民用渦扇發(fā)動機燃油系統(tǒng)健康指標(biāo)選取

丁佳偉，郭迎清，來晨陽

（1.航空工業(yè)西安飛行自動控制研究所，西安 710065；2.西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院，西安 710129）

0 引言

燃油系統(tǒng)是實現(xiàn)航空發(fā)動機控制器功能的重要部件，其性能變化將對控制指令的執(zhí)行造成直接影響。燃油系統(tǒng)子部件眾多，包括燃油計量裝置、燃油泵、變幾何面積機構(gòu)等，這些部件工作環(huán)境惡劣，性能衰退、故障和失效情況頻發(fā)。根據(jù)CFM國際公司的統(tǒng)計，2008年以后，CFM56-5B發(fā)動機燃油系統(tǒng)燃油滲漏成為發(fā)動機最為多發(fā)的故障。燃油系統(tǒng)的故障和失效給發(fā)動機和飛機的運行安全帶來嚴(yán)重威脅，同時，其性能衰退也會引發(fā)大量的民航航班延誤和取消（Delays and Cancellations，D&C）。因此有必要針對燃油系統(tǒng)各部件多發(fā)的性能衰退模式進行健康指標(biāo)選取的相關(guān)研究，基于機載可測信號，直接或間接選取有效的健康指標(biāo)，反映當(dāng)前燃油系統(tǒng)的健康狀態(tài)，降低安全風(fēng)險和經(jīng)濟損失。

目前，國外在燃油系統(tǒng)健康指標(biāo)選取和健康管理領(lǐng)域的研究內(nèi)容披露不多，Lamoureux等對民用渦扇發(fā)動機燃油系統(tǒng)的主燃油泵、燃油計量裝置、執(zhí)行機構(gòu)等部件的失效模式分析、健康指標(biāo)選取做出了細(xì)致的工作，并基于SVR-Kriging方法構(gòu)建了燃油系統(tǒng)代理模型，在考慮環(huán)境和結(jié)構(gòu)不確定性的情況下，對健康指標(biāo)體系進行了驗證。在中國，多數(shù)學(xué)者對于燃油系統(tǒng)部件的故障診斷技術(shù)開展了大量研究。潘陽等基于發(fā)動機逆模型和執(zhí)行機構(gòu)數(shù)學(xué)模型，對發(fā)動機燃油計量裝置執(zhí)行機構(gòu)及其雙余度傳感器（Linear Variable Differential Transformer，LVDT）的故障檢測與故障隔離方法進行了研究；蘆海洋等基于卡爾曼濾波器設(shè)計了主燃油計量裝置故障殘差生成器，并對作動筒卡滯、電液伺服閥卡滯和漂移故障進行了仿真驗證，有效降低了故障誤報率和漏報警率；趙志遠(yuǎn)等基于機理分析建立了發(fā)動機燃油系統(tǒng)的系統(tǒng)級數(shù)學(xué)模型，并開發(fā)了燃油系統(tǒng)全部件的故障診斷算法。另外，中國少數(shù)學(xué)者對于燃油系統(tǒng)單一部件的健康指標(biāo)選取和驗證也開展了一些工作，來晨陽等選取了燃油計量裝置、主燃油泵的有效健康指標(biāo)并進行了驗證。

綜上所述，在燃油系統(tǒng)健康指標(biāo)選取和健康管理技術(shù)領(lǐng)域，國外的研究提供了較為完整的解決思路和方案，具有一定的參考價值；中國多數(shù)研究側(cè)重于故障診斷技術(shù)和單一部件的健康指標(biāo)選取和驗證，缺乏針對多部件的系統(tǒng)性的健康指標(biāo)定義，與國外的研究水平還有較大差距。因此，本文以某型民用發(fā)動機燃油系統(tǒng)為研究對象，針對4種典型部件多發(fā)的性能衰退模式制定健康指標(biāo)選取策略，基于燃油系統(tǒng)AMESim模型進行性能衰退仿真，選取有效的健康指標(biāo)。

1 燃油計量活門組件

1.1 工作原理及性能衰退模式分析

燃油計量活門組件包括電液伺服閥、燃油計量活門（Fuel Metering Vavle，F(xiàn)MV）及LVDT，主要功能為基于計量活門位移指令控制計量活門的精準(zhǔn)作動，F(xiàn)MV控制回路如圖1所示。

圖1 FMV控制回路

燃油計量活門組件的工作原理為：發(fā)動機電子控制器（Electronic Engine Controller，EEC）基于比例積分（Proportional Integral，PI）控制規(guī)律向FMV控制回路輸入代表燃油流量需求的計量活門位置期望信號，與FMV的反饋位置信號相比較得到位置誤差信號，輸入控制器中計算得到控制電流信號，通過電液伺服閥調(diào)節(jié)FMV兩端伺服油壓力，從而控制FMV作動，實現(xiàn)FMV位置閉環(huán)控制。

通過壓差控制器控制FMV前后的燃油壓力差值不變，使得FMV出口的燃油流量僅由FMV的開度面積決定

式中：為流量系數(shù)；為FMV的流通面積；Δ為計量活門前后壓差；為燃油密度。

燃油計量活門組件承擔(dān)著輸送計量燃油的重要作用，而隨著服役時間的延長，其部件FMV、電液伺服閥和LVDT傳感器易發(fā)生性能衰退，尤其是FMV需要跟隨發(fā)動機控制需求的變化頻繁作動，易發(fā)生磨損，導(dǎo)致FMV的燃油泄漏、摩擦力增大，以及電液伺服閥油濾堵塞、零偏值變化等多種性能衰退現(xiàn)象。本文考慮將多發(fā)的FMV內(nèi)泄漏和電液伺服閥零偏增大作為典型的性能衰退模式進行研究。

1.2 健康指標(biāo)選取

電液伺服閥的輸出伺服油流量增益曲線可以直觀反映出FMV控制回路的性能變化，因此可以通過監(jiān)測控制電流與電液伺服閥輸出流量間的關(guān)系對其性能進行監(jiān)測。但在發(fā)動機燃油系統(tǒng)中，電液伺服閥未配置流量傳感器，無法直接獲取電液伺服閥的輸出流量信息。

針對該問題，本文采用了利用FMV控制回路的控制電流和計量活門作動速度間的對應(yīng)關(guān)系曲線（以下簡稱電流-速度曲線）進行性能監(jiān)測的方法。在發(fā)動機燃油系統(tǒng)中，燃油計量活門作動速度與電液伺服閥輸出流量之間遵循正比例關(guān)系

式中：為伺服油與計量活門的作用面積。

在計量活門工作過程中不發(fā)生改變，可視為常數(shù)；而可通過對LVDT傳感器輸出的位移信號進行微分運算獲得。計算與的乘積得到電液伺服閥的輸出流量數(shù)據(jù)，即通過監(jiān)測計量活門作動速度相對于控制電流的變化，間接反映電液伺服閥的流量變化，進而反映FMV的性能變化。

基于上述分析，可根據(jù)電流-速度曲線來選取適宜的健康指標(biāo)。

為了清晰地展示2種性能衰退模式對電流-速度曲線的影響，在燃油計量活門組件AMESim模型中注入FMV內(nèi)泄漏、電液伺服閥零偏變化性能衰退模式進行仿真。燃油計量活門組件AMESim模型如圖2所示。

圖2 燃油計量活門組件AMESim模型

當(dāng)燃油計量活門出現(xiàn)內(nèi)泄漏及零偏增大時，其性能衰退仿真結(jié)果如圖3所示。為了更好地觀察其變化趨勢，對原始曲線進行線性擬合處理，線性擬合后速度隨電流變化的曲線如圖4所示。

圖3 燃油計量活門性能衰退仿真結(jié)果

圖4 線性擬合后速度隨電流變化的曲線

從圖3、4中可見，當(dāng)燃油計量活門發(fā)生內(nèi)泄漏和零偏變化的性能衰退時，電流-速度曲線均會發(fā)生明顯變化且變化趨勢不同（分別為向下和向右移動），因此可基于線性擬合后的電流速度曲線，選取其斜率信息及主要特征點的坐標(biāo)信息作為檢測內(nèi)泄漏及零偏變化性能衰退模式的健康參 數(shù)（Health Indicators，HI），選取的特征點如圖5所示，圖中黑框為燃油計量活門發(fā)生內(nèi)泄漏或零偏但仍滿足燃油計量精度要求的電流-速度曲線范圍。燃油計量活門組件健康指標(biāo)見表1。

圖5 燃油計量活門性能衰退特征點選取

表1 燃油計量活門組件健康指標(biāo)

2 壓差控制器

2.1 工作原理及性能衰退模式分析

壓差控制器由壓差活門和回油活門構(gòu)成，壓差活門的功能是感受計量活門前燃油壓力與計量活門后燃油壓力的差值；回油活門根據(jù)壓差調(diào)節(jié)回油量維持FMV前后壓差Δ恒定。壓差控制器的構(gòu)成及工作環(huán)境如圖6所示。

圖6 壓差控制器的構(gòu)成及工作環(huán)境

壓差控制器AMESim模型如圖7所示。從圖中可見，當(dāng)過大、不變時，計量活門前后壓差增大，壓差活門閥芯左移，壓差活門左側(cè)出油孔開度增大，更多的壓差活門腔中的計量活門后燃油與計量活門前燃油匯合成一股油路，匯合油路的油壓降低并進入回油活門彈簧腔中，因為增大而彈簧腔中燃油壓力降低，使得回油活門閥芯左移，回油活門出油孔開度增大，更多計量活門前燃油流回燃滑油散熱器前，導(dǎo)致減小，進而維持計量活門前后壓差恒定；相反，當(dāng)過大、不變時，計量活門前后壓差減小，壓差活門閥芯右移，壓差活門左側(cè)出油孔開度減小，通往回油活門彈簧腔中的計量活門后燃油減少，使得回油活門彈簧腔中燃油壓力增大，不變，因此回油活門閥芯右移，流回燃滑油散熱器的計量活門前燃油量減少，使得增大，保證計量活門前后壓差不變。

圖7 壓差控制器AMESim模型

發(fā)動機工作條件多變，導(dǎo)致FMV前后的燃油壓力不斷改變，壓差控制器需要不斷作動，以保證燃油壓差恒定。隨著飛行時間的延長，活門易發(fā)生磨損，進而導(dǎo)致泄漏；活門彈簧往復(fù)運動頻繁，易發(fā)生疲勞失效，出現(xiàn)彈簧預(yù)緊力減小甚至彈簧斷裂等情況。因此，本文主要考慮將壓差活門內(nèi)泄漏和回油活門彈簧預(yù)緊力減小作為壓差控制器的典型性能衰退模式。

2.2 健康指標(biāo)選取

當(dāng)壓差控制器處于健康狀態(tài)時，F(xiàn)MV前后的燃油壓差始終保持給定值，可通過控制計量活門位移控制流量輸出。該型燃油系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)給定的FMV作動位移和輸出燃油流量間的對應(yīng)關(guān)系曲線簡稱位移流量曲線，如圖8所示。

圖8 FMV位移流量曲線

當(dāng)壓差控制器發(fā)生性能衰退時，直接導(dǎo)致計量活門前后壓差不穩(wěn)定，進而無法輸出期望的燃油流量；并且由于Δ不確定，無法通過LVDT測量信號根據(jù)式（1）計算輸出的真實燃油流量。

在本文研究的民用渦扇發(fā)動機燃油系統(tǒng)中，配置有燃油流量傳感器，可基于燃油流量傳感器的測量信號得到實際運行中計量活門的位移流量曲線，并與給定的位移流量曲線進行比較，判斷壓差控制器是否發(fā)生了性能衰退。

基于燃油系統(tǒng)模型，分別注入壓差活門的內(nèi)泄漏和回油活門彈簧預(yù)緊力減小2種性能衰退模式進行仿真，得到不同性能衰退強度下的位移流量曲線，并對其進行線性擬合處理，其仿真結(jié)果分別如圖9、10所示。從圖中可見，當(dāng)回油活門中的彈簧預(yù)緊力降低時，計量活門的位移與輸出燃油流量的關(guān)系也發(fā)生了變化，但相比于壓差活門內(nèi)泄漏性能衰退時，其變化幅度較小。當(dāng)彈簧預(yù)緊力減小時，壓差控制器的輸出壓差相對給定值減小，隨著彈簧預(yù)緊力的不斷減小，計量活門的輸出燃油流量小幅減少，對原始曲線進行線性擬合處理后，擬合后曲線的斜率相比健康狀態(tài)時小幅度減小。

圖9 壓差活門內(nèi)泄漏仿真結(jié)果

圖10 回油活門彈簧預(yù)緊力減小仿真結(jié)果

基于以上分析，可以選取計量活門開度流量曲線的線性擬合斜率作為壓差控制器組件的健康指標(biāo)，見表2。

表2 壓差控制器健康指標(biāo)

3 主燃油泵

3.1 工作原理及性能衰退模式分析

燃油泵由低壓泵、主油濾、主燃油泵和自洗油濾構(gòu)成，共同工作為發(fā)動機燃燒室和執(zhí)行機構(gòu)提供高壓清潔燃油，燃油泵結(jié)構(gòu)及其工作環(huán)境如圖11所示。其工作原理為：飛機油箱中的燃油先流入低壓泵增壓后與回油活門輸出的燃油混合進入燃滑油散熱器，散熱器輸出燃油進入主油濾進行過濾，之后進入主燃油泵進一步增壓，增壓后的高壓燃油分為2股，1股進入燃油計量裝置，計量后流入燃燒室進行燃燒，另1股經(jīng)自洗油濾過濾后流入各執(zhí)行機構(gòu)作為伺服油源。

圖11 燃油泵結(jié)構(gòu)及工作環(huán)境

主燃油泵是燃油泵的核心組件，承擔(dān)著對燃油增壓并輸出高壓燃油的重要作用。主燃油泵在飛行過程中長期受到振動、過載、高低溫轉(zhuǎn)換、油液侵蝕等環(huán)境應(yīng)力的影響，易出現(xiàn)齒面磨損、油液泄漏等性能衰退情況。內(nèi)泄漏指經(jīng)過主燃油泵后的高壓油通過齒輪端面與側(cè)蓋板之間的端面間隙、齒頂與殼體之間的徑向間隙、齒輪嚙合點處的間隙流向低壓腔；外泄漏指經(jīng)過主燃油泵后的高壓燃油通過軸封處間隙流向外界。

3.2 健康指標(biāo)選取

在目前的燃油系統(tǒng)可測信息中，尚無傳感器可直接反映主燃油泵的運行狀態(tài)及其性能。因此，必須考慮從其他可測信號中間接反映出齒輪泵的性能信息。

在起動過程中，由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速的持續(xù)提高，主燃油泵的轉(zhuǎn)速也持續(xù)提高，使得主燃油泵后燃油壓力不斷提高，當(dāng)泵后油壓高于SOV彈簧力與泵前壓力之和時，SOV打開。因此，當(dāng)主燃油泵的性能發(fā)生變化時，在相同泵轉(zhuǎn)速的情況下，泵后的燃油壓力有所不同，即SOV的受力情況相比健康狀態(tài)下發(fā)生了變化，導(dǎo)致SOV的開啟時刻對應(yīng)的轉(zhuǎn)速值發(fā)生變化。

基于燃油系統(tǒng)AMESim模型，對主燃油泵內(nèi)泄漏及外泄漏性能衰退模式進行仿真，SOV開啟時刻對應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化如圖12所示。從圖中可見，當(dāng)主燃油泵發(fā)生內(nèi)泄漏和外泄漏性能衰退時，SOV在發(fā)動機起動階段的開啟時刻對應(yīng)的高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速明顯提高，即需要更高的轉(zhuǎn)速帶動主燃油泵才能將泵后燃油壓力提升到足以打開SOV的水平。此外，在泄漏間隙相同的情況下，外泄漏衰退模式SOV開啟時刻對應(yīng)轉(zhuǎn)速值大于內(nèi)泄漏性能衰退模式，即外泄漏對主燃油泵的性能影響更大。

圖12 SOV開啟時刻對應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化

基于以上分析，對于主燃油泵，可以采用在發(fā)動機起動階段SOV開啟時刻對應(yīng)的高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速值作為主燃油泵的HI反映其性能變化，可檢測的目標(biāo)性能衰退模式為主燃油泵內(nèi)泄漏和外泄漏。主燃油泵健康指標(biāo)見表3。

表3 主燃油泵健康指標(biāo)

4 增壓關(guān)斷活門

4.1 工作原理及性能衰退模式分析

燃油系統(tǒng)停車裝置由停車電磁閥、轉(zhuǎn)換活門、增壓關(guān)斷活門SOV構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 燃油系統(tǒng)停車裝置結(jié)構(gòu)

燃油系統(tǒng)停車裝置工作原理為：當(dāng)飛行停車電磁閥下達(dá)停車指令時，轉(zhuǎn)換活門與泵后伺服燃油油路相連的油孔開度增大，高壓伺服燃油流入，經(jīng)轉(zhuǎn)換活門進入SOV的彈簧腔，由高壓伺服燃油壓力與SOV彈簧彈力形成合力，關(guān)閉SOV，切斷計量活門后面通往噴嘴油濾的燃油油路，不再向發(fā)動機燃燒室供油，實現(xiàn)發(fā)動機停車。SOV在高壓燃油環(huán)境下作動，承擔(dān)著切斷燃油供給的重要作用，SOV工作原理如圖14所示。發(fā)動機停車時，SOV工作原理滿足

圖14 SOV工作原理

式中：為計量活門后燃油與SOV之間的油液作用面積；為SOV左側(cè)油孔來油壓力，當(dāng)停車電磁閥下達(dá)停車指令或EEC控制發(fā)動機停車時，分別為泵后伺服燃油壓力或計量活門前燃油壓力；為彈簧腔油液作用面積；為SOV內(nèi)部彈簧預(yù)緊力；為彈簧彈力是SOV彈簧勁度系數(shù)與彈簧位移的乘積。

分析式（3）可知，影響SOV正常工作的主要因素即為不等式不等號右邊的合力大小，合力大于計量活門后燃油壓力作用力，才能保證SOV正常關(guān)閉。當(dāng)P和彈簧預(yù)緊力減小或彈簧本身性能退化時，影響不等號右側(cè)合力大小，則認(rèn)為SOV發(fā)生了性能衰退。因此，本文在進行健康指標(biāo)的選取時考慮將SOV內(nèi)泄漏和彈簧預(yù)緊力減小作為典型性能衰退模式。

4.2 健康指標(biāo)選取

在該型燃油系統(tǒng)中，SOV配置了接近開關(guān)傳感器，為開關(guān)量信號。若SOV發(fā)生性能衰退，當(dāng)下達(dá)停車指令信號后，SOV關(guān)閉時間會延長，具體反映在SOV的接近開關(guān)信號中。

基于燃油系統(tǒng)AMESim模型，在SOV模型中增加泄漏模塊以仿真其內(nèi)泄漏性能衰退情況；調(diào)整模型中彈簧預(yù)緊力參數(shù)實現(xiàn)彈簧預(yù)緊力減小性能衰退的注入。SOV接近開關(guān)信號變化的仿真結(jié)果如圖15所示。

圖15 SOV接近開關(guān)信號變化仿真結(jié)果

從圖中可見，在第3 s下達(dá)停車指令后，SOV健康時關(guān)閉時間為50 ms，隨著SOV內(nèi)泄漏間隙的增大或彈簧預(yù)緊力減小，關(guān)閉時間隨之延長，因此可選擇發(fā)動機停車階段的SOV接近開關(guān)信號的關(guān)閉時間作為SOV的HI。增壓關(guān)斷活門健康指標(biāo)見表4。

表4 增壓關(guān)斷活門健康指標(biāo)

5 結(jié)論

（1）本文建立的燃油系統(tǒng)典型性能衰退AMESim仿真模型可以有效地模擬部件內(nèi)泄漏、外泄漏、零偏增大、彈簧預(yù)緊力減小等衰退模式；

（2）針對燃油計量活門組件、壓差控制器、主燃油泵和增壓關(guān)斷活門，分別基于電流-速度擬合曲線、計量活門開度流量擬合曲線、高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、SOV接進開關(guān)信號選取了對應(yīng)的健康指標(biāo)；

（3）仿真驗證結(jié)果表明所選取的健康指標(biāo)能夠量化反映燃油系統(tǒng)部件的性能衰退強度，可為燃油系統(tǒng)部件健康評估提供參考。