基于航空發動機綜合性能及預測衰退方法研究

張棟善

（中國飛行試驗研究院,陜西 西安 710000）

航空發動機作為飛機系統中的重要組成部分，內部結構較為復雜，且航空發動機通常需要在高溫、高壓、高負荷等不利條件下長時間運行，這為航空發動機的平穩運行帶來高難度考驗。航空公司對發動機的維護與管理需要傾注諸多人力、物力、財力，承受較高壓力，以確保航空發動機的安全可靠，避免發生故障，引發不必要的事故，并減少航空發動機的維護成本。因此，為實現對發動機運行狀況的及時診斷與維修，航空公司應建立相應的決策支持體系，通過對發動機綜合性能與衰退的檢測，協助制定切實有效的解決方案。

1 發動機狀態監控數據特點

航空發動機監控數據包括通過傳感器測量獲得的多個參數，主要有排氣溫度、燃油流量、低壓轉子轉速N1以及高壓轉子轉速N2等四個參數。這四個參數統稱為氣路參數，它們會隨著發動機性能狀態的變化而產生影響，為方便統一敘述，后續將稱為“參數測量值”。以上參數通過機載設備進行收集，并在起飛和巡航階段以ACARS消息的形式傳送至地面系統。在航空發動機運行期間，需要完成的具體任務類型決定了相應飛行周期的運行條件，例如：飛行高度、馬赫數等。發動機的工作條件復雜多變，測量的性能參數經常會根據航空發動機工作狀態的變化而同步更改。因此，不可能直接通過測量出的性能參數來判斷發動機的綜合性能[1]。

同理，航空發動機的綜合性能參數也收其自身衰退及運行情況所左右，但需要注意的是：發動機綜合性能衰退所產生的影響通常情況下會被運行狀況掩蓋。為了消除運行條件對衰退預測的影響，發動機制造商應根據發動機的物理模型結合固定條件與狀態參數得出結論，并完成工況的修復。發動機的綜合性能可以用衰退來表征，主要表現方式包括排氣溫度偏差DEGT、高壓轉子轉速偏差DN2以及燃油流量偏差DFF等氣體路徑參數偏差。為了方便編寫，本文將氣路參數和EGTM的統一稱作“OEM參數”。以上參數能夠糾正工作條件的不良影響，并且能夠直接將發動機性能衰退狀況進行反映。

2 航空發動機性能衰退狀態評價

2.1 航空發動機綜合性能評價

為保證航空發動機能夠安全可靠地運行，有必要對發動機綜合性能與衰退情況進行評估，向衰退預測提供數據支持，以便開展后續發動機維護與修理工作，上述流程也是對發動機健康管理的基礎。單個發動機引擎的維護費用較高，航空公司應結合發動機的狀態來確定最合理的維護周期。因此，想要獲取精準的預測結果，為維護決策提供正確有效的參數支持，就需要改進航空發動機綜合性能評估標準與衰退預測方法，正確有效的性能衰退狀態評估是保證發動機正常運行與維護方案規劃的基礎。

2.2 航空發動機狀態監控

發動機振動信號主要用于監測發動機的機械結構，并通過分析振動參數的變化情況來實現發動機損壞的初步診斷。由振動情況導致的發動機故障類型包括轉子不平衡、軸承故障以及裂紋等。針對發動機狀態監測中的滑油分析是用來確定發動機中與滑油接觸的零件的磨損狀態，它主要作用于組成齒輪、軸承、傳動軸等機械系統的運行狀態評估，監測參數包括滑油壓力、油耗、油含量等。孔探技術是檢查發動機硬件損壞情況的主要手段之一，能夠檢測發動機內部壓氣機與渦輪葉片表面的情況，主要優點在于此技術不需要分解拆裝發動機[2]。

氣路系統是航空發動機的核心組成部分。氣路監控分析是指在發動機氣路中布置一系列傳感器的基礎上，對相應的氣路參數進行收集，其中需要重點收集的參數包括速度、溫度、壓力等。對氣路參數進行標準規范的收集具有重要意義，主要表現在以下幾方面：

首先，隨著發動機工作時長的不斷增加，損傷累積和結構變形等問題會隨之出現，比如發動機氣路部件會出現緩慢劣化等情況，這些情況將導致氣路部件工作產生漂移現象，從而降低發動機綜合性能，而發動機的性能衰退情況也能直接反映出其剩余壽命。

其次，為了符合航空公司對發動機運行的基本要求，發動機制造商應為航空公司提供專門針對發動機的成熟監控服務。根據豐富的研究經驗與發動機性能監測實踐，可以得出氣路分析方法是目前通用度最高、最可靠的發動機健康管理方法。它是利用對氣路參數的檢測分析來判斷發動機的氣路系統是否處于健康狀態，以便開展后續發動機氣路部件衰退情況的檢驗與維護管理。

圖1 航空發動機性能及衰退監控體系

最后，氣路參數與發動機運行的經濟性有密切關系。為了確保運營的經濟利益，航空公司將一些氣路參數作為關鍵監控指標來反映發動機的燃料消耗水平。因此，結合相關因素可確定，想要實現發動機衰退情況的有效預測，需要將研究重點轉移至氣路參數上。

3 航空發電機性能衰退預測方法

3.1 航空發電機性能衰退狀態預測指標

航空發動機性能衰退狀態評估的重點在于如何獲得多個性能參數的綜合指標，并通過該指標反映出發動機的綜合性能衰退程度。關于常規性能衰退的評估方法有兩種。

第一種的綜合性能衰減狀態評估方法是建立在距離測算的基礎上，此方法同樣在故障診斷中受到廣泛應用。該方法首先需要將所有性能正常的監控數據提取出來，并構建正常狀態下的基準，將監視數據與正常狀態基準之間的距離進行計算，計算得出的數值為衰退狀態指標值。數值與正常狀態基準的距離越近，性能衰退情況越低；反之距離越遠，衰退情況越高。

第二種預測衰退的方法是基于回歸的方法，該方法是將回歸模型的多個績效參數轉換為性能衰減狀態指標值。使用此方法首先需要將發動機性能故障的監測數據進行提取，然后在獲得各自的狀態參數值（值為0）后，將所有監測數據乘以相同的變換矩陣，使性能監測數據在失效狀態下的數據值為1，從而求解變換矩陣。對于新的監測數據，可以通過直接乘以轉換矩陣來獲得相應的性能衰退指標值。接近0的值表示發動機性能正常，接近1的值表示發動機衰退程度較高[3]。

3.2 航空發動機性能衰退狀態評價

用于監視發動機綜合性能衰退狀態的評估來源有兩種，分別是OEM參數與監控測量值。其中，監視參數的測量值包括操作參數測量值和性能參數測量值。兩種類型的參數分別用OEM參數子樹與監視參數測量子樹來表示，然后在兩個子樹中分別使用性能衰減狀態評估方法來獲得性能衰減狀態指標值。使用監視參數測量子樹時，應考慮工作環境、狀態與條件的影響，即在多種工況下進行評估；使用OEM參數子樹時，不需要考慮工作環境、狀態以及條件等影響因素，可以將其視為單個工況進行性能評估。

4 結語

綜上所述，航空發動機的性能與衰退檢測過程中存在許多監控參數，為實現對發動機監測參數信息的準確描述，可以通過監測數據的樹形表示方法進行發動機功能、隸屬關系的構建。在樹形檢測方法的支持下，掌握更加精準有效的綜合性能評估信息與衰退狀態。