航空發動機限壽件使用壽命監視研究

趙　勇，李本威，宋里宏（海軍航空工程學院，山東煙臺264001）

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航空發動機限壽件使用壽命監視研究

趙勇，李本威，宋里宏
（海軍航空工程學院，山東煙臺264001）

摘要：隨著單元體設計與基于狀態維修等理念的發展，為克服早期傳統的使用監視方法的不足，提出并發展了航空發動機限壽件使用壽命監視技術。在歸納發動機使用監視發展歷程的基礎上，重點論述了使用壽命監視概念、功能結構、發展現狀及未來趨勢，并對比了使用壽命監視相對于早期使用監視方法的優越性與研究的必要性；詳細分析了使用壽命監視需解決的關鍵技術及潛在的應用前景；最后結合國內現狀，給出了開展使用壽命監視研究的相關建議。

關鍵詞：航空發動機；使用壽命監視；限壽件；基于狀態的維修；預測與健康管理（PHM）；壽命延長控制

1　引言

20世紀70年代隨著單元體設計概念的提出，以及維修思想從定時維修到視情維修的轉變，使用壽命監視受到了前所未有的關注［1］。使用壽命監視就是利用發動機測量參數建立一個準確反映限壽件壽命消耗的數學模型，根據每次飛行參數的測量與處理，計算限壽件在實際使用中的壽命消耗［2-3］。其目的在于監視和跟蹤限壽件的實際使用情況，以便充分利用其可用壽命，使其使用更加經濟有效、安全合理［4］。文獻［5］中表明，通過引入使用壽命監視，可使發動機限壽件在不降低使用安全性的前提下平均使用壽命翻倍。軍用飛機在作戰訓練使用中，由于飛行剖面的多樣性而更加突出了對這項工作的需求，并使使用壽命的跟蹤更加復雜化［6］。國外許多軍用航空發動機從上世紀70年代就陸續加裝了使用壽命監視系統［7-11］，而國內仍大多采用基于飛行時間或起落數的傳統方法，亟待發展適應我國軍用發動機使用的限壽件使用壽命監視技術。

使用壽命監視技術的發展，對于引導目前國內維護保障模式改革及優化發動機使用具有極大的推動作用。而如何發展與應用使用壽命監視技術，重點發展哪些關鍵技術等，都成了亟待解決的問題。鑒于此，本文在歸納航空發動機使用監視歷程的基礎上，重點分析了基于飛參使用壽命監視發展的必要性、現狀與未來趨勢、關鍵技術及應用前景等，并結合國內現狀給出了國內開展使用壽命監視研究的相關建議。

2　航空發動機使用監視歷程

使用監視作為確保航空發動機安全使用的重要保障，從發動機投入使用開始就受到了足夠重視，并處于不斷發展之中。總的來說，航空發動機使用監視經歷了從簡單到復雜、從離線到在線、從單一到綜合化的發展過程。

2.1早期基于飛行時間或起落數的使用監視

早期的航空發動機使用壽命監視中，大多采用記錄發動機工作時間或飛行起落數的方法，來對限壽件進行壽命監視與管理。這種方法在發動機壽命件的設計階段，通常只考慮一個標準飛行剖面（設計載荷譜），通過詳細計算其應力、溫度及利用材料特性與失效模式，給出該標準飛行條件下發動機部件的安全使用壽命，并以此為標準在全機群范圍內實施一刀切的基于飛行時間或起落數的監視與管理。事實上，使用過程中發動機壽命件的壽命消耗，與其實際所受的應力、應變及溫度等載荷是分不開的。若按統一的飛行時間進行壽命管理，使用載荷較小時發動機壽命件繼續使用的潛力被浪費，而使用在極度惡劣情況時則易發生安全事故。

2.2基于飛參的使用壽命監視

發動機對其可靠性的更高需求及飛參技術的成熟發展，奠定了基于飛參的發動機限壽件使用壽命單機監視技術的基礎。基于飛參的使用壽命監視以限壽件的累積損傷為限壽標準，通過利用發動機的實際使用數據，采用相關算法對發動機限壽件的壽命消耗進行單機追蹤，當限壽件的累積損傷達到預定標準時予以報廢與替換。其能在降低發動機部件使用風險的同時，極大地減少壽命周期維護費用。

圖1以發動機三種特殊使用情況為例，形象對比了早期基于飛行時間或起落數和基于飛參兩種監視方法的特點，及開展使用壽命監視的必要性。

2.3國外典型的使用壽命監視系統

國外航空技術強國多年來在軍用和民用使用監視領域，都進行了大量的研究與試驗，開發了很多典型的使用壽命監視系統，積累了豐富的經驗［12-13］。

圖1 使用監視方法特點對比Fig.1 Comparison of usage monitoring methods

F100發動機機載的事件歷史記錄器（EHR），用于監視發動機的特定參數，并為地勤人員提供直接讀數。EHR記錄了來自電子控制器的高壓轉速循環、低壓渦輪進氣溫度等參數，可進行部件的壽命管理和故障檢測。B-1B裝配的F101-GE-102發動機、F-16裝配的F110-GE-100發動機以及F-14裝配的F110-GE-400發動機，都具有發動機壽命件使用壽命監視功能。其中，F101發動機的使用壽命監視功能合并到了發動機的中央集成測試系統中，F110發動機的使用壽命監視則與發動機監視系統（EMS）實現了一體化，這兩種系統都采用了機載數據采集與地面站深入分析壽命使用的模式。T700發動機的歷史記錄器可對發動機17個限壽件的使用壽命進行監視，其4個數字顯示窗口分別顯示限壽件的不同循環數及工作時間。F404-400發動機的使用壽命監視功能合并在其空中發動機狀態監視系統（IECMS）中，監視的使用壽命參數包括完整和部分轉速循環、壓氣機出口壓力完整循環、高壓渦輪葉片前緣尾緣溫度等，可對發動機的25個限壽件的低周疲勞進行跟蹤。

德國早在1982年就已產生開發機載使用壽命監視系統（OLMOS）的思想［8］。OLMOS集成在飛參記錄儀的數據采集單元中，通過一數學模型來計算轉子的瞬態溫度和應力，進而評估轉子的低周疲勞壽命消耗。截止1997年，德國空軍Tornado飛機裝配的RB199發動機的OLMOS已對機群進行了10多年的跟蹤監測［14］，相比于傳統監視方法，OLMOS的引入能最大化地利用壽命件的使用壽命（圖2），對飛機和發動機的操作、維護產生了重大影響。圖3給出了OLMOS在機群范圍內對低壓壓氣機某關鍵部位77個飛行剖面監視的統計結果。可見，使用壽命與飛行時間的關聯性不強，利用飛行時間的折算來衡量使用壽命的方法分散性太大；即使執行相同的飛行任務，同一飛機上兩個發動機的實際使用壽命也差異較大。

圖2 不同監視方法下壽命件使用壽命平均利用情況Fig.2 Mean life usage of life-limited parts with different monitoring methods

圖3 低壓壓氣機某關鍵部位使用壽命監視統計結果Fig.3 Statistical result of life usage monitoring for a critical area in low pressure compressor

早在20世紀70年代中期，英國就開始了空軍裝配的發動機使用壽命監視系統（EUMS）的開發，記錄的參數包括轉子轉速、進氣溫度、排氣溫度等，可準確評估發動機主要旋轉部件低周疲勞壽命的使用情況。系統開發完成后又進行了更新，先后開發了兩個新版本。AV-8B飛機裝配的飛馬MK105、F402-RR-406發動機監視系統都具有使用壽命監視功能，可監視發動機主要部件的低周疲勞壽命和高壓渦輪葉片的蠕變/熱疲勞壽命。在該系統使用早期，只可監視6個主要部件的低周疲勞使用壽命，其他部件都采取折算因子的方法進行換算。經過算法改進后，該系統可直接監視發動機36個關鍵部件的使用壽命，并具有很高的精度。

目前，F119、EJ200及F135等先進發動機，無一例外地配裝了發動機健康管理系統，并實現了使用壽命監視功能與發動機健康管理系統的綜合一體化［15-16］。F119發動機的使用壽命監視功能分為機載和地面兩部分，機載模塊可在線計算壽命件的壽命消耗，包括熱端部件的蠕變壽命，低周疲勞壽命，工作時間、加力點火次數等使用壽命參數，由機載的獨立發動機診斷單元（CEDU）實現；地面模塊可進行關鍵部件的壽命消耗累積及相應的維護任務優化。EJ200發動機的使用壽命監視功能也分為機載和地面兩部分，機載部分可根據機載飛行任務剖面數據實時計算部件壽命消耗，并隨著飛行的繼續不斷更新；地面部分負責對機載的使用壽命結果進行核查，并預測限壽件的可用剩余壽命，以便制定合理的維護計劃。其使用監視模塊可監視關鍵部件的低周疲勞、蠕變及熱機械疲勞等，監視的部件及對應損傷機理如表1所示。F135發動機代表當今發動機的最高發展水平，其使用壽命監視功能模塊可在線計算和跟蹤限壽件的使用壽命消耗，并能根據計算的壽命消耗和預測的剩余壽命，實時評估發動機執行預定任務的能力，從而為指揮人員提供科學決策依據。可見，國外對使用壽命監視的研究日益重視，使用壽命監視系統的發展呈現出涵蓋面廣、功能全面、與PHM（預測與健康管理）系統綜合一體化等特點。

表1 EJ200發動機使用壽命監視的部件及損傷機理Table 1 Life usage monitoring component in EJ200 and damage mechanism

2.4國內使用壽命監視研究現狀

國內開展航空發動機使用壽命監視工作較晚，深入程度較國外差距較大。長期以來，國內根據發動機長試實踐、使用大修經驗、相近機型類比等方法，確定發動機使用壽命和翻修時間。壽命指標仍以發動機工作小時數為主，部隊在使用中則根據發動機的工作時間來確定壽命消耗。

目前，國內已認識到航空發動機單機使用壽命監視的重要性，并對此進行了大量研究。但從公開發表文獻看［2-4，6，13］，國內關于發動機使用壽命監視系統的研究主要側重于功能框架設計，深入程度不夠，處理方法相對簡單；相關研究主要集中在部件損傷機理、壽命預測方法及相關試驗上，應用于具體型號的成熟使用壽命監視系統較少。

3　使用壽命監視關鍵技術分析

與傳統監視方法相比，基于飛參的使用壽命監視需要對壽命件的載荷、壽命等進行快速計算分析，其功能（或流程）結構如圖4所示。使用壽命監視的功能構成決定了其關鍵技術主要包括：性能參數計算，部件溫度、應力分析，壽命消耗模型及驗證技術等。

圖4 使用壽命監視的功能結構Fig.4 Functional structure of life usage monitoring

3.1性能參數計算模型

使用過程中發動機限壽件所受的載荷分析需要以其實際工作參數為基礎。雖然發動機機載飛參數據記錄系統能提供部分易測參數，如大氣條件、轉子轉速及部分截面的溫度和壓力，但是由于當前機載測試傳感器大多為了控制安裝，加之傳感器技術限制無法工作在極端惡劣條件下，機載測試數據非常有限，不能完全滿足各限壽件的使用壽命監視需求。

發動機性能仿真模型常用于計算使用壽命監視所需參數，能準確計算發動機在各種條件下運行時各截面的壓力、溫度和轉子轉速。但由于使用壽命監視涉及大量使用數據需要處理，且發動機性能仿真模型都較為復雜，計算時間較長，所以其并不適合直接用于使用壽命監視。另外，采用間接測量技術，通過建立與可測參數的關系，也可用來估計發動機的不可測參數，如文獻［17］、［18］提到的逆循環方法及文獻［19］提到的神經網絡方法。

適用于使用壽命監視的發動機模型應該是個簡單高效的模型：運行速度快，卻可較為準確地計算發動機各工作狀態下的參數；可根據發動機機載測試參數及時更新發動機模型，以適應發動機性能退化。

3.2溫度、應力分析技術

發動機壽命件的壽命消耗與其實際使用中所受的溫度、應力等載荷密切相關，部件溫度、應力分析技術是發動機工作狀態參數和部件壽命消耗之間的紐帶。發動機工作狀態參數主要指發動機轉子轉速和相關截面的溫度、壓力，而發動機限壽件的使用壽命消耗計算需要的是部件所受的溫度、應力等負荷。發動機部件溫度、應力分析的常用方法，包括定性方法、近似方法及有限元方法，各方法的特點如表2所示。

表2 常用載荷分析方法的特點Table 2 Commonly used load analysis method

有限元方法是發動機部件載荷分析精度最高的方法，但有限元分析需要消耗大量的時間。由于使用壽命監視涉及大量使用數據需要處理與計算，直接將有限元方法應用于使用壽命監視明顯不切實際，需研究滿足使用壽命監視要求的載荷分析方法。

模型降階方法能在較少犧牲精度的前提下，通過降低計算模型的復雜程度來提高其計算效率，通常可滿足使用壽命監視對載荷分析的要求。常用的模型降階方法按其原理，可分為基于模型分析的方法和基于數據分析的方法兩類。其中，前者通過將有限元的節點自由度分類處理以省略一部分次要的節點自由度，進而降低有限元規模達到降階的目的，此類方法主要有Guyan降階法和部件模態綜合法（CMS）［20-21］。相比于前者，后者主要利用神經網絡、支持向量機、回歸擬合等算法對載荷分析模型進行辨識［22-23］，在確保精度的同時更能提高載荷分析的計算效率。

3.3壽命消耗模型

使用壽命監視最重要的關鍵技術之一，就是建立限壽件準確的壽命消耗模型。本文所指的限壽件，主要包括限制壽命的關鍵件（其故障可能危及飛行安全）和限制壽命的重要件（其故障會嚴重影響發動機性能、可靠性或使用成本）［13］。由于發動機各限壽件所受載荷形式及強度都不同，限制其壽命的失效模式也不相同，主要包括低周疲勞、熱疲勞、蠕變、高周疲勞、腐蝕等。表3給出了發動機典型限壽件的受載及失效模式。因此，理想的使用壽命監視系統應涵蓋所有限壽件的各種失效模式，并針對各種失效模式都建立一個準確的壽命消耗模型。

表3 發動機典型限壽件的受載及失效模式Table 3 Loads and failure modes for typical life-limited parts

影響發動機零部件壽命消耗的不確定性因素較多，確定性給出發動機零部件的壽命消耗值通常不切實際［24］。考慮影響使用壽命消耗的不確定因素，進行使用壽命消耗的概率分析，可從概率的角度解釋零部件使用壽命的分散性，更加客觀準確地描述發動機實際壽命消耗規律［25-26］。

3.4驗證技術

使用壽命監視的驗證主要包括兩方面，即使用壽命監視算法的驗證和使用壽命監視系統的應用驗證［27］。由于使用壽命監視系統的應用驗證涉及到一系列具體的工程應用問題，本文只側重介紹使用壽命監視算法的驗證。

使用壽命監視算法的驗證，就是檢驗監視算法計算所得壽命消耗值與零部件實際壽命消耗值之間的差異是否達到要求。由于零部件實際壽命消耗值無法確定，通常采取與設計階段壽命預測方法對比的方式來驗證使用壽命監視算法的準確性。

4　使用壽命監視的應用前景分析

4.1發動機預測與健康管理

21世紀航空發動機狀態監視與故障診斷系統，將呈現出一體化、綜合化及智能化特點，如發動機PHM系統。根據PHM的定義及國外航空發動機PHM技術的發展規劃，使用壽命監視將作為發動機PHM技術的重要功能組成［15-16］。使用壽命監視技術集成應用于PHM系統中，可進一步擴展PHM的功能，確保航空發動機關鍵件的安全使用和科學維護。

4.2壽命延長控制

航空發動機壽命延長控制起步于2001年，能在少量犧牲發動機性能指標的前提下顯著節省發動機部件的壽命消耗［28］。在壽命延長控制技術中，發動機部件實時使用壽命計算模型至關重要。而目前國內關于航空發動機壽命延長控制的研究，只是采用簡化的壽命模型進行定性研究［29-30］。將使用壽命監視技術應用于壽命延長控制，能顯著提高壽命消耗模型的準確性，使壽命延長控制的研究結果更加準確可信，進而加快壽命延長控制的實際應用進程。

4.3基于狀態的維護保障

使用壽命監視不是單純監視限壽件的壽命消耗，其最終目的是預測限壽件的剩余壽命。將發動機零部件使用壽命監視與其維護保障策略相結合［31］，以便根據零部件的壽命消耗等制定相應的檢查、維護、修理和替換計劃，確保部件不會出現重大失效。利用使用壽命監視的結果指導維修，考慮了部件的實際使用，具有比基于日歷時間維護保障模式更大的優勢。

5　結論

基于對使用壽命監視的定義、功能結構、關鍵技術及國外典型系統特點的分析，結合目前國內發動機技術水平的現狀，可形成以下結論或參考性建議：

（1）使用壽命監視相對于傳統監視方法考慮了發動機部件的實際使用情況，可顯著提高發動機使用的安全性與經濟性，具有較大研究價值。國外對使用壽命監視研究日益重視，使用壽命監視系統的發展呈現出涵蓋面廣、功能全面、與PHM系統綜合一體化等特點。

（2）國內多種戰機都加裝了飛行參數記錄器，記錄著大量反映發動機工作狀態和工作環境的參數，這些數據的變化過程在一定程度上反映了發動機及其部件壽命耗損，因此國內開展基于飛參的發動機零部件壽命監視與管理在技術上可行。

（3）由于機載測試水平及機載實時模型的限制，國內的使用壽命監視可采取機載飛參數據采集與地面站使用壽命深入分析的分布式形式。

（4）基于使用壽命監視的結果及發動機的實際使用特點，開展發動機限壽件剩余壽命的預測方法研究，并嘗試在整個機群范圍內，將發動機限壽件的剩余壽命信息應用于發動機維護保障策略的優化及其安全使用。

（5）著眼下一代戰機，預先研究機載的使用壽命實時監視技術，開展使用壽命監視與發動機PHM系統的綜合一體化設計和研究。

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Research on life usage monitoring of aero-engine life-limited parts

ZHAO Yong1，LI Ben-wei1，SONG Li-hong2
（Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China）

Abstract：With the development of these theories like component design and on-condition maintenance，life usage monitoring of aero-engine life-limited parts was proposed to overcome the deficiency of the tradi?tional usage monitoring method. Based on the engine usage monitoring development process，the definition，functional composition，research status and future directions of life usage monitoring were introduced in de?tail. Moreover，the advantage and necessity of life usage monitoring were compared with the traditional us?age monitoring method，and the key technologies and potential applications were also analyzed. Finally，combined with the domestic status，relative suggestions on life usage monitoring were put forward.

Key words：aero-engine；life usage monitoring；life-limited parts；on-condition maintenance；PHM；life extending control

中圖分類號：V231.9

文獻標識碼：A

文章編號：1672-2620（2016）02-0032-06

收稿日期：2015-07-27；修回日期：2015-12-02

基金項目：國家自然科學基金（51375490）；海軍航空工程學院研究生創新基金

作者簡介：趙勇（1986-），男，湖南常德人，博士研究生，研究方向為航空發動機使用壽命監視。