對航空渦輪軸發動機性能監測技術探索

張浙波

摘 要：隨著航空技術的不斷進步，航空發動機的性能監測備受重視。由于現代航空發動機結構錯綜復雜，工作狀態不穩定，為了保障其穩定的工作，提高飛行的安全性，對航空渦輪軸發動機性能監測進行探索是非常必要的。本文分析了航空渦輪軸發動機部件參數對性能的影響，建立了大偏差變量模型并對其應用誤差補償技術，提高發動機的運行精度；同時，針對發動機的性能退化進行預測與評估，提升航空渦輪軸發動機性能監測技術水平。

關鍵詞：航空發動機；性能；精度；安全性

近年來，發動機故障診斷方法層出不窮，性能監測技術也在穩步發展，而健康管理系統是判斷發動機性能的重要手段。發動機健康管理系統主要包括發動機的數據管理、壽命分析、故障診斷與健康狀況分析，可以實現對發動機的機械系統與氣動熱力系統的同時監測與診斷分析，不僅節約了維修保障費用，而且提高了工作效率與安全性。航空渦輪軸發動機性能監測技術的探索對提高發動機的工作效率有著積極意義。

一、分析發動機部件參數對性能的影響

1）總壓比對性能的影響。總壓比對發動機的耗油率有著直接的影響作用，主要體現在發動機的耗油率跟總壓比呈反比，也就是總壓比越高越好，耗油率就會有所降低，大大減少了發動機的運行成本。但是，當總壓比較高時，對發動機的要求就會越高，也就是生產成本就會越高。就目前所使用的渦輪軸發動機而言，總壓比普遍較低，在結構上限制了總壓比的提高，而且，壓氣機設計技術不合理，也會導致發動機的高耗油率。當燃氣渦輪進口溫度保持不變時，總壓比的變化還會改變發動機的輸出功率，隨著總壓比增加，輸出功率呈開口向下的拋物線變化趨勢，因此，存在一個最優總壓比使得輸出功率最大，發動機性能達到最強。

2）燃氣渦輪進口溫度對性能的影響。航空渦輪軸發動機的燃氣渦輪進口溫度也是判斷發動機性能的重要因素。燃氣渦輪進口溫度對耗油率基本沒有影響，但是可以很大程度上改變發動機的輸出功率，基本呈線性增長趨勢。溫度低會使得發動機的輸出功率低，這會使得發動機的迎風面積增加，發動機不斷增重，導致發動機的功率質量比與單位流量功率降低，使得發動機的性能大大降低，也會影響發動機的壽命，加速發動機性能的退化。

3）其他影響因素。除了以上影響因素外，發動機的部件效率也是判斷發動機的性能的重要參數，渦輪軸發動機的性能隨著發動機部件效率的降低而減弱。目前，比如燃燒室總壓恢復系數、部件機械效率、進氣道與渦輪之間連接管道總壓恢復系數對發動機性能的影響雖然也不小，但是這些因素都是由發動機設備本身決定的，基本上已經達到較高水平，因此，在進行性能監測時基本上不予分析這些因素。而壓氣機與燃氣渦輪的等熵效率以及渦輪工作效率等也是發動機性能的重要影響因素，在監測技術中也是重要的參數，對發動機性能分析有著重要作用。

二、大偏差變量模型的建立與誤差補償技術

（一）大偏差變量模型建立

大偏差變量模型的建立是基于描述發動機在某一個動作點附近的狀態變化，體現發動機是呈非線性的特性，利用狀態變量模型來代替非線性模型，從而描述相對應工作狀態下的小偏差運動，并且與穩態基點模型進行適當的組合，便可描述發動機過渡態的加、減速運動。在建立過程中，因為發動機的工作狀態是不斷變化的。所以，在建模時，應以某個參數作為索引值，從而得到相對應的狀態變量模型以及穩態基點，具體的建立方法可以用插值法或擬合法。

（二）對大偏差變量模型的建模誤差的補償

穩態基點模型與非線性模型之間雖然不存在建模誤差，但是發動機與非線性模型、穩態基點模型與發動機之間都存在一定的建模誤差，這會導致發動機制造與安裝使得同一型號各臺發動機間的工作特性產生差異，也會導致所建立的狀態變量模型與真實發動機之間不匹配，從而影響健康參數數據的準確性，影響發動機性能的判斷。因此，必須對發動機大偏差變量模型進行誤差補償。

目前，普遍采用的是神經網絡補償功能進行誤差補償。利用神經網絡建立建模誤差補償機制，可有效提高航空渦輪軸發動機大偏差變量模型的精度，從根本上降低了模型與發動機之間的建模誤差導致的故障診斷誤診的發生率，為航空渦輪軸發動機故障診斷和性能監測分析奠定了基礎。

三、發動機性能退化的預測及評估

發動機性能退化主要包括三方面部件的性能退化，分別是渦輪、壓氣機以及燃燒室，對發動機性能退化的預測與評估可以從這三方面部件進行分析。

1）渦輪。渦輪性能退化主要體現在導向器泄漏、葉尖間隙增大以及葉片型面磨光退化等方面，通過分析這些現象，預測出渦輪性能退化，從而及時的采取相應的解決措施，防止出現故障。導致渦輪性能退化的原因有很多，其中最主要的就是積垢堆積以及腐蝕。積垢的主要來源有灰塵的積淀以及燃燒殘留物的堆積，因此，可以根據積垢的堆積程度評估其性能退化程度。

2）壓氣機。壓氣機性能退化的主要原因與渦輪相似，但其主要體現在葉片型面發生變化，同時灰塵積淀也會使得機匣偏離，而燃油流路減小，使得壓氣機的效率不高。砂石之間的摩擦以及海水蒸汽對導向器的燒蝕，使得壓氣機的葉片松動，流路破裂，也會在很大程度上降低壓氣機的工作效率。

3）燃燒室。燃燒室的性能退化主要體現在燃料燃燒的程度以及燃燒室的燃燒情況。經過一定設計的燃燒室的燃燒效率是可以保持不變的，但是燃料的改變也會改變燃燒室的性能，對燃燒室的性能退化有著密不可分的關系。

四、結語

總而言之，航空渦輪軸發動機的性能監測技術對航空技術的進步有著重要意義，是提高飛行效率與安全性的重要基礎與保障。通過對發動機部件參數對性能影響的分析，提高航空渦輪軸發動機性能監測水平，確保其安全穩定運行。目前，航空發動機多為渦輪燃氣發動機，其結構復雜，工作狀態惡劣且多變，屬于故障多發系統，應用性能監測技術為發動機的健康穩定提供了保障，提高了飛行的安全性，降低了發動機的運行成本與維護費用，促進了航空事業的穩步發展。

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