航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機氣路故障診斷現(xiàn)狀與進展分析

霍榮偉

摘要：隨著燃?xì)廨啓C制造技術(shù)的發(fā)展，故障診斷技術(shù)體系不斷完善，在目前的生產(chǎn)實踐中，燃?xì)廨啓C故障診斷技術(shù)系統(tǒng)主要包括基于規(guī)則的故障診斷專家系統(tǒng)和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷系統(tǒng)。在生產(chǎn)實踐中必須不斷完善混合智能故障診斷方法及其技術(shù)體系。在這一階段，美國和俄羅斯等先進國家正在引領(lǐng)故障診斷技術(shù)的研究，韓國也開始研究相關(guān)的故障診斷系統(tǒng)以確保燃?xì)廨啓C的應(yīng)用效果。理論研究已經(jīng)取得了一定的成功，但是實際的技術(shù)體系仍然有待改進。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C;故障診斷技術(shù);研究;展望

中圖分類號：V231.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0163-02

0? 引言

燃?xì)廨啓C是一種旋轉(zhuǎn)的葉輪熱機，由工作流體（連續(xù)流動的氣體）驅(qū)動并高速旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到將燃料的能量轉(zhuǎn)化為有用功的目的[1]。在整個單元中，壓縮機、燃燒室和燃?xì)廨啓C的三個主要部件構(gòu)成一個簡單的空氣和燃?xì)庋h(huán)，這些循環(huán)可以使燃?xì)廨啓C的設(shè)計更加合理。作為主要的動力設(shè)備，提高設(shè)備故障診斷的技術(shù)水平非常重要，因為一旦發(fā)生故障無法及時解決，生產(chǎn)損失就比較大。

1? 燃?xì)廨啓C故障診斷技術(shù)系統(tǒng)

1.1 基于規(guī)則的故障診斷專家系統(tǒng)

基于規(guī)則的故障診斷專家系統(tǒng)實際上是對燃?xì)廨啓C維護經(jīng)驗的總結(jié)，主要包括癥狀和故障的具體征兆。這種故障診斷方法相對直觀、生動，對某些常見燃?xì)廨啓C模型的常見故障診斷有很好的效果，使技術(shù)人員可以快速對鏈路問題進行故障排除。但是，如果實際應(yīng)用過程中未曾發(fā)生過某種類型的故障，則由于診斷錯誤或診斷失敗，診斷過程可能會延遲。

1.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷

燃?xì)廨啓C發(fā)生故障并停止工作后，有必要根據(jù)設(shè)備的某些特征找出故障原因，更換有缺陷的零件，或要求有關(guān)技術(shù)人員以其他方式維修設(shè)備?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法是一種通過使用關(guān)聯(lián)記憶方法建立從癥狀到疾病原因的映射過程的診斷方法，具有高度非線性和高容錯性的優(yōu)點，但具有以下缺點：清楚地顯示了診斷過程。不可能在診斷指示和診斷結(jié)果之間建立準(zhǔn)確的聯(lián)系。由于網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時間長，診斷過程不清晰，該技術(shù)系統(tǒng)容易被誤診，難以發(fā)現(xiàn)，可靠性低。因此，技術(shù)系統(tǒng)無法在生產(chǎn)實踐中得到廣泛應(yīng)用。

1.3 混合智能故障診斷方法

燃?xì)廨啓C的不同類型在每個領(lǐng)域都不同，根據(jù)模型參數(shù)采用智能診斷系統(tǒng)的方法是一種混合型智能故障診斷方法。在智能診斷方法中廣泛使用的理論是模糊結(jié)論;正是模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將它們與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。與純神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，混合智能故障診斷可以處理系統(tǒng)提供的一些模糊數(shù)據(jù)和概念。處理能力更強大，同時具有學(xué)習(xí)能力，可以不斷增強系統(tǒng)知識庫，并增加錯誤診斷經(jīng)驗。在大多數(shù)情況下，燃?xì)廨啓C故障的癥狀很少見，并且根據(jù)故障模式的不同，癥狀可能相同。在故障診斷系統(tǒng)中應(yīng)用模糊理論可以有效地解決這一問題，推理過程更加緊密。

2? 航空燃?xì)廨啓C發(fā)動機氣路故障診斷的意義

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特征，因此在實際操作過程中難以有效地解決問題。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，并且為了追求高性能，安全風(fēng)險很大，發(fā)動機需要在高溫和高負(fù)荷條件下長時間運行。隨著軍事力量的增強，我國軍方裝備的新型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的種類和類型不斷增加，其結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜?？萍嫉慕Y(jié)合也大大提高了軍事裝備的自動化水平。因此，導(dǎo)彈動力系統(tǒng)的故障也越來越復(fù)雜。受診斷知識和方法的影響，我國航空燃?xì)廨啓C發(fā)動機氣路故障的研究和開發(fā)方法有限，因此相關(guān)行業(yè)擴大了對航空燃?xì)廨啓C發(fā)動機氣路故障的研究，促進了發(fā)動機的排放，并改善了維修設(shè)計，從而提高我國的航空航天業(yè)的整體競爭力。

3? 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機氣路故障診斷現(xiàn)狀

根據(jù)診斷系統(tǒng)的全局性質(zhì)，通常將其分為兩類：監(jiān)視整個機器的性能以及監(jiān)視單元主體的診斷功能。診斷航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的主要問題是：首先，許多發(fā)動機模型的測量參數(shù)相對較多。其次，故障之間的關(guān)系接近，并且很難準(zhǔn)確地區(qū)分相似的故障。第三，很難區(qū)分由于噪聲引起的測量變量的偏差和測量變量的故障。測量信號位置偏差較大。

4? 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機氣路診斷的方法

4.1 基于人工智能的方法

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，用于解決氣體回路故障的人工智能已廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。基于人工智能的氣路故障解決方法主要包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)和實際運行中的數(shù)據(jù)融合。實際的缺陷樣本訓(xùn)練樣本取決于模型，在確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和控制學(xué)習(xí)準(zhǔn)確性方面都有一定的經(jīng)驗。為了很好地概括網(wǎng)絡(luò)，需要將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性調(diào)整為訓(xùn)練樣本的規(guī)模。支持向量機方法（將在“透視圖”部分中進行討論）是一種改進神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)泛化的有前途的方法。當(dāng)使用專家系統(tǒng)維護氣路故障時，必須將其與其他指示和信息結(jié)合起來，以確定氣路故障的位置和原因。自組織功能映射網(wǎng)絡(luò)是一種無監(jiān)督的學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，對模型的依賴性較低。SOFM網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢在于它們可以自動對未知故障進行聚類，其實質(zhì)是利用樣本到聚類的距離。美國空軍研究所開發(fā)的實時引擎診斷原型系統(tǒng)，最初使用SOFM網(wǎng)絡(luò)進行初步診斷，然后使用BP網(wǎng)絡(luò)對已知故障進行診斷，并適用于SOFM網(wǎng)絡(luò)，對測量噪音具有很強的魯棒性。

4.2 氣路故障診斷

4.2.1 故障隔離

航空發(fā)動機氣路故障隔離即把監(jiān)測參數(shù)表現(xiàn)出來的發(fā)動機氣路故障隔離到某種故障模式Fx上。計算向量Bm和各個故障模式Fi（i=1，…，N）的歸一化偏差向量Bi相似系數(shù)Smi。相似系數(shù)最大者可認(rèn)為最有可能發(fā)生的故障模式。

某臺發(fā)動機的監(jiān)測參數(shù)偏差Bm，計算其和故障模式Fi（i=1，…，N）的相似系數(shù)?？梢钥闯鯞m和B5的相似系數(shù)最大為0.938;和B7的相似系數(shù)為-0.81。故障模式F5和F7相似系數(shù)為-0.87?？梢哉J(rèn)為實際監(jiān)測參數(shù)偏差向量Bm和B7的相似系數(shù)是由故障模式F5和F7本身的相似性引起的;另外，發(fā)動機部件性能在使用中是呈衰減趨勢的，相似系數(shù)應(yīng)取大于0的值，因此確認(rèn)發(fā)動機發(fā)生的氣路故障為F5。判斷結(jié)果和發(fā)動機的實際故障相一致。

4.2.2 故障辨識

航空發(fā)動機氣路故障的辨識問題是把隔離出具體的部件性能故障后，進一步分析故障的嚴(yán)重程度，即確定部件性能衰退值的大小。對于已隔離出的故障模式Fx，其規(guī)一化的監(jiān)測參數(shù)偏差向量為Bx，對應(yīng)的該部件性能的衰退值為xx。對于實際的監(jiān)測參數(shù)偏差Bm，計算xx×‖Bm‖，即為部件性能衰減的量值。

4.2.3 討論

①采用相似系數(shù)進行航空發(fā)動機故障診斷，首先需要確定基準(zhǔn)參數(shù)并建立各種故障模式的監(jiān)測參數(shù)偏差向量。監(jiān)測參數(shù)偏差向量可以通過發(fā)動機模型計算獲得，也可以通過統(tǒng)計方式獲得。②對于一種新的故障模式，獲得監(jiān)測參數(shù)偏差向量可直接用于以后的故障隔離和辨識，系統(tǒng)擴展容易。③不必要求監(jiān)測參數(shù)的個數(shù)M大于故障模式的個數(shù)N。④實際監(jiān)測參數(shù)偏差向量Bm和故障模式Fi（i=1，…，N）相似系數(shù)的絕對值，可以認(rèn)為Bm對故障模式Fi的隸屬度，符合故障診斷的模糊性質(zhì)。⑤相似系數(shù)可以用來分析對監(jiān)測參數(shù)偏差影響相似的故障模式。對于多故障并發(fā)的航空發(fā)動機氣路故障診斷，可以幫助尋找故障方程的主因子。

5? 航空渦輪發(fā)動機的發(fā)展?fàn)顩r

眾所周知，航空渦輪發(fā)動機的問世給航空業(yè)帶來了巨大的變化，不僅增加了飛機運行的速度和高度，而且還進入了超音速飛行時代，使航空業(yè)進入了一個新時代。研究表明，航空渦輪發(fā)動機出現(xiàn)在1940年。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，渦輪發(fā)動機技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在的第五代，給我國的發(fā)展帶來了機遇和挑戰(zhàn)。以下簡要描述了開發(fā)航空渦輪發(fā)動機的整個過程。

隨著20世紀(jì)中葉渦輪噴氣發(fā)動機的問世，航空領(lǐng)域進入了一個新的發(fā)展領(lǐng)域，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，航空管理者的思想逐漸解放，先進的科學(xué)技術(shù)和積極引進技術(shù)。在技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，發(fā)明了加力渦輪噴氣發(fā)動機，并在美國等西方國家的影響下逐步重組了該工藝。這時，渦扇發(fā)動機成為推動發(fā)展的主要設(shè)備。從20世紀(jì)末開始，渦扇發(fā)動機得到了加強，以提高戰(zhàn)斗機的作戰(zhàn)能力，降低噪音并提高可靠性，并且代表性的發(fā)動機設(shè)備是軍用發(fā)電機。總體而言，第一代第四代渦輪發(fā)動機側(cè)重于在改造過程中提高推力重量比，而第五代渦輪發(fā)動機則主要側(cè)重于在改造過程中提高效率和適應(yīng)性。改革與創(chuàng)新：我們在學(xué)習(xí)西方國家的先進技術(shù)并結(jié)合自身條件進行渦輪發(fā)動機的研究與開發(fā)和改革。最終目標(biāo)是通過減少因技術(shù)，發(fā)動機運行而引起的燃油消耗并提高航空渦輪發(fā)動機應(yīng)用的經(jīng)濟性來促進中國航空業(yè)的發(fā)展。

6? 航空渦輪發(fā)動機的未來發(fā)展方向

隨著我國科學(xué)技術(shù)的最新發(fā)展，我國航空渦輪發(fā)動機技術(shù)得到了進一步發(fā)展，但與先進國家的發(fā)動機技術(shù)仍存在差距。由于渦輪發(fā)動機技術(shù)水平直接影響著我國航空工業(yè)的未來發(fā)展，在全球一體化背景下加速我國航空渦輪發(fā)動機技術(shù)的改進將增強我國的整體實力，并進一步改善我國的發(fā)展及國際市場地位。當(dāng)前，我國正在積極開發(fā)天然氣資源，并且在將來開發(fā)航空渦輪發(fā)動機時，燃?xì)獍l(fā)電主要用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的開發(fā)，并且燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的未來發(fā)展方向主要從以下幾個方面進行闡述。

渦輪發(fā)動機是航空運行的主要驅(qū)動力，因此提高渦輪發(fā)動機運行的可靠性非常重要。更長的渦輪發(fā)動機壽命節(jié)省了航空公司的發(fā)動機維護成本，并在一定程度上改善了渦輪發(fā)動機。在此基礎(chǔ)上，未來開發(fā)渦輪發(fā)動機時，相關(guān)人員將進行研究和討論，以提高渦輪發(fā)動機運行的可靠性，實時監(jiān)控發(fā)動機的運行狀態(tài)，并發(fā)現(xiàn)發(fā)動機問題。及時制定解決方案，以便及時開展工作，并提高發(fā)動機運行的可靠性。另外，隨著對渦輪發(fā)動機性能的要求增加，在操作期間渦輪的入口溫度升高，因此，有必要開發(fā)耐熱部件或冷卻方法。

7? 結(jié)語

簡而言之，對航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的氣路故障進行診斷是提高發(fā)動機可靠性和耐用性的重要保證。診斷航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的氣路的方法有多種，其主要特點是相似系數(shù)具有明確的物理意義，簡單的故障結(jié)構(gòu)，故障模式容易擴散。因此，燃?xì)饣芈饭收显\斷人員應(yīng)了解航空燃?xì)廨啓C發(fā)動機燃?xì)饣芈饭收显\斷的意義，明確航空燃?xì)廨啓C發(fā)動機燃?xì)饣芈饭收显\斷的現(xiàn)狀。發(fā)動機氣路診斷可以有效解決實際運行過程中的氣路缺陷，缺陷診斷人員應(yīng)充分了解航空燃?xì)廨啓C發(fā)動機氣路缺陷診斷的前景，促進我國航天工業(yè)的發(fā)展。

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