航空發(fā)動機整機試驗性能故障診斷系統(tǒng)設計

朱大明，朱之麗

（北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京 100191）

航空發(fā)動機整機試驗性能故障診斷系統(tǒng)設計

朱大明，朱之麗

（北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京 100191）

以航空發(fā)動機整機試驗數(shù)據(jù)為研究對象，建立了1套氣路性能故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對在研制和生產(chǎn)過程中的試驗結(jié)果進行氣路性能故障診斷分析；在分析發(fā)動機臺架試車特點的基礎上，闡述了該系統(tǒng)的設計功能和總體流程邏輯，并介紹了一些功能模塊的流程設計；最后就系統(tǒng)的發(fā)展進行了討論。經(jīng)過帶噪聲的數(shù)值試驗和真實試驗數(shù)據(jù)驗證，所建立的故障診斷系統(tǒng)診斷有效。

整機試驗；航空發(fā)動機；故障診斷；數(shù)據(jù)分析

0 引言

航空發(fā)動機的研制和技術發(fā)展本身是1個創(chuàng)新的過程，與新概念、新技術、新材料和新工藝緊密相關。因此，在設計與發(fā)展的各個階段，不可能考慮到發(fā)動機各部件在預定條件下所有的工作過程特性，只有通過發(fā)動機臺架試車（包括地面臺架、高空臺架和空中臺架）才能了解在整個工作特性范圍內(nèi)發(fā)動機部件與部件之間以及部件與整機之間的工作影響。所以，對發(fā)動機臺架試車所得到試驗數(shù)據(jù)進行全面而具體的分析十分重要。

整機試驗氣路性能故障診斷與分析可以科學調(diào)整決策、減少試驗時間、加快研發(fā)速度和節(jié)約研發(fā)經(jīng)費，對于驗證和修正部件與系統(tǒng)試驗結(jié)果，確定發(fā)動機總體性能，驗證發(fā)動機各部件的匹配性能，考核發(fā)動機結(jié)構完整性和系統(tǒng)可靠性[1]等都有重要幫助。本文對此建立了1套適合臺架試車的發(fā)動機氣路性能故障診斷分析系統(tǒng)。

1 試驗數(shù)據(jù)分析與故障診斷的作用

在發(fā)動機研制階段，試驗數(shù)據(jù)故障診斷與分析可大大提高整機試車的試驗效率，還可應用于其他發(fā)動機試驗的數(shù)據(jù)分析。發(fā)動機通過設計定型，進入批生產(chǎn)后，在常規(guī)試車中，試驗數(shù)據(jù)氣路性能故障分析系統(tǒng)可用來全面評估每臺發(fā)動機的出廠氣路性能狀態(tài)，形成有使用價值的出廠發(fā)動機性能數(shù)據(jù)庫，并可幫助改善與提高生產(chǎn)流程和生產(chǎn)工藝。在發(fā)動機總體方案設計階段，試驗數(shù)據(jù)故障診斷分析系統(tǒng)也可以通過數(shù)值模擬和虛擬試驗來考核所設計部件的特性和整機性能。試驗數(shù)據(jù)氣路性能故障分析系統(tǒng)如圖1所示。

2 研制階段發(fā)動機臺架試驗的特點分析

試驗數(shù)據(jù)氣路性能故障分析系統(tǒng)的應用（圖1）主要包括地面、高空模擬和空中試驗。與一般試驗相比，這種臺架試驗具有很多特點。

（1）處于研制階段的發(fā)動機在臺架試車試驗時要經(jīng)常調(diào)整或更換（串裝）部件，而不同部件的特性相應會有一定程度的變化，發(fā)動機匹配點也隨之變化。

（2）發(fā)動機串裝后，1個部件在某個發(fā)動機某次試驗的特性，被移植到同一型號的另外1臺發(fā)動機的1次試驗中?？梢哉f，處于研制階段的發(fā)動機試驗，其試驗數(shù)據(jù)沒有“時間軸向序列”的概念，針對的只是每個個體，每次試車，其對應的都是1臺“新”的發(fā)動機。

（3）在臺架試車階段，發(fā)動機測量參數(shù)多，有利于建立準確的發(fā)動機性能仿真模型。但實踐表明，由于經(jīng)常進行部件調(diào)整和串裝，實際每次試驗測取的參數(shù)容易發(fā)生變化，試驗得到的經(jīng)常是1個多變的測量參數(shù)序列。

（4）在研制階段，發(fā)動機性能故障情況與成熟發(fā)動機相比有2點顯著不同：可能出現(xiàn)某一故障的故障程度很大，這與成熟發(fā)動機大多是性能衰退和執(zhí)行機構微調(diào)失靈不同；可能出現(xiàn)多故障并發(fā)的情況，這與試驗發(fā)動機和成熟發(fā)動機的可靠性差異有關。

（5）發(fā)動機的研制是創(chuàng)新的過程，在研制階段的發(fā)動機自然缺乏故障模式和實際故障案例的積累，其故障庫的數(shù)量和質(zhì)量都很低，更無從獲得“歷史穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)”和“時間序列數(shù)據(jù)”。

基于以上幾點，對于研制階段的發(fā)動機來說，其數(shù)據(jù)分析方法應該適應測量參數(shù)和傳感器數(shù)據(jù)無時間序列、測量參數(shù)和故障參數(shù)的種類變化、故障程度異常變大、多故障并發(fā)和無經(jīng)驗故障數(shù)據(jù)庫等多種特殊情況。

3 系統(tǒng)總體設計

在設計流程和工程實踐中，本系統(tǒng)主要有3方面功能：（1）基于設計要求的一些基本功能，如測量數(shù)據(jù)有效性處理、傳感器故障判定隔離和數(shù)據(jù)重構、發(fā)動機氣路部件性能故障診斷和可變幾何部件優(yōu)化調(diào)整等；（2）為工程實踐服務的功能，如各種結(jié)果的顯示、輸出和打印、發(fā)動機故障庫和履歷庫的建立等；（3）輔助功能，如故障參數(shù)敏感性分析和故障診斷有效性評估等。

系統(tǒng)的總體設計思想是：應用范圍廣，通用性好；不同功能模塊之間，同一功能模塊的各子程序之間應銜接方便，各程序接口都實行標準化設計，便于其靈活組合，以適應不同類型發(fā)動機、不同測量參數(shù)和不同待診斷故障等多種可選要求的限制。系統(tǒng)設計要考慮到所有可能因?qū)嶋H試車情況變化的因素，如渦噴、渦扇、渦軸、渦槳等不同類型發(fā)動機；在試車中，部件經(jīng)常串裝和調(diào)整，應該有部件特性修正系數(shù)和可調(diào)系數(shù)；輸出設計則要考慮到各種所需結(jié)果及其表現(xiàn)形式和輸出格式，還要考慮到數(shù)據(jù)分析過程的一些參數(shù)監(jiān)控的要求。

基于以上設計要求和設計思想，系統(tǒng)在實現(xiàn)方面充分考慮了功能模塊完成的先后順序，不同的輸入數(shù)據(jù)在合適的地方進入系統(tǒng)，還考慮了多個功能的模塊共同使用等。系統(tǒng)的流程邏輯如圖2所示。

4 主要功能模塊設計

從圖2中可見，與試驗數(shù)據(jù)分析最相關的模塊是傳感器故障隔離、氣路故障診斷和優(yōu)化調(diào)整。為了闡述方便，首先給出發(fā)動機數(shù)學模型

式中：Y為測量參數(shù)向量；X為故障參數(shù)向量；α為故障偏差向量；β為測量偏差向量；FEPSM為發(fā)動機性能仿真函數(shù)；下標EPSM（Engine Performance Simulation Model）為發(fā)動機性能仿真模型。

自適應模型相當于性能計算模型的反計算，則可用F-1EPSM表示自適應模型。同時使用下標a表示實際測量，下標c表示模擬計算。

4.1 發(fā)動機性能仿真模塊

建立發(fā)動機總體性能仿真模型是進行試驗數(shù)據(jù)分析的基礎。準確模擬可以保證偏差分析的精度，計算迅速則可以在相同時間內(nèi)得到和分析更多數(shù)據(jù)。二者結(jié)合會大大提高數(shù)據(jù)分析的準確度。性能仿真模型除了變比熱、非線性、部件級以外，還充分考慮可調(diào)部件調(diào)整和各部件經(jīng)驗修正系數(shù)對發(fā)動機性能帶來的影響，十分方便地設置發(fā)動機試車可調(diào)參數(shù)和所需的經(jīng)驗修正系數(shù)，并對其進行調(diào)節(jié)；因

試車調(diào)整而引起的性能及其主要參數(shù)變化，能方便地通過修正部件特性，將發(fā)動機基線模型自適應到試驗發(fā)動機上。

以雙軸分排渦扇發(fā)動機總體性能建模為例，首先給出氣動熱力性質(zhì)求解模型。對于發(fā)動機部件，一般的特性為壓比和效率。熵給出了壓比和溫度的關系，焓的理想值和實際值則給出了效率和溫度的關系，所以熵和焓函數(shù)是氣力熱力性質(zhì)中最重要的2個函數(shù)，在本模塊中計算為

式中：s為熵；h為焓；a和b為多項式系數(shù)；T為溫度；f為油氣比。

對于部件級模型，要計算各部件出口參數(shù)?；谏鲜龉剑捎渺熟胤ㄒ来斡嬎阊亓鞒谈鞑考隹跉饬鲄?shù)，具體算法可參考文獻[2]；然后求解共同工作點，首先試取1組參數(shù)，聯(lián)合已知參數(shù)進行沿流路各部件的氣動熱力計算，利用共同工作條件作為檢查方程；反復迭代，直到滿足收斂條件。具體過程如圖3所示。圖中L表示功，AL表示輔助線位置。詳細計算參考文獻[3]。

根據(jù)以上3步，建立1個非線性變比熱部件級發(fā)動機穩(wěn)態(tài)性能仿真模型。另外，針對發(fā)動機“處于研制階段”這一特點，對該模型進行修正：（1）試驗可能調(diào)節(jié)某些部件，所以設置可調(diào)部件，包括高低壓渦輪進口導葉角度和內(nèi)外涵噴管噴口面積；（2）發(fā)動機串調(diào)整裝后，對雖然是同種，但不是同一部件的特性進行修正，包括風扇、壓氣機、高低壓渦輪的流量修正系數(shù)以及壓縮或者膨脹比修正系數(shù)；（3）更換熱端部件（包括燃燒室和高低壓渦輪）后，冷卻氣引出量和分配關系修正，包括所有引出和所有分配冷卻氣的位置。由此完成研制階段的發(fā)動機總體性能建模。完成建模后，還應使用發(fā)動機真實試車數(shù)據(jù)對模型進行校核，這樣才能準確模擬試車發(fā)動機真實性能，從而達到準確分析試驗數(shù)據(jù)的目的。

4.2 傳感器故障隔離模塊

鑒于測量序列多變、無歷史穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和時間序列數(shù)據(jù)的情況，本文借助模型自適應性和模式識別技術，建立了1種以分析發(fā)動機性能參數(shù)偏差來模擬測量參數(shù)偏差的傳感器診斷方法。

這種方法的基本原理是：設有n個測量參數(shù)對應n個傳感器，只有1個傳感器發(fā)生了故障。診斷過程是對第i個測量參數(shù)，使用除第i個以外的的其余n-1個測量參數(shù)通過發(fā)動機自適應模型估計性能。如果是第i個傳感器發(fā)生故障，那么只有這次得到的估計結(jié)果與真實情況最接近，因為只有這次沒有使用發(fā)生故障傳感器的測量信息。若發(fā)動機沒發(fā)生故障，則考察n次用n-1個測量參數(shù)自適應得到的性能與基線值的差別，最接近基線值的1組對應的i為故障傳感器；若發(fā)動機本身有故障，則性能真實值在沒有排除傳感器故障前無法獲得，此時可進行如下處理[4]：首先使用n個測量參數(shù)估計發(fā)動機性能X0；然后優(yōu)化第i個測量參數(shù)yi，使包括yi在內(nèi)的n個測量參數(shù)估計的性能Xi最接近基線值XBA，分別計算X0、Xi與XBA的差異 S0和 Si；再計算 Δi=S0-Si，n 個 Δi中，最大值對應的i為故障傳感器。算法流程如圖4所示。

4.3 氣路故障診斷模塊

針對發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)特點，在故障診斷方面，系統(tǒng)首先采用了基于模型的診斷方法——模型辨識法，并將其發(fā)展為結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計的2次診斷方法[5]。模型辨識法的算法原理如圖5所示。

從圖5中可見，目標函數(shù)的構成影響故障診斷的準確度和速度。本文針對辨識法中的目標函數(shù)構成進行優(yōu)化處理，具體的優(yōu)化處理依據(jù)和對應的目標函數(shù)見表1。

表1 模型辨識法目標函數(shù)的優(yōu)化

4.4 優(yōu)化調(diào)整模塊

在優(yōu)化調(diào)整之前，系統(tǒng)已經(jīng)根據(jù)試車實際情況對性能模型進行了自適應修正。發(fā)動機試驗優(yōu)化調(diào)整是依據(jù)試驗性能，在滿足約束條件（CO）的情況下，調(diào)整可變幾何部件（V+γ），使發(fā)動機達到預設的性能目標。如果約束條件是壓縮部件喘振裕度SM和燃燒室出口總溫T4，使用考核參數(shù)（OB）的均方根誤差來衡量是否達到優(yōu)化目標，發(fā)動機幾何優(yōu)化調(diào)整可以抽象為如下優(yōu)化模型

由于調(diào)整機構設計等原因，可調(diào)參數(shù)V不一定是連續(xù)變量，可能呈現(xiàn)離散化。所以幾何優(yōu)化調(diào)整即轉(zhuǎn)化為單目標、多變量、有約束的混合離散非線性最優(yōu)化問題。本系統(tǒng)中采用調(diào)整模式搜索法進行優(yōu)化，算法流程如圖6所示。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

完成所有功能模塊的數(shù)學建模以后，采用Microsoft Visual Studio2005進行系統(tǒng)編程。系統(tǒng)編寫時，同時采用了面向過程和面向?qū)ο蟮?種編程方法。發(fā)動機性能仿真模型在本系統(tǒng)中只是其中的1個模塊，從前面有關的數(shù)據(jù)處理、傳感器隔離、故障診斷和優(yōu)化調(diào)整的數(shù)學模型看來，這個模塊近似于1個黑匣子功能；在系統(tǒng)運行過程中，此模塊不做任何改動，只相當于1個子函數(shù)。在本系統(tǒng)中，發(fā)動機性能模型是固定的，所以采用面向過程的編程、效率和運算都會提高。涉及試驗數(shù)據(jù)處理是較為重要的模塊，尤其是故障診斷和優(yōu)化調(diào)整，這些功能模塊都采用了面向?qū)ο蟮木幊谭椒?。在系統(tǒng)使用過程中，若有新的診斷和優(yōu)化方法，都易于添加，增強系統(tǒng)的擴展性。本系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)進入界面、輸入界面和分析報告查看界面，如圖7所示。

6 結(jié)束語

（1）1個實用的發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)故障診斷分析系統(tǒng)可以挖掘每次試車數(shù)據(jù)的潛在價值，并在大量的試車數(shù)據(jù)中尋找有規(guī)律性和有價值性的信息，進而可在很大程度上提高發(fā)動機試驗的效率，對于發(fā)動機研制的各階段試車大有裨益。

（2）本文基于航空發(fā)動機地面臺架試車的特點，描述了1個整機試驗氣路性能故障診斷系統(tǒng)的總體設計，并說明了發(fā)動機性能仿真、傳感器故障隔離、氣路故障診斷和幾何優(yōu)化調(diào)整4大功能模塊的數(shù)學算法流程。

（3）本系統(tǒng)的主要功能模塊和系統(tǒng)試用版已經(jīng)在某型發(fā)動機上進行了真實試驗數(shù)據(jù)校核和使用，數(shù)據(jù)分析效果良好。

[1]杜鶴齡.航空發(fā)動機高空模擬[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002：2-3.

[2]廉筱純，吳虎.航空發(fā)動機原理[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2005：152-165.

[3]申功璋，高金源，張津.飛機綜合控制與飛行管理[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008：143-152.

[4]Kurzke J.Sensor checkingusingmodelbased engine performance testanalysisand numericaloptimization[R].ISABE-2005-1239.

[5]朱大明，朱之麗.結(jié)合統(tǒng)計的模型辨識法在發(fā)動機故障診斷中應用[J].航空動力學報，2009，24（5）：1061-1065.

Aeroengine overall Test Performance Fault Diagnosis System Design

ZHU Da-ming,ZHU Zhi-li
（School of Jet Propulsion,Beihang University,Beijing 100191,China）

To study the overall test data,a series of gas path performance fault diagnosis system was established.The gas path performance fault diagnose on testing results of manufacture and research can be made by the system.Based on the analysis of aeroengine trestle test characteristics,the design function and the whole process logic were explained,and some function modules'process design were introduced.The system development was discussed.The noise numerical test and the real test data verification verified the effectiveness of the fault diagnosis system.

overall test;aeroengine;fault diagnosis;data analysis

朱大明（1981），男，博士，主要從事航空發(fā)動機性能優(yōu)化與故障診斷工作。