基于局部模型的涡轴发动机燃气涡轮转速信号重构方法

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，主要涉及基于局部模型的涡轴发动机燃气涡轮转速信号重构方法。

背景技术

传感器是涡轴发动机控制系统的重要组成部分，但由于其恶劣的工作环境，故障发生率较高。在控制系统中，传感器故障占总故障数的80％以上，而燃气涡轮转速传感器是涡轴发动机控制系统最为关键的输入参数之一，其故障不仅会导致整个串级控制回路无法闭合，还会影响导叶位置控制精度，进而引发发动机喘振。因此有必要提出切实可行的燃气涡轮转速信号重构方法，保证发动机控制系统工作的稳定性和安全性。

目前对传感器信号重构主要的研究思路有三种，是利用高精度的机载模型，包括插值模型、部件级模型或使用基于模型的滤波器、观测器等方法重构故障信号；是充分利用其它有效传感器信息，通过神经网络、极限学习机等数据驱动方法，或关系拟合法等提供解析余度；近年来又出现了是将模型与数据驱动相结合的新思路，但是目前国内机载模型技术研究还不成熟，插值模型和部件级模型不能完全体现发动机的个体差异和性能退化，基于模型的滤波器、观测器等方法又面临实时性不足的问题，而数据驱动方法依赖于大量的故障数据，且对机载设备的硬件要求也比较高，工程应用受到限制。因此有必要开展工程实用性强的涡轴发动机燃气涡轮转速信号重构方法。

发明内容

发明目的：针对上述背景技术中存在的问题，本发明将高精度的部件级模型和有效传感器信号相结合，基于部件级建模思想，建立了涡轴发动机燃气涡轮转速局部模型，并设计训练模式估计健康参数，提高模型对燃气涡轮转速信号的预测精度，方法简单，易于工程实用。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于局部模型的涡轴发动机燃气涡轮转速信号重构方法，包括以下步骤：

步骤A、建立燃气涡轮转速n

步骤B、当转速n

步骤C、当n

优选的，步骤A中的燃气涡轮转速局部模型建立过程如下：

步骤A1，引气系统∑W

引气流量∑W

压气机中间级至燃气涡轮进口冷却气W

∑W

步骤A2，压气机建模：

k时刻，压气机出口引气比焓h

h

k时刻的压气机中间级引气比焓h

h

式中，h

根据k时刻燃气涡轮转速n

式中：下标d表示压气机进口设计点参数，下标cor表示换算参数；

通过压气机流量特性f

η

由定比热法计算出压气机进口气流比焓h

式中，h、s和f分别代表比焓、比熵和油气比，g

考虑到压气机引放气，压气机出口流量为：

W

压气机所需功率为：

步骤A3，燃烧室建模：

燃烧室部件只需建立能量和流量传递方程，其中能量传递方程为：

流量传递方程传递方程为：

W

式中，H

步骤A4，涡轮建模：

燃气涡轮进口冷却气掺混过程的能量交换过程表示为：

燃气涡轮进口冷却气掺混过程的流量交换过程表示为：

W

式中，h

W

燃气涡轮出口冷却气掺混过程的能量交换过程表示为：

燃气涡轮出口冷却气掺混过程的流量交换过程表示为：

W

式中，W

动力涡轮进口冷却气掺混的能量交换过程表示为：

动力涡轮进口冷却气掺混的流量交换过程表示为：

W

式中，h

燃气涡轮发出功率为：

L

步骤A5，转子动力学模型：

由发动机原理知核心机剩余功率表示为

ΔL(k)＝η

式中：η

将式(1)-(20)代入式(21)计算出剩余功率后，最终计算出燃气涡轮下一时刻转速n

式中：ΔL(k)为转子剩余功率，T

所述的局部模型包括构建的引气系统∑W

优选的，所述步骤B中通过理论分析实现对局部模型中压气机流量和效率这两个健康参数的解耦过程如下：

步骤B1.1，由于解耦过程不需要构建步骤A中复杂的局部模型，即不考虑轴机械效率η

L

燃气涡轮发出功率为：

L

燃烧室能量交换表示为：

核心机剩余功率为：

ΔL(k)＝L

将式(23)-(25)代入式(26)，则核心机剩余功率写为：

ΔL(k)＝W

步骤B1.2，分析式(27)知，压气机特性中影响剩余功率ΔL(k)的健康参数只有压气机流量W

优选的，所述步骤B中基于求解非线性方程和K均值聚类的方法估计压气机部件的健康参数过程如下：

步骤B2.1，将压气机流量修正系数ΔW

式(28)中：上标～表示局部模型的计算结果，采用牛顿拉弗森方法迭代求解非线性方程，计算得到不同换算转速n

步骤B2.2，由于传感器获取的信号存在噪声，计算得到的ΔW

有益效果：

本发明提出了新的涡轴发动机燃气涡轮转速信号重构方法，基于流路分析建立了n

1)相比于传统的部件级模型，n

2)研究了压气机特性对n

3)试验数据验证结果表明，基于n

附图说明

图1为n

图2为n

图3为引气系统示意图；

图4为训练模式结构图；

图5为不同换算转速n

图6为聚类后的压气机流量修正系数ΔW

图7为基于某型民用涡轴发动机试验数据的n

图8为基于某型民用涡轴发动机试验数据的n

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。显然，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。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了基于局部模型的涡轴发动机燃气涡轮转速信号重构方法，具体如图1所示。

步骤A、通过涡轴发动机流路分析，选取压气机至动力涡轮进口导向器组成的流路，利用现役涡轴发动机具有的压气机进口总压P

步骤A1，引气系统建模：

该建模对象的引气系统如图3所示，引气位置主要为压气机中间级引气和出口引气，用于冷却、封严等目的。引气流量∑W

∑W

压气机出口引气比焓即为压气机出口气流比焓，即

h

压气机中间级引气比焓h

h

式中，h

步骤A2，压气机建模：

由当前燃气涡轮转速n

式中：下标d表示设计点参数，下标cor表示换算参数。

通过压气机流量特性f

η

由变比热法计算出压气机进出口气流比焓h

式中，h、s和f分别代表气体的比焓、比熵和油气比，g

考虑到引放气，压气机出口流量为：

W

压气机所需功率为：

步骤A3，燃烧室建模：

在该局部模型中，燃烧室部件只需建立功率和流量传递方程，即

W

式中，H

步骤A4，涡轮建模：

涡轮模型包括从燃气涡轮进口掺混到动力涡轮进口掺混部分的流路计算。由于可以通过动力涡轮前总温传感器T

燃气涡轮进口导叶冷却气掺混过程的能量和流量交换过程可表示为：

W

燃气涡轮出口冷却气掺混的能量和流量交换过程可表示为：

W

W

动力涡轮进口导叶冷却气掺混的能量和流量交换过程可表示为：

W

燃气涡轮发出功率为：

L

步骤A5，转子动态模型：

由发动机原理可知剩余功率可表示为

ΔL(k)＝η

式中：η

将式(1)-(20)代入式(21)计算出剩余功率后，最终可以计算出燃气涡轮下一时刻转速n

式中：ΔL(k)为转子剩余功率，T

步骤B、当n

步骤B1.1，n

L

燃气涡轮输出功率可写为：

L

燃烧室能量交换可表示为：

核心机剩余功率为：

ΔL(k)＝L

将式(23)-(25)代入式(26)，则剩余功率可写为：

ΔL(k)＝W

步骤B1.2，分析式(27)可知，压气机特性中影响剩余功率ΔL(k)的只有压气机流量W

步骤B2.1，当n

式(28)中：上标～表示局部模型计算结果。采用牛顿-拉弗森方法迭代求解非线性方程，计算得到不同换算转速n

步骤B2.2，由于传感器存在噪声，计算得到的ΔW

步骤C、当ng信号发生故障时，模型进入重构模式，将使用经过修正的ng局部模型计算出高精度的ng重构信号；

为了验证该燃气涡轮转速信号重构方法的有效性，使用某民用涡轴发动机试验数据验证n

再断开n

最后进行实时性测试，在MicrosoftVisual C++平台上，CPU主频2.6GHz的计算机中运行，n

表1单步计算耗时(ms)

综上所述，本发明提供的新的涡轴发动机燃气涡轮转速信号重构方法，选取了涡轴发动机现有的部分有效传感器信息和部件，建立了燃气涡轮转速局部模型。通过机理分析对局部模型中的健康参数进行了解耦和在线估计，实现了局部模型的在线修正。利用某民用涡轴发动机试验数据验证表明，重构信号的稳态误差不超过0.25％，过渡态误差不超过0.33％，表明该信号重构方法具有高精度。且该方法不需要增加额外的传感器，实时性好，工程实用性强。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。