基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能及預(yù)測(cè)衰退方法研究

張棟善

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院,陜西 西安 710000）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)系統(tǒng)中的重要組成部分，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且航空發(fā)動(dòng)機(jī)通常需要在高溫、高壓、高負(fù)荷等不利條件下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，這為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行帶來(lái)高難度考驗(yàn)。航空公司對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)與管理需要傾注諸多人力、物力、財(cái)力，承受較高壓力，以確保航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全可靠，避免發(fā)生故障，引發(fā)不必要的事故，并減少航空發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)成本。因此，為實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況的及時(shí)診斷與維修，航空公司應(yīng)建立相應(yīng)的決策支持體系，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能與衰退的檢測(cè)，協(xié)助制定切實(shí)有效的解決方案。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)特點(diǎn)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包括通過(guò)傳感器測(cè)量獲得的多個(gè)參數(shù)，主要有排氣溫度、燃油流量、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1以及高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N2等四個(gè)參數(shù)。這四個(gè)參數(shù)統(tǒng)稱(chēng)為氣路參數(shù)，它們會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能狀態(tài)的變化而產(chǎn)生影響，為方便統(tǒng)一敘述，后續(xù)將稱(chēng)為“參數(shù)測(cè)量值”。以上參數(shù)通過(guò)機(jī)載設(shè)備進(jìn)行收集，并在起飛和巡航階段以ACARS消息的形式傳送至地面系統(tǒng)。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間，需要完成的具體任務(wù)類(lèi)型決定了相應(yīng)飛行周期的運(yùn)行條件，例如：飛行高度、馬赫數(shù)等。發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件復(fù)雜多變，測(cè)量的性能參數(shù)經(jīng)常會(huì)根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的變化而同步更改。因此，不可能直接通過(guò)測(cè)量出的性能參數(shù)來(lái)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能[1]。

同理，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能參數(shù)也收其自身衰退及運(yùn)行情況所左右，但需要注意的是：發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能衰退所產(chǎn)生的影響通常情況下會(huì)被運(yùn)行狀況掩蓋。為了消除運(yùn)行條件對(duì)衰退預(yù)測(cè)的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的物理模型結(jié)合固定條件與狀態(tài)參數(shù)得出結(jié)論，并完成工況的修復(fù)。發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能可以用衰退來(lái)表征，主要表現(xiàn)方式包括排氣溫度偏差DEGT、高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏差DN2以及燃油流量偏差DFF等氣體路徑參數(shù)偏差。為了方便編寫(xiě)，本文將氣路參數(shù)和EGTM的統(tǒng)一稱(chēng)作“OEM參數(shù)”。以上參數(shù)能夠糾正工作條件的不良影響，并且能夠直接將發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰退狀況進(jìn)行反映。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰退狀態(tài)評(píng)價(jià)

2.1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能評(píng)價(jià)

為保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)能夠安全可靠地運(yùn)行，有必要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能與衰退情況進(jìn)行評(píng)估，向衰退預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持，以便開(kāi)展后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)與修理工作，上述流程也是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理的基礎(chǔ)。單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)引擎的維護(hù)費(fèi)用較高，航空公司應(yīng)結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)來(lái)確定最合理的維護(hù)周期。因此，想要獲取精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)結(jié)果，為維護(hù)決策提供正確有效的參數(shù)支持，就需要改進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)與衰退預(yù)測(cè)方法，正確有效的性能衰退狀態(tài)評(píng)估是保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行與維護(hù)方案規(guī)劃的基礎(chǔ)。

2.2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控

發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)主要用于監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并通過(guò)分析振動(dòng)參數(shù)的變化情況來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)損壞的初步診斷。由振動(dòng)情況導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)故障類(lèi)型包括轉(zhuǎn)子不平衡、軸承故障以及裂紋等。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的滑油分析是用來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)中與滑油接觸的零件的磨損狀態(tài)，它主要作用于組成齒輪、軸承、傳動(dòng)軸等機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估，監(jiān)測(cè)參數(shù)包括滑油壓力、油耗、油含量等?？滋郊夹g(shù)是檢查發(fā)動(dòng)機(jī)硬件損壞情況的主要手段之一，能夠檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部壓氣機(jī)與渦輪葉片表面的情況，主要優(yōu)點(diǎn)在于此技術(shù)不需要分解拆裝發(fā)動(dòng)機(jī)[2]。

氣路系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心組成部分。氣路監(jiān)控分析是指在發(fā)動(dòng)機(jī)氣路中布置一系列傳感器的基礎(chǔ)上，對(duì)相應(yīng)的氣路參數(shù)進(jìn)行收集，其中需要重點(diǎn)收集的參數(shù)包括速度、溫度、壓力等。對(duì)氣路參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的收集具有重要意義，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

首先，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)長(zhǎng)的不斷增加，損傷累積和結(jié)構(gòu)變形等問(wèn)題會(huì)隨之出現(xiàn)，比如發(fā)動(dòng)機(jī)氣路部件會(huì)出現(xiàn)緩慢劣化等情況，這些情況將導(dǎo)致氣路部件工作產(chǎn)生漂移現(xiàn)象，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能，而發(fā)動(dòng)機(jī)的性能衰退情況也能直接反映出其剩余壽命。

其次，為了符合航空公司對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的基本要求，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商應(yīng)為航空公司提供專(zhuān)門(mén)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的成熟監(jiān)控服務(wù)。根據(jù)豐富的研究經(jīng)驗(yàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)性能監(jiān)測(cè)實(shí)踐，可以得出氣路分析方法是目前通用度最高、最可靠的發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理方法。它是利用對(duì)氣路參數(shù)的檢測(cè)分析來(lái)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的氣路系統(tǒng)是否處于健康狀態(tài)，以便開(kāi)展后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)氣路部件衰退情況的檢驗(yàn)與維護(hù)管理。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能及衰退監(jiān)控體系

最后，氣路參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性有密切關(guān)系。為了確保運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)利益，航空公司將一些氣路參數(shù)作為關(guān)鍵監(jiān)控指標(biāo)來(lái)反映發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗水平。因此，結(jié)合相關(guān)因素可確定，想要實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)衰退情況的有效預(yù)測(cè)，需要將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移至氣路參數(shù)上。

3 航空發(fā)電機(jī)性能衰退預(yù)測(cè)方法

3.1 航空發(fā)電機(jī)性能衰退狀態(tài)預(yù)測(cè)指標(biāo)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰退狀態(tài)評(píng)估的重點(diǎn)在于如何獲得多個(gè)性能參數(shù)的綜合指標(biāo)，并通過(guò)該指標(biāo)反映出發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能衰退程度。關(guān)于常規(guī)性能衰退的評(píng)估方法有兩種。

第一種的綜合性能衰減狀態(tài)評(píng)估方法是建立在距離測(cè)算的基礎(chǔ)上，此方法同樣在故障診斷中受到廣泛應(yīng)用。該方法首先需要將所有性能正常的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)提取出來(lái)，并構(gòu)建正常狀態(tài)下的基準(zhǔn)，將監(jiān)視數(shù)據(jù)與正常狀態(tài)基準(zhǔn)之間的距離進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得出的數(shù)值為衰退狀態(tài)指標(biāo)值。數(shù)值與正常狀態(tài)基準(zhǔn)的距離越近，性能衰退情況越低；反之距離越遠(yuǎn)，衰退情況越高。

第二種預(yù)測(cè)衰退的方法是基于回歸的方法，該方法是將回歸模型的多個(gè)績(jī)效參數(shù)轉(zhuǎn)換為性能衰減狀態(tài)指標(biāo)值。使用此方法首先需要將發(fā)動(dòng)機(jī)性能故障的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，然后在獲得各自的狀態(tài)參數(shù)值（值為0）后，將所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)乘以相同的變換矩陣，使性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在失效狀態(tài)下的數(shù)據(jù)值為1，從而求解變換矩陣。對(duì)于新的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以通過(guò)直接乘以轉(zhuǎn)換矩陣來(lái)獲得相應(yīng)的性能衰退指標(biāo)值。接近0的值表示發(fā)動(dòng)機(jī)性能正常，接近1的值表示發(fā)動(dòng)機(jī)衰退程度較高[3]。

3.2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰退狀態(tài)評(píng)價(jià)

用于監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能衰退狀態(tài)的評(píng)估來(lái)源有兩種，分別是OEM參數(shù)與監(jiān)控測(cè)量值。其中，監(jiān)視參數(shù)的測(cè)量值包括操作參數(shù)測(cè)量值和性能參數(shù)測(cè)量值。兩種類(lèi)型的參數(shù)分別用OEM參數(shù)子樹(shù)與監(jiān)視參數(shù)測(cè)量子樹(shù)來(lái)表示，然后在兩個(gè)子樹(shù)中分別使用性能衰減狀態(tài)評(píng)估方法來(lái)獲得性能衰減狀態(tài)指標(biāo)值。使用監(jiān)視參數(shù)測(cè)量子樹(shù)時(shí)，應(yīng)考慮工作環(huán)境、狀態(tài)與條件的影響，即在多種工況下進(jìn)行評(píng)估；使用OEM參數(shù)子樹(shù)時(shí)，不需要考慮工作環(huán)境、狀態(tài)以及條件等影響因素，可以將其視為單個(gè)工況進(jìn)行性能評(píng)估。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與衰退檢測(cè)過(guò)程中存在許多監(jiān)控參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)參數(shù)信息的準(zhǔn)確描述，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的樹(shù)形表示方法進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)功能、隸屬關(guān)系的構(gòu)建。在樹(shù)形檢測(cè)方法的支持下，掌握更加精準(zhǔn)有效的綜合性能評(píng)估信息與衰退狀態(tài)。