CN115525987A - 一种用于涡轴发动机的可用功率自动评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于涡轴喷气发动机技术领域，具体涉及一种用于涡轴发动机的可用功率自动评估方法。包括如下步骤：步骤1：对发动机运行特性数据进行稳态数据滤波；步骤2：发动机性能趋势检测；步骤3：扭矩系数的计算。本发明的有益效果在于：本方法中所采集的数据均来自目前发动机采集的正常任务数据，不需要额外的维修工序。通过稳态数据过滤器提取发动机稳态运行特征参数，方便数据的在线实时处理，并利用这些处理后的参数建立待检发动机的性能曲线。性能曲线用于估计发动机的极限功率条件，并计算可用功率的扭矩系数进行实时显示，从而指导飞行员决定任务计划、调度以及对发动机的维护和检修。与现有手动评估方法相比，省时省力。

Description

一种用于涡轴发动机的可用功率自动评估方法

技术领域

本发明属于涡轴喷气发动机技术领域，具体涉及一种用于涡轴发动机的可用功率自动评估方法。

背景技术

作为直升机飞行安全的参数之一，发动机的可用功率的指示十分重要。直升机涡轮轴发动机的可用功率在整个生命周期内是变化的。涡轮叶片、密封件磨损、污染等是造成这种变化的主要因素。直升机操作人员一定程度上依赖可用功率的指示来决定任务计划、调度以及对发动机进行维护和检修。

现有评估可用功率的方法需要维修飞行员通过手动执行：在执行最大可用功率检查时，直升机需装备2台发动机，其中一台工作状态良好的涡轴发动机，另一台是被检涡轴发动机。维修飞行员需要将飞机保持在固定高度、空速和功率设置，同时使发动机运行稳定，然后逐渐将工作状态良好的发动机的功率降低，使被检的发动机的功率增加，直到该发动机达到运行控制极限。此时，飞行员记录必要的飞机和发动机运行参数，手动计算扭矩系数，进而指示可用功率。现有的方法步骤繁琐且工作量相对较大。同时，被检发动机将会工作于极限状态，这对发动机及维修飞行员的安全更是一大挑战。

因此，迫切需要一种自动化方法取代目前手动检查最大可用功率的方法，使其能够简化工序，并能对发动机可用功率进行实时在线评估。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于涡轴发动机的可用功率自动评估方法，它能够利用直升机普通任务数据进行可用功率的自动评估，可降低涡轴发动机可用功率的评估成本，并实现可用功率的实时评估。

本发明的技术方案如下：一种用于涡轴发动机的可用功率自动评估方法，包括如下步骤：

步骤1：对发动机运行特性数据进行稳态数据滤波；

步骤2：发动机性能趋势检测；

步骤3：扭矩系数的计算。

所述的步骤1中稳态数据滤波只使用与发动机性能直接相关的参数，包括燃气发生器转速、涡轮转速、扭矩、涡轮温度、大气压力温度和空速等。

所述的步骤1中所述稳态数据滤通过计算输入参数的标准差σ来确定稳态工况点，首先确保防冰放气阀关闭；

进一步，确保校正后的燃气发生器转速Ng高于90％，以排除起动和空慢运行点；

若满足防冰放气阀关闭、校正后的燃气发生器转速Ng高于90％以上，则进入数据分析窗口，最小数据分析窗口为15秒；达到最小数据分析窗口长度，开始计算窗口中包含的每个参数的平均值和标准偏差；将标准偏差与规定阈值标准进行比较，若不满足稳态标准，稳态数据过滤器将窗口向前推进，保持最近 15秒的数据，如果每个参数的标准差小于其指定的阈值，则认为窗口中的数据处于稳态。

所述的步骤2中识别到发动机稳态数据点后，将其与标称发动机性能进行比较，计算发动机性能残差，表示为轴功率变化量(ΔSHP)，具体计算过程如下：

所述轴功率变化量ΔSHP代表处在确定的稳态工作点时，待检发动机校正后轴功率与在相同条件下运转的标称发动机之间的差值；

其中，标称发动机性能可由数据库查询获得，通过给定四个条件：气压高度，空速，外部气温和涡轮燃气温度，即可得到标称发动机的相应功率；

在得出所述轴功率性能残差后，将其与燃气涡轮温度进行拟合；

拟合算法包括但不仅限于用解析表达式逼近方法和最小二乘法；

将残差拟合曲线更新到额定发动机性能曲线图谱中，用于表示待检发动机校正后的性能，即，发动机性能＝标称发动机性能+残差曲线拟合。

所述的步骤2中，当发动机运行时，涡轮温度曲线实时更新，可通过以下步骤计算新的发动机扭矩系数：

通过涡轮温度极限确定极限功率值，此时动力涡轮转速为100％，将功率值转换为扭矩；

极限扭矩值除以目标扭矩值，计算出标准转矩扭矩比，目标扭矩值是基于保证发动机正常运行后产生的额定功率；采用该型发动机规定的线性关系将标准转矩扭矩比转换为扭矩系数。

本发明的有益效果在于：本方法中所采集的数据均来自目前发动机采集的正常任务数据，不需要额外的维修工序。通过稳态数据过滤器提取发动机稳态运行特征参数，方便数据的在线实时处理，并利用这些处理后的参数建立待检发动机的性能曲线。性能曲线用于估计发动机的极限功率条件，并计算可用功率的扭矩系数进行实时显示，从而指导飞行员决定任务计划、调度以及对发动机的维护和检修。与现有手动评估方法相比，省时省力。

附图说明

图1为本发明所提供的一种用于涡轴发动机的可用功率自动评估方法流程示意图；

图2为直升机发动机健康监测系统检测到的工况点；

图3为经过稳态数据滤波后的稳态工况点；

图4为待检发动机功率与标称发动机功率的对比；

图5为所述自动评估方法与手动计算的扭矩系数对比。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供的一种用于涡轴发动机的可用功率自动评估方法，与手动评估方法的基本区别在于，所述可用功率自动评估方法可以根据正常任务剖面获得的数据外推极限温度条件下的发动机功率，并进行实时在线指示。所述用于涡轴发动机的可用功率自动评估方法包括以下三方面：(1)稳态数据滤波器；(2) 发动机性能趋势监测；(3)扭矩系数自动计算逻辑。数据采集自直升机涡轴发动机的健康管理系统，通过稳态数据滤波器，提取发动机稳定工作点，将其提供给发动机性能趋势监控算法，更新发动机功率-燃气涡轮温度性能曲线。通过额定极限功率条件(燃气涡轮温度极限点)并使用与手动方法相同的程序估算扭矩系数。

如图1所示，一种用于涡轴发动机的可用功率自动评估方法，包括如下步骤：

步骤1：对发动机运行特性数据进行稳态数据滤波

所述的稳态数据滤波只使用与发动机性能直接相关的参数，包括燃气发生器转速、涡轮转速、扭矩、涡轮温度、大气压力温度、空速等。表1中列出了所述参数以及所述稳态数据滤波器所应用的约束条件。

表1参数及约束条件

所述稳态数据滤通过计算输入参数的标准差σ来确定稳态工况点，首先确保防冰放气阀关闭。进一步，确保校正后的燃气发生器转速Ng高于90％，以排除起动和空慢运行点。

若满足防冰放气阀关闭、校正后的燃气发生器转速Ng高于90％以上，则进入数据分析窗口，最小数据分析窗口为15秒。达到最小数据分析窗口长度，开始计算窗口中包含的每个参数的平均值和标准偏差。将标准偏差与表1所示的规定阈值标准进行比较，若不满足稳态标准，稳态数据过滤器将窗口向前推进，保持最近15秒的数据。如果每个参数的标准差小于其指定的阈值，则认为窗口中的数据处于稳态。

步骤2：发动机性能趋势检测

识别到发动机稳态数据点后，将其与标称发动机性能进行比较，计算发动机性能残差，表示为轴功率变化量(ΔSHP)，具体计算过程如下：

所述轴功率变化量(ΔSHP)代表处在确定的稳态工作点时，待检发动机校正后轴功率与在相同条件下运转的标称发动机之间的差值；

在所述用于涡轴发动机的可用功率自动评估方法架构中，标称发动机性能可由数据库查询获得。通过给定四个条件：气压高度，空速，外部气温和涡轮燃气温度，标称发动机的相应功率可以被本程序自动执行查询。

在得出所述轴功率性能残差后，将其与燃气涡轮温度进行拟合；

拟合算法包括但不仅限于用解析表达式逼近方法和最小二乘法；

将残差拟合曲线更新到额定发动机性能曲线图谱中，用于表示待检发动机校正后的性能，即，发动机性能＝标称发动机性能+残差曲线拟合。

步骤3：扭矩系数的计算

发动机运行时，涡轮温度曲线实时更新，可通过以下步骤计算新的发动机扭矩系数：

通过涡轮温度极限确定极限功率值，此时动力涡轮转速为100％，可将功率值转换为扭矩；

极限扭矩值除以目标扭矩值，可以计算出标准转矩扭矩比。目标扭矩值是基于保证发动机正常运行后产生的额定功率；

采用该型发动机规定的线性关系将标准转矩扭矩比转换为扭矩系数。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述稳态数据滤波器首先对输入的数据进行筛选，确保防冰放气阀关闭；进一步筛选确保校正后的燃气发生器转速Ng高于90％，以排除起动和空慢运行点；若满足所述条件，即进入数据分析窗口，最小数据分析窗口为15秒。达到最小数据分析窗口长度，开始计算窗口中包含的每个参数的平均值和标准偏差；将所述标准偏差与表1中所示的规定阈值标准进行比较，若不满足稳态标准，稳态数据过滤器将窗口向前推进，并取最近15秒的数据，然后重新应用所述算法进行计算；若所述每个参数的标准差小于其指定的阈值，则认为窗口中的数据处于稳定工作点；算法将下一时刻的数据继续添加到分析窗口，重复进行稳态数据过滤，若满足定义的稳态条件，则将分析窗口进行拓展；若不满足，则提取上一时刻分析窗口的平均值作为稳态工作点之一。稳态滤波器将继续分析下一段数据。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述发动机功率校正过程如下：将发动机工作范围划分为燃气涡轮温度均匀间隔的区间；稳态数据滤波器每次获取到新的稳态点，均根据所述四输入的标称发动机性能查询数据库计算ΔSHP 值；将ΔSHP值划分到适当的燃气涡轮温度区间中，更新相应区间中的平均燃气涡轮温度和ΔSHP平均值，算法如下式所示：

式中，

是第i个区间第k步的燃气涡轮温度的平均值，α_i,k是第i个区间第k步的遗忘因子，T4.5_i,k是输入第i个区间第k步的燃气涡轮温度值，ΔSHP 相关角标的定义与其相同。

根据本实施例的一种具体实现方式，发动机运行时，其性能曲线实时更新，可通过以下步骤计算新的发动机扭矩特性(扭矩系数)：(1)通过燃气涡轮温度极限确定极限功率值，此时动力涡轮转速为100％，可将功率值转换为扭矩；(2) 极限扭矩值除以额定扭矩值，可以计算出标准扭矩比。其中的额定扭矩值基于保证发动机正常运行后产生的额定功率进行换算；(3)将标准扭矩比转换为扭矩系数。

为了验证所述用于涡轴发动机的可用功率自动评估方法，将结合其应用于某型直升机发动机的具体实施结果进行说明。某次飞行数据中稳态数据提取如图2所示。由于直升机处于飞行任务中而非固定工况点，发动机的监测数据存在较大波动，通过自行编写的稳态数据滤波器处理后，结果如图3所示，其提取的稳态工况点围绕发动机稳态运行线较为紧密，证明了稳态数据滤波器的应用效果。提取稳态数据后，进行发动机功率校正，待检发动机功率与标称发动机功率的对比如图4所示，表明服役一定时间后的发动机性能有所衰退，而本算法可以较为准确的预测到这一结果。

为了进一步验证最终计算的扭矩系数的准确程度，将所述用于涡轴发动机的可用功率自动评估方法应用于多台发动机数据，并同时进行了手动计算，两方法的对比结果如图5所示。所述自动评估的结果与手动计算的结果之间的平均误差为5.1％。

综上可知，本方法能够利用直升机普通任务数据进行可用功率的自动评估，可降低涡轴发动机可用功率的评估成本，并实现可用功率的实时评估。

Claims (5)

1.一种用于涡轴发动机的可用功率自动评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：对发动机运行特性数据进行稳态数据滤波；

步骤2：发动机性能趋势检测；

步骤3：扭矩系数的计算。

2.如权利要求1所述的一种用于涡轴发动机的可用功率自动评估方法，其特征在于，所述的步骤1中稳态数据滤波只使用与发动机性能直接相关的参数，包括燃气发生器转速、涡轮转速、扭矩、涡轮温度、大气压力温度和空速等。

3.如权利要求2所述的一种用于涡轴发动机的可用功率自动评估方法，其特征在于，所述的步骤1中所述稳态数据滤通过计算输入参数的标准差σ来确定稳态工况点，首先确保防冰放气阀关闭；

进一步，确保校正后的燃气发生器转速Ng高于90％，以排除起动和空慢运行点；

若满足防冰放气阀关闭、校正后的燃气发生器转速Ng高于90％以上，则进入数据分析窗口，最小数据分析窗口为15秒；达到最小数据分析窗口长度，开始计算窗口中包含的每个参数的平均值和标准偏差；将标准偏差与规定阈值标准进行比较，若不满足稳态标准，稳态数据过滤器将窗口向前推进，保持最近15秒的数据，如果每个参数的标准差小于其指定的阈值，则认为窗口中的数据处于稳态。

4.如权利要求1所述的一种用于涡轴发动机的可用功率自动评估方法，其特征在于，所述的步骤2中识别到发动机稳态数据点后，将其与标称发动机性能进行比较，计算发动机性能残差，表示为轴功率变化量(△SHP)，具体计算过程如下：

所述轴功率变化量△SHP代表处在确定的稳态工作点时，待检发动机校正后轴功率与在相同条件下运转的标称发动机之间的差值；

其中，标称发动机性能可由数据库查询获得，通过给定四个条件：气压高度，空速，外部气温和涡轮燃气温度，即可得到标称发动机的相应功率；

在得出所述轴功率性能残差后，将其与燃气涡轮温度进行拟合；

拟合算法包括但不仅限于用解析表达式逼近方法和最小二乘法；

将残差拟合曲线更新到额定发动机性能曲线图谱中，用于表示待检发动机校正后的性能，即，发动机性能＝标称发动机性能+残差曲线拟合。

5.如权利要求1所述的一种用于涡轴发动机的可用功率自动评估方法，其特征在于，所述的步骤2中，当发动机运行时，涡轮温度曲线实时更新，可通过以下步骤计算新的发动机扭矩系数：

通过涡轮温度极限确定极限功率值，此时动力涡轮转速为100％，将功率值转换为扭矩；

极限扭矩值除以目标扭矩值，计算出标准转矩扭矩比，目标扭矩值是基于保证发动机正常运行后产生的额定功率；采用该型发动机规定的线性关系将标准转矩扭矩比转换为扭矩系数。

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