CN115406664A - 一种涡桨发动机加速任务试车谱编制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于航空发动机试车谱编制领域，提供了一种涡桨发动机加速任务试车谱编制方法及系统，包括：根据设计谱和首翻期试车谱，基于关键部件损伤等效原则，拟定加速任务试车谱；基于拟定加速任务试车谱，计算加速任务试车谱关键部件损伤；对涡桨发动机关键部件在加速任务试车谱中的损伤与设计谱、首翻期试车谱中的损伤进行比较，从而确定加速任务试车谱。上述方法和系统综合考虑了设计谱及任务试车谱下涡桨发动机的低循环疲劳损伤、热端部件蠕变损伤及减速器所承受的机械负荷，实现了加速任务试车谱对涡桨发动机关键部件考核程度的平衡。

Description

一种涡桨发动机加速任务试车谱编制方法及系统

技术领域

本发明属于航空发动机试车谱编制技术领域，特别涉及一种涡桨发动机加速任务试车谱编制方法及系统。

背景技术

现有技术中，对于涡桨发动机加速任务试车谱的编制，现有方法是以首翻期试车谱为编制基础，计算首翻期试车谱的蠕变损伤，保证蠕变损伤不降低，将蠕变损伤较小的发动机工作状态时间按损伤等效原则转化为大状态工作时间，得到加速任务试车谱。传统加速任务试车谱编制方法保证了涡桨发动机低循环疲劳损伤、蠕变损伤不低于首翻期试车谱，但是没有考核减速器的机械损伤。

某型涡桨发动机首翻期试车谱以设计谱为依据，通过计算分析发动机涡轮后燃气温度与飞行高度、飞行马赫数、发动机转速等参数的组合关系，以热端部件的持久蠕变损伤和低循环疲劳损伤等效为原则，将涡桨发动机的设计谱转换为首翻期试车谱。首翻期试车谱的损伤等效原则保证了涡桨发动机关键部件如燃气涡轮叶片的蠕变损伤和低循环疲劳损伤与设计谱相当，但没有考虑涡桨发动机减速器的机械损伤。涡桨发动机减速器分别与螺旋桨及动力涡轮相连，承受扭矩较大，故而减速器的机械负荷也需要考虑。因此有必要建立一种综合考虑涡桨发动机关键部件低循环疲劳损伤、热端部件蠕变损伤及减速器机械损伤的加速任务试车谱编制方法。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种既能考虑低循环疲劳损伤、热端部件蠕变损伤，又能考虑减速器机械损伤的编制涡桨发动机加速任务试车谱的方法。

一方面，本发明提供了一种涡桨发动机加速任务试车谱编制方法，包括：

根据设计谱和首翻期试车谱，基于关键部件损伤等效原则，拟定加速任务试车谱；

基于拟定加速任务试车谱，计算加速任务试车谱关键部件损伤；

对涡桨发动机关键部件在加速任务试车谱中的损伤与设计谱、首翻期试车谱中的损伤进行比较，从而确定加速任务试车谱。

进一步的，根据设计谱和首翻期试车谱，基于关键部件损伤等效原则，拟定加速任务试车谱包括：

分析涡桨发动机设计谱和首翻期试车谱使用情况，确定加速任务试车谱的编制原则及方法；

根据加速任务试车谱的编制原则及方法，分析关键部件在设计谱及首翻期试车谱下的损伤；

基于关键部件损伤，拟定加速任务试车谱。

进一步的，计算加速任务试车谱关键部件损伤包括：

根据拟定加速任务试车谱中各工况下的使用时间及持久寿命，计算热端部件蠕变损伤；

根据加速任务试车谱各状态时间及螺旋桨转速、扭矩，计算该加速任务试车谱减速器机械损伤。

进一步的，确定加速任务车谱具体步骤包括：

将热端部件蠕变损伤与首翻期试车谱热端部件蠕变损伤进行比较，以及将减速器机械损伤与设计谱减速器机械损伤及首翻期试车谱机械损伤进行比较，根据比较结果确定加速任务试车谱。

进一步的，根据比较结果确定加速任务试车谱具体步骤包括：

若热端部件蠕变损伤不小于首翻期试车谱中热端部件蠕变损伤的计算值，且减速器机械损伤在设计谱中减速器机械损伤的计算值和首翻期试车谱减速器机械损伤的计算值之间，则确定当前拟定的加速任务车谱符合要求；

否则调整加速任务试车谱小损伤状态的时间，重新拟定加速任务试车谱。

进一步的，关键部件损伤还包括涡轮叶片损伤。

另外一方面，本发明还提供一种发动机加速任务试车谱编制系统，包括：

拟定单元、计算单元、确定单元；

其中，拟定单元，用于根据设计谱和首翻期试车谱，基于关键部件损伤等效原则，拟定加速任务试车谱；

计算单元，用于计算设计谱、首翻期试车谱及加速任务试车谱关键部件损伤，关键部件损伤包括涡轮叶片损伤及减速器机械损伤；

确定单元，用于对涡桨发动机关键部件在加速任务试车谱中的损伤与设计谱、首翻期试车谱中的损伤进行比较，从而确定加速任务试车谱。

进一步的，拟定单元具体用于：

分析涡桨发动机设计谱和首翻期试车谱使用情况，确定加速任务试车谱的编制原则及方法；

根据加速任务试车谱的编制原则及方法，分析关键部件在设计谱及首翻期试车谱下的损伤；

基于关键部件损伤，拟定加速任务试车谱。

进一步的，计算单元具体用于：

根据拟定加速任务试车谱中各工况下的使用时间及持久寿命，计算热端部件蠕变损伤；

根据加速任务试车谱各状态时间及螺旋桨转速、扭矩，计算该加速任务试车谱减速器机械损伤。

更进一步的，确定单元具体用于：

将热端部件蠕变损伤与首翻期试车谱热端部件蠕变损伤进行比较，以及将减速器机械损伤与设计谱减速器机械损伤及首翻期试车谱机械损伤进行比较，根据比较结果确定加速任务试车谱。

本发明的有益效果：本发明的编制方法综合考虑了设计谱及任务试车谱下涡桨发动机的低循环疲劳损伤、热端部件蠕变损伤及减速器所承受的机械负荷，改善了按传统方法编制的加速任务试车谱未对减速器的机械损伤进行考虑的问题，实现了加速任务试车谱对涡桨发动机关键部件考核程度的平衡，该方法清晰、易于操作，为涡桨发动机可靠性及耐久性考虑提供了依据。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的涡桨发动机加速任务试车谱编制方法流程图；

图2示出了根据本发明实施例的涡桨发动机加速任务试车谱编制方法具体步骤流程图；

图3示出了根据本发明实施例的涡桨发动机加速任务试车谱编制系统框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，发动机加速任务试车谱编制方法包括：根据设计谱和首翻期试车谱，基于关键部件损伤等效原则，拟定加速任务试车谱；基于拟定加速任务试车谱，计算加速任务试车谱关键部件损伤；对涡桨发动机关键部件在加速任务试车谱中的损伤与设计谱、首翻期试车谱中的损伤进行比较，从而确定加速任务试车谱。

如图2所示，任务试车谱编制方法中，拟定加速任务试车谱具体包括：分析涡桨发动机设计谱和首翻期试车谱使用情况，确定加速任务试车谱的编制原则及方法；根据加速任务试车谱的编制原则及方法，分析关键部件在设计谱及首翻期试车谱下的损伤；基于关键部件损伤，拟定加速任务试车谱。

其中，所述涡桨发动机加速任务试车谱编制原则为，低循环疲劳是发动机轮盘的主要损伤因素，加速任务试车谱必须保证低循环疲劳损伤考核不降低；大状态工作时间是影响发动机燃气涡轮叶片等热端部件寿命的关键性因素，加速任务试车谱必须保证大状态时间不少于首翻期试车谱，部分小状态可通过损伤等效原则等效至大状态；发动机起动时，由慢车到中间及以上状态的加速速率决定了涡轮盘等部件的热梯度，为确保损伤率与外场一致，加速任务试车谱加速过程的加速速率必须与外场使用用法一致；除低循环损伤和热负荷损伤等效外，加速任务试车谱的机械负荷也要与使用谱相当。

其中，所述涡桨发动机加速任务试车谱编制方法为，“慢车-起飞-慢车”循环数基本保持不变，以保证加速任务试车谱的低循环疲劳损伤与首翻期试车谱相当；在加速任务试车谱编制中保证大状态时间不少于首翻期试车谱，部分小状态可通过蠕变损伤等效至大状态，以保证燃气涡轮叶片蠕变损伤不低于首翻期试车谱；将小状态按减速器扭矩等效到大状态的时间相当，以保证机械负荷相当。

计算加速任务试车谱关键部件损伤具体包括：根据首翻期试车谱各状态工作时间及该工况下持久寿命计算首翻期试车谱热端部件蠕变损伤；根据各工况下螺旋桨转速、扭矩、工作时间计算设计谱及首翻期试车谱减速器机械损伤；将加速任务试车谱下关键部件损伤与设计谱、首翻期试车谱下关键部件损伤进行对比分析，最终确定对涡桨发动机低循环疲劳损伤、蠕变损伤及机械损伤考核均较为合理的加速任务试车谱。

其中，计算各状态下的热端部件蠕变损伤具体为：假设发动机在某状态下工作时间为m_i，在该状态下燃气涡轮叶片持久寿命为N_i，则燃气涡轮叶片在该状态下的工作损伤s_i为：

根据公式(1)分别计算在n个发动机状态下燃气涡轮叶片的损伤，累加得到该谱线n个工作状态下燃气涡轮叶片总损伤s，即s_i＝∑s_i(i＝1,2,...n)。

计算减速器均立方根当量扭矩及等效时间具体为：根据飞机设计谱及首翻期试车谱各状态下的螺旋桨转速及输出扭矩，结合各发动机工作状态时间，计算均立方根当量扭矩，减速器功率谱中均立方根当量扭矩计算公式为：

公(2)式中：T_d—设计功率谱或试验功率谱均立方根当量扭矩，Nm；T_i—设计功率谱或试验功率谱中第i状态的扭矩，Nm；t_i—设计功率谱或试验功率谱中第i状态的时间；n—设计功率谱或试验功率谱中载荷状态的总数。

减速器加速等效系数的计算公式为：

公式(3)中：K—试验谱相对设计功率谱的加速等效系数；T_d1—试验谱均立方根当量扭矩，Nm；T_d0—设计谱均立方根当量扭矩，Nm。

由加速等效系数确定等效时间：t_d＝K×t(4)，公式(4)中：t_d—等效时间，h；K—试验谱相对使用功率谱的加速等效系数；t—实际试验时间，h。

确定加速任务试车谱具体步骤包括：将加速任务试车谱热端部件蠕变损伤与首翻期试车谱热端部件蠕变损伤进行比较，将减速器机械损伤与设计谱及首翻期试车谱的减速器机械损伤进行比较，根据比较结果确定加速任务试车谱。其中，根据比较结果确定加速任务试车谱具体步骤包括：若热端部件蠕变损伤不小于首翻期试车谱中热端部件的损伤值，且减速器机械损伤在设计谱减速器机械损伤的计算值和首翻期试车谱减速器机械损伤的计算值之间，则确定当前拟定的加速任务试车谱符合要求；否则调整加速任务试车谱小损伤状态的时间，重新拟定加速任务试车谱。需要说明的是，首翻期试车谱的编制未考虑减速器所承受的机械负荷，因此需要根据发动机各状态螺旋桨输出扭矩及工作时间分别计算设计谱及首翻期试车谱减速器的均立方根当量扭矩和加速等效系数，并对减速器等效工作时间进行对比分析，为加速任务试车谱编制中减速器损伤的考虑提供依据；涡桨发动机减速器分别与螺旋桨及涡轮相连，所受机械负荷较大，因此根据加速任务试车谱各状态时间，结合螺旋桨均立方根当量扭矩及等效时间，考核减速器的损伤，将该损伤与设计谱及首翻期试车谱减速器的损伤进行对比以实现对涡桨发动机减速器机械损伤的恰当考核。

其中，设计谱是供新机设计使用的载荷谱。设计谱是一种预计谱，可由任务相同、结构相近的现役机使用载荷谱用经验推断得到；也可以通过预计飞行剖面和预计任务混频得到。设计谱的典型任务剖面包含飞行高度、速度以及发动机工作状态等信息，而发动机首翻期试车考核是在地面台架进行的，无法模拟飞行高度和速度，因此必须将飞行状态下发动机的工作状态等效为地面台架下的工作状态。分析设计谱各典型任务剖面的特点，并根据其特点对任务剖面进行归并，确定首翻期试车谱的任务剖面。首翻期试车谱的编制根据发动机装机使用要求及发动机性能计算结果，保证首翻期试车谱大状态工作时间比例略大于或等于典型任务剖面中大状态时间比例；试车谱消耗的循环数与设计载荷谱中低循环数基本相当；按发动机燃气发生器转子转速和Tt45温度相近归并原则将空中状态等效到台架试车状态。需要说明的是，获得发动机首翻期试车谱，需要对发动机的设计谱各谱线进行归纳分析，包括分析发动机设计谱工作状态、各状态时间以及总阶段数等。

其中，分析涡桨发动机设计谱及任务试车谱使用情况，包括：外场设计谱及首翻期试车谱给出了发动机典型任务剖面的发动机状态、时长、频次以及各状态的燃发转子转速、螺旋桨转速，统计设计谱和首翻期试车谱的总阶段数及总试车时间；统计分析每条任务谱线中各状态的时间，再结合任务频次分类归并统计各发动机状态的时间，分析其占总时间的比例，为加速任务试车谱编制中各发动机状态时间的确定及损伤的计算提供参照依据。

其中，根据关键部件疲劳损伤特性确定加速任务试车谱编制原则与编制方法，包括：分析明确加速任务试车谱编制所要考虑的发动机关键部件。发动机试车考核的关键部位一般为热端部件，如：燃气涡轮转子叶片、轮盘，除此之外，涡桨发动机减速器左右两端分别与动力涡轮和螺旋桨相连，承受的扭矩较大，故而减速器所承受的工作负荷也需要考虑；根据确定的编制加速任务试车谱所要考虑的关键部件，明确影响关键部件损伤的主要因素，从而制定所要编制的涡桨发动机加速任务试车谱编制原则；在制定的加速任务试车谱编制原则基础上，保证对关键部件损伤有主要影响的因素的考核程度不降低，制定以首翻期试车谱为基础确定加速任务试车谱的编制方法。

其中，分析在设计谱及首翻期试车谱各工作状态下关键部件损伤，包括：发动机首翻期试车谱保证了关键部件低循环疲劳损伤及热端部件蠕变损伤不小于设计谱，故此处主要根据首翻期试车谱各工况下的使用时间，及持久寿命计算各状态下的热端部件损伤；首翻期试车谱的编制未考虑减速器所承受的机械负荷，故需要根据发动机各状态螺旋桨转速、输出扭矩及工作时间分别计算设计谱及首翻期试车谱减速器的当量扭矩和加速等效系数，并对减速器等效工作时间进行对比分析，为加速任务试车谱编制中减速器损伤的考虑提供依据。

其中，编制加速任务试车谱线，按照加速任务试车谱编制原则及编制方法，以首翻期试车谱为基础确定加速任务试车谱循环阶段数和环境混频的比例，减少试车谱中对热端关键部件损伤较小的发动机状态的运行时间，如：低功率的运行时间，但需保证对热疲劳的考核不降低；由于涡桨发动机减速器分别与螺旋桨及涡轮相连，所受机械负荷较大，故此处根据得到的加速任务试车谱各状态时间，结合减速器均立方根当量扭矩及等效时间，考核减速器的损伤，将该损伤与设计谱及首翻期试车谱减速器的损伤进行对比，直至热端部件蠕变损伤不小于首翻期试车谱，减速器机械损伤不小于设计谱但不大于首翻期试车谱。此时即可认为该加速任务试车谱对于涡桨发动机关键部件的考核都较为合理；以发动机在各状态下的运行时间为基础，结合循环阶段数确定单频次工作状态时长，编制加速任务试车谱线。

需要说明的是，发动机首翻期试车谱保证了关键部件低循环疲劳损伤及热端部件蠕变损伤不小于设计谱，所以计算各状态下的热端部件蠕变损伤主要根据首翻期试车谱各工况下的使用时间及持久寿命；计算减速器机械损伤包括计算设计谱及首翻期试车谱减速器的均立方根当量扭矩和加速等效系数，并对减速器等效工作时间进行对比分析，为加速任务试车谱编制中减速器损伤的考虑提供依据。本方法同时考核了低循环疲劳损伤、热端部件蠕变损伤及减速器所承受的机械负荷，改善了按现有传统方法编制的涡桨发动机加速任务试车谱未对减速器的机械损伤进行考虑的问题。

在计算加速任务试车谱关键部件损伤后，考核初步拟定的试车谱线的关键部件损伤，将该损伤与设计谱及首翻期试车谱的损伤进行对比，若热端部件热疲劳损伤不小于首翻期试车谱，且减速器机械损伤不小于设计谱但不大于首翻期试车谱，则可结合循环阶段数确定单频次工作状态时长，确定加速任务试车谱，且此时即可认为该加速任务试车谱对于涡桨发动机关键部件的考核都较为合理；若热端部件热疲劳损伤小于首翻期试车谱或减速器机械损伤小于设计谱，则调整加速任务试车谱小损伤状态的时间，再计算关键部件损伤，再次将损伤与设计谱及首翻期试车谱的损伤进行对比，从而来判断是否确定加速任务试车谱。

如图3所示，发动机加速任务试车谱的编制系统包括：拟定单元、计算单元、确定单元。其中，拟定单元具体用于，根据设计谱和首翻期试车谱的使用情况，并根据确定加速任务试车谱的原则和方法，拟定加速任务试车谱；计算单元具体用于，根据首翻期试车谱，计算热端部件蠕变损伤，根据发动机设计谱及首翻期试车谱，计算减速器机械损伤；确定单元具体用于，将热端部件蠕变损伤与首翻期试车谱热端部件蠕变损伤进行比较，以及将减速器机械损伤与设计谱和首翻期试车谱减速器机械损伤进行比较，从而确定加速任务试车谱。

本发明提供了一种涡桨发动机加速任务试车谱的编制方法，用于与涡桨发动机地面试车相关的加速任务试车载荷谱编制，为涡桨发动机可靠性及耐久性评估提供了基础。根据本发明实施例的涡桨发动机加速任务试车谱编制方法，与现有技术方案相比，按本发明方法编制的加速任务试车谱综合考虑了设计谱及任务试车谱下低循环疲劳损伤、热端部件蠕变损伤及减速器所承受的机械负荷，改善了按传统方法编制的加速任务试车谱未对减速器的机械损伤进行考虑的问题，实现了加速任务试车谱对涡桨发动机关键部件考核程度的平衡，该方法清晰、易于操作，为涡桨发动机可靠性及耐久性评估提供了依据。相对于仅以首翻期试车谱为编制依据的涡桨发动机加速任务试车谱编制方法，本方法还考虑了发动机设计谱情况。按本方法编制的加速任务试车谱对发动机关键部件的可靠性考核更为合理，对于涡桨发动机有较强的通用性及工程应用价值。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种涡桨发动机加速任务试车谱编制方法，包括：

根据设计谱和首翻期试车谱，基于关键部件损伤等效原则，拟定加速任务试车谱；

基于拟定加速任务试车谱，计算加速任务试车谱关键部件损伤；

对涡桨发动机关键部件在加速任务试车谱中的损伤与设计谱、首翻期试车谱中的损伤进行比较，从而确定加速任务试车谱。

2.根据权利要求1所述的一种涡桨发动机加速任务试车谱编制方法，其中，根据设计谱和首翻期试车谱，基于关键部件损伤等效原则，拟定加速任务试车谱包括：

分析涡桨发动机设计谱和首翻期试车谱使用情况，确定加速任务试车谱的编制原则及方法；

根据加速任务试车谱的编制原则及方法，分析关键部件在设计谱及首翻期试车谱下的损伤；

基于关键部件损伤，拟定加速任务试车谱。

3.根据权利要求1所述的一种涡桨发动机加速任务试车谱编制方法，其中，计算加速任务试车谱关键部件损伤包括：

根据拟定加速任务试车谱中各工况下的使用时间及持久寿命，计算热端部件蠕变损伤；

根据加速任务试车谱各状态时间及螺旋桨转速、扭矩，计算该加速任务试车谱减速器机械损伤。

4.根据权利要求3所述的一种涡桨发动机加速任务试车谱编制方法，其中，确定加速任务车谱具体步骤包括：

将热端部件蠕变损伤与首翻期试车谱热端部件蠕变损伤进行比较，以及将减速器机械损伤与设计谱减速器机械损伤及首翻期试车谱机械损伤进行比较，根据比较结果确定加速任务试车谱。

5.根据权利要求4所述的一种涡桨发动机加速任务试车谱编制方法，其中，根据比较结果确定加速任务试车谱具体步骤包括：

若热端部件蠕变损伤不小于首翻期试车谱中热端部件蠕变损伤的计算值，且减速器机械损伤在设计谱中减速器机械损伤的计算值和首翻期试车谱减速器机械损伤的计算值之间，则确定当前拟定的加速任务车谱符合要求；

否则调整加速任务试车谱小损伤状态的时间，重新拟定加速任务试车谱。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种涡桨发动机加速任务试车谱编制方法，其中，关键部件损伤还包括涡轮叶片损伤。

7.一种涡桨发动机加速任务试车谱编制系统，包括：

拟定单元、计算单元、确定单元；

其中，拟定单元，用于根据设计谱和首翻期试车谱，基于关键部件损伤等效原则，拟定加速任务试车谱；

计算单元，用于计算设计谱、首翻期试车谱及加速任务试车谱关键部件损伤，关键部件损伤包括涡轮叶片损伤及减速器机械损伤；

确定单元，用于对涡桨发动机关键部件在加速任务试车谱中的损伤与设计谱、首翻期试车谱中的损伤进行比较，从而确定加速任务试车谱。

8.根据权利要求7所述的一种涡桨发动机加速任务试车谱编制系统，其中，拟定单元具体用于：

分析涡桨发动机设计谱和首翻期试车谱使用情况，确定加速任务试车谱的编制原则及方法；

根据加速任务试车谱的编制原则及方法，分析关键部件在设计谱及首翻期试车谱下的损伤；

基于关键部件损伤，拟定加速任务试车谱。

9.根据权利要求7或8所述的一种涡桨发动机加速任务试车谱编制系统，其中，计算单元具体用于：

根据拟定加速任务试车谱中各工况下的使用时间及持久寿命，计算热端部件蠕变损伤；

根据加速任务试车谱各状态时间及螺旋桨转速、扭矩，计算该加速任务试车谱减速器机械损伤。

10.根据权利要求9所述的一种涡桨发动机加速任务试车谱编制系统，其中，确定单元具体用于：

将热端部件蠕变损伤与首翻期试车谱热端部件蠕变损伤进行比较，以及将减速器机械损伤与设计谱减速器机械损伤及首翻期试车谱机械损伤进行比较，根据比较结果确定加速任务试车谱。

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