对航空涡轮轴发动机性能监测技术探索

摘 要：随着航空技术的不断进步，航空发动机的性能监测备受重视。由于现代航空发动机结构错综复杂，工作状态不稳定，为了保障其稳定的工作，提高飞行的安全性，对航空涡轮轴发动机性能监测进行探索是非常必要的。本文分析了航空涡轮轴发动机部件参数对性能的影响，建立了大偏差变量模型并对其应用误差补偿技术，提高发动机的运行精度；同时，针对发动机的性能退化进行预测与评估，提升航空涡轮轴发动机性能监测技术水平。

关键词：航空发动机；性能；精度；安全性

近年来，发动机故障诊断方法层出不穷，性能监测技术也在稳步发展，而健康管理系统是判断发动机性能的重要手段。发动机健康管理系统主要包括发动机的数据管理、寿命分析、故障诊断与健康状况分析，可以实现对发动机的机械系统与气动热力系统的同时监测与诊断分析，不仅节约了维修保障费用，而且提高了工作效率与安全性。航空涡轮轴发动机性能监测技术的探索对提高发动机的工作效率有着积极意义。

一、分析发动机部件参数对性能的影响

1）总压比对性能的影响。总压比对发动机的耗油率有着直接的影响作用，主要体现在发动机的耗油率跟总压比呈反比，也就是总压比越高越好，耗油率就会有所降低，大大减少了发动机的运行成本。但是，当总压比较高时，对发动机的要求就会越高，也就是生产成本就会越高。就目前所使用的涡轮轴发动机而言，总压比普遍较低，在结构上限制了总压比的提高，而且，压气机设计技术不合理，也会导致发动机的高耗油率。当燃气涡轮进口温度保持不变时，总压比的变化还会改变发动机的输出功率，随着总压比增加，输出功率呈开口向下的抛物线变化趋势，因此，存在一个最优总压比使得输出功率最大，发动机性能达到最强。

2）燃气涡轮进口温度对性能的影响。航空涡轮轴发动机的燃气涡轮进口温度也是判断发动机性能的重要因素。燃气涡轮进口温度对耗油率基本没有影响，但是可以很大程度上改变发动机的输出功率，基本呈线性增长趋势。温度低会使得发动机的输出功率低，这会使得发动机的迎风面积增加，发动机不断增重，导致发动机的功率质量比与单位流量功率降低，使得发动机的性能大大降低，也会影响发动机的寿命，加速发动机性能的退化。

3）其他影响因素。除了以上影响因素外，发动机的部件效率也是判断发动机的性能的重要参数，涡轮轴发动机的性能随着发动机部件效率的降低而减弱。目前，比如燃烧室总压恢复系数、部件机械效率、进气道与涡轮之间连接管道总压恢复系数对发动机性能的影响虽然也不小，但是这些因素都是由发动机设备本身决定的，基本上已经达到较高水平，因此，在进行性能监测时基本上不予分析这些因素。而压气机与燃气涡轮的等熵效率以及涡轮工作效率等也是发动机性能的重要影响因素，在监测技术中也是重要的参数，对发动机性能分析有着重要作用。

二、大偏差变量模型的建立与误差补偿技术

（一）大偏差变量模型建立

大偏差变量模型的建立是基于描述发动机在某一个动作点附近的状态变化，体现发动机是呈非线性的特性，利用状态变量模型来代替非线性模型，从而描述相对应工作状态下的小偏差运动，并且与稳态基点模型进行适当的组合，便可描述发动机过渡态的加、减速运动。在建立过程中，因为发动机的工作状态是不断变化的。所以，在建模时，应以某个参数作为索引值，从而得到相对应的状态变量模型以及稳态基点，具体的建立方法可以用插值法或拟合法。

（二）对大偏差变量模型的建模误差的补偿

稳态基点模型与非线性模型之间虽然不存在建模误差，但是发动机与非线性模型、稳态基点模型与发动机之间都存在一定的建模误差，这会导致发动机制造与安装使得同一型号各台发动机间的工作特性产生差异，也会导致所建立的状态变量模型与真实发动机之间不匹配，从而影响健康参数数据的准确性，影响发动机性能的判断。因此，必须对发动机大偏差变量模型进行误差补偿。

目前，普遍采用的是神经网络补偿功能进行误差补偿。利用神经网络建立建模误差补偿机制，可有效提高航空涡轮轴发动机大偏差变量模型的精度，从根本上降低了模型与发动机之间的建模误差导致的故障诊断误诊的发生率，为航空涡轮轴发动机故障诊断和性能监测分析奠定了基础。

三、发动机性能退化的预测及评估

发动机性能退化主要包括三方面部件的性能退化，分别是涡轮、压气机以及燃烧室，对发动机性能退化的预测与评估可以从这三方面部件进行分析。

1）涡轮。涡轮性能退化主要体现在导向器泄漏、叶尖间隙增大以及叶片型面磨光退化等方面，通过分析这些现象，预测出涡轮性能退化，从而及时的采取相应的解决措施，防止出现故障。导致涡轮性能退化的原因有很多，其中最主要的就是积垢堆积以及腐蚀。积垢的主要来源有灰尘的积淀以及燃烧残留物的堆积，因此，可以根据积垢的堆积程度评估其性能退化程度。

2）压气机。压气机性能退化的主要原因与涡轮相似，但其主要体现在叶片型面发生变化，同时灰尘积淀也会使得机匣偏离，而燃油流路减小，使得压气机的效率不高。砂石之间的摩擦以及海水蒸汽对导向器的烧蚀，使得压气机的叶片松动，流路破裂，也会在很大程度上降低压气机的工作效率。

3）燃烧室。燃烧室的性能退化主要体现在燃料燃烧的程度以及燃烧室的燃烧情况。经过一定设计的燃烧室的燃烧效率是可以保持不变的，但是燃料的改变也会改变燃烧室的性能，对燃烧室的性能退化有着密不可分的关系。

四、结语

总而言之，航空涡轮轴发动机的性能监测技术对航空技术的进步有着重要意义，是提高飞行效率与安全性的重要基础与保障。通过对发动机部件参数对性能影响的分析，提高航空涡轮轴发动机性能监测水平，确保其安全稳定运行。目前，航空发动机多为涡轮燃气发动机，其结构复杂，工作状态恶劣且多变，属于故障多发系统，应用性能监测技术为发动机的健康稳定提供了保障，提高了飞行的安全性，降低了发动机的运行成本与维护费用，促进了航空事业的稳步发展。

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