渦軸發動機健康管理技術研究

蔡顯新，郭小軍，吳春來

（中航工業航空動力機械研究所，湖南株洲412002）

0 引言

航空發動機健康管理（EHM，EngineHealth Management）是指最大限度地利用發動機的傳感器、維護記錄、部件模型等數據資源對發動機的故障進行診斷和預報，從而提高飛行的安全性、可靠性和發動機的性能，減少發動機的維護費用和維修時間。據統計，在民用領域的所有飛機機械故障中，發動機故障所占比例高達1/3。全世界的航空公司每年要花費數百億美元用于維修，其中發動機的日常維護占到了30%以上[1,2]，因此，航空發動機健康管理已成為保證發動機安全、可靠運行的重要手段，作為發動機安全性、測試性工作必不可少的組成部分而受到各航空強國的高度重視并展開相關的研究。PW、GE及RR3大航空發動機公司等分別為PW4000、JT9D、V2500、CF6、GE90、CFM56、RB211、Trent等發動機建立了健康管理系統[2-5]。國內也有許多研究人員在航空發動機健康管理診斷預測指標體系、健康管理跟蹤濾波器技術、關鍵件的剩余壽命預測模型及健康管理系統設計技術等方面[6-9]進行了廣泛的應用研究。

本文基于航空發動機健康管理技術的發展，開發了健康管理（EHM）系統，并對該系統所采用的若干技術及其改進方案進行研究，該系統在某型號的整個臺架試驗和試飛過程中得到應用和驗證，為其研制成功發揮了重要作用。

1 系統總體設計

健康管理系統如圖1所示。該系統包含機載測試，采集系統，存儲、發射裝置，地面的計算機軟硬件系統等。機載的測試所測量的參數較多，有幾十到上百多個，根據發動機的不同所測量的參數也不同。這些參數包括發動機各截面氣體溫度（如T1、T2、T45等）、壓力（如P1、P2等），燃氣渦輪轉速NG，動力渦輪轉速NP，功率，輸出扭矩，滑、燃油溫度、壓力，振動加速度等。這些測試的參數通過無線電發射-接收裝置或存儲介質傳到地面系統，并由地面計算機系統進行處理。

圖1 健康管理系統

所開發的地面計算機軟件系統名稱為EHMZ，用于渦軸發動機臺架試驗和試飛階段。系統采用功能強大的VC++語言，并在WINDOWS操作系統下進行開發。為了便于數據管理，采用ACCESS數據庫mdb的文件形式。目前EHMZ的主要功能是對各截面溫度、壓力，燃氣渦輪轉速NG，動力渦輪轉速NP，功率，燃油、滑油油路內不同部位的壓力、溫度等重要測試參數的最大值、均值進行統計，趨勢法氣路故障診斷，對若干燃氣渦輪出口溫度T45區間內各狀態NG所停留的時間進行統計，并對燃氣渦輪葉片的蠕變壽命及輪盤的疲勞壽命損傷進行預測和統計。這些統計量對于判斷發動機是否運行正常十分重要，EHMZ的需求規格分析和詳細設計分析即以此為主要依據。

目前EHMZ的界面較簡單（如圖2所示），工具條的設計及功能如下：

圖2 系統界面

（1）總表。以列表的形式顯示所輸入的數據庫文件中所記錄的各次試車的數據（如圖3所示）。雙擊某個列表記錄，將該記錄中的功率、NG、NP轉速、T45等重要參數展開，并顯示在屏幕上。

圖3 “總表”顯示的記錄列表

（2）統計。對重要參數進行最大值、均值等基本統計。

（3）單流。對選中的某次試車記錄進行雨流計數，以便進行損傷估算。

（4）總流。對數據庫中所有的試車記錄進行雨流計數，以便進行損傷估算。

（5）損傷。進行損傷估算。若先前已進行“單流”或“總流”則直接進行損傷估算，否則自動地先進行“單流”或“總流”后，再進行損傷估算。

（6）氣路。進行氣路故障分析。人們發展了許多氣路故障診斷方法[10-12]，本文采用文獻[12]第7章介紹的方法，根據檢測的T1、P1、T2、P2、T45等參數的變化進行氣路故障診斷。

（7）繪圖。以圖形的方式顯示各參數的時間歷程（圖2）。

（8）設置。對要統計的參數，溫度（T45）、轉速、功率區間進行設置。如圖4所示，對話框左側列出了所有測試的參數，可在此選擇要統計的參數。對話框右側用于溫度、轉速、功率等參數統計區間的設置。

（9）頻譜。對振動信號進行頻譜分析，并給出頻譜圖（如圖5所示）。

在“工具”菜單中有幾項特殊功能的子菜單。“批處理”用于對某指定目錄下所有mdb文件1次性地進行批處理，并獲得總的統計數據。由于測試數據文件很多，占用存儲空間大，該功能可大大減少工作量。“批處理導入EXCEL”用于對某指定目錄下所有EXCEL文件1次性導入到指定的mdb文件中。“數據轉換”將其他不同格式的數據轉換成系統的標準格式。

圖4 參數設置對話框

圖5 頻譜

2 基于梁理論的渦輪葉片損傷預測方法

在發動機臺架試車和試飛過程中，渦輪葉片的損傷狀況是人們最為關注的問題之一，因此其損傷預測也是EHMZ最主要的功能。由于發動機在工作過程中經歷的載荷循環較多，健康管理系統所采用的壽命預測方法必須具有很快的速度，為此EHMZ選用了基于梁理論的壽命預測方法。

渦輪葉片截面形狀比較復雜，故將其劃分為許多三角形單元。葉片截面劃分的三角形單元及總體坐標如圖6所示。通過對這些單元積分獲得截面的截面面積F，截面靜矩Sx、Sy，軸慣性矩Jx、Jy，慣性積Jxy，截面形心坐標xc、yc，截面形心主慣性軸ξ 相對于x 軸的轉角φ 等，其中φ 的計算公式為

圖6 截面單元及總體坐標系

截面各點的坐標、給定的外部彎曲力矩M 要換算到以形心主慣性軸為坐標軸的局部坐標系（O、η、ξ）上

單元內任意點（η，ξ）出的應變ε 和應力σ 按下式計算

在載荷的長期作用下產生的蠕變變形會造成葉片截面上應力的重新分布。蠕變應變與蠕變速度V之間的關系為

式中：τ 為應力和溫度作用的時間；τb為在外部載荷不變的情況下從加載開始到材料破壞的時間。

通過將時間區域t 劃分成許多小區間進行計算的方法獲得應力-應變隨蠕變的演化過程。t 時段的當量應力σef為

與當量應力相應的局部儲備系數Km及累積損傷D 分別按下式計算

式中：n 為載荷狀態總數；K 對應于局部儲備系數最小的狀態。

根據線性累積損傷理論，當D≥1時，零件即失效。某渦輪葉片持久壽命儲備系數分布如圖7所示。

圖7 持久壽命儲備系數分布

3 改進方案

基于梁理論的現有系統的損傷預測，其精度受到限制。尤其是在倒圓等形狀突變處，梁理論難以獲得令人滿意的結果。為此，本文提出采用基于3維有限元的葉片損傷計算方法，并結合神經網絡技術或支持向量機技術進行葉片損傷的快速估算。由神經網絡或支持向量機構造以下映射關系

采用式（6）進行損傷估算將大大提高速度。具體壽命預測方法改進方案如下：

（1）生成葉片3維詳細的有限元模型。

（2）由本文式（3）、（4）獲得與NG、T45相關的tij，由此獲得X。

（3）采用有限元仿真技術對各種狀況（NG、T45、tij）下各零件進行詳細的應力及溫度分布計算，并對關鍵部位進行損傷計算，形成數量足夠的樣本數據。

（4）采用神經網絡技術或支持向量機技術對（3）形成的樣本數據進行訓練，構造X-Y 映射關系，即式（9）。

（5）對每1組（NG、T45、tij）采用式（9）進行損傷估算。

4 結束語

航空發動機的結構健康監控技術對于提高航空發動機的耐久性、安全性、測試性和經濟性具有重要意義。本文介紹的健康管理系統及其所采用的技術在渦軸發動機的研制過程中得到應用，并在中國首款自行研制的渦軸發動機的整個臺架試驗和試飛階段得到驗證，為該發動機的研制成功發揮了重要作用。在此基礎上提出的改進方案更具先進性，對其他類似系統的開發具有良好的參考和借鑒作用。該系統在性能、振動、滑油等方面還可作進一步的擴充和完善。

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