基于飞参数据的航空发动机监控方法研究

2022-06-15 来源：知库网

第21卷　第2期2008年6月《燃　气　轮　机　技　术》GASTURBINETECHNOLOGYVol121　No.2

June,2008

基于飞参数据的航空发动机监控方法研究

唐昌盛,曲建岭,高　峰,于建立

(海军航空工程学院青岛分院,山东青岛　266041)

摘　要:为了充分挖掘飞参数据的应用价值,研究了利用飞参数据对发动机进行状态监控的方法。结合某型飞机飞参系统实际记录的数据进行了具体分析,论述了该方法的应用,并举出故障实例说明了应用该方法对航空发动机进行监控的可行性和必要性。研究结果对于提高发动机维护的快速性和准确性具有重要意义。关　键　词:飞参数据;航空发动机;监控

中图分类号:V26316　　　文献标识码:A　　　文章编号:1009-2889(2008)02-0018-04

　　发动机是飞机的“心脏”,是一个极为复杂的大型机电控制系统,其正常工作对保障飞机的飞行安全起着至关重要的作用。因此,对发动机进行状态监控成为工程和学术界研究的重点。传统的滑油检测技术只能监控轴承的磨损情况,反映不出气路部件的工作情况,而且该技术需要借助特殊的化验设备。飞行参数记录系统(简称飞参系统)记录了飞机飞行过程中大量的发动机工作参数,这些数据较为全面地反映了发动机各部件在空中的实时工作情况[1]。对飞参数据进行研究,为发动机状态监控提供了一种新的方法。

每一个点的横坐标表示某一个时刻记录的低压转速值,纵坐标表示由同一个时刻记录的高、低压转速值计算出的转速比值,记录的所有时刻的转速比、低压转速值都以点的形式在图中标示了出来。因此,该图十分清晰地描述了该台发动机在整个飞行过程中转速比随低压转速的变化规律,可以据此对发动机两个转子的匹配工作情况进行监控。

1　基于飞参数据的发动机监控方法

飞参系统记录的每个参数的正常工作值都有上、下限,如果记录的某些数据超出正常值范围,说明相应的某个部件可能发生故障,维护中必须对其进行仔细检查。在对发动机进行的监控中,对单个参数超限值的分析是十分重要的部分,目前已有相关的飞参判据投入应用[2]。本文力图进行更加深入的研究,对参数间相互变化关系及其反映出的发动机性能变化趋势进行探索。

111转速比随低压转速的变化规律监控

图1　转速比-低压转速变化关系的监控

　　对图1进行分析可见,该台发动机的转速

比随低压转速的增大而平稳地下降,所有点的分布以一条曲线为中心,其实际变化规律与理论上的变化规律曲线基本一致。对于同一个低压转速值,转速比的波动范围小于0105,无异常突起的区域,各个点表示的转速比、低压转速数值大小也在维护规

利用某型飞机飞参系统记录的飞行中的高压转速n2、低压转速n1,可以作出如图1所示的转速比

S(n2/n1),随低压转速n1的变化规律图。图中的

Ξ收稿日期:2007211205　改稿日期:2007-12-27

第2期基于飞参数据的航空发动机监控方法研究

程规定范围内,说明该台发动机双转子之间工作匹配良好。若一架飞机某次飞行后的转速比分布图中出现如下不正常现象,则表明发动机转子部件出现故障。

a)变化趋势异常,局部出现转速比随低压转速的增大而增大;

b)变化趋势正常,但分布范围太宽;

c)分布区域有异常突起部分,严重偏离变化规律曲线;

d)转速比的数值偏大或偏小。

这就表明发动机双转子系统的匹配工作发生异常,应该提醒地勤人员加强对发动机转子系统的检查,并与其它相关信息结合起来进行故障诊断。特别需要注意的是,当发动机进口气流发生畸变时,极可能会导致旋转失速或喘振,这时,双转子发动机能够通过自动调整两个转子的转速来防止失速或喘振的发生,转速比将会发生较为明显的异常变化,其原因分析如下:

当发动机中出现了前喘后堵或者前堵后喘时,发动机容易进入失速和喘振状态。前一种情况下,压气机前“重”后“轻”,而低压涡轮的作功能力将大大下降,高压涡轮的作功能力却无明显下降,从而使得低压压气机转速自动下降,由速度三角形可知,低压压气机进口攻角减小,而高压压气机转速自动上升,使得压气机退出前喘后堵的状态,因而不会发生喘振。后一种情况下,低压压气机转速自动上升,而高压压气机转速自动下降,使得压气机退出前堵后喘的状态[3]。因此,如果在稳态情况下,发动机的转速比在某一段时间内偏离了正常值范围,显著增大或者减小,之后又恢复正常,则表明发动机可能发生过短暂的旋转失速或者喘振。旋转失速或者喘振都会使压气机性能急剧下降,而且会产生强度大而危险的激振力,极易导致叶片的断裂,所以,这时应该提醒维护人员加强对叶片的检查,防止叶片出现裂纹导致安全事故。如果转速比长期偏离正常值范围,则可能是因为进口导流叶片发生了变形,转速自动调整以保持双转子工作的匹配,所以,这时也应该加强对进口导流叶片的检查。

112排气温度随换算转速的变化规律监控

发动机。因此,对其进行准确的监控是很必要的。

利用某型机记录飞参数据中发动机的排气温度

T5、低压转速n1、指示空速V、气压高度H、根据公

式

　x=101.325×(1+1.3326×10-7H2)315-1y=101.325×(1-2.25577×10Ma=

x5×1+

0.5

-5

5.255879

-5

T2=(303.15-0.0065V)(1+0.2Ma

n1cor=n1×

288T2

(1)

求出低压换算转速n1cor可以作出如图2所示的排气温度T5随低压换算转速n1cor的变化规律图。图中的每一个点的横坐标表示某一个时刻的低压换算转速值,纵坐标表示同一个时刻的排气温度值,记录的所有时刻的低压换算转速、排气温度值都以点的形式在图中标示了出来。因此,该图十分清晰地描述了该台发动机在整个飞行过程中排气温度随换算转速的变化规律,可以据此对发动机的气路参数进行监控。

图2　排气温度-低压换算转速变化关系的监控

对图2进行分析,从总体上看,该台发动机的排气温度随换算转速的增大而平稳地升高,所有点的分布以一条曲线为中心,其实际变化规律与理论上的变化规律曲线基本一致。对于同一个换算转速值,排气温度值的波动范围小于100℃,各个点表示的排气温度、换算转速数值大小也在维护规程规定范围内,无超温现象,说明该台发动机气路部件工作匹配良好。

若一架飞机某次飞行后的排气温度-低压换算转速关系图中出现如下不正常现象,则表明发动机

对排气温度与换算转速的关系进行监控,能够准确无误地监控到涡轮后加力燃烧室内的不稳定燃烧现象,如爆燃。这类难以控制的异常燃烧通常能导致发动机超温、超转,甚至会烧坏叶片,严重损坏

燃气轮机技术第21卷　

气路部件出现故障。

a)排气温度高、转速低的现象,表明涡轮做功效率低;

b)超温、超转现象;

c)对于同一个换算转速值,排气温度值的波动范围大于100℃。

发动机燃烧室或者加力燃烧室的爆燃引起的局部过热通常能导致一些部件被烧伤甚至产生裂纹,严重危害飞行安全。例如:某年1月18日晚,某部一架飞机在夜间试车打加力时,在尾喷口后方观察到有局部火舌喷出,第二天检查加力燃烧室时发现有两个加力喷嘴变形并且产生裂纹,分析认为这是由于试车时发生了不稳定燃烧造成的[4]。假设这种不稳定燃烧发生在空中,可能会在以后的飞行中导致严重事故。如果该机当时装备了飞参记录系统,那么,通过监控排气温度随换算转速的变化关系,就肯定能在飞行后监控到这种不稳定燃烧,及时地提醒地勤人员仔细检查相关部件,有效地防止严重故障的发生。

1.3换算转速随油门位置的变化规律监控

油门位置与换算转速的关系能够反映出发动机操纵系统和燃油系统的故障情况。当油门操纵杆的调节螺母松动导致传动杆长度变化,或者燃油管路中的某个部件发生故障时,都能够通过油门位置与换算转速的关系反映出来。

利用某型机记录飞参数据中发动机的油门手柄位置Ys、低压转速n1、指示空速V、气压高度H,根据公式(1)求出低压换算转速,可以作出如图3所示的低压换算转速随油门手柄位置的变化规律图。图中的每一个点的横坐标表示某一时刻记录的油门手柄位置值,纵坐标表示同一时刻的低压换算转速值,记录的所有时刻的油门手柄位置、低压换算转速值都以点的形式在图中标示了出来。因此,该图十分清晰地描述了该台发动机在整个飞行过程中换算转速随油门位置的变化规律,可以据此对发动机操纵和燃油系统的工作情况进行监控。

对图3进行分析,可看出发动机起动过程、加速动态过程、稳态过程和收油门停车后转速随油门位置的变化情况:起动过程中转速平稳地上升到慢车转速:在加速动态过程中,转速也是平稳地上升;稳态过程中转速随油门位置的变化与理论上的稳态变化规律曲线吻合较好,各个点表示的转速、油门手柄位置数值大小也在维护规程规定范围内。综合分析

图3　低压转速-油门位置变化关系的监控各种情况,认为该台发动机操纵系统工作状态良好。

如果利用一架飞机某次飞行记录的飞参数据作出的低压转速-油门位置变化规律图中出现如下异常现象时,就可以据此判断操纵或燃油系统可能发生故障。

a)油门手柄位置对应的低压转速值大于或小于规定值;

b)变化趋势异常;

c)变化趋势和具体数值正常,但所有数据点在

中心线两侧分布范围太大;

d)起动过程、加速动态过程转速变化异常。

当燃油管路中的某个部件发生故障时,转速将会出现异常变化。例如:某年6月3日,某部某架飞机飞行着陆后,飞行员反映发动机空中油门最大状态时转速上不去,慢推油门到最大状态,低压转速为95%,快推油门则为92%～93%。地面检查后发现,

燃油系统的液压延迟器活塞胶圈磨损造成燃油流量减小,导致最大转速降低[4]。如果该机当时装备了飞参记录系统,那么,该故障通过监控转速随油门手柄位置的变化规律就能很清楚地反映出来,而且,由于磨损故障是渐变类故障,用该方法甚至能在飞行员尚未注意到时,提前监控到燃油流量变小、转速降低的异常现象,提醒地勤人员对该系统进行检查,发现并排除故障,防止故障发生在空中。1.4滑油压力随高压转速的变化规律监控

滑油压力随高压转速的变化关系能够反映出发动机滑油系统的故障情况。滑油系统能够对发动机高速转动部件进行润滑和冷却,减小轴承的摩擦力并带走部分摩擦产生的热量,使之能够在合适的温度下长时间稳定地工作。转子转速越大,摩擦产生

第2期基于飞参数据的航空发动机监控方法研究

的热量就越多,就要求滑油更快地循环流动,及时地带走热量,因而滑油压力就应该越大。所以在发动机工作正常的情况下,滑油压力将会随转速的增大而增大。当滑油泵出现故障、滑油油量不足或者管路出现堵塞时,滑油压力的变化就会出现异常。因而通过对滑油压力随转速变化关系的监控,可以及时地发现滑油系统的异常情况。

利用某型机记录飞参数据中发动机的高压转速

n2、滑油压力Ph可以作出如图4所示的滑油压力随

这些都表明发动机滑油系统的可能发生故障,

应该提醒地勤人员加强对该系统的检查,并与其它相关信息结合起来进行故障诊断。

例如:某年6月12日,某型机飞行着陆时,当低压转速在70%时,飞行员听到不正常声音,同时看到滑油压力警告灯亮,滑油压力下降到1kg/cm2,最终查明故障原因是转子轴承、传动齿轮损伤,空气进入滑油管路导致“气塞”现象,使压力降低[4]。假设该故障发生在空中,将导致严重后果。专家事后分析认为:该故障可能在该次飞行过程中甚至更早的飞行中就已经以滑油压力摆动表现出来了,但飞行员在空中需要关注很多的情况,容易放松对仪表的注意,因而未能发现该故障征兆。由于轴承、齿轮的损伤是一个渐变的过程,如果该机装备了飞参记录系统,那么,通过监控滑油压力随转速的变化关系,就可能会提前监控到滑油压力摆动、滑油压力变小等异常情况,及早地检查排除故障,有效地防止严重故障的发生。

高压转速的变化规律图。图中的每一个点的横坐标表示某一时刻记录的高压转速值,纵坐标表示同一时刻记录的滑油压力值,记录的所有时刻的滑油压力、高压转速值都以点的形式在图中标示了出来。因此,该图十分清晰地描述了该台发动机在整个飞行过程中滑油压力随转速的变化规律,可以据此对发动机滑油系统的工作情况进行监控。2　结论

(1)利用飞参数据对发动机进行监控是一种很

有实用价值的方法。通过以上的研究可以看到,从转速比随低压转速的变化规律、排气温度随换算转速的变化规律、换算转速随油门位置的变化规律、滑油压力随高压转速的变化规律四个方面进行分析,能够对发动机相关部件在空中的工作情况进行监控,及时地诊断和预测可能出现的故障,并提醒地勤人员对发动机进行检查和维护,从而最大限度地保证飞行安全。

(2)由于某型飞机直到近年才加装了飞参记录系统,尚无典型的故障数据,因此本文在故障分析中,只列举了几个典型故障进行了理论分析,不能用飞参数据对分析结论验证,但这仍然能在一定程度上体现出飞参数据的应用价值,且能为飞参记录系统的加装和数据的采集提供必要的依据。

(3)在每一架次飞行着陆后,飞参工作人员卸载下飞参原始数据并在飞参室进行地面处理,利用处理后的数据就可进行发动机监控。因此,这种监控方法的明显优势在于及时性和方便性,采用该方法对发动机进行监控,对提高飞机维护的快速性和准确性具有十分重要的意义。

(下转第27页)

图4　滑油压力-高压转速变化关系的监控

对图4进行分析可见,起动过程中,两者近似成线性关系,转速较低时,滑油压力随转速的增大而增大,当高压转速达到70%以后,滑油压力值维持在3.2kg/cm2左右(约0132MPa),只有小幅波动。图中,不论是变化规律还是具体的压力值都符合规定,因此,该发动机的滑油系统在本次飞行中工作良好。

如果利用一架飞机某次飞行记录的飞参数据作出的滑油压力-高压转速变化规律图中出现如下异常现象时,就可以据此判断滑油系统可能发生故障。

a)滑油压力值超过规定范围,大于或小于规定值;

b)变化趋势异常;

c)变化趋势和具体数值正常,但所有数据点在

中心线两侧分布范围太大,说明滑油压力摆动太大。

第2期透平静叶的多参数气动优化设计方法

Multi-parameteraerodynamicoptimizationmethodfor

a3Dturbinestatorblades

WANGXiu-zhuo1,2,XUYan-ji1,CHENNai-xing1

(1.InstituteofEngineeringThermophysics,CAS,Beijing100080,China;2.PostgraduateInstituteofCAS,Beijing100080,China)Abstract:Inthepresentpaperanovelaerodynamicoptimizationmethodologyisusedhereinforsolvingmulti-parameteroptimizationproblemofturbinestatorbladesThismethodisbasedonthebladeparameterization,3Dbladeandgridgeneration,N.S.numericalsimulation(FLUENTsolver)andresponsesufacemethod.

Byusingthepresentparameterizationmethodtheoriginalbladewasrebuiltandexpressedbydesignparameters.Afterchangingthedesignparametersandusingthe3Dbladeandgridgeneratorwecouldobtainasetofdifferentblades.AN.S.solverwasappliedtocreateanumberofsamplesfortheblaedoptimization.Finallyusingoptimizationmethodthenewlyoptimizedbladeandtheirdesignparameterswhichsatisfythegivenrequirementwereobtained.

Keywords:turbine;aerodynamicoptimization;parameterization;blade;design(上接第21页)

参考文献:

[1]李万泉.某型飞机飞参记录系统培训教材[M].青岛:海军航空工

青岛分院,2006.

[3]彭泽琰,刘刚.航空燃气轮机原理[M].北京:国防工业出版社,2000.

[4]徐风磊,蔡娜.发动机典型故障案例分析[M].青岛:海军航空工

程学院青岛分院,2006.

[2]曲建岭.某型飞机飞参判据研究及应用[R].海军航空工程学院

程学院青岛分院,2006.

Theresearchonsurveillanceandcontrolofaeroengineswithflightdata

TANGChang-sheng,QUJian-ling,GAOFeng,YUJian-li

(NavalAeronauticalEngineeringAcademyQingdaoBranch,Qingdao,266041,China)

Abstract:Inordertodevelopetheapplicationvalueofflightdataadequately,amethodofconditionsurveillanceandcontrolofaeroengineswithflightdatawasstudied.Theapplicationofthemethodinpracticewasstudiedandanalyzedconcretelywithpracticalflightdatarecordedbythe

FlightDataRecorderofaplane,furthermore,thefeasibilityandnecessitythatthemethodshouldbeapplyedinsurveillanceandcontrolofaero2engineswasexplainedwithactualfaultsforexample.Theresultsoftheresearchcanbeveryimportantinimprovingspeedinessandveracityofmaintenanceofaeroengines.

Keywords:FlighteData;Aeroengine;SurveillanceandControl

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