基于飛參數據的雙軸渦輪發動機不穩定工作判讀方法

羅云鶴，曾曉潔

（中航貴州飛機有限責任公司，貴州安順 561018）

0 引言

航空發動機空中停車嚴重危及飛行安全，對發動機空中停車分析和預防的關鍵在于對發動機不穩定工作誘因和發展條件的分析和判斷[1]。發動機故障數據多通過地面試驗、實驗室或仿真獲得，使很多研究成果難以對飛行中的發動機故障進行診斷[2]。飛參數據能夠直接反映飛行中發動機工作狀態，使用飛參數據可更加真實地研究發動機工作及進行故障預測。飛參記錄數據包括發動機工作參數和飛機的飛行參數，是分析工作的基礎，可以實現對發動機工作過程的有效監控[3]，然而目前廣泛使用的飛參記錄中的發動機工作相關參數少，通常只有油門位置、轉速、排氣溫度及滑油壓力等。直接使用飛參數據分析非機械故障發動機空停存在很大困難，尤其發動機工作在慢車等較小狀態時，不穩定工作較長時間后才能在轉速、排氣溫度等參數上得到反映，會誤導對發動機異常工作誘發原因的判斷，不穩定工作發展條件的分析也會存在較大誤差，直接影響到空中停車的機理分析和預防措施的準確性。

目前使用飛參數據進行發動機故障診斷研究主要采用基于數據、模型、知識以及相互融合的方法[4-6]。于建立[7]制定飛參判據，通過計算機判斷常規發動機故障；趙鵬等[8]利用專家系統人工智能技術開發了飛機發動機故障診斷專家系統，通過發動機狀態參數智能診斷實現故障定位。由于發動機工作狀態復雜，故障模式多，智能故障診斷具有局限性。李萬泉等[9]采用數字濾波技術對飛參數據進行預處理；高峰等[10]基于歷史飛參數據及飛參數據之間的關系，對發動機轉子及傳動系統、燃油及操縱系統、滑油系統進行故障預報；李映穎等[11]應用RBF神經網絡基于歷史飛行數據建立發動機性能模型，對發動機健康狀態進行診斷和預測。以上方法要求發動機模型精確性較高、計算量大、測量的參數較多、飛行環境的一致性較好，實際應用效果不理想。

如何使用較少的飛參記錄的參數且能較為準確地分析發動機不穩定工作發展歷程是目前迫切需要解決的問題。本文基于雙軸渦輪發動機工作特性提出一種適用于該發動機不穩定工作的判讀方法，通過對飛參記錄的發動機高、低壓轉子轉速處理，并與正常發動機數據進行比較、分析，以期準確地反映發動機不穩定發展歷程。

1 雙軸渦輪發動機轉速差變化特點

現代壓氣機設計增壓比一般較高。低壓壓氣機由低壓渦輪驅動形成低壓轉子，高壓壓氣機由高壓渦輪驅動形成高壓轉子。與單軸渦輪發動機相比，雙軸渦輪發動機可以減緩發動機狀態改變時壓氣機前后級之間的不協調。

高、低壓2個轉子之間雖然沒有機械聯系，但是在給定調節規律下，2個轉子的參數之間存在對應的單值關系，這是由二者之間存在確定的氣動聯系決定的[12]。

流過高、低壓壓氣機的空氣流量相等，即

對于等熵壓縮，式（2）可以簡化為

式中：截面1 為低壓壓氣機入口截面；截面1.5 為高壓壓氣機入口截面；q（λ）為截面的流量函數；A為截面面積；P*為截面總壓；T*為截面總溫為低壓壓氣機增壓比為低壓壓氣機效率。

從式（2）、（3）中可見，高、低壓壓氣機流通能力相互制約。在確定進口條件下，高、低壓壓氣機q（λ）與其轉速成正比，當低壓轉速nL確定，其氣動函數q（λ1）和增壓比也能夠確定，所以高壓壓氣機的氣動函數q（λ1.5）也惟一確定，高壓壓氣機轉速nH也與之一一對應。因此對應確定的低壓轉子轉速nL、高壓轉子轉速nH單值確定。

在實際應用中，常用轉速差Δn=nH-nL來描述高、低壓轉速之間的關系。轉速差隨著發動機狀態改變而變化。當低壓轉速nL降低，其增壓比也隨之降低，q（λ1）相較q（λ1.5）減小更快，對應的低壓轉速nL也相較高壓轉速nH降低更快，轉速差增加，如圖1所示。

圖1 雙軸渦輪發動機高、低壓轉子變化

所以在確定的進口條件下，轉速差可與低壓轉速單值對應，且成反比關系

以上分析是在發動機固定幾何條件下。當噴口面積改變時，渦輪落壓比發生變化，高、低壓轉子變化關系也將發生改變[13]，如圖2所示。

圖2 不同噴口狀態發動機高、低壓轉子變化

對應于相同的低壓轉速，在大噴口狀態下高壓轉速低，在小噴口狀態下高壓轉速高，但是對于確定噴口狀態，轉速差與低壓轉速仍保持單值對應。

從以上討論可知，在確定進口條件下，發動機幾何條件相同，雙軸渦輪發動機穩定工作轉速差與其低壓轉速單值對應，且成反比關系。

在發動機實際工作過程中，當其轉速差-低壓轉速曲線與相同條件下的正常曲線偏離時，意味著發動機開始偏離穩定工作狀態。當高、低壓轉子轉速差減小，意味著高壓轉子換算轉速降低，導致高壓壓氣機進氣攻角減小，在低轉速、小狀態下，攻角減小和轉速降低都會導致高壓壓氣機功減小，即高壓壓氣機抽吸能力降低，雙轉子防喘能力降低，發動機穩定工作裕度降低。偏離在一定范圍內，高、低壓轉子可以根據各自負荷自動調整其轉速，使轉速差恢復；當轉速差偏離較大時，高壓壓氣機抽吸能力降低無法維持發動機正常工作，最終發動機將進入不穩定工作狀態。

對于低壓轉速的確定，隨著發動機轉速差減小，發動機穩定工作裕度降低。王華青等[14]研究了轉差線上下界限對發動機的穩定性、可靠性和性能的影響。在發動機較小工作狀態下或外界擾動較小時，發動機進入不穩定工作通常不是瞬時的，往往要經過一段時間發展才能在發動機工作參數（轉速、排氣溫度等）上有所體現，因此通過分析發動機轉速差與低壓轉速對應關系，可以清晰描述發動機進入氣動不穩定工作發展歷程，更為準確地確定誘發因素。對于發動機快速進入不穩定工作的情況，如失速機動飛行，飛機姿態變化劇烈，進氣畸變嚴重，由于時間歷程較短，誘發因素較為清晰，使用發動機轉速差與低壓轉速對應關系分析的優勢則不明顯。

2 發動機進口條件修正

在實際飛行中，由于飛行條件的變化，壓氣機進口條件也將發生改變，影響發動機轉速差與低壓轉速之間關系，在相同發動機工作狀態下，進口條件差異導致對應的轉速差不同，給使用轉速差判斷帶來不便。

根據壓氣機相似準則，當壓氣機幾何、流場和動力相似時，其工作特性將適用于任何進口條件。對于不同飛行條件，如大氣溫度、飛行高度和飛行速度差異，都可以歸結為進氣條件的差異，因此使用相似參數描述的發動機高、低壓轉速差變化特性可以適用于不同飛行條件。

對于同一臺壓氣機或壓氣機幾何尺寸完全相同時，換算到海平面標準大氣條件下的參數換算轉速nhs和換算流量Wahs可以作為壓氣機相似準則

對于雙軸渦輪發動機，將低壓轉速和轉速差換算到海平面標準大氣條件后，其對應關系就可以適用于發動機幾何條件不發生變化時的各種飛行狀態，不同幾何條件分別適用于不同函數關系

從以上討論中可知，對于僅噴口可調的發動機而言，在噴口狀態確定的情況下，雙軸發動機穩定工作時Δnhs與nLhs之間存在確定的單值對應關系。通過對某型飛機約70 架次飛參數據統計分析也可以得出這一結論。對于同一臺發動機不同架次飛行，其Δnhs-ΔnLhs關系曲線重合性較好，而不同發動機之間的Δnhs-nLhs關系曲線存在一定偏差。

發動機由于非機械原因進入不穩定工作狀態，通常會改變Δnhs與nLhs之間對應關系，因此通過比較發動機異常工作和正常工作時的Δnhs與nLhs關系，能夠較好地描述發動機不穩定工作的發展歷程。

因此，當雙軸發動機發生空中停車后，可以利用飛參記錄發動機高、低壓轉速和大氣總溫，繪出發動機實際工作過程中Δnhs與nLhs關系曲線，并與該發動機穩定工作時Δnhs與nLhs關系曲線進行比較、分析，通過換算轉速差的偏離可以較好地觀察到發動機氣動失穩的發展歷程。

3 應用與驗證

某型飛機配裝1 臺雙軸發動機，在高空油門收至慢車位置并保持，此時飛機攻角和側滑角均較小，逐漸降低高度，飛行馬赫數變化較小。根據飛參記錄，油門收至慢車20 s 后，發動機出現低壓轉速掉轉、高壓轉速懸掛、排氣溫度升高等現象，可以判斷發動機已進入不穩定工作狀態，直至發生空中停車。采用常規的飛參曲線直觀分析法[15]記錄的發動機參數變化情況如圖3所示。

圖3 發動機參數變化

根據飛參記錄中的發動機工作參數、飛行姿態、馬赫數、高度等參數，只能判斷出發動機在油門桿收慢車位置20 s后進入不穩定工作狀態，但無法判斷其誘發原因及發展。

根據飛參記錄數據計算高、低壓轉子換算轉速差和低壓換算轉速，繪出該架次Δnhs-nLhs關系曲線；讀取該機其他正常飛行架次飛參記錄數據，選擇發動機噴口狀態相同的記錄數據計算得到該機其他架次Δnhs-nLhs關系曲線，與空停架次關系曲線進行對比，如圖4 所示。從圖中可見，以正常飛行架次Δnhs與nLhs關系曲線為基準，在空停架次油門桿收至慢車位置后，Δnhs已經開始偏離其他架次的基準曲線，且偏離趨勢逐漸增大。至20 s 后，Δnhs變化出現明顯折點，與飛參記錄的低壓轉速掉轉、高壓轉速懸掛、排氣溫度升高時刻相對應。

圖4 空停與正常飛機架次Δnhs-nLhs 關系對比

圖4 中Δnhs-nLhs關系曲線較好地描述了本次發動機不穩定工作的發展歷程。油門桿收至慢車、發動機節流是導致換算轉速差開始偏離的重要因素，收油門后的工作狀態為換算轉速差進一步偏離創造了條件，到飛參記錄異常點偏離量達到最大，曲線出現明顯折點，不再滿足發動機氣動穩定條件，此時發動機工作參數出現異常，最終導致空中停車。不同發動機包容Δnhs偏離量也不相同。

根據以上分析，改變油門桿收慢車時的工作條件或收慢車后的工作條件，可以避免發動機進入氣動不穩定工作狀態，避免空停發生。飛行馬赫數是影響發動機節流和節流后穩定工作的重要因素，為了進一步驗證，其他條件保持不變，降低油門桿收慢車時的飛行馬赫數，其Δnhs-nLhs關系曲線如圖5所示。

圖5 第1次驗證架次Δnhs-nLhs 關系曲線

由于破壞了轉速差偏離條件，可見換算轉速差未發生偏離，飛參記錄參數無異常，發動機工作穩定。

第2 次驗證飛行，其他條件不變，也未改變油門桿收慢車時工作條件，但是油門桿收至慢車后馬赫數較快降低，與空停架次油門收至慢車后馬赫數變化情況明顯不同，其Δnhs-nLhs關系曲線如圖6所示。

圖6 第2次驗證架次Δnhs-nLhs 關系曲線

由于破壞了轉速差繼續偏離的發展條件，可見Δnhs偏離達到空停架次最大偏移量約60%后，逐漸回歸，曲線沒有出現轉折點，飛參記錄參數沒有反映出異常，發動機工作穩定。

通過以上分析和驗證可知，降低收慢車時飛行馬赫數或收慢車后飛行馬赫數較快降低，均可以避免該機空中停車的發生。

根據以上應用和驗證，采用換算轉速差-換算轉速比較分析法，能夠更加準確地描述出發動機異常工作及其發展歷程，特別能夠較為準確地找到不穩定工作起始點，較直接使用飛參記錄參數分析具有明顯優勢。通過對發展歷程的精確描述，也便于精準、有效地采取防范措施。

4 結束語

本文通過對雙軸渦輪發動機工作特性進行分析，提出了換算轉速差-換算轉速比較分析法，通過對飛參數據的計算分析，較好地描述了非機械故障發動機不穩定工作發展歷程，更早地發現發動機工作偏離，可以為空中停車的分析提供依據。該方法簡單易行，還可以應用于發動機故障預測，通過機電計算機對測量參數實時比較、分析、告警，可以有效減少空停事故發生。