蔡显新，郭小军，吴春来

（中航工业航空动力机械研究所，湖南株洲412002）

0 引言

航空发动机健康管理（EHM，EngineHealth Management）是指最大限度地利用发动机的传感器、维护记录、部件模型等数据资源对发动机的故障进行诊断和预报，从而提高飞行的安全性、可靠性和发动机的性能，减少发动机的维护费用和维修时间。据统计，在民用领域的所有飞机机械故障中，发动机故障所占比例高达1/3。全世界的航空公司每年要花费数百亿美元用于维修，其中发动机的日常维护占到了30%以上[1,2]，因此，航空发动机健康管理已成为保证发动机安全、可靠运行的重要手段，作为发动机安全性、测试性工作必不可少的组成部分而受到各航空强国的高度重视并展开相关的研究。PW、GE及RR3大航空发动机公司等分别为PW4000、JT9D、V2500、CF6、GE90、CFM56、RB211、Trent等发动机建立了健康管理系统[2-5]。国内也有许多研究人员在航空发动机健康管理诊断预测指标体系、健康管理跟踪滤波器技术、关键件的剩余寿命预测模型及健康管理系统设计技术等方面[6-9]进行了广泛的应用研究。

本文基于航空发动机健康管理技术的发展，开发了健康管理（EHM）系统，并对该系统所采用的若干技术及其改进方案进行研究，该系统在某型号的整个台架试验和试飞过程中得到应用和验证，为其研制成功发挥了重要作用。

1 系统总体设计

健康管理系统如图1所示。该系统包含机载测试，采集系统，存储、发射装置，地面的计算机软硬件系统等。机载的测试所测量的参数较多，有几十到上百多个，根据发动机的不同所测量的参数也不同。这些参数包括发动机各截面气体温度（如T1、T2、T45等）、压力（如P1、P2等），燃气涡轮转速NG，动力涡轮转速NP，功率，输出扭矩，滑、燃油温度、压力，振动加速度等。这些测试的参数通过无线电发射-接收装置或存储介质传到地面系统，并由地面计算机系统进行处理。

图1 健康管理系统

所开发的地面计算机软件系统名称为EHMZ，用于涡轴发动机台架试验和试飞阶段。系统采用功能强大的VC++语言，并在WINDOWS操作系统下进行开发。为了便于数据管理，采用ACCESS数据库mdb的文件形式。目前EHMZ的主要功能是对各截面温度、压力，燃气涡轮转速NG，动力涡轮转速NP，功率，燃油、滑油油路内不同部位的压力、温度等重要测试参数的最大值、均值进行统计，趋势法气路故障诊断，对若干燃气涡轮出口温度T45区间内各状态NG所停留的时间进行统计，并对燃气涡轮叶片的蠕变寿命及轮盘的疲劳寿命损伤进行预测和统计。这些统计量对于判断发动机是否运行正常十分重要，EHMZ的需求规格分析和详细设计分析即以此为主要依据。

目前EHMZ的界面较简单（如图2所示），工具条的设计及功能如下：

图2 系统界面

（1）总表。以列表的形式显示所输入的数据库文件中所记录的各次试车的数据（如图3所示）。双击某个列表记录，将该记录中的功率、NG、NP转速、T45等重要参数展开，并显示在屏幕上。

图3 “总表”显示的记录列表

（2）统计。对重要参数进行最大值、均值等基本统计。

（3）单流。对选中的某次试车记录进行雨流计数，以便进行损伤估算。

（4）总流。对数据库中所有的试车记录进行雨流计数，以便进行损伤估算。

（5）损伤。进行损伤估算。若先前已进行“单流”或“总流”则直接进行损伤估算，否则自动地先进行“单流”或“总流”后，再进行损伤估算。

（6）气路。进行气路故障分析。人们发展了许多气路故障诊断方法[10-12]，本文采用文献[12]第7章介绍的方法，根据检测的T1、P1、T2、P2、T45等参数的变化进行气路故障诊断。

（7）绘图。以图形的方式显示各参数的时间历程（图2）。

（8）设置。对要统计的参数，温度（T45）、转速、功率区间进行设置。如图4所示，对话框左侧列出了所有测试的参数，可在此选择要统计的参数。对话框右侧用于温度、转速、功率等参数统计区间的设置。

（9）频谱。对振动信号进行频谱分析，并给出频谱图（如图5所示）。

在“工具”菜单中有几项特殊功能的子菜单。“批处理”用于对某指定目录下所有mdb文件1次性地进行批处理，并获得总的统计数据。由于测试数据文件很多，占用存储空间大，该功能可大大减少工作量。“批处理导入EXCEL”用于对某指定目录下所有EXCEL文件1次性导入到指定的mdb文件中。“数据转换”将其他不同格式的数据转换成系统的标准格式。

图4 参数设置对话框

图5 频谱

2 基于梁理论的涡轮叶片损伤预测方法

在发动机台架试车和试飞过程中，涡轮叶片的损伤状况是人们最为关注的问题之一，因此其损伤预测也是EHMZ最主要的功能。由于发动机在工作过程中经历的载荷循环较多，健康管理系统所采用的寿命预测方法必须具有很快的速度，为此EHMZ选用了基于梁理论的寿命预测方法。

涡轮叶片截面形状比较复杂，故将其划分为许多三角形单元。叶片截面划分的三角形单元及总体坐标如图6所示。通过对这些单元积分获得截面的截面面积F，截面静矩Sx、Sy，轴惯性矩Jx、Jy，惯性积Jxy，截面形心坐标xc、yc，截面形心主惯性轴ξ 相对于x 轴的转角φ 等，其中φ 的计算公式为

图6 截面单元及总体坐标系

截面各点的坐标、给定的外部弯曲力矩M 要换算到以形心主惯性轴为坐标轴的局部坐标系（O、η、ξ）上

单元内任意点（η，ξ）出的应变ε 和应力σ 按下式计算

在载荷的长期作用下产生的蠕变变形会造成叶片截面上应力的重新分布。蠕变应变与蠕变速度V之间的关系为

式中：τ 为应力和温度作用的时间；τb为在外部载荷不变的情况下从加载开始到材料破坏的时间。

通过将时间区域t 划分成许多小区间进行计算的方法获得应力-应变随蠕变的演化过程。t 时段的当量应力σef为

与当量应力相应的局部储备系数Km及累积损伤D 分别按下式计算

式中：n 为载荷状态总数；K 对应于局部储备系数最小的状态。

根据线性累积损伤理论，当D≥1时，零件即失效。某涡轮叶片持久寿命储备系数分布如图7所示。

图7 持久寿命储备系数分布

3 改进方案

基于梁理论的现有系统的损伤预测，其精度受到限制。尤其是在倒圆等形状突变处，梁理论难以获得令人满意的结果。为此，本文提出采用基于3维有限元的叶片损伤计算方法，并结合神经网络技术或支持向量机技术进行叶片损伤的快速估算。由神经网络或支持向量机构造以下映射关系

采用式（6）进行损伤估算将大大提高速度。具体寿命预测方法改进方案如下：

（1）生成叶片3维详细的有限元模型。

（2）由本文式（3）、（4）获得与NG、T45相关的tij，由此获得X。

（3）采用有限元仿真技术对各种状况（NG、T45、tij）下各零件进行详细的应力及温度分布计算，并对关键部位进行损伤计算，形成数量足够的样本数据。

（4）采用神经网络技术或支持向量机技术对（3）形成的样本数据进行训练，构造X-Y 映射关系，即式（9）。

（5）对每1组（NG、T45、tij）采用式（9）进行损伤估算。

4 结束语

航空发动机的结构健康监控技术对于提高航空发动机的耐久性、安全性、测试性和经济性具有重要意义。本文介绍的健康管理系统及其所采用的技术在涡轴发动机的研制过程中得到应用，并在中国首款自行研制的涡轴发动机的整个台架试验和试飞阶段得到验证，为该发动机的研制成功发挥了重要作用。在此基础上提出的改进方案更具先进性，对其他类似系统的开发具有良好的参考和借鉴作用。该系统在性能、振动、滑油等方面还可作进一步的扩充和完善。

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