2024年4月13日发(作者：费凌青)
第47卷第5期
2021年10月
航空发动机
Aeroengine
Vol.47No.5
Oct.2021
基于飞参数据的双轴涡轮发动机不稳定工作判读方法
罗云鹤，曾晓洁
（中航贵州飞机有限责任公司，贵州安顺561018）
摘要：为了通过飞参数据研判发动机工作情况,对双轴涡轮发动机工作特性进行分析，并提出一种基于飞参数据的双轴涡轮
发动机不稳定工作的判读方法。在双轴涡轮发动机正常工作时，高、低压转子换算转速差和低压转子换算转速之间存在确定的对
应关系，通过多架次飞参数据分析得以验证。在发动机气动失稳后这种对应关系会改变，可以通过分析换算转速差和换算转速之
间的关系来研究发动机不稳定工作状态。将该判读方法应用于某次空中停车故障分析，结果表明：该方法简单易行，使用数据为
常用飞参数据，计算工作量小，可以很好地描述发动机不稳定工作的发展历程，与直接判读数据相比，可提前约20s发现发动机工
作偏离，较为准确地确定诱发原因，并可应用于发动机故障分析及预测。
关键词：双轴涡轮发动机；飞参数据；换算转速差；换算转速
中图分类号：V231文献标识码：Adoi：10.13477/gine.2021.05.001
InstabilityDetectingMethodofaTwin-spoolGasTurbineEnginebasedonFlightData
LUOYun-he，ZENGXiao-jie
（AVICGuizhouAircraftCorporationLTD，AnshunGuizhou561018，China）
thetwin-spoolgasturbineenginewascarriedout，andamethodfordetectingtheinstabilityofthetwin-spoolgasturbineenginewaspro⁃
asadefinitecorrespondingrelationshipbetweenthenon-dimensionalrotationalspeeddifferenceof
lsoverifiedthroughtheanalysisofmultipleflightdatathatthiscorrespondingrelationshipwouldchangeafter
high-pressureandlow-pressurerotorandthenon-dimensionalrotationalspeedoflow-pressurerotorwhenthetwin-spoolgasturbineen⁃
tabilityoftheenginecouldbestudiedbyanalyzingtherelationshipbetweenthenon-di⁃
mensionectingmethodwasappliedinanalyzinganengine
ultsshowthatthismethodissimpleandeasy，thedatausedarecommonflightdata，andthecalculationwork⁃
edwiththedirectdetectdata，themethodcanfind
themomentofdepartingfromsteadystate20searlier，andthecausecanbedeterminedmoreaccurately，whichcanbeappliedtoengine
faultanalysisandprediction.
Keywords：twin-spoolgasturbineengine；flightdata；non-dimensionalrotationalspeeddifference；non-dimensionalrotationalspeed
Abstract：Inordertodetecttheworkingconditionoftheenginethroughtheflightdata，theanalysisoftheworkingcharacteristicsof
0引言
航空发动机空中停车严重危及飞行安全，对发动
测。飞参记录数据包括发动机工作参数和飞机的飞
行参数，是分析工作的基础，可以实现对发动机工作
过程的有效监控
[3]
，然而目前广泛使用的飞参记录中
的发动机工作相关参数少，通常只有油门位置、转速、
排气温度及滑油压力等。直接使用飞参数据分析非
机械故障发动机空停存在很大困难，尤其发动机工作
在慢车等较小状态时，不稳定工作较长时间后才能在
转速、排气温度等参数上得到反映，会误导对发动机
异常工作诱发原因的判断，不稳定工作发展条件的分
机空中停车分析和预防的关键在于对发动机不稳定
工作诱因和发展条件的分析和判断。发动机故障
数据多通过地面试验、实验室或仿真获得，使很多研
究成果难以对飞行中的发动机故障进行诊断
[2]
。飞
参数据能够直接反映飞行中发动机工作状态，使用飞
参数据可更加真实地研究发动机工作及进行故障预
[1]
收稿日期：2020-01-09基金项目：航空动力基础研究项目资助
作者简介：罗云鹤（1972），男，硕士，自然科学研究员，主要从事飞机机电系统、动力装置设计工作；E-mail：1319289140@。
引用格式：
罗云鹤，曾晓洁.基于飞参数据的双轴涡轮发动机不稳定工作判读方法[J].航空发动机，2021，47（5）：he，⁃
stabilitydetectingmethodofatwin-spoolgasturbineenginebasedonflightdata[J].Aeroengine，2021，47（5）：1-5.
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2
航空发动机
第47卷
析也会存在较大误差，直接影响到空中停车的机理分
析和预防措施的准确性。
目前使用飞参数据进行发动机故障诊断研究主
要采用基于数据、模型、知识以及相互融合的方
法
[4-6]
。于建立
[7]
制定飞参判据，通过计算机判断常规
发动机故障；赵鹏等
[8]
利用专家系统人工智能技术开
发了飞机发动机故障诊断专家系统，通过发动机状态
参数智能诊断实现故障定位。由于发动机工作状态
复杂，故障模式多，智能故障诊断具有局限性。李万
泉等采用数字滤波技术对飞参数据进行预处理；高
峰等
[10]
基于历史飞参数据及飞参数据之间的关系，对
发动机转子及传动系统、燃油及操纵系统、滑油系统
进行故障预报；李映颖等
[11]
应用RBF神经网络基于历
史飞行数据建立发动机性能模型，对发动机健康状态
进行诊断和预测。以上方法要求发动机模型精确性
较高、计算量大、测量的参数较多、飞行环境的一致性
较好，实际应用效果不理想。
如何使用较少的飞参记录的参数且能较为准确
地分析发动机不稳定工作发展历程是目前迫切需要
解决的问题。本文基于双轴涡轮发动机工作特性提
出一种适用于该发动机不稳定工作的判读方法，通过
转
速
[9]
q(λ
1.5
)=π
*
kl
k+1
2k
=
q(λ
1
)A
1
A
1.5
（3）
式中：截面1为低压压气机入口截面；截面1.5为高压
压气机入口截面；q（λ）为截面的流量函数；A为截面
π
*
面积；P
*
为截面总压；T
*
为截面总温；
kl
为低压压气机
η
*
增压比；
kl
为低压压气机效率。
从式（2）、（3）中可见，高、低压压气机流通能力相
互制约。在确定进口条件下，高、低压压气机q（λ）与
其转速成正比，当低压转速n
L
确定，其气动函数q（λ
1
）
和增压比
π
*
所以高压压气机的气动函
kl
也能够确定，
数q（λ
1.5
）也惟一确定，高压压气机转速n
H
也与之一一
对应。因此对应确定的低压转子转速n
L
、高压转子转
速n
H
单值确定。
在实际应用中，常用转速差Δn=n
H
-n
L
来描述高、
低压转速之间的关系。转速差随着发动机状态改变
而变化。当低压转速n
L
降低，其增压比
π
*
kl
也随之降
低，q（λ
1
）相较q（λ
1.5
）减小更快，对应的低压转速n
L
也相
较高压转速n
H
降低更快，转速差增加，如图1所示。
1.05
1.00
0.95
0.90
0.85
0.80
0.75
204060
推力/%
80100
n
L
n
H
对飞参记录的发动机高、低压转子转速处理，并与正
常发动机数据进行比较、分析，以期准确地反映发动
机不稳定发展历程。
1双轴涡轮发动机转速差变化特点
现代压气机设计增压比一般较高。低压压气机
由低压涡轮驱动形成低压转子，高压压气机由高压涡
轮驱动形成高压转子。与单轴涡轮发动机相比，双轴
涡轮发动机可以减缓发动机状态改变时压气机前后
级之间的不协调。
高、低压2个转子之间虽然没有机械联系，但是在
给定调节规律下，2个转子的参数之间存在对应的单值
关系，这是由二者之间存在确定的气动联系决定的
[12]
。
流过高、低压压气机的空气流量相等，即
*
q(λ
1.5
)A
1.5
P
1.5
图1双轴涡轮发动机高、低压转子变化
所以在确定的进口条件下，转速差可与低压转速
单值对应，且成反比关系
以上分析是在发动机固定几何条件下。当喷口
面积改变时，涡轮落压比发生变化，高、低压转子变化
关系也将发生改变
[13]
，如图2所示。
对应于相同的低压转速，在大喷口状态下高压转
速低，在小喷口状态下高压转速高，但是对于确定喷
口状态，转速差与低压转速仍保持单值对应。
最大喷口状态
最小喷口状态
其他喷口状态
Δn=f（）
1
n
L
Δn=f（）
2
n
L
Δn=f（）
x
n
L
（5）
（6）
（7）
Δn=f（n
L
）（4）
T
*
1.5
=
*
q(λ
1
)A
1
P
1
T
*
1
（1）
-1
q(λ
1.5
)=
q(λ
1
)A
1
π
*
kl
A
1.5
1+
π
k-1
*
k
kl
η
*
kl
（2）
对于等熵压缩，式（2）可以简化为
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第5期
罗云鹤等：基于飞参数据的双轴涡轮发动机不稳定工作判读方法
3
之间关系，在相同发动机工作状态下，进口条件差异
最大喷口
导致对应的转速差不同，给使用转速差判断带来不便。
根据压气机相似准则，当压气机几何、流场和动
力相似时，其工作特性将适用于任何进口条件。对于
不同飞行条件，如大气温度、飞行高度和飞行速度差
最小喷口
n
L
T
1
*
异，都可以归结为进气条件P
1
和T
1
的差异，因此使用
相似参数描述的发动机高、低压转速差变化特性可以
适用于不同飞行条件。
对于同一台压气机或压气机几何尺寸完全相同
时，换算到海平面标准大气条件下的参数换算转速
n
hs
和换算流量W
ahs
可以作为压气机相似准则
n
hs
=n
288.15
T
1
*
**
n
H
T
*
1
图2不同喷口状态发动机高、低压转子变化
从以上讨论可知，在确定进口条件下，发动机几
何条件相同，双轴涡轮发动机稳定工作转速差与其低
压转速单值对应，且成反比关系。
在发动机实际工作过程中，当其转速差-低压转
速曲线与相同条件下的正常曲线偏离时，意味着发动
机开始偏离稳定工作状态。当高、低压转子转速差减
小，意味着高压转子换算转速降低，导致高压压气机
进气攻角减小，在低转速、小状态下，攻角减小和转速
降低都会导致高压压气机功减小，即高压压气机抽吸
能力降低，双转子防喘能力降低，发动机稳定工作裕
度降低。偏离在一定范围内，高、低压转子可以根据
各自负荷自动调整其转速，使转速差恢复；当转速差
偏离较大时，高压压气机抽吸能力降低无法维持发动
机正常工作，最终发动机将进入不稳定工作状态。
对于低压转速的确定，随着发动机转速差减小，
发动机稳定工作裕度降低。王华青等
[14]
研究了转差
线上下界限对发动机的稳定性、可靠性和性能的影
响。在发动机较小工作状态下或外界扰动较小时，发
动机进入不稳定工作通常不是瞬时的，往往要经过一
段时间发展才能在发动机工作参数（转速、排气温度
等）上有所体现，因此通过分析发动机转速差与低压
转速对应关系，可以清晰描述发动机进入气动不稳定
工作发展历程，更为准确地确定诱发因素。对于发动
机快速进入不稳定工作的情况，如失速机动飞行，飞
机姿态变化剧烈，进气畸变严重，由于时间历程较短，
诱发因素较为清晰，使用发动机转速差与低压转速对
应关系分析的优势则不明显。
（8）
（9）
101325
W
ahs
=W
a
*
P
1
对于双轴涡轮发动机，将低压转速和转速差换算
到海平面标准大气条件后，其对应关系就可以适用于
发动机几何条件不发生变化时的各种飞行状态，不同
几何条件分别适用于不同函数关系
换算转速差
换算低压转速
Δn
hs
=Δn
Δn
Lhs
=n
L
Δn
hs
=f
x
(n
Lhs
)
288.15
T
1
*
T
1
*
288.15
（10）
（11）
（12）
288.15
T
1
*
从以上讨论中可知，对于仅喷口可调的发动机而
言，在喷口状态确定的情况下，双轴发动机稳定工作
时
Δn
hs
与
n
Lhs
之间存在确定的单值对应关系。通过对
某型飞机约70架次飞参数据统计分析也可以得出这
Δn
Lhs
关系曲线重合性较好，而不同发动机之间的
Δn
hs
-
n
Lhs
关系曲线存在一定偏差。
一结论。对于同一台发动机不同架次飞行，其
Δn
hs
-
发动机由于非机械原因进入不稳定工作状态，通
常会改变
Δn
hs
与
n
Lhs
之间对应关系，因此通过比较发
动机异常工作和正常工作时的
Δn
hs
与
n
Lhs
关系，能够
较好地描述发动机不稳定工作的发展历程。
因此，当双轴发动机发生空中停车后，可以利用
飞参记录发动机高、低压转速和大气总温，绘出发动
机实际工作过程中
Δn
hs
与
n
Lhs
关系曲线，并与该发动
机稳定工作时
Δn
hs
与
n
Lhs
关系曲线进行比较、分析，通
失稳的发展历程。
过换算转速差的偏离可以较好地观察到发动机气动
2发动机进口条件修正
在实际飞行中，由于飞行条件的变化，压气机进
口条件也将发生改变，影响发动机转速差与低压转速
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4
航空发动机
第47卷
3应用与验证
某型飞机配装1台双轴发动机，在高空油门收至
点，与飞参记录的低压转速掉转、高压转速悬挂、排气
温度升高时刻相对应。
动机不稳定工作的发展历程。油门杆收至慢车、发动
机节流是导致换算转速差开始偏离的重要因素，收油
门后的工作状态为换算转速差进一步偏离创造了条
件，到飞参记录异常点偏离量达到最大，曲线出现明
显折点，不再满足发动机气动稳定条件，此时发动机
工作参数出现异常，最终导致空中停车。不同发动机
包容
Δn
hs
偏离量也不相同。
根据以上分析，改变油门杆收慢车时的工作条件
或收慢车后的工作条件，可以避免发动机进入气动不
排
气
温
度
/
℃
慢车位置并保持，此时飞机攻角和侧滑角均较小，逐
渐降低高度，飞行马赫数变化较小。根据飞参记录，
油门收至慢车20s后，发动机出现低压转速掉转、高
压转速悬挂、排气温度升高等现象，可以判断发动机
已进入不稳定工作状态，直至发生空中停车。采用常
规的飞参曲线直观分析法记录的发动机参数变化
情况如图3所示。
[15]
图4中
Δn
hs
-
n
Lhs
关系曲线较好地描述了本次发
转
速
/
%
、
油
门
位
置
（
/
°
）
稳定工作状态，避免空停发生。飞行马赫数是影响发
动机节流和节流后稳定工作的重要因素，为了进一步
验证，其他条件保持不变，降低油门杆收慢车时的飞
行马赫数，其
Δn
hs
-
n
Lhs
关系曲线如图5所示。
12
10
8
6
4
其他架次
验证架次1
油门收至
慢车位置
低压转速
油门位置
高压转速
排气温度
30010
相对时间/s
20
图3发动机参数变化
换
算
转
速
差
/
%
根据飞参记录中的发动机工作参数、飞行姿态、
马赫数、高度等参数，只能判断出发动机在油门杆收
慢车位置20s后进入不稳定工作状态，但无法判断其
诱发原因及发展。
根据飞参记录数据计算高、低压转子换算转速差
和低压换算转速，绘出该架次
Δn
hs
-
n
Lhs
关系曲线；读
取该机其他正常飞行架次飞参记录数据，选择发动机
喷口状态相同的记录数据计算得到该机其他架次
Δn
hs
-
n
Lhs
关系曲线，与空停架次关系曲线进行对比，
68707274
换算转速/%
7678
图5第1次验证架次
Δn
hs
-
n
Lhs
关系曲线
如图4所示。从图中可见，以正常飞行架次
Δn
hs
与
由于破坏了转速差偏离条件，可见换算转速差未
发生偏离，飞参记录参数无异常，发动机工作稳定。
第2次验证飞行，其他条件不变，也未改变油门
杆收慢车时工作条件，但是油门杆收至慢车后马赫数
较快降低，与空停架次油门收至慢车后马赫数变化情
况明显不同，其
Δn
hs
-
n
Lhs
关系曲线如图6所示。
由于破坏了转速差继续偏离的发展条件，可见
n
Lhs
关系曲线为基准，在空停架次油门杆收至慢车位
Δn
hs
已经开始偏离其他架次的基准曲线，置后，且偏
Δn
hs
变化出现明显折离趋势逐渐增大。至20s后，
11
换
算
转
速
差
/
%
9
油门收至慢车
7
5
飞参记录异常点
其他架次
空停架次
Δn
hs
偏离达到空停架次最大偏移量约60%后，逐渐回
归，曲线没有出现转折点，飞参记录参数没有反映出
异常，发动机工作稳定。
通过以上分析和验证可知，降低收慢车时飞行马
赫数或收慢车后飞行马赫数较快降低，均可以避免该
机空中停车的发生。
根据以上应用和验证，采用换算转速差-换算转
676971
图4空停与正常飞机架次
Δn
hs
-
n
Lhs
关系对比
7375
换算转速/%
7779
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第5期
12
10
8
6
4
罗云鹤等：基于飞参数据的双轴涡轮发动机不稳定工作判读方法
（14）：122-144.
其他架次
验证架次2
油门收至慢车
5
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转
速
差
/
%
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换算转速/%
7678
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图6第2次验证架次
Δn
hs
-
n
Lhs
关系曲线
chofaero-engineflightdatacriterion[J].ValueEngi⁃
速比较分析法，能够更加准确地描述出发动机异常工
作及其发展历程，特别能够较为准确地找到不稳定工
作起始点，较直接使用飞参记录参数分析具有明显优
势。通过对发展历程的精确描述，也便于精准、有效
地采取防范措施。
[8]赵鹏，蔡忠春，李晓明，等.某型飞机发动机故障诊断专家系统设计
[J].计算机测量与控制，2014，22（12）：3850-3852.
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4结束语
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Technology，2011，30（5）：115-117.（inChinese）
提出了换算转速差-换算转速比较分析法，通过对飞
参数据的计算分析，较好地描述了非机械故障发动机
不稳定工作发展历程，更早地发现发动机工作偏离，
可以为空中停车的分析提供依据。该方法简单易行，
还可以应用于发动机故障预测，通过机电计算机对测
量参数实时比较、分析、告警，可以有效减少空停事故
发生。
参考文献：
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（编辑：刘亮）
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Aeroengine
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摘要：为了通过飞参数据研判发动机工作情况,对双轴涡轮发动机工作特性进行分析，并提出一种基于飞参数据的双轴涡轮
发动机不稳定工作的判读方法。在双轴涡轮发动机正常工作时，高、低压转子换算转速差和低压转子换算转速之间存在确定的对
应关系，通过多架次飞参数据分析得以验证。在发动机气动失稳后这种对应关系会改变，可以通过分析换算转速差和换算转速之
间的关系来研究发动机不稳定工作状态。将该判读方法应用于某次空中停车故障分析，结果表明：该方法简单易行，使用数据为
常用飞参数据，计算工作量小，可以很好地描述发动机不稳定工作的发展历程，与直接判读数据相比，可提前约20s发现发动机工
作偏离，较为准确地确定诱发原因，并可应用于发动机故障分析及预测。
关键词：双轴涡轮发动机；飞参数据；换算转速差；换算转速
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LUOYun-he，ZENGXiao-jie
（AVICGuizhouAircraftCorporationLTD，AnshunGuizhou561018，China）
thetwin-spoolgasturbineenginewascarriedout，andamethodfordetectingtheinstabilityofthetwin-spoolgasturbineenginewaspro⁃
asadefinitecorrespondingrelationshipbetweenthenon-dimensionalrotationalspeeddifferenceof
lsoverifiedthroughtheanalysisofmultipleflightdatathatthiscorrespondingrelationshipwouldchangeafter
high-pressureandlow-pressurerotorandthenon-dimensionalrotationalspeedoflow-pressurerotorwhenthetwin-spoolgasturbineen⁃
tabilityoftheenginecouldbestudiedbyanalyzingtherelationshipbetweenthenon-di⁃
mensionectingmethodwasappliedinanalyzinganengine
ultsshowthatthismethodissimpleandeasy，thedatausedarecommonflightdata，andthecalculationwork⁃
edwiththedirectdetectdata，themethodcanfind
themomentofdepartingfromsteadystate20searlier，andthecausecanbedeterminedmoreaccurately，whichcanbeappliedtoengine
faultanalysisandprediction.
Keywords：twin-spoolgasturbineengine；flightdata；non-dimensionalrotationalspeeddifference；non-dimensionalrotationalspeed
Abstract：Inordertodetecttheworkingconditionoftheenginethroughtheflightdata，theanalysisoftheworkingcharacteristicsof
0引言
航空发动机空中停车严重危及飞行安全，对发动
测。飞参记录数据包括发动机工作参数和飞机的飞
行参数，是分析工作的基础，可以实现对发动机工作
过程的有效监控
[3]
，然而目前广泛使用的飞参记录中
的发动机工作相关参数少，通常只有油门位置、转速、
排气温度及滑油压力等。直接使用飞参数据分析非
机械故障发动机空停存在很大困难，尤其发动机工作
在慢车等较小状态时，不稳定工作较长时间后才能在
转速、排气温度等参数上得到反映，会误导对发动机
异常工作诱发原因的判断，不稳定工作发展条件的分
机空中停车分析和预防的关键在于对发动机不稳定
工作诱因和发展条件的分析和判断。发动机故障
数据多通过地面试验、实验室或仿真获得，使很多研
究成果难以对飞行中的发动机故障进行诊断
[2]
。飞
参数据能够直接反映飞行中发动机工作状态，使用飞
参数据可更加真实地研究发动机工作及进行故障预
[1]
收稿日期：2020-01-09基金项目：航空动力基础研究项目资助
作者简介：罗云鹤（1972），男，硕士，自然科学研究员，主要从事飞机机电系统、动力装置设计工作；E-mail：1319289140@。
引用格式：
罗云鹤，曾晓洁.基于飞参数据的双轴涡轮发动机不稳定工作判读方法[J].航空发动机，2021，47（5）：he，⁃
stabilitydetectingmethodofatwin-spoolgasturbineenginebasedonflightdata[J].Aeroengine，2021，47（5）：1-5.
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2
航空发动机
第47卷
析也会存在较大误差，直接影响到空中停车的机理分
析和预防措施的准确性。
目前使用飞参数据进行发动机故障诊断研究主
要采用基于数据、模型、知识以及相互融合的方
法
[4-6]
。于建立
[7]
制定飞参判据，通过计算机判断常规
发动机故障；赵鹏等
[8]
利用专家系统人工智能技术开
发了飞机发动机故障诊断专家系统，通过发动机状态
参数智能诊断实现故障定位。由于发动机工作状态
复杂，故障模式多，智能故障诊断具有局限性。李万
泉等采用数字滤波技术对飞参数据进行预处理；高
峰等
[10]
基于历史飞参数据及飞参数据之间的关系，对
发动机转子及传动系统、燃油及操纵系统、滑油系统
进行故障预报；李映颖等
[11]
应用RBF神经网络基于历
史飞行数据建立发动机性能模型，对发动机健康状态
进行诊断和预测。以上方法要求发动机模型精确性
较高、计算量大、测量的参数较多、飞行环境的一致性
较好，实际应用效果不理想。
如何使用较少的飞参记录的参数且能较为准确
地分析发动机不稳定工作发展历程是目前迫切需要
解决的问题。本文基于双轴涡轮发动机工作特性提
出一种适用于该发动机不稳定工作的判读方法，通过
转
速
[9]
q(λ
1.5
)=π
*
kl
k+1
2k
=
q(λ
1
)A
1
A
1.5
（3）
式中：截面1为低压压气机入口截面；截面1.5为高压
压气机入口截面；q（λ）为截面的流量函数；A为截面
π
*
面积；P
*
为截面总压；T
*
为截面总温；
kl
为低压压气机
η
*
增压比；
kl
为低压压气机效率。
从式（2）、（3）中可见，高、低压压气机流通能力相
互制约。在确定进口条件下，高、低压压气机q（λ）与
其转速成正比，当低压转速n
L
确定，其气动函数q（λ
1
）
和增压比
π
*
所以高压压气机的气动函
kl
也能够确定，
数q（λ
1.5
）也惟一确定，高压压气机转速n
H
也与之一一
对应。因此对应确定的低压转子转速n
L
、高压转子转
速n
H
单值确定。
在实际应用中，常用转速差Δn=n
H
-n
L
来描述高、
低压转速之间的关系。转速差随着发动机状态改变
而变化。当低压转速n
L
降低，其增压比
π
*
kl
也随之降
低，q（λ
1
）相较q（λ
1.5
）减小更快，对应的低压转速n
L
也相
较高压转速n
H
降低更快，转速差增加，如图1所示。
1.05
1.00
0.95
0.90
0.85
0.80
0.75
204060
推力/%
80100
n
L
n
H
对飞参记录的发动机高、低压转子转速处理，并与正
常发动机数据进行比较、分析，以期准确地反映发动
机不稳定发展历程。
1双轴涡轮发动机转速差变化特点
现代压气机设计增压比一般较高。低压压气机
由低压涡轮驱动形成低压转子，高压压气机由高压涡
轮驱动形成高压转子。与单轴涡轮发动机相比，双轴
涡轮发动机可以减缓发动机状态改变时压气机前后
级之间的不协调。
高、低压2个转子之间虽然没有机械联系，但是在
给定调节规律下，2个转子的参数之间存在对应的单值
关系，这是由二者之间存在确定的气动联系决定的
[12]
。
流过高、低压压气机的空气流量相等，即
*
q(λ
1.5
)A
1.5
P
1.5
图1双轴涡轮发动机高、低压转子变化
所以在确定的进口条件下，转速差可与低压转速
单值对应，且成反比关系
以上分析是在发动机固定几何条件下。当喷口
面积改变时，涡轮落压比发生变化，高、低压转子变化
关系也将发生改变
[13]
，如图2所示。
对应于相同的低压转速，在大喷口状态下高压转
速低，在小喷口状态下高压转速高，但是对于确定喷
口状态，转速差与低压转速仍保持单值对应。
最大喷口状态
最小喷口状态
其他喷口状态
Δn=f（）
1
n
L
Δn=f（）
2
n
L
Δn=f（）
x
n
L
（5）
（6）
（7）
Δn=f（n
L
）（4）
T
*
1.5
=
*
q(λ
1
)A
1
P
1
T
*
1
（1）
-1
q(λ
1.5
)=
q(λ
1
)A
1
π
*
kl
A
1.5
1+
π
k-1
*
k
kl
η
*
kl
（2）
对于等熵压缩，式（2）可以简化为
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第5期
罗云鹤等：基于飞参数据的双轴涡轮发动机不稳定工作判读方法
3
之间关系，在相同发动机工作状态下，进口条件差异
最大喷口
导致对应的转速差不同，给使用转速差判断带来不便。
根据压气机相似准则，当压气机几何、流场和动
力相似时，其工作特性将适用于任何进口条件。对于
不同飞行条件，如大气温度、飞行高度和飞行速度差
最小喷口
n
L
T
1
*
异，都可以归结为进气条件P
1
和T
1
的差异，因此使用
相似参数描述的发动机高、低压转速差变化特性可以
适用于不同飞行条件。
对于同一台压气机或压气机几何尺寸完全相同
时，换算到海平面标准大气条件下的参数换算转速
n
hs
和换算流量W
ahs
可以作为压气机相似准则
n
hs
=n
288.15
T
1
*
**
n
H
T
*
1
图2不同喷口状态发动机高、低压转子变化
从以上讨论可知，在确定进口条件下，发动机几
何条件相同，双轴涡轮发动机稳定工作转速差与其低
压转速单值对应，且成反比关系。
在发动机实际工作过程中，当其转速差-低压转
速曲线与相同条件下的正常曲线偏离时，意味着发动
机开始偏离稳定工作状态。当高、低压转子转速差减
小，意味着高压转子换算转速降低，导致高压压气机
进气攻角减小，在低转速、小状态下，攻角减小和转速
降低都会导致高压压气机功减小，即高压压气机抽吸
能力降低，双转子防喘能力降低，发动机稳定工作裕
度降低。偏离在一定范围内，高、低压转子可以根据
各自负荷自动调整其转速，使转速差恢复；当转速差
偏离较大时，高压压气机抽吸能力降低无法维持发动
机正常工作，最终发动机将进入不稳定工作状态。
对于低压转速的确定，随着发动机转速差减小，
发动机稳定工作裕度降低。王华青等
[14]
研究了转差
线上下界限对发动机的稳定性、可靠性和性能的影
响。在发动机较小工作状态下或外界扰动较小时，发
动机进入不稳定工作通常不是瞬时的，往往要经过一
段时间发展才能在发动机工作参数（转速、排气温度
等）上有所体现，因此通过分析发动机转速差与低压
转速对应关系，可以清晰描述发动机进入气动不稳定
工作发展历程，更为准确地确定诱发因素。对于发动
机快速进入不稳定工作的情况，如失速机动飞行，飞
机姿态变化剧烈，进气畸变严重，由于时间历程较短，
诱发因素较为清晰，使用发动机转速差与低压转速对
应关系分析的优势则不明显。
（8）
（9）
101325
W
ahs
=W
a
*
P
1
对于双轴涡轮发动机，将低压转速和转速差换算
到海平面标准大气条件后，其对应关系就可以适用于
发动机几何条件不发生变化时的各种飞行状态，不同
几何条件分别适用于不同函数关系
换算转速差
换算低压转速
Δn
hs
=Δn
Δn
Lhs
=n
L
Δn
hs
=f
x
(n
Lhs
)
288.15
T
1
*
T
1
*
288.15
（10）
（11）
（12）
288.15
T
1
*
从以上讨论中可知，对于仅喷口可调的发动机而
言，在喷口状态确定的情况下，双轴发动机稳定工作
时
Δn
hs
与
n
Lhs
之间存在确定的单值对应关系。通过对
某型飞机约70架次飞参数据统计分析也可以得出这
Δn
Lhs
关系曲线重合性较好，而不同发动机之间的
Δn
hs
-
n
Lhs
关系曲线存在一定偏差。
一结论。对于同一台发动机不同架次飞行，其
Δn
hs
-
发动机由于非机械原因进入不稳定工作状态，通
常会改变
Δn
hs
与
n
Lhs
之间对应关系，因此通过比较发
动机异常工作和正常工作时的
Δn
hs
与
n
Lhs
关系，能够
较好地描述发动机不稳定工作的发展历程。
因此，当双轴发动机发生空中停车后，可以利用
飞参记录发动机高、低压转速和大气总温，绘出发动
机实际工作过程中
Δn
hs
与
n
Lhs
关系曲线，并与该发动
机稳定工作时
Δn
hs
与
n
Lhs
关系曲线进行比较、分析，通
失稳的发展历程。
过换算转速差的偏离可以较好地观察到发动机气动
2发动机进口条件修正
在实际飞行中，由于飞行条件的变化，压气机进
口条件也将发生改变，影响发动机转速差与低压转速
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4
航空发动机
第47卷
3应用与验证
某型飞机配装1台双轴发动机，在高空油门收至
点，与飞参记录的低压转速掉转、高压转速悬挂、排气
温度升高时刻相对应。
动机不稳定工作的发展历程。油门杆收至慢车、发动
机节流是导致换算转速差开始偏离的重要因素，收油
门后的工作状态为换算转速差进一步偏离创造了条
件，到飞参记录异常点偏离量达到最大，曲线出现明
显折点，不再满足发动机气动稳定条件，此时发动机
工作参数出现异常，最终导致空中停车。不同发动机
包容
Δn
hs
偏离量也不相同。
根据以上分析，改变油门杆收慢车时的工作条件
或收慢车后的工作条件，可以避免发动机进入气动不
排
气
温
度
/
℃
慢车位置并保持，此时飞机攻角和侧滑角均较小，逐
渐降低高度，飞行马赫数变化较小。根据飞参记录，
油门收至慢车20s后，发动机出现低压转速掉转、高
压转速悬挂、排气温度升高等现象，可以判断发动机
已进入不稳定工作状态，直至发生空中停车。采用常
规的飞参曲线直观分析法记录的发动机参数变化
情况如图3所示。
[15]
图4中
Δn
hs
-
n
Lhs
关系曲线较好地描述了本次发
转
速
/
%
、
油
门
位
置
（
/
°
）
稳定工作状态，避免空停发生。飞行马赫数是影响发
动机节流和节流后稳定工作的重要因素，为了进一步
验证，其他条件保持不变，降低油门杆收慢车时的飞
行马赫数，其
Δn
hs
-
n
Lhs
关系曲线如图5所示。
12
10
8
6
4
其他架次
验证架次1
油门收至
慢车位置
低压转速
油门位置
高压转速
排气温度
30010
相对时间/s
20
图3发动机参数变化
换
算
转
速
差
/
%
根据飞参记录中的发动机工作参数、飞行姿态、
马赫数、高度等参数，只能判断出发动机在油门杆收
慢车位置20s后进入不稳定工作状态，但无法判断其
诱发原因及发展。
根据飞参记录数据计算高、低压转子换算转速差
和低压换算转速，绘出该架次
Δn
hs
-
n
Lhs
关系曲线；读
取该机其他正常飞行架次飞参记录数据，选择发动机
喷口状态相同的记录数据计算得到该机其他架次
Δn
hs
-
n
Lhs
关系曲线，与空停架次关系曲线进行对比，
68707274
换算转速/%
7678
图5第1次验证架次
Δn
hs
-
n
Lhs
关系曲线
如图4所示。从图中可见，以正常飞行架次
Δn
hs
与
由于破坏了转速差偏离条件，可见换算转速差未
发生偏离，飞参记录参数无异常，发动机工作稳定。
第2次验证飞行，其他条件不变，也未改变油门
杆收慢车时工作条件，但是油门杆收至慢车后马赫数
较快降低，与空停架次油门收至慢车后马赫数变化情
况明显不同，其
Δn
hs
-
n
Lhs
关系曲线如图6所示。
由于破坏了转速差继续偏离的发展条件，可见
n
Lhs
关系曲线为基准，在空停架次油门杆收至慢车位
Δn
hs
已经开始偏离其他架次的基准曲线，置后，且偏
Δn
hs
变化出现明显折离趋势逐渐增大。至20s后，
11
换
算
转
速
差
/
%
9
油门收至慢车
7
5
飞参记录异常点
其他架次
空停架次
Δn
hs
偏离达到空停架次最大偏移量约60%后，逐渐回
归，曲线没有出现转折点，飞参记录参数没有反映出
异常，发动机工作稳定。
通过以上分析和验证可知，降低收慢车时飞行马
赫数或收慢车后飞行马赫数较快降低，均可以避免该
机空中停车的发生。
根据以上应用和验证，采用换算转速差-换算转
676971
图4空停与正常飞机架次
Δn
hs
-
n
Lhs
关系对比
7375
换算转速/%
7779
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第5期
12
10
8
6
4
罗云鹤等：基于飞参数据的双轴涡轮发动机不稳定工作判读方法
（14）：122-144.
其他架次
验证架次2
油门收至慢车
5
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换
算
转
速
差
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%
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68707274
换算转速/%
7678
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图6第2次验证架次
Δn
hs
-
n
Lhs
关系曲线
chofaero-engineflightdatacriterion[J].ValueEngi⁃
速比较分析法，能够更加准确地描述出发动机异常工
作及其发展历程，特别能够较为准确地找到不稳定工
作起始点，较直接使用飞参记录参数分析具有明显优
势。通过对发展历程的精确描述，也便于精准、有效
地采取防范措施。
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提出了换算转速差-换算转速比较分析法，通过对飞
参数据的计算分析，较好地描述了非机械故障发动机
不稳定工作发展历程，更早地发现发动机工作偏离，
可以为空中停车的分析提供依据。该方法简单易行，
还可以应用于发动机故障预测，通过机电计算机对测
量参数实时比较、分析、告警，可以有效减少空停事故
发生。
参考文献：
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（编辑：刘亮）
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