航空发动机性能参数的处理方法和装置与流程

1.本发明涉及航空发动机领域，尤其涉及航空发动机性能参数的处理方法和装置。


背景技术：

2.在航空发动机的设计过程中，需要提供全包线范围内的性能参数随发动机转速变化关系的数据库，用于在航前预测本次飞行的燃油消耗量以及在飞行过程中下一航段的燃油消耗并计算剩余燃油量可供飞行的距离。
3.由于飞机的运行包线非常宽广，以某机型为例，其使用高度范围为-2000ft(英尺)～39800ft，温度范围为isa-70k～isa+40k，马赫数范围为0～0.9，发动机n1转速范围为0.2-1.0。为了保证插值计算的精度，通常选取高度的计算步长为1000ft，温度的计算步长为5k，马赫数计算步长为0.05，n1转速的计算步长为0.05，由此全包线范围内计算数据点约为30万个。此外考虑到不同的发动机工作状态(双发正常工作/单发失效)，不同的引气构型(空调包工作数、防冰引气开/关)，所有计算点共约为120万个，给发动机的设计带来了巨大的计算量，并且耗费大量的时间和人力进行数据处理。由于飞行管理软件对数据库的容量限制要求，按照上述模式提供的发动机数据包大小超出了限制容量。
4.由此需要一种改进的航空发动机性能参数的处理方案。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种航空发动机性能参数的处理方法，包括：获取关于发动机的多个数据点，每个数据点包括关于发动机的多个参数；将所述多个数据点中每个数据点的推力、燃油流量和转速换算到相同大气条件下以生成换算推力、换算燃油流量和换算转速；根据数据点的马赫数将所述多个数据点划分为多个数据点子集，其中每个数据点子集中的数据点具有相同的马赫数；以及针对每个数据点子集，使用所述换算推力、所述换算燃油流量和所述换算转速构建所述换算发动机推力和所述换算燃油流量相对于所述换算转速的拟合性能曲线。
6.进一步的，所述方法进一步包括，使用所构建的性能拟合曲线来预测所述发动机在飞行过程中的推力和燃油流量。
7.进一步的，每个数据点包括关于所述发动机的以下参数：推力、燃油流量、转速、马赫数、温度和高度。
8.进一步的，将所述多个数据点中每个数据点的推力、燃油流量和转速换算到相同大气条件下包括：使用发动机的进口压力和进口温度将推力、燃油流量和转速换算到相同大气条件下。
9.进一步的，所述相同大气条件包括海平面标准大气条件。
10.本发明还提供了一种航空发动机性能参数的处理装置，包括：用于获取关于发动机的多个数据点的模块，每个数据点包括关于发动机的多个参数；用于将所述多个数据点中每个数据点的推力、燃油流量和转速换算到相同大气条件下以生成换算推力、换算燃油
流量和换算转速的模块；用于根据数据点的马赫数将所述多个数据点划分为多个数据点子集的模块，其中每个数据点子集中的数据点具有相同的马赫数；以及用于针对每个数据点子集，使用所述换算推力、所述换算燃油流量和所述换算转速构建所述换算发动机推力和所述换算燃油流量相对于换算转速的拟合性能曲线的模块。
11.进一步的，所述装置包括用于使用所构建的性能拟合曲线来预测所述发动机在飞行过程中的推力和燃油流量的模块。
12.进一步的，每个数据点包括关于所述发动机的以下参数：推力、燃油流量、转速、马赫数、温度和高度。
13.进一步的，用于将所述多个数据点中每个数据点的推力、燃油流量和转速换算到相同大气条件的模块下包括：用于使用发动机的进口压力和进口温度将推力、燃油流量和转速换算到相同大气条件下的模块。
14.进一步的，所述相同大气条件包括海平面标准大气条件。
15.本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有以下技术优势：
16.本发明将发动机的数个性能参数(例如，推力、燃油流量、风扇转速)转换到相同的大气条件下以生成换算性能参数，并且利用发动机的如下特性：在相同马赫数下，换算推力和换算燃油量基本重合，与环境温度和高度无关，由此可按照马赫数将发动机的数据点划分为多个子集，对每个子集分别进行多项式拟合，得到关于每个马赫数的拟合曲线。在本发明中，可以增大温度和高度的采样步长，在保证数据精度的前提下，计算工况点数减少为原来的1/4，由此显著地提高了工作效率并节省了存储空间。
附图说明
17.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
18.图1是表示发动机的换算转速与换算推力之间的关系的示图。
19.图2是表示发动机的换算转速与换算燃油流量之间的关系的示图。
20.图3是根据本发明的航空发动机性能参数的处理方法的流程图。
21.图4是根据本发明的航空发动机性能参数的处理装置的示图。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的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。
23.发动机设计方通过在试车间对发动机进行实验，得到多个数据点(也称为工况点)，每个数据点包括发动机在一个操作状态(工况)下的多个参数，这些参数可包括高度、温度、转速、马赫数、推力和燃油流量等。例如，可以在试车间中，按照特定步长设定发动机的高度、温度、转速、马赫数(ma)，随后测量发动机的推力和燃油流量，由此可得到推力和燃油流量随各参数的特性曲线。
24.在现有技术中，发动机设计方可以将每个数据点的多个参数整理为一个查找表，
以供后续飞行过程中的参数预测使用。但是这需要大量的存储空间，并且预测时进行插值的处理量也非常大。
25.针对以上问题，本发明提出了一种对发动机的参数进行拟合的方案，节省了存储空间，并且大大降低了计算量。
26.具体而言，本发明获取关于航空发动机的多个数据点(例如，试车间数据点)。随后可将每个数据点中不同大气条件下的发动机参数(例如，转速、推力和燃油流量)转换到相同的大气条件下，并且根据马赫数对该多个数据点进行分类，针对每一类数据点(或即与每一个马赫数相关的数据点)使用换算参数(换算转速、换算推力和换算燃油流量)进行多项式拟合，分别确定换算推力和换算燃油流量相对于换算转速的拟合曲线。该拟合曲线可被用来根据发动机的性能参数(例如，马赫数、转速等)来预测其在飞行过程中的推力和燃油流量。
27.以下结合附图具体描述本发明的各个方面。
28.本发明的技术方案首先获取关于航空发动机的多个数据点，每个数据点可包括发动机的试车数据的多个参数，例如，高度、温度、马赫数、转速、推力和燃油流量等等。例如，每个数据点的格式可如表1所示：
29.高度温度马赫数转速推力燃油流量
30.表1
31.请注意，每个数据点所包括的参数的种类并不限于表1中所示的那些，也可包括其他参数。
32.不同的数据点可能是在不同的大气条件下获得的。如果大气条件不同，发动机的特性曲线也会发生变化。因此可以将不同大气条件下的发动机参数换算到相同大气条件下，例如，标准大气条件，诸如海平面标准大气条件。
33.以海平面标准大气条件为例，以下说明换算参数的具体方法。
34.发动机推力可如下换算：
[0035][0036]
其中，f
n,k
是换算发动机推力，
[0037]fn
是数据点中的发动机推力，
[0038]
p0是数据点中的进口气压(可用飞机的大气参数来表示)，
[0039]
p
std
是海平面标准大气压，即，101.325kpa。
[0040]
燃油流量可如下换算：
[0041][0042]
其中w
f，k
是换算发动机燃油流量，
[0043]
wf是数据点中的发动机燃油流量，
[0044]
p0是数据点中发动机的进口气压，
[0045]
p
std
是国际海平面标准大气压，101.325kpa，
[0046]
t0是发动机的进口温度，
[0047]
t
std
是国际海平面标准温度，即，288.15k。
[0048]
发动机的风扇转入可如下换算：
[0049][0050]
其中n
1，k
是换算的发动机转速，
[0051]
n1是数据点中的风扇物理转速，
[0052]
t0是发动机的进口温度，
[0053]
t
std
是国际海平面标准温度，即，288.15k。
[0054]
申请人经过对大量的发动机参数进行分析，将不同高度、温度、马赫数和转速下的推力和燃油流量数据整理成换算参数的形式，经过分析，发现马赫数、换算推力f
n，k
、换算燃油流量w
f，k
随换算转速n
1，k
的变化关系：在相同的马赫数下，环境温度和高度对换算推力f
n，k
和换算燃油容量w
f，k
的影响很小。
[0055]
如图1所示，分别示出了ma＝0、ma＝0.4以及ma＝0.8下，换算推力f
n，k
与马赫数、换算转速n
1，k
、高度和温度的关系。可以将不同高度、温度和马赫数下的换算转速n
1，k
和换算推力f
n，k
作为坐标点绘制在图1中。从图1中可看出，在相同的马赫数下，不同高度和温度下的换算推力f
n，k
随换算转速n
1，k
的曲线基本上是重合的。换言之，在相同的马赫数下，环境温度和高度对换算推力f
n，k
的影响很小，可以忽略不计。
[0056]
如图2所示，分别示出了ma＝0、ma＝0.2、ma＝0.6以及ma＝0.8下，换算燃油流量w
f,k
与马赫数、换算转速n
1,k
、高度和温度的关系。可以将不同高度、温度和马赫数下的换算转速n
1,k
和换算燃油流量w
f,k
作为坐标点绘制在图2中。从图2中可看出，在相同的马赫数下，不同高度和温度下的换算燃油容量w
f,k
随换算转速n
1,k
的曲线基本上是重合的。换言之，在相同的马赫数下，环境温度和高度对换算燃油容量w
f,k
的影响很小，可以忽略不计。
[0057]
因此，在马赫数和发动机风扇的换算转速n
1,k
相等时，发动机的工作状态(换算推力和换算燃油容量)相似，可以不考虑飞行高度和环境温度的影响。由此在获取发动机的数据点时，可以增大数据点的高度和温度的计算步长。例如，高度的计算步长可由1000ft增至3000ft，温度的计算步长可由5k增至10k。由此可减少数据点的获取和计算工作量，并节省数据库的存储空间。
[0058]
请注意，本文中所述的参数的“计算步长”指的是获取参数以进行后续处理的步长。
[0059]
进一步，本发明根据马赫数对航空发动机的多个数据点进行分类。例如，其中马赫数相同的数据点可被分到一个数据点子集中。
[0060]
例如，当马赫数范围为0-0.9并且马赫数的计算步长为0.05时，可将所获取的多个数据点划分为19个数据点子集，例如，马赫数为0的数据点子集，马赫数为0.05的数据点子集、马赫数为0.1的数据点子集、
……
、以及马赫数为0.9的数据点子集。
[0061]
随后可以针对每个数据点子集，对图1和2中每个马赫数对应的曲线带进行多项式拟合，即对相同马赫数下，不同高度和温度下的换算推力、换算燃油流量与换算转速的曲线带进行多项式拟合，获得与该数据点子集相关的马赫数下的换算推力、换算燃油流量与换算转速的拟合曲线。
[0062]
多项式拟合可以使用matlab或excel软件来实现。
[0063]
例如，针对每个马赫数，可获得关于经转换推力f
n,k
和经转换燃油流量w
f,k
的以下
拟合曲线关系式：
[0064][0065][0066]
在一个示例中，ma＝0,m＝6。
[0067]
可以使用多个试车数据点来进行曲线拟合，分别确定式(4)和式(5)中的系数ai和bi。
[0068]
例如，当马赫数范围为0-0.9并且马赫数的计算步长为0.05时，可分别得到19条转换推力f
n,k
的拟合曲线和转换燃油流量w
f,k
的拟合曲线。这些拟合曲线可被用来预测发动机在飞行过程中的推力和燃油流量。相比于现有技术中的查找表方法，本发明提供的拟合曲线大大地节省了存储空间。
[0069]
基于统计学原理，能够表征整个航段内采用换算的参数预测所带来的误差是整条曲线相对于原始数据的分散度，由此定义给定马赫数下换算参数的拟合公式得到的发动机参数(推力、燃油流量)相对于原始参数的分散度为：
[0070][0071]
其中δ为给定马赫数下换算参数的拟合公式得到的发动机参数(推力和燃油流量)相对于原始参数的相对误差，
[0072]
n为给定马赫数下的原始数据点数。
[0073]
经过申请人的测试，不同马赫数下的拟合得到的曲线关系式得到的推力相对于原始数据的分散度不超过3％，基本上满足飞行管理软件对数据精度的要求。
[0074]
表2为不同马赫数下的推力拟合曲线关系式相对于原始数据的分散度。
[0075]
ma00.40.8分散度1.35％2.09％2.88％
[0076]
表2
[0077]
所得到的拟合曲线可以被用来预测发动机在飞行中的推力和燃油流量。例如，可以选择与飞行中的发动机的马赫数相对应的拟合曲线(式(4)和式(5))，使用转换转速得到发动机的转换推力和转换燃油流量，进一步将得到的转换推力和转换燃油流量以及温度参数和高度参数(高度参数与气压相关)代入式(1)和式(2)得到原始大气条件下的推力和燃油流量的值，以用于预测功能。
[0078]
图3是根据本发明的航空发动机性能参数的处理方法的流程图。
[0079]
在步骤302，可获取关于发动机的多个数据点，每个数据点包括多个关于发动机的参数。
[0080]
具体而言，可以获得在试车间得到的关于发动机的多个试车数据点。每个数据点包括发动机在一个操作状态下的多个参数，包括高度、温度、转速、马赫数、推力和燃油流量等。
[0081]
在步骤304，可将该多个数据点中每个数据点的推力参数、燃油流量参数和转速参数换算到相同大气条件下以生成换算推力、换算燃油流量和换算转速。
[0082]
可以分别根据式(1)到式(3)，使用温度、进口气压(其可由发动机的高度参数推导出)参数将每个数据点的推力参数、燃油流量参数和转速参数换算到相同大气条件下，例如，海平面标准大气条件。
[0083]
在步骤306，可根据马赫数将所述多个数据点划分为多个数据点子集，其中每个数据点子集中的数据点具有相同的马赫数。
[0084]
可以根据马赫数对航空发动机的多个数据点进行分类。例如，其中马赫数相同的数据点可被分到一个数据点子集中。
[0085]
例如，当马赫数范围为0-0.9并且马赫数的计算步长为0.05时，可将所获取的多个数据点划分为19个数据点子集。
[0086]
在步骤308，可针对每个数据点子集，使用换算推力、换算燃油流量和换算转速构建换算发动机推力和换算燃油流量相对于换算转速的拟合性能曲线。
[0087]
如上所述，在相同的马赫数下，不同的环境温度和高度下的换算推力f
n，k
和换算燃油容量w
f，k
基本上是重合的，如图1和2所示。可以将图1和图2中对应于每个马赫数的曲线带进行多项式拟合，得到发动机推力和燃油流量相对于转速的拟合曲线。例如，当马赫数范围为0-0.9并且马赫数的计算步长为0.05时，可分别得到19条经转换推力f
n，k
的拟合曲线和经转换燃油流量w
f，k
的拟合曲线。
[0088]
在步骤310，可根据拟合曲线预测发动机在飞行过程中的推力和燃油流量。
[0089]
可以根据拟合曲线(式(4)和式(5))，使用转速参数分别得到发动机的换算推力和换算燃油流量。
[0090]
随后可以将得到的转换推力和转换燃油流量以及温度参数和高度参数(高度参数与气压相关)代入式(1)和式(2)得到原始大气条件下的推力和燃油流量的值。
[0091]
图4是根据本发明的航空发动机性能参数的处理装置400的示图。
[0092]
该装置400包括数据点获取模块402、参数换算模块404、数据点划分模块406、拟合曲线构建模块408和预测模块410。
[0093]
获取模块402用于获取关于发动机的多个数据点，每个数据点包括关于发动机的多个参数，例如，发动机的推力、燃油流量、转速参数、马赫数、温度和高度等。
[0094]
参数换算模块404用于将所获取的多个数据点中每个数据点的数个参数换算到相同大气条件下。
[0095]
例如，可将每个数据点的推力参数、燃油流量参数和转速参数换算到相同大气条件下，例如，海平面标准大气条件。
[0096]
数据点划分模块406用于根据数据点的马赫数将所述多个数据点划分为多个数据点子集。
[0097]
拟合曲线构建模块408用于针对每个数据点子集，使用换算推力、换算燃油流量和换算转速构建发动机推力和燃油流量相对于换算转速的性能拟合曲线。
[0098]
预测模块410用于使用所构建的性能拟合曲线来预测所述发动机在飞行过程中的推力和燃油流量。
[0099]
本文中所描述的功能可以在硬件、由处理器执行的软件、固件、或其任何组合中实现。如果在由处理器执行的软件中实现，则各功能可以作为一条或多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。其他示例和实现落在本公开及所附权利要求的范围
内。例如，由于软件的本质，以上描述的功能可使用由处理器执行的软件、硬件、固件、硬连线或其任何组合来实现。实现功能的特征也可物理地位于各种位置，包括被分布以使得功能的各部分在不同的物理位置处实现。
[0100]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制。尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所述领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围内。