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龙图腾网获悉西北工业大学申请的专利一种面向航空发动机滑油系统的建模与故障模拟方法获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN116050146B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2025-11-21发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202310059102.X，技术领域涉及：G06F30/20；该发明授权一种面向航空发动机滑油系统的建模与故障模拟方法是由闫星辉;徐雨蕾;唐羽中;任仕卿设计研发完成，并于2023-01-18向国家知识产权局提交的专利申请。

本一种面向航空发动机滑油系统的建模与故障模拟方法在说明书摘要公布了：本发明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。

本发明授权一种面向航空发动机滑油系统的建模与故障模拟方法在权利要求书中公布了：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： Qp理论＝Np·V＝N2i·V1 式中Np、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Np＝N2·i，V为泵排量；供油泵实际流量还受到容积效率ηv的影响： Qp实际＝Qp理论ηv2 对于供油系统部件2供油管路模型，供油管路阻力Δpa的计算公式如下： 式中La为管长，da为管内径，va为流速，ρoil为滑油密度，fa为摩擦系数，对于滑油粘性液体，均按计算，供油管路中滑油的雷诺数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Δpb理论计算公式如下所示： Δpb＝Δpb1+Δpb2＝K′ξ1Vb2ρoil2+ξ2Vb2ρoil25 式中Δpb1为滤芯阻力，Δpb2为壳体进口阻力损失，K′为雷诺数影响修正系数；Vb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，Qb为滑油流量，Ab为油滤滤网截面积； 设供油滤阻力特性计算式为： 式中kb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： ΔPs＝ΔP0φd0+ΔPip+ΔPNs8 其中ΔPs为散热器压降，ΔP0为管束压降，ΔPip为导流板压降，ΔPNs为壳程进口管嘴压降；各部分压降的计算方法如下式所示： 式中V为壳程流体质量流速；VNs为壳程导流板的出、入口处质量流速；ξ为壳程流体的圆管用摩擦阻力系数；φ为壳程流体粘度校正系数；ρ为壳程流体密度；D为壳体内径；n为折流板数；d为壳程当量直径；ξip为导流板阻力系数； 设伺服燃油加热器的阻力特性Δpc1和燃滑油散热器的阻力特性Δpc2计算式为： Δpc1＝kc112 Δpc2＝kc213 式中Q为滑油流量，kc1为伺服燃油加热器阻力特性系数，kc2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为喷嘴流量；C为流量系数；d为喷嘴孔径；Δp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Qa_0、喷嘴前节点处压力P、滑油密度ρoil和滑油粘度μ，喷嘴流量为Q＝fPu,Pb，前压Pu与管路节点处的压力P0相差一段管路损失Δpa即Pu＝Δpa+P0，而管路损失在管路物性参数给定情况下为Δpa＝fQa，管路流量与喷嘴流量应满足守恒Qd＝Qa，否则管路流量与喷嘴流量差值缩小一半Qa′＝Qa+Qd2，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Ppump_out、由公式2计算得到泵流量 其次，输入前轴承腔压Pd1、中轴承腔压Pd2、后轴承腔压Pd3和齿轮箱压力Pd4，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Δpa、油系统部件3油滤阻力Δpb、供油系统部件4伺服燃油加热器的阻力特性Δpc1和燃滑油散热器的阻力特性Δpc2，依据供油系统连接结构依次计算齿轮箱喷嘴前压Pu_4即 Pu_4＝P0-ΔPa-ΔPb-ΔPc1-ΔPc215 其中，P0为大气压力，ΔPa为供油管路阻力，Δpb为油滤阻力，Δpc2为燃滑油散热器的阻力特性，Δpc1为伺服燃油加热器的阻力特性； 后轴承腔喷嘴前压Pu_3即 Pu_3＝Pu_4-ΔPa16 其中，Pu_4为齿轮箱喷嘴前压，ΔPa为供油管路阻力； 中轴承腔喷嘴前压Pu_2即 Pu_2＝Pu_3-ΔPa17 其中，Pu_3为后轴承腔喷嘴前压，ΔPa为供油管路阻力； 前轴承腔喷嘴前压Pu_1即 Pu_1＝Pu_2-ΔPa18 其中，Pu_2为中轴承腔喷嘴前压，ΔPa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Qd1、中轴承腔喷嘴流量Qd2、后轴承腔喷嘴流量Qd3和齿轮箱喷嘴流量Qd4，并得到喷嘴总供油量Qd_all即 Qd_all＝Qd1+Qd2+Qd3+Qd419 其中，Qd1为前轴承腔喷嘴流量，Qd2为中轴承腔喷嘴流量，Qd3为后轴承腔喷嘴流量，Qd4为齿轮轴承腔喷嘴流量； 最后，比较喷嘴总供油量Qd-all与泵流量Qp实际来修正泵后压力，当喷嘴总供油量之和Qd-all小于泵流量时，就增大供油泵后出口压力Ppump_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switch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Δpe为两相流管路损失，Δpg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： Δpf＝k3Qf221 式中Qf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switch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×h22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Ptank0、步骤1中得到的前轴承腔喷嘴流量Qd1、中轴承腔喷嘴流量Qd2、后轴承腔喷嘴流量Qd3和齿轮箱喷嘴流量Qd4为前轴承腔供油量Q、中轴承腔供油量Q、后轴承腔供油量Q和齿轮箱供油量Q，进而各个部件供油量乘以油气比γ 其中，Q′为流经各轴承流量，Q为各个轴承的供油量，γ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Qall_回油＝Q前′+Q中′+Q后′+Q齿'的流量之和为主回路流量Qall_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、部件3回油滤的压力损失Δp，部件4滑油箱压力Ptank tank＝P主回路-Δp-Δp24 其中，P主回路为主回油路起点压力，Δpe为回油管路压力损失，Δpf为回油滤的压力损失； 最后，比较滑油箱的计算压力Ptank与设定滑油箱压力Ptank0，若相差大于阈值则修正回油泵后出口压力P回油′，若小于则停止迭代输出主回油压力P主回路； 步骤3：通风系统的建模 对于通风系统部件1封严篦齿模型根据封严气体压力、温度和轴承腔压力计算出封严泄漏量，篦齿封严气体泄漏量计算公式如下所示： 式中为泄露质量流量，A为流通面积，T1*为篦齿前气体温度；为泄露系数，其计算公式为： 式中为t齿尖厚度，c为封严间隙，N为齿数；为篦齿前压力，为篦齿后压力，Pa；k，、a为经验系数； 对于通风系统部件2通风管路阻力特性Δph的计算公式如下： 式中Lh为通风管路管长，dh为通风管路管内径，vh为通风管路流速，ρ0为空气密度，fh为摩擦系数，流质与管路材料对其均有影响，根据通风管路中气体的雷诺数Reh来计算，计算方法为： 空气密度ρ0根据理想气体状态方程得 式中为大气压强，V0为理想气体体积，n表示气体物质的量，t0＝-0.0059Hfly+18为气体摄氏温度，R为理想气体常数8.314Jmol·K，M为空气摩尔质量； 对于通风系统部件3，轴心通风器的拟合获得阻力特性Δpi模型，如下所示： Δpi＝0.0148N3+579.1Qa-44.5kPa28 式中N3为低压转子转速，Qa为通风气体质量流量； 篦齿泄漏量计算输出的是质量流量，而通风管路流阻特性计算输出的是体积流量，需要有两种流量的转化模块才能够将封严篦齿模型和通风管路连接起来，流量转化模块的计算公式如下所示： 上式中为体积流量，ρgas为气体密度； 对于通风系统迭代模块建立：首先，对于通风系统的迭代算法设计，通风系统模型是一个流量-压力模型，模型建立中的迭代计算可分为两部分，一是中、后轴承腔压力，二是各轴承腔压力； 一是中、后轴承腔压力，由于中轴承腔和后轴承腔的压力计算类似；先按照中后轴承腔的物理结构进行部件模型的搭建连接，中腔压力的迭代原则是压力平衡，首先，输入篦齿封严前温度T1*、篦齿封严前压力篦齿封严后压力篦齿齿数N、封严间隙c和流通面积A、齿尖厚度t及设定中轴承腔压力值P中，依照公式25、公式26计算通风系统部件1封严篦齿封严泄露质量流量其次，依照公式27计算中轴承腔至前轴承腔的通风流阻Δph，由得到中轴承腔压力Pd2即 Pd2＝Pd1+Δph30 其中，Pd1为前轴承腔压力，Δph为中轴承腔至前轴承腔的通风流阻； 最后，比较中轴承腔压力Pd2与设定中轴承腔压力值Pd2，若相差大于阈值则修正中轴承腔压力Pd2，若小于则停止迭代输出中轴承腔压力Pd2； 二是各轴承腔压压力计算，首先，输入各轴承腔篦齿封严前温度T1*、篦齿封严前压力篦齿封严后压力篦齿齿数N、封严间隙c和流通面积A、齿尖厚度t及设定前轴承腔压Pd1_0、中轴承腔压Pd2_0、后轴承腔压Pd3_0和齿轮箱压力Pd4_0，依照公式25、公式26分别计算各轴承腔的通风系统部件1封严篦齿气体泄露质量流量其次，依照公式27计算中轴承腔至前轴承腔的通风流阻Δph，后轴承腔至前轴承腔的通风流阻Δph′和齿轮箱至前轴承腔的通风流阻Δph″，由得到中轴承腔压Pd2、后轴承腔压Pd3和齿轮箱压力Pd4： Pd2＝P1+Δph，Pd3＝P1+Δph′,Pd4＝P1+Δph″31 其中，P1为前轴承腔压力，Δph为中轴承腔至前轴承腔的通风流阻，Δph′为后轴承腔至前轴承腔的通风流阻，Δph″为齿轮箱至前轴承腔的通风流阻； 依据公式28、公式29得到通风系统部件3轴心通风器的阻力特性Δpi而前轴承腔压力Pd1计算即 Pd1＝P0+Δpi32 其中，Pd1为前轴承腔压力，P0为大气压力，Δpi为轴心通风器的阻力特性； 最后，比较各轴承腔压力前轴承腔压Pd1、中轴承腔压Pd2、后轴承腔压Pd3和齿轮箱压力Pd4与设定前轴承腔压Pd1_0、中轴承腔压Pd2_0、后轴承腔压Pd3_0和齿轮箱压力Pd4_0，若相差大于阈值则修正设定前轴承腔压Pd1_0、中轴承腔压Pd2_0、后轴承腔压Pd3_0和齿轮箱压力Pd4_0，若小于则停止迭代输出前轴承腔压Pd1、中轴承腔压Pd2、后轴承腔压Pd3和齿轮箱压力Pd4； 步骤4：热力系统的建模 对于热力系统部件1轴承、齿轮，将轴承、齿轮生热量通过试验数据的线性插值来获取，所得计算公式如下所示： x号轴承发热量：H＝A·N2-B33 上式中N2为高压转子转速，H为对应部件生热量；A、B值由插值计算得到； 得到生热量后就能够计算出滑油流过发动机的温升ΔT，根据公式： 式中H为发动机的所有轴承和齿轮对滑油加热量，Cp为滑油比热容；m为滑油质量； 对于热力系统部件2滑油箱，滑油箱与外界环境进行换热，滑油与箱体以热传导形式进行换热，继而箱体与外界环境进行对流换热整个换热过程的传热计算公式如下所示： 式中h1为空气的导热系数，δ为箱壁厚度；t1为当地大气温度，当地大气温度根据文献中的大气温度随高度变化数据表查表插值计算得到；t2为滑油箱内壁温度，A′为导热面积，在此等于滑油箱表面积，λ为箱体导热系数； 对于热力系统部件3伺服燃油加热器和燃油滑油散热器，滑油系统采用管壳式伺服燃油加热器和燃油滑油散热器，散热器换热特性试验数据进行插值来获得换热效率η； 相关试验中的换热效率定义式，如下式所示： 式中η为换热效率，T滑入为散热器入口滑油温度，T燃入为散热器入口燃油温度，T滑出为散热器出口滑油温度； 对于热力系统迭代算法建模：设定一个滑油供油温度T滑出，给定发动机工况参数为高压转子转速N2，由公式33计算出前轴承腔3个轴承生热量H1、H2、H3、中轴承腔生热量H4、后轴承腔生热量H5、3个齿轮箱生热量H6、H7、H8，流经轴承和齿轮的生热量之和为发动机生热量H；结合来源回油系统中得到前轴承腔流量Q前、中轴承腔流量Q中、后轴承腔流量Q后和齿轮箱流量Q齿，并由公式34计算其流经发动机的温升ΔT进而由式计算得到滑油流过生热部件后的回油温度T回油： T回油＝T滑出+ΔT37 然后依照公式35计算其在滑油箱的散热量φ，结合散热器入口燃油流量W、散热器出口滑油温度T滑出计算得到计算可得燃滑油散热器、伺服燃油加热器中的散热量q： q＝WCPT滑入-T滑出38 其中，W为散热器入口燃油流量，CP为滑油比热容，散热器入口燃油温度T滑入，T滑出为散热器出口滑油温度； 由散热器换热特性试验数据插值得换热效率η值带入由公式36计算滑油经散热部件散热后的温度，重新得到新滑油供油温度T滑出，将该供油温度与之前的假设值对比，若相等则迭代结束，不相等则修正假设值重新迭代； 步骤5：全系统的建模 滑油全系统以步骤1、步骤2、步骤3、步骤4建立的子系统模型为基础，协同子系统之间的数据交互：供油系统的计算依赖于通风系统输出的前轴承腔压Pd1、中轴承腔压Pd2、后轴承腔压Pd3和齿轮箱压力Pd4，回油系统和热力系统的计算依赖于供油系统计算出的供油泵后出口压力Ppump_out、滑油总供油量Qd_all、前轴承腔喷嘴流量Qd1、中轴承腔喷嘴流量Qd2、后轴承腔喷嘴流量Qd3和齿轮箱喷嘴流量Qd4，而热力系统计算出的供油温度T滑出、回油温度T回油又会影响供油、回油的滑油密度ρ、滑油运动黏度μ，从形成了与供油系统、回油系统一体的全系统模型计算； 全系统模型的输入参数主要与发动机工况有关，各处篦齿封严前压力篦齿封严后压力和篦齿封严前温度高压转子转速N2、低压转子转速N3和飞行高度Hfly，其中封严结构参数的篦齿齿数N、齿尖厚度t、封严间隙c和流通面积A、篦齿封严前压力篦齿封严后压力和篦齿封严前温度温度经过通风模型计算得到前轴承腔压Pd1、中轴承腔压Pd2、后轴承腔压Pd3、齿轮箱压力Pd4和回油模型得到的滑油箱压力Ptank，高压转子转速N2、散热器入口燃油流量W和散热器入口燃油温度T滑入经过热力学模型计算滑油供油温度T滑出、回油温度T回油，进而由这两部分输出参数带入油路系统模型的公式3、20得到系统各个油路处的供回油流量、滑油供油压力、供回油温度参数； 步骤六，对滑油系统常见故障进行全系统故障模拟仿真 故障模型考虑全系统模型、由滑油系统故障发生的机理和故障发生时泵、油滤、散热器导管元部件特征参数的变化规律，以及引起测点参数的变化规律而得到了泵轴断裂、油气分离器损坏、供油滤堵塞、伺服燃油加热器燃油泄漏、燃滑油散热器滑油管路堵塞、燃滑油散热器燃油泄漏和主回油滤堵塞7种类型，并选取供油泵容积效率ηv、滑油箱油位h、油滤流阻Δpb、滑油主路流量Qall_回油、换热效率η、发动机生热量H、滑油路流阻Δpc2、油滤流阻Δpf为8个特征参数调节设置，并仿真计算出测点参数值，各类故障的具体模拟调节设置方式设定如下表1所示： 表1故障特征参数及调节设置方式 最后，通过模拟仿真计算的参数值可以复现泵轴断裂、油气分离机构损坏、供油滤堵塞、回油滤堵塞、伺服燃油加热器燃油泄漏、燃滑油散热器燃油泄漏、燃滑油散热器堵塞7种故障发生时对应的元部件性能参数变化和测点信号变化，建立故障模型，完成对滑油系统的故障模拟。

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