航空燃氣渦輪發動機氣路故障診斷現狀與進展分析

霍榮偉

摘要：隨著燃氣輪機制造技術的發展，故障診斷技術體系不斷完善，在目前的生產實踐中，燃氣輪機故障診斷技術系統主要包括基于規則的故障診斷專家系統和基于神經網絡的診斷系統。在生產實踐中必須不斷完善混合智能故障診斷方法及其技術體系。在這一階段，美國和俄羅斯等先進國家正在引領故障診斷技術的研究，韓國也開始研究相關的故障診斷系統以確保燃氣輪機的應用效果。理論研究已經取得了一定的成功，但是實際的技術體系仍然有待改進。

關鍵詞：燃氣輪機;故障診斷技術;研究;展望

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

0? 引言

燃氣輪機是一種旋轉的葉輪熱機，由工作流體（連續流動的氣體）驅動并高速旋轉，以達到將燃料的能量轉化為有用功的目的[1]。在整個單元中，壓縮機、燃燒室和燃氣輪機的三個主要部件構成一個簡單的空氣和燃氣循環，這些循環可以使燃氣輪機的設計更加合理。作為主要的動力設備，提高設備故障診斷的技術水平非常重要，因為一旦發生故障無法及時解決，生產損失就比較大。

1? 燃氣輪機故障診斷技術系統

1.1 基于規則的故障診斷專家系統

基于規則的故障診斷專家系統實際上是對燃氣輪機維護經驗的總結，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，對某些常見燃氣輪機模型的常見故障診斷有很好的效果，使技術人員可以快速對鏈路問題進行故障排除。但是，如果實際應用過程中未曾發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 基于神經網絡的診斷

燃氣輪機發生故障并停止工作后，有必要根據設備的某些特征找出故障原因，更換有缺陷的零件，或要求有關技術人員以其他方式維修設備?；谏窠浘W絡的診斷方法是一種通過使用關聯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果之間建立準確的聯系。由于網絡訓練時間長，診斷過程不清晰，該技術系統容易被誤診，難以發現，可靠性低。因此，技術系統無法在生產實踐中得到廣泛應用。

1.3 混合智能故障診斷方法

燃氣輪機的不同類型在每個領域都不同，根據模型參數采用智能診斷系統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論;正是模糊神經網絡將它們與神經網絡相結合。與純神經網絡相比，混合智能故障診斷可以處理系統提供的一些模糊數據和概念。處理能力更強大，同時具有學習能力，可以不斷增強系統知識庫，并增加錯誤診斷經驗。在大多數情況下，燃氣輪機故障的癥狀很少見，并且根據故障模式的不同，癥狀可能相同。在故障診斷系統中應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? 航空燃氣輪機發動機氣路故障診斷的意義

航空燃氣渦輪發動機具有結構復雜的特征，因此在實際操作過程中難以有效地解決問題。隨著經濟的發展，燃氣渦輪發動機的結構變得越來越復雜，并且為了追求高性能，安全風險很大，發動機需要在高溫和高負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術導彈的種類和類型不斷增加，其結構也越來越復雜?？萍嫉慕Y合也大大提高了軍事裝備的自動化水平。因此，導彈動力系統的故障也越來越復雜。受診斷知識和方法的影響，我國航空燃氣輪機發動機氣路故障的研究和開發方法有限，因此相關行業擴大了對航空燃氣輪機發動機氣路故障的研究，促進了發動機的排放，并改善了維修設計，從而提高我國的航空航天業的整體競爭力。

3? 航空燃氣渦輪發動機氣路故障診斷現狀

根據診斷系統的全局性質，通常將其分為兩類：監視整個機器的性能以及監視單元主體的診斷功能。診斷航空燃氣渦輪發動機的主要問題是：首先，許多發動機模型的測量參數相對較多。其次，故障之間的關系接近，并且很難準確地區分相似的故障。第三，很難區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? 航空燃氣渦輪發動機氣路診斷的方法

4.1 基于人工智能的方法

隨著科學技術的進步，用于解決氣體回路故障的人工智能已廣泛應用于各個行業?；谌斯ぶ悄艿臍饴饭收辖鉀Q方法主要包括人工神經網絡、專家系統和實際運行中的數據融合。實際的缺陷樣本訓練樣本取決于模型，在確定網絡結構和控制學習準確性方面都有一定的經驗。為了很好地概括網絡，需要將網絡結構的復雜性調整為訓練樣本的規模。支持向量機方法（將在“透視圖”部分中進行討論）是一種改進神經網絡泛化的有前途的方法。當使用專家系統維護氣路故障時，必須將其與其他指示和信息結合起來，以確定氣路故障的位置和原因。自組織功能映射網絡是一種無監督的學習網絡，對模型的依賴性較低。SOFM網絡的優勢在于它們可以自動對未知故障進行聚類，其實質是利用樣本到聚類的距離。美國空軍研究所開發的實時引擎診斷原型系統，最初使用SOFM網絡進行初步診斷，然后使用BP網絡對已知故障進行診斷，并適用于SOFM網絡，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

航空發動機氣路故障隔離即把監測參數表現出來的發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Smi。相似系數最大者可認為最有可能發生的故障模式。

某臺發動機的監測參數偏差Bm，計算其和故障模式Fi（i=1，…，N）的相似系數。可以看出Bm和B5的相似系數最大為0.938;和B7的相似系數為-0.81。故障模式F5和F7相似系數為-0.87?？梢哉J為實際監測參數偏差向量Bm和B7的相似系數是由故障模式F5和F7本身的相似性引起的;另外，發動機部件性能在使用中是呈衰減趨勢的，相似系數應取大于0的值，因此確認發動機發生的氣路故障為F5。判斷結果和發動機的實際故障相一致。

4.2.2 故障辨識

航空發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，其規一化的監測參數偏差向量為Bx，對應的該部件性能的衰退值為xx。對于實際的監測參數偏差Bm，計算xx×‖Bm‖，即為部件性能衰減的量值。

4.2.3 討論

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

5? 航空渦輪發動機的發展狀況

眾所周知，航空渦輪發動機的問世給航空業帶來了巨大的變化，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，使航空業進入了一個新時代。研究表明，航空渦輪發動機出現在1940年。隨著科學技術的發展，渦輪發動機技術發展到現在的第五代，給我國的發展帶來了機遇和挑戰。以下簡要描述了開發航空渦輪發動機的整個過程。

隨著20世紀中葉渦輪噴氣發動機的問世，航空領域進入了一個新的發展領域，隨著科學技術的不斷發展，航空管理者的思想逐漸解放，先進的科學技術和積極引進技術。在技術創新的基礎上，發明了加力渦輪噴氣發動機，并在美國等西方國家的影響下逐步重組了該工藝。這時，渦扇發動機成為推動發展的主要設備。從20世紀末開始，渦扇發動機得到了加強，以提高戰斗機的作戰能力，降低噪音并提高可靠性，并且代表性的發動機設備是軍用發電機?？傮w而言，第一代第四代渦輪發動機側重于在改造過程中提高推力重量比，而第五代渦輪發動機則主要側重于在改造過程中提高效率和適應性。改革與創新：我們在學習西方國家的先進技術并結合自身條件進行渦輪發動機的研究與開發和改革。最終目標是通過減少因技術，發動機運行而引起的燃油消耗并提高航空渦輪發動機應用的經濟性來促進中國航空業的發展。

6? 航空渦輪發動機的未來發展方向

隨著我國科學技術的最新發展，我國航空渦輪發動機技術得到了進一步發展，但與先進國家的發動機技術仍存在差距。由于渦輪發動機技術水平直接影響著我國航空工業的未來發展，在全球一體化背景下加速我國航空渦輪發動機技術的改進將增強我國的整體實力，并進一步改善我國的發展及國際市場地位。當前，我國正在積極開發天然氣資源，并且在將來開發航空渦輪發動機時，燃氣發電主要用于燃氣渦輪發動機的開發，并且燃氣渦輪發動機的未來發展方向主要從以下幾個方面進行闡述。

渦輪發動機是航空運行的主要驅動力，因此提高渦輪發動機運行的可靠性非常重要。更長的渦輪發動機壽命節省了航空公司的發動機維護成本，并在一定程度上改善了渦輪發動機。在此基礎上，未來開發渦輪發動機時，相關人員將進行研究和討論，以提高渦輪發動機運行的可靠性，實時監控發動機的運行狀態，并發現發動機問題。及時制定解決方案，以便及時開展工作，并提高發動機運行的可靠性。另外，隨著對渦輪發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，有必要開發耐熱部件或冷卻方法。

7? 結語

簡而言之，對航空燃氣渦輪發動機的氣路故障進行診斷是提高發動機可靠性和耐用性的重要保證。診斷航空燃氣渦輪發動機的氣路的方法有多種，其主要特點是相似系數具有明確的物理意義，簡單的故障結構，故障模式容易擴散。因此，燃氣回路故障診斷人員應了解航空燃氣輪機發動機燃氣回路故障診斷的意義，明確航空燃氣輪機發動機燃氣回路故障診斷的現狀。發動機氣路診斷可以有效解決實際運行過程中的氣路缺陷，缺陷診斷人員應充分了解航空燃氣輪機發動機氣路缺陷診斷的前景，促進我國航天工業的發展。

參考文獻：

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