一种航空发动机工作特性计算分析方法及装置

技术领域

本申请涉及一种航空发动机工作特性计算分析方法及装置，属于航空发动机技术领域。

背景技术

航空发动机在使用中，需要在不同的工作条件下运转，这些工作条件包括外界大气条件(大气压力、大气温度、大气湿度)、飞行条件(飞行速度、高度)和发动机的工作状态等。当这些工作条件改变时，发动机的性能参数(推力、燃油流量、转子转速、排气温度等)都要发生相应的变化，通常把发动机性能参数随工作条件变化的规律，称为航空发动机工作特性。研究航空发动机工作特性的目的在于掌握发动机主要性能参数的变化规律，确定飞机的飞行性能和最有利的飞行状态，用以充分发挥飞机的性能，还可以用以比较各种发动机或者同类发动机性能的优劣，为飞行任务规划提供决策支持。

航空发动机特性数学模型是发动机工作过程的数学描述，即通过数学公式、图表等近似反映真实的发动机状态，是关于发动机性能参数与工作条件的数学关系，因此，航空发动机特性数学模型是分析航空发动机工作特性的基础。航空发动机是一个复杂的气动热力系统，其内部工作机理相当复杂，如何用数学方法描述发动机，特性数学模型的建立及总体性能的仿真研究是航空发动机工作特性计算数值模拟研究的一项重要内容。

现有的建立特性数学模型的方法有试验法和解析法。试验法通过对发动机试验数据的处理获取发动机特性，从而得到发动机模型，但其建立的发动机模型在数学上是具有分段线性系数的线性微分方程和代数方程的组合，因为模型不是物理的，无论哪一个部件的特性发生变化时，实际上要求改变模型的全套系数，由于这种方法依赖大量的试验数据，成本很高，因而仅适用于已存在发动机的建模。而解析法采用辨识方法，将发动机视为黑匣子，抛开其具体物理意义，根据试验的输入输出数据，推导或拟合出输入输出关系式，该方式虽然能够考虑各种工作条件对发动机特性的影响，无论哪一个发动机部件的特性发生变化，只要改变描述该部件的模型方程即可，但解析法建模需要对发动机内部的物理过程有详尽的了解，并能用数学方法描述。对于新装备新型号，尤其是引进国外的发动机，由于还没有部件级工作特性数据，就难以通过解析法建立对应型号的发动机工作特性模型。此外，采用解析法时，通过发动机部件试验得到部件的工作特性，建立并求解非线性方程组，确定部件的共同工作点，进而完成整机性能计算，建立发动机工作特性模型是当前广泛应用的建模方式。但由于航空发动机工作特性数据主要就是节流特性、高度速度特性和气候特性数据单，每个工作特性数据单只能考虑部分输入参数的影响，如节流特性数据单，主要就是关于发动机输出参数数值与油门杆角度或者发动机转子转速的关系，因此该方式只能在特定的飞行速度、高度、外界环境温度等条件下计算发动机的输出参数。这就使得直接依据节流特性、高度速度特性和气候特性数据单的方式难以实现整个飞机飞行包线内发动机工作过程输出参数的计算。

发明内容

本申请的目的在于提供一种航空发动机工作特性计算分析方法及装置，可依据油门杆角度、飞机飞行高度速度和大气温度等输入参数，对航空发动机输出参数进行拟合计算，实现整个飞机飞行包线内发动机工作参数的分析与计算。

为实现上述目的，本申请第一方面提供了一种航空发动机工作特性计算分析方法，包括：

建立发动机状态与油门杆角度的角度关系模型；

根据上述角度关系模型和不同发动机特性图分别建立相应的输入输出关系模型，其中，上述发动机特性图包括节流特性图、高度速度特性图以及气候特性图，各上述输入输出关系模型分别表示航空发动机在相应发动机特性图条件下输入参数与输出参数的函数关系；

根据各上述输入输出关系模型建立全参数关系模型；

对上述全参数关系模型进行修正计算，得到全参数工作特性模型，用于对航空发动机的输出参数进行拟合计算。

在一种实施方式中，上述建立发动机状态与油门杆角度的关系模型包括：

根据发动机数据，发动机状态与油门杆角度的对应关系，使用指数函数拟合与拟合误差平方和最小方法，建立发动机状态与油门杆角度的角度关系模型为：

Condition＝f

其中，Condition为发动机状态，α为油门杆角度。

在一种实施方式中，上述根据上述角度关系模型和不同发动机特性图分别建立相应的输入输出关系模型包括：

根据上述节流特性图建立以转子转速为影响因素的第一输入输出关系模型；

根据上述角度关系模型和上述高度速度特性图建立以高度速度为影响因素的第二输入输出关系模型；

根据上述角度关系模型和上述气候特性图建立以大气温度为影响因素的第三输入输出关系模型。

在一种实施方式中，上述根据上述节流特性图建立以转子转速为影响因素的第一输入输出关系模型包括：

根据航空发动机在国际标准大气条件下的节流特性图，通过数值拟合插值的方法建立输入参数(n

[F,W

其中，n

在一种实施方式中，上述根据上述角度关系模型和上述高度速度特性图建立以高度速度为影响因素的第二输入输出关系模型包括：

根据航空发动机在国际标准大气条件下的高度速度特性图，结合上述角度关系模型，通过多维数值拟合插值的方法建立输入参数(Condition、H、V、T

[F,W

其中，V为飞机飞行速度。

在一种实施方式中，上述根据上述角度关系模型和上述气候特性图建立以大气温度为影响因素的第三输入输出关系模型包括：

据在飞机飞行速度为0条件下的发动机气候特性图，结合上述角度关系模型，通过多维数值拟合插值的方法建立输入参数(Condition、H、V

[F,W

其中，T为大气温度。

在一种实施方式中，上述根据各上述输入输出关系模型建立全参数关系模型包括：

根据上述发动机数据，在航空发动机在国际标准大气条件下且飞机飞行速度为0条件下，通过指数函数拟合与拟合误差平方和最小方法，得到低压转子转速n

n

结合上述第二输入输出关系模型和上述第三输入输出关系模型，得到低压转子转速n

在一种实施方式中，上述对上述全参数关系模型进行修正计算，得到全参数工作特性模型包括：

根据各上述输入输出关系模型确定各个输入参数对发动机输出参数产生影响程度的重要性排序，其中，上述重要性排序依次为油门杆角度α、飞机飞行高度H、飞机飞行速度V和大气温度T；

基于上述重要性排序，将上述全参数关系模型带入上述第一输入输出关系模型得到：

[F,W

结合上述第二输入输出关系模型进行修正，得到：

结合上述第三输入输出关系模型进行修正，得到上述全参数工作特性模型为：

本申请第二方面提供了一种航空发动机工作特性计算分析装置，包括：存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述第一方面或者上述第一方面的任一实施方式中的步骤。

本申请第三方面提供了一种计算机可读存储介质，上述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，上述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面或者上述第一方面的任一实施方式中的步骤。

由上可见，本申请提供了一种航空发动机工作特性计算分析方法及装置，只需根据发动机的节流特性、高度速度特性和气候特性数据，整合其中涉及的全部发动机输入参数，包括如油门杆角度、飞机飞行高度速度和大气温度等输入参数，即可构建全参数工作特性模型并实现对航空发动机输出参数的拟合计算，克服了试验法成本高，解析法建模困难的缺点，突破单个工作特性数据表的出入变量限制，实现整个飞机飞行包线内发动机工作过程中输出参数的分析与计算，直观呈现航空发动机的工作特性。相比于现有计算中通过试验法得到发动机特定状态输出参数的方法，节省了大量的试验费用和人力成本，可为飞行模拟器设计或飞行仿真计算提供发动机的工作特性数据，也可以为飞行人员的航空理论与飞行实践培训或飞行任务规划提供方法与数据支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种航空发动机工作特性计算分析方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的全参数工作特性模型的计算流程图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其它情况下，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

下面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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

建立航空发动机性能计算数学计算模型是研究工作特性的重点，根据对发动机内部工作情况的认识，主要部件特性描述方法的差异和复杂程度的不同，航空发动机特性数学模型研究可分为三个层次：第一层，发动机的内部热力过程未知，把发动机作为一个黑盒子，以各种拟合关系式或经验关系式描述发动机的性能，许多发动机制造厂以这种模型向用户提供节流特性、高度速度特性和气候特性，发动机控制系统仿真研究中经常使用通过辨识方法获得的该种发动机特性数学模型；第二层，发动机的各个部件是个黑盒子，通过部件试验给出部件特性，建立并求解非线性方程组，确定共同工作点，完成整机性能计算。这是广泛应用的发动机特性数学模型，其核心是发动机的部件特性和方程组的建立和求解，其实还是建立在试验基础上的性能计算；第三层，借助流体动力学技术，对发动机内部工质流动细节进行描述，建立虚拟仿真发动机，在发动机整个流道内没有黑盒子模型，由于该工作过于庞大和复杂，目前该层次发动机特性数学模型仍然处于发展中，尚无成熟的此类模型。

本申请实施例提出的方法依据发动机的工作特性图，根据相关输入参数对发动机输出参数影响程度大小，基于黑箱理论采用多维数值工程拟合方法依次对发动机输出参数进行迭代修正，突破单个工作特性数据表的出入变量限制，实现整个飞机飞行包线内发动机工作过程输出参数的计算。其中，发动机的工作特性图中影响发动机输出数据的主要因素包括发动机工作状态、飞行高度速度和大气温度，要构建以油门杆角度、飞行高度速度和大气温度为输入参数的发动机工作特性模型，首先需要建立发动机状态与油门杆角度的关系，然后分别根据节流特性、高度速度特性及气候特性图建立主要以转子转速、高度速度和大气温度为影响因素的输入输出关系模型，最后综合三种输入输出关系模型，引入油门杆角度、飞行高度速度和大气温度四个变量进行修正计算，即可得到最终的全参数工作特性模型。

实施例一

本申请实施例提供了一种航空发动机工作特性计算分析方法，如图1和2所示，该方法具体包括：

步骤11：建立发动机状态与油门杆角度的角度关系模型；

进一步的，上述建立发动机状态与油门杆角度的关系模型包括：

根据发动机数据，发动机状态与油门杆角度的对应关系，使用指数函数拟合与拟合误差平方和最小方法，建立发动机状态与油门杆角度的角度关系模型为：

Condition＝f

其中，Condition为发动机状态，α为油门杆角度。

可选的，上述发动机状态包括最大状态、设计状态、慢车状态等多种状态。上述使用指数函数拟合与拟合误差平方和最小方法可采用Matlab软件cftool工具箱中的Power函数拟合并采取SSE最小的参数的方法实现。

可选的，本申请实施例中涉及的数值插值方法均可采用Matlab软件的ScatteredInterpolant散点插值函数，插值方法为“natural”，或者，也可以通过其他函数或方式实现，此处不做限定。

步骤12：根据上述角度关系模型和不同发动机特性图分别建立相应的输入输出关系模型，其中，上述发动机特性图包括节流特性图、高度速度特性图以及气候特性图，各上述输入输出关系模型分别表示航空发动机在相应发动机特性图条件下输入参数与输出参数的函数关系；

具体的，上述节流特性图、高度速度特性图以及气候特性图可分别提供节流特性数据、高度速度特性数据以及气候特性数据。

进一步的，上述根据上述角度关系模型和不同发动机特性图分别建立相应的输入输出关系模型包括：

根据上述节流特性图建立以转子转速为影响因素的第一输入输出关系模型；

根据上述角度关系模型和上述高度速度特性图建立以高度速度为影响因素的第二输入输出关系模型；

根据上述角度关系模型和上述气候特性图建立以大气温度为影响因素的第三输入输出关系模型。

进一步的，上述根据上述节流特性图建立以转子转速为影响因素的第一输入输出关系模型包括：

根据航空发动机在国际标准大气条件下的节流特性图，通过数值拟合插值的方法建立输入参数(n

[F,W

其中，n

需要说明的是，由于构建的全参数工作特性模型的输入参数为油门杆角度α、飞机飞行高度H、飞机飞行速度V和大气温度T，而上述中第一输入输出关系模型的输入参数包含低压转子转速n

进一步的，上述根据上述角度关系模型和上述高度速度特性图建立以高度速度为影响因素的第二输入输出关系模型包括：

根据航空发动机在国际标准大气条件下的高度速度特性图，通过多维数值拟合插值的方法建立输入参数(Condition、H、V、T

[F,W

结合上述角度关系模型，得到上述第二输入输出关系模型为：

[F,W

其中，V为飞机飞行速度，该飞机飞行速度为变量，可以为飞机的实时飞行速度或预设的飞行速度。可选的，上述多维数值拟合插值可采用Matlab软件的Interp3函数并默认参数设置的方式实现。

进一步的，上述根据上述角度关系模型和上述气候特性图建立以大气温度为影响因素的第三输入输出关系模型包括：

据在飞机飞行速度为0(即V

[F,W

结合上述角度关系模型，得到上述第三输入输出关系模型为：

[F,W

其中，T为大气温度，该大气温度为变量。可选的，上述多维数值拟合插值可采用Matlab软件的Interp3函数并默认参数设置的方式实现。

步骤13：根据各上述输入输出关系模型建立全参数关系模型；

进一步的，上述根据各上述输入输出关系模型建立全参数关系模型包括：

根据上述发动机数据，在航空发动机在国际标准大气条件下(即T

n

通过该公式可计算得到不同油门杆角度α和飞机飞行高度H下发动机低压转子转速n

若要计算不同飞机飞行速度V和大气温度T条件下发动机低压转子转速n

综合上述结合第二输入输出关系模型和第三输入输出关系模型后得到的两个关系式，即可得到全参数关系模型为：

可选的，上述指数函数拟合与拟合误差平方和最小方法可采用Matlab软件cftool工具箱中的Power函数拟合并采取SSE最小的参数的方法实现。

步骤14：对上述全参数关系模型进行修正计算，得到全参数工作特性模型，用于对航空发动机的输出参数进行拟合计算。

进一步的，上述对上述全参数关系模型进行修正计算，得到全参数工作特性模型包括：

综合分析三种发动机特性图数据，根据各上述输入输出关系模型确定各个输入参数对发动机输出参数产生影响程度的重要性排序，其中，上述重要性排序依次为油门杆角度α、飞机飞行高度H、飞机飞行速度V和大气温度T；

基于上述重要性排序，基于黑箱理论采用多维数值工程拟合方法依次对发动机输出参数进行迭代修正，首先将上述全参数关系模型带入上述第一输入输出关系模型得到：

[F,W

然后根据发动机节流特性数据和高度速度特性数据，结合上述第二输入输出关系模型，即引入油门杆角度和飞机飞行高度双变量进行修正，得到：

最后根据发动机气候特性数据，结合上述第三输入输出关系模型，即引入大气温度变量继续进行修正，得到上述全参数工作特性模型为：

通过该全参数工作特性模型，即得到了发动机输出参数与α、H、V、T这4个输入变量的函数关系，可实现对航空发动机的输出参数的拟合计算。

由上可见，本申请实施例提供了一种航空发动机工作特性计算分析方法，对航空发动机工作特性的直观呈现，可为飞行模拟器设计或飞行仿真计算提供发动机的工作特性数据，也可以为飞行人员的航空理论与飞行实践培训或飞行任务规划提供方法与数据支撑。该方法根据发动机的节流特性、高度速度特性和气候特性数据，整合发动机的三种特性数据，依据其对发动机输出参数影响的程度，进行依次迭代修正，综合分析油门杆角度、飞行高度速度、大气温度等输入参数对发动机推力、燃油流量、转子转速和排气温度等输出参数的影响规律，并基于黑箱理论采用数值拟合方法建立发动机全参数工作特性模型，实现整个飞机飞行包线内发动机输出参数的拟合计算。

实施例二

本申请实施例提供了一种航空发动机工作特性计算分析装置，该装置包括存储器、处理器以及存储在上述存储器中并可在上述处理器上运行的计算机程序，其中，存储器用于存储软件程序以及模块，处理器通过运行存储在存储器的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。存储器和处理器通过总线连接。具体地，处理器通过运行存储在存储器的上述计算机程序时实现上述实施例一中的任一步骤。

应当理解，在本申请实施例中，所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器、快闪存储器和随机存储器，并向处理器提供指令和数据。存储器的一部分或全部还可以包括非易失性随机存取存储器。

由上可见，本申请实施例提供的一种航空发动机工作特性计算分析装置，根据发动机的节流特性、高度速度特性和气候特性数据，整合其中涉及的全部发动机输入参数，包括如油门杆角度、飞机飞行高度速度和大气温度等输入参数，构建全参数工作特性模型对航空发动机输出参数进行拟合计算，突破单个工作特性数据表的出入变量限制，实现整个飞机飞行包线内发动机工作过程中输出参数的分析与计算，直观呈现航空发动机的工作特性。可为飞行模拟器设计或飞行仿真计算提供发动机的工作特性数据，也可以为飞行人员的航空理论与飞行实践培训或飞行任务规划提供方法与数据支撑。

应当理解，上述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，上述计算机程序可存储于以计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，上述计算机程序包括计算机程序代码，上述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。上述计算机可读介质可以包括：能够携带上述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，上述计算机可读存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将上述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

需要说明的是，上述实施例所提供的方法及其细节举例可结合至实施例提供的装置和设备中，相互参照，不再赘述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各实例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟是以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同的方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其他的方式实现。例如，以上所描述的装置/设备实施例仅仅是示意性的，例如，上述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以由另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

上述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。