基于模型的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)氣路性能分析

中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所 劉生旭

基于模型的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)氣路性能分析

中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所 劉生旭

本文提出基于發(fā)動(dòng)機(jī)氣路參數(shù)偏差估計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件性能退化量的方法，并通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)模型模擬退化仿真對(duì)基于模型的發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，為今后基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)氣路性能分析奠定基礎(chǔ)。

發(fā)動(dòng)機(jī)氣路分析技術(shù)是一種基于氣路測(cè)量參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和分析的發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)部件退化與氣路參數(shù)偏差量之間的關(guān)系。經(jīng)過(guò)了四十多年的發(fā)展，現(xiàn)已在各型大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、中小功率渦軸發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)氣路分析方法；許多發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)系統(tǒng)的制造商都開(kāi)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(dòng)機(jī)為對(duì)象，提出了基于模型的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)氣路性能分析方法，通過(guò)退化矩陣求逆，來(lái)實(shí)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(dòng)機(jī)氣路性能分析原理

在此次研究前期，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)部件級(jí)模型仿真研究了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)、燃燒室、燃?xì)鉁u輪、動(dòng)力渦輪性能退化對(duì)發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)部件性能退化對(duì)氣路及整機(jī)性能參數(shù)的影響是線性的，且單個(gè)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(diǎn)附近工作時(shí)，將渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)視為一個(gè)線性模型。其輸入和輸出滿足線性疊加關(guān)系，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的部件性能改變對(duì)整機(jī)性能參數(shù)的影響時(shí)，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(dòng)機(jī)各截面參數(shù)和性能的偏差量。

對(duì)應(yīng)一組確定的大氣條件、飛行條件、燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速、動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)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(jiǎn)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(dòng)機(jī)各個(gè)單一部件的單個(gè)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(jì)算軟件，可以方便地求出K_1：

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

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

2.1 壓氣機(jī)部件性能退化量估計(jì)

圖1 壓氣機(jī)流量退化5%對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣路參數(shù)的影響

以壓氣機(jī)流量退化5%時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)部件性能退化量計(jì)算過(guò)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(jiàn)，根據(jù)式（3）計(jì)算出的發(fā)動(dòng)機(jī)部件性能退化量與實(shí)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(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速np取[100%, 100%]時(shí)，給定不同的壓氣機(jī)性能退化后的仿真參數(shù)，估計(jì)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(jì)：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(jì)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(dòng)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(jì)結(jié)果

將壓氣機(jī)三種退化情況下的退化量估計(jì)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(gè)參數(shù)退化時(shí)，性能分析模型能夠準(zhǔn)確估計(jì)出壓氣機(jī)部件退化量；當(dāng)壓氣機(jī)流量及效率同時(shí)退化時(shí)，性能分析模型估計(jì)結(jié)果與真實(shí)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(jì)結(jié)果

2.2 燃?xì)鉁u輪部件性能退化量估計(jì)

在海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，ng和np取[100%, 100%]時(shí)，給定不同的燃?xì)鉁u輪性能退化后的仿真參數(shù)，估計(jì)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(jì)：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(jì)結(jié)果。

表2 四種退化情況下燃?xì)鉁u輪部件退化估計(jì)結(jié)果

亦可以圖2為樣，將表2中的退化量估計(jì)結(jié)果繪制成曲線。通過(guò)圖、表對(duì)比可知，當(dāng)燃?xì)鉁u輪發(fā)生單個(gè)參數(shù)退化時(shí)，性能分析模型能夠獲得準(zhǔn)確的估計(jì)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(shí)，性能分析模型估計(jì)精度略差，但仍能較好地滿足發(fā)動(dòng)機(jī)部件性能退化評(píng)估的需求。

2.3 動(dòng)力渦輪部件性能退化量估計(jì)

參考燃?xì)鉁u輪的退化估計(jì)方法，在海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，ng和np取[100%, 100%]時(shí)，給定不同的動(dòng)力渦輪性能退化后的仿真參數(shù)，估計(jì)動(dòng)力渦輪部件的退化量。此處共考慮以下四種情況下的動(dòng)力渦輪退化量估計(jì)：（1）動(dòng)力渦輪流函數(shù)增大4%；（2）動(dòng)力渦輪工作效率降低4%；（3）動(dòng)力渦輪流函數(shù)增大4%+工作效率降低4%；（4）動(dòng)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(dòng)力渦輪四種工況下退化量估計(jì)結(jié)果。

表3 四種退化情況下動(dòng)力渦輪部件退化估計(jì)結(jié)果

將表3繪制成曲線，可通過(guò)圖、表對(duì)照性能分析模型能夠獲得，當(dāng)動(dòng)力渦輪發(fā)生單個(gè)參數(shù)退化時(shí)的準(zhǔn)確估計(jì)結(jié)果；當(dāng)動(dòng)力渦輪流函數(shù)及效率發(fā)生組合退化時(shí)，性能分析模型針對(duì)動(dòng)力渦輪效率的退化估計(jì)精度略差。

2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)多部件組合退化量估計(jì)

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過(guò)程中，各個(gè)部件的性能退化往往是相互伴隨且同時(shí)發(fā)生的。為了研究渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)多個(gè)部件組合退化時(shí)，發(fā)動(dòng)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(gè)部件組合退化時(shí)退化量的估計(jì)，本節(jié)圍繞以下四種工況開(kāi)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(dòng)力渦輪效率退化2%；

（3）燃?xì)鉁u輪流函數(shù)增加2%+動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)渦軸發(fā)動(dòng)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(shí)，其對(duì)發(fā)動(dòng)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(jì)發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)多部件組合退化情況下退化估計(jì)結(jié)果

將表4中的退化量估計(jì)結(jié)果繪制成曲線。當(dāng)多部件發(fā)生組合退化時(shí)，性能分析模型仍能較好地估計(jì)出部件的退化量；相對(duì)而言，動(dòng)力渦輪效率的退化估計(jì)精度略低，這是因?yàn)?，?dòng)力渦輪效率退化時(shí)僅影響發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率及動(dòng)力渦輪出口總溫，這兩個(gè)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(jì)壓氣機(jī)、燃?xì)鉁u輪、動(dòng)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(yàn)數(shù)據(jù)的渦軸發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)非線性部件級(jí)模型，在已知發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件性能退化對(duì)發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)氣路性能分析方法，即根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)氣路及性能參數(shù)的變化量，通過(guò)發(fā)動(dòng)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(píng)估的性能分析矩陣，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣路及性能參數(shù)偏差，求解發(fā)動(dòng)機(jī)各部件性能退化量。基于仿真數(shù)據(jù)的退化估計(jì)結(jié)果充分表明，本章所提出的基于模型的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)氣路性能退化評(píng)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(yàn)數(shù)據(jù)的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)氣路性能分析奠定了基礎(chǔ)。

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