CN115014777A - 一种航空发动机燃油脉动故障在线诊断及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航空发动机燃油脉动故障在线诊断方法，包括如下步骤：S1：确定测点；S2：实时采集并在缓存区暂存一定时间段的实时数据；S3：根据S2中缓存区暂存的数据计算燃油脉动幅值；S4：根据发动机反馈的实时相对物理转速判断发动机是否处于稳态，若处于稳态则进行下一步；S5：设定阈值，根据燃油脉动幅值与阈值的关系，判断燃油脉动故障并记录；另外，还提供了一种燃油脉动故障时的处理方法，记录脉动发生故障时发动机关键参数，用该参数限制发动机安全工作范围。该方法通过少量的机载参数实现了发动机燃油系统脉动故障在线监视和诊断；本发明所提供的方法根据发动机状态，结合关键参数脉动幅值综合判断故障，判断结果准确率高。

Description

一种航空发动机燃油脉动故障在线诊断及处理方法

技术领域

本发明属于航空发动机燃油系统故障诊断技术领域，具体涉及一种航空发动机燃油脉动故障在线诊断及处理方法。

背景技术

航空发动机燃油系统实际工作中,由于燃油泵容积的变化或元件的缺陷，总是以一定的振荡频率输出液压流体，这种现象自燃油泵出口开始输出的压力P与流量Q就并非绝对稳定。当这种流体进入系统的管道、阀、缸、马达等液压元件，如果管道或元件的刚度大、振动阻力大且无缺陷时，压力脉动将逐渐衰减趋于稳定的压力流；而当脉动流体的压力振荡频率与元件或系统的固有频率一致或接近时，将会出现共振现象,使燃油脉动幅值增加，系统无法工作，甚至使元件遭到破坏。另一方面,当系统或元件出现缺陷、参数不匹配时，会与负载系统产生扰动，使流体因受到激励而产生更加剧烈的脉动，造成液压冲击、振动、噪声和气穴、气蚀等现象使系统失稳。这种液压流体脉动会传递到被控发动机而影响发动机稳定运行，出现燃烧不稳定、喷口喷火、振动加剧、耗油率增加等现象。即航空发动机随着状态上升，在达到一特定条件时出现的燃油压力或流量呈现固定频率的周期性波动，并与发动机气路产生耦合形成共振的现象，称为燃油脉动故障，这种现象如果出现在飞行过程中，将严重影响飞行安全，甚至带来灾难性后果。

现有工程应用中，某燃油系统采用测量主燃油泵后压力P_zb、伺服燃油泵后压力P_sf、燃油系统进口温度T_fin、燃油系统出口温度T_f、燃油滤压差S_ryl等参数，作为主燃油泵故障、伺服燃油泵故障、燃油滤堵塞和燃油温升等燃油系统故障诊断的判断依据，但还没有实现对燃油系统脉动故障在线诊断和评估。在航空发动机燃油系统中，燃油脉动频率呈现一种随转速增加而频率增加、随燃油流量增大而减小的变化趋势，且不同的燃油系统架构形式，其频率并不相同，结果导致无法用频率的定量分析或阈值判断燃油脉动对系统的影响，因此，给参数选取带来困难。另外，燃油脉动通常在发动机运行达到特定状态下被激发，低于该状态时不易出现，因此，制约了发动机安全运行，不能保证飞行任务可靠的完成。

针对燃油脉动的影响，南京航空航天大学朱冬清，吴鹏龙，刘勇等论文《燃油脉动对温度场影响的数值研究》中对燃油脉动在均匀进口、径向速度畸变进口和周向速度畸变进口中进行了瞬态模拟，分析了燃油脉动在不同进口速度流场中对燃烧室温度场的影响。并证明了燃油脉动对燃烧室出口截面温度参数具有耦合作用，而在径向畸变进口中的影响程度最大。证明了燃油脉动会引起燃烧室出口截面参数变化，甚至产生耦合作用。

北京航空航天大学王少萍等论文《液压泵脉动模型的故障诊断方法研究》中主要通过监视燃油流量Q，分析液压泵游隙故障下泵源脉动参数Q的变化，并给出了判断此种故障的参考阑值方法。在工程中，燃油流量Q参数只是在试验阶段使用，且测量曲线毛刺较多，就算采用先进滤波算法也很难得到满意的信号波形，再加上毛刺信号与脉动信号的相似性，增加了判断的难度，因此，选取该参数来判断燃油脉动非常困难。

针对发动机状态判断，韩文俊等专利《航空发动机机载传感器故障的处置算法》中提出了高/低压转子转速变化率来判断过渡态和稳态的方法，当转速变换率为0时判断为稳态，实际工程应用中，转速信号总存在毛刺，采用变化率为0很难准确判断为稳态，存在判断出错的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种航空发动机燃油脉动故障在线诊断方法，所述方法包括如下步骤：

S1：确定主燃油泵后压力P_zb和伺服燃油泵后压力P_sf的测点；

S2：实时采集主燃油泵后压力P_zb、伺服燃油泵后压力P_sf、压气机出口空气总压P₃，并在缓存区暂存一定时间段的实时数据；

S3：根据S2中缓存区暂存的数据计算燃油脉动幅值

S4：根据发动机反馈的实时相对物理转速判断发动机是否处于稳态，若处于稳态则进行下一步；

S5：设定阈值，根据S3获取的燃油脉动幅值与阈值的关系，判断燃油脉动故障，若有故障，则记录故障发生时刻的实时相对物理转速N₂、发动机进口温度T₂和压气机出口空气总压P₃。

本发明所提供的航空发动机燃油脉动故障在线诊断方法，还具有这样的特征，所述主燃油泵后压力Pzb和伺服燃油泵后压力Psf的测点设置在管路平直段，测点前平直段不少于170mm，测点位置避开燃油管路交汇处或分叉点。

本发明所提供的航空发动机燃油脉动故障在线诊断方法，还具有这样的特征，所述S2中的一定时间段为2s。

本发明所提供的航空发动机燃油脉动故障在线诊断方法，还具有这样的特征，所述S3包括如下步骤：

S3.1：计算缓存区的样本个数n；

S3.2：计算缓存区的样本有效值

S3.3：计算缓存区的样本最大值P_zb.max、P_sf.max、P_3.max；

S3.4：根据S3.2和S3.3获取的数据计算燃油脉动幅值

本发明所提供的航空发动机燃油脉动故障在线诊断方法，还具有这样的特征，所述S3.2中样本有效值为：

其中，t为当前时刻，T为采样周期。

本发明所提供的航空发动机燃油脉动故障在线诊断方法，还具有这样的特征，所述S3.4中燃油脉动幅值

为：

本发明所提供的航空发动机燃油脉动故障在线诊断方法，还具有这样的特征，所述S4中稳态为发动机反馈的实时相对物理转速N₂持续时间内达到期望值N₂Dem的状态，按持续250ms内差值△N₂₀(t)不大于阈值，该阈值取1.0％，则判断为稳态，计算公式如下：

ΔN₂₀(t)＝|N₂(t)-N₂ Dem(t)|≤1.0％。

本发明所提供的航空发动机燃油脉动故障在线诊断方法，还具有这样的特征，所述S5中阈值分别为

和

则，

当

则诊断为“主燃油泵后压力脉动大”，否则正常；

当

则诊断为“伺服燃油泵后压力脉动大”，否则正常；

当

且同时有“主燃油泵后压力脉动”或“伺服燃油泵后压力脉动”至少一项时，则诊断为“燃油系统脉动故障”。

本发明的另一目的在于，提供一种航空发动机燃油脉动故障处理方法，所述处理方法的故障诊断使用前述任一项所述的诊断方法，若发动机发生燃油脉动故障，则对其进行故障处理。

本发明所提供的航空发动机燃油脉动故障处理方法，还具有这样的特征，所述故障处理方法包括：

通过燃油脉动控制模块修改记录的T₂对应的N_2.limit、P_3.limit值，并执行修改后参数限制，以实现发动机安全运行，所述发动机安全运行的最大转速不超过允许发动机运行的最大转速N_2.limit，最高压力不超过发动机允许的最高压力P_3.limit。

有益效果

本发明所提供的航空发动机燃油脉动故障在线诊断方法通过少量的机载参数实现了发动机燃油系统脉动故障在线监视和诊断；本发明所提供的方法根据发动机状态，结合主燃油泵后压力P_zb、伺服燃油泵后压力P_sf、压气机出口空气总压P₃参数脉动幅值综合判断故障，判断结果准确率高，并且该方法通过主燃油泵后压力P_zb、伺服燃油泵后压力P_sf、压气机出口空气总压P₃的压力信号波动幅值相对变化量的关系综合分析燃油脉动故障，计算效率高。

本发明所提供的航空发动机燃油脉动故障处理方法，提出的在故障发生后的安全状态限制控制措施，使发动机在限制区间内保留了正常工作的灵活性，超过限制区间则实行安全状态限制控制。

附图说明

图1为本发明实施例提供的故障在线诊断方法的测点位置示意图。

图2为本发明实施例提供的故障在线诊断方法的故障逻辑图。

图3为本发明实施例提供的故障处理方法的策略逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

如图1-3所示，本实施例提供了一种航空发动机燃油脉动故障在线诊断方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，控制系统选取主燃油泵后压力P_zb、伺服燃油泵后压力P_sf、压气机出口空气总压P₃的实时采集数据作为判断燃油脉动的主要参数，并把2s内的实时数据暂存于缓存区。

可选的，P_zb、P_sf、P₃测量传感器响应时间需小于5ms，采集端采样频率不小于1kHz。

步骤2，如图1，根据不同测点位置的燃油脉动强弱，确定燃油压力测点位置。

所述燃油脉动强弱指燃油系统压力脉动随着管路长度增加，对压力脉动具有一定的衰减作用，同时燃油附件工作、发动机振动等又影响燃油的脉动强弱，因此，在管路平直段设置P_zb、P_sf测点，测点前平直段至少170mm，测点后可适当减少平直段，禁止在燃油管路交汇处或分叉点设置测点，P₃按照控制系统要求布置测点位置。

步骤3，根据燃油压力测量值，采取一种实时计算方法，计算燃油脉动幅值大小。

所述实时计算方法：对P_zb、P_sf、P₃测量信号进行滤波后提取每个参数每个采样时刻t之前△T时间内的数据，并把数据暂存在控制器内存中。

所述控制器内存，包含控制器所有采集数据暂存区，用于燃油脉动计算的暂存区容量至少为12MB。

计算△T时间内的有效值和最大值，并计算P_zb、P_sf、P₃三个参数在△T＝2秒时间内的实时脉动幅值。具体计算步骤如下：

步骤3.1计算采样数据样本：若采样频率为1kHz，则采样数据周期T＝1ms，△T时间内每个输入参数样本数据个数n为：

n＝ΔTI

步骤3.2计算t时刻P_zb、P_sf、P₃参数均值

取t时刻之前△T时间内数据样本计算有效值。

步骤3.3计算t时刻P_zb、P_sf、P₃参数最大值P_zb.max、P_sf.max、P_3.max：求取t时刻之前△T时间内样本数据中最大值：

P_zb.max(t)＝MAX[|P_zb(t-T)|,|P_zb(t-2T)|,…,|P_zb(t-nT)|]

P_sf.max(t)＝MAX[|P_sf(t-T)|,|P_sf(t-2T)|,…,|P_sf(t-nT)|]

P_3.max(t)＝MAX[|P₃(t-T)|,|P₃(t-2T)|,…,|P₃(t-nT)|](k＝1，2…n)

步骤3.4计算t时刻P_zb、P_sf、P₃参数脉动幅值

求取t时刻之前△T时间内样本数据中最大脉动幅值。

步骤4，判断发动机状态，当满足稳态时，执行燃油脉动故障综合诊断；

所述发动机状态，为发动机工作状态，包括稳态、过渡态。

所述稳态，为发动机反馈的实时相对物理转速N₂持续时间内达到期望值N₂Dem的状态，按持续250ms内差值△N₂₀(t)不大于阈值，该阈值取1.0％，则判断为稳态，计算公式如下：

ΔN₂₀(t)＝|N₂(t)-N₂ Dem(t)|≤1.0％

所述过渡态，为发动机反馈的实时相对物理转速N₂在t时刻超过期望值N₂Dem的状态，按t时刻的转速N₂(t)与期望值N₂Dem的差值△N₂₁(t)满足不小于阈值来判断，该阈值取2％，计算公式如下：

ΔN₂₁(t)＝|N₂(t)-N₂ Dem(t)|≥2％

步骤5，如图2，设定阈值，根据P_zb、P_sf、P₃三个参数脉动幅值与阈值的关系，综合诊断燃油系统脉动故障，并记录故障发生时刻的N₂、T₂、P₃当前采集值；

所述阈值，根据试验数据分析获得，本系统

的阈值取2.4％、

阈值取2.0％、

阈值取0.4％，当发动机处于稳态时，故障诊断如下：

当

则输出状态字为“1”，并发出“主燃油泵压力脉动大”告警信息，否则输出状态字为“0”，不发出告警信息。

当

则输出状态字为“1”，并发出“伺服燃油泵压力脉动大”告警信息，否则输出状态字为“0”，不发出告警信息。

当

则输出状态字为“1”，并发出“气动不稳定”告警信息，否则输出状态字为“0”，不发出告警信息；

所述综合诊断，当“主燃油泵压力脉动大”或“伺服燃油泵压力脉动大”出现，通过“或”门，状态字仍为“1”，此时若有“气动不稳定”出现，则经过“与”门之后，状态字仍为“1”，则判断为“燃油脉动故障”，否则不发出“燃油脉动故障”。

所述N₂、T₂、P₃采集值，根据“燃油脉动故障”发生时刻t₁对应的转速N₂(t₁)、发动机进口总温T₂(t₁)和压气机出口空气总压P₃(t₁)等参数当前采集值。

步骤6，如图3，根据诊断结果，实现发动机安全状态限制控制。

所述发动机安全状态限制，为允许发动机运行的最大转速N_2.limit、最高压力P_3.limit状态，控制系统通过设定N_2.limit、P_3.limit参数限制来确保发动机工作在安全范围内。

所述控制，为控制器单独燃油脉动控制模块，当出现“燃油系统脉动故障”时，燃油脉动控制模块工作。模块内通过软件修改N_2.limit、P_3.limit的设定值，并执行修改后参数限制，控制发动机安全状态不超过设定值，实现发动机安全状态限制控制。

所述N_2.limit、P_3.limit的设定值，为控制系统防止发动机工作参数超过某一参数而设定的内部参数，在发动机运行过程中限制N₂≤N_2.limit、P₃≤P_3.limit。

N₂限制规律是N_2.limit为T₂的函数N_2.limit＝f(T₂)，P₃限制规律是P_3.limit＝定值，使发动机始终工作在参数限制规律允许的范围内，保护发动机安全。

当出现“燃油系统脉动故障”时，触发燃油脉动控制模块运行，该模块利用发动机进口总温T₂与故障时的T₂(t₁)对比，当满足T₂≥T₂(t₁)时，模块内执行如下N_2.limit、P_3.limit的设定值修改措施：

N_2.limit＝f(T₂)-1％

P_3.limit＝P₃(t₁)-50

采取这种控制措施后避免了燃油脉动的恶化，实现了发动机运行状态的安全隔离，保障了飞机安全飞行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种航空发动机燃油脉动故障在线诊断方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1：确定主燃油泵后压力P_zb和伺服燃油泵后压力P_sf的测点；

S2：实时采集主燃油泵后压力P_zb、伺服燃油泵后压力P_sf、压气机出口空气总压P₃，并在缓存区暂存一定时间段的实时数据；

S3：根据S2中缓存区暂存的数据计算燃油脉动幅值

S4：根据发动机反馈的实时相对物理转速判断发动机是否处于稳态，若处于稳态则进行下一步；

S5：设定阈值，根据S3获取的燃油脉动幅值与阈值的关系，判断燃油脉动故障，若有故障，则记录故障发生时刻的相对物理转速N₂、发动机进口温度T₂和压气机出口空气总压P₃。

2.根据权利要求1所述的航空发动机燃油脉动故障在线诊断方法，其特征在于，所述主燃油泵后压力P_zb和伺服燃油泵后压力P_sf的测点设置在管路平直段，测点前平直段不少于170mm，测点位置避开燃油管路交汇处或分叉点。

3.根据权利要求1所述的航空发动机燃油脉动故障在线诊断方法，其特征在于，所述S2中的一定时间段为2s。

4.根据权利要求1所述的航空发动机燃油脉动故障在线诊断方法，其特征在于，所述S3包括如下步骤：

S3.1：计算缓存区的样本个数n；

S3.2：计算缓存区的样本有效值

S3.3：计算缓存区的样本最大值P_zb.max、P_sf.max、P_3.max；

S3.4：根据S3.2和S3.3获取的数据计算燃油脉动幅值

5.根据权利要求4所述的航空发动机燃油脉动故障在线诊断方法，其特征在于，所述S3.2中样本有效值为：

其中，t为当前时刻，T为采样周期。

6.根据权利要求5所述的航空发动机燃油脉动故障在线诊断方法，其特征在于，所述S3.4中燃油脉动幅值

为：

7.根据权利要求1所述的航空发动机燃油脉动故障在线诊断方法，其特征在于，所述S4中稳态为发动机反馈的实时相对物理转速N₂持续时间内达到期望值N₂Dem的状态，按持续250ms内差值△N₂₀(t)不大于阈值，该阈值取1.0％，则判断为稳态，计算公式如下：

ΔN₂₀(t)＝|N₂(t)-N₂Dem(t)|≤1.0％。

8.根据权利要求1所述的航空发动机燃油脉动故障在线诊断方法，其特征在于，所述S5中阈值分别为

和

则，

当

则诊断为“主燃油泵后压力脉动大”，否则正常；

当

则诊断为“伺服燃油泵后压力脉动大”，否则正常；

当

且同时有“主燃油泵后压力脉动”或“伺服燃油泵后压力脉动”至少一项时，则诊断为“燃油系统脉动故障”。

9.一种航空发动机燃油脉动故障处理方法，其特征在于，所述处理方法的故障诊断使用权利要求1-8任一项所述的诊断方法，若发动机发生燃油脉动故障，则修改限制保护控制逻辑，限制发动机安全运行范围为脉动故障发生时的参数值之下。

10.根据权利要求9所述的航空发动机燃油脉动故障处理方法，其特征在于，所述故障处理方法包括：

通过燃油脉动控制模块修改T₂对应的N_2.limit、P_3.limit的设定值，并执行修改后参数限制，以实现发动机安全运行，所述发动机安全运行的最大转速不超过允许发动机运行的最大转速N_2.limit，最高压力不超过发动机允许的最高压力P_3.limit。

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