一种用于地面台架持久试车整机性能分析的参数处理方法

技术领域

本申请属于航空发动机设计领域，特别涉及一种用于地面台架持久试车整机性能分析的参数处理方法。

背景技术

在持久试车过程中，由于时间跨度长，进气来流的温度和压力的变化差异大，发动机通常会重复在某个相对固定转速状态运行，发动机会存在不同程度的性能衰减。由于在试验过程中的性能参数测量结果受测试传感器、测试环境和测量精度等因素影响，直接导致性能参数测量结果会存在不同程度的偏差。因此需要合理处理性能参数测量结果，进而能够有效评估发动机的性能变化情况。

现有的技术方案基于相似原理的无量纲参数换算方法，计算得到能够反映发动机在持久试车过程中性能参数变化的试验结果。相关技术方案如下:

步骤1：处理得到每次持久试车的发动机稳态性能参数试验结果；

步骤2：根据校准试车结果，插值计算出指定发动机状态的稳态性能数据；

步骤3：根据无量纲参数的相似换算关系，计算得到静止海平面标准天条件下的性能参数结果；

步骤4：对换算至静止海平面标准天性能参数结果随试车次的性能变化情况进行分析。

在持久试车过程中，发动机通常会重复在某个相对固定的高转速状态运行。由于发动机在试验过程中的测量参数受测试环境和测量精度等因素影响，导致直接测量的性能参数结果会存在随机误差。发动机在持久试车过程中，时间跨度长，进气来流的温度和压力的变化差异大，同时存在不同程度的性能衰减。在计算过程中按照公式(1～3)中的θ和δ指数值保持不变来进行无量纲参数换算，会导致换算结果存在一定偏差。

因此，如何更准确、有效地对比持久试车过程中不同试车次的发动机性能参数是一个需要解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供了一种用于地面台架持久试车整机性能分析的参数处理方法，以解决现有技术中发动机在长时间运转过程中不同工况条件下稳态性能参数处理结果偏差偏大的问题，提升数据分析结果的有效性。

本申请的技术方案是：一种用于地面台架持久试车整机性能分析的参数处理方法，包括：获取发动机稳定转速时间段内的试验数据，处理得到每次持久试车的发动机稳态性能参数试验结果；根据性能校准试车的稳态性能试验结果，插值计算出指定发动机状态的稳态性能参数值；根据性能校准试验结果辨识计算出各部件性能修正因子，并结合原稳态性能模型构建形成该台发动机对应的基线稳态性能模型；根据当前次试验数据的工况参数，结合该台发动机对应的基线稳态性能模型，计算出当前工况条件下的发动机基线性能参数值；根据当前次试验结果和当前次试车对应的基线性能参数值，计算得到性能参数的相对偏差量，并对性能参数偏差量进行统计回归，获得试验次数与性能参数计算相对偏差量的函数关系曲线；根据偏差函数关系曲线和基线稳态性能模型计算结果可以重构出持久试车过程中每次试车参数的试验结果，通过基线性能模型辨识计算，得到重构后的试验数据在静止海平面标准天条件下的性能计算值，实现性能参数的统一对比。

优选地，所述发动机稳态性能参数的处理方法为：对获得的试验数据进行滑动平均，对截面温度压力参数进行等环面或等流量平均，得到所选取发动机状态的稳态性能参数处理结果。

优选地，所述稳态性能数据的插值计算公式为：

公式(4)中Y表示性能参数，N1r表示低压转子换算转速，下标start表示插值计算起点转速，end表示插值计算终点转速，current表示当前插值转速。

优选地，所述各部件性能修正因子的计算方法为：

进行发动机气路性能计算分析，具体公式为：

Z＝h(X) (5)

公式(5)中，h表示测量参数和部件性能修正因子间的函数关系，该关系用发动机稳态性能模型进行表述，Z表示由稳态性能模型计算得到的测量参数向量，X表示各部件性能修正因子向量；

若部件性能发生变化，则用δ表示部件性能参数变化程度，在给定工况点对h(x)进行1阶泰勒级数展开，得到：

h(X+δX)＝h(X)+H·δX +HOT (6)

得到影响系数矩阵H，其数学表达式为：

忽略影响系数矩阵H的高次项影响，得到：

h(X+δX)＝h(X)+H·δX (8)

通过矩阵转换计算得到：

δX＝(H

通过牛顿-拉夫逊算法对非线性方程组进行求解，得到满足目标函数测量参数计算精度要求的各部件性能修正因子计算值。

优选地，所述当前工况下的发动机基线性能计算方法为：

ParaBase＝ f(Pamb,Ma,ΔTamb,N1r,AnsynReference) (10)

公式(10)中，Pamb表示环境压力，Ma表示马赫数，ΔTamb表示环境温度偏差，N1r表示低压转子换算转速，AnsynReference为根据性能校准试验数据辨识计算出的结果，f表示基线稳态性能模型。通过基线稳态性能模型计算，获得当前次试验工况对应的基线性能参数值，ParaBase表示当前次试车工况条件下的基线性能计算值。

优选地，所述性能参数相对偏差量的计算公式为：

公式(11)中ParaTest表示当前次试车试验结果，ParaBase表示当前次试车工况条件下的基线性能计算值，ParaDev表示当前次试验结果和基线性能结果的计算相对偏差量。

优选地，所述参数重构结果的计算公式为：

ParaSmooth＝ParaBase+ΔParaSmooth (12)

公式(12)中ParaSmooth表示当前次试车的参数重构结果，ParaBase表示当前工况条件下的基线模型计算值，ΔParaSmooth表示偏差拟合回归曲线计算得到的参数偏差量。

本申请的一种用于地面台架持久试车整机性能分析的参数处理方法，在获得发动机稳定转速状态时间段内的试验数据之后，通过坏点剔除、截面平均和滑动平均降低参数测量结果处理偏差，插值计算出指定转速状态对应的稳态性能数据，而后根据性能校准试车试验结果，辨识计算得到各部件性能修正因子并形成该台发动机对应的基线稳态性能模型，根据当前次试验数据的工况参数，结合该台发动机对应的基线稳态性能模型，计算出当前工况条件下的基线性能参数结果，进而计算出性能参数试验值和基线性能计算值的相对偏差。通过统计回归得到性能参数计算相对偏差量随试车次的回归函数曲线，进而结合基线性能模型参数计算结果对每次试车的性能参数值进行重构。根据重构后参数试验结果和基线稳态性能模型辨识计算得到对应的各部件性能修正因子，通过基线稳态性能模型计算得到在静止海平面标准天条件下的性能参数换算值，该结果可以代替无量纲参数换算结果，实现性能参数的统一对比。该方法能够显著降低测量参数随机误差的影响，有效反映来流温度压力变化和几何构型变化带来的性能影响，避免了无量纲参数θ和δ指数值固定不变所带来的相似换算偏差，提升持久试车试验参数结果的处理精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为本申请整体流程示意图；

图2为本申请参数计算相对偏差量的拟合回归结果示意图；

图3为本申请重构的测量参数结果换算至静止海平面标准天的结果示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

一种用于地面台架持久试车整机性能分析的参数处理方法，包括如下步骤：

步骤S100，获取发动机稳定转速状态时间段内的试验数据，处理得到持久试车过程中每次试车对应的发动机稳态性能参数试验结果；

整机试验参数包括环境压力、进气总压、进气总温、低压转子转速、高压转子转速、推力、空气流量、燃油流量、风扇出口总温总压、高压压气机出口总温总压、高压涡轮出口总温、低压涡轮出口总温总压等。

发动机稳态性能参数的处理方法为：对获得的试验数据进行坏点剔除，对截面温度压力参数进行等环面或等流量平均，通过对不同采集时刻的数据进行滑动平均处理，去除性能参数测量结果中的随机误差，从而保证后续计算分析结果的精度。

步骤S200，根据当前次试车的稳态性能试验结果，插值计算出指定发动机状态的稳态性能数据；

稳态性能参数的插值计算公式为：

公式(1)中Y表示性能参数，N1r表示低压转子换算转速，下标start表示插值计算起点转速，end表示插值计算终点转速，current表示当前插值转速。

通过对发动机稳态性能参数试验结果进行插值处理，从而得到指定发动机状态对应的稳态性能数据。

步骤S300，根据性能校准试验结果辨识计算出各部件性能修正因子，并结合原稳态性能模型构建形成该台发动机对应的基线稳态性能模型；

各部件性能修正因子的计算方法为：

进行发动机气路性能计算分析，具体公式为：

Z＝h(X) (2)

公式(2)中，h表示测量参数和部件性能修正因子间的函数关系(发动机稳态性能模型)，Z表示测量参数向量，X表示部件性能修正因子向量；

其中测量参数与部件性能修正因子件的函数关系使用发动机稳态性能模型进行表述，根据获取所需的测量参数试验结果，通过辨识算法可计算出对应的部件性能修正因子。

通过步骤S200中计算得到的稳态性能数据形成测量参数向量Z。

若部件性能发生变化，则用δ表示参数变化程度，在给定工况点对h(x)进行1阶泰勒级数展开，得到：

h(X+δX)＝h(X)+H·δX +HOT (3)

得到影响参数矩阵H，其数学表达式为：

忽略影响参数矩阵H的高次项影响，得到：

h(X+δX)＝h(X)+H·δX (5)

通过矩阵转换计算得到：

δX＝(H

通过牛顿-拉夫逊算法对非线性方程组进行求解，得到满足目标函数测量参数计算精度要求的各部件性能修正因子计算值。

通过公式(2)～(6)对部件性能修正因子向量X进行求解，从而得到试验结果对应的发动机各部件性能修正因子，发动机各部件包括风扇、压气机和涡轮等部件。

步骤S400，根据当前次试验数据的工况参数，结合该台发动机对应的基线稳态性能模型，计算出当前试验条件下对应的发动机基线性能参数值，当前工况下的发动机基线性能参数值的计算方法为：

ParaBase＝ f(Pamb,Ma,ΔTamb,N1r,AnsynReference) (7)

公式(7)中，Pamb表示当前次试验的环境压力，Ma表示当前次试验的马赫数(Ma＝0)，ΔTamb表示当前次试验的环境温度偏差，N1r表示低压转子换算转速，AnsynReference为根据性能校准试验数据辨识计算出的各部件性能修正因子，f为基线稳态性能模型,ParaBase表示当前次试车工况条件下的基线性能计算值。通过基线稳态性能模型计算，得到当前次试验数据对应的基线性能参数值。

步骤S500，根据当前次试验结果和当前次试车对应的基线性能参数值，计算得到性能参数的相对偏差量，并对偏差结果进行统计回归，获得试验次数与性能参数计算相对偏差量的函数关系曲线；

性能参数计算相对偏差量的计算公式为：

公式(8)中ParaTest表示当前次试车试验结果，ParaBase表示当前工况条件下的基线性能参数值，ParaDev表示当前次试验结果和基线性能参数值的计算相对偏差量。

步骤S600，根据偏差函数关系曲线和基线稳态性能模型计算结果得到持久试车过程中每次试车的性能参数重构结果。

参数重构结果的计算公式为：

ΔParaSmooth＝ f(试车次)*ParaBase(9)

ParaSmooth＝ParaBase+ΔParaSmooth (10)

公式(9)～(10)中ParaSmooth表示当前次试车的参数重构结果，ParaBase表示当前工况条件下的基线稳态性能模型计算值，ΔParaSmooth表示通过偏差拟合曲线计算得到性能参数偏差量，其中f表示通过统计分析得到的性能参数计算相对偏差量的回归函数。

步骤S700，根据重构出的试验数据，通过基线稳态性能模型辨识计算得到对应的各部件性能修正因子，结合基线稳态性能模型计算出当前试验数据在静止海平面标准天条件的性能参数值，该结果可用于发动机性能参数衰减变化分析。

参考点性能参数＝f(Pamb,Ma,ΔTamb,N1r,AnsynCurrent)(11)

公式(11)中，Pamb表示静止海平面标准天的环境压力，Ma表示马赫数(Ma＝0)，ΔTamb表示静止海平面标准天环境温度偏差，N1r表示低压转子换算转速，AnsynCurrent为根据当前次试验数据辨识计算出的各部件性能修正因子，f为基线稳态性能模型。

本申请在获得发动机稳定转速状态时间段内的试验数据之后，通过坏点剔除、截面平均和滑动平均降低参数测量结果处理偏差，插值计算出指定转速状态对应的稳态性能数据；然后根据性能校准试车试验结果，通过辨识计算得到各部件性能修正因子并形成该台发动机对应的基线稳态性能模型；根据当前次试验数据的工况参数，结合该台发动机对应的基线稳态性能模型，计算出当前工况条件下的基线性能参数结果，进而计算出性能参数试验值和计算值的相对偏差；通过统计回归得到性能参数计算相对偏差量随试车次的回归函数曲线，进而结合基线性能模型参数计算结果对每次试车的性能参数值进行重构；根据重构后参数试验结果和基线稳态性能模型辨识计算得到对应的各部件性能修正因子，通过基线稳态性能模型计算得到在静止海平面标准天条件下的性能参数换算值，该结果可以代替无量纲参数换算结果，实现性能参数的统一对比。该方法能够显著降低参数测量随机误差的影响，有效反映来流温度压力变化和几何构型变化带来的性能影响，避免无量纲参数θ和δ指数值固定不变所带来的相似换算偏差，提升持久试车试验参数结果的处理精度。

作为一种具体实施方式，通过性能校准试车获得基线性能试验数据，根据发动机第1～500次台架持久试车数据，通过公式(1)获得发动机状态N1r＝90％的试验数据，通过选取发动机工况参数、高低压转速、燃油流量、高压涡轮出口总温总压、低压涡轮出口总温总压、风扇出口总温总压、压气机进出口总温总压等性能测量参数，通过公式(2)～(6)计算出校准试验数据对应的各部件性能修正因子，并通过公式(7)计算出每次实际试车工况条件下的基线性能参数值，使用公式(8)计算得到每次试验的性能参数相对偏差量，得到图2所示的低压涡轮出口总温T5计算相对偏差量随试车次的变化趋势，图2中形成的曲线为二次多项式函数形式的偏差拟合回归曲线，曲线周围离散点为性能参数相对偏差量；不同试车次的T5实际测量参数与重构测量参数结果如图2所示，重构后测量参数在静止海平面标准天条件下的计算结果如图3所示。

表2T5实际测量值与重构测量值

形成的T5性能参数计算偏差量曲线拟合公式如下：

y＝0.000004652029x

R

上式中x表示试车次，y表示性能参数计算相对偏差量。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。