括端点，并且端点可以相互独立地组合。
29.如本文所用的“第三流”是指能够增加流体能量以产生少量总推进系统推力的非主气0流。第三流的压力比可以高于主推进流(例如，旁通或螺旋桨驱动的推进流)的压力比。
30.推力可以通过专用喷嘴或通过将通过第三流的气流与主推进流或核心气流混合(例如混合到公共喷嘴中)来产生。
31.在某些示例性实施例中，通过第三流的气流的操作温度可以低于发动机的最大压缩机
32.排放温度，并且更具体地，可以低于350华氏度(诸如低于300华氏度，诸如低于250华5氏度，诸如低于200华氏度，并且至少与环境温度一样高)。在某些示例性实施例中，这
33.些操作温度可以促进热传递至通过第三流和单独的流体流的气流或从通过第三流和单独的流体流的气流传递热量。此外，在某些示例性实施例中，在起飞条件下，或更具体地，在以海平面额定起飞功率、静态飞行速度、86华氏度环境温度操作条件下操作时，通过第三流的气流可以贡献少于总发动机推力的50％(并且至少例如总发动机推力的2％)。
34.0此外，在某些示例性实施例中，通过第三流的气流方面(例如，气流、混合或排气性
35.质)，并且由此对总推力的上述示例性百分比贡献，可以在发动机操作期间被动地调整或通过使用发动机控制特征(诸如燃料流动、电机功率、可变定子、可变入口导向轮叶、阀、可变排气几何结构或流体特征)有目的地修改，以在广泛的潜在操作条件下调整或优化整体系统性能。
36.5术语“涡轮机”或“涡轮机械”是指包括一起生成扭矩输出的一个或多个压缩机、发
37.热区段(例如，燃烧区段)和一个或多个涡轮的机器。
38.术语“燃气涡轮发动机”是指具有涡轮机作为其动力源的全部或一部分的发动机。示例燃气涡轮发动机包括涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷气发动机、涡轮轴发动机等，以及这些发动机中的一个或多个发动机的混合电动版本。
39.0当与压缩机、涡轮、轴或线轴部件等一起使用时，除非另有说明，否则术语“低”和“高”，或它们各自的比较级(例如，更“低”和更“高”，在适用的情况下)均指发动机内的相对速度。例如，“低涡轮”或“低速涡轮”限定被构造为以低于发动机处的“高涡轮”或“高速涡轮”的旋转速度(诸如最大可允许旋转速度)操作的部件。
40.提供了一种用于操作飞行器的推进系统的系统和方法。该推进系统包括燃料电池组件，该燃料电池组件包括燃料电池，燃料电池限定出口，该出口被定位成从燃料电池中移除输出产物。该推进系统进一步包括涡轮机，该涡轮机包括燃烧区段，该燃烧区段被构造成接收来自飞行器的飞行器燃料供应部的航空燃料流，并且进一步被构造成接收来自燃料电池的输出产物。该系统和方法大体上被构造为通过将燃料电池组件构造为响应校正动作以考虑超过某些阈值的发动机约束，从而提供对这种飞行器的通用控制。
41.本公开的系统和方法大体上可以通过利用集成到燃烧器组件中的燃料电池组件的操作效果来有效管理发动机约束。通过进一步控制燃料电池组件来控制这些发动机约束的潜在致动器的这种可用性增加可以提供更大的可操作性范围和有效运行，而不需要发动机的任何附加结构和复杂性，或者只需要最少的附加结构和复杂性。
42.如以下将更详细讨论的，燃料电池是电化学装置，其可以通过燃料(诸如氢)与氧化剂(诸如大气中所含的氧)的电化学反应来将来自燃料的化学能转换为电能。燃料电池系统可以有利地用作能量供应系统，因为在与至少某些现有系统相比时，燃料电池系统可以被认为是环境优越和高效的。为了提高系统效率和燃料利用率并减少外部用水量，燃料电池系统可以包括阳极再循环回路。由于单个燃料电池只能生成约1v的电压，因此可以将多个燃料电池堆叠在一起(其可以称为燃料电池堆)，以生成期望电压。燃料电池可以包括固体氧化物燃料电池(sofc)、熔融碳酸盐燃料电池(mcfc)、磷酸燃料电池(pafc)和质子交换膜燃料电池(pemfc)，它们大体上都以其各自的电解质命名。
43.现在参考附图，其中相同的数字在所有附图中指示相同的元件，图1提供了根据本
公开的示例性实施例的发动机的示意横截面视图。发动机可以结合到运载器中。例如，发动机可以是结合到飞行器中的航空发动机。然而，替代地，发动机可以是用于任何其他合适运载器的任何其他合适类型的发动机。
44.对于所描绘的实施例，发动机被构造为高旁通涡轮风扇发动机100。如图1所示，涡轮风扇发动机100限定轴向方向a(平行于提供参考的中心线轴线101延伸)、径向方向r和周向方向(围绕轴向方向a延伸；未在图1中示出)。通常，涡轮风扇发动机100包括风扇区段102和设置在风扇区段102下游的涡轮机104。
45.所描绘的示例性涡轮机104大体上包括限定环形入口108的基本上管状外壳106。外壳106以串行流动关系包围：压缩机区段，其包括增压或低压(lp)压缩机110和高压(hp)压缩机112；燃烧区段114；涡轮区段，其包括高压(hp)涡轮116和低压(lp)涡轮118；以及喷射排气喷嘴区段120。压缩机区段、燃烧区段114和涡轮区段一起至少部分地限定从环形入口108延伸到喷射排气喷嘴区段120的核心空气流动路径121。涡轮风扇发动机进一步包括一个或多个驱动轴。更具体地，涡轮风扇发动机包括将hp涡轮116驱动地连接到hp压缩机112的高压(hp)轴或线轴122，以及将lp涡轮118驱动地连接到lp压缩机110的低压(lp)轴或线轴124。
46.对于所描绘的实施例，风扇区段102包括风扇126，风扇126具有以间隔开的方式联接到盘130的多个风扇叶片128。多个风扇叶片128和盘130能够通过lp轴124一起绕中心线轴线101旋转。盘130被可旋转的前毂132覆盖，前毂132在空气动力学上成形为促进气流通过多个风扇叶片128。此外，环形风扇壳或外机舱134被设置成周向围绕风扇126和/或涡轮机104的至少一部分。机舱134由多个周向间隔开的出口导向轮叶136相对于涡轮机104被支撑。机舱134的下游区段138在涡轮机104的外部分上延伸，以便在其间限定旁通气流通道140。
47.以这种方式，将理解的是，涡轮风扇发动机100大体上包括第一流(例如，核心空气流动路径121)和平行于第一流延伸的第二流(例如，旁通气流通道140)。在某些示例性实施例中，涡轮风扇发动机100可以进一步限定例如从lp压缩机110延伸到旁通气流通道140或延伸到环境的第三流。利用这种构造，lp压缩机110大体上可以包括被构造为管道式中间风扇的第一压缩机级和下游压缩机级。第三流的入口可以定位在第一压缩机级和下游压缩机级之间。
48.仍然参考图1，涡轮风扇发动机100另外包括附件齿轮箱142和燃料输送系统146。对于所示的实施例，附件齿轮箱142位于涡轮机104的罩/外壳106内。此外，将理解的是，对于图1中示意性描绘的实施例，附件齿轮箱142机械地联接到涡轮机104的一个或多个轴或线轴，并且能够与涡轮机104的一个或多个轴或线轴一起旋转。例如，在所描绘的示例性实施例中，附件齿轮箱142通过合适的齿轮系144机械地联接到hp轴122，并且能够与hp轴122一起旋转。附件齿轮箱142可以在至少某些操作期间向涡轮风扇发动机100的一个或多个合适的附件系统提供动力，并且可以在其他操作期间进一步将动力提供回涡轮风扇发动机100。例如，对于所示的实施例，附件齿轮箱142联接到启动器电动机/发电机152。启动器电动机/发电机可以被构造为在某些操作期间从附件齿轮箱142和涡轮风扇发动机100提取动力以发电，并且可以在其他操作期间将动力提供回附件齿轮箱142和涡轮风扇发动机100(例如，向hp轴122)，以将机械功添加回涡轮风扇发动机10(例如，用于启动涡轮风扇发动机
100)。
49.此外，燃料输送系统146大体上包括燃料源148(诸如燃料箱)和一条或多条燃料输送管线150。一条或多条燃料输送管线150通过燃料输送系统146向涡轮风扇发动机100的涡轮机104的燃烧区段114提供燃料流。如下文将更详细地讨论的，燃烧区段114包括集成燃料电池和燃烧器组件200。对于所描述的实施例，一条或多条燃料输送管线150向集成燃料电池和燃烧器组件200提供燃料流。
50.然而，将理解的是，图1中描绘的示例性涡轮风扇发动机100仅作为示例提供。在其他示例性实施例中，任何其他合适的燃气涡轮发动机可以与本公开的方面一起使用。例如，在其他实施例中，涡轮风扇发动机可以是任何其他合适的燃气涡轮发动机，诸如涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷气发动机等。以这种方式，将进一步理解的是，在其他实施例中，燃气涡轮发动机可以具有任何其他合适的构造，诸如任何其他合适数量或布置的轴、压缩机、涡轮、风扇等。此外，尽管图1中描绘的示例性燃气涡轮发动机示意性地示出为直接驱动固定桨距涡轮风扇发动机，但在其他实施例中，本公开的燃气涡轮发动机可以是齿轮式燃气涡轮发动机(即，包括风扇126和驱动风扇的轴(诸如lp轴124)之间的齿轮箱)，可以是可变桨距燃气涡轮发动机(即，包括具有能够围绕它们各自的桨距轴线旋转的多个风扇叶片128的风扇126)等。此外，尽管示例性涡轮风扇发动机100包括管道式风扇126，但在其他示例性方面，涡轮风扇发动机100可以包括非管道式风扇126(或开式转子风扇)，而没有机舱134。此外，尽管本文未描绘，但在其他实施例中，燃气涡轮发动机可以是任何其他合适类型的燃气涡轮发动机，例如航海燃气涡轮发动机。
51.现在参考图2，示意性地示出的是根据本公开的实施例的燃烧区段114的一部分，其包括图1的燃气涡轮发动机100(上文关于图1描述为涡轮风扇发动机100)中使用的集成燃料电池和燃烧器组件200的一部分。
52.将理解的是，燃烧区段114包括压缩机扩散器喷嘴202，并且大体上沿轴向方向a在上游端和下游端之间延伸。燃烧区段114经由压缩机扩散器喷嘴202流体地联接到上游端处的压缩机区段，并且流体地联接到下游端处的涡轮区段。
53.集成燃料电池和燃烧器组件200大体上包括燃料电池组件204(图2中仅部分地描绘；也参见图3至图5)和燃烧器206。燃烧器206包括内衬208、外衬210、圆顶组件212、罩组件214、旋流器组件216、和燃料流动管线218。燃烧区段114大体上包括沿径向方向r在燃烧器206外侧以包围燃烧器206的外壳220，以及沿径向方向r在燃烧器206内侧的内壳222。内壳222和内衬208在其间限定内通路224，而外壳220和外衬210在其间限定外通路226。内壳222、外壳220和圆顶组件212一起至少部分地限定燃烧器206的燃烧室228。
54.圆顶组件212接近燃烧区段114的上游端设置(即，与下游端相比，更靠近上游端)，并且包括用于接收和保持旋流器组件216的开口(未标记)。旋流器组件216还包括用于接收和保持燃料流动管线218的开口。燃料流动管线218进一步联接到沿径向方向r设置在外壳220外侧的燃料源148(参见图1)，并且被构造为从燃料源148接收燃料。以这种方式，燃料流动管线218可以流体地联接到上文参考图1描述的一条或多条燃料输送管线150。
55.旋流器组件216可以包括多个旋流器(未示出)，多个旋流器被构造为在将压缩流体注入燃烧室228以生成燃烧气体之前，使压缩流体旋流。在所示实施例中，罩组件214被构造为将内衬208、外衬210、旋流器组件216和圆顶组件212保持在一起。
56.在操作期间，压缩机扩散器喷嘴202被构造为将压缩流体230从压缩机区段引导至燃烧器206，其中压缩流体230被构造为与旋流器组件216内的燃料混合，并在燃烧室228内燃烧以生成燃烧气体。燃烧气体被提供给涡轮区段，以驱动涡轮区段的一个或多个涡轮(例如，高压涡轮116和低压涡轮118)。
57.在包括集成燃料电池和燃烧器组件200的燃气涡轮发动机100的操作期间，燃烧室228内的火焰由连续的燃料和空气流维持。为了例如在燃气涡轮发动机100的启动期间提供燃料和空气的点火，集成燃料电池和燃烧器组件200进一步包括点火器231。点火器231可以提供火花或初始火焰，以点燃燃烧室228内的燃料和空气混合物。在某些示例性实施例中，集成燃料电池和燃烧器组件200可以附加地包括专用燃料电池点火器233(以虚线描绘)。特别地，对于图2的实施例，专用燃料电池点火器233定位在燃料电池的至少一部分的下游，特别是在燃料电池堆(如下所述)的至少一部分的下游。以这种方式，专用燃料电池点火器233可以更有效地燃烧燃料电池的输出产物。
58.如上所述和图2中示意性地描绘，集成燃料电池和燃烧器组件200进一步包括燃料电池组件204。所描绘的示例性燃料电池组件204包括第一燃料电池堆232和第二燃料电池堆234。更具体地，第一燃料电池堆232与外衬210一起构造，并且第二燃料电池堆234与内衬208一起构造。再更具体地，第一燃料电池堆232与外衬210集成，并且第二燃料电池堆234与内衬208集成。下面将更详细地描述燃料电池组件204的操作，并且更具体地，燃料电池组件204的燃料电池堆(例如，第一燃料电池堆232或第二燃料电池堆234)的操作。
59.对于所描述的实施例，燃料电池组件204被构造为固体氧化物燃料电池(“sofc”)组件，其中第一燃料电池堆232被构造为第一sofc燃料电池堆，并且第二燃料电池堆234被构造为第二sofc燃料电池堆(各自具有多个sofc)。将理解的是，sofc大体上是直接通过氧化燃料来产生电力的电化学转换装置。一般来说，燃料电池组件，并且特别是燃料电池，其特征在于所使用的电解质材料。本公开的sofc大体上可以包括固体氧化物或陶瓷电解质。这类燃料电池大体上呈现出高的综合热电效率、长期稳定性、燃料灵活性和低排放。
60.此外，示例性燃料电池组件204进一步包括第一电力转换器236和第二电力转换器238。第一燃料电池堆232通过第一多个电源电缆(未标记)与第一电力转换器236电连通，并且第二燃料电池堆234通过第二多个电源电缆(未标记)与第二电力转换器238电连通。
61.第一电力转换器236控制从对应的第一燃料电池堆232中汲取的电流，并且可以将电力从直流(“dc”)电力转换为处于另一电压电平的dc电力或交流(“ac”)电力。类似地，第二电力转换器238控制从第二燃料电池堆234汲取的电流，并且可以将电力从dc电力转换为处于另一电压电平的dc电力或ac电力。第一电力转换器236、第二电力转换器238或两者都可以电联接到电总线(诸如下面描述的电总线326)。
62.集成燃料电池和燃烧器组件200进一步包括燃料电池控制器240，燃料电池控制器240与第一电力转换器236和第二电力转换器238可操作地通信，以例如在两者之间发送和接收通信和信号。例如，燃料电池控制器240可以向第一电力转换器236和第二电力转换器238发送电流或功率设定点信号，并且可以接收例如来自第一电力转换器235和第二电力转换器238的电压或电流反馈信号。燃料电池控制器240可以以与下面参考图5描述的控制器240相同的方式构造。在一个或多个实施例中，控制器240可以统称为被构造为彼此通信的多个控制器。
63.将理解的是，在至少某些示例性实施例中，第一燃料电池堆232、第二燃料电池堆234或两者都可以在燃气涡轮发动机的周向方向c(即，绕燃气涡轮发动机100的中心线轴线101延伸的方向)上基本上延伸360度。例如，现在参考图3，根据本公开的示例性实施例，描绘了集成燃料电池和燃烧器组件200的简化横截面视图。尽管为了简单起见，图3中仅描绘了第一燃料电池堆232，但第二燃料电池堆234可以以类似的方式构造。
64.如图所示，第一燃料电池堆232在周向方向c上围绕燃烧室228延伸，在所示实施例中，围绕中心线轴线101完全包围燃烧室288。更具体地，第一燃料电池堆232包括沿周向方向c布置的多个燃料电池242。在图3中可见的燃料电池242可以是燃料电池242的单个环，其中燃料电池242沿轴向方向a堆叠在一起(参见图2)，以形成第一燃料电池堆232。在另一个实例中，燃料电池242的多个附加环可以被放置在彼此的顶部，以形成沿中心线轴线101伸长的第一燃料电池堆232。
65.如下文将更详细地解释的，参考图5，第一燃料电池堆232中的燃料电池242被定位为接收来自例如压缩机区段的排放空气244和来自燃料输送系统146的燃料246。燃料电池242使用该空气244和至少一些该燃料246来生成电流，并将部分氧化的燃料246和未使用部分的空气248朝向中心线轴线101径向引导到燃烧室228中。集成燃料电池和燃烧器组件200将燃烧室228中的部分氧化的燃料246和空气248燃烧成燃烧气体，燃烧气体向下游被引导到涡轮区段中，以驱动或辅助驱动其中的一个或多个涡轮。
66.此外，现在参考图4，提供了作为图2的集成燃料电池和燃烧器组件200的第一燃料电池堆232的立体图的示意图。第二燃料电池堆234可以以类似的方式形成。
67.描绘的第一燃料电池堆232包括壳体250，壳体250具有燃烧出口侧252和与燃烧出口侧252相对的侧254，燃料和空气入口侧256和与燃料和空气入口侧256相对的侧588，以及侧260、262。侧260、侧258和侧254在图4的立体图中不可见。
68.将理解的是，第一燃料电池堆232可以包括例如从第一燃料电池堆232的一端(例如，燃料和空气入口侧256)到第一燃料电池堆232的另一端(例如，侧258)并排“堆叠”的多个燃料电池。因此，将进一步理解的是，燃烧出口侧252包括多个燃烧出口264，每个燃烧出口来自第一燃料电池堆232中的燃料电池。在操作期间，燃烧气体266(本文也称为“输出产物”)从燃烧出口264引导出壳体250。如本文所述，燃烧气体266使用未被第一燃料电池堆232的壳体250内的燃料电池消耗的燃料和空气来生成。燃烧气体266被提供给燃烧室228，并在操作期间燃烧以生成燃烧气体，燃烧气体用于为燃气涡轮发动机100(以及结合燃气涡轮发动机100的运载器/飞行器)生成推力。
69.燃料和空气入口侧256包括一个或多个燃料入口268和一个或多个空气入口270。可选地，入口268、270中的一个或多个可以在壳体250的另一侧上。一个或多个燃料入口268中的每个燃料入口与用于第一燃料电池堆232的燃料源(诸如含氢气体或下文进一步描述的燃料处理单元的一个或多个加压容器)流体联接。一个或多个空气入口270中的每个空气入口与用于燃料电池的空气(诸如从压缩机区段和/或以下也进一步描述的空气处理单元排出的空气)源流体联接。一个或多个入口268、270分开接收来自外部燃料和空气源的燃料和空气，并将燃料和空气分开引导到燃料电池中。
70.在某些示例性实施例中，图2至图4的第一燃料电池堆232可以以与例如2018年12月17日提交的美国专利申请公开号2020/0194799a1中描述的示例性燃料电池系统(标记为
100)中的一个或多个类似的方式构造，该美国申请的全部内容通过引用并入本文。将
71.进一步理解的是，图2的第二燃料电池堆234可以以与第一燃料电池堆232类似的方式构5造，或者替代地，可以以任何其他合适的方式构造。
72.现在参考图5，将描述根据本公开的示例性实施例的集成燃料电池和燃烧器组件200的操作。更具体地，图5提供了根据本公开的实施例的燃气涡轮发动机100以及集成燃料电池和燃烧器组件200的示意图。在某些示例性实施例中，燃气涡轮发动机100以及集成
73.燃料电池和燃烧器组件200可以以与图1至图4中的一个或多个示例性实施例类似的方式0构造。
74.因此，将理解的是，燃气涡轮发动机100大体上包括具有风扇126的风扇区段102、lp压缩机110、hp压缩机112、燃烧区段114、hp涡轮116和lp涡轮118。燃烧区段114大体上包括具有燃烧器206和燃料电池组件204的集成燃料电池和燃烧器组件200。
75.包括燃气涡轮发动机100的推进系统进一步包括燃料输送系统146。燃料输送系统1465大体上包括燃料源148和一条或多条燃料输送管线150。燃料源148可以包括燃气涡轮发
76.动机100的燃料(例如，碳氢燃料，包括例如碳中性燃料或合成碳氢化合物)的供应部。此外，将理解的是，燃料输送系统146还包括燃料泵272和分流器274，并且一条或多条燃料输送管线150包括第一燃料输送管线150a、第二燃料输送管线150b和第三燃料输送
77.管线15c。分流器274将来自燃料源148和燃料泵272的燃料流分成通过第一燃料输送管0线150a到燃料电池组件204的第一燃料流，通过第二燃料输送管线150b也到燃料电池组
78.件204(并且特别是到下文描述的空气处理单元)的第二燃料流，以及通过第三燃料输送管线150c到燃烧器206的第三燃料流。分流器274可以包括一系列阀(未示出)，以便于来自燃料源148的燃料流的这种分流，或者替代地，可以具有固定几何结构。此外，对于
79.所示的实施例，燃料输送系统146包括与第一燃料输送管线150a相关联的第一燃料阀5 151a(例如，用于控制第一燃料流)，与第二燃料输送管线150b相关联的第二燃料阀151b(例如，用于控制第二燃料流)，以及与第三燃料输送管线150c相关联的第三燃料阀151c(例如，用于控制第三燃料流)。
80.燃气涡轮发动机100进一步包括压缩机排出系统和气流输送系统。更具体地，压缩机
81.排出系统包括lp引气管道276和相关联的lp引气阀278、hp引气管道280和相关联的0hp引气阀282、hp出口空气管道284和相关联的hp出口空气阀286。
82.燃气涡轮发动机100进一步包括气流供应管道288(与气流供应部290气流连通)和相关联的空气阀292，其也与气流输送系统气流连通，用于向集成燃料电池和燃烧器组件200的燃料电池组件204提供压缩气流。气流供应部可以是例如被构造为提供交叉引气的第二燃气涡轮发动机、被构造为提供引气的辅助动力单元(apu)、冲压空气涡轮(rat)等。如果压缩机空气源不足或不可用，则气流供应部可以是对压缩机排出系统的补充。
83.压缩机排出系统(和气流供应管道288)与气流输送系统气流连通，用于向燃料电池组件204提供压缩气流，如将在下面更详细地解释的。
84.仍然参考图5，集成燃料电池和燃烧器组件200的燃料电池组件204包括燃料电池
堆294，燃料电池堆294可以以与例如上述第一燃料电池堆232类似的方式构造。燃料电池堆294示意性地描述为具有阴极侧296、阳极侧298和定位在它们之间的电解质300的单个燃料电池。大体上将理解的是，电解质300在操作期间可以将负氧离子从阴极侧296传导到阳极侧298，以生成电流和电力。
85.简单地说，将理解的是，燃料电池组件204进一步包括燃料电池传感器302，燃料电池传感器302被构造为感测指示燃料电池组件操作参数的数据，燃料电池组件操作参数诸如燃料电池堆294(例如，燃料电池的阴极侧296或阳极侧298)的温度，燃料电池堆294内(例如，燃料电池的阴极侧296或阳极侧298内)的压力，和/或来自燃料电池组件204的输出产物的成分(例如，化学成分)。
86.阳极侧298可以支持生成电的电化学反应。燃料可以经由通过电解质300的扩散，利用从阴极侧296接收到的氧离子而在阳极侧298中被氧化。该反应可以在阳极侧298中产生自由电子形式的热、蒸汽和电，其可以用于向能量消耗装置(诸如下文描述的一个或多个附加电装置328)供电。可以使用从能量消耗装置返回到阴极侧296的电子，经由阴极氧化剂的氧还原来产生氧离子。
87.阴极侧296可以耦合到阴极氧化剂源，诸如大气中的氧。阴极氧化剂被限定为供应到阴极侧296的氧化剂，燃料电池系统在发电时使用阴极侧296。阴极侧296对于从阴极氧化剂接收到的氧离子，可以是可渗透的。
88.电解质300可以与阳极侧298和阴极侧296连通。电解质300可以使氧离子从阴极侧296通向阳极侧298，并且可以具有很小的电导率或没有电导率，以防止自由电子从阴极侧296通向阳极侧298。
89.固体氧化物燃料电池(诸如燃料电池堆294)的阳极侧可以由镍/氧化钇稳定的氧化锆(ni/ysz)金属陶瓷构成。阳极侧中的镍用作燃料氧化的催化剂和电流导体。在燃料电池堆294的正常操作期间，操作温度可以大于或等于约700℃，并且阳极中的镍(ni)由于主要是氢燃料气体的连续供应而保留其还原形式。
90.燃料电池堆294设置在lp压缩机110、hp压缩机112或两者的下游。此外，从以上关于图2的描述中将理解的是，燃料电池堆294可以联接到燃烧器206的衬套(例如，内衬208或外衬210)或以其他方式与其集成。以这种方式，燃料电池堆294也可以布置在集成燃料电池和燃烧器组件200的燃烧室228的上游，并且进一步布置在hp涡轮116和lp涡轮118的上游。
91.如图5所示，燃料电池组件204还包括燃料处理单元304和空气处理单元306。燃料处理单元304可以是用于生成富氢燃料流的任何合适结构。例如，燃料处理单元304可以包括燃料重整器或催化部分氧化转换器(cpo
x
)，用于为燃料电池堆294产生富氢燃料流。空气处理单元306可以是任何合适的结构，用于将提供给其的空气温度升高到足够高以实现燃料电池温度控制的温度(例如，约600℃至约800℃)。例如，在描绘的实施例中，空气处理单元包括预燃烧器系统，预燃烧器系统基于通过第二燃料输送管线150b的燃料流来操作，被构造用于例如在瞬态条件(诸如启动、关机和异常情况)期间通过燃烧来升高空气的温度。
92.在描绘的示例性实施例中，燃料处理单元304和空气处理单元306在壳体308内被歧管在一起，以向燃料电池堆294提供调节空气和燃料。
93.然而，应当理解，燃料处理单元304可以附加地或替代地包括任何合适类型的燃料重整器，诸如自动热重整器和蒸汽重整器，它们可能在重整器出口流处需要具有较高氢成
分的附加蒸汽入口流。附加地或替代地，燃料处理单元304还可以包括与燃料电池堆294集成的重整器。类似地，应当理解，图5的空气处理单元306可以替代地是热交换器或另一个装置，用于将提供给其的空气的温度升高到足够高以实现燃料电池温度控制的温度(例如，约600℃至约800℃)。
94.如上所述，压缩机排出系统(和气流供应管道288)与气流输送系统气流连通，用于向燃料电池组件204提供压缩气流。气流输送系统包括用于向燃料处理单元304提供气流的阳极气流管道310和相关联的阳极气流阀312、用于向空气处理单元306提供气流的阴极气流管道314和相关联的阴极气流阀316、以及用于直接向燃料电池堆294(或者更确切地，向燃料电池的阴极侧296)提供气流的阴极旁通空气管道318和相关联的阴极旁通空气阀320。燃料输送系统146被构造为通过第一燃料输送管线150a向燃料处理单元304提供第一燃料流，并且通过第二燃料输送管线150b向空气处理单元306提供第二燃料流(例如，如果提供的话，作为用于预燃烧器系统的燃料)。
95.燃料电池堆294输出作为燃料电池功率输出322产生的电力。此外，燃料电池堆294将阴极空气排放和阳极燃料排放(为了清晰起见，都没有标记)引导到燃烧器206的燃烧室228中。
96.在操作中，空气处理单元306被构造为加热/冷却通过阴极气流管道314进入的压缩空气的一部分，以生成要被引导到燃料电池堆294中的处理空气，从而促进燃料电池堆294起作用。空气处理单元306接收来自第二燃料输送管线150b的第二燃料流，并且可以例如燃烧这种第二燃料流，以将接收到的空气加热至期望温度(例如，约600℃至约800℃)，从而促进燃料电池堆294起作用。由空气处理单元306处理的空气被引导到燃料电池堆294中。在本公开的实施例中，如图所示，阴极旁通空气管道318和由空气处理单元306处理的空气可组合成组合空气流，以被送入燃料电池堆294的阴极296。
97.此外，如图5的实施例中所示，通过第一燃料输送管线150a的第一燃料流被引导至燃料处理单元304以用于产生富氢燃料流(例如，优化燃料流的氢含量)，以也被送入燃料电池堆294。将理解的是，并且如下文讨论的，到燃料电池堆294(例如，阴极侧296)的空气(处理空气和旁通空气)流和从燃料处理单元304到燃料电池堆294(例如，阳极侧298)的燃料可以促进发电。
98.由于燃料电池堆294的入口空气可能仅来自上游压缩机区段，而没有任何其他单独控制的空气源，因此将理解的是，从压缩机区段排出的燃料电池堆294的入口空气会受到在不同飞行阶段发生的空气温度变化的影响。仅作为说明性示例，燃气涡轮发动机100的压缩机区段中的特定位置内的空气可以在怠速期间以200℃工作、在起飞期间以600℃工作、在巡航期间以268℃工作等。引导到燃料电池堆294的入口空气的这种类型的温度变化可能会导致燃料电池堆294的陶瓷材料出现显著的热瞬态问题(或甚至是热冲击)，其范围可能从开裂到失效。
99.因此，通过在压缩机区段和燃料电池堆294之间流体连接空气处理单元306，空气处理单元306可以用作控制装置或系统，以将由空气处理单元306处理并引导到燃料电池堆294中的空气维持在期望的操作温度范围(例如，正或负100℃，或优选地正或负50℃，或者正或负20℃)内。在操作中，可通过控制到空气处理单元306的燃料流来控制提供给燃料电池堆294的空气的温度(相对于从压缩机区段排出的空气的温度)。通过增加到空气处理单
元306的燃料流，可以提高到燃料电池堆294的气流的温度。通过减少到空气处理单元306的燃料流，可以降低到燃料电池堆294的气流的温度。可选地，不能向空气处理单元306输送燃料，以防止空气处理单元306提高和/或降低从压缩机区段排出并引导到空气处理单元306中的空气的温度。
100.此外，如以虚线所描绘的，燃料电池组件204进一步包括围绕燃料电池294延伸的气流旁通管道321，以允许由空气处理单元306调节(并与通过管道318的任何旁通空气组合)的气流的一部分或全部绕过燃料电池294的阴极侧296，并直接进入燃烧室228。气流旁通管道321可以与燃料电池294热连通。燃料电池组件进一步包括围绕燃料电池294延伸的燃料旁通管道323，以允许来自燃料处理单元304的重整燃料的一部分或全部绕过燃料电池294的阳极侧298，并直接进入燃烧室228。
101.如上面简要提及的，燃料电池堆294将发送到燃料电池堆294的来自燃料处理单元304的阳极燃料流和由空气处理单元306处理的空气转换为dc电流形式的电能，即燃料电池功率输出322。该燃料电池功率输出322被引导至电力转换器324，以便将该dc电流转换为能够被一个或多个子系统有效利用的dc电流或ac电流。特别地，对于所描绘的实施例，电力从电力转换器被提供给电总线326。电总线326可以是专用于燃气涡轮发动机100的电总线、结合燃气涡轮发动机100的飞行器的电总线或其组合。电总线326与一个或多个附加电装置328电连通，一个或多个附加电装置328可适于从燃料电池堆294汲取电流或向燃料电池堆294施加电负载。一个或多个附加电装置328可以是电源、功率耗散器(power sink)或两者。例如，附加电装置328可以是储电装置(诸如一个或多个电池)、电机(发电机、电动机或两者)、电推进装置等。例如，一个或多个附加电装置328可以包括燃气涡轮发动机100的启动器电动机/发电机。
102.仍然参考图5，燃气涡轮发动机100进一步包括传感器330。在所示实施例中，传感器330被构造为感测指示燃气涡轮发动机100的燃烧区段114内的火焰的数据。传感器330可以是例如温度传感器，其被构造为感测指示燃烧区段114的出口温度、涡轮区段的入口温度、排气温度或其组合的数据。附加地或替代地，传感器330可以是任何其他合适的传感器或传感器的任何合适的组合，其被构造为感测一个或多个燃气涡轮发动机操作条件或参数，包括指示燃气涡轮发动机100的燃烧区段114内的火焰的数据。
103.此外，如图5中进一步示意性描绘的，推进系统、包括推进系统的飞行器或两者都包括控制器240。例如，控制器240可以是独立控制器、燃气涡轮发动机控制器(例如，全权限数字发动机控制器或fadec控制器)、飞行器控制器、推进系统的监督控制器及其组合等。
104.控制器240可操作地连接到在燃气涡轮发动机100和燃料输送系统146中的至少一个内的各种传感器、阀等。更具体地，对于所描绘的示例性方面，控制器240可操作地连接到压缩机排出系统的阀(阀278、282、286)、气流输送系统的阀(阀312、316、320)和燃料输送系统146的阀(分流器274、阀151a、151b、151c)，以及燃气涡轮发动机100的传感器330和燃料电池传感器302。从下面的描述中将理解的是，控制器240可以与这些部件有线或无线通信。以这种方式，控制器240可以接收来自各种输入(包括燃气涡轮发动机传感器330和燃料电池传感器302)的数据，可以做出控制决策，并且可以向各种输出(包括控制来自压缩机区段的气流排出的压缩机排出系统的阀、引导从压缩机区段排出的气流的气流输送系统、以及引导燃气涡轮发动机100内的燃料流的燃料输送系统146)提供数据(例如，指令)。
105.特别参考控制器240的操作，在至少某些实施例中，控制器240可以包括一个或多个计算装置332。计算装置332可以包括一个或多个处理器332a和一个或多个存储器装置332b。一个或多个处理器332a可以包括任何合适的处理装置，例如微处理器、微控制器、集成电路、逻辑装置和/或其他合适的处理装置。一个或多个存储器装置332b可以包括一个或多个计算机可读介质，包括但不限于非暂时性计算机可读介质、ram、rom、硬盘驱动器、闪存驱动器和/或其他存储器装置。
106.一个或多个存储器装置332b可以存储能够由一个或多个处理器332a访问的信息，包括可以由一个或多个处理器332a执行的计算机可读指令332c。指令332c可以是当由一个或多个处理器332a执行时，使一个或多个处理器332a进行操作的任何指令集。在一些实施例中，指令332c可以由一个或多个处理器332a执行，以使一个或多个处理器332a进行操作，诸如控制器240和/或计算装置332被构造用于的任何操作和功能、如本文所述的用于操作推进系统的操作(例如方法600)、和/或一个或多个计算装置332的任何其他操作或功能。指令332c可以是用任何合适的编程语言编写的软件或者可以用硬件实施。附加地和/或替代地，指令332c可以在处理器332a上的逻辑和/或虚拟分离的线程中执行。存储器装置332b可以进一步存储可由处理器332a访问的数据332d。例如，数据332d可以包括指示功率流的数据、指示燃气涡轮发动机100/飞行器操作条件的数据、和/或本文描述的任何其他数据和/或信息。
107.计算装置332还包括网络接口332e，网络接口322e被构造为例如与燃气涡轮发动机100的其他部件(诸如压缩机排出系统的阀(阀278、282、286)、气流输送系统的阀(阀312、316、320)和燃料输送系统146的阀(分流器274，阀151a、151b、151c)，以及燃气涡轮发动机100的传感器330和燃料电池传感器302)、结合燃气涡轮发动机100的飞行器等通信。网络接口332e可以包括用于与一个或多个网络接口的任何合适部件，包括例如发射机、接收机、端口、控制器、天线和/或其他合适部件。以这种方式，将理解的是，网络接口332e可以利用有线和无线通信网络的任何合适组合。
108.本文所讨论的技术参考了基于计算机的系统、由基于计算机的系统采取的动作、以及发送到和发送自基于计算机的系统的信息。将理解的是，基于计算机的系统的固有灵活性允许了部件之间和部件之中的任务和功能性的多种可能的构造、组合和划分。例如，本文讨论的处理可以使用单个计算装置或组合工作的多个计算装置来实施。数据库、存储器、指令和应用可以在单个系统上实施，或者分布在多个系统上。分布的部件可以顺序地或并行操作。
109.将理解的是，燃气涡轮发动机100、示例性燃料输送系统146、示例性集成燃料电池和燃烧器组件200以及示例性燃料电池组件204仅作为示例提供。在其他实施例中，集成燃料电池和燃烧器组件200以及燃料电池组件204可以具有任何其他合适的构造。例如，在其他示例性实施例中，燃料电池组件204可以包括任何其他合适的燃料处理单元304。附加地或替代地，例如当燃气涡轮发动机100的燃烧器被构造为燃烧氢燃料，而燃料输送组件146被构造为向集成燃料电池和燃烧器组件200，特别是向燃料电池组件204，提供氢燃料时，燃料电池组件204可以不需要燃料处理单元304。
110.如上简要所述，燃料电池组件204可以与电总线326电连通，电总线326可以是燃气涡轮发动机100的电总线、飞行器的电总线、或其组合。现在简要参考图6，提供了根据本公
开的实施例的飞行器400的示意图，飞行器400包括一个或多个燃气涡轮发动机100(标记为100a和100b)，每个发动机都具有集成燃料电池和燃烧器组件200(标记为200a和200b)，以及与一个或多个燃气涡轮发动机100电连通的飞行器电总线326。
111.特别地，对于所描述的示例性实施例，飞行器400被提供为包括机身402、尾翼404、第一机翼406、第二机翼408和推进系统。推进系统大体上包括联接至第一机翼406或与第一机翼406集成的第一燃气涡轮发动机100a和联接至第二机翼408或与第二机翼408集成的第二燃气涡轮发动机100b。然而，将理解的是，在其他实施例中，可以提供任何其他合适数量和/或构造的燃气涡轮发动机100(例如，安装在机身上、安装在尾翼上等)。
112.第一燃气涡轮发动机100a大体上包括第一集成燃料电池和燃烧器组件200a以及第一电机410a。第一集成燃料电池和燃烧器组件200a大体上可以包括第一燃料电池组件。第一电机410a可以是嵌入式电机、偏置电机(例如，能够通过附件齿轮箱或合适的齿轮系与燃气涡轮发动机100一起旋转)等。例如，在某些示例性实施例中，第一电机410a可以是第一燃气涡轮发动机100a的启动器电动机/发电机。
113.类似地，第二燃气涡轮发动机100b大体上包括第二集成燃料电池和燃烧器组件200b以及第二电机410b。第二集成燃料电池和燃烧器组件200b大体上可以包括第二燃料电池组件。第二电机410b也可以是嵌入式电机、偏置电机(例如，能够通过附件齿轮箱或合适的齿轮系与燃气涡轮发动机100一起旋转)等。例如，在某些示例性实施例中，第二电机410b可以是第二燃气涡轮发动机100b的启动器电动机/发电机。
114.在图6的实施例中，飞行器400附加地包括电总线326和监督控制器412。此外，将理解的是，飞行器400和/或推进系统包括各自与电总线326电连通的一个或多个电装置414和电能存储单元416。电装置414可以表示一个或多个飞行器功率负载(例如，航空电子系统、控制系统、电动推进器等)、一个或多个电源(例如，辅助动力单元)等。电能存储单元416可以是例如用于存储电力的电池组等。
115.电总线326进一步电连接到第一电机410a和第一燃料电池组件，以及电连接到第二电机410b和第二燃料电池组件。监督控制器412可以以与图5的控制器240类似的方式构造，或者可以与专用于第一燃气涡轮发动机100a的第一燃气涡轮发动机控制器和专用于第二燃气涡轮发动机100b的第二燃气涡轮发动机控制器操作地通信。
116.以这种方式，将理解的是，监督控制器412可以被构造为接收来自第一燃气涡轮发动机100a的燃气涡轮发动机传感器330a和来自第二燃气涡轮发动机100b的燃气涡轮发动机传感器330b的数据，并且可以进一步被构造为向第一和第二燃气涡轮发动机100a、100b的各种控制元件(诸如阀)发送数据(例如，命令)。
117.此外，将理解的是，对于所描绘的实施例，飞行器400包括一个或多个飞行器传感器418，其被构造为感测指示飞行器400的各种飞行操作的数据，包括例如海拔、环境温度、环境压力、气流速度等。监督控制器412可操作地连接到这些飞行器传感器418，以从这些飞行器传感器418接收数据。
118.除了接收来自传感器330a、330b、418的数据并向控制元件发送数据之外，监督控制器412还被构造为控制通过电总线326的电力流。例如，监督控制器412可以被构造为命令并接收来自一个或多个电机(例如，第一电机410a和第二电机410b)、一个或多个燃料电池组件(例如，第一燃料电池组件和第二燃料电池组件)或两者的期望电力提取，并且向一个
或多个电机(例如，第一电机410a和第二电机410b)、一个或多个燃料电池组件(例如，第一燃料电池组件和第二燃料电池组件)中的另一个或两者提供全部或部分提取的电力。这些动作中的一个或多个动作可以根据下面概述的逻辑来进行。
119.如将理解的是，本文描述的一个或多个示例性燃气涡轮发动机100可以被构造成监测和控制发动机状态的各种方面。例如，参考图5描述的燃气涡轮发动机可以使用其控制器240来监测和控制一个或多个发动机约束。现在参考图7，流程图描绘了控制系统的示例性实施例，该控制系统被构造为监测和控制推进系统中的一个或多个发动机约束。应当理解，该控制系统可以与本文描述的其他实施例(例如，图5的实施例及其控制器240)组合或集成。
120.仍然参考图7，可以提供燃料电池控制器540，以控制燃料电池子系统542(例如，燃料电池组件的硬件)的输入和输出。在一个或多个实施例中，燃料电池控制器540可以被构造为控制燃料电池子系统542的燃料电池功率输出554。控制燃料电池功率输出554可以用于调谐供应给飞行器的其他部件(诸如参考图5描述的电装置328或参考图6描述的电机410a、410b)的能量的量。附加地或替代地，燃料电池控制器540可以被构造成控制燃料电池功率输出554，以进而又控制除燃料电池子系统542之外的燃气涡轮发动机100的一个或多个方面。
121.燃料电池功率控制器546可以从飞行器控制系统或诸如来自飞行员的外部输入接收燃料电池功率需求556。可以在框548中确定燃料电池功率需求556和燃料电池功率输出反馈552之间的控制误差或差异。框548中的计算可以是对来自燃料电池功率需求556和燃料电池输出功率反馈552的数据进行过滤或不进行过滤的算术差分计算。燃料电池子系统542内的多个操作参数可以被称为用于控制燃料电池功率输出554的“控制旋钮”。可用的控制旋钮可以包括燃料电池电流、燃料电池电压、燃料电池燃料流率、燃料电池空气流率、燃料电池温度、燃料电池燃料利用率等。
122.如图7中描绘的燃料电池控制系统540可以包括多种控制模式，例如：功率跟踪模式和最大燃料效率模式。在美国专利申请序列号17/322,507中提供了可能的控制模式的描述，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。在示例性功率跟踪模式中，燃料电池功率控制器546可以调整燃料电池子系统542，以跟踪燃料电池功率需求556。例如，燃料电池功率需求556可以是可操作的，以请求最大功率输出，其中燃料电池控制器540可以相应地调整燃料电池子系统542，以基于对燃料电池操作的一个或多个约束来实现其最大允许功率输出。在示例性最大燃料效率模式中，燃料电池控制器540可以例如通过在较高电压下操作燃料电池子系统542和/或通过调整燃料利用率来调整燃料电池子系统542，以实现最大燃料效率。在示例性最大燃料效率模式中，燃料电池子系统542可以仍然能够利用燃料电池功率输出554来跟踪燃料电池功率需求556，但是也可以允许燃料电池功率输出554偏离燃料电池功率需求556，以实现期望的燃料效率。
123.燃气涡轮发动机100可以在操作期间监测各种方面以确保效率和性能。例如，一个或多个控制器，诸如上面参考图5描述的fadec，可以监测与发动机性能相关的温度、速度和其他变量。一些监测变量可以包括核心轴速度(n2)、风扇轴速度(n1)、lp涡轮118的出口温度(t
50
)、高压涡轮116的入口温度(t
40
)、热气体路径(hgp)温度、空气燃料比(例如，指示贫喷(lbo)或富喷(rbo))、最小峰值温度、最大峰值温度和/或hp压缩机112的排放静压
(ps30)。如本文所使用的，这些监测变量中的一些或全部变量可以被称为一个或多个发动机约束550。应当理解，这个变量列表不是穷举的，并且任何数量或类型的不同变量都可以用作发动机约束550。发动机约束550可以通过各种传感器(例如上面参考图5和图6描述的任何传感器330、330a、330b、418)来被检测，并且还可以例如通过基于来自一个或多个传感器的一个或多个输入的计算来被计算。在实施例中，可以计算指示燃料流率(wf)除以压缩机排放静压的比率单位(ru)。还应当理解，发动机约束550可以指示发动机性能的非测量方面。例如，轴速度(n1)和(n2)的加速度可以用作失速裕度的指标。
124.如图7中描绘的，发动机约束550的监测可以导致燃料电池控制器540采取的动作。例如，如果给定的一个发动机约束550具有被识别为对发动机性能、效率或寿命产生负面影响的测量值，则燃料电池控制器540可以控制燃料电池子系统的一个或多个方面或燃料电池子系统的输入，以影响发动机的值，从而改进发动机性能、效率或寿命(校正动作，或更具体地，燃料电池校正动作)。例如，燃料电池控制器540可以被构造为响应于一个或多个发动机约束550来进行校正动作。在所示的实施例中，一个或多个发动机约束550的测量值由一个或多个控制器处理，以确定是否应采取校正动作，并且如果确定要采取校正动作，则确定应如何来进行该校正动作。这种新的燃料电池操作模式可以被称为通用模式，其中燃料电池提供通用功能，以增强发动机的可操作性。
125.在某些示例性方面，燃料电池校正动作可以包括以下中的一个或多个：空气处理单元的修改(例如，增加或减少到燃烧器的燃料流、影响到燃料电池的气流的温度和输出产物的温度)；燃料处理单元的修改(影响提供给燃料电池的燃料量，从而影响输出产物的成分)；提供给燃料电池的压缩空气的位置的修改(影响这种空气的温度和压力)；燃料电池的功率提取的修改(影响燃料电池内的化学反应的完整性，从而影响输出产物的成分，以及潜在地影响必须从外部功率源(诸如由涡轮机驱动的一个或多个电机、其他燃料电池组件等)提取的功率量)；空气处理单元周围的旁路的修改等。
126.一个或多个控制器可以被构造为接收指示发动机约束550的数据。例如，燃料电池控制器540可以接收该数据，或者例如参考图5和图6所述的另一控制器或其他控制器可以被构造为接收该数据。基于接收到的数据，控制器可以被构造为确定发动机约束550是否
127.已经达到一个或多个阈值。例如，可以通过超过或低于编程值来达到这种阈值。在各种实5施例中，可以设定各种阈值，以指示如下面参考图8和图9更详细地描述的允许或期望的可操作性范围。
128.指示发动机约束550的数据可以通过控制器(例如燃料电池控制器540)基于一个或多个确定或优先化事件而起作用。在图7所示的实施例中，可以进行约束优先化501、致
129.动器优先化502和控制模式确定503，其中燃料电池控制器540被构造为响应于这些确定0和优先化而动作。
130.约束优先化501可以被构造为通过燃料电池控制器540的动作来确定处理发动机约束550的优先顺序。例如，可以按顺序来处理发动机约束550，该顺序至少部分地基于与如参考图10-13更详细地描述的可操作性限制偏离的大小来设定。应当理解，这种优先顺序可以基于其他变量来设定，以考虑与燃料效率、发动机寿命、失速裕度等相关的目标。
131.5致动器优先化502可以被构造为确定用于处理发动机约束550的致动器的优先顺序。
132.例如，致动器优先化502的优先顺序可以至少部分地基于可用于进行校正动作的多个致动器的操作裕度。
133.如上所述，一个或多个燃料电池控制模式可以包括本文介绍的功率跟踪模式、最大燃
134.料效率模式和通用模式。功率跟踪模式可用于优先考虑准确输出功率需求，并且通用模式0可用于优先考虑发动机可操作性约束。在各种实施例中，可以提供默认模式优先化，其中
135.功率跟踪模式可以超越通用模式，并且其中通用模式可以超越最大燃料效率模式。例如，当不请求最大功率或通用性时，图7中的控制模式确定503可以选择最大燃料效率模式作为默认模式。控制模式确定503可以被构造为确定何时将启用通用模式，或者是否应该使
136.用一个或多个致动器来进行校正动作，以减轻框501中优先考虑的发动机约束。例如，控5制模式确定503可以包括当前控制模式的用户输入或计算机确定。下面参考图8更详细地
137.描述基于发动机约束限制的设定的计算机确定的控制模式的一个示例。
138.在通用模式中，系统可以受益于使用各种致动器，诸如燃料电池子系统542的燃料电池致动器，以通过使发动机约束550远离相应的或组合的可操作性限制来增强发动机可操
139.作性。在图7所示的实施例中，提供了燃料电池燃料利用率控制器544和燃料电池功率控0制器546，以调控燃料电池子系统542。这些控制器544、546可以集成到燃料电池控制器540中或者可以分开提供。调整燃料电池子系统542的致动器可用于进行校正动作，以处理发动机约束550。例如，使用燃料电池燃料利用率控制器544来增加燃料利用率可用于降低发动机温度。在实施例中，诸如参考图2和图3所描述的集成燃料电池和燃烧器组件200的系统可以调整由燃料电池子系统542提供的输出产物的量或成分，进而又调整燃烧器组件200内的温度或离开燃烧器组件200/进入涡轮区段的温度。应当理解，基于系统焓，控制来自燃料电池子系统的电输出可用于通过增加或减少从系统汲取的能量(影响输出产物的成分)来控制各种发动机约束550。
140.燃料电池子系统542可以基于例如上面参考图2描述的一个或多个功率设定点和反馈控制来操作。仍然参考图7的实施例，示意性地描绘了燃料电池设定点548。燃料电池设定点548被显示为至少部分地通过燃料电池反馈信号552和燃料电池功率需求556来控制。例如，燃料电池反馈信号552可以提供燃料电池子系统542的实际功率输出554的直接或间接测量值，使得燃料电池设定点548可以被调整，以考虑导致实际功率输出554与请求的燃料电池功率需求556不同的变量。因此，应当理解，燃料电池燃料利用率控制器544可以响应于如上所述的发动机约束550来被调整，而不必改变燃料电池子系统542的实际功率输出554(例如，燃料电池燃料利用率控制器544可以进行调整，以改变提供给燃烧区段的输出产物的成分，并且反馈信号552可以允许进行调整，以将实际功率输出554维持在期望水平)。然而，还应当理解，实际功率输出554也可以作为潜在致动器被控制，以响应于发动机约束进行校正动作，如下面将参考图12更详细地描述的。
141.现在参考图8，提供了示例性发动机约束750的图形表示。例如，发动机约束750表
示速度、温度或如上面参考图7所述的其他变量。发动机可操作性指示器701可用于测量发动机约束750，其中发动机可操作性指示器701在描绘的箭头方向上增加。可操作性裕度被限定为“当前测量值与诸如770或772或774的给定可操作性阈值之间的差异”。如本文所用，较大的可操作性裕度对应于改进的发动机可操作性，其可以以燃料利用率、排放性能或各种其他度量来测量。例如，发动机可操作性指示器701可以是表示温度的温度值，诸如上面参考图7描述的t
50
或t
40
。在该示例中，随着温度值更靠近修整或跳闸(trip)限制，相应的可操作性裕度会减小。当可操作性裕度到达零时，就是说已经达到相应的阈值，并提供对应的修整或跳闸动作。因此，可以限定有界的可操作性窗口，如参考图9更详细描述的。
142.可以为给定发动机约束750限定各种可操作性区域。这些可操作性区域以及对应的限制用于促进控制模式确定503。如图8中描绘的，提供了第一可操作性区域710、第二可操作性区域712和第三可操作性区域714。这些可操作性区域710、712、714中的每个可操作性区域可以对应于指示如上所述的各种性能变量的特定可操作性范围。相应的限制770、772、774限定了可以触发一个或多个控制动作的发动机可操作性限制。发动机可操作性指示器701可以指发动机参数是否已经到达其限制，超过该限制可能导致物理故障，诸如机械损坏、风扇叶片脱落和/或使用寿命缩短等。例如，从顶部到底部，跳闸限制阈值774可以表示发动机可操作性限制，超过该限制就需要关闭燃烧器，切断到燃烧器的至少一部分的燃烧器燃料。使用高压涡轮入口温度或t
40
作为示例，跳闸限制阈值774可以是1500℃。可以在跳闸限制阈值774之前提供发动机修整阈值772，其中发动机修整阈值772表示发动机可操作性限制，超出该限制就可能需要修整一个或多个发动机约束，诸如燃烧器燃料流率，以减少燃烧器和发动机推力输出，进而降低温度。使用低压涡轮出口温度或t
50
作为示例，发动机修整阈值772可以是1400℃。
143.还可以如本文所述提供燃料电池修整阈值770。燃料电池修整阈值770可以表示发动机可操作性限制，超出该限制就可能触发修整一个或多个燃料电池参数。使用如上的t50示例，燃料电池修整阈值可以是1300℃。在该示例中，如果确定该t50值超出燃料电池修整阈值770，则控制模式确定503可以自动触发燃料电池通用模式。因此，燃料电池修整阈值770的引入促进了将燃料电池作为至少一个致动器来减轻发动机可操作性限制的预防性动作，潜在地避免了达到发动机修整阈值772和/或跳闸限制阈值774以及它们相应的调整发动机约束并潜在地关闭操作的动作。该阈值操作可以通过使用燃料电池来增加发动机推力服务的可用性和可靠性。
144.如上所述，第一可操作性区域710可以对应于不需要校正动作的优选可操作性范围。第一可操作性区域710可以由至少一个阈值(诸如燃料电池修整阈值770)界定。当在第一可操作性区域710内操作时，发动机约束750，例如如上所述的温度，被称为在没有达到燃料电池修整阈值770的情况下操作。一旦发动机约束750限定了在第一可操作性区域710之外的发动机可操作性指示器701，该发动机约束就被称为已经达到燃料电池修整阈值770。燃料电池修整阈值770可以表示偏离期望值或范围，如下文进一步描述的。例如，燃料电池修整阈值770可以表示与发动机的燃料低效率、发动机可操作性指示器或发动机寿命指示器相关的值。发动机燃料低效率可以指燃烧器在燃烧航空燃料时的低效率。发动机可操作性指示器可以指燃烧区段是否正在生成足够的动力以使发动机实现期望的推力或其他动力指示器。发动机寿命指示器可以指各种参数，这些参数指示发动机是否正在以可能导致
发动机比期望的更快劣化的方式操作(例如，更高的温度、压力、压力波动等)。
145.一旦发动机约束750已经达到燃料电池修整阈值770，发动机可操作性指示器701接下来就移动到第二可操作性区域712，第二可操作性区域712被界定在燃料电池修整阈值770和发动机修整阈值772之间。发动机修整阈值772可以例如指示对于燃料电池的最大能力所可能的发动机约束750的最大预测变化，或在基本上没有不利地影响燃料电池的操作、可操作性或寿命的情况下，可以通过修改燃料电池操作来实现的发动机约束750的一些较小的预测变化。该第二可操作性区域712可以表示燃料电池组件(例如参考图7描述的燃料电池子系统542)的校正范围。因此，当发动机约束750已经达到燃料电池修整阈值770，但尚未达到发动机修整阈值772时，诸如燃料电池子系统542的燃料电池组件可以被构造为进行燃料电池校正动作。应当理解，各种控制器，例如图7的燃料电池控制器540，可以被构造为确定已经达到哪些阈值并因此确定发动机约束落入可操作性区域710、712、714中的哪个可操作性区域。
146.仍然参考图8，超过发动机修整阈值772，第三可操作性区域714由跳闸限制阈值774界定。在实施例中，跳闸限制阈值774是在强制关闭之前的发动机约束750的最大允许范围。第三可操作性区域714可以表示在其之外燃料电池组件的控制不足以对发动机约束750进行完整校正动作的区域。例如，一个或多个控制器可以被构造为利用涡轮机进行涡轮机校正动作(例如，减少由如参考图5所述的一个或多个燃料流量阀151a、b、c供应的燃料，致动涡轮机的一个或多个可变几何部件等)。在该实施例中，应当理解，涡轮机校正动作和燃料电池校正动作(统称为“校正动作”)可以一起进行。例如，燃料电池校正动作可以通过进一步的涡轮机校正动作来被补充，燃料电池校正动作利用燃料电池控制器540响应于发动机约束750达到燃料电池修整阈值770来进行，涡轮机校正动作利用一个或多个燃料流量阀151a、b、c响应于发动机约束750达到发动机修整阈值772来进行。替代地，某些实施例可以被构造为使得在这种条件下仅进行涡轮机校正动作。在实施例中，至少一个控制器被构造为当发动机约束750已经达到发动机修整阈值772时，调整入口导向轮叶组件或减少对涡轮机的燃料供应，作为涡轮机校正动作。
147.如上简要地所述，第三可操作性区域714进一步由跳闸限制阈值774界定。跳闸限制阈值774可以表示发动机约束750的最大允许值。例如，达到跳闸限制阈值774的发动机约束750可能会给飞行器带来一个或多个系统需要跳闸或关闭操作的足够风险。因此，在第三可操作性区域714中的操作期间，可能优先的是将发动机约束750至少带回到第二可操作性区域712内。在实施例中，所有可用的致动器，包括燃料电池组件和涡轮机致动器，可以被用于响应第三可操作性区域714中的操作来进行校正动作。
148.现在转到图9，应当理解，一个或多个发动机约束可以一起限定校正动作。这个想法基于发动机约束之间和校正动作之间的相互作用。如图9中描绘的，在y轴上提供第一可操作性指示器801，并且在x轴上提供第二可操作性指示器802。给定的发动机约束850可以沿着这些轴中的每个轴限定可操作性窗口。如所描绘的，沿x轴的可操作性窗口可以取决于沿y轴的值，反之亦然。
149.在图9的示例性实施例中，限定了第一可操作性区域810、第二可操作性区域812和第三可操作性区域814。应当理解，可操作性区域810、812、814大体上可以对应于参考图8的可操作性区域710、712、714和限定在其间的阈值770、772、774。如参考图8简要描述的，对于
给定的发动机约束，可操作性区域可以在两个方向上延伸超过第一可操作性区域710、810。因此，图9的第一可操作性区域810可以表示第一和第二可操作性指示器801、802的优选操作范围，其中第二和第三可操作性区域812、814表示越来越偏离该优选操作范围。例如，第一可操作性指示器801可以表示温度，诸如如上所述的t40或t50，其中可操作性区域810、812、814沿y轴限定可操作性窗口和阈值，并且第二可操作性指示器802可以表示空气与燃料比，其中可操作性区域810、812、814限定沿x轴的可操作性窗口和阈值。应当理解，虽然第一和第二可操作性指示器被显示为彼此影响，但是由于某些发动机约束860可以独立操作，因此不一定是这种情况。
150.限定在图9中的可操作性区域810、812、814之间的阈值大体上可以对应于参考图8描述的那些。例如，燃料电池修整阈值可以限定第一可操作性区域810和第二可操作性区域812之间的边界，并且发动机修整阈值可以限定第二可操作性区域812和第三可操作性区域814之间的边界。还如上所述，第一可操作性区域810可以表示理想值，或者在这种情况下，表示沿第一可操作性指示器801和第二可操作性指示器802的值的组合。在这种情况下，第一可操作性区域810可以因此是沿x轴和y轴限定理想值的图9的图表上的点，超过该值可以采取校正动作。如上所述，例如在达到燃料电池修整阈值时，校正动作可以优选地利用一个或多个燃料电池致动器来进行。
151.现在转向图10，描绘了推进系统控制模型的示例性实施例。如图所示，一个或多个控制器可以一起协作以控制推进系统的操作，并且应当理解，可以例如通过使描绘的那些控制器组合或分离来提供比所描绘的控制器更多或更少的控制器。特别地，将理解的是，如本文所使用的，作为所公开的控制模型的一部分的多个控制器的描述不一定需要分开的控制器结构或硬件，而是本文描述的多个控制器可以全部集成到单个计算装置中，或任何合适数量或布置的计算装置中。
152.在图10的实施例中，提供了涡轮机控制器1010、优先级控制器1012和燃料电池控制器1014。以涡轮机控制器1010开始，可以响应于输出需求1000进行动作，输出需求1000可以例如是来自操作员如利用油门杆(throttle lever)的推力请求。响应于输出需求1000，提供了涡轮机设定点1016。基于一个或多个发动机约束，燃料消耗(wf)致动器1018控制供应给涡轮机的燃料量，提供对应的涡轮机功率1020。如所描绘的，涡轮机控制器1010可以使用来自涡轮机功率1020的反馈信号来调整涡轮机设定点1016，使得涡轮机功率1020实际输出满足所请求的输出需求1000。应当理解，不一定要测量输出功率或推力。相反，实际输出功率的指标，例如发动机压力比(epr)，可用于控制目的。
153.如上所述，各种发动机约束可以进一步确定或约束涡轮机控制器1010的操作。例如，可以提供一个或多个限制器或进一步的控制，以约束给定发动机约束的操作范围。在图10描绘的实施例中，多个第一限制器1022和多个第二限制器1024协作，以控制涡轮机1010的操作，这可以被称为最小/最大控制过程。例如，涡轮机控制器1010可以被构造为利用一个或多个限制器1022、1024来将给定发动机约束的值与最小和/或最大允许值进行比较。如下文更详细描述的，在涡轮机控制器1010中使用的这些限制器1022、1024可以被调谐，以考虑其他地方的调整能力。例如，燃料电池控制器1014中的调整能力可以促进涡轮机控制器1010的限制器1022、1024的更宽的允许范围，同时维持对一个或多个发动机约束的充分控制。
154.指示发动机输出的信号，例如在上述反馈控制中描述的epr，可以进一步被传输到至少一个其他控制器。如所描绘的，优先级控制器1012的发动机感测模型1026被构造为接收指示涡轮机功率1020的数据。发动机感测模型1026可以被构造为确定给定发动机操作条件和需求下的一个或多个发动机约束1028的优选值。例如，可以进行复杂的多变量分析，以确定给定功率、飞行计划、排放和效率要求下的每个发动机约束1028的优选值或范围。在这种确定之后，优先级控制器1012可以进一步被构造为利用动作优先级控制器1030确定校正动作的优先级。以这种方式，优先级控制器1012可以确定多个致动控制器的优先级顺序。动作优先级控制器1030可以被构造为确定其可用于校正动作的致动器的约束，并且至少部分地基于该确定来优先考虑每个可用致动器的使用。与发动机感测模型1026一样，可以进行复杂的多变量分析，以基于还包括功率、飞行计划、排放和效率要求的进一步变量来确定用于校正动作的致动器的优选优先级。然而，还应当理解，也可以提供致动器的默认优先级。
155.在图10描绘的实施例中，燃料电池控制器1014包括可用于校正动作的多种致动器。至少一个输出信号从优先级控制器1012被传输到燃料电池控制器1014，以命令至少一个校正动作。多个致动控制器可以被构造为当一个或多个发动机约束1028已经达到如上文参考图8和图9所描述的可操作性限制阈值时，进行一个或多个校正动作。燃料电池控制器1014被构造成当一个或多个发动机约束1028已经达到可操作性限制阈值，但尚未达到如参考图8和图9所描述的发动机修整阈值时，修改燃料电池的操作。
156.燃料电池控制器1014可以包含进一步的控制器以用作独立致动器，或者其本身可以用作多个控制器。例如，图10的实施例描绘了燃料电池控制器1014，燃料电池控制器1014包括燃料电池功率控制器1032、燃料电池燃料利用率控制器1034和电流分布控制器1036。
157.燃料电池功率控制器1032可以被构造为例如通过增加燃料电池子系统1040的电输出来修改燃料电池燃料致动器1038的操作，作为可能的燃料电池校正动作。燃料电池燃料利用率控制器1034还可以例如通过相同的燃料电池致动器1038，控制燃料电池子系统1040，作为可能的燃料电池校正动作。燃料电池燃料利用率控制器1034可以用于控制例如提供给燃料电池子系统的氢燃料的利用率，影响由燃料电池子系统提供给燃烧室的输出产物的成分。在各种实施例中，燃料电池燃料利用率控制器1034可以是优选控制器，例如由优先级控制器1012默认优先考虑。采用燃料电池燃料利用率控制器1034的至少一个可能的优点可以是维持期望的燃料电池功率输出1041。
158.如图10的实施例中所描绘的，燃料电池功率控制器1032具有燃料电池功率设定点1042，并且燃料电池燃料利用率控制器1034具有燃料电池燃料利用率设定点1044。这些设定点1042、1044可以用于如上所述的反馈控制，例如维持给定燃料电池功率输出和燃料利用率值。燃料电池功率需求1049也可以作为输入被提供给燃料电池功率设定点1042，例如以请求期望的燃料电池功率输出1041。
159.电流分布控制器1036可以控制穿过燃料电池子系统1040的电流分布，例如周向围绕图3中描绘的实施例。通过用一个或多个转换器1046控制至少两个区域中的电流分布，燃料电池子系统1040可以考虑燃烧器局部变化(例如，温度、压力或两者)，而不影响整个燃料电池子系统1040、燃烧器(使用航空燃料)或两者的总功率输出或燃料利用率。在2021年8月19日提交的美国专利申请序列号17/406,894中提供了对这种系统的进一步说明，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。
160.现在参考11，如图10中的系统可以进一步包括燃料电池温度控制器1050。尽管图11的实施例描绘了燃料电池温度控制器1050代替电流分布控制器1036(参见图10)，但是应当理解，这些实施例也可以组合。燃料电池温度控制器1050被构造为响应于一个或多个修整信号来调控燃料电池子系统1040的温度。例如，可以传送燃料电池温度修整信号，以设定燃料电池温度设定点1048，从而提供响应于一个或多个发动机约束1028的校正动作。可以使用如上所述的反馈控制，例如利用来自燃料电池子系统1040的温度数据反馈，来进一步调控燃料电池温度设定点1048。
161.为了调控燃料电池子系统1040的温度，燃料电池温度控制器1050可以操作空气处理单元，选择压缩空气源，操作各种冷却装置或其组合。例如，燃料电池子系统1040和燃料电池温度控制器1040可以增加或减少到空气处理单元(例如，燃烧器)的燃料流，可以从发动机的压缩机区段内的更上游(更冷)或更下游(更热)的位置提取压缩空气，和/或可以操作燃料电池旁通空气致动器1052，以调控流向燃料电池子系统1040的冷却空气量。以这种方式，燃料电池温度控制器1050被构造为当一个或多个发动机约束1028已经达到可操作性限制阈值，但尚未达到发动机修整阈值时，修改操作。因此，燃料电池子系统1040的温度以及因此的性能可以利用燃料电池温度控制器1050来被调控，从而提供了能够使用燃料电池组件对涡轮机进行校正动作的又一个潜在致动器。
162.现在转向图12，提供了控制系统的另一个实施例。在该实施例中，提供了约束控制器1110、优先级控制器1112和动作控制器1114。然而，应当理解，这些控制器1110、1112、1114仅仅是示例性的并且可以组合或分离。在描绘的实施例中，约束控制器1110包括发动机约束限制器1116，发动机约束限制器1116受发动机约束反馈1118控制，以维持约束设定点1120。约束设定点1120可以被设定为实现各种目标并且可以是可变的。例如，约束设定点1120可以对应于与参考图8和图9讨论的第一可操作性区域710、810一致的理想值或范围。
163.当发动机约束限制器1116确定不满足约束设定点1120时，优先级控制器1112可以例如基于大小对与约束设定点1120的偏差进行分类。在图12的实施例中，优先级控制器1112被构造为基于来自约束控制器1110的数据，基于至少一个发动机约束的偏差大小来确定优先级顺序。如图所示，低偏差大小1122、中间偏差大小1124和高偏差大小1126可以表示与约束设定点1120的各种偏离，大体上对应于参考图8描述的发动机修整阈值772。
164.优先级控制器1112可以被构造为响应于其确定的优先级顺序，传输至少一个控制信号。例如，优先级控制器1112可以将控制信号传输到如上所述的各种燃料电池或涡轮机控制器，以进行校正动作。如图12所示，可以根据优先级顺序来选择进行的校正动作和请求进行这种动作的控制器。如图所示，低偏差大小1122的确定可以通过修改燃料电池燃料利用率控制1132，例如利用参考图10和11描述的燃料电池燃料利用率控制器1034，来触发校正动作。中间偏差大小1124的确定可以通过修改燃料电池功率控制1134，例如利用参考图10和11描述的燃料电池燃料功率控制器1032，来触发校正动作。最后，高偏差大小1126的确定可以通过修改涡轮机控制1136，例如利用参考图5描述的燃料阀151a、151b和/或151c，来触发校正动作。
165.现在参考图13，描述了根据实施例的操作具有燃料电池和涡轮机的推进系统的方法的流程图。应当理解，关于图13的方法所公开的步骤的顺序仅作为示例。在其他示例性方面，这些步骤的顺序和布置可以改变。
166.根据该方法，进行接收指示发动机约束的数据的第一过程1301。在第二过程1302中，确定发动机约束是否已经达到跳闸限制阈值，例如参考图8描述的跳闸限制阈值774。如在该实施例中，如果已经达到跳闸限制阈值，则该方法可以在本方法的最终过程1311中关闭涡轮机的操作。
167.如果尚未达到跳闸限制阈值，则该方法可以进行到第三过程1303，其中确定发动机约束是否已经达到发动机修整阈值，诸如参考图8描述的发动机修整阈值772。如果确定尚未达到发动机修整阈值，则该方法可以进行到第一通用过程1304。如果已经达到发动机修整阈值，则该方法进行到如下文进一步描述的第一替代过程1307。
168.转回到第一通用过程1304，这表示所谓的发动机通用模式1399中的第一过程。发动机通用模式1399大体上促进燃料电池组件的操作，以进行如本文别处所述的校正动作。在该第一通用过程1304中，确定发动机约束是否已经达到燃料电池修整阈值，例如对应于参考图8描述的燃料电池修整阈值770。如果确定尚未达到燃料电池修整阈值，也就是说不需要校正动作，则该方法可以进行到第四过程1310并继续在例如参考图8和图9所描述的第一可操作性区域内的操作。然而，如果确定发动机约束已经达到燃料电池修整阈值，则该方法进行到第二通用过程1306。
169.在第二通用过程1306和第三通用过程1308中，可以利用燃料电池组件进行校正动作。例如，该方法可以采用如参考图10和图11描述的燃料电池子系统1040的控制来进行校正动作。如图所示，该方法将控制信号传输到燃料电池组件(过程1306)，其控制燃料电池组件，以将发动机约束带入第一可操作性区域内(过程1308)。尽管在该流程图中未示出，但是如果燃料电池组件的控制因为某种原因而不能有效地或高效地将发动机约束带入可操作性限制阈值内，则该方法可以进行到下面所述的替代模式中的操作。
170.在上面简要提到的第一替代过程1307中，该方法沿着与通用模式1399中类似的路线进行，以进行校正动作。然而，在第一替代过程1307和第二替代过程1309中，控制信号被代替地传输到涡轮机(过程1307)，以控制涡轮机来将发动机约束带入至少例如参考图8和图9所描述的第二可操作性区域内(过程1309)。从该点开始，当在第二可操作性区域中的操作指示了确定发动机约束尚未达到发动机修整阈值时，该方法可以进行到通用模式。因此，该方法可以进行到控制燃料电池组件，以将发动机约束带入第一可操作性区域内(过程1308)。应当理解，如上所述，燃料电池校正动作可以与涡轮机校正动作一起进行。例如，确定发动机约束已经达到发动机修整阈值可以触发燃料电池校正动作和涡轮机校正动作两者。
171.该书面描述使用示例来公开本公开，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何装置或系统以及进行任何结合的方法。本公开的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。
172.进一步的方面由以下条款的主题提供：
173.根据第一条款，提供了一种用于飞行器的推进系统，所述飞行器包括飞行器燃料供应部，所述推进系统包括：燃料电池组件，所述燃料电池组件包括燃料电池；涡轮机，所述涡轮机包括以串行流动顺序布置的压缩机区段、燃烧器和涡轮区段，所述燃烧器被构造为
接收燃料流，并且进一步被构造为接收来自所述燃料电池的输出产物；和控制器，所述控制器包括存储器和一个或多个处理器，所述控制器被构造为：接收指示所述涡轮机的发动机约束的数据；确定所述发动机约束已经达到燃料电池修整阈值；和响应于确定所述发动机约束已经达到所述燃料电池修整阈值，利用所述燃料电池组件进行燃料电池校正动作。
174.根据另一条款，所述控制器进一步被构造为：确定所述发动机约束尚未达到发动机修整阈值；和响应于确定所述发动机约束已经达到所述燃料电池修整阈值并且所述发动机约束尚未达到所述发动机修整阈值，利用所述燃料电池组件进行所述燃料电池校正动作。
175.根据另一条款，所述燃料电池修整阈值指示以下中的至少一个：发动机燃料效率；发动机可操作性指示器；或发动机寿命指示器。
176.根据另一条款，所述发动机修整阈值指示对于所述燃料电池组件的最大能力所可能的所述发动机约束的最大预测变化。
177.根据另一条款，所述控制器进一步被构造为响应于确定所述发动机约束已经达到所述燃料电池修整阈值，修改所述燃料电池组件的操作。
178.根据另一条款，所述控制器包括以下中的至少一个：燃料电池功率控制器，所述燃料电池功率控制器被构造为修改燃料电池燃料致动器的操作；或电流分布控制器，所述电流分布控制器被构造为改变穿过所述燃料电池组件的电流分布。
179.根据另一条款，所述控制器进一步包括燃料电池燃料利用率控制器，并且其中所述燃料电池燃料利用率控制器被构造为响应于确定所述发动机约束已经达到所述燃料电池修整阈值，将所述燃料电池燃料致动器的操作修改为优先考虑的响应。
180.根据另一条款，所述控制器包括燃料电池温度控制器，并且其中所述燃料电池温度控制器被构造为响应于所述发动机约束达到所述燃料电池修整阈值，修改燃料电池旁通空气致动器的操作。
181.根据另一条款，所述控制器进一步被构造为：确定所述发动机约束已经达到发动机修整阈值；并且响应于所述发动机约束达到所述发动机修整阈值，利用所述涡轮机进行涡轮机校正动作。
182.根据另一条款，涡轮机校正动作包括以下中的至少一个：调整入口导向轮叶组件；或减少对所述涡轮机的燃料供应。
183.根据另一条款，所述推进系统进一步包括多个致动控制器，所述多个致动控制器被构造为响应于所述发动机约束达到所述燃料电池修整阈值，进行一个或多个校正动作；和优先级控制器，所述优先级控制器被构造为确定所述多个致动控制器的优先级顺序。
184.根据另一条款，所述优先级控制器被构造为基于所述发动机约束与发动机修整阈值的偏差大小来确定所述多个致动控制器的所述优先级顺序。
185.根据另一条款，提供了一种操作用于飞行器的推进系统的方法，所述飞行器包括飞行器燃料供应部，并且所述推进系统包括燃料电池组件和涡轮机，所述燃料电池组件包括燃料电池，所述涡轮机包括以串行流动顺序布置的压缩机区段、燃烧器和涡轮区段，所述方法包括：利用所述燃烧器接收来自所述燃料电池的输出产物和燃料流；利用控制器接收指示所述涡轮机的发动机约束的数据；利用所述控制器确定所述发动机约束已经达到燃料电池修整阈值；和响应于所述发动机约束达到所述燃料电池修整阈值，利用所述燃料电池
组件进行燃料电池校正动作。
186.根据另一条款，所述方法进一步包括：利用所述控制器确定所述发动机约束已经达到发动机修整阈值；和响应于所述发动机约束达到所述燃料电池修整阈值且未达到所述发动机修整阈值，利用所述燃料电池组件进行所述燃料电池校正动作。
187.根据另一条款，所述发动机修整阈值指示对于所述燃料电池组件的最大能力所可能的所述发动机约束的最大预测变化。
188.根据另一条款，所述方法进一步包括：确定所述发动机约束已经达到发动机修整阈值；和响应于确定所述发动机约束已经达到所述发动机修整阈值，利用所述涡轮机进行涡轮机校正动作。
189.根据另一条款，所述涡轮机校正动作包括以下中的至少一个：调整入口导向轮叶组件；或减少对所述涡轮机的燃料供应。
190.根据另一条款，所述方法进一步包括：响应于所述发动机约束达到所述燃料电池修整阈值，利用多个致动控制器进行一个或多个校正动作；和利用优先级控制器确定所述多个致动控制器的优先级顺序。
191.根据另一条款，所述方法进一步包括：基于所述发动机约束与发动机修整阈值的偏差大小，利用所述优先级控制器确定所述多个致动控制器的所述优先级顺序。
192.根据另一条款，提供了一种用于飞行器的推进系统的优先级控制器，所述推进系统包括涡轮机和燃料电池组件，所述优先级控制器包括处理器和存储器，所述存储器存储指令，所述指令在由所述处理器执行时，使所述优先级控制器执行指令，所述指令包括：接收指示所述涡轮机的发动机约束的数据；确定所述发动机约束是否已经达到燃料电池修整阈值；基于偏差大小，确定多个致动控制器的优先级顺序；和将控制信号传输到所述燃料电池组件，以根据所述优先级顺序控制至少一个校正动作。

技术特征：
1.一种用于飞行器的推进系统，所述飞行器包括飞行器燃料供应部，其特征在于，所述推进系统包括：燃料电池组件，所述燃料电池组件包括燃料电池；涡轮机，所述涡轮机包括以串行流动顺序布置的压缩机区段、燃烧器和涡轮区段，所述燃烧器被构造为接收燃料流，并且进一步被构造为接收来自所述燃料电池的输出产物；和控制器，所述控制器包括存储器和一个或多个处理器，所述控制器被构造为：接收指示所述涡轮机的发动机约束的数据；确定所述发动机约束已经达到燃料电池修整阈值；和响应于确定所述发动机约束已经达到所述燃料电池修整阈值，利用所述燃料电池组件进行燃料电池校正动作。2.根据权利要求1所述的推进系统，其特征在于，其中所述控制器进一步被构造为：确定所述发动机约束尚未达到发动机修整阈值；和响应于确定所述发动机约束已经达到所述燃料电池修整阈值并且所述发动机约束尚未达到所述发动机修整阈值，利用所述燃料电池组件进行所述燃料电池校正动作。3.根据权利要求2所述的推进系统，其特征在于，其中所述发动机修整阈值指示对于所述燃料电池组件的最大能力所可能的所述发动机约束的最大预测变化。4.根据权利要求1所述的推进系统，其特征在于，其中所述燃料电池修整阈值指示以下中的至少一个：发动机燃料效率；发动机可操作性指示器；或发动机寿命指示器。5.根据权利要求1所述的推进系统，其特征在于，其中所述控制器进一步被构造为响应于确定所述发动机约束已经达到所述燃料电池修整阈值，修改所述燃料电池组件的操作。6.根据权利要求5所述的推进系统，其特征在于，其中所述控制器包括以下中的至少一个：燃料电池功率控制器，所述燃料电池功率控制器被构造为修改燃料电池燃料致动器的操作；或电流分布控制器，所述电流分布控制器被构造为改变穿过所述燃料电池组件的电流分布。7.根据权利要求6所述的推进系统，其特征在于，其中所述控制器进一步包括燃料电池燃料利用率控制器，并且其中所述燃料电池燃料利用率控制器被构造为响应于确定所述发动机约束已经达到所述燃料电池修整阈值，将所述燃料电池燃料致动器的操作修改为优先考虑的响应。8.根据权利要求5所述的推进系统，其特征在于，其中所述控制器包括燃料电池温度控制器，并且其中所述燃料电池温度控制器被构造为响应于所述发动机约束达到所述燃料电池修整阈值，修改燃料电池旁通空气致动器的操作。9.根据权利要求1所述的推进系统，其特征在于，其中所述控制器进一步被构造为：确定所述发动机约束已经达到发动机修整阈值；并且响应于所述发动机约束达到所述发动机修整阈值，利用所述涡轮机进行涡轮机校正动
作。10.根据权利要求9所述的推进系统，其特征在于，其中涡轮机校正动作包括以下中的至少一个：调整入口导向轮叶组件；或减少对所述涡轮机的燃料供应。

技术总结
一种用于飞行器的推进系统，包括燃料电池组件和涡轮机，燃料电池组件包括燃料电池，涡轮机包括以串行流动顺序布置的压缩机区段、燃烧器和涡轮区段。燃烧器被构造成接收燃料流，并且进一步被构造成接收来自燃料电池的输出产物。控制器被构造为接收指示涡轮机的发动机约束的数据，确定发动机约束已经达到燃料电池修整阈值；和响应于确定发动机约束已经达到燃料电池修整阈值，利用燃料电池组件进行燃料电池校正动作。池校正动作。池校正动作。


技术研发人员：王宏刚 迈克尔
受保护的技术使用者：通用电气公司
技术研发日：2022.12.27
技术公布日：2023/7/19