一种面向航空发动机滑油系统的建模与故障模拟方法技术方案

本发明专利技术涉及一种面向航空发动机滑油系统的建模与故障模拟方法，涉及航空航天技术领域。包括供油子系统、回油子系统、通风系统以及热力系统四个系统，先建立元部件模型，再建立通风、供油、回油和热力子系统模型，最后构成滑油全系统仿真模型。该发明专利技术可得到准确可靠的滑油系统数值仿真模型，并通过分析故障引起的系统参数变化，实现滑油系统故障模拟功能，为滑油系统优化设计与健康管理提供支撑，对我国航空发动机技术研究具有重要意义。空发动机技术研究具有重要意义。空发动机技术研究具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种面向航空发动机滑油系统的建模与故障模拟方法


[0001]本专利技术涉及航空航天
，特别涉及一种航空发动机滑油系统建模以及其故障模拟方法，该方法适用于航空发动机建模仿真与故障诊断。

技术介绍

[0002]随着先进航空发动机技术的发展，其滑油系统的地位也越来越凸显，成为了各大发动机研究机构研究的重点，滑油系统是保障发动机正常工作的重要附件，同时也是获得发动机健康信息的重要途径，在发动机健康管理中发挥重要作用。
[0003]目前已公开资料包括：苏立超等在《航空发动机润滑系统滑油压力仿真计算》研究了在商业软件Flowmaster下的供油子系统滑油压力数值仿真；朱鹏飞等在《航空发动机管路系统流动与换热的仿真平台》研究了MATLAB/Simulink下的液相管路的流动与换热的建模；刘振侠等在《航空发动机润滑系统通用分析软件开发》研究了供回油子系统流动与换热的计算；郁丽等在《节流通风的航空发动机轴承腔腔压计算方法》研究了通风系统轴承腔压的计算；刘波等在《构建航空发动机滑油系统稳态模型》研究了滑油系统的稳态模型，但需通过假设和经验公式来获得轴本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向航空发动机滑油系统的建模方法，其特征在于步骤如下：步骤1：供油子系统的建模；对于供油系统部件1供油泵，泵流量的理论计算公式为：Q
p理论
＝N
p
·
V＝N2i
·
V(1)式中N
p
、N2分别为泵转速和高压转子转速，i为发动机高压轴与供油泵轴的传动比，即N
p
＝N2·
i，V为泵排量；供油泵实际流量还受到容积效率η
v
的影响：Q
p实际
＝Q
p理论
η
v
(2)对于供油系统部件2供油管路模型，供油管路阻力Δp
a
的计算公式如下：式中L
a
为管长，d
a
为管内径，v
a
为流速，ρ为滑油密度，f
a
为摩擦系数，对于滑油等粘性液体，均按计算，雷诺数Re的计算如下式所示：式中μ为滑油运动黏度；对于供油系统部件3供油滤模型，油滤阻力Δp
b
理论计算公式如下所示：式中Δp
b1
为滤芯阻力，Δp
b2
为壳体进口阻力损失，K'为雷诺数影响修正系数；V
b
为网全部面积上的液流速度，ξ1为滤芯阻力系数，ξ2为壳体进口处局部阻力系数；使用试验数据拟合的方法获取油滤阻力特性，所以需要先确定流阻与流量的关系，式为：式中ξ＝K'ξ1+ξ2，Q
b
为滑油流量，A
b
为油滤滤网截面积；设供油滤阻力特性计算式为：Δp
b
＝k
b
Q
b2
(Pa)
ꢀꢀ
(7)式中k
b
为油滤阻力特性系数；供油滤处有压差开关量传感器，当供油滤压差过大时压差开关量发生变化，用于指示油滤堵塞，其中阈值为已知参数，所以供油滤模型除了计算流阻外还需输出压差开关量，压差开关量“1”代表油滤堵塞，“0”代表没有堵塞；对于供油系统部件4伺服燃油加热器和燃滑油散热的流阻模型，这两个换热器流阻特性计算公式如下：ΔP
s
＝ΔP0φd0+ΔP
ip
+ΔP
Ns
ꢀꢀ
(8)其中ΔP
s
为散热器压降，ΔP0为管束压降，ΔP
ip
为导流板压降，ΔP
Ns
为壳程进口管嘴压
降；各部分压降的计算方法如下式所示：各部分压降的计算方法如下式所示：各部分压降的计算方法如下式所示：式中V0为壳程流体质量流速；V
Ns
为壳程导流板的出、入口处质量流速；ξ0为壳程流体的圆管用摩擦阻力系数；φ0为壳程流体粘度校正系数；ρ
s
为壳程流体密度；D
s
为壳体内径；n
b
为折流板数；d
e
为壳程当量直径；ξ
ip
为导流板阻力系数；设伺服燃油加热器的阻力特性Δp
c1
和燃滑油散热器的阻力特性Δp
c2
计算式为：Δp
c1
＝k
c1
Q
c2
ꢀꢀ
(12)Δp
c2
＝k
c2
Q
c2
ꢀꢀ
(13)式中Q
c
为滑油流量，k
c1
为伺服燃油加热器阻力特性系数，k
c2
为燃滑油散热器阻力特性系数；对于供油系统部件5滑油喷嘴流量模型分为喷嘴物理模型和喷嘴迭代计算模块；喷嘴流量物理模型的滑油喷嘴流量计算公式如下所示：式中Q
d
为喷嘴流量；C
d
为流量系数；d
d
为喷嘴孔径；Δp
d
为喷嘴前压与背压之差；喷嘴的迭代算法模块建立为输入初始设定喷嘴前管路入口流量Q
a_0
、喷嘴前节点处压力P0、滑油密度ρ和滑油粘度μ，喷嘴流量为Q
d
＝f(P
u
,P
b
)，前压P
u
与管路节点处的压力P0相差一段管路损失Δp
a
即P
u
＝Δp
a
+P0，而管路损失在管路物性参数给定情况下为Δp
a
＝f(Q
a
)，管路流量与喷嘴流量应满足守恒Q
d
＝Q
a
，否则管路流量与喷嘴流量差值缩小一半Q a
'＝(Q
a
+Q
d
)/2，直到迭代计算两者相差小于阈值；对于供油系统部件6的旁通活门，活门的建模通过switch模块比较总压降与旁通活门的开启压力实现旁通活门的开启关闭；如果大于则旁通活门打开，活门开启标识符置为1，流阻即为活门开启压力，小于则将燃滑油散热器出口压力作为活门出口压力输出，活门开启标识符置为0；对于供油系统迭代模块建立；首先，由发动机转速传感器得到高压转子转速N2，设定供油泵后出口压力P
pump_out
、由公式(2)计算得到泵流量其次，输入前轴承腔压P
d1
、中轴承腔压P
d2
、后轴承腔压P
d3
和齿轮箱压力P
d4
，并根据公式(3)、(7)、(12)及(13)计算供油系统部件2供油管路阻力Δp
a
、油系统部件3油滤阻力Δp
b
、供油系统部件4伺服燃油加热器的阻力特性Δp
c1
和燃滑油散热器的阻力特性Δp
c2
，依据供油系统连接结构依次计算齿轮箱喷嘴前压P
u_4
即P
u_4
＝P0‑
ΔP
a
‑
ΔP
b
‑
ΔP
c1
‑
ΔP
c2
ꢀꢀ
(15)其中，P0为大气压力，ΔP
a
为供油管路阻力，Δp
b
为油滤阻力，Δp
c2
为燃滑油散热器的阻
力特性，Δp
c1
为伺服燃油加热器的阻力特性；后轴承腔喷嘴前压P
u_3
即P
u_3
＝P
u_4
‑
ΔP
a
ꢀꢀ
(16)其中，P
u_4
为齿轮箱喷嘴前压，ΔP
a
为供油管路阻力；中轴承腔喷嘴前压P
u_2
即P
u_2
＝P
u_3
‑
ΔP
a
ꢀꢀ
(17)其中，P
u_3
为齿轮箱喷嘴前压，ΔP
a
为供油管路阻力；前轴承腔喷嘴前压P
u_1
即P
u_1
＝P
u_2
‑
ΔP
a
ꢀꢀ
(18)其中，P
u_2
为齿轮箱喷嘴前压，ΔP
a
为供油管路阻力；由公式(14)及喷嘴迭代算法依次计算得到供油系统四个供油部位的前轴承腔喷嘴流量Q
d1
、中轴承腔喷嘴流量Q
d2
、后轴承腔喷嘴流量Q
d3
和齿轮箱喷嘴流量Q
d4
，并得到喷嘴总供油量Q
d_all
即Q
d_all
＝Q
d1
+Q
d2
+Q
d3
+Q
d4
ꢀꢀ
(19)其中，Q
d1
为前轴承腔喷嘴流量，Q
d2
为中轴承腔喷嘴流量，Q
d3
为后轴承腔喷嘴流量，Q
d4
为齿轮轴承腔喷嘴流量；最后，比较喷嘴总供油量Q
d
‑
all
与泵流量来修正泵后压力，当喷嘴总供油量之和Q
d
‑
all
小于泵流量时，就增大供油泵后出口压力P
pump_out
，反之则减小，反复迭代直到两者相差在允许范围内；步骤2：回油子系统的建模对于回油系统部件1回油泵模型，滑油系统的正常工作要求其泵前压力大于最低允许压力，当计算齿轮或者轴承压力损失后的泵前压力与最低允许压力通过swtich模块对比，大于最低允许压力则正常工作输出标识符“1”，反之输出“0”；对于回油系统部件2回油管路模型，管路流阻计算公式为：其中Δp
e
为两相流管路损失，Δp
g
为气体单相流管路损失，为修正系数；对于回油系统部件3回油滤的建模方法与供油滤相同，设回油滤流阻与回油流量关系的计算式为：Δp
f
＝k3Q
f2
ꢀꢀ
(21)式中Q
f
为回油流量，k3为回油滤的阻力特性系数；回油滤处有压差开关量传感器，用于指示油滤堵塞，当回油滤压差超过一定阈值时回油滤压差开关量发生变化，其中阈值为已知参数，所以回油滤模型输出压差开关量，开关量“1”代表油滤堵塞，“0”代表没有堵塞；判断选择通过swtich模块实现；对于回油系统部件4滑油箱油位模型，已知初始滑油量，根据管路圆柱体积V计算公式V＝S
×
h
ꢀꢀ
(22)其中，S为液体底面面积，h为液位高度或者长度；可依次计算供油、回油系统各段管路的体积，各段管路体积之和即为供油系统管路所
含的滑油量，得到供油、回油管路和各部件中包含的滑油量后，即可算出滑油箱中的滑油量，在给定滑油箱为长方体的情况下根据长方体体积公式(22)可计算滑油液面在箱体中的油位；对于回油系统迭代算法模块建立，首先，设定滑油箱压力P
tank0
、步骤1中得到的前轴承腔喷嘴流量Q
d1
、中轴承腔喷嘴流量Q
d2
、后轴承腔喷嘴流量Q
d3
和齿轮箱喷嘴流量Q
d4
为前轴承腔供油量Q
前
、中轴承腔供油量Q
中
、后轴承腔供油量Q
后
和齿轮箱供油量Q
齿
，进而各个部件供油量乘以油气比γ
g
即Q
′
＝Q
×
γ
g
ꢀꢀ
(23)其中，Q
′
为流经各轴承流量，Q为各个轴承的供油量，γ
g
为油气比；计算经过前轴承腔流量、中轴承腔流量、后轴承腔流量、齿轮箱流量由Q
all_回油
＝Q
前
′
+Q
中
′
+Q
后
′
+Q
齿
′
的流量之和为主回路流量Q
all_回油
；其次，假设主回油路起点压力P
主回路
，从主回油路起点根据公式(20)、公式(21)依次计算回油系统部件2回油管路压力损失Δp
e
、部件3回油滤的压力损失Δp
f
，部件4滑油箱压力P
tank
即P
tank
＝P
主回路
‑
Δp
e
‑
Δp
f
ꢀꢀ
(24)其中，P
主回路
为主回油路起点压力，Δp
e
为回油管路压力损失，Δp
f
为回油滤的压力损失；最后，比较滑油箱的计算压力P
tank
与设定滑油箱压力P
tank0
，若相差大于阈值则修正回油泵后出口压力P
...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫星辉，徐雨蕾，唐羽中，任仕卿，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：