CN112443508B - 用于涡扇发动机的喘振检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于涡扇发动机的喘振检测方法，获取高压转子代表转速N2R0、高压转子物理转速一阶时间导数N2dot、高压压气机出口压力Ps3、高压压气机出口压力一阶时间导数Ps3dot和高压压气机出口压力二阶时间导数Ps3dotdot；实时计算喘振判定指标A＝SG1*(v1+SG2*(v2+SG3*v3+SG4*v4))，当A大于给定阈值Ath时，则判断发生喘振。本发明还提供一种实现上述喘振检测方法的喘振检测系统。上述喘振检测方法可以达到实时检测涡扇发动机喘振的目的。

Description

用于涡扇发动机的喘振检测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种用于涡扇发动机的喘振检测方法，还包括一种用于涡扇发动机的喘振检测系统。

背景技术

对于航空涡扇发动机，高压压气机在某些转速和环境条件下容易发生失速。当压气机叶片的压比和攻角增加时，数个翼型叶排可能发生失速，这是由于气流在吸力面发生分离。当失速变得严重时，或当它突然发生时，可能导致一些不可接受的流动状态。喘振可能在整个转速范围内发生，只要周围部件迫使压气机工作线上移并使得压比上升至压气机喘振边界值。在这个区域，叶片失速变得非常严重，以至于流经叶片表面的气流无法再继续承受逆压梯度。再稍稍增加一点压比，气流立刻发生分离。一部分气流从压气机后面的高压级向前面低压级倒流，另一部分气流从燃烧室向后流出，使得压气机压比流量关系恢复到正常范围。之后，压比的恢复将可能重新导致喘振的发生，从而造成发动机的低频喘振振荡。

发动机的喘振不仅会造成性能下降，还会造成超温燃气进入压气机和喷管，形成强度或结构的破坏，危及飞行安全。因此，发动机的喘振检测和消除是必须的。

传统上，在涡扇发动机设计或研制过程中，需要保证压气机具有足够的喘振裕度，使得正常的发动机操作不会引起喘振。然而，发动机部件性能下降、遭遇吸雨、吸冰、吸雹、吸鸟或其它外来因素影响时，仍有可能进入严重失速或喘振。在航空飞行安全性要求逐渐提高的情况下，必须考虑设计航线飞行中的实时喘振检测和消除功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种喘振检测方法，可以达到实时检测涡扇发动机喘振的目的。

本发明提供了一种用于涡扇发动机的喘振检测方法，其中，获取高压转子代表转速N2R0、高压转子物理转速一阶时间导数N2dot、高压压气机出口压力Ps3、高压压气机出口压力一阶时间导数Ps3dot和高压压气机出口压力二阶时间导数Ps3dotdot；实时计算喘振判定指标A＝SG1*(v1+SG2*(v2+SG3*v3+SG4*v4))，当A大于给定阈值Ath时，则判断发生喘振，其中，第一参数SG1、第二参数SG2、第三参数SG3、第四参数SG4、第一权重值v1、第二权重值v2、第三权重值v3、第四权重值v4初始值为0，并且通过下述方式进一步确定：

当检测到N2R0大于给定阈值N2R0th且喘振严重性指标B小于给定阈值Bth时，确定第一时间点t1，其中，B＝Ps3dot/Ps3，则SG1＝1，v1＝f(N2R0,B)，并且从第一时间点t1开始计时，计时周期设定为Tk；

当检测到Ps3dotdot大于给定阈值Ps3dotdotth时，确定第二时间点t2，其中，0≤t2-t1≤Tk，则SG2＝1，v2＝f(N2R0,PT,Ps3dotdot)，其中，PT为发动机进口总压；

当在第二时间点t2的同时或以后的剩余计时周期内检测到B小于给定阈值Bth或N2dot小于给定阈值N2dotth时，则若是B小于给定阈值Bth，则SG3＝1，v3＝f(N2R0,B)，若是N2dot小于给定阈值N2dotth，则SG4＝1，v4＝f(N2R0,PT,N2dot)；以及

当检测时间超过计时周期Tk，则SG1、SG2、SG3、SG4全部置0，重复上述步骤。

在一个实施方式中，Ps3dot和Ps3dotdot通过下述方式确定：

其中，Ps3dot(k)和Ps3dotdot(k)分别是作为当前周期的第k周期的Ps3dot和Ps3dotdot，Ps3dot(k-i)和Ps3dotdot(k-i)分别为前i周期的Ps3dot和Ps3dotdot，i＝1，2，…，N。N表示参与差分计算的周期数，Ts表示采样周期。

在一个实施方式中，高压转子代表转速N2R0是N2R25，N2R25＝N2/(T25/288.15)^theta，theta为幂指数，范围为0～1，其中，N2为高压转子物理转速，T25为压气机进口总温。

在一个实施方式中，高压转子代表转速N2R0是N2R2，N2R2由高压转子物理转速N2和发动机进口总温T2进行计算。

在一个实施方式中，Ps3dotdotth由N2R0和环境大气压力P0二维插值确定。

在一个实施方式中，Bth由N2R0插值确定。

在一个实施方式中，N2dotth由N2R0和环境大气压力P0二维插值确定。

在一个实施方式中，Tk为0～1s。

在一个实施方式中，v1由N2R0和B二维插值确定；v2由N2R0和PT、Ps3dotdot三维插值确定；v3由N2R0和B二维插值确定；v4由N2R0和PT、N2dot三维插值确定。

本发明还提供一种用于涡扇发动机的喘振检测系统，其中，存储器用于存储程序；处理器用于执行所述程序；当所述处理器执行所述程序时，实现前述的喘振检测方法。

本发明所提供的喘振检测方法及系统可以不增加涡扇发动机机载压力测点，而利用现有的压气机出口压力测量信号，从出口压力测量值中提取压力的一阶导数和二阶导数，得到相对压力变化率，进而识别压气机失速或喘振的特征，以达到喘振检测的目的。

本发明提供对航线实时检测喘振的方法及系统，而这航线的实时喘振检测在极端恶劣气候条件或其它影响气动稳定性的因素下极其重要。若无法实时检测喘振，将对飞行安全带来一定影响。相对于事先定义的防喘措施，本发明提供的实时检测能够明显提高飞行安全性。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是根据本发明的喘振检测方法的步骤示意图。

图2是示例性喘振检测系统的示意图。。

图3是示例性参数测量模块的示意图。

图4是示例性判据计算模块的示意图。

图5是示例性喘振判断模块的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施方式的内容限制本发明的保护范围。

例如，在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的示例中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。

一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。未明确描述为先后顺序时，不同的方法步骤可以以任意方式排序、进行。而且，不同实施方式下的变换方式可以进行适当组合。

本发明提供了用于涡扇发动机的喘振检测方法，图1示出了喘振检测方法的示意步骤。

本发明还提供一种用于涡扇发动机的喘振检测系统。该喘振检测系统包括存储器和处理器，存储器可以存储程序，处理器可以执行该程序。当处理器执行该程序时，实现本发明所提供的喘振检测方法。如图2所示，喘振检测系统可以包括参数测量模块、判据计算模块和喘振判断模块，下面会结合喘振检测方法一起描述各个模块的操作。参见图1，喘振检测方法的步骤S1：获取相关数据，包括：高压转子代表转速N2R0、高压转子物理转速一阶时间导数N2dot、高压压气机出口压力Ps3、高压压气机出口压力一阶时间导数Ps3dot和高压压气机出口压力二阶时间导数Ps3dotdot。

其中：

高压转子代表转速N2R0与高压转子物理转速N2相关。高压转子代表转速N2R0可以是N2R25、N2R2等。

N2R25＝N2/(T25/288.15)^theta，theta为幂指数，范围为0～1，优选0.5，其中，N2为高压转子物理转速，T25为压气机进口总温。N2R25行业内也称之为高压换算转速。

N2R2则由高压转子物理转速N2和发动机进口总温T2进行计算。例如，N2R2＝N2/(T2/288.15)^theta，theta为幂指数，范围为0～1，优选0.5。

高压转子物理转速N2、压气机进口总温T25或发动机进口总温T2均可以通过机载的相应传感器进行实时测量，然后通过上述测量值来实时计算高压转子代表转速N2R0诸如N2R25或者N2R2，从而获取高压转子代表转速N2R0。

高压转子物理转速一阶时间导数N2dot是高压转子物理转速N2的一阶时间导数，也即，

高压压气机出口压力Ps3可以从机载压力传感器的压力测量信号中得到，优选地，高压压气机出口压力Ps3是高压压气机出口静压Ps31。

高压压气机出口压力一阶时间导数Ps3dot是高压压气机出口压力Ps3的一阶时间导数，也即，

或者称高压压气机出口压力变化率；高压压气机出口压力二阶时间导数Ps3dotdot是高压压气机出口压力Ps3的二阶时间导数，也即，

Ps3dot和Ps3dotdot均可以从前述机载压力传感器的压力测量信号中提取。

对于航线实时检测，上述导数N2dot、Ps3dot和Ps3dotdot可以离散化为差分，而表现为离散量。例如，以Ps3dot和Ps3dotdot为例，离散差分算法的一个示例如下：

其中，Ps3dot(k)和Ps3dotdot(k)分别是作为当前周期的第k周期的Ps3dot和Ps3dotdot；Ps3dot(k-i)和Ps3dotdot(k-i)分别为前i周期的Ps3dot和Ps3dotdot，i＝1，2，…，N；N表示参与差分计算的周期数，例如，N＝1～5；Ts表示采样周期，或者称离散时间周期。

还可以定义喘振严重性指标B＝Ps3dot/Ps3，或者称高压压气机出口压力相对变化率。喘振严重性指标B也可以依据前述机载压力传感器的压力测量信号而得到。喘振严重性指标B可以作为判断喘振的量化指标，在喘振检测的基础上给出喘振严重性的判断，例如，B值越高，则表明喘振越严重，B值越低，则表明喘振严重程度越低。

示例性地，参见图3，例如，喘振检测系统的参数测量模块可以测量高压压气机出口压力Ps3、高压物理转速N2和高压压气机进口T25等。环境压力P0、离散时间周期Ts可以预先给定，环境压力P0也可以通过参数测量模块进行测量。

然后如图4所示，例如，根据Ps3、N2、T25、P0、Ts，判据计算模块中相应的Ps3dot计算模块、Ps3dotdot计算模块、N2dot计算模块、N2R25计算模块、B计算模块等分别计算出高压压气机出口压力一阶时间导数Ps3dot、高压压气机出口压力二阶时间导数Ps3dotdot、高压转子物理转速一阶数导数N2dot、高压换算转速N2R25和喘振严重性指标B。因此，实现步骤S1。

步骤S2：实时计算喘振判定指标A＝SG1*(v1+SG2*(v2+SG3*v3+SG4*v4))，当A大于给定阈值Ath时，则判断发生喘振。

其中，第一参数SG1、第二参数SG2、第三参数SG3、第四参数SG4、第一权重值v1、第二权重值v2、第三权重值v3、第四权重值v4初始值为0，并且通过下述方式进一步确定：

a)当检测到N2R0大于给定阈值N2R0th且喘振严重性指标B小于给定阈值Bth时，确定第一时间点t1，则SG1＝1，v1＝f(N2R0,B)，并且从第一时间点t1开始计时，计时周期设定为Tk。

b)当检测到Ps3dotdot大于给定阈值Ps3dotdotth时，确定第二时间点t2，其中，0≤t2-t1≤Tk，则SG2＝1，v2＝f(N2R0,PT,Ps3dotdot)，其中，PT为发动机进口总压。

c)当在第二时间点t2的同时或以后的剩余计时周期内检测到B小于给定阈值Bth或N2dot小于给定阈值N2dotth时，则若是B小于给定阈值Bth，则SG3＝1，v3＝f(N2R0,B)，若是N2dot小于给定阈值N2dotth，则SG4＝1，v4＝f(N2R0,PT,N2dot)。

“在第二时间点t2的同时或以后的剩余计时周期内”意指“检测时间t(k)满足t2-t1≤t(k)-t1≤Tk”。

d)当检测时间超过计时周期Tk，则SG1、SG2、SG3、SG4全部置0，重复上述步骤。

其中：

v1＝f(N2R0,B)表示v1是N2R0和B的函数。例如，v1可以由N2R0和B二维插值确定，具体的权重值需要通过试验数据积累得到权重值和相关参数的函数关系。

v2＝f(N2R0,PT,Ps3dotdot)表示v2是N2R0、PT和Ps3dotdot的函数。例如，v2可以由N2R0和PT、Ps3dotdot三维插值确定，具体的权重值需要通过试验数据积累得到权重值和相关参数的函数关系。

v3＝f(N2R0,B)表示v3是N2R0和B的函数。例如，v3可以由N2R0和B二维插值确定，具体的权重值需要通过试验数据积累得到权重值和相关参数的函数关系。

v4＝f(N2R0,PT,N2dot)表示v4是N2R0、PT和N2dot的函数。例如，v4可以由N2R0和PT、N2dot三维插值确定，具体的权重值需要通过试验数据积累得到权重值和相关参数的函数关系。

计时周期Tk范围可以为0～1s。Tk是采样周期Ts的整数倍。

高压压气机出口压力二阶时间导数Ps3dotdot的相应阈值Ps3dotdotth可以由高压转子代表转速N2R0和环境大气压力(或者称，环境压力)P0二维插值确定。

喘振严重性指标B的相应阈值Bth可以由高压转子代表转速N2R0插值确定。

高压转子物理转速一阶时间导数N2dot的相应阈值N2dotth由高压转子代表转速N2R0和环境大气压力P0二维插值确定。

如果A小于等于给定阈值Ath，可以判断未发生喘振。

示例性地，参见图5，喘振检测系统的喘振判断模块可以依据图4中判据计算模块的计算结果以及相应阈值来进行步骤S2中的判断操作。

举个某次试验中的判喘案例，其中，阈值Ath定为1，A>1。具体地，检测到N2R0＝66％>阈值N2R0th，B＝-1.14<阈值Bth，开始计时，则SG1＝1，v1＝0.8；此后检测到Ps3dotdot＝2000kPa/s²>阈值Ps3dotdotth，SG2＝1，v2＝0.2，同时检测到B＝-1.15<阈值Bth，SG3＝1，v3＝0.3，而N2dot未小于给定阈值N2dotth，SG4＝0，v4＝0.3，故A＝1.3>1。检测到符合压气机失速的低频率，高振幅气流振荡现象，表明发生了喘振现象。特别地，权重值还可以根据试验数据积累优化，让发动机在全飞行包线内及时判断喘振。

步骤S1和步骤S2可以同时发生，并不限定顺序，例如获取数据的同时即可以计算喘振判定指标A，并进行喘振是否发生的判定。

本发明可以实现：通过现有的机载压力传感器，即可进行航线实时喘振检测和消除，提高发动机工作安全性和飞行安全性。

本发明设置了判断喘振的量化指标，可以在喘振检测的基础上给出喘振严重性判断，从而提供发动机性能分析的一种新的手段。

本发明的喘振量化指标亦可以应用在航空发动机的核心机和整机台架试验中，用于判断压气机的气动稳定性裕度，有利于提高试验安全水平，减少试验数据挖掘难度。

本发明可以用于地面燃气轮机和船用燃气轮机的喘振判断和消除，有利于提高燃气轮机运行安全。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于涡扇发动机的喘振检测方法，其特征在于，

获取高压转子代表转速N2R0、高压转子物理转速一阶时间导数N2dot、高压压气机出口压力Ps3、高压压气机出口压力一阶时间导数Ps3dot和高压压气机出口压力二阶时间导数Ps3dotdot；

实时计算喘振判定指标A＝SG1*(v1+SG2*(v2+SG3*v3+SG4*v4))，当A大于给定阈值Ath时，则判断发生喘振，其中，第一参数SG1、第二参数SG2、第三参数SG3、第四参数SG4、第一权重值v1、第二权重值v2、第三权重值v3、第四权重值v4初始值为0，并且通过下述方式进一步确定：

当检测到N2R0大于给定阈值N2R0th且喘振严重性指标B小于给定阈值Bth时，确定第一时间点t1，其中，B＝Ps3dot/Ps3，则SG1＝1，v1＝f(N2R0,B)，并且从第一时间点t1开始计时，计时周期设定为Tk；

当检测到Ps3dotdot大于给定阈值Ps3dotdotth时，确定第二时间点t2，其中，0≤t2-t1≤Tk，则SG2＝1，v2＝f(N2R0,PT,Ps3dotdot)，其中，PT为发动机进口总压；

当在第二时间点t2的同时或以后的剩余计时周期内检测到B小于给定阈值Bth或N2dot小于给定阈值N2dotth时，则若是B小于给定阈值Bth，则SG3＝1，v3＝f(N2R0,B)，若是N2dot小于给定阈值N2dotth，则SG4＝1，v4＝f(N2R0,PT,N2dot)；以及

当检测时间超过计时周期Tk，则SG1、SG2、SG3、SG4全部置0，重复上述步骤。

2.如权利要求1所述的喘振检测方法，其特征在于，

Ps3dot和Ps3dotdot通过下述方式确定：

其中，Ps3dot(k)和Ps3dotdot(k)分别是作为当前周期的第k周期的Ps3dot和Ps3dotdot，Ps3dot(k-i)和Ps3dotdot(k-i)分别为以第k周期为基准的前i周期的Ps3dot和Ps3dotdot，i＝1、2、…、N，N表示参与差分计算的周期数，Ts表示采样周期。

3.如权利要求1所述的喘振检测方法，其特征在于，

高压转子代表转速N2R0是N2R25，

N2R25＝N2/(T25/288.15)^theta，theta为幂指数，范围为0～1，其中，N2为高压转子物理转速，T25为压气机进口总温。

4.如权利要求1所述的喘振检测方法，其特征在于，

高压转子代表转速N2R0是N2R2，N2R2由高压转子物理转速N2和发动机进口总温T2进行计算。

5.如权利要求1所述的喘振检测方法，其特征在于，

Ps3dotdotth由N2R0和环境大气压力P0二维插值确定。

6.如权利要求1所述的喘振检测方法，其特征在于，

Bth由N2R0插值确定。

7.如权利要求1所述的喘振检测方法，其特征在于，

N2dotth由N2R0和环境大气压力P0二维插值确定。

8.如权利要求1所述的喘振检测方法，其特征在于，

Tk为0～1s。

9.如权利要求1所述的喘振检测方法，其特征在于，

v1由N2R0和B二维插值确定；

v2由N2R0和PT、Ps3dotdot三维插值确定；

v3由N2R0和B二维插值确定；

v4由N2R0和PT、N2dot三维插值确定。

10.一种用于涡扇发动机的喘振检测系统，包括：

存储器，用于存储程序；

处理器，用于执行所述程序；

其特征在于，当所述处理器执行所述程序时，实现如权利要求1至9中任一项所述的喘振检测方法。

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