直升机旋翼系统的燃油消耗实时等效计算方法与流程

1.本发明涉及测量/测控技术领域，具体提供直升机旋翼系统的燃油消耗实时等效计算方法。


背景技术：

2.直升机在飞行过程中需要消耗燃油为旋翼提供能量以维持自身飞行状态，其为维持固定质量飞行状态消耗的燃油量与直升机机体质量有关；同时，直升机飞行过程中也需要发动机消耗燃油为各系统运行提供能量，以满足各系统运行功能，且在空气循环式的环控系统中，需要从发动机引气，引气过程不仅会导致发动机性能下降，还需要消耗燃油为其供给气压能。以往对其燃油流量的控制采用反馈控制，即根据功率消耗情况对燃油供给量进行控制，并未从方法思路上对其燃油供给量进行实时供给分析。
3.为了解决直升机飞行过程中燃油实时消耗量问题，本发明建立了一种适用于直升机飞行过程燃油实时消耗量的计算方法。


技术实现要素：

4.发明的目的：
5.本发明建立了直升机旋翼系统的燃油消耗实时等效计算方法，解决直升机飞行过程燃油实时消耗量问题。
6.技术方案：提供直升机旋翼系统的燃油消耗实时等效计算方法，其特征在于：
7.步骤1、获取旋翼输出功率preq和发动机燃油消耗率sfc；
8.维持直升机飞行状态的旋翼输出功率preq为废阻功率p
p
，型阻功率p
pr
，爬升功率p
c
以及诱导功率p
ind
的总和；计算i时刻的需用功率p
req
公式为：
[0009][0010]
其中，废阻功率p
p
，型阻功率p
pr
，爬升功率p
c
以及诱导功率p
ind
分别采用下式计算：
[0011][0012][0013][0014][0015]
其中，ρ为空气密度，v为直升机飞行速度，sc
d
为直升机机身垂直于飞行方向的等效截面积，m为直升机重量，g为重量加速度，γ为爬升角，ω
mr
为旋翼的角速度；σ＝n
b
c/(πr)为旋翼实度，n
b
为旋翼叶片数量，c为旋翼叶片弦长；为叶片拉力系数，r为直升机旋翼半径，μ＝v/(ω
mr
r)为旋翼前进比；
[0016]
结合运动方程首先求解出直升机旋翼拉力t以及诱导速度w
i
，方程如下：
[0017]
t＝2ρπr2v
d
w
i
[0018][0019]
其中，α为直升机旋翼桨盘的攻角；
[0020]
直升机飞行速度及爬升角随时间动态变化，根据运动方程建立直升机在前进方向和前进垂直方向的力学方程如下：
[0021][0022][0023]
将r、m、sc
d
的实时数值代入上式进行联立求解，即可得到飞行过程中的直升机旋翼拉力t以及诱导速度w
i
的实时数值，进而得出诱导功率诱导功率p
ind
；
[0024]
步骤2、基于旋翼输出功率preq，计算旋翼耗油量m(t)，公式为: [0025]
m1(t)为固定质量代偿，计算公式为：其中η
m
为机械传递效率、p
s
为系统轴功功率、η
t
为综合能量传递效率，综合能量为与机载设备所消耗能量、q
m,bl
为从发动机引气流量、c
p
为空气比热、ε
c
为燃烧完全系数、h
u
为燃油热值
[0026][0027]
m2(t)为输出轴功代偿，计算公式为：
[0028][0029]
m3(t)为发动机引气代偿，计算公式为：
[0030][0031]
进一步的，综合能量为与旋翼动力传递无关的设备消耗的能量。
[0032]
进一步的，综合能量为机载电子系统和液压系统所消耗能量。
[0033]
进一步的，机载电子系统包括导航系统和飞控系统。
[0034]
进一步的，液压系统包括液控阀、液压作动筒和液压泵。
[0035]
进一步的，发动机燃油消耗率sfc为常数。
[0036]
进一步的，液控阀和液压泵为供油系统的执行机构。
[0037]
进一步的，综合能量还包括飞机外挂电子系统和液压系统所消耗能量。
[0038]
直升机飞行过程中，发动机需要消耗燃油来运载机体固定质量，所需的燃油量随飞行状态动态变化，因运载机体固定质量而引起的燃油消耗主要受飞行任务包线、发动机性能曲线、直升机外形参数等影响。此外，发动机在向旋翼系统传递机械能的过程中，由于摩擦、碰撞等因素，其输出轴功总是大于旋翼系统维持飞行状态的需用功率。因此，直升机飞行过程中因运载机体固定质量而产生的燃油流率为固定质量代偿m1(t)；
[0039]
发动机需要消耗燃油来为子系统运行提供能量，各子系统功耗随直升机飞行过程动态变化，因此所需的燃油量也动态变化，因为子系统供能而引起的燃油消耗主要受飞行任务包线、发动机性能曲线、子系统功耗等影响。此外，子系统功耗大多为电能、机械能、液
压能，需首先将其功耗水平按能量传递、转换效率折算为发动机输出轴功大小，进而计算因为子系统供能而产生的燃油流率。因此，直升机飞行过程中因为子系统供能而产生的燃油流率为输出轴功代偿m2(t)；
[0040]
当从发动机引气时，减少了通过涡轮的气体流量，从而降低了涡轮转速和功率，为了恢复转速和功率，需要在涡轮入口处补充加热，提高涡轮入口处温度，对此需要增加额外的燃油。忽略为了运送这部分额外的燃油而消耗的燃油，则因发动机引气而产生的燃油流率为发动机引气代偿m3(t)：
[0041]
技术效果：
[0042]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0043]
1、提出了一种适用于直升机飞行过程燃油实时消耗量的计算方法；
[0044]
2、能实时对引起燃油消耗的各类功耗进行分类计算。
具体实施方式
[0045]
直升机旋翼系统的燃油消耗实时等效计算方法，其特征在于：
[0046]
步骤1、获取旋翼输出功率preq和发动机燃油消耗率sfc；
[0047]
维持直升机飞行状态的旋翼输出功率preq为废阻功率p
p
，型阻功率p
pr
，爬升功率p
c
以及诱导功率p
ind
的总和；计算i时刻的需用功率p
req
公式为：
[0048][0049]
其中，废阻功率p
p
，型阻功率p
pr
，爬升功率p
c
以及诱导功率p
ind
分别采用下式计算：
[0050][0051][0052][0053][0054]
其中，ρ为空气密度，v为直升机飞行速度，sc
d
为直升机机身垂直于飞行方向的等效截面积，m为直升机重量，g为重量加速度，γ为爬升角，ω
mr
为旋翼的角速度；σ＝n
b
c/(πr)为旋翼实度，n
b
为旋翼叶片数量，c为旋翼叶片弦长；为叶片拉力系数，r为直升机旋翼半径，μ＝v/(ω
mr
r)为旋翼前进比；
[0055]
结合运动方程首先求解出直升机旋翼拉力t以及诱导速度w
i
，方程如下：
[0056]
t＝2ρπr2v
d
w
i
[0057][0058]
其中，α为直升机旋翼桨盘的攻角；
[0059]
直升机飞行速度及爬升角随时间动态变化，根据运动方程建立直升机在前进方向和前进垂直方向的力学方程如下：
[0060]
[0061][0062]
将r、m、sc
d
的实时数值代入上式进行联立求解，即可得到飞行过程中的直升机旋翼拉力t以及诱导速度w
i
的实时数值，进而得出诱导功率诱导功率p
ind
；
[0063]
步骤2、基于旋翼输出功率preq，计算旋翼耗油量m(t)，公式为: [0064]
m1(t)为固定质量代偿，计算公式为：其中η
m
为机械传递效率、p
s
为系统轴功功率、η
t
为综合能量传递效率，综合能量为与机载设备所消耗能量、q
m,bl
为从发动机引气流量、c
p
为空气比热、ε
c
为燃烧完全系数、h
u
为燃油热值
[0065][0066]
m2(t)为输出轴功代偿，计算公式为：
[0067][0068]
m3(t)为发动机引气代偿，计算公式为：
[0069][0070]
综合能量为机载电子系统和液压系统所消耗能量。机载电子系统包括导航系统和飞控系统。液压系统包括液控阀、液压作动筒和液压泵。