基于飛參數(shù)據(jù)的雙軸渦輪發(fā)動機(jī)不穩(wěn)定工作判讀方法

羅云鶴，曾曉潔

（中航貴州飛機(jī)有限責(zé)任公司，貴州安順 561018）

0 引言

航空發(fā)動機(jī)空中停車嚴(yán)重危及飛行安全，對發(fā)動機(jī)空中停車分析和預(yù)防的關(guān)鍵在于對發(fā)動機(jī)不穩(wěn)定工作誘因和發(fā)展條件的分析和判斷[1]。發(fā)動機(jī)故障數(shù)據(jù)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(fā)動機(jī)故障進(jìn)行診斷[2]。飛參數(shù)據(jù)能夠直接反映飛行中發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)，使用飛參數(shù)據(jù)可更加真實地研究發(fā)動機(jī)工作及進(jìn)行故障預(yù)測。飛參記錄數(shù)據(jù)包括發(fā)動機(jī)工作參數(shù)和飛機(jī)的飛行參數(shù)，是分析工作的基礎(chǔ)，可以實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)工作過程的有效監(jiān)控[3]，然而目前廣泛使用的飛參記錄中的發(fā)動機(jī)工作相關(guān)參數(shù)少，通常只有油門位置、轉(zhuǎn)速、排氣溫度及滑油壓力等。直接使用飛參數(shù)據(jù)分析非機(jī)械故障發(fā)動機(jī)空停存在很大困難，尤其發(fā)動機(jī)工作在慢車等較小狀態(tài)時，不穩(wěn)定工作較長時間后才能在轉(zhuǎn)速、排氣溫度等參數(shù)上得到反映，會誤導(dǎo)對發(fā)動機(jī)異常工作誘發(fā)原因的判斷，不穩(wěn)定工作發(fā)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(jī)理分析和預(yù)防措施的準(zhǔn)確性。

目前使用飛參數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)動機(jī)故障診斷研究主要采用基于數(shù)據(jù)、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(jù)，通過計算機(jī)判斷常規(guī)發(fā)動機(jī)故障；趙鵬等[8]利用專家系統(tǒng)人工智能技術(shù)開發(fā)了飛機(jī)發(fā)動機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)，通過發(fā)動機(jī)狀態(tài)參數(shù)智能診斷實現(xiàn)故障定位。由于發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)復(fù)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(shù)字濾波技術(shù)對飛參數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；高峰等[10]基于歷史飛參數(shù)據(jù)及飛參數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子及傳動系統(tǒng)、燃油及操縱系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)進(jìn)行故障預(yù)報；李映穎等[11]應(yīng)用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于歷史飛行數(shù)據(jù)建立發(fā)動機(jī)性能模型，對發(fā)動機(jī)健康狀態(tài)進(jìn)行診斷和預(yù)測。以上方法要求發(fā)動機(jī)模型精確性較高、計算量大、測量的參數(shù)較多、飛行環(huán)境的一致性較好，實際應(yīng)用效果不理想。

如何使用較少的飛參記錄的參數(shù)且能較為準(zhǔn)確地分析發(fā)動機(jī)不穩(wěn)定工作發(fā)展歷程是目前迫切需要解決的問題。本文基于雙軸渦輪發(fā)動機(jī)工作特性提出一種適用于該發(fā)動機(jī)不穩(wěn)定工作的判讀方法，通過對飛參記錄的發(fā)動機(jī)高、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速處理，并與正常發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、分析，以期準(zhǔn)確地反映發(fā)動機(jī)不穩(wěn)定發(fā)展歷程。

1 雙軸渦輪發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速差變化特點(diǎn)

現(xiàn)代壓氣機(jī)設(shè)計增壓比一般較高。低壓壓氣機(jī)由低壓渦輪驅(qū)動形成低壓轉(zhuǎn)子，高壓壓氣機(jī)由高壓渦輪驅(qū)動形成高壓轉(zhuǎn)子。與單軸渦輪發(fā)動機(jī)相比，雙軸渦輪發(fā)動機(jī)可以減緩發(fā)動機(jī)狀態(tài)改變時壓氣機(jī)前后級之間的不協(xié)調(diào)。

高、低壓2個轉(zhuǎn)子之間雖然沒有機(jī)械聯(lián)系，但是在給定調(diào)節(jié)規(guī)律下，2個轉(zhuǎn)子的參數(shù)之間存在對應(yīng)的單值關(guān)系，這是由二者之間存在確定的氣動聯(lián)系決定的[12]。

流過高、低壓壓氣機(jī)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(jī)入口截面；截面1.5 為高壓壓氣機(jī)入口截面；q（λ）為截面的流量函數(shù)；A為截面面積；P*為截面總壓；T*為截面總溫為低壓壓氣機(jī)增壓比為低壓壓氣機(jī)效率。

從式（2）、（3）中可見，高、低壓壓氣機(jī)流通能力相互制約。在確定進(jìn)口條件下，高、低壓壓氣機(jī)q（λ）與其轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)?shù)蛪恨D(zhuǎn)速nL確定，其氣動函數(shù)q（λ1）和增壓比也能夠確定，所以高壓壓氣機(jī)的氣動函數(shù)q（λ1.5）也惟一確定，高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速nH也與之一一對應(yīng)。因此對應(yīng)確定的低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nL、高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nH單值確定。

在實際應(yīng)用中，常用轉(zhuǎn)速差Δn=nH-nL來描述高、低壓轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。轉(zhuǎn)速差隨著發(fā)動機(jī)狀態(tài)改變而變化。當(dāng)?shù)蛪恨D(zhuǎn)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(yīng)的低壓轉(zhuǎn)速nL也相較高壓轉(zhuǎn)速nH降低更快，轉(zhuǎn)速差增加，如圖1所示。

圖1 雙軸渦輪發(fā)動機(jī)高、低壓轉(zhuǎn)子變化

所以在確定的進(jìn)口條件下，轉(zhuǎn)速差可與低壓轉(zhuǎn)速單值對應(yīng)，且成反比關(guān)系

以上分析是在發(fā)動機(jī)固定幾何條件下。當(dāng)噴口面積改變時，渦輪落壓比發(fā)生變化，高、低壓轉(zhuǎn)子變化關(guān)系也將發(fā)生改變[13]，如圖2所示。

圖2 不同噴口狀態(tài)發(fā)動機(jī)高、低壓轉(zhuǎn)子變化

對應(yīng)于相同的低壓轉(zhuǎn)速，在大噴口狀態(tài)下高壓轉(zhuǎn)速低，在小噴口狀態(tài)下高壓轉(zhuǎn)速高，但是對于確定噴口狀態(tài)，轉(zhuǎn)速差與低壓轉(zhuǎn)速仍保持單值對應(yīng)。

從以上討論可知，在確定進(jìn)口條件下，發(fā)動機(jī)幾何條件相同，雙軸渦輪發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速差與其低壓轉(zhuǎn)速單值對應(yīng)，且成反比關(guān)系。

在發(fā)動機(jī)實際工作過程中，當(dāng)其轉(zhuǎn)速差-低壓轉(zhuǎn)速曲線與相同條件下的正常曲線偏離時，意味著發(fā)動機(jī)開始偏離穩(wěn)定工作狀態(tài)。當(dāng)高、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差減小，意味著高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速降低，導(dǎo)致高壓壓氣機(jī)進(jìn)氣攻角減小，在低轉(zhuǎn)速、小狀態(tài)下，攻角減小和轉(zhuǎn)速降低都會導(dǎo)致高壓壓氣機(jī)功減小，即高壓壓氣機(jī)抽吸能力降低，雙轉(zhuǎn)子防喘能力降低，發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作裕度降低。偏離在一定范圍內(nèi)，高、低壓轉(zhuǎn)子可以根據(jù)各自負(fù)荷自動調(diào)整其轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速差恢復(fù)；當(dāng)轉(zhuǎn)速差偏離較大時，高壓壓氣機(jī)抽吸能力降低無法維持發(fā)動機(jī)正常工作，最終發(fā)動機(jī)將進(jìn)入不穩(wěn)定工作狀態(tài)。

對于低壓轉(zhuǎn)速的確定，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速差減小，發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作裕度降低。王華青等[14]研究了轉(zhuǎn)差線上下界限對發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性、可靠性和性能的影響。在發(fā)動機(jī)較小工作狀態(tài)下或外界擾動較小時，發(fā)動機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定工作通常不是瞬時的，往往要經(jīng)過一段時間發(fā)展才能在發(fā)動機(jī)工作參數(shù)（轉(zhuǎn)速、排氣溫度等）上有所體現(xiàn)，因此通過分析發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速差與低壓轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系，可以清晰描述發(fā)動機(jī)進(jìn)入氣動不穩(wěn)定工作發(fā)展歷程，更為準(zhǔn)確地確定誘發(fā)因素。對于發(fā)動機(jī)快速進(jìn)入不穩(wěn)定工作的情況，如失速機(jī)動飛行，飛機(jī)姿態(tài)變化劇烈，進(jìn)氣畸變嚴(yán)重，由于時間歷程較短，誘發(fā)因素較為清晰，使用發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速差與低壓轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系分析的優(yōu)勢則不明顯。

2 發(fā)動機(jī)進(jìn)口條件修正

在實際飛行中，由于飛行條件的變化，壓氣機(jī)進(jìn)口條件也將發(fā)生改變，影響發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速差與低壓轉(zhuǎn)速之間關(guān)系，在相同發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)下，進(jìn)口條件差異導(dǎo)致對應(yīng)的轉(zhuǎn)速差不同，給使用轉(zhuǎn)速差判斷帶來不便。

根據(jù)壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則，當(dāng)壓氣機(jī)幾何、流場和動力相似時，其工作特性將適用于任何進(jìn)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(jié)為進(jìn)氣條件的差異，因此使用相似參數(shù)描述的發(fā)動機(jī)高、低壓轉(zhuǎn)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(jī)或壓氣機(jī)幾何尺寸完全相同時，換算到海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的參數(shù)換算轉(zhuǎn)速nhs和換算流量Wahs可以作為壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則

對于雙軸渦輪發(fā)動機(jī)，將低壓轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速差換算到海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣條件后，其對應(yīng)關(guān)系就可以適用于發(fā)動機(jī)幾何條件不發(fā)生變化時的各種飛行狀態(tài)，不同幾何條件分別適用于不同函數(shù)關(guān)系

從以上討論中可知，對于僅噴口可調(diào)的發(fā)動機(jī)而言，在噴口狀態(tài)確定的情況下，雙軸發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作時Δnhs與nLhs之間存在確定的單值對應(yīng)關(guān)系。通過對某型飛機(jī)約70 架次飛參數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析也可以得出這一結(jié)論。對于同一臺發(fā)動機(jī)不同架次飛行，其Δnhs-ΔnLhs關(guān)系曲線重合性較好，而不同發(fā)動機(jī)之間的Δnhs-nLhs關(guān)系曲線存在一定偏差。

發(fā)動機(jī)由于非機(jī)械原因進(jìn)入不穩(wěn)定工作狀態(tài)，通常會改變Δnhs與nLhs之間對應(yīng)關(guān)系，因此通過比較發(fā)動機(jī)異常工作和正常工作時的Δnhs與nLhs關(guān)系，能夠較好地描述發(fā)動機(jī)不穩(wěn)定工作的發(fā)展歷程。

因此，當(dāng)雙軸發(fā)動機(jī)發(fā)生空中停車后，可以利用飛參記錄發(fā)動機(jī)高、低壓轉(zhuǎn)速和大氣總溫，繪出發(fā)動機(jī)實際工作過程中Δnhs與nLhs關(guān)系曲線，并與該發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作時Δnhs與nLhs關(guān)系曲線進(jìn)行比較、分析，通過換算轉(zhuǎn)速差的偏離可以較好地觀察到發(fā)動機(jī)氣動失穩(wěn)的發(fā)展歷程。

3 應(yīng)用與驗證

某型飛機(jī)配裝1 臺雙軸發(fā)動機(jī)，在高空油門收至慢車位置并保持，此時飛機(jī)攻角和側(cè)滑角均較小，逐漸降低高度，飛行馬赫數(shù)變化較小。根據(jù)飛參記錄，油門收至慢車20 s 后，發(fā)動機(jī)出現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)速掉轉(zhuǎn)、高壓轉(zhuǎn)速懸掛、排氣溫度升高等現(xiàn)象，可以判斷發(fā)動機(jī)已進(jìn)入不穩(wěn)定工作狀態(tài)，直至發(fā)生空中停車。采用常規(guī)的飛參曲線直觀分析法[15]記錄的發(fā)動機(jī)參數(shù)變化情況如圖3所示。

圖3 發(fā)動機(jī)參數(shù)變化

根據(jù)飛參記錄中的發(fā)動機(jī)工作參數(shù)、飛行姿態(tài)、馬赫數(shù)、高度等參數(shù)，只能判斷出發(fā)動機(jī)在油門桿收慢車位置20 s后進(jìn)入不穩(wěn)定工作狀態(tài)，但無法判斷其誘發(fā)原因及發(fā)展。

根據(jù)飛參記錄數(shù)據(jù)計算高、低壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速差和低壓換算轉(zhuǎn)速，繪出該架次Δnhs-nLhs關(guān)系曲線；讀取該機(jī)其他正常飛行架次飛參記錄數(shù)據(jù)，選擇發(fā)動機(jī)噴口狀態(tài)相同的記錄數(shù)據(jù)計算得到該機(jī)其他架次Δnhs-nLhs關(guān)系曲線，與空停架次關(guān)系曲線進(jìn)行對比，如圖4 所示。從圖中可見，以正常飛行架次Δnhs與nLhs關(guān)系曲線為基準(zhǔn)，在空停架次油門桿收至慢車位置后，Δnhs已經(jīng)開始偏離其他架次的基準(zhǔn)曲線，且偏離趨勢逐漸增大。至20 s 后，Δnhs變化出現(xiàn)明顯折點(diǎn)，與飛參記錄的低壓轉(zhuǎn)速掉轉(zhuǎn)、高壓轉(zhuǎn)速懸掛、排氣溫度升高時刻相對應(yīng)。

圖4 空停與正常飛機(jī)架次Δnhs-nLhs 關(guān)系對比

圖4 中Δnhs-nLhs關(guān)系曲線較好地描述了本次發(fā)動機(jī)不穩(wěn)定工作的發(fā)展歷程。油門桿收至慢車、發(fā)動機(jī)節(jié)流是導(dǎo)致?lián)Q算轉(zhuǎn)速差開始偏離的重要因素，收油門后的工作狀態(tài)為換算轉(zhuǎn)速差進(jìn)一步偏離創(chuàng)造了條件，到飛參記錄異常點(diǎn)偏離量達(dá)到最大，曲線出現(xiàn)明顯折點(diǎn)，不再滿足發(fā)動機(jī)氣動穩(wěn)定條件，此時發(fā)動機(jī)工作參數(shù)出現(xiàn)異常，最終導(dǎo)致空中停車。不同發(fā)動機(jī)包容Δnhs偏離量也不相同。

根據(jù)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(fā)動機(jī)進(jìn)入氣動不穩(wěn)定工作狀態(tài)，避免空停發(fā)生。飛行馬赫數(shù)是影響發(fā)動機(jī)節(jié)流和節(jié)流后穩(wěn)定工作的重要因素，為了進(jìn)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(shù)，其Δnhs-nLhs關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 第1次驗證架次Δnhs-nLhs 關(guān)系曲線

由于破壞了轉(zhuǎn)速差偏離條件，可見換算轉(zhuǎn)速差未發(fā)生偏離，飛參記錄參數(shù)無異常，發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)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(shù)較快降低，與空停架次油門收至慢車后馬赫數(shù)變化情況明顯不同，其Δnhs-nLhs關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 第2次驗證架次Δnhs-nLhs 關(guān)系曲線

由于破壞了轉(zhuǎn)速差繼續(xù)偏離的發(fā)展條件，可見Δnhs偏離達(dá)到空停架次最大偏移量約60%后，逐漸回歸，曲線沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，飛參記錄參數(shù)沒有反映出異常，發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定。

通過以上分析和驗證可知，降低收慢車時飛行馬赫數(shù)或收慢車后飛行馬赫數(shù)較快降低，均可以避免該機(jī)空中停車的發(fā)生。

根據(jù)以上應(yīng)用和驗證，采用換算轉(zhuǎn)速差-換算轉(zhuǎn)速比較分析法，能夠更加準(zhǔn)確地描述出發(fā)動機(jī)異常工作及其發(fā)展歷程，特別能夠較為準(zhǔn)確地找到不穩(wěn)定工作起始點(diǎn)，較直接使用飛參記錄參數(shù)分析具有明顯優(yōu)勢。通過對發(fā)展歷程的精確描述，也便于精準(zhǔn)、有效地采取防范措施。

4 結(jié)束語

本文通過對雙軸渦輪發(fā)動機(jī)工作特性進(jìn)行分析，提出了換算轉(zhuǎn)速差-換算轉(zhuǎn)速比較分析法，通過對飛參數(shù)據(jù)的計算分析，較好地描述了非機(jī)械故障發(fā)動機(jī)不穩(wěn)定工作發(fā)展歷程，更早地發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)工作偏離，可以為空中停車的分析提供依據(jù)。該方法簡單易行，還可以應(yīng)用于發(fā)動機(jī)故障預(yù)測，通過機(jī)電計算機(jī)對測量參數(shù)實時比較、分析、告警，可以有效減少空停事故發(fā)生。