CN105574247A - 一种航空发动机通用标准试验载荷谱编制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空发动机通用标准试验载荷谱编制方法，包括如下主要步骤：(1)任务剖面载荷参数的标准化；(2)任务剖面载荷参数序列的生成；(3)生成发动机单个任务剖面的载荷参数标准试验谱；(4)由各飞行任务的混频编制发动机通用标准试验载荷谱。本发明编制的航空发动机试验载荷谱可作为航空发动机主要零部件寿命试验载荷，它在原始航空发动机载荷谱编制技术的基础上，综合考虑了飞机实际飞行中每个阶段和试验条件下的载荷要求。基于航空发动机通用标准试验载荷谱编制出的发动机试验载荷谱既能真实反映航空发动机载荷参数随飞行时间的变化情况又能简化试验载荷谱编制过程提高工作效率。

Description

一种航空发动机通用标准试验载荷谱编制方法

技术领域

本发明涉及一种航空发动机通用标准试验载荷谱编制方法，主要应用于航空发动机主要零部件(压气机盘、压气机叶片、涡轮盘和涡轮叶片)的寿命试验中载荷谱的编制，为发动机主要零部件排故、延寿和设计提供技术支撑。

背景技术

目前，航空发动机主要零部件寿命试验均是在简单载荷条件下进行的，与实际情况相比误差较大。在试验条件下，为能更好的反映发动机实际使用状态，采用与实际使用载荷谱等效的标准试验谱来模拟实际载荷。

根据GJB241-87航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范中定义：航空发动机载荷谱是为进行发动机及其零部件寿命、可靠性和强度分析与试验考核而编制的有关载荷要素的组合，是发动机在规定的飞行任务、用法和使用条件下载荷参数的统计结果。在航空发动机预研制阶段，需要编制供新机设计使用的载荷谱。设计载荷谱是一种预计谱，可通过任务相同、结构相近的现役机使用载荷谱推断得到；也可通过预计飞行任务剖面和预计任务混频得到。而预计飞行任务剖面可通过模拟器模拟、数字仿真或现役机种的剖面转换得到；预计任务混频只能由经验推断得到。在发动机装机后承受实际载荷情况下，通过飞行实测及飞行任务调查可以得到发动机实测载荷谱，可应用于发动机的定寿和延寿。无论是编制设计载荷谱还是编制实测载荷谱来预测发动机部件的寿命、结构形式、材料要求或是整机的寿命，整个载荷谱编制过程都很繁琐，耗时太长，并将花费很大的人力、财力和物力，而且设计载荷谱和实测载荷谱并不能有效的应用于航空发动机主要零部件寿命试验中。那么在满足航空发动机实际使用的前提下，对发动机载荷谱编制过程进行简化并能使之有效应用在航空发动机零部件寿命试验过程中是有必要的。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种航空发动机通用标准试验载荷谱编制方法，基于现有发动机载荷谱编制技术，在满足航空发动机实际使用要求和基本寿命试验要求的前提下，简化了试验条件。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

根据MIL-E-5007D航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范和GJB241-87航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范，发动机设计任务循环包括三类：Ⅰ类循环：零→最大→零；Ⅱ类循环：慢车→最大→慢车循环；Ⅲ类循环：巡航→最大→巡航循环。1984年由美国空军颁发的《航空发动机结构完整性大纲》中，设计任务循环规范仍然只包括上述三类循环，但是在其补充说明中认为：设计任务循环除上述三类外，还应包括“较大影响寿命消耗的其它油门移动次数和类型”，所以航空发动机载荷谱编制就是通过飞行任务剖面和任务混频统计推断获得航空发动机的设计或使用任务循环，即三类循环数，大载荷状态工作时间以及加力点火次数。由以上规定以及发动机实际使用情况得到航空发动机载荷谱反映在发动机功率状态上的几个主要状态为：最大状态、巡航状态以及慢车状态(包括空中慢车和地面慢车)。

本发明所述通用标准试验载荷谱编制方法，具体包括以下步骤：

步骤一：任务剖面载荷参数的标准化。选取功率状态参数作为编谱的基础参数，载荷参数标准化过程为：首先将最大功率状态置为1，然后其它功率状态按与最大功率状态的比例给出相应小于1的值，具体根据不同型号发动机的特性、设计要求或者经验给出。而其它载荷参数可以根据发动机性能计算原理就可以得到。

步骤二：任务剖面载荷参数序列的生成。根据飞机各飞行阶段发动机的实际使用情况，生成满足飞机各飞行阶段的任务剖面载荷参数序列。

步骤三：生成发动机单个任务剖面的载荷参数标准试验谱。由第二步生成的任务剖面载荷参数序列，已经包含了所有类型的任务循环，并且其起始端与终止端都已按实际情况相应确定，其中间飞行阶段各载荷循环位置也都已经确定。针对航空发动机主要零部件开展的寿命试验，在试验中希望实现循环载荷简单的循环，因此按一定的方法及步骤生成了发动机单个任务剖面的载荷参数标准试验谱。

步骤四：由各飞行任务的混频编制发动机通用标准试验载荷谱。根据现役飞机的飞行训练大纲，得到各飞行任务及其混频，进而编制其或同类型预研机的发动机通用标准试验载荷谱。

具体来说，本发明的航空发动机通用标准试验载荷谱编制方法，包括如下步骤：

(1)任务剖面载荷参数的标准化

将航空发动机的功率状态分为零、地面慢车、空中慢车、巡航和最大五种情况，将最大功率状态置1，其他功率状态按与最大功率状态的比例给出相应小于1的值；

(2)任务剖面载荷参数序列的生成

将航空发动机的飞行任务划分为起飞阶段、中间飞行阶段和降落阶段，中间飞行阶段为Ⅱ类循环、Ⅲ类循环和次循环的罗列，降落阶段按航空发动机有无反推力装置分为两种情况；

起飞阶段的功率状态变化过程如下：

A过程：零→地面慢车→空中慢车→巡航→最大

对应的时间长度为：t_{A_1}＝0→t_{A_2}→t_{A_3}→t_{A_4}→t_{A_5}

Ⅱ类循环有两种功率状态变化过程，具体如下：

B1过程：最大→巡航→空中慢车→地面慢车→空中慢车→巡航→最大

对应的时间长度为：t_{B1_1}→t_{B1_2}→t_{B1_3}→t_{B1_4}→t_{B1_5}→t_{B1_6}→t_{B1_7}＝0

B2过程：最大→巡航→空中慢车→巡航→最大

对应的时间长度为：t_{B2_1}→t_{B2_2}→t_{B2_3}→t_{B2_4}→t_{B2_5}＝0

Ⅲ类循环的功率状态变化过程如下：

C过程：最大→巡航→最大

对应的时间长度为：t_{C_1}→t_{C_2}→t_{C_3}＝0

次循环有两种功率状态变化过程，具体如下：

D1过程：巡航→空中慢车→地面慢车→空中慢车→巡航

对应的时间长度为：t_{D1_1}→t_{D1_2}→t_{D1_3}→t_{D1_4}→t_{D1_5}＝0

D2过程：巡航→空中慢车→巡航

对应的时间长度为：t_{D2_1}→t_{D2_2}→t_{D2_3}＝0

有反推力装置的降落阶段的功率状态变化过程如下：

E过程：巡航→空中慢车→最大→地面慢车→零

对应的时间长度为：t_{E_1}→t_{E_2}→t_{E_3}→t_{E_4}→t_{E_5}＝0

无反推力装置的降落阶段的功率状态变化过程如下：

F过程：巡航→空中慢车→地面慢车→零

对应的时间长度为：t_{F_1}→t_{F_2}→t_{F_3}→t_{F_4}＝0

统计航空发动机的单次飞行任务中A过程、B1过程、B2过程、C过程、D1过程、D2过程、E过程/F过程的发生次数分分别为N_A＝1、N_B1、N_B2、N_C、N_D1、N_D2、N_E＝1/N_F＝1；

将N_A次A过程、N_B1次B1过程、N_B2次B2过程、N_C次C过程、N_D1次D1过程、N_D2次D2过程、N_E/N_F次E过程/F过程依次排列在时间轴上形成航空发动机任务剖面载荷参数序列；

(3)生成航空发动机单次任务剖面的载荷参数标准试验谱

保持航空发动机通用标准试验载荷谱上A过程和E过程/F过程不变，保持B1过程、B2过程、C过程、D1过程和D2过程的发生次数不变，对B1过程、B2过程、C过程、D1过程和D2过程进行标准化处理，具体如下：

(3.1)标准化B1过程：最大→地面慢车→最大；对应的时间长度为：

(3.2)标准化B2过程：最大→空中慢车→最大；对应的时间长度为：

(3.3)标准化C过程：最大→巡航→最大；对应的时间长度为：

(3.4)标准化D1过程：巡航→地面慢车→巡航；对应的时间长度为：

(3.5)标准化D2过程：巡航→空中慢车→巡航；对应的时间长度为：

(3.6)将A过程的最大功率状态时间t_{A_5}更新为t_{A_5}+m_{C_1}；在标准化C过程和标准化D1过程之间增加地面慢车功率状态，时间长度为m_{D1_3}；在标准化D2过程和E过程/F过程之间增加空中慢车功率状态，时间长度为m_{D2_2}；将E过程/F过程的巡航功率状态时间t_{E_1}/t_{F_1}更新为t_{E_1}+m_{D2_1}/t_{F_1}+m_{D2_1}；形成航空发动机单次飞行任务的标准试验载荷谱；

(4)由各飞行任务的混频编制航空发动机通用标准试验载荷谱

各飞行任务的混频按照如下方式计算：设某航空飞机总共有n个飞行任务，第i个飞行任务的持续时间为T_i，第i个飞行任务的飞行次数为S_i，则：

航空飞机的发动机总的飞行时间为：

航空飞机总的飞行次数为：

发动机在时间A内的任务混频为：

第i个飞行任务在时间A内的任务混频为：

有益效果：本发明提供的航空发动机通用标准试验载荷谱编制方法，能有效的应用于航空发动机主要零部件寿命试验，以及更真实的预测航空发动机部件的寿命、结构形式、材料要求或是预测整机的寿命。它在原始航空发动机载荷谱编制技术的基础上，综合考虑了飞机实际飞行中每个阶段和试验条件下的载荷要求，基于航空发动机通用标准试验载荷谱编制出的发动机试验载荷谱既能真实反映航空发动机载荷参数随飞行时间的变化情况又能简化试验载荷谱编制过程提高工作效率。

附图说明

图1为航空发动机载荷谱编制的一般流程图，主要包括载荷谱的预处理、载荷谱丰谷检测、载荷循环计数、任务混频获得、循环载荷统计推断和设计任务循环六部分内容，其中载荷谱预处理还包括伪读数剔除和无效幅值删除；

图2为航空发动机任务剖面载荷参数序列图；

图3为航空发动机通用标准试验载荷谱图，对于没有反推力的发动机其发动机停车阶段按图示虚线过程停车并最终停止在end’处，对于有反推力的发动机其发动机停车阶段按图示实线过程停车并最终停止在end处；

图4为CFM56发动机典型设计工作任务循环图；

图5为某涡喷发动机执行某飞行任务下的转速谱和高度谱图；

图6为某涡喷发动机执行图5所示飞行任务下的任务剖面载荷参数序列图；

图7为某涡喷发动机试验载荷谱图；

图8为某涡轴发动机执行某飞行任务下的转速谱图；

图9为某涡轴发动机执行图8所示飞行任务下的任务剖面载荷参数序列图；

图10为某涡轴发动机试验载荷谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

第一部分：本发明方法的理论说明

下面结合本发明的实施步骤，对其中涉及到的理论和思考进行相关说明。

(1)任务剖面载荷参数的标准化

将航空发动机的功率状态分为零、地面慢车、空中慢车、巡航和最大五种情况，将最大功率状态置1，其他功率状态按与最大功率状态的比例给出相应小于1的值，这里一般还会给出表示发动机各功率状态的转速变化范围；这些状态参数值的给定依据不同型号发动机的特性、设计要求或者经验给出；其他载荷参数根据发动机性能设计原理，可以基于功率状态计算得到。

(2)任务剖面载荷参数序列的生成

将航空发动机的飞行任务划分为起飞阶段、中间飞行阶段和降落阶段，其中起飞阶段和降落阶段的功率状态变化情况基本上是一定的，而中间飞行阶段对于执行不同飞行任务的飞机来说存在较大差别。下面就各个飞行阶段进行分开说明。

(2.1)起飞阶段：飞机发动机的功率状态变化情况一般都是由零增大到地面慢车状态并保持一定时间，然后继续增大到空中慢车状态并保持一定时间再增大到巡航状态并保持一定时间，最后增大到最大状态并保持一定时间。图2中发动机的启动阶段表征了飞机起飞阶段发动机功率状态的变化。

起飞阶段的功率状态变化过程如下：

A过程：零→地面慢车→空中慢车→巡航→最大

对应的时间长度为：t_{A_1}＝0→t_{A_2}→t_{A_3}→t_{A_4}→t_{A_5}

(2.2)降落阶段：按发动机有无反推力装置分为两类：对于有反推力装置的发动机，其飞机降落阶段的发动机功率状态变化情况为由巡航状态降到空中慢车状态并保持一定的时间，紧接着打开发动机反推力装置并加大发动机功率状态至最大状态并保持一定时间，再降到地面慢车状态并保持一定时间，最后降到零；对于没有反推力装置的发动机，其飞机降落阶段的发动机功率状态变化情况为由巡航状态降到空中慢车状态并保持一定时间，再继续降到地面慢车状态并保持一定时间，最后降到零。图2中发动机的停车阶段表征了飞机降落阶段发动机功率状态变化。

有反推力装置的降落阶段的功率状态变化过程如下：

E过程：巡航→空中慢车→最大→地面慢车→零

对应的时间长度为：t_{E_1}→t_{E_2}→t_{E_3}→t_{E_4}→t_{E_5}＝0

无反推力装置的降落阶段的功率状态变化过程如下：

F过程：巡航→空中慢车→地面慢车→零

对应的时间长度为：t_{F_1}→t_{F_2}→t_{F_3}→t_{F_4}＝0

(2.3)中间飞行阶段：对于执行不同飞行任务的飞机来说其中间飞行阶段存在较大差别。比如民机，其中间飞行阶段要求平稳飞行，一般情况下没有什么机动动作，其发动机功率状态基本保持巡航状态。而军机在执行不同飞行任务情况下，例如：起落、特技、仪表、航行、攻击以及夜航等飞行练习，其中间飞行阶段要做各种不同类型的机动动作。但是，根据《航空发动机结构完整性大纲》和飞机实际飞行情况，军机不管做何种类型的机动动作，其发动机任务循环反映在功率状态上来说，只有慢车、巡航、最大三种状态。则其在中间飞行阶段发动机载荷循环只存在Ⅱ类和Ⅲ类循环，外加考虑“较大影响寿命消耗的其它油门移动次数和类型”，即，其它次循环(包括慢车—巡航—慢车循环)。

在以往发动机载荷谱编制过程中，先统计出各类循环及各载荷状态的持续时间然后分段随机生成载荷序列。本案生成的任务剖面载荷参数序列首先保证满足飞机起飞阶段和降落阶段发动机状态参数变化的实际情况，然后考虑以上提及的几类载荷循环及载荷循环计数方法：先统计出最大的载荷循环再统计其它主循环以及其它次循环，对生成飞机中间飞行阶段发动机载荷参数序列进行一定的排序。具体方法如下：

首先，考虑的是主循环，在一次飞行过程中飞机中间飞行阶段不会存在Ⅰ类循环(零→最大→零)，那么飞机中间飞行阶段第一排列的是Ⅱ类循环(慢车→最大→慢车)，按循环从大到小顺序先是地面慢车→最大→地面慢车循环，再是空中慢车→最大→空中慢车循环，第二排列的是Ⅲ类循环(巡航→最大→巡航)。

其次，考虑的是次循环，就是慢车→巡航→慢车循环，按循环从大到小顺序，则先是地面慢车→巡航→地面慢车循环，再是空中慢车→巡航→空中慢车巡航。

Ⅱ类循环有两种功率状态变化过程，具体如下：

B1过程：最大→巡航→空中慢车→地面慢车→空中慢车→巡航→最大

对应的时间长度为：t_{B1_1}→t_{B1_2}→t_{B1_3}→t_{B1_4}→t_{B1_5}→t_{B1_6}→t_{B1_7}＝0

B2过程：最大→巡航→空中慢车→巡航→最大

对应的时间长度为：t_{B2_1}→t_{B2_2}→t_{B2_3}→t_{B2_4}→t_{B2_5}＝0

Ⅲ类循环的功率状态变化过程如下：

C过程：最大→巡航→最大

对应的时间长度为：t_{C_1}→t_{C_2}→t_{C_3}＝0

次循环有两种功率状态变化过程，具体如下：

D1过程：巡航→空中慢车→地面慢车→空中慢车→巡航

对应的时间长度为：t_{D1_1}→t_{D1_2}→t_{D1_3}→t_{D1_4}→t_{D1_5}＝0

D2过程：巡航→空中慢车→巡航

对应的时间长度为：t_{D2_1}→t_{D2_2}→t_{D2_3}＝0

统计航空发动机的单次飞行任务中A过程、B1过程、B2过程、C过程、D1过程、D2过程、E过程/F过程的发生次数分分别为N_A＝1、N_B1、N_B2、N_C、N_D1、N_D2、N_E＝1/N_F＝1。

将N_A次A过程、N_B1次B1过程、N_B2次B2过程、N_C次C过程、N_D1次D1过程、N_D2次D2过程、N_E/N_F次E过程/F过程依次排列在时间轴上形成航空发动机任务剖面载荷参数序列。

按上述方法生成的发动机单个任务剖面的载荷参数序列，它不仅包含了所有类型的载荷循环，而且考虑了飞机实际飞行过程中发动机载荷参数的变化，为接下来生成发动机单个任务剖面的载荷参数标准试验谱奠定基础；在不同的飞行任务中，只是中间飞行阶段的各类载荷循环的数目不一样，只需按上述排列方法在载荷参数序列规定的地方增加或减少相应的循环数即可。

(3)生成航空发动机单次任务剖面的载荷参数标准试验谱

对于发动机载荷谱，其中最主要的两部分内容就是各种载荷循环以及各种载荷状态出现的时间点以及持续时间。在以往发动机载荷谱编制过程中，先统计出各类循环及循环中各载荷状态的持续时间然后分段随机生成载荷序列。那么在各段中各类载荷循环出现的位置是随机的，载荷循环中各载荷状态出现的时间点及各载荷状态的持续时间相对于载荷循环是一定的，但它们相对于整个载荷谱而言也是随机的。这也是由实际情况决定的，飞机可以做任何机动动作，但是飞机发动机功率状态的变化必然是连续的，并且要完成某些机动动作，其对发动机各状态有一定的要求。因此针对航空发动机主要零部件寿命试验可以在不破坏载荷循环的基础上对载荷循环中各载荷状态出现的时间点以及各载荷状态的持续时间做出相应的调整。

由第二步生成的任务剖面载荷参数序列，已经包含了载荷谱中所有的载荷循环，并且其起始端与终止端都已按实际情况相应确定，其中间飞行阶段各载荷循环位置也都已经确定；针对航空发动机主要零部件开展的寿命试验，在试验中希望实现循环载荷简单的循环，那么对中间飞行阶段各载荷循环作相关处理，处理原则如下：

①各载荷循环中只包含最小载荷状态保持时间和最大载荷状态保持时间，不考虑其它中间载荷状态的保持时间；

②统计主循环中各载荷状态总的保持时间，然后将它们从新分配，保证各类载荷循环形成简单的方波循环，即同类型载荷循环中最小载荷状态保持时间和最大载荷状态保持时间相同，还必须保证各类型的循环数不能减少；分配的方法按着地面慢车状态、空中慢车状态和巡航状态三种载荷状态的保持时间由小到大的顺序依次分配，保证将各载荷状态的持续时间充分利用，使之更符合原始载荷情况；分配之后将出现两种情况：一是最大载荷状态保持时间相比于其它三种状态保持时间的总和要大，则将最大载荷状态剩余的保持时间分配到发动机启动阶段中的最大载荷状态上去；二是最大载荷状态保持时间相比于其它三种状态保持时间的总和要小，则将其它载荷状态剩余的保持时间分配到后面的次循环；

③统计次循环中各载荷状态总的保持时间，再加上主循环分配而来的剩余的保持时间，然后将它们从新分配，保证各类载荷循环形成简单的方波循环，即同类型载荷循环中最小载荷状态保持时间和最大载荷状态保持时间相同，还必须保证各类型的循环数不能减少；分配的方法按着地面慢车状态和空中慢车状态两种载荷状态的保持时间由小到大的顺序依次分配，保证将各载荷状态的持续时间充分利用，使之更符合原始情况；分配之后也将出现两种情况：一是巡航状态保持时间相比于地面慢车状态和空中慢车状态保持时间的总和要大，则将巡航状态剩余的保持时间分配到发动机停车阶段中的巡航状态上去；二是巡航载荷状态保持时间相比于地面慢车状态和空中慢车状态保持时间的总和要小，则将地面慢车状态的剩余保持时间置于次循环中第一个地面慢车状态上，将空中慢车状态置于发动机停车阶段之前的最后一个空中慢车状态上；

在本案中，标准化的处理过程如下：保持航空发动机通用标准试验载荷谱上A过程和E过程/F过程不变，保持B1过程、B2过程、C过程、D1过程和D2过程的发生次数不变，对B1过程、B2过程、C过程、D1过程和D2过程进行标准化处理，具体如下：

(3.1)标准化B1过程：最大→地面慢车→最大；对应的时间长度为：

(3.2)标准化B2过程：最大→空中慢车→最大；对应的时间长度为：

(3.3)标准化C过程：最大→巡航→最大；对应的时间长度为：

(3.4)标准化D1过程：巡航→地面慢车→巡航；对应的时间长度为：

(3.5)标准化D2过程：巡航→空中慢车→巡航；对应的时间长度为：

(3.6)将A过程的最大功率状态时间t_{A_5}更新为t_{A_5}+m_{C_1}；在标准化C过程和标准化D1过程之间增加地面慢车功率状态，时间长度为m_{D1_3}；在标准化D2过程和E过程/F过程之间增加空中慢车功率状态，时间长度为m_{D2_2}；将E过程/F过程的巡航功率状态时间t_{E_1}/t_{F_1}更新为t_{E_1}+m_{D2_1}/t_{F_1}+m_{D2_1}；形成航空发动机单次飞行任务的标准试验载荷谱。

按上述的方法及理论，生成了发动机单个任务剖面载荷参数标准试验谱如图3所示，现在只需通过载荷谱峰谷值检测和载荷循环计数来确定各飞行任务下各类型循环数的数目以及各载荷状态的持续时间就能确定飞机执行各飞行任务时的发动机试验载荷谱。

(4)由各飞行任务的混频编制航空发动机通用标准试验载荷谱

根据现役飞机的飞行训练大纲，得到各飞行任务及其混频，进而编制其或同类型预研机的发动机通用标准载荷试验谱；各飞行任务的混频按照如下方式计算：设某航空飞机总共有n个飞行任务，第i个飞行任务的持续时间为T_i，第i个飞行任务的飞行次数为S_i，则：

航空飞机的发动机总的飞行时间为：

航空飞机总的飞行次数为：

发动机在时间A内的任务混频为：

第i个飞行任务在时间A内的任务混频为：

由以上方法获得某发动机的任务混频，在此基础上对各飞行任务下各类循环进行统计分析就能够获得各类循环在一次起落飞行中的数目及各载荷状态的保持时间，然后在发动机单个任务剖面的载荷参数标准试验谱上相应增加或减少循环数及各载荷状态的保持时间，出现非整数的循环则在试验中控制试验数间隔多少次后增加一个相应循环。那么图3也就是航空发动机通用标准试验载荷谱。

第二部分：本发明方法的应用实例

一、本发明应用在客机发动机上，图4为CFM56发动机典型设计工作任务循环图B737等民航客机安装的发动机都是CFM56。在一次飞行过程中，民航客机在中间飞行阶段基本上保持平稳飞行，其发动机载荷不存在主循环只有少量的次循环。可以完全在图3所示的航空发动机通用标准试验载荷谱基础上，删除中间飞行阶段各类循环并把相应载荷状态的时间按实际保持时间给定得到。

二、本发明应用在军机发动机上，图5为实测某涡喷发动机某一飞行任务载荷谱，在图3航空发动机通用标准试验载荷谱的基础上，得到其针对航空发动机主要零部件开展寿命试验的发动机试验载荷谱如图7。具体步骤如下：

(1)统计所有载荷循环

(1.1)载荷谱预处理

载荷谱的预处理包括伪读数剔除和无效幅值删除等环节。伪读数是指那些不能真实反应部件受载后幅值的大小，一般是由测试系统本身引起的，有的来源不清，它往往夸大载荷的幅值。伪读数的剔除是航空发动机载荷谱处理中必不可少的一步，否则将使循环计数结果与实际不相符。伪读数的表现形式有以下几种：数据的突变超过了参数可能变化的极值范围、相关参数间变化趋势不合理、部分时间段上的数据出现大面积混乱现在飞行任务剖面中往往包括一些幅值较小的循环，对构件疲劳寿命损伤不大。在工程上，为减少数据量，往往把这些构成次小循环的峰谷值去掉，使有效峰谷点数大大减少，即无效幅值删除。目前国内外无效幅值删除的物理模型很多，可根据所处理的载荷参数性质和循环波形特点来选用。通常无效幅值门槛值由下式确定：

△S＝(X_max-X_min)·△％

式中：X_max和X_min为所处理参数的极值，△为经验值，可根据所提取出的载荷循环数量和计算精度要求综合确定。对航空发动机，取值范围为8.0～12.5。

(1.2)载荷谱峰谷值检测

根据疲劳理论，载荷的峰谷值对寿命具有重要的影响，因此需要将经过伪读数剔除后的离散数字载荷谱中所有的峰值和谷值全部寻找出来，并构成新的数字序列。峰谷值检测是数据压缩处理的基本方法，它按载荷数据采样顺序记录其峰值和谷值。数据的峰谷值点检测采用三点法进行判断，读取三个相邻的数据点：X(i-1)、X(i)、X(i+1)，，若这三点满足如下条件：

[X(i)-X(i-1)][X(i+1)-X(i)]≤0且X(i)-X(i-1)≠0

则认为X(i)是峰值或是谷值。

(1.3)载荷循环计数

构件疲劳损伤计算过程的重要一步是载荷累积频次分布曲线的形成，不同形状的累积频次分布，反应出不同的疲劳损伤。飞机发动机载荷属于不规则的载荷，一般采用雨流计数法进行载荷循环计数。

统计的所有载荷循环如下表1所示。

表1统计的所有载荷循环

(2)生成任务剖面载荷参数序列

由以上统计的各类循环数，按图2载荷循环的排列方式，生成的任务剖面参数序列如图6。

(3)分段统计各载荷状态保持时间

根据发动机的特性及图5中相应任务的高度谱，取以下转速范围表示特征功率状态：最大状态：转速≥11000r/min，巡航状态：8800r/min≤转速<11000r/min，空中慢车状态：6800r/min≤转速<8800r/min，地面慢车状态：4000r/min≤转速<6800r/min。划分好表征各功率状态的转速范围后分段统计各载荷状态的保持时间，如表2所示。

表2各载荷状态的保持时间

(4)编制其试验载荷谱

分段统计各载荷状态的保持时间之后，按生成发动机单个任务剖面的载荷参数标准试验谱的方法及步骤编制其试验载荷谱如图7。

三、本发明应用在军机发动机上的另一个实例。图8为某涡轴发动机执行不同飞行任务的载荷谱。在图3航空发动机通用标准试验载荷谱的基础上，得到其针对航空发动机主要零部件开展寿命试验的发动机试验载荷谱如图10。并应用其开展了相关的试验(低循环疲劳试验、蠕变疲劳试验)。具体步骤如下：

(1)统计各飞行任务所有载荷循环如表3所示。

表3统计的所有载荷循环

(2)由以上统计的各类循环数，按图2载荷循环的排列方式，生成的任务剖面参数序列如图9。

(3)分段统计各载荷状态保持时间

根据发动机的特性，取以下转速范围表示特征功率状态：最大状态：转速≥44600r/min，巡航状态：30000r/min≤转速<44600r/min，空中慢车状态：20000r/min≤转速<30000r/min，地面慢车状态：10000r/min≤转速<20000r/min。划分好表征各功率状态的转速范围后分段统计各飞行任务下各载荷状态的保持时间，如下表4所示。

表4各载荷状态的保持时间

(4)编制其试验载荷谱

分段统计各载荷状态的保持时间之后，按生成发动机单个任务剖面的载荷参数标准试验谱的方法及步骤编制其试验载荷谱如图10。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种航空发动机通用标准试验载荷谱编制方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)任务剖面载荷参数的标准化

将航空发动机的功率状态分为零、地面慢车、空中慢车、巡航和最大五种情况，将最大功率状态置1，其他功率状态按与最大功率状态的比例给出相应小于1的值；

(2)任务剖面载荷参数序列的生成

将航空发动机的飞行任务划分为起飞阶段、中间飞行阶段和降落阶段，中间飞行阶段为Ⅱ类循环、Ⅲ类循环和次循环的罗列，降落阶段按航空发动机有无反推力装置分为两种情况；

起飞阶段的功率状态变化过程如下：

A过程：零→地面慢车→空中慢车→巡航→最大

对应的时间长度为：t_{A_1}＝0→t_{A_2}→t_{A_3}→t_{A_4}→t_{A_5}

Ⅱ类循环有两种功率状态变化过程，具体如下：

B1过程：最大→巡航→空中慢车→地面慢车→空中慢车→巡航→最大

对应的时间长度为：t_{B1_1}→t_{B1_2}→t_{B1_3}→t_{B1_4}→t_{B1_5}→t_{B1_6}→t_{B1_7}＝0

B2过程：最大→巡航→空中慢车→巡航→最大

对应的时间长度为：t_{B2_1}→t_{B2_2}→t_{B2_3}→t_{B2_4}→t_{B2_5}＝0

Ⅲ类循环的功率状态变化过程如下：

C过程：最大→巡航→最大

对应的时间长度为：t_{C_1}→t_{C_2}→t_{C_3}＝0

次循环有两种功率状态变化过程，具体如下：

D1过程：巡航→空中慢车→地面慢车→空中慢车→巡航

对应的时间长度为：t_{D1_1}→t_{D1_2}→t_{D1_3}→t_{D1_4}→t_{D1_5}＝0

D2过程：巡航→空中慢车→巡航

对应的时间长度为：t_{D2_1}→t_{D2_2}→t_{D2_3}＝0

有反推力装置的降落阶段的功率状态变化过程如下：

E过程：巡航→空中慢车→最大→地面慢车→零

对应的时间长度为：t_{E_1}→t_{E_2}→t_{E_3}→t_{E_4}→t_{E_5}＝0

无反推力装置的降落阶段的功率状态变化过程如下：

F过程：巡航→空中慢车→地面慢车→零

对应的时间长度为：t_{F_1}→t_{F_2}→t_{F_3}→t_{F_4}＝0

统计航空发动机的单次飞行任务中A过程、B1过程、B2过程、C过程、D1过程、D2过程、E过程/F过程的发生次数分分别为N_A＝1、N_B1、N_B2、N_C、N_D1、N_D2、N_E＝1/N_F＝1；

将N_A次A过程、N_B1次B1过程、N_B2次B2过程、N_C次C过程、N_D1次D1过程、N_D2次D2过程、N_E/N_F次E过程/F过程依次排列在时间轴上形成航空发动机任务剖面载荷参数序列；

(3)生成航空发动机单次任务剖面的载荷参数标准试验谱

保持航空发动机通用标准试验载荷谱上A过程和E过程/F过程不变，保持B1过程、B2过程、C过程、D1过程和D2过程的发生次数不变，对B1过程、B2过程、C过程、D1过程和D2过程进行标准化处理，具体如下：

(3.1)标准化B1过程：最大→地面慢车→最大；对应的时间长度为：

(3.2)标准化B2过程：最大→空中慢车→最大；对应的时间长度为：

(3.3)标准化C过程：最大→巡航→最大；对应的时间长度为：

(3.4)标准化D1过程：巡航→地面慢车→巡航；对应的时间长度为：

(3.5)标准化D2过程：巡航→空中慢车→巡航；对应的时间长度为：

(3.6)将A过程的最大功率状态时间t_{A_5}更新为t_{A_5}+m_{C_1}；在标准化C过程和标准化D1过程之间增加地面慢车功率状态，时间长度为m_{D1_3}；在标准化D2过程和E过程/F过程之间增加空中慢车功率状态，时间长度为m_{D2_2}；将E过程/F过程的巡航功率状态时间t_{E_1}/t_{F_1}更新为t_{E_1}+m_{D2_1}/t_{F_1}+m_{D2_1}；形成航空发动机单次飞行任务的标准试验载荷谱；

(4)由各飞行任务的混频编制航空发动机通用标准试验载荷谱。

2.根据权利要求1所述的航空发动机通用标准试验载荷谱编制方法，其特征在于：所述步骤(4)中，各飞行任务的混频按照如下方式计算：设某航空飞机总共有n个飞行任务，第i个飞行任务的持续时间为T_i，第i个飞行任务的飞行次数为S_i，则：

航空飞机的发动机总的飞行时间为：

航空飞机总的飞行次数为：

发动机在时间A内的任务混频为：

第i个飞行任务在时间A内的任务混频为：