基于航空发动机综合性能及预测衰退方法研究

2021-04-29张栋善

中阿科技论坛(中英文) 2021年4期

张栋善

（中国飞行试验研究院,陕西西安 710000）

航空发动机作为飞机系统中的重要组成部分，内部结构较为复杂，且航空发动机通常需要在高温、高压、高负荷等不利条件下长时间运行，这为航空发动机的平稳运行带来高难度考验。航空公司对发动机的维护与管理需要倾注诸多人力、物力、财力，承受较高压力，以确保航空发动机的安全可靠，避免发生故障，引发不必要的事故，并减少航空发动机的维护成本。因此，为实现对发动机运行状况的及时诊断与维修，航空公司应建立相应的决策支持体系，通过对发动机综合性能与衰退的检测，协助制定切实有效的解决方案。

1 发动机状态监控数据特点

航空发动机监控数据包括通过传感器测量获得的多个参数，主要有排气温度、燃油流量、低压转子转速N1以及高压转子转速N2等四个参数。这四个参数统称为气路参数，它们会随着发动机性能状态的变化而产生影响，为方便统一叙述，后续将称为“参数测量值”。以上参数通过机载设备进行收集，并在起飞和巡航阶段以ACARS消息的形式传送至地面系统。在航空发动机运行期间，需要完成的具体任务类型决定了相应飞行周期的运行条件，例如：飞行高度、马赫数等。发动机的工作条件复杂多变，测量的性能参数经常会根据航空发动机工作状态的变化而同步更改。因此，不可能直接通过测量出的性能参数来判断发动机的综合性能[1]。

同理，航空发动机的综合性能参数也收其自身衰退及运行情况所左右，但需要注意的是：发动机综合性能衰退所产生的影响通常情况下会被运行状况掩盖。为了消除运行条件对衰退预测的影响，发动机制造商应根据发动机的物理模型结合固定条件与状态参数得出结论，并完成工况的修复。发动机的综合性能可以用衰退来表征，主要表现方式包括排气温度偏差DEGT、高压转子转速偏差DN2以及燃油流量偏差DFF等气体路径参数偏差。为了方便编写，本文将气路参数和EGTM的统一称作“OEM参数”。以上参数能够纠正工作条件的不良影响，并且能够直接将发动机性能衰退状况进行反映。

2 航空发动机性能衰退状态评价

2.1 航空发动机综合性能评价

为保证航空发动机能够安全可靠地运行，有必要对发动机综合性能与衰退情况进行评估，向衰退预测提供数据支持，以便开展后续发动机维护与修理工作，上述流程也是对发动机健康管理的基础。单个发动机引擎的维护费用较高，航空公司应结合发动机的状态来确定最合理的维护周期。因此，想要获取精准的预测结果，为维护决策提供正确有效的参数支持，就需要改进航空发动机综合性能评估标准与衰退预测方法，正确有效的性能衰退状态评估是保证发动机正常运行与维护方案规划的基础。

2.2 航空发动机状态监控

发动机振动信号主要用于监测发动机的机械结构，并通过分析振动参数的变化情况来实现发动机损坏的初步诊断。由振动情况导致的发动机故障类型包括转子不平衡、轴承故障以及裂纹等。针对发动机状态监测中的滑油分析是用来确定发动机中与滑油接触的零件的磨损状态，它主要作用于组成齿轮、轴承、传动轴等机械系统的运行状态评估，监测参数包括滑油压力、油耗、油含量等。孔探技术是检查发动机硬件损坏情况的主要手段之一，能够检测发动机内部压气机与涡轮叶片表面的情况，主要优点在于此技术不需要分解拆装发动机[2]。

气路系统是航空发动机的核心组成部分。气路监控分析是指在发动机气路中布置一系列传感器的基础上，对相应的气路参数进行收集，其中需要重点收集的参数包括速度、温度、压力等。对气路参数进行标准规范的收集具有重要意义，主要表现在以下几方面：

首先，随着发动机工作时长的不断增加，损伤累积和结构变形等问题会随之出现，比如发动机气路部件会出现缓慢劣化等情况，这些情况将导致气路部件工作产生漂移现象，从而降低发动机综合性能，而发动机的性能衰退情况也能直接反映出其剩余寿命。

其次，为了符合航空公司对发动机运行的基本要求，发动机制造商应为航空公司提供专门针对发动机的成熟监控服务。根据丰富的研究经验与发动机性能监测实践，可以得出气路分析方法是目前通用度最高、最可靠的发动机健康管理方法。它是利用对气路参数的检测分析来判断发动机的气路系统是否处于健康状态，以便开展后续发动机气路部件衰退情况的检验与维护管理。

图1 航空发动机性能及衰退监控体系

最后，气路参数与发动机运行的经济性有密切关系。为了确保运营的经济利益，航空公司将一些气路参数作为关键监控指标来反映发动机的燃料消耗水平。因此，结合相关因素可确定，想要实现发动机衰退情况的有效预测，需要将研究重点转移至气路参数上。

3 航空发电机性能衰退预测方法

3.1 航空发电机性能衰退状态预测指标

航空发动机性能衰退状态评估的重点在于如何获得多个性能参数的综合指标，并通过该指标反映出发动机的综合性能衰退程度。关于常规性能衰退的评估方法有两种。

第一种的综合性能衰减状态评估方法是建立在距离测算的基础上，此方法同样在故障诊断中受到广泛应用。该方法首先需要将所有性能正常的监控数据提取出来，并构建正常状态下的基准，将监视数据与正常状态基准之间的距离进行计算，计算得出的数值为衰退状态指标值。数值与正常状态基准的距离越近，性能衰退情况越低；反之距离越远，衰退情况越高。

第二种预测衰退的方法是基于回归的方法，该方法是将回归模型的多个绩效参数转换为性能衰减状态指标值。使用此方法首先需要将发动机性能故障的监测数据进行提取，然后在获得各自的状态参数值（值为0）后，将所有监测数据乘以相同的变换矩阵，使性能监测数据在失效状态下的数据值为1，从而求解变换矩阵。对于新的监测数据，可以通过直接乘以转换矩阵来获得相应的性能衰退指标值。接近0的值表示发动机性能正常，接近1的值表示发动机衰退程度较高[3]。

3.2 航空发动机性能衰退状态评价

用于监视发动机综合性能衰退状态的评估来源有两种，分别是OEM参数与监控测量值。其中，监视参数的测量值包括操作参数测量值和性能参数测量值。两种类型的参数分别用OEM参数子树与监视参数测量子树来表示，然后在两个子树中分别使用性能衰减状态评估方法来获得性能衰减状态指标值。使用监视参数测量子树时，应考虑工作环境、状态与条件的影响，即在多种工况下进行评估；使用OEM参数子树时，不需要考虑工作环境、状态以及条件等影响因素，可以将其视为单个工况进行性能评估。