航空涡轮轴发动机性能监测技术研究

论文摘要

现代航空发动机结构复杂,工作状态恶劣,属于故障多发系统,如何保障发动机健康稳定的工作,提高飞行安全性,一直是困扰国内外学者和研究人员的问题。针对这一问题,本文主要进行了涡轴发动机建模与性能监测方面的研究工作。根据获得的部件特性建立了某型涡轴发动机的气动热力计算稳态模型和动态模型,并使用NI控件技术设计了友好的仿真界面。在该涡轴发动机非线性模型的基础上,研究了建立状态变量模型(SVM)的方法,提出了自寻优法建立涡轴发动机状态变量模型,该方法克服了扰动法与拟合法的缺点,建模精度高。在各稳态点状态变量模型的基础上,结合稳态基点模型,分别采用插值法与拟合法建立了发动机大偏差状态变量模型,分别对发动机大偏差状态变量模型与非线性模型进行仿真,结果表明提高了大偏差状态变量模型精度。针对发动机在服役期内的性能蜕化,将涡轴发动机的压气机部件效率及燃气涡轮部件效率作为健康参数,建立了包含健康参数的增广状态变量模型(ASVM)。在单稳态点的ASVM基础上设置了卡尔曼滤波器,实现了对发动机健康参数的准确估计。根据发动机试验数据确定了R矩阵,分析了Q阵大小对发动机性能参数估计结果的影响。采用插值与拟合算法设计了大偏差状态变量模型中的卡尔曼滤波器,实现了对发动机健康参数的估计,检验了卡尔曼滤波器的估计精度。由于状态变量模型与真实发动机之间的建模误差,采用神经网络在线修正建模误差,有效地提高了该发动机大偏差状态变量模型的精度,为该型涡轴发动机性能监测与趋势分析的应用奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究发展状况
• 1.2.1 国外研究概况
• 1.2.2 国内研究概况
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 建立涡轴发动机部件级模型
• 2.1 概述
• 2.2 沿发动机流程的各部件气动热力计算
• 2.3 涡轴发动机稳态模型
• 2.3.1 稳态共同工作方程
• 2.3.2 稳态仿真控制参数及仿真流程
• 2.3.3 单点稳态仿真界面及仿真结果
• 2.3.4 多点稳态仿真界面及仿真结果
• 2.4 涡轴发动机动态模型
• 第三章 建立涡轴发动机状态变量模型
• 3.1 发动机状态变量模型
• 3.2 扰动法
• 3.3 优化拟合法
• 3.4 自寻优法
• 3.4.1 单谷函数
• 3.4.2 黄金分割寻优
• 3.4.3 自寻优法步骤
• 3.5 自寻优法的优点
• 3.6 建立涡轴发动机大偏差状态变量模型
• 3.6.1 建模原理
• 3.6.2 建模方法
• 3.6.3 仿真结果分析
• 第四章 基于发动机状态变量模型的性能趋势分析
• 4.1 增广状态变量模型
• 4.2 卡尔曼滤波器设计
• 4.3 卡尔曼滤波估计可观性
• 4.4 稳态点的卡尔曼滤波器估计
• 4.5 Q、R 的选取对卡尔曼滤波估计的影响
• 4.6 大偏差状态变量模型的卡尔曼滤波器估计
• C，Δη_GT 为效率变化量的估计'>4.7 Δη_C，Δη_GT为效率变化量的估计
• 4.7.1 估计方法
• 4.7.2 L , M 矩阵求取
• 4.7.3 估计结果
• 第五章 发动机大偏差状态变量模型的神经网络修正
• 5.1 问题的提出
• 5.2 神经网络的修正机制
• 5.3 BP 神经网络
• 5.4 神经网路修正后的效果分析
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文主要工作
• 6.2 下一步研究内容
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文