渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理技術(shù)研究

蔡顯新，郭小軍，吳春來

（中航工業(yè)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲412002）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理（EHM，EngineHealth Management）是指最大限度地利用發(fā)動(dòng)機(jī)的傳感器、維護(hù)記錄、部件模型等數(shù)據(jù)資源對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的故障進(jìn)行診斷和預(yù)報(bào)，從而提高飛行的安全性、可靠性和發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)費(fèi)用和維修時(shí)間。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在民用領(lǐng)域的所有飛機(jī)機(jī)械故障中，發(fā)動(dòng)機(jī)故障所占比例高達(dá)1/3。全世界的航空公司每年要花費(fèi)數(shù)百億美元用于維修，其中發(fā)動(dòng)機(jī)的日常維護(hù)占到了30%以上[1,2]，因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理已成為保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全、可靠運(yùn)行的重要手段，作為發(fā)動(dòng)機(jī)安全性、測(cè)試性工作必不可少的組成部分而受到各航空強(qiáng)國的高度重視并展開相關(guān)的研究。PW、GE及RR3大航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司等分別為PW4000、JT9D、V2500、CF6、GE90、CFM56、RB211、Trent等發(fā)動(dòng)機(jī)建立了健康管理系統(tǒng)[2-5]。國內(nèi)也有許多研究人員在航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理診斷預(yù)測(cè)指標(biāo)體系、健康管理跟蹤濾波器技術(shù)、關(guān)鍵件的剩余壽命預(yù)測(cè)模型及健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)等方面[6-9]進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用研究。

本文基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)了健康管理（EHM）系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)所采用的若干技術(shù)及其改進(jìn)方案進(jìn)行研究，該系統(tǒng)在某型號(hào)的整個(gè)臺(tái)架試驗(yàn)和試飛過程中得到應(yīng)用和驗(yàn)證，為其研制成功發(fā)揮了重要作用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

健康管理系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)包含機(jī)載測(cè)試，采集系統(tǒng)，存儲(chǔ)、發(fā)射裝置，地面的計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)等。機(jī)載的測(cè)試所測(cè)量的參數(shù)較多，有幾十到上百多個(gè)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同所測(cè)量的參數(shù)也不同。這些參數(shù)包括發(fā)動(dòng)機(jī)各截面氣體溫度（如T1、T2、T45等）、壓力（如P1、P2等），燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速NG，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速NP，功率，輸出扭矩，滑、燃油溫度、壓力，振動(dòng)加速度等。這些測(cè)試的參數(shù)通過無線電發(fā)射-接收裝置或存儲(chǔ)介質(zhì)傳到地面系統(tǒng)，并由地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理。

圖1 健康管理系統(tǒng)

所開發(fā)的地面計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)名稱為EHMZ，用于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)和試飛階段。系統(tǒng)采用功能強(qiáng)大的VC++語言，并在WINDOWS操作系統(tǒng)下進(jìn)行開發(fā)。為了便于數(shù)據(jù)管理，采用ACCESS數(shù)據(jù)庫mdb的文件形式。目前EHMZ的主要功能是對(duì)各截面溫度、壓力，燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速NG，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速NP，功率，燃油、滑油油路內(nèi)不同部位的壓力、溫度等重要測(cè)試參數(shù)的最大值、均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，趨勢(shì)法氣路故障診斷，對(duì)若干燃?xì)鉁u輪出口溫度T45區(qū)間內(nèi)各狀態(tài)NG所停留的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)燃?xì)鉁u輪葉片的蠕變壽命及輪盤的疲勞壽命損傷進(jìn)行預(yù)測(cè)和統(tǒng)計(jì)。這些統(tǒng)計(jì)量對(duì)于判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否運(yùn)行正常十分重要，EHMZ的需求規(guī)格分析和詳細(xì)設(shè)計(jì)分析即以此為主要依據(jù)。

目前EHMZ的界面較簡(jiǎn)單（如圖2所示），工具條的設(shè)計(jì)及功能如下：

圖2 系統(tǒng)界面

（1）總表。以列表的形式顯示所輸入的數(shù)據(jù)庫文件中所記錄的各次試車的數(shù)據(jù)（如圖3所示）。雙擊某個(gè)列表記錄，將該記錄中的功率、NG、NP轉(zhuǎn)速、T45等重要參數(shù)展開，并顯示在屏幕上。

圖3 “總表”顯示的記錄列表

（2）統(tǒng)計(jì)。對(duì)重要參數(shù)進(jìn)行最大值、均值等基本統(tǒng)計(jì)。

（3）單流。對(duì)選中的某次試車記錄進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，以便進(jìn)行損傷估算。

（4）總流。對(duì)數(shù)據(jù)庫中所有的試車記錄進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，以便進(jìn)行損傷估算。

（5）損傷。進(jìn)行損傷估算。若先前已進(jìn)行“單流”或“總流”則直接進(jìn)行損傷估算，否則自動(dòng)地先進(jìn)行“單流”或“總流”后，再進(jìn)行損傷估算。

（6）氣路。進(jìn)行氣路故障分析。人們發(fā)展了許多氣路故障診斷方法[10-12]，本文采用文獻(xiàn)[12]第7章介紹的方法，根據(jù)檢測(cè)的T1、P1、T2、P2、T45等參數(shù)的變化進(jìn)行氣路故障診斷。

（7）繪圖。以圖形的方式顯示各參數(shù)的時(shí)間歷程（圖2）。

（8）設(shè)置。對(duì)要統(tǒng)計(jì)的參數(shù)，溫度（T45）、轉(zhuǎn)速、功率區(qū)間進(jìn)行設(shè)置。如圖4所示，對(duì)話框左側(cè)列出了所有測(cè)試的參數(shù)，可在此選擇要統(tǒng)計(jì)的參數(shù)。對(duì)話框右側(cè)用于溫度、轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù)統(tǒng)計(jì)區(qū)間的設(shè)置。

（9）頻譜。對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，并給出頻譜圖（如圖5所示）。

在“工具”菜單中有幾項(xiàng)特殊功能的子菜單?！芭幚怼庇糜趯?duì)某指定目錄下所有mdb文件1次性地進(jìn)行批處理，并獲得總的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。由于測(cè)試數(shù)據(jù)文件很多，占用存儲(chǔ)空間大，該功能可大大減少工作量?！芭幚韺?dǎo)入EXCEL”用于對(duì)某指定目錄下所有EXCEL文件1次性導(dǎo)入到指定的mdb文件中?！皵?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”將其他不同格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)格式。

圖4 參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

圖5 頻譜

2 基于梁理論的渦輪葉片損傷預(yù)測(cè)方法

在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試車和試飛過程中，渦輪葉片的損傷狀況是人們最為關(guān)注的問題之一，因此其損傷預(yù)測(cè)也是EHMZ最主要的功能。由于發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中經(jīng)歷的載荷循環(huán)較多，健康管理系統(tǒng)所采用的壽命預(yù)測(cè)方法必須具有很快的速度，為此EHMZ選用了基于梁理論的壽命預(yù)測(cè)方法。

渦輪葉片截面形狀比較復(fù)雜，故將其劃分為許多三角形單元。葉片截面劃分的三角形單元及總體坐標(biāo)如圖6所示。通過對(duì)這些單元積分獲得截面的截面面積F，截面靜矩Sx、Sy，軸慣性矩Jx、Jy，慣性積Jxy，截面形心坐標(biāo)xc、yc，截面形心主慣性軸ξ 相對(duì)于x 軸的轉(zhuǎn)角φ 等，其中φ 的計(jì)算公式為

圖6 截面單元及總體坐標(biāo)系

截面各點(diǎn)的坐標(biāo)、給定的外部彎曲力矩M 要換算到以形心主慣性軸為坐標(biāo)軸的局部坐標(biāo)系（O、η、ξ）上

單元內(nèi)任意點(diǎn)（η，ξ）出的應(yīng)變?chǔ)?和應(yīng)力σ 按下式計(jì)算

在載荷的長期作用下產(chǎn)生的蠕變變形會(huì)造成葉片截面上應(yīng)力的重新分布。蠕變應(yīng)變與蠕變速度V之間的關(guān)系為

式中：τ 為應(yīng)力和溫度作用的時(shí)間；τb為在外部載荷不變的情況下從加載開始到材料破壞的時(shí)間。

通過將時(shí)間區(qū)域t 劃分成許多小區(qū)間進(jìn)行計(jì)算的方法獲得應(yīng)力-應(yīng)變隨蠕變的演化過程。t 時(shí)段的當(dāng)量應(yīng)力σef為

與當(dāng)量應(yīng)力相應(yīng)的局部?jī)?chǔ)備系數(shù)Km及累積損傷D 分別按下式計(jì)算

式中：n 為載荷狀態(tài)總數(shù)；K 對(duì)應(yīng)于局部?jī)?chǔ)備系數(shù)最小的狀態(tài)。

根據(jù)線性累積損傷理論，當(dāng)D≥1時(shí)，零件即失效。某渦輪葉片持久壽命儲(chǔ)備系數(shù)分布如圖7所示。

圖7 持久壽命儲(chǔ)備系數(shù)分布

3 改進(jìn)方案

基于梁理論的現(xiàn)有系統(tǒng)的損傷預(yù)測(cè)，其精度受到限制。尤其是在倒圓等形狀突變處，梁理論難以獲得令人滿意的結(jié)果。為此，本文提出采用基于3維有限元的葉片損傷計(jì)算方法，并結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或支持向量機(jī)技術(shù)進(jìn)行葉片損傷的快速估算。由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或支持向量機(jī)構(gòu)造以下映射關(guān)系

采用式（6）進(jìn)行損傷估算將大大提高速度。具體壽命預(yù)測(cè)方法改進(jìn)方案如下：

（1）生成葉片3維詳細(xì)的有限元模型。

（2）由本文式（3）、（4）獲得與NG、T45相關(guān)的tij，由此獲得X。

（3）采用有限元仿真技術(shù)對(duì)各種狀況（NG、T45、tij）下各零件進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力及溫度分布計(jì)算，并對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行損傷計(jì)算，形成數(shù)量足夠的樣本數(shù)據(jù)。

（4）采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或支持向量機(jī)技術(shù)對(duì)（3）形成的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，構(gòu)造X-Y 映射關(guān)系，即式（9）。

（5）對(duì)每1組（NG、T45、tij）采用式（9）進(jìn)行損傷估算。

4 結(jié)束語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)對(duì)于提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性、安全性、測(cè)試性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。本文介紹的健康管理系統(tǒng)及其所采用的技術(shù)在渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過程中得到應(yīng)用，并在中國首款自行研制的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)臺(tái)架試驗(yàn)和試飛階段得到驗(yàn)證，為該發(fā)動(dòng)機(jī)的研制成功發(fā)揮了重要作用。在此基礎(chǔ)上提出的改進(jìn)方案更具先進(jìn)性，對(duì)其他類似系統(tǒng)的開發(fā)具有良好的參考和借鑒作用。該系統(tǒng)在性能、振動(dòng)、滑油等方面還可作進(jìn)一步的擴(kuò)充和完善。

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