航空發動機健康評估技術綜述

宋 輝，李曉明，宋文波

（空軍航空大學航空工程機械系，長春 130022）

1 引言

航空發動機結構復雜，且在高溫、高壓和高轉速的惡劣環境下長時間反復工作，發生任何功能故障都可能導致飛機發生事故，甚至誘發災難性后果。為保證航空發動機安全可靠運行，降低維修保障費用，以美國為首的西方國家提出了發動機健康管理[1-2]（EHM）技術。EHM技術通過不斷監測影響發動機安全性能的功能故障，來采取措施恢復其運作功能，確保其可靠性。健康評估是其關鍵技術之一，關系著EHM技術的成敗。與傳統、單一的故障診斷方法不同，健康評估[3]以其先進的狀態監視手段、可靠的評價方法和完整的運行數據來判斷發動機當前的實際健康狀況，進行科學的故障診斷和隔離，以判斷故障的部位、嚴重程度和發展趨勢，識別故障發生的早期征兆，提高診斷準確性，降低虛警率。健康評估不僅能擴展故障診斷功能，辨識系統當前健康狀態，而且能根據系統故障傳播特性評估系統未來的傳播趨勢。

本文在以往相關研究基礎上，結合航空發動機健康評估特點，研究了航空發動機健康評估類型，并介紹前沿的健康評估方法。

2 健康評估概念及意義

健康評估概念最早出現在人的健康管理中，最近幾年才應用于航空發動機管理。其目的在于管理、分類評估數據，并采取積極主動的措施監視發動機的健康狀態，預測發動機性能變化趨勢，部件故障發生時機及剩余使用壽命，以采取必要的措施減緩發動機性能衰退。根據健康評估的特性做出定義：“健康評估”是指根據系統的監測信息評估系統的健康退化情況，給出帶有置信度水平的系統故障診斷結論，并結合系統的健康歷史信息、運行狀態和運作負載特性，預報（指根據健康評估的診斷結論，結合系統故障傳播特性和系統運作情況，定性評估故障的2次影響方向或組件）系統未來的健康狀態[4-5]。

開展發動機健康評估有著重要意義：（1）可以迅速而準確地確定故障部位和嚴重程度，有利于確保飛行安全，減少投入維修的人力、物力，縮短飛機的停飛時間，提高飛機的利用率；（2）實現先進的維修思想（從經驗型的“以預防為主”轉向“以可靠性為中心”）和維修方式（以單純維修方式轉向定時維修、視情維修和事后維修3種方式相結合）的必要手段與前提；（3）可以提高發動機的可靠性和飛行的安全性，縮短發動機維修周期，簡化維修步驟，降低維修成本。

3 航空發動機健康評估類型及特點

航空發動機故障類型十分復雜，總體上可分為性能故障、結構強度故障和機械系統故障。因此，航空發動機健康評估主要對發動機氣路性能、結構和機械系統3部分進行。根據所提取的觀測數據、系統特征和維修記錄，綜合評價發動機健康狀態，為維修工作提供有力支持。其結構如圖1所示。

4 氣路性能健康評估

氣路系統部件是航空發動機的核心部件，包括壓氣機、燃燒室和渦輪等。氣路部件的一些熱力參數可反映發動機性能狀態變化，在發動機使用過程中，由于氣路部件性能退化，導致其性能也逐漸退化。航空發動機氣路性能健康評估內容和特點見表1。

表1 航空發動機氣路性能健康評估

4.1 氣路性能健康評估原理

氣路健康評估都要利用發動機的可觀測參數（如轉速 NL、NH；燃油流量 FF；壓力 P2、P3、P6；溫度 T1、T3、T6）與健康基準線進行比較。其偏差作為檢測、隔離和確定部件在效率和功率上是否存在故障的依據。如果把由發動機故障引起其性能衰退、降級的過程看作正向過程，那么故障診斷就是其反向過程。燃氣渦輪發動機氣路故障診斷方法原理如圖2所示。

4.2 氣路性能健康評估方法

傳統的氣路健康評估方法有故障樹法、線性模型法、非線性模型法和神經網絡法等。目前研究較多的是殘差法[6]和氣路碎屑法。

美國Honeywell公司首先采用殘差法對發動機氣路性能進行評估，把實際測量的發動機穩態參數換算到標準的溫度和壓力條件下，與經驗模型生成殘差。經驗模型是含有發動機風扇轉速（NL）的多項式，可以計算給定飛行條件(如馬赫數、大氣壓力和大氣溫度)下期望的高壓轉速（NH）、排氣溫度（T6）和燃油流量（FF）。模型計算期望值與測量值進行比較的結果，即殘差為ΔNH、ΔT6、ΔFF。用殘差作為模糊推理系統的輸入值進行渦輪部件整體性能衰退的定性診斷分析。

氣路碎屑健康評估是1種基于對發動機氣路碎屑攜帶的靜電進行評估的新方法。該方法最早是由美國賴特·帕特森空軍基地航空系統部的R.P.Couch博士[7]提出的，現已被美國GE公司應用于F-35戰斗機的故障預測與健康管理（PHM）[8]中。在正常工作狀態，發動機尾氣中的總體靜電荷會保持在1個正常水平，但隨著發動機工作條件的不同而有所變化。因此，可以將這個正常水平作為發動機性能衰退的1個閾值。當氣路部件發生故障時，就會在尾氣中產生額外的碎屑，導致總體靜電荷水平超過閾值，進而根據其表現的特征判斷出故障類型，并作出預警。通過氣路碎屑監視可以實現對發動機氣路部件（如壓氣機和渦輪葉片、燃燒室和噴管等）的表面故障（如外物打傷、摩擦、磨損、侵蝕和燒傷等）實時監視和評估。氣路碎屑健康評估的最大好處是對健康狀態的實時識別，只要有碎屑產生，便可監測到，從而識別何種部件發生故障。氣路碎屑健康評估在保證早期預警和故障跟蹤的同時，還可以跟蹤后期的故障發展情況，可為維修計劃的安排帶來很大的自由度，這是其他評估方法難以實現的。

5 結構健康評估

從中國航空發動機的故障統計中發現，發動機性能故障約占總故障的10%～20%，結構強度故障約占總故障的60%～70%，其中多數結構強度故障的早期信息在其振動信息中都有所反映[9]。航空發動機結構健康評估主要包括2方面內容：振動健康評估和部件壽命管理。

5.1 振動健康評估

振動健康評估旨在評估發動機的結構系統，識別發動機在所有工作轉速下的危險振動狀態，預測發動機振動趨勢，避免由發動機部件退化而引起的損傷。準確掌握發動機的振動狀態和特征是判斷發動機轉子動態特性優劣的重要手段，通過發動機振動特征及時發現振動故障，為發動機健康評估提供有效依據。

5.1.1 常見異常振動概述

航空發動機由振動引起的典型故障主要包括：

（1）轉子不平衡：主要因轉子的初始平衡狀態被破壞而產生的不平衡量所導致，這是較常見的發動機振動故障，其直接表現為發動機整機振動過大。

（2）軸承故障：航空發動機支撐結構中使用的多為滾珠軸承和滾棒軸承，軸承磨損故障最為常見。

（3）裂紋：輪盤、葉片、軸的故障主要是由疲勞損傷引起裂紋，隨著發動機的使用，裂紋發展導致部件強度減小，難以承受預定的載荷而發生斷裂。這類故障通常會造成發動機發生致命損壞，危害極大。

（4）碰摩：轉子與機匣碰摩是航空發動機中常見的故障之一，雙轉子發動機內、外轉子的碰摩比較少見。轉子碰摩會引起整機振動過大，破壞發動機封嚴篦齒的結構，影響發動機效率；也可能使機匣發生較大變形，或使發動機轉子葉片產生裂紋甚至折斷。

振動故障是旋轉機械發生故障的主要表現形式。要對發動機振動進行準確的測試，必須對其結構設計、組成和操作動態特性有所了解。根據不同的分類方法，各種振動類型見表2。

表2 航空發動機振動類型

5.1.2 振動健康評估原理

振動健康評估主要研究內容是發動機振動機理，并總結和歸類分析常見的振動故障模式和故障信息，研究適用于發動機振動監視的信號處理方法，包括發動機穩態和過渡態的振動信號處理方法：數據預處理、挑點剔除、信號消噪和振動特征信息提取方法。最后利用相關算法和模型對數據做進一步處理，分析振動趨勢，對異常情況如失衡、磨損和摩擦提出早期預警，以便維修人員及時采取措施。其原理如圖3所示。

目前航空發動機振動健康評估主要存在信號抗干擾、容錯性和準確度問題。倪紹華等人提出了1種基于灰色神經網絡的航空發動機故障診斷方法[10]。該方法不僅具有灰色關聯度故障診斷方法計算量小、準確率高等優點；同時具備了神經網絡強有力的并行處理能力和良好的容錯性。劉林剛等人提出了基于支持向量機的航空發動機振動預測方法，利用時間序列預測理論，建立了航空發動機振動預測模型，提高了發動機振動健康評估的精確度[11]。

5.2 部件壽命管理

進行發動機部件壽命管理[12]是健康評估的1項重要內容。發動機部件壽命管理主要包括高低壓渦輪導向器葉片、軸承、燃燒室機匣和支板、外涵道氣肋、噴管和附件等。保證部件剩余壽命預測的精確性是目前面臨的主要問題，這需要研制更有效的傳感器、設計更精確的模型與算法，加強對疲勞、蠕變和氧化等損傷機理以及其交互作用的深入研究，獲取更準確的材料力學性能數據，減少由于材料等因素帶來的不確定性。其壽命管理內容和程序如圖4所示。

5.2.1 部件壽命管理方法

航空發動機部件壽命控制，一直沿用部件工作小時為壽命單位的定時翻修壽命管理體系，即同類部件均以統一的工作小時為限作為控制壽命的標準。該標準存在以下弊端：（1）發動機工作小時數并不能真實反映發動機壽命消耗的本質。實際上，發動機壽命消耗主要取決于發動機在大負荷狀態下的工作時間和工作循環，即取決于發動機的實際用法；（2）發動機個體之間在載荷強度上存在較大使用差異，若按統一的小時壽命進行翻修管理，則使用負荷較小的發動機繼續使用的潛力將被浪費，導致經濟上高額付出；而使用負荷較大的發動機則易發生飛行安全事故。為此，目前通常利用傳感器的測量結果，綜合部件設計模型和歷史使用數據對部件的剩余壽命進行精確預測。陳立波等人利用機載傳感器信息，確定了發動機主軸承使用壽命模型，該模型把狀態監測數據和基于模型分析的計算方法相結合，對發動機主軸承進行壽命評估，使其預測精確度得到了很大提高[13]。

6 機械系統健康評估

目前，對于齒輪、軸承和傳動軸等機械旋轉部件組成的機械系統的健康狀態評估主要采用滑油監視的方法。該方法旨在利用滑油系統工作參數來監視滑油的理化性能以及發動機中所有接觸滑油的零部件的健康狀況，從而提供有關發動機健康狀態的信息。滑油監視是發動機健康評估的重要手段，主要包括：滑油系統工作狀態監視、滑油碎屑監視和滑油理化性能監視。

（1）滑油系統工作狀態監視

滑油系統工作狀態的監視參數有滑油壓力、滑油溫度、滑油量、滑油消耗量以及油濾堵塞指示等。監視方法是超限告警和趨勢分析。例如：滑油噴嘴堵塞、油濾堵塞或調壓器工作不正常可能引起滑油壓力增高；而泄漏、油管破裂、油泵故障、調壓活門工作不正常則會引起滑油壓力下降。滑油溫度過高結合其他滑油系統監視參數，可指出發動機子系統的故障。監視滑油量和滑油添加量可以得到有關滑油消耗量過高及滑油泄漏的信息。滑油系統工作狀態監控流程如圖5所示。

（2）滑油碎屑監視

除起到潤滑和冷卻作用外，滑油也是碎屑的運輸媒介。滑油碎屑監視的主要任務是監視接觸滑油的發動機零部件的健康狀態，及時發現這些零部件由于表面故障而產生的碎屑，避免造成發動機損傷。滑油碎屑監視包括機載監視和地而監視。機載監視使用傳感器進行實時分析，對超限事件進行告警；地面監視對地面采集的滑油樣品中的碎屑進行分析。滑油碎屑監視主要采用滑油光譜監控和自動磨粒檢測相結合，實現發動機磨損故障的融合診斷[14]，以及支持向量機回歸模型對滑油金屬含量時間序列進行預測建模[15]。

（3）滑油理化性能監視

滑油理化性能監視可以提供滑油的狀態以及某些發動機工作異常的信息。影響滑油理化性能的因素有通氣、溫度、滑油消耗量、滑油系統容量和滑油成分。可對滑油的氧化性、附加損耗、膠體雜質含量、被燃油稀釋、閃點和總酸值等理化性能進行測試，以確定滑油的可使用性。表3列出了滑油在使用中常用理化指標的變化及產生原因，表4列出了國際上常用滑油理化性能分析儀。

表3 滑油常用理化指標的變化及產生原因

表4 常用發動機滑油分析儀

7 結束語

本文在介紹健康評估技術的概念、意義以及航空發動機健康評估類型及特點基礎上，重點分析了氣路性能、結構和機械系統的健康評估。航空發動機健康評估在中國還處于起步階段，對基礎理論知識的研究還比較缺乏，需要進行更深入、更詳細地研究。航空發動機是1個大型的復雜系統，單一的評估模型很難對發動機進行全方位評估。因此應將發動機健康評估融入到發動機設計生產和維修保障中，全方位提高發動機健康狀態。

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