應用單元體參數(shù)的航空發(fā)動機性能預警方法

黃燕曉, 郝紅勛, 郭家琛

(1. 中國民航大學 通用航空學院， 天津 300300；2. 中國民航大學 飛行技術學院， 天津 300300；3. 南京航空航天大學 民航學院， 江蘇 南京 210016)

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應用單元體參數(shù)的航空發(fā)動機性能預警方法

黃燕曉1, 郝紅勛2, 郭家琛3

(1. 中國民航大學 通用航空學院， 天津 300300；2. 中國民航大學 飛行技術學院， 天津 300300；3. 南京航空航天大學 民航學院， 江蘇 南京 210016)

基于安全關口前移的性能預警要求，提出以單元體參數(shù)的航空發(fā)動機性能預警方法,提取發(fā)動機原理分析性能參數(shù)相關的可測參數(shù)與參數(shù)組合.以發(fā)動機機隊為研究對象，運用數(shù)據(jù)統(tǒng)計的σ準則構建性能指數(shù)動態(tài)閾值模型.以PW4077D型機隊5臺發(fā)動機1 440～1 980循環(huán)數(shù)據(jù)驗證模型，并與主成分性能閾值模型比較.結果表明：構建的模型計算結果與主成分模型結果一致，即性能動態(tài)閾值隨循環(huán)數(shù)增加而復雜下降，在1 500,1 560和1 840等循環(huán)附近閾值有所恢復.

航空發(fā)動機； 單元體參數(shù)； 預警方法； 動態(tài)閾值；σ準則

民航干線飛機裝配的渦輪風扇發(fā)動機，具有推力大、耗油率低特點，因長期工作在高速、高壓和高溫等惡劣環(huán)境下[1-3]，容易引起性能衰退或突變，帶來安全隱患.因此，航空發(fā)動機性能需要可靠監(jiān)控預警[4-5].傳統(tǒng)的監(jiān)控預警方法常以氣路參數(shù)或振動參數(shù)構建性能超限或趨勢模型，預測突發(fā)故障或分析性能衰退趨勢等[5-6].然而，以氣路或振動參數(shù)而不是單元體參數(shù)進行性能監(jiān)控預警，將使單元體結構設計優(yōu)勢無法充分應用，也不能將發(fā)動機安全關口前移至單元體層面[7]，采用經驗確定的靜態(tài)閾值不能滿足性能精確監(jiān)控預警要求.從單元體層面構建性能參數(shù)邊界或閾值建立性能預警監(jiān)控模型，國內外學者都做了相關工作[1,8,9].這些研究工作更注重以經驗監(jiān)控發(fā)動機瞬態(tài)性能，判斷精度不高且沒有預警能力.鑒于此，本文提出單元體參數(shù)表征發(fā)動機性能的預警方法.

1　單元體及表征參數(shù)

民航飛機裝配的渦輪風扇發(fā)動機均是以單元體結構設計為原則，常用機型為PW4077D發(fā)動機[10].目前，使用機型為GE90系列發(fā)動機，文中以二者為例進行比較分析.PW4077D發(fā)動機有風扇、核心機、低壓渦輪和附件傳動裝置4個核心單元體，以13個占位表示著不同的發(fā)動機位置，為使表述簡潔，不計各占位的小數(shù)點，如12.5占位以125表述.航空發(fā)動機單元體性能參數(shù)與可測參數(shù)，如表1所示.

表1　航空發(fā)動機單元體性能參數(shù)與可測參數(shù)

2　航空發(fā)動機性能預警方法

2.1發(fā)動機性能單元體參數(shù)權值計算方法

(1)

各參數(shù)的相關系數(shù)αi，j為

(2)

2.2機隊各循環(huán)性能動態(tài)閾值計算方法

以機隊性綜合閾值替代各臺發(fā)動機性能閾值作為準則，依據(jù)發(fā)動機單元體參數(shù)值及各參數(shù)權值，提出基于單元體參數(shù)的發(fā)動機性能指數(shù).不同循環(huán)t下的性能指數(shù)計算式為

(3)

3　性能預警定模型算例驗證

3.1定量計算單元體參數(shù)性能權值

發(fā)動機性能的主成分計算結果，如表2所示.

表2　發(fā)動機性能的主成分計算結果

由表2可知：主成分1,2對應特征根大于1，且方差貢獻率分別為59.154 0%和23.118 0%，累計貢獻率為82.272 0%，在80%～90%準則內.故主成分1,2能夠包含選取的7個參數(shù)表征的發(fā)動機性能，選取主成分k=2，特征根λk={(4.414 0, 1.168 0)|k=1,2}.計算各主成分對應于7個參數(shù)的載荷系數(shù)和線性組合系數(shù)，然后，計算相關系數(shù)矩陣中發(fā)動機排氣溫度特征值和權值，所得結果如表3所示.

表3　發(fā)動機單元體參數(shù)相關系數(shù)矩陣特征值與權值

圖1　5臺發(fā)動機性能指數(shù)趨勢Fig.1　performance index trends of five engines

3.2機隊各臺發(fā)動機的性能指數(shù)

由式(3)可計算出機隊各臺發(fā)動機的性能指數(shù).機隊中5臺發(fā)動機性能指數(shù)趨勢，如圖1所示.由圖1可知：PW4077D機隊中5臺發(fā)動機在該循環(huán)區(qū)間內性能總體處于降趨勢，但過程變化復雜.

3.3發(fā)動機機隊性能指數(shù)動態(tài)閾值

圖2　機隊發(fā)動機性能閾值趨勢Fig.2　Fleet performance threshold values trend

由于5臺發(fā)動機在相同循環(huán)的發(fā)動機性能指數(shù)值視作正態(tài)分布，按照σ準則分析該機隊的性能指數(shù)動態(tài)閾值,如圖2所示.圖2中：顯著性水平α=0.05;n為工作循環(huán)數(shù).

依據(jù)主成分分析法，計算第1,2主成分特征值對應的發(fā)動機性能指數(shù).計算機隊各循環(huán)性能的閾值分別為：6.305 0， 1.764 4， 4.531 0，1.339 3， 2.179 9，0.850 1，-0.725 2，-2.579 0，-1.492 8，-3.442 2，5.277 7，-0.200 1，-1.209 6，-1.382 4.由圖2可知：在1 440～1 980循環(huán)區(qū)間的性能指數(shù)閾值變化與定權值法得到的結果從趨勢上是一致的，故基于定權值法和數(shù)據(jù)統(tǒng)計結合計算出的機隊性能指數(shù)閾值曲線能夠替代發(fā)動機性能基線監(jiān)控發(fā)動機無故障狀態(tài)下的性能預警監(jiān)控.

4　結論

1) 結合航空發(fā)動機單元體結構設計的主要特點，提出以單元體參數(shù)及組合替代氣路參數(shù)和振動參數(shù)表征發(fā)動機性能[11].

2) 提出以機隊而不是單臺發(fā)動機為預警計算的基準，定權值和主成分法得到的性能閾值趨勢變化均隨工作循環(huán)數(shù)增加而單調下降.下降過程比較復雜，在維護維修等工作后性能閾值會顯著恢復，但不會恢復到初始循環(huán)水平.

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(責任編輯： 陳志賢 英文審校： 崔長彩)

Research on Aero-Engine Performance Early Alerting Method Using Module Parameters

HUANG Yanxiao1, HAO Hongxun2, GUO Jiachen2

(1. College of General Aviation, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300， China;2. College of Flight Technology, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300， China;3. College of Civil Aviation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016， China)

To satisfy the requirements caused by the pre crossing safety for aero-engine performance early alerting, the paper put forward to take out the measurable parameters and their combinations related to the performance parameters by engine operating principle with aero-engine performance early alerting method based on module parameters. With the engine fleet as the research objects, then proposed performance index dynamic threshold model using the statistical criteria with the fleet as the research objects. The performance data of 5 engines with 1 440-1 980 cycles in PW4077D fleet were imputed into the model to verify the performance index dynamic threshold model. Then the paper compared the results generated by combining the fixed weighted value and the statistical criteria with that generated by the PCA method. The comparison showed that the results of two methods were in agreement with each other, i.e., when the performance index dynamic threshold values decrease complexly as the cycle number within the 1 440-1 980 cycles increases, and the threshold values of the 1 500, 1 560 and 1 840 cycles in their neighborhood had recovered somewhat.

aero-engine; module parameters; alerting method; dynamic threshold;σcriteria

10.11830/ISSN.1000-5013.201605001

2016-07-23

黃燕曉(1980-)，男，講師，博士，主要從事飛機發(fā)動機健康管理技術的研究.E-mail:oldsea0592@163.com.

國家安全生產監(jiān)督管理局安全生產重大事故防治關鍵技術科技項目(tianjin-0001-2015AQ)

V 239

A

1000-5013(2016)05-0527-04