一种判断航空发动机起动过程出现失速的方法与流程

本发明涉及航空发动机技术领域，特别是涉及一种判断航空发动机起动过程出现失速的方法。

背景技术：

发动机起动过程中，失速是导致发动机起动失败的一种典型问题。出现失速时，压气机出口压力降低，发动机排气温度迅速升高导致起动失败。早期发动机采用机械液压系统控制时，不具备采用复杂算法对其进行检测和控制的条件。发动机采用数字控制系统后，能够实现复杂算法的计算和控制，但是难点是通过什么样的方法或模型检测出发动机失速现象。

目前，在数字控制系统中针对失速过程排气温度迅速升高的现象，设计出一种通过单位时间内温度变化量与转速变化的比值(△T₆/△n₂)的方法判断发动机失速现象。该方法在一定程度上能够判断出发动机的失速，特别是针对没有辅助动力的起动和起动过程的深度失速。但其缺点也较明显，主要表现在起动过程中，当辅助动力工作时，该方法无法检测出发动机的浅度失速，容易导致发动机起动失败，该方法的灵敏性相对较差。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种判断航空发动机起动过程出现失速的方法来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种判断航空发动机起动过程出现失速的方法，所述判断航空发动机起动过程出现失速的方法包括以下步骤：

步骤1：获得发动机正常起动时压气机出口压力的多个数据以及起动过程出现失速时压气机出口压力的多个数据，按照相似原理将数据换算至标准大气条件下，绘制换算转速和换算压力图；

步骤2：确定初始转速和单位转速，对正常起动和失速的起动情况下每个转速点的压气机出口压力变化斜率进行线性回归拟合，其中每个转速点定义为初始转速+i*单位转速，i≥1；

步骤3：对初始转速和每个转速点正常起动和出现失速起动时的压气机出口压力进行加权平均，确定初始转速和每个转速点的压气机出口压力加权平均值，根据压气机出口压力加权平均值生成压气机出口压力变化斜率的判断阈值；

步骤4：在每个转速点，判断该转速下实际压气机出口压力变化斜率是否小于所述判断阈值，若是，则认为发动机出现失速；若否，则认为发动机未出现失速。

优选地，所述步骤1具体为：通过试验或计算的方法，获得发动机正常起动时压气机出口压力P₃₁的数据以及起动过程出现失速时压气机出口压力P₃₁的数据，按照相似原理通过公式：

P_31R＝P₃₁*101.325/P₁，n_2R＝n₂*sqrt(288.15/(T₁+273.15))将压力数据换算至标准大气条件下，并绘制换算转速和换算压力图；

其中，P₃₁为压气机出口压力；P₁为发动机进口总压；T₁为发动机进口温度；P_31R为按相似原理修正后的压气机出口压力；n₂为高压物理转速；n_2R为高压换算转速。

优选地，所述步骤2具体为:选定初始转速和单位转速，对正常起动和失速的起动情况下每个转速点的按相似原理修正后压气机出口压力变化斜率进行线性回归拟合；拟合的初始转速点为发动机点火转速减去△n_2R*1/2，单位转速△n_2R的取值范围为3％～6％。

优选地，所述步骤3具体为：选取初始转速和每个转速点下正常起动和失速起动下的压气机出口压力值P_31R进行加权平均，并定义如下：正常起动下的P_31R为P_31R－a；失速起动下的P_31R为P_31R－c；加权平均后的P_31R为P_31R－b；

通过如下公式：

P_31R－b＝(P_31R－a+P_31R－c)/2*R；继而对每个转速点下加权平均后的压气机出口压力P_31R－b的变化斜率进行线性回归拟合从而获得所述判断阈值；其中，

R为权重，取值范围0.8～1.2。

优选地，所述步骤2、步骤3中压气机出口压力变化斜率线性回归拟合方法如下：

P_31斜率＝(P_31R-i-P_31R-(i-1))/(n_2R-i-n_2R-(i-1))；其中，i＝1时P_31R、n_2R为初始转速下的压气机出口压力和换算转速，P_31R-1、n_2R-1为初始转速+1*△n_2R下的压气机出口压力和换算转速，此时的P_31斜率为初始转速+1*△n_2R下线性回归拟合后斜率，后续转速点依次类推。

优选地，所述步骤4具体为：起动过程中，首次n_2R≥初始转速时记录n_2R-_初始转速、P_{31-初始转速}数值作为该转速下对应的数值；之后当首次n_2R≥初始转速+1*△n_2R时记录n_{2R-初始转速+△n2R}、P_{31-初始转速+△n2R}数值，n_{2R-初始转速+△n2R}和P_{31-初始转速+△n2R}的作为该转速下对应的数值，按权利要求5中的计算方法计算P_31斜率；判断n_2R＝初始转速+△n_2R时的P_31斜率是否小于判断阈值，若是，则认为发动机失速；后续转速点按此方法依次计算对i与(i-1)点之间的P_31斜率并进行判断，从而判断是否失速。

优选地，所述步骤1中的获得发动机正常起动时压气机出口压力的多个数据包括压气机出口压力P₃₁,进气温度T₁、进气压力P₁、高压物理转速n₂；

所述起动过程出现失速时压气机出口压力的多个数据包括压气机出口压力P₃₁,进气温度T₁、进气压力P₁、高压物理转速n₂。

本申请的判断航空发动机起动过程出现失速的方法是针对发动机起动失速过程的另一特征——压气机出口压力降低来进行设计，其理论上的优点是一旦失速即可辨别出。本申请的主要特点是通过发动机控制用的普通压力传感器采集压力信号，然后依据本申请的判断航空发动机起动过程出现失速的方法检测失速。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的判断航空发动机起动过程出现失速的方法的流程示意图。

图2是图1所示的判断航空发动机起动过程出现失速的方法的换算转速和换算压力示意图。

图3是图1方法所示的每个转速点正常起动、失速起动和加权平均后压气机出口压力变化斜率拟合结果示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

图1是根据本发明一实施例的判断航空发动机起动过程出现失速的方法的流程示意图。图2是图1所示的判断航空发动机起动过程出现失速的方法的换算转速和换算压力示意图。图3是图1方法所示的每个转速点正常起动、失速起动和加权平均后压气机出口压力变化斜率拟合结果示意图。

如图1所示的判断航空发动机起动过程出现失速的方法包括以下步骤：

步骤1：获得发动机正常起动时压气机出口压力的数据以及起动过程出现失速时压气机出口压力的数据，按照相似原理将数据换算至标准大气条件下，绘制换算转速和换算压力图；

步骤2：根据所述步骤1中获得的转速和换算压力关系，确定初始转速和单位转速，对正常起动和失速的起动情况下每个转速点的压气机出口压力变化斜率进行线性回归拟合，其中每个转速点定义为初始转速+i*单位转速，i≥1；

步骤3：根据所述步骤2中的确定的初始转速和单位转速，对初始转速和每个转速点正常起动和出现失速起动时的压气机出口压力进行加权平均，确定初始转速和每个转速点的压气机出口压力加权平均值，根据压气机出口压力加权平均值生成压气机出口压力变化斜率的判断阈值；

步骤4：在每个转速点，判断该转速下实际压气机出口压力变化斜率是否小于所述判断阈值，若是，则认为发动机出现失速；若否，则认为发动机未出现失速。

参见图1及图2，在本实施例中，步骤1具体为：通过试验或计算的方法，获得发动机正常起动时压气机出口压力P₃₁的数据以及起动过程出现失速时压气机出口压力P₃₁的数据，按照相似原理通过公式：

P_31R＝P₃₁*101.325/P₁，n_2R＝n₂*sqrt(288.15/(T₁+273.15))将压力数据换算至标准大气条件下，并绘制换算转速和换算压力图(图2)；

其中，P₃₁为压气机出口压力；P₁为发动机进口总压；T₁为发动机进口温度；P_31R为按相似原理修正后的压气机出口压力；n₂为高压物理转速；n_2R为高压换算转速。

在本实施例中，步骤2具体为:拟合的初始转速点为发动机点火转速减去△n_2R*1/2，单位转速△n_2R的取值范围为3％～6％，对每个转速点的压气机出口压力P_31R变化斜率进行线性回归拟合。

在本实施例中，所述步骤3具体为：选取初始转速和每个转速点正常起动和出现失速起动时的压气机出口压力进行加权平均，并定义如下：正常起动下的P_31R为P_31R－a；失速起动下的P_31R为P_31R－c；加权平均后的P_31R为P_31R－b；

通过如下公式：

P_31R－b＝(P_31R－a+P_31R－c)/2*R；继而对每个转速下加权平均后的压气机出口压力P_31R－b的变化斜率进行线性回归拟合从而获得所述判断阈值；其中，

R为权重，取值范围0.8～1.2。

优选地，所述步骤2、步骤3中压气机出口压力变化斜率线性回归拟合方法如下：

P_31斜率＝(P_31R-i-P_31R-(i-1))/(n_2R-i-n_2R-(i-1))；其中，i＝1时P_31R、n_2R为初始转速下的压气机出口压力和换算转速，P_31R-1、n_2R-1为初始转速+1*△n_2R下的压气机出口压力和换算转速，此时的P_31斜率为初始转速+1*△n_2R下线性回归拟合后斜率，后续转速点依次类推。

在本实施例中，所述步骤4具体为：起动过程中，首次n_2R≥初始转速时记录n_{2R-初始转速}、P_{31-初始转速}数值作为该转速下对应的数值；之后当首次n_2R≥初始转速+1*△n_2R时记录n_{2R-初始转速+△n2R}、P_{31-初始转速+△n2R}数值，n_{2R-初始转速+△n2R}和P_{31-初始转速+△n2R}的作为该转速下对应的数值，按压气机出口压力变化斜率线性回归拟合方法计算P_31斜率；判断n_2R＝初始转速+△n_2R时的P_31斜率是否小于判断阈值，若是，则认为发动机失速；后续转速点按此方法依次计算对i与(i-1)点之间的P_31斜率并进行判断，从而判断是否失速。

下面对本发明做进一步详细说明。一种判断航空发动机起动过程出现失速的方法，本方法从失速后的压力变化现象出发，通过特殊的方法快速、准确的检测出失速，判断航空发动机起动过程出现失速的方法包括以下步骤：

步骤1：通过试验或计算的方法，获得发动机正常起动和起动过程出现失速时压气机出口压力P₃₁,进气温度T₁、进气压力P₁、高压物理转速n₂数据，按照相似原理将压力数据换算至标准大气条件下，绘制换算转速和换算压力图(如图2所示)；

步骤2：针对步骤1中拟合转速初始点确定为15％,单位转速(△n_2R)的取值范围为5％，对每个转速点的压气机出口压力P_31R变化斜率进行线性回归拟合；

步骤3：针对步骤2中选取初始转速和每个转速点正常起动和出现失速起动时的压气机出口压力进行加权平均，并定义如下：正常起动下的P_31R为P_31R－a；失速起动下的P_31R为P_31R－c；加权平均后的P_31R为P_31R－b；P_31R－b＝(P_31R－a+P_31R－c)/2*1,权重R取值为1，然后对加权平均后的P_31R－b进行线性回归拟合，在每个转速点拟合后的P_31斜率即步骤4中用来判断的判断阈值，经步骤2、步骤3处理后的进行线性回归拟合的P_31斜率如图3所示；

步骤4：根据步骤3中加权平均的P_31R－b线性回归拟合后的变化斜率，整理成下表1的数值用于判断。在15％≤n_2R≤45％范围内，判断单位转速范围内压气机出口压力变化斜率(P₃₁斜率)小于下表1中要求时，认为发动机出现失速。在进行P₃₁斜率计算时，依据相似原理对测量获得的P₃₁进行修正，修正后为P_31修。

表1发动机热悬挂判断表

说明：

a)P₃₁斜率＝(P_31修-i-P_31修-(i-1))/(n_2R-i-n_2R-(i-1))；

b)起动过程中，首次n_2R≥15％时记录n_2R-15、P_31-15数值，n_2R-15和P_31-15作为该转速下对应的数值；之后当首次n_2R≥20％时记录n_2R-20、P_31-20数值，n_2R-20和P_31-20的作为该转速下对应的数值；将P₃₁按c)项中的方法换算后，用a)项的方法计算P₃₁斜率，若P₃₁斜率小于上表中n_2R＝20％时的斜率値，则认为发动机失速；后续转速点按此方法依次计算对比i与(i-1)点之间的斜率値，并进行对应的判断；

c)按照发动机舱压P_H和飞行马赫数M修正c)项中记录的P_31-i，P_31修-i＝P_31-i*101.3/(P_H-i*M_oi)(M_oi＝(1+0.2*M_i²)^3.5,M_oi按表2中插值确定)。

表2辅助起动M_i-M_oi对应关系

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。