航空发动机滑油系统建模、优化及应用研究

doi:10.16182/j.issn1004731x.joss.23-1599

摘要/Abstract

摘要：

针对基于试验方法开展滑油系统监测、诊断、预测等工作具备成本高、周期长等缺点，开展滑油系统仿真模型构建与优化并提出了模型在滑油系统健康管理中的应用。基于滑油系统元件物理特性，以某发动机滑油系统为例构建通风、供油、热力、回油等子系统模型，并开展了滑油全系统模型构建与迭代求解；结合粒子群、遗传算法对模型进行优化，对比优化结果表明粒子群算法具有较好的收敛性与优化效果，不同典型工况下滑油系统工作参数平均误差从10%以上降至2%左右，具有一定的准确性；基于模型的可扩展性，结合滑油系统健康管理要求分析模型在滑油监测、诊断、预测等方面的应用，为滑油系统的健康管理提供支撑。

关键词: 航空发动机, 滑油系统, 粒子群优化, 遗传算法, 健康管理

Abstract:

In response to the high cost and long cycle of using experimental methods for monitoring, diagnosing, and predicting lubricating oil system, a simulation model for oil system is constructed and optimized, and the application of the model in health management of oil system is proposed. Based on the physical characteristics of the components in the oil system, subsystem models for ventilation, oil supply, thermodynamics, and oil return are constructed using a certain engine oil system as an example, and the whole oil system model is constructed and solved iteratively. The model is optimized by combining particle swarm optimization and genetic algorithm. The comparative optimization results show that the particle swarm algorithm has good convergence and optimization effect. The average error of the working parameters of the oil system under different typical working conditions is reduced from more than 10% to about 2%, indicating a certain degree of accuracy. Based on the scalability of the model and combined with the requirements of health management in the oil system, the application of the model in oil monitoring, diagnosis, prediction, and other aspects is analyzed to provide support for the health management of the oil system.

Key words: aeroengine, oil system, particle swarm optimization, genetic algorithm, health management

中图分类号:

V233.4

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图/表 11

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参考文献 25

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滑油系统工作参数	标准起飞工况			最大巡航工况
滑油系统工作参数	Simulink 计算结果	Flowmaster 基准结果	相对误差/%	Simulink 计算结果	Flowmaster 基准结果	相对误差/%
平均绝对误差/%	10.94			17.40
前轴承腔压力/kPa	147.85	147.3	0.37	50.10	49.0	2.24
中轴承腔压力/kPa	180.70	180.3	0.22	65.95	68.4	-3.58
后轴承腔压力/kPa	177.85	177.3	0.31	64.15	66.8	-3.97
供油泵后压力/MPa	0.56	0.55	1.82	0.43	0.42	2.38
前轴承腔供油量/(L/min)	24.75	24.3	1.85	23.75	23.5	1.06
中轴承腔供油量/(L/min)	3.26	3.1	5.16	3.22	2.9	11.03
后轴承腔供油量/(L/min)	2.62	2.8	-6.43	2.58	2.7	-4.44
齿轮箱供油量/(L/min)	17.86	17.2	3.84	17.14	16.6	3.25
滑油总供油量/(L/min)	48.49	48.5	-0.02	46.69	46.4	0.63
主供油路温度/℃	75.13	106.3	-29.32	74.62	133.7	-44.19
主回油路温度/℃	103.01	134.4	-23.36	100.55	157.1	-36.00
前轴承腔回油温度/℃	107.12	135.0	-20.65	103.95	161.2	-35.51
中轴承腔回油温度/℃	106.67	138.5	-22.98	101.74	159.4	-36.17
后轴承腔回油温度/℃	88.75	118.9	-25.36	88.63	145.2	-38.96
齿轮箱回油温度/℃	98.73	127.2	-22.38	97.39	155.8	-37.49

滑油系统工作参数	标准起飞工况					最大巡航工况
滑油系统工作参数	Flowmaster基准结果	PSO 优化	相对误差/%	GA 优化	相对误差/%	Flowmaster基准结果	PSO 优化	相对误差/%	GA 优化	相对误差/%
平均绝对误差/%			2.11		2.02			1.98		2.79
前轴承腔压力/kPa	147.3	147.85	0.37	147.85	0.37	49.0	50.10	2.24	50.10	2.24
中轴承腔压力/kPa	180.3	180.70	0.22	180.70	0.22	68.4	65.95	-3.58	65.95	-3.58
后轴承腔压力/kPa	177.3	177.85	0.31	177.85	0.31	66.8	64.15	-3.97	64.15	-3.97
供油泵后压力/kPa	0.55	0.56	1.82	0.56	1.82	0.42	0.43	2.38	0.43	2.38
前轴承腔供油量/(L/min)	24.3	24.75	1.85	24.75	1.85	23.5	23.75	1.06	23.75	1.06
中轴承腔供油量/(L/min)	3.1	3.26	5.16	3.26	5.16	2.9	3.22	11.03	3.22	11.03
后轴承腔供油量/(L/min)	2.8	2.62	-6.43	2.62	-6.43	2.7	2.58	-4.44	2.58	-4.44
齿轮箱供油量/(L/min)	17.2	17.86	3.84	17.86	3.84	16.6	17.14	3.25	17.14	3.25
滑油总供油量/(L/min)	48.5	48.49	-0.02	48.49	-0.02	46.4	46.69	0.63	46.69	0.63
主供油路温度/℃	106.3	105.94	-0.34	106.43	0.12	133.7	130.64	-2.29	133.43	-0.20
主回油路温度/℃	134.4	130.39	-2.98	132.46	-1.44	157.1	157.11	0.01	156.37	-0.46
前轴承腔回油温度/℃	135.0	131.31	-2.73	135.97	0.72	161.2	161.01	-0.12	158.95	-1.40
中轴承腔回油温度/℃	138.5	137.56	-0.68	146.29	5.62	159.4	161.99	1.62	156.8	-1.63
后轴承腔回油温度/℃	118.9	123.17	3.59	121.31	2.03	145.2	144.65	-0.38	151.23	4.15
齿轮箱回油温度/℃	127.2	128.87	1.31	126.71	-0.39	155.8	152.66	-2.02	153.49	-1.48

序号	需求内容	重要度
1	具备滑油系统监视功能	必须
2	EHM应具有滑油系统工作参数、滑油金属碎屑数据的测量和记录功能	必须
3	通过监视滑油温度、压力、消耗水平、滑油杂质等，监测滑油系统被润滑部件的健康状况，包括磨损引起的发动机中央传动齿轮、附件机匣传动齿轮、主轴承故障等	必须
4	不能因单一传感器故障或漂移导致虚监测	必须
5	应在相关技术文件中明确基于滑油系统信号分析的故障预测判断标准和逻辑	需要
6	能够对滑油系统进行监测和记录，当参数处理后达到判断准则设定值，将该事件对应的时刻记录到EHM报表中；参数处理分为全状态和平稳飞行状态两种	必须
7	对后轴承腔故障、滑油泄露、轴承故障、调压活门等滑油系统故障进行记录和反馈	必须
8	对滑油系统后腔回油温度、后腔封严压差、供油压差、滑油消耗率、在线屑末等参数进行趋势分析	必须

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