中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所 劉生旭

基于模型的渦軸發(fā)動機(jī)氣路性能分析

中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所 劉生旭

本文提出基于發(fā)動機(jī)氣路參數(shù)偏差估計發(fā)動機(jī)部件性能退化量的方法，并通過發(fā)動機(jī)部件級模型模擬退化仿真對基于模型的發(fā)動機(jī)性能分析方法的有效性進(jìn)行驗證，為今后基于試驗數(shù)據(jù)的渦軸發(fā)動機(jī)氣路性能分析奠定基礎(chǔ)。

發(fā)動機(jī)氣路分析技術(shù)是一種基于氣路測量參數(shù)對發(fā)動機(jī)的健康狀態(tài)進(jìn)行評估和分析的發(fā)動機(jī)健康管理技術(shù)。它的概念最早由Urban于1967年提出，采用基于故障系數(shù)矩陣的方法研究發(fā)動機(jī)部件退化與氣路參數(shù)偏差量之間的關(guān)系。經(jīng)過了四十多年的發(fā)展，現(xiàn)已在各型大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)、中小功率渦軸發(fā)動機(jī)氣路診斷中得到廣泛應(yīng)用，是迄今為止最為成熟的發(fā)動機(jī)氣路分析方法；許多發(fā)動機(jī)及相關(guān)系統(tǒng)的制造商都開發(fā)了基于故障系數(shù)矩陣的氣路分析軟件，比較著名的有通用電氣航空（GEAE）公司的TEMPER，聯(lián)合航空公司（UAC）下屬的漢密爾頓標(biāo)準(zhǔn)（HS）公司的TRENDS，羅羅（RR）公司的PYTHIA等。

本文以某型渦軸發(fā)動機(jī)為對象，提出了基于模型的渦軸發(fā)動機(jī)氣路性能分析方法，通過退化矩陣求逆，來實現(xiàn)由整機(jī)氣路參數(shù)變化量估算部件性能退化量的正向求解算法。

1.渦軸發(fā)動機(jī)氣路性能分析原理

在此次研究前期，研究團(tuán)隊通過部件級模型仿真研究了渦軸發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)、燃燒室、燃?xì)鉁u輪、動力渦輪性能退化對發(fā)動機(jī)氣路參數(shù)及整機(jī)性能的影響。仿真結(jié)果表明，發(fā)動機(jī)部件性能退化對氣路及整機(jī)性能參數(shù)的影響是線性的，且單個部件流量及效率組合退化影響滿足線性疊加原理。

在局部穩(wěn)態(tài)工作點附近工作時，將渦軸發(fā)動機(jī)視為一個線性模型。其輸入和輸出滿足線性疊加關(guān)系，渦軸發(fā)動機(jī)的部件性能改變對整機(jī)性能參數(shù)的影響時，輸入?yún)?shù)是部件的流通能力以及工作效率的退化程度，輸出參數(shù)為發(fā)動機(jī)各截面參數(shù)和性能的偏差量。

對應(yīng)一組確定的大氣條件、飛行條件、燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速、動力渦輪轉(zhuǎn)速，發(fā)動機(jī)各截面氣路參數(shù)及整機(jī)性能參數(shù)受部件性能退化而產(chǎn)生的偏差量可用下式表示：

簡化式（1），不同狀態(tài)下各參數(shù)退化曲線的斜率，求得發(fā)動機(jī)各個單一部件的單個參數(shù)的性能退化列向量（12×1）。從而獲得部件性能退化矩陣K。

借助Matlab計算軟件，可以方便地求出K_1：

以下將以某型發(fā)動機(jī)仿真結(jié)果為例，檢驗基于性能參數(shù)偏差的部件退化估計算法的有效性。

2.基于模型仿真數(shù)據(jù)的渦軸發(fā)動機(jī)氣路性能分析

2.1 壓氣機(jī)部件性能退化量估計

圖1 壓氣機(jī)流量退化5%對發(fā)動機(jī)氣路參數(shù)的影響

以壓氣機(jī)流量退化5%時的發(fā)動機(jī)部件性能退化量計算過程為例，依據(jù)圖1的仿真結(jié)果，按式（5）確定：

將式（6）與式（4）代入式（3）可得：

從式（7）可見，根據(jù)式（3）計算出的發(fā)動機(jī)部件性能退化量與實際給定的仿真退化輸入量是一致的。

同理，在海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速ng和動力渦輪轉(zhuǎn)速np取[100%, 100%]時，給定不同的壓氣機(jī)性能退化后的仿真參數(shù)，估計壓氣機(jī)部件的退化量。此處共考慮以下三種情況下的燃?xì)鉁u輪退化量估計：⑴壓氣機(jī)流量退化3%；⑵壓氣機(jī)效率退化4%；⑶壓氣機(jī)流量退化5%+效率退化4%。

根據(jù)已知條件壓氣機(jī)部件三種退化情況可計算得到壓氣機(jī)工作效率退化和壓氣機(jī)組合退化影響下的發(fā)動機(jī)部件性能退化量結(jié)果如表1。

表1 三種退化情況下壓氣機(jī)部件退化估計結(jié)果

將壓氣機(jī)三種退化情況下的退化量估計結(jié)果繪制曲線，結(jié)果如圖2所示。

如圖2所示，當(dāng)面臨壓氣機(jī)部件單個參數(shù)退化時，性能分析模型能夠準(zhǔn)確估計出壓氣機(jī)部件退化量；當(dāng)壓氣機(jī)流量及效率同時退化時，性能分析模型估計結(jié)果與真實退化量存在少許的偏差。

圖2 壓氣機(jī)部件性能退化量估計結(jié)果

2.2 燃?xì)鉁u輪部件性能退化量估計

在海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，ng和np取[100%, 100%]時，給定不同的燃?xì)鉁u輪性能退化后的仿真參數(shù)，估計燃?xì)鉁u輪部件的退化量。此處共考慮以下四種情況下的燃?xì)鉁u輪退化量估計：⑴燃?xì)鉁u輪流函數(shù)增大4%；⑵燃?xì)鉁u輪工作效率降低4%；⑶燃?xì)鉁u輪流函數(shù)增大4%+工作效率降低4%；⑷燃?xì)鉁u輪流函數(shù)增大4%+工作效率降低2%。

參考表1，表2列出了燃?xì)鉁u輪四種工況下退化量估計結(jié)果。

表2 四種退化情況下燃?xì)鉁u輪部件退化估計結(jié)果

亦可以圖2為樣，將表2中的退化量估計結(jié)果繪制成曲線。通過圖、表對比可知，當(dāng)燃?xì)鉁u輪發(fā)生單個參數(shù)退化時，性能分析模型能夠獲得準(zhǔn)確的估計結(jié)果；當(dāng)燃?xì)鉁u輪流函數(shù)及效率發(fā)生組合退化時，性能分析模型估計精度略差，但仍能較好地滿足發(fā)動機(jī)部件性能退化評估的需求。

2.3 動力渦輪部件性能退化量估計

參考燃?xì)鉁u輪的退化估計方法，在海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，ng和np取[100%, 100%]時，給定不同的動力渦輪性能退化后的仿真參數(shù)，估計動力渦輪部件的退化量。此處共考慮以下四種情況下的動力渦輪退化量估計：（1）動力渦輪流函數(shù)增大4%；（2）動力渦輪工作效率降低4%；（3）動力渦輪流函數(shù)增大4%+工作效率降低4%；（4）動力渦輪流函數(shù)增大4%+工作效率降低2%。

參考表2，表3列出了動力渦輪四種工況下退化量估計結(jié)果。

表3 四種退化情況下動力渦輪部件退化估計結(jié)果

將表3繪制成曲線，可通過圖、表對照性能分析模型能夠獲得，當(dāng)動力渦輪發(fā)生單個參數(shù)退化時的準(zhǔn)確估計結(jié)果；當(dāng)動力渦輪流函數(shù)及效率發(fā)生組合退化時，性能分析模型針對動力渦輪效率的退化估計精度略差。

2.4 發(fā)動機(jī)多部件組合退化量估計

渦軸發(fā)動機(jī)在使用過程中，各個部件的性能退化往往是相互伴隨且同時發(fā)生的。為了研究渦軸發(fā)動機(jī)多個部件組合退化時，發(fā)動機(jī)性能參數(shù)變化量與部件參數(shù)退化量是否還滿足線性疊加原理，即性能分析模型是否還能夠適用于多個部件組合退化時退化量的估計，本節(jié)圍繞以下四種工況開展仿真研究：

（1）壓氣機(jī)流量退化2%+燃?xì)鉁u輪效率退化2%；

（2）壓氣機(jī)流量退化2%+動力渦輪效率退化2%；

（3）燃?xì)鉁u輪流函數(shù)增加2%+動力渦輪效率退化2%；

（4）壓氣機(jī)流量退化2%+燃?xì)鉁u輪流函數(shù)增大2%+動力渦輪效率退化2%

仿真輸入條件為海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣，燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速ng和動力渦輪轉(zhuǎn)速np取[100%, 100%]，首先按照所建立的模型執(zhí)行上述四種工況的仿真，結(jié)果如圖5所示：

圖3 多部件組合退化對渦軸發(fā)動機(jī)氣路及性能參數(shù)的影響

從圖3可知，當(dāng)多部件組合退化時，其對發(fā)動機(jī)氣路及性能參數(shù)的影響是不同的，有些影響相互抵消，有些影響相互疊加。

基于圖3中的多部件組合退化仿真結(jié)果，按照前述所提出的性能分析方法，估計發(fā)動機(jī)部件性能的退化量，結(jié)果如表4及圖3所示。

表4 發(fā)動機(jī)多部件組合退化情況下退化估計結(jié)果

將表4中的退化量估計結(jié)果繪制成曲線。當(dāng)多部件發(fā)生組合退化時，性能分析模型仍能較好地估計出部件的退化量；相對而言，動力渦輪效率的退化估計精度略低，這是因為，動力渦輪效率退化時僅影響發(fā)動機(jī)輸出功率及動力渦輪出口總溫，這兩個被影響參數(shù)的變化量很容易被折算到其它部件退化參數(shù)的影響中去。

綜上所述，基于氣路參數(shù)偏差的性能分析模型能夠較好地估計壓氣機(jī)、燃?xì)鉁u輪、動力渦輪流通能力與工作效率的退化量，這為工程中采用該方法進(jìn)行基于試驗數(shù)據(jù)的渦軸發(fā)動機(jī)氣路性能分析奠定了基礎(chǔ)。

3.總結(jié)

本文基于某渦軸發(fā)動機(jī)非線性部件級模型，在已知發(fā)動機(jī)主要部件性能退化對發(fā)動機(jī)典型截面氣路參數(shù)及整機(jī)性能參數(shù)影響的模擬仿真結(jié)果的的基礎(chǔ)上，研究了基于模型的渦軸發(fā)動機(jī)氣路性能分析方法，即根據(jù)發(fā)動機(jī)氣路及性能參數(shù)的變化量，通過發(fā)動機(jī)部件性能退化矩陣求逆運(yùn)算，得到了用于部件性能退化評估的性能分析矩陣，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)發(fā)動機(jī)的氣路及性能參數(shù)偏差，求解發(fā)動機(jī)各部件性能退化量?；诜抡鏀?shù)據(jù)的退化估計結(jié)果充分表明，本章所提出的基于模型的渦軸發(fā)動機(jī)氣路性能退化評估方法是合理且有效的，適宜于工程應(yīng)用，并且為今后基于試驗數(shù)據(jù)的渦軸發(fā)動機(jī)氣路性能分析奠定了基礎(chǔ)。

劉生旭，工作單位：中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，職稱：工程師。