CN116242534A - 一种机载涡浆发动机动平衡方法和系统 - Google Patents

一种机载涡浆发动机动平衡方法和系统 Download PDF

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CN116242534A CN202211617313.2A CN202211617313A CN116242534A CN 116242534 A CN116242534 A CN 116242534A CN 202211617313 A CN202211617313 A CN 202211617313A CN 116242534 A CN116242534 A CN 116242534A
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赵建平
王伟
常博博
刘源
李振华
牛天昊
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Abstract

本发明属于航空机载电子设备电源监控技术领域，提供一种机载涡浆发动机动平衡方法和系统，针对传统的方法存在仅仅能够地面试验、无法使发动机达到发动机运行的最佳转速和气动影响、无法根据发动机配平前振动和配平方案给出发动机配平后发动机振动预估结果等问题，提出了机载动平衡方案，能够实现发动机空中振动检测和振动数据记录，地面完成计算和配平工作，保证振动参数为发动机长时间、稳定状态，最大限度减小发动机振动引发的机械疲劳和损伤，同时能够根据发动机振动数据和实际配平方案，评估发动机平衡后振动，减少发动机试车次数。

Description

一种机载涡浆发动机动平衡方法和系统
技术领域
本发明涉及螺旋桨发动机动力学领域，特别涉及一种机载涡浆发动机动平衡方法和系统。
背景技术
螺旋桨发动机作为飞机的重要组成部件，为飞机的飞行提供所需的推进力，同时也是飞机的一个主要振动源，其螺旋桨桨叶质量不平衡和气动不平衡是引起机体振动加剧的常见原因。为了降低飞机振动，确保飞行安全，需定期对螺旋桨系统进行动平衡调整。常见的螺旋桨动平衡调整多是通过调整每片桨叶的螺钉配重，使得振动减小到允许水平，从而确保机组人员和乘客的舒适性。如何快速有效地获得动平衡调整建议，减小动平衡的调整次数，已成为螺旋桨发动机研究领域的一个重要研究方向。
目前航空上多采用的是Vibrex 2000、ACES2020PL等进口地面设备，传统的方法存在仅仅能够地面试验(飞机落地后，重新安装传感器和Vibrex 2000、ACES2020PL等设备，启动发动机运行到指定转速，然后再根据采集的数据，结合发动机参数，给出动平衡方案)；且由于是地面运转发动机无法使发动机达到发动机运行最佳转速和气动影响，增加了发动机地面运行时间，减少发动机寿命，增加了地面维护时间；这些设备仅能给出配平方案，无法根据发动机配平前振动和配平方案给出发动机配平后发动机振动预估结果，导致配平后试车次数增加；无法预估实际配平方案和理论方案差异导致的残余振动结果，给实际配平增加振动超差风险，甚至引发更严重的振动危害。
目前已有的《航空螺旋桨动平衡配平的建模算法》，该建模配平算法通过建立与待配平螺旋桨特征数据相符合的配平模型，有效解决了工程实践中拟配平螺旋桨的实际轻点位置与桨毂上预置的可安装配重位置不一致的矛盾，加速了平衡过程；《基于阶次跟踪的直升机旋翼动平衡调整分析研究》提出了一种基于阶次跟踪原理的动平衡调整分析方法。该方法，利用阶次跟踪原理对旋翼系统的振动信号进行快速分析得到旋翼的动平衡值，有效克服了传统频谱分析方法在分析非平稳信号中存在的频率混叠及能量泄露等问题；《螺旋桨动平衡配平中的质心动态修正算法》提出一种新的配重质心动态修正算法，可以达到一次性配平成功的良好效果；以上这些方法都没有解决传统方法的四个主要问题。因此，需要高可靠的、高精度、易实现的螺旋桨发动机桨叶在线动平衡方法。
发明内容
有鉴于此，本公开实施例提供一种机载涡浆发动机动平衡方法，解决现有技术中无法预估实际配平方案和理论方案差异导致的残余振动结果的问题，所述方法包括：
机载发动机的健康监视单元采集发动机振动数据，并将满足预设稳态条件的所述振动数据保存在所述健康监视单元的存储器中；
通过机载产品的硬件/软件采集桨叶数据，通过计算判定满足预设稳态条件的桨叶数据，所述桨叶数据包括桨叶转速、振动幅值和振动相位的数据；
根据满足预设稳态条件的桨叶数据和发动机振动因子计算动平衡结果，显示动平衡建议方案；
反向使用影响系数法评估实际平衡方案后，预估并显示发动机残余振动结果。
进一步的，所述健康监视单元包括数据处理单元、存储单元、振动采集单元、转速采集单元和桨叶零相位获取单元。
进一步的，利用时域整周期同步平均相关法确定振动幅值和振动相位，根据发动机稳态判定条件和稳定品质系数，判定满足预设稳态条件的所述桨叶数据。
进一步的，使用影响系数法结合满足预设稳态条件的所述桨叶数据，计算理论配重值，包括：
Γg＝B1(Ω1)ips*C1(Ω1)g/ips
Γdeg＝B1(Ω1)deg+C1(Ω1)deg+180°
其中：
Γg表示理论配重质量；
Γdeg表示理论配重相位角度；
B1(Ω1)ips表示在转速Ω1下的振动幅值；
B1(Ω1)deg表示在转速Ω1下的振动相位角度；
C1(Ω1)g/ips表示在转速Ω1下的振动幅值影响系数；
C1(Ω1)deg表示在转速Ω1下的振动相位影响系数。
进一步的，对所述理论配重值进行分解，包括：
Figure BDA0004000545260000031
Figure BDA0004000545260000032
其中：
Xg表示理论N#孔号对应配重质量；
Yg表示理论N-1#孔号对应配重质量；
Γg表示理论配重质量；
Γdeg表示理论配重相位角度；
αN-1表示N-1#孔号对应的相位角度；
αN表示N#孔号对应的相位角度。
进一步的，进行实际动平衡调整之后，实际配平方案与所述理论配重值的差异为：
Figure BDA0004000545260000041
Figure BDA0004000545260000042
其中：
Xg'表示实际N#孔号安装配重质量；
Yg'表示实际N-1#孔号安装配重质量；
αN-1表示N-1#孔号对应的相位角度；
αN表示N#孔号对应的相位角度；
Γg'表示N#、N-1#实际配重对应的折合质量；
Γdeg'表示N#、N-1#实际配重对应的折合相位角度。
进一步的，实际配平方案与所述理论配重值的残余振动值为：
Figure BDA0004000545260000043
Pred_Xdeg＝αN-C1(Ω1)deg-180°
Figure BDA0004000545260000044
Pred_Ydeg＝αN-1-C1(Ω1)deg-180°
Figure BDA0004000545260000045
Figure BDA0004000545260000046
其中：
Xg表示理论N#孔号对应配重质量；
Yg表示理论N-1#孔号对应配重质量；
Xg'表示实际N#孔号安装配重质量；
Yg'表示实际N-1#孔号安装配重质量；
C1(Ω1)g/ips表示在转速Ω1下的振动幅值影响系数；
C1(Ω1)deg表示在转速Ω1下的振动相位影响系数；
αN-1表示N-1#孔号对应的相位角度；
αN表示N#孔号对应的相位角度；
Pred_Xg表示N#孔号对应残余振动幅值；
Pred_Xdeg表示N#孔号对应残余振动相位角度；
Pred_Yg表示N-1#孔号对应残余振动幅值；
Pred_Ydeg表示N-1#孔号对应残余振动相位角度；
Predg表示N#和N-1#综合残余振动幅值；
Preddeg表示N#和N-1#综合残余振动相位角度。
此外，本发明还提供了一种机载涡浆发动机动平衡系统，解决现有技术中无法预估实际配平方案和理论方案差异导致的残余振动结果的问题，所述系统封包括：
振动数据采集模块，用于机载发动机的健康监视单元采集发动机振动数据，并将满足预设稳态条件的所述振动数据保存在所述健康监视单元的存储器中；
桨叶数据采集模块，用于通过机载产品的硬件/软件采集桨叶数据，通过计算判定满足预设稳态条件的桨叶数据，所述桨叶数据包括桨叶转速、振动幅值和振动相位的数据；
动平衡计算模块，用于根据满足预设稳态条件的桨叶数据和发动机振动因子计算动平衡结果，显示动平衡建议方案；
残余振动计算模块，用于反向使用影响系数法评估实际平衡方案后，预估并显示发动机残余振动结果。
与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明的方法采用稳压管、比较器、可重复触发单稳态触发器等主要器件，实现了对机载计算机电源监控、上电复位等功能。即能够实现二次、三次电源故障检测，又满足上电复位和掉电复位功能，当二次、三次电源故障时可实现处理器的自动复位，避免在二次、三次电源故障情况下处理器采集、处理错误的数据信息进而引发错误输出控制。本发明设计简单、易于实现，抗干扰能力强，可以有效检测二次、三次电源故障，且能够实现上电和下电复位功能。本发明提供一种记载动平衡方案，能够根据发动机振动数据和实际配平方案，评估发动机平衡后振动，减少发动机试车次数，同时降低动平衡后振动过大风险。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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它的附图。
图1是本发明实施例提供的机载动平衡硬件示意图；
图2是本发明实施例提供的安装孔示意图；
图3是本发明实施例提供的动平衡计算流程图；
图4是本发明实施例提供的孔号与角度对应关系表；
图5是本发明实施例提供的实际配重计算示意图；
图6是本发明实施例提供的实际配重效果示意图；
图7是本发明实施例提供的动平衡效果评估/预测图；
图8是本发明实施例提供的一种机载涡浆发动机动平衡系统结构示意图。
图中附图标记：800、系统；801、振动数据采集模块；802、桨叶数据采集模块；803、动平衡计算模块；804、残余振动计算模块。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明提供的一种机载涡浆发动机动平衡方法，包括：
步骤S100：机载发动机的健康监视单元采集发动机振动数据，并将满足预设稳态条件的所述振动数据保存在所述健康监视单元的存储器中；
步骤S200：通过机载产品的硬件/软件采集桨叶数据，通过计算判定满足预设稳态条件的桨叶数据，所述桨叶数据包括桨叶转速、振动幅值和振动相位的数据；
步骤S300：根据满足预设稳态条件的桨叶数据和发动机振动因子计算动平衡结果，显示动平衡建议方案；
步骤S400：反向使用影响系数法评估实际平衡方案后，预估并显示发动机残余振动结果。
具体的，国内某型涡浆发动机，根据需要增加机载发动机健康监视单元，如图1所示，机载发动机健康监视单元是在现有涡浆发动机电子系统基础上改进的新增设备，转速和相位信号使用螺旋桨控制器的输出至远端螺旋桨控制器的转速和零相位信号，通讯接口连接发动机接口控制器获取螺旋桨控制器螺旋桨运行参数、发动机控制发动机运行参数、并发送发动机健康监控参数给飞机OMS系统，振动信号为系统新增，振动传感器连接螺旋桨本体，通过电缆连接传感器和发动机健康监视单元，通过维护接口更新发动机健康监视单元内部参数和数据下载等，由飞机向发动机健康监视单元供电。机载发动机健康监视单元包括数据处理功能、存储功能、振动采集功能、转速采集功能、桨叶零相位获取功能。
发动机健康监视单元利用“时域整周期同步平均相关法”计算振动幅值和振动相位，实时将发动机振动幅值数据发送给飞机OMS系统，将满足稳态条件的多组转速、幅值和相位数据存储在发动机健康监视单元内部。
进一步的，发动机健康监视单元根据涡浆发动机特性保存有本系列发动机对应的影响系数和动平衡调整盘螺纹孔位置，螺纹孔位置如图2所示。螺钉孔分散角度如图3所示，地面维护人员根据OMS系统检查飞行过程中发动机振动情况，结合使用维护说明书，决策是否需要进行发动机动平衡，当维护人员选择进行动平衡时，发动机健康监视单元，根据发动机在空中飞行采集到的满足发动机稳态条件的转速、振动、相位数据，利用存储的发动机动平衡影响系数，使用影响系数法，计算动平衡调整理论值，整个动平衡流程如图4所示。
结合图5，将理平衡值论动分解到实际的平衡孔位置，具体如下：
理论计算的配重矢量Γg∠Γdeg用孔N和N-1来分解，则有如下公式：
Xgcos(αN)+Ygcos(αN-1)＝Γgcos(Γdeg)
Xgsin(αN)+Ygsin(αN-1)＝Γgsin(Γdeg)
αN-1<Γdeg<αN
(1)
公式(1)中，Γg表示理论配重质量；
Γdeg表示理论配重相位角度；
B1(Ω1)ips表示在转速Ω1下的振动幅值；
B1(Ω1)deg表示在转速Ω1下的振动相位角度；
C1(Ω1)g/ips表示在转速Ω1下的振动幅值影响系数；
C1(Ω1)deg表示在转速Ω1下的振动相位影响系数。
求解方程组中的Xg、Yg：
Figure BDA0004000545260000091
/>
Figure BDA0004000545260000092
公式(2)中，其中：
Xg表示理论N#孔号对应配重质量；
Yg表示理论N-1#孔号对应配重质量；
Γg表示理论配重质量；
Γdeg表示理论配重相位角度；
αN-1表示N-1#孔号对应的相位角度；
αN表示N#孔号对应的相位角度。
实际动平衡调整和理论配重有差异，本配平方案和理论配重的差异对比如图6，实际显示配重效果计算如下：
Figure BDA0004000545260000093
Figure BDA0004000545260000094
公式(3)中，其中：
Xg'表示实际N#孔号安装配重质量；
Yg'表示实际N-1#孔号安装配重质量；
αN-1表示N-1#孔号对应的相位角度；
αN表示N#孔号对应的相位角度；
Γg'表示N#、N-1#实际配重对应的折合质量；
Γdeg'表示N#、N-1#实际配重对应的折合相位角度。
可以分别对比显示：Γg∠Γdeg,Γg′∠Γdeg′。
由于实际配平方案和理论方案的差异，结合图7，残余振动为：
Figure BDA0004000545260000101
Pred_Xdeg＝αN-C1(Ω1)deg-180°
Figure BDA0004000545260000102
Pred_Ydeg＝αN-1-C1(Ω1)deg-180° (4)
Figure BDA0004000545260000103
/>
Figure BDA0004000545260000104
公式(4)、(5)中，其中：
Xg表示理论N#孔号对应配重质量；
Yg表示理论N-1#孔号对应配重质量；
Xg'表示实际N#孔号安装配重质量；
Yg'表示实际N-1#孔号安装配重质量；
C1(Ω1)g/ips表示在转速Ω1下的振动幅值影响系数；
C1(Ω1)deg表示在转速Ω1下的振动相位影响系数；
αN-1表示N-1#孔号对应的相位角度；
αN表示N#孔号对应的相位角度；
Pred_Xg表示N#孔号对应残余振动幅值；
Pred_Xdeg表示N#孔号对应残余振动相位角度；
Pred_Yg表示N-1#孔号对应残余振动幅值；
Pred_Ydeg表示N-1#孔号对应残余振动相位角度；
Predg表示N#和N-1#综合残余振动幅值；
Preddeg表示N#和N-1#综合残余振动相位角度。
发动机健康监视单元将预计的发动机残余振动显示给地面维护人员，地面维护人员判断残余振动是否满足维护手册要求，如果满足则按照要求实际配平方案执行，不满足则重新选择动平衡方案。
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种机载涡浆发动机动平衡系统，如下面的实施例所述。由于一种机载涡浆发动机动平衡系统解决问题的原理与一种机载涡浆发动机动平衡方法相似，因此一种机载涡浆发动机动平衡系统的实施可以参见一种机载涡浆发动机动平衡方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的系统较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
如图8所示，是本发明实施例的一种机载涡浆发动机动平衡系统结构800的示意图，包括：
振动数据采集模块801，用于机载发动机的健康监视单元采集发动机振动数据，并将满足预设稳态条件的所述振动数据保存在所述健康监视单元的存储器中；
桨叶数据采集模块802，用于通过机载产品的硬件/软件采集桨叶数据，通过计算判定满足预设稳态条件的桨叶数据，所述桨叶数据包括桨叶转速、振动幅值和振动相位的数据；
动平衡计算模块803，用于根据满足预设稳态条件的桨叶数据和发动机振动因子计算动平衡结果，显示动平衡建议方案；
残余振动计算模块804，用于反向使用影响系数法评估实际平衡方案后，预估并显示发动机残余振动结果。
本发明实施例实现了如下技术效果：
本发明提供一种螺旋桨发动机桨叶在线动平衡方法和系统，针对传统的方法存在仅仅能够地面试验；无法使发动机达到发动机运行的最佳转速和气动影响；无法根据发动机配平前振动和配平方案给出发动机配平后发动机振动预估结果等问题，提出了机载动平衡方案，能够实现发动机空中振动检测和振动数据记录，地面完成计算和配平工作，保证振动参数为发动机长时间、稳定状态，最大限度减小发动机振动引发的机械疲劳和损伤，同时能够根据发动机振动数据和实际配平方案，评估发动机平衡后振动，减少发动机试车次数。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种机载涡浆发动机动平衡方法，其特征在于，包括：
机载发动机的健康监视单元采集发动机振动数据，并将满足预设稳态条件的所述振动数据保存在所述健康监视单元的存储器中；
通过机载产品的硬件/软件采集桨叶数据，通过计算判定满足所述预设稳态条件的桨叶数据，所述桨叶数据包括桨叶转速、振动幅值和振动相位的数据；
根据满足所述预设稳态条件的桨叶数据和发动机振动因子计算动平衡结果，显示动平衡建议方案；
反向使用影响系数法评估实际平衡方案后，预估并显示发动机残余振动结果。
2.根据权利要求1所述的一种机载涡浆发动机动平衡方法，其特征在于，所述健康监视单元包括数据处理单元、存储单元、振动采集单元、转速采集单元和桨叶零相位获取单元。
3.根据权利要求1所述的一种机载涡浆发动机动平衡方法，其特征在于，利用时域整周期同步平均相关法确定振动幅值和振动相位，根据发动机稳态判定条件和稳定品质系数，判定满足预设稳态条件的所述桨叶数据。
4.根据权利要求4所述的一种机载涡浆发动机动平衡方法，其特征在于，使用影响系数法结合满足预设稳态条件的所述桨叶数据，计算理论配重值，包括：
Γg＝B1(Ω1)ips*C1(Ω1)g/ips
Γdeg＝B1(Ω1)deg+C1(Ω1)deg+180°
其中：
Γg表示理论配重质量；
Γdeg表示理论配重相位角度；
B1(Ω1)ips表示在转速Ω1下的振动幅值；
B1(Ω1)deg表示在转速Ω1下的振动相位角度；
C1(Ω1)g/ips表示在转速Ω1下的振动幅值影响系数；
C1(Ω1)deg表示在转速Ω1下的振动相位影响系数。
5.根据权利要求4所述的一种机载涡浆发动机动平衡方法，其特征在于，对所述理论配重值进行分解，包括：
Figure FDA0004000545250000021
Figure FDA0004000545250000022
其中：
Xg表示理论N#孔号对应配重质量；
Yg表示理论N-1#孔号对应配重质量；
Γg表示理论配重质量；
Γdeg表示理论配重相位角度；
αN-1表示N-1#孔号对应的相位角度；
αN表示N#孔号对应的相位角度。
6.根据权利要求5所述的一种机载涡浆发动机动平衡方法，其特征在于，进行实际动平衡调整之后，实际配平方案与所述理论配重值的差异为：
Figure FDA0004000545250000023
Figure FDA0004000545250000024
其中：
Xg'表示实际N#孔号安装配重质量；
Yg'表示实际N-1#孔号安装配重质量；
αN-1表示N-1#孔号对应的相位角度；
αN表示N#孔号对应的相位角度；
Γg'表示N#、N-1#实际配重对应的折合质量；
Γdeg'表示N#、N-1#实际配重对应的折合相位角度。
7.根据权利要求6所述的一种机载涡浆发动机动平衡方法，其特征在于，实际配平方案与所述理论配重值的残余振动值为：
Figure FDA0004000545250000031
Pred_Xdeg＝αN-C1(Ω1)deg-180°
Figure FDA0004000545250000032
Pred_Ydeg＝αN-1-C1(Ω1)deg-180°
Figure FDA0004000545250000033
Figure FDA0004000545250000034
其中：
Xg表示理论N#孔号对应配重质量；
Yg表示理论N-1#孔号对应配重质量；
Xg'表示实际N#孔号安装配重质量；
Yg'表示实际N-1#孔号安装配重质量；
C1(Ω1)g/ips表示在转速Ω1下的振动幅值影响系数；
C1(Ω1)deg表示在转速Ω1下的振动相位影响系数；
αN-1表示N-1#孔号对应的相位角度；
αN表示N#孔号对应的相位角度；
Pred_Xg表示N#孔号对应残余振动幅值；
Pred_Xdeg表示N#孔号对应残余振动相位角度；
Pred_Yg表示N-1#孔号对应残余振动幅值；
Pred_Ydeg表示N-1#孔号对应残余振动相位角度；
Predg表示N#和N-1#综合残余振动幅值；
Preddeg表示N#和N-1#综合残余振动相位角度。
8.根据权利要求7所述的一种机载涡浆发动机动平衡方法，其特征在于，所述健康监视单元将所述残余振动值显示给地面维护人员，地面维护人员判断残余振动是否满足维护手册要求，如果满足则按照要求实际配平方案执行，不满足则重新选择动平衡方案。
9.一种机载涡浆发动机动平衡系统，包括：
振动数据采集模块，用于机载发动机的健康监视单元采集发动机振动数据，并将满足预设稳态条件的所述振动数据保存在所述健康监视单元的存储器中；
桨叶数据采集模块，用于通过机载产品的硬件/软件采集桨叶数据，通过计算判定满足预设稳态条件的桨叶数据，所述桨叶数据包括桨叶转速、振动幅值和振动相位的数据；
动平衡计算模块，用于根据满足预设稳态条件的桨叶数据和发动机振动因子计算动平衡结果，显示动平衡建议方案；
残余振动计算模块，用于反向使用影响系数法评估实际平衡方案后，预估并显示发动机残余振动结果。
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