航空發動機整機試驗性能故障診斷系統設計

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）

航空發動機整機試驗性能故障診斷系統設計

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）

以航空發動機整機試驗數據為研究對象，建立了1套氣路性能故障診斷系統。該系統可對在研制和生產過程中的試驗結果進行氣路性能故障診斷分析；在分析發動機臺架試車特點的基礎上，闡述了該系統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；最后就系統的發展進行了討論。經過帶噪聲的數值試驗和真實試驗數據驗證，所建立的故障診斷系統診斷有效。

整機試驗；航空發動機；故障診斷；數據分析

0 引言

航空發動機的研制和技術發展本身是1個創新的過程，與新概念、新技術、新材料和新工藝緊密相關。因此，在設計與發展的各個階段，不可能考慮到發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發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，對發動機臺架試車所得到試驗數據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整決策、減少試驗時間、加快研發速度和節約研發經費，對于驗證和修正部件與系統試驗結果，確定發動機總體性能，驗證發動機各部件的匹配性能，考核發動機結構完整性和系統可靠性[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動機氣路性能故障診斷分析系統。

1 試驗數據分析與故障診斷的作用

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

2 研制階段發動機臺架試驗的特點分析

試驗數據氣路性能故障分析系統的應用（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）處于研制階段的發動機在臺架試車試驗時要經常調整或更換（串裝）部件，而不同部件的特性相應會有一定程度的變化，發動機匹配點也隨之變化。

（2）發動機串裝后，1個部件在某個發動機某次試驗的特性，被移植到同一型號的另外1臺發動機的1次試驗中。可以說，處于研制階段的發動機試驗，其試驗數據沒有“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”的發動機。

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

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

（5）發動機的研制是創新的過程，在研制階段的發動機自然缺乏故障模式和實際故障案例的積累，其故障庫的數量和質量都很低，更無從獲得“歷史穩態數據”和“時間序列數據”。

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

3 系統總體設計

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

系統的總體設計思想是：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，以適應不同類型發動機、不同測量參數和不同待診斷故障等多種可選要求的限制。系統設計要考慮到所有可能因實際試車情況變化的因素，如渦噴、渦扇、渦軸、渦槳等不同類型發動機；在試車中，部件經常串裝和調整，應該有部件特性修正系數和可調系數；輸出設計則要考慮到各種所需結果及其表現形式和輸出格式，還要考慮到數據分析過程的一些參數監控的要求。

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

4 主要功能模塊設計

從圖2中可見，與試驗數據分析最相關的模塊是傳感器故障隔離、氣路故障診斷和優化調整。為了闡述方便，首先給出發動機數學模型

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

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 發動機性能仿真模塊

建立發動機總體性能仿真模型是進行試驗數據分析的基礎。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得到和分析更多數據。二者結合會大大提高數據分析的準確度。性能仿真模型除了變比熱、非線性、部件級以外，還充分考慮可調部件調整和各部件經驗修正系數對發動機性能帶來的影響，十分方便地設置發動機試車可調參數和所需的經驗修正系數，并對其進行調節；因

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

以雙軸分排渦扇發動機總體性能建模為例，首先給出氣動熱力性質求解模型。對于發動機部件，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，所以熵和焓函數是氣力熱力性質中最重要的2個函數，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；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。基于上述公式，采用焓熵法依次計算沿流程各部件出口氣流參數，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，聯合已知參數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]。

根據以上3步，建立1個非線性變比熱部件級發動機穩態性能仿真模型。另外，針對發動機“處于研制階段”這一特點，對該模型進行修正：（1）試驗可能調節某些部件，所以設置可調部件，包括高低壓渦輪進口導葉角度和內外涵噴管噴口面積；（2）發動機串調整裝后，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以及壓縮或者膨脹比修正系數；（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動機總體性能建模。完成建模后，還應使用發動機真實試車數據對模型進行校核，這樣才能準確模擬試車發動機真實性能，從而達到準確分析試驗數據的目的。

4.2 傳感器故障隔離模塊

鑒于測量序列多變、無歷史穩態數據和時間序列數據的情況，本文借助模型自適應性和模式識別技術，建立了1種以分析發動機性能參數偏差來模擬測量參數偏差的傳感器診斷方法。

這種方法的基本原理是：設有n個測量參數對應n個傳感器，只有1個傳感器發生了故障。診斷過程是對第i個測量參數，使用除第i個以外的的其余n-1個測量參數通過發動機自適應模型估計性能。如果是第i個傳感器發生故障，那么只有這次得到的估計結果與真實情況最接近，因為只有這次沒有使用發生故障傳感器的測量信息。若發動機沒發生故障，則考察n次用n-1個測量參數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個測量參數估計發動機性能X0；然后優化第i個測量參數yi，使包括yi在內的n個測量參數估計的性能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

針對發動機試驗數據特點，在故障診斷方面，系統首先采用了基于模型的診斷方法——模型辨識法，并將其發展為結合數理統計的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構成進行優化處理，具體的優化處理依據和對應的目標函數見表1。

表1 模型辨識法目標函數的優化

4.4 優化調整模塊

在優化調整之前，系統已經根據試車實際情況對性能模型進行了自適應修正。發動機試驗優化調整是依據試驗性能，在滿足約束條件（CO）的情況下，調整可變幾何部件（V+γ），使發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（OB）的均方根誤差來衡量是否達到優化目標，發動機幾何優化調整可以抽象為如下優化模型

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

5 系統實現

完成所有功能模塊的數學建模以后，采用Microsoft Visual Studio2005進行系統編程。系統編寫時，同時采用了面向過程和面向對象的2種編程方法。發動機性能仿真模型在本系統中只是其中的1個模塊，從前面有關的數據處理、傳感器隔離、故障診斷和優化調整的數學模型看來，這個模塊近似于1個黑匣子功能；在系統運行過程中，此模塊不做任何改動，只相當于1個子函數。在本系統中，發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。涉及試驗數據處理是較為重要的模塊，尤其是故障診斷和優化調整，這些功能模塊都采用了面向對象的編程方法。在系統使用過程中，若有新的診斷和優化方法，都易于添加，增強系統的擴展性。本系統主要包括系統進入界面、輸入界面和分析報告查看界面，如圖7所示。

6 結束語

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

（2）本文基于航空發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的總體設計，并說明了發動機性能仿真、傳感器故障隔離、氣路故障診斷和幾何優化調整4大功能模塊的數學算法流程。

（3）本系統的主要功能模塊和系統試用版已經在某型發動機上進行了真實試驗數據校核和使用，數據分析效果良好。

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

[2]廉筱純，吳虎.航空發動機原理[M].西安：西北工業大學出版社，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.結合統計的模型辨識法在發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，主要從事航空發動機性能優化與故障診斷工作。