基于VBA的燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)性能初步分析

王紹忠，董 瑜

（1.海軍駐沈陽(yáng)地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)軍事代表室，沈陽(yáng) 110043；2.中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

1 引言

與蒸氣輪機(jī)和柴油機(jī)等動(dòng)力裝置相比，由于承襲了成熟的航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，艦船燃?xì)廨啓C(jī)具有基本負(fù)荷與部分負(fù)荷簡(jiǎn)單循環(huán)效率高，建設(shè)周期短，安裝快速方便，操作簡(jiǎn)單，可靠性高，維護(hù)方便，使用成本低，污染小，振動(dòng)小等許多優(yōu)點(diǎn)。其動(dòng)態(tài)性能直接影響到艦船的機(jī)動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性和巡航能力。為更好地滿足客戶需求、縮短研制周期、降低開發(fā)成本與風(fēng)險(xiǎn)，充分利用當(dāng)前信息技術(shù)的成果，開展艦船燃?xì)廨啓C(jī)性能分析研究十分重要。

VBA（Visual Basic For Application）平臺(tái)為流行的應(yīng)用程序開發(fā)語(yǔ)言Visual Basic的子集，是依賴EXCEL存在的程序開發(fā)工具，是EXCEL宏語(yǔ)言，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與計(jì)算分析功能，應(yīng)用VBA語(yǔ)言執(zhí)行的表格程序可以快速地進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)性能數(shù)據(jù)處理分析。在國(guó)外，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)過渡態(tài)建模與數(shù)值仿真方面已有深入研究，采用VBA語(yǔ)言開發(fā)EXCEL比較普遍，但應(yīng)用到燃?xì)廨啓C(jī)性能分析還不多見。在國(guó)內(nèi)，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)與分析軟件大部分處于分散的、各自獨(dú)立的狀態(tài)，可視化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化程度較低，不利于軟件管理和資源的充分利用，建模與仿真技術(shù)研究已取得很大進(jìn)展，但還沒有開展應(yīng)用VBA語(yǔ)言進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)過渡態(tài)性能分析的研究工作。

本文基于VBA平臺(tái)編制穩(wěn)態(tài)性能處理程序，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)程序界面的展示，再經(jīng)過艦船燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)態(tài)性能分析后，提出1種艦船燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析方法，方便試車分析，為燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)值仿真工作做指導(dǎo)。該方法對(duì)提高工作效率，節(jié)約研制成本有重要意義。

2 穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)處理

燃?xì)廨啓C(jī)性能穩(wěn)態(tài)分析是動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確的穩(wěn)態(tài)性能分析是燃?xì)廨啓C(jī)性能設(shè)計(jì)點(diǎn)和非設(shè)計(jì)點(diǎn)以及燃?xì)廨啓C(jī)過渡態(tài)仿真的重要依據(jù)。由于穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)多為XLS格式文件，所以本研究應(yīng)用VBA平臺(tái)編制了數(shù)據(jù)處理程序，以進(jìn)一步方便快捷地進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)分析。該程序界面如圖1所示。根據(jù)各次試車穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)初步編制燃?xì)廨啓C(jī)試車穩(wěn)態(tài)處理程序，進(jìn)行各試車次性能參數(shù)對(duì)比，繪制全部以及各試車次燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù)曲線，生成新SHEET圖表，并在新圖表上繪制性能曲線；根據(jù)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù)的進(jìn)、排氣損失修正。為了提高程序的可用性和擴(kuò)展性，增加“XLS 恢復(fù)”、“曲線清除”、“停止”、“退出”和“輸出圖片”等按鈕，實(shí)現(xiàn)表格、工作簿的恢復(fù)，及停止程序和退出程序，提高分析工作的效率。

3 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理算法

應(yīng)用以下關(guān)鍵算法對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、處理運(yùn)算與初步分析，以提高工作效率。

3.1 特征點(diǎn)提取

某發(fā)動(dòng)機(jī)試車動(dòng)態(tài)點(diǎn)和特征點(diǎn)如圖2所示。在圖2中，藍(lán)線（trans）表示某次試車高壓轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化，找到曲線每個(gè)臺(tái)階的第1點(diǎn)和最后1點(diǎn)，對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)特征點(diǎn)進(jìn)行提取。

式中：n 為轉(zhuǎn)速；i、j、k 為自然數(shù)；INDEX 為數(shù)據(jù)樣本序列。

特征點(diǎn)判斷如條件1和條件2，對(duì)每時(shí)刻點(diǎn)高壓轉(zhuǎn)速A，被減其后第100點(diǎn)，如果該時(shí)刻后連續(xù)5點(diǎn)差值小于10，則認(rèn)為此點(diǎn)為臺(tái)階的起始點(diǎn)，即滿足條件1；同理，每時(shí)刻點(diǎn)高壓轉(zhuǎn)速A被減其后第100點(diǎn)，如果連續(xù)5點(diǎn)滿足差值大于10并小于100，即滿足條件2，則認(rèn)為該點(diǎn)后100點(diǎn)時(shí)刻前為升轉(zhuǎn)起始時(shí)刻，即臺(tái)階結(jié)束時(shí)刻。這樣就在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)中提取了臺(tái)階前點(diǎn)和臺(tái)階后點(diǎn)，即動(dòng)態(tài)特征點(diǎn)，如圖2中的粉點(diǎn)（state）。

3.2 參數(shù)變化速率計(jì)算

從圖2中可見，特征點(diǎn)對(duì)每個(gè)升降轉(zhuǎn)前、后的狀態(tài)點(diǎn)都可以準(zhǔn)確提取。這樣，應(yīng)用特征點(diǎn)計(jì)算燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù)的變化速率，需要滿足條件3。同樣以本次試車為例進(jìn)行說明，算法如下：以前5點(diǎn)為例，圖2中第2點(diǎn)A速率=（第3點(diǎn)A參數(shù)-第2點(diǎn)A參數(shù)）/（第2點(diǎn)時(shí)間-第3點(diǎn)時(shí)間），按上面算法循環(huán)迭代（i=i+2），例如下一步，第4點(diǎn)A速率=（第5點(diǎn)A參數(shù)-第4點(diǎn)A參數(shù)）/（第4點(diǎn)時(shí)間-第5點(diǎn)時(shí)間），這樣得到升降特征點(diǎn)變化速率。應(yīng)用該算法得到A參數(shù)變化速率如圖3～6所示。

式中：ΔA為A參數(shù)變化速率；m為自然數(shù)。

3.3 升降狀態(tài)數(shù)據(jù)提取

為了分別對(duì)升降狀態(tài)進(jìn)行分析，編制此升降狀態(tài)數(shù)據(jù)提取算法。判斷升降轉(zhuǎn)分界點(diǎn)要同時(shí)滿足如下條件：

（1）在第3.1節(jié)中提取出的特征點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)每時(shí)刻點(diǎn)高壓轉(zhuǎn)速被減其后第5點(diǎn)高壓轉(zhuǎn)速，差值為負(fù)值。同理，其后4點(diǎn)差值也為負(fù)值，即滿足條件4要求。

（2）該時(shí)刻點(diǎn)高壓轉(zhuǎn)速被減其后第1～3點(diǎn)高壓轉(zhuǎn)速，差值為負(fù)值，即滿足條件5要求。

同時(shí)滿足條件4、5則認(rèn)為該時(shí)刻點(diǎn)為降轉(zhuǎn)點(diǎn)。

4 性能參數(shù)變化速率

本研究統(tǒng)計(jì)了9次燃?xì)廨啓C(jī)升降狀態(tài)性能參數(shù)變化速率。以第9次試車為例，應(yīng)用該算法得到動(dòng)力渦輪前溫度和高壓轉(zhuǎn)速的變化速率隨時(shí)間的變化如圖3、4所示。從圖中可見，動(dòng)力渦輪前溫度升降速率均在±1.8 T/s內(nèi)，高壓轉(zhuǎn)速升降速率均在±10(r/min)/s內(nèi)。

統(tǒng)計(jì)這9次試車數(shù)據(jù)，動(dòng)力渦輪前溫度和高壓轉(zhuǎn)速變化動(dòng)態(tài)速率最大點(diǎn)如圖5～7所示。從圖中可見，動(dòng)力渦輪前溫度升速率均在2.5 T/s內(nèi)，高壓轉(zhuǎn)速升速率均在12(r/min)/s內(nèi)，功率升速率均在200 kW/s內(nèi)，第5次試車升工況過程性能參數(shù)變化速率較大，熱態(tài)試車第4、6次的升工況速率較其他冷態(tài)試車速率小。

某次臺(tái)階升降過程和平穩(wěn)過程高壓轉(zhuǎn)速變化速率如圖8所示。從圖中可見，高壓轉(zhuǎn)速速率在階躍段比在平穩(wěn)段的大很多。階躍段高壓轉(zhuǎn)速速率均在±10(r/min)/s內(nèi)，平穩(wěn)段速率約在±1(r/min)/s內(nèi)。對(duì)于2個(gè)階段各參數(shù)速率變化的大小比例，需進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)多次試車總結(jié)歸納。

5 結(jié)論

在穩(wěn)態(tài)性能程序平臺(tái)上，依據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)試車數(shù)據(jù)，提出了基于VBA提取數(shù)據(jù)特征點(diǎn)的方法。該方法從轉(zhuǎn)速的角度基本滿足動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確提取。在提取出特征點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析動(dòng)態(tài)過程得到各次試車性能參數(shù)的變化速率，動(dòng)力渦輪前溫度升速率均在2.5 T/s內(nèi)，高壓轉(zhuǎn)速升速率均在12 r/min/s內(nèi)，功率升速率均在200 kW/s以內(nèi)。

基于VBA語(yǔ)言特點(diǎn)，針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以方便高效地進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)點(diǎn)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)點(diǎn)的提取，對(duì)進(jìn)一步研究（如壓氣機(jī)特性圖及其共同工作線的繪制、插值和擬合深入研究，并進(jìn)行臺(tái)階點(diǎn)提取與升降轉(zhuǎn)的比較等）有著重要意義。

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