張浙波

摘 要：隨著航空技術(shù)的不斷進(jìn)步，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能監(jiān)測(cè)備受重視。由于現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，工作狀態(tài)不穩(wěn)定，為了保障其穩(wěn)定的工作，提高飛行的安全性，對(duì)航空渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能監(jiān)測(cè)進(jìn)行探索是非常必要的。本文分析了航空渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)部件參數(shù)對(duì)性能的影響，建立了大偏差變量模型并對(duì)其應(yīng)用誤差補(bǔ)償技術(shù)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行精度；同時(shí)，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能退化進(jìn)行預(yù)測(cè)與評(píng)估，提升航空渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能監(jiān)測(cè)技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；性能；精度；安全性

近年來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷方法層出不窮，性能監(jiān)測(cè)技術(shù)也在穩(wěn)步發(fā)展，而健康管理系統(tǒng)是判斷發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要手段。發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)管理、壽命分析、故障診斷與健康狀況分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)與氣動(dòng)熱力系統(tǒng)的同時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷分析，不僅節(jié)約了維修保障費(fèi)用，而且提高了工作效率與安全性。航空渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能監(jiān)測(cè)技術(shù)的探索對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率有著積極意義。

一、分析發(fā)動(dòng)機(jī)部件參數(shù)對(duì)性能的影響

1）總壓比對(duì)性能的影響?？倝罕葘?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率有著直接的影響作用，主要體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率跟總壓比呈反比，也就是總壓比越高越好，耗油率就會(huì)有所降低，大大減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行成本。但是，當(dāng)總壓比較高時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求就會(huì)越高，也就是生產(chǎn)成本就會(huì)越高。就目前所使用的渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)而言，總壓比普遍較低，在結(jié)構(gòu)上限制了總壓比的提高，而且，壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)不合理，也會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的高耗油率。當(dāng)燃?xì)鉁u輪進(jìn)口溫度保持不變時(shí)，總壓比的變化還會(huì)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，隨著總壓比增加，輸出功率呈開(kāi)口向下的拋物線(xiàn)變化趨勢(shì)，因此，存在一個(gè)最優(yōu)總壓比使得輸出功率最大，發(fā)動(dòng)機(jī)性能達(dá)到最強(qiáng)。

2）燃?xì)鉁u輪進(jìn)口溫度對(duì)性能的影響。航空渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鉁u輪進(jìn)口溫度也是判斷發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要因素。燃?xì)鉁u輪進(jìn)口溫度對(duì)耗油率基本沒(méi)有影響，但是可以很大程度上改變發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，基本呈線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)。溫度低會(huì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率低，這會(huì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)的迎風(fēng)面積增加，發(fā)動(dòng)機(jī)不斷增重，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的功率質(zhì)量比與單位流量功率降低，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的性能大大降低，也會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，加速發(fā)動(dòng)機(jī)性能的退化。

3）其他影響因素。除了以上影響因素外，發(fā)動(dòng)機(jī)的部件效率也是判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的性能的重要參數(shù)，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的性能隨著發(fā)動(dòng)機(jī)部件效率的降低而減弱。目前，比如燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)、部件機(jī)械效率、進(jìn)氣道與渦輪之間連接管道總壓恢復(fù)系數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響雖然也不小，但是這些因素都是由發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備本身決定的，基本上已經(jīng)達(dá)到較高水平，因此，在進(jìn)行性能監(jiān)測(cè)時(shí)基本上不予分析這些因素。而壓氣機(jī)與燃?xì)鉁u輪的等熵效率以及渦輪工作效率等也是發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要影響因素，在監(jiān)測(cè)技術(shù)中也是重要的參數(shù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析有著重要作用。

二、大偏差變量模型的建立與誤差補(bǔ)償技術(shù)

（一）大偏差變量模型建立

大偏差變量模型的建立是基于描述發(fā)動(dòng)機(jī)在某一個(gè)動(dòng)作點(diǎn)附近的狀態(tài)變化，體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)是呈非線(xiàn)性的特性，利用狀態(tài)變量模型來(lái)代替非線(xiàn)性模型，從而描述相對(duì)應(yīng)工作狀態(tài)下的小偏差運(yùn)動(dòng)，并且與穩(wěn)態(tài)基點(diǎn)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，便可描述發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡態(tài)的加、減速運(yùn)動(dòng)。在建立過(guò)程中，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)是不斷變化的。所以，在建模時(shí)，應(yīng)以某個(gè)參數(shù)作為索引值，從而得到相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)變量模型以及穩(wěn)態(tài)基點(diǎn)，具體的建立方法可以用插值法或擬合法。

（二）對(duì)大偏差變量模型的建模誤差的補(bǔ)償

穩(wěn)態(tài)基點(diǎn)模型與非線(xiàn)性模型之間雖然不存在建模誤差，但是發(fā)動(dòng)機(jī)與非線(xiàn)性模型、穩(wěn)態(tài)基點(diǎn)模型與發(fā)動(dòng)機(jī)之間都存在一定的建模誤差，這會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)制造與安裝使得同一型號(hào)各臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)間的工作特性產(chǎn)生差異，也會(huì)導(dǎo)致所建立的狀態(tài)變量模型與真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)之間不匹配，從而影響健康參數(shù)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的判斷。因此，必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)大偏差變量模型進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

目前，普遍采用的是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償功能進(jìn)行誤差補(bǔ)償。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立建模誤差補(bǔ)償機(jī)制，可有效提高航空渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)大偏差變量模型的精度，從根本上降低了模型與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的建模誤差導(dǎo)致的故障診斷誤診的發(fā)生率，為航空渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷和性能監(jiān)測(cè)分析奠定了基礎(chǔ)。

三、發(fā)動(dòng)機(jī)性能退化的預(yù)測(cè)及評(píng)估

發(fā)動(dòng)機(jī)性能退化主要包括三方面部件的性能退化，分別是渦輪、壓氣機(jī)以及燃燒室，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能退化的預(yù)測(cè)與評(píng)估可以從這三方面部件進(jìn)行分析。

1）渦輪。渦輪性能退化主要體現(xiàn)在導(dǎo)向器泄漏、葉尖間隙增大以及葉片型面磨光退化等方面，通過(guò)分析這些現(xiàn)象，預(yù)測(cè)出渦輪性能退化，從而及時(shí)的采取相應(yīng)的解決措施，防止出現(xiàn)故障。導(dǎo)致渦輪性能退化的原因有很多，其中最主要的就是積垢堆積以及腐蝕。積垢的主要來(lái)源有灰塵的積淀以及燃燒殘留物的堆積，因此，可以根據(jù)積垢的堆積程度評(píng)估其性能退化程度。

2）壓氣機(jī)。壓氣機(jī)性能退化的主要原因與渦輪相似，但其主要體現(xiàn)在葉片型面發(fā)生變化，同時(shí)灰塵積淀也會(huì)使得機(jī)匣偏離，而燃油流路減小，使得壓氣機(jī)的效率不高。砂石之間的摩擦以及海水蒸汽對(duì)導(dǎo)向器的燒蝕，使得壓氣機(jī)的葉片松動(dòng)，流路破裂，也會(huì)在很大程度上降低壓氣機(jī)的工作效率。

3）燃燒室。燃燒室的性能退化主要體現(xiàn)在燃料燃燒的程度以及燃燒室的燃燒情況。經(jīng)過(guò)一定設(shè)計(jì)的燃燒室的燃燒效率是可以保持不變的，但是燃料的改變也會(huì)改變?nèi)紵业男阅?，?duì)燃燒室的性能退化有著密不可分的關(guān)系。

四、結(jié)語(yǔ)

總而言之，航空渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的性能監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)航空技術(shù)的進(jìn)步有著重要意義，是提高飛行效率與安全性的重要基礎(chǔ)與保障。通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件參數(shù)對(duì)性能影響的分析，提高航空渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能監(jiān)測(cè)水平，確保其安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)多為渦輪燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作狀態(tài)惡劣且多變，屬于故障多發(fā)系統(tǒng)，應(yīng)用性能監(jiān)測(cè)技術(shù)為發(fā)動(dòng)機(jī)的健康穩(wěn)定提供了保障，提高了飛行的安全性，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行成本與維護(hù)費(fèi)用，促進(jìn)了航空事業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展。

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