單參數航空發動機性能衰退評估數學模型的建立

曲文浩

摘要： 航空發動機是各種飛機的動力裝置主要組成部分，被稱為飛行器“心臟”。作為機械與電子高度融合的航空發動機，在使用過程中性能會出現不同程度的衰退。但如何方便快捷地計算出衰退的進程及其程度是很困難的。為解決這一難題，在性能衰退評估中采用排氣溫度這一單一參數，并建立其有關數學模型，簡便有效地解決使用中的困惑。

關鍵詞： 航空發動機；性能衰退；數學模型；評估方法

中圖分類號：V231.91 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）34-0037-02

0 引言

航空發動機是飛機動力裝置的主要組成部分，它為飛機提供運動所需的推力或拉力，用以克服飛機的慣性和空氣阻力。先進的航空發動機是高技術、高投入、高風險、高壁壘的復雜高科技密集性透平機械。在航空發動機工作過程中，因氣流通道被污染，導致流道件特性變化，引起壓氣機效率和渦輪效率下降。此時，為了繼續保持推力，會通過加大油門來增加燃油供油量，使得高、低壓壓氣機轉速上升和發動機排氣溫度升高，降低發動機壽命。因此，通過監控發動機的排期溫度這一單參數，來評估發動機的性能衰退，成為工程上比較常用、經濟的監控手段。

1 單參數的選取

發動機性能衰退通常通過飛行參數監控的數據上可以分析得出，如壓氣機出口壓力減小、燃油耗油量增大、高低壓轉子轉差變化等，也可能因如腐蝕、封嚴破壞、外來物損傷流道、葉片表面粗糙度增大、葉片變形彎曲等引起性能衰退，以上這些因素將使轉子轉速增大和發動機排氣溫度升高。當排氣溫度超過許用溫度后，會造成核心部件損壞。因此，選取發動機排氣溫度來監控健康狀況，評估性能衰退程度是可行的。

2 監控數據的采集與預處理

在實際工作狀態時，航空發動機的性能數據經常混有較強隨機噪聲，是非平穩的時間序列數據，還有少數數據突變或發展趨勢的突變。我們讀取了某型軍用飛機飛行參數記錄儀中170次的發動機排氣溫度數據（見圖1）。可以看出，這其中含有比較明顯的突降趨勢項。

再進一步觀察，發現不但含有突降趨勢項，還有明顯的數據趨勢變化，如圖中采樣點70左右。另外，數據中還有較多的數據突變，如圖中采樣點100、125、144等處。通過更多的樣本可以發現，這此特點都是發動機氣路參數時間序列數據的典型特點。因此，在利用排氣溫度性能數據前，還需采用Matlab軟件中的小波分析工具箱進行一次小波變換，對信號進行加權平均處理，使數據趨勢特征有較好的呈現，經小波變換對信號的數字濾波功能處理后的結果見圖2（圖中橫直虛線表示的是排氣溫度限制值，彎曲虛線表示的是經小波變換后的排氣溫度變化趨勢）。

從圖2中排氣溫度變化趨勢來看，隨著時間的推移沒有逐漸上升或下降的趨勢，這是當排氣溫度偏離正常值過多時，維護人員會及時做出調整，而且隨著發動機使用年限的增加，偏離正常值的次數會越來越多，調整的頻率會越來越高。這就為我們提供了一個思路，即利用發動機各個使用階段排氣溫度偏離正常值的頻率來作為衡量發動機性能衰退的指標。

3 性能衰退研究

建立發動機性能評估指標Y，定義Y為后一點發動機排氣溫度（用T6表示）與前一點之差與前一點的比值，見公式得到Y隨時間變化的規律如圖3所示。

從圖3中可以看出，在120次之前，排氣溫度比較平穩，而在120次之后，變化比較劇烈，表示發動機排氣變化比較大，說明發動機性能已經衰退。

4 結論

航空發動機是一種結構復雜的可修復透平機械，在實際使用中監控排氣溫度的變化趨勢是比較簡單、經濟的方法，維護人員操作起來也不困難。但航空發動機的故障模式復雜多樣，單參數法也不能完全排除如滑油壓力降低、燃油消耗量增加和異常磨損等故障模式，需要維護人員在單參數法評估的基礎上，對其工作情況進行動態判斷和評估。

參考文獻：

[1]譚巍，李冬，樊照遠，等.基于模糊信息熵的航空發動機性能評估和可靠性分析[J].航空發動機，2011，37（5）：45-48.

[2]徐健，于萍，常敏，等.某型發動機高壓渦輪葉片葉尖裂紋激光焊修復研究[J].航空發動機，2014，40（4）：79-83.

[3]于文武，康力平，許春生，等.航空發動機單元體性能評估方法研究[J].航空計算技術，2007，37（5）：18-20.

[4]雷達.基于智能學習模型的民航發動機健康狀態預測研究[D].哈爾濱工業大學，2013.

[5]李強.民航發動機健康管理技術與方法研究[D].南京航空航天大學，2008.

[6]孫見忠.面向單元體的航空發動機健康狀態評估與預測方法研究[D].南京航空航天大學，2012.

[7]王華偉，吳海橋.基于數據融合的航空發動機可靠性評估模型[J].南京航空航天大學學報（英文版），2012，29（4）：318-324.

[8]俞克強.大修發動機單元體性能分析的探索與研究[D].中國民航大學，2007.

[9]譚巍，徐健，于向才.基于支持向量機的航空發動機性能衰退指標預測[J].航空發動機，2014，40（4）：51-55.

摘要： 航空發動機是各種飛機的動力裝置主要組成部分，被稱為飛行器“心臟”。作為機械與電子高度融合的航空發動機，在使用過程中性能會出現不同程度的衰退。但如何方便快捷地計算出衰退的進程及其程度是很困難的。為解決這一難題，在性能衰退評估中采用排氣溫度這一單一參數，并建立其有關數學模型，簡便有效地解決使用中的困惑。

關鍵詞： 航空發動機；性能衰退；數學模型；評估方法

中圖分類號：V231.91 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）34-0037-02

0 引言

航空發動機是飛機動力裝置的主要組成部分，它為飛機提供運動所需的推力或拉力，用以克服飛機的慣性和空氣阻力。先進的航空發動機是高技術、高投入、高風險、高壁壘的復雜高科技密集性透平機械。在航空發動機工作過程中，因氣流通道被污染，導致流道件特性變化，引起壓氣機效率和渦輪效率下降。此時，為了繼續保持推力，會通過加大油門來增加燃油供油量，使得高、低壓壓氣機轉速上升和發動機排氣溫度升高，降低發動機壽命。因此，通過監控發動機的排期溫度這一單參數，來評估發動機的性能衰退，成為工程上比較常用、經濟的監控手段。

1 單參數的選取

發動機性能衰退通常通過飛行參數監控的數據上可以分析得出，如壓氣機出口壓力減小、燃油耗油量增大、高低壓轉子轉差變化等，也可能因如腐蝕、封嚴破壞、外來物損傷流道、葉片表面粗糙度增大、葉片變形彎曲等引起性能衰退，以上這些因素將使轉子轉速增大和發動機排氣溫度升高。當排氣溫度超過許用溫度后，會造成核心部件損壞。因此，選取發動機排氣溫度來監控健康狀況，評估性能衰退程度是可行的。

2 監控數據的采集與預處理

在實際工作狀態時，航空發動機的性能數據經常混有較強隨機噪聲，是非平穩的時間序列數據，還有少數數據突變或發展趨勢的突變。我們讀取了某型軍用飛機飛行參數記錄儀中170次的發動機排氣溫度數據（見圖1）。可以看出，這其中含有比較明顯的突降趨勢項。

再進一步觀察，發現不但含有突降趨勢項，還有明顯的數據趨勢變化，如圖中采樣點70左右。另外，數據中還有較多的數據突變，如圖中采樣點100、125、144等處。通過更多的樣本可以發現，這此特點都是發動機氣路參數時間序列數據的典型特點。因此，在利用排氣溫度性能數據前，還需采用Matlab軟件中的小波分析工具箱進行一次小波變換，對信號進行加權平均處理，使數據趨勢特征有較好的呈現，經小波變換對信號的數字濾波功能處理后的結果見圖2（圖中橫直虛線表示的是排氣溫度限制值，彎曲虛線表示的是經小波變換后的排氣溫度變化趨勢）。

從圖2中排氣溫度變化趨勢來看，隨著時間的推移沒有逐漸上升或下降的趨勢，這是當排氣溫度偏離正常值過多時，維護人員會及時做出調整，而且隨著發動機使用年限的增加，偏離正常值的次數會越來越多，調整的頻率會越來越高。這就為我們提供了一個思路，即利用發動機各個使用階段排氣溫度偏離正常值的頻率來作為衡量發動機性能衰退的指標。

3 性能衰退研究

建立發動機性能評估指標Y，定義Y為后一點發動機排氣溫度（用T6表示）與前一點之差與前一點的比值，見公式得到Y隨時間變化的規律如圖3所示。

從圖3中可以看出，在120次之前，排氣溫度比較平穩，而在120次之后，變化比較劇烈，表示發動機排氣變化比較大，說明發動機性能已經衰退。

4 結論

航空發動機是一種結構復雜的可修復透平機械，在實際使用中監控排氣溫度的變化趨勢是比較簡單、經濟的方法，維護人員操作起來也不困難。但航空發動機的故障模式復雜多樣，單參數法也不能完全排除如滑油壓力降低、燃油消耗量增加和異常磨損等故障模式，需要維護人員在單參數法評估的基礎上，對其工作情況進行動態判斷和評估。

參考文獻：

[1]譚巍，李冬，樊照遠，等.基于模糊信息熵的航空發動機性能評估和可靠性分析[J].航空發動機，2011，37（5）：45-48.

[2]徐健，于萍，常敏，等.某型發動機高壓渦輪葉片葉尖裂紋激光焊修復研究[J].航空發動機，2014，40（4）：79-83.

[3]于文武，康力平，許春生，等.航空發動機單元體性能評估方法研究[J].航空計算技術，2007，37（5）：18-20.

[4]雷達.基于智能學習模型的民航發動機健康狀態預測研究[D].哈爾濱工業大學，2013.

[5]李強.民航發動機健康管理技術與方法研究[D].南京航空航天大學，2008.

[6]孫見忠.面向單元體的航空發動機健康狀態評估與預測方法研究[D].南京航空航天大學，2012.

[7]王華偉，吳海橋.基于數據融合的航空發動機可靠性評估模型[J].南京航空航天大學學報（英文版），2012，29（4）：318-324.

[8]俞克強.大修發動機單元體性能分析的探索與研究[D].中國民航大學，2007.

[9]譚巍，徐健，于向才.基于支持向量機的航空發動機性能衰退指標預測[J].航空發動機，2014，40（4）：51-55.

摘要： 航空發動機是各種飛機的動力裝置主要組成部分，被稱為飛行器“心臟”。作為機械與電子高度融合的航空發動機，在使用過程中性能會出現不同程度的衰退。但如何方便快捷地計算出衰退的進程及其程度是很困難的。為解決這一難題，在性能衰退評估中采用排氣溫度這一單一參數，并建立其有關數學模型，簡便有效地解決使用中的困惑。

關鍵詞： 航空發動機；性能衰退；數學模型；評估方法

中圖分類號：V231.91 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）34-0037-02

0 引言

航空發動機是飛機動力裝置的主要組成部分，它為飛機提供運動所需的推力或拉力，用以克服飛機的慣性和空氣阻力。先進的航空發動機是高技術、高投入、高風險、高壁壘的復雜高科技密集性透平機械。在航空發動機工作過程中，因氣流通道被污染，導致流道件特性變化，引起壓氣機效率和渦輪效率下降。此時，為了繼續保持推力，會通過加大油門來增加燃油供油量，使得高、低壓壓氣機轉速上升和發動機排氣溫度升高，降低發動機壽命。因此，通過監控發動機的排期溫度這一單參數，來評估發動機的性能衰退，成為工程上比較常用、經濟的監控手段。

1 單參數的選取

發動機性能衰退通常通過飛行參數監控的數據上可以分析得出，如壓氣機出口壓力減小、燃油耗油量增大、高低壓轉子轉差變化等，也可能因如腐蝕、封嚴破壞、外來物損傷流道、葉片表面粗糙度增大、葉片變形彎曲等引起性能衰退，以上這些因素將使轉子轉速增大和發動機排氣溫度升高。當排氣溫度超過許用溫度后，會造成核心部件損壞。因此，選取發動機排氣溫度來監控健康狀況，評估性能衰退程度是可行的。

2 監控數據的采集與預處理

在實際工作狀態時，航空發動機的性能數據經常混有較強隨機噪聲，是非平穩的時間序列數據，還有少數數據突變或發展趨勢的突變。我們讀取了某型軍用飛機飛行參數記錄儀中170次的發動機排氣溫度數據（見圖1）。可以看出，這其中含有比較明顯的突降趨勢項。

再進一步觀察，發現不但含有突降趨勢項，還有明顯的數據趨勢變化，如圖中采樣點70左右。另外，數據中還有較多的數據突變，如圖中采樣點100、125、144等處。通過更多的樣本可以發現，這此特點都是發動機氣路參數時間序列數據的典型特點。因此，在利用排氣溫度性能數據前，還需采用Matlab軟件中的小波分析工具箱進行一次小波變換，對信號進行加權平均處理，使數據趨勢特征有較好的呈現，經小波變換對信號的數字濾波功能處理后的結果見圖2（圖中橫直虛線表示的是排氣溫度限制值，彎曲虛線表示的是經小波變換后的排氣溫度變化趨勢）。

從圖2中排氣溫度變化趨勢來看，隨著時間的推移沒有逐漸上升或下降的趨勢，這是當排氣溫度偏離正常值過多時，維護人員會及時做出調整，而且隨著發動機使用年限的增加，偏離正常值的次數會越來越多，調整的頻率會越來越高。這就為我們提供了一個思路，即利用發動機各個使用階段排氣溫度偏離正常值的頻率來作為衡量發動機性能衰退的指標。

3 性能衰退研究

建立發動機性能評估指標Y，定義Y為后一點發動機排氣溫度（用T6表示）與前一點之差與前一點的比值，見公式得到Y隨時間變化的規律如圖3所示。

從圖3中可以看出，在120次之前，排氣溫度比較平穩，而在120次之后，變化比較劇烈，表示發動機排氣變化比較大，說明發動機性能已經衰退。

4 結論

航空發動機是一種結構復雜的可修復透平機械，在實際使用中監控排氣溫度的變化趨勢是比較簡單、經濟的方法，維護人員操作起來也不困難。但航空發動機的故障模式復雜多樣，單參數法也不能完全排除如滑油壓力降低、燃油消耗量增加和異常磨損等故障模式，需要維護人員在單參數法評估的基礎上，對其工作情況進行動態判斷和評估。

參考文獻：

[1]譚巍，李冬，樊照遠，等.基于模糊信息熵的航空發動機性能評估和可靠性分析[J].航空發動機，2011，37（5）：45-48.

[2]徐健，于萍，常敏，等.某型發動機高壓渦輪葉片葉尖裂紋激光焊修復研究[J].航空發動機，2014，40（4）：79-83.

[3]于文武，康力平，許春生，等.航空發動機單元體性能評估方法研究[J].航空計算技術，2007，37（5）：18-20.

[4]雷達.基于智能學習模型的民航發動機健康狀態預測研究[D].哈爾濱工業大學，2013.

[5]李強.民航發動機健康管理技術與方法研究[D].南京航空航天大學，2008.

[6]孫見忠.面向單元體的航空發動機健康狀態評估與預測方法研究[D].南京航空航天大學，2012.

[7]王華偉，吳海橋.基于數據融合的航空發動機可靠性評估模型[J].南京航空航天大學學報（英文版），2012，29（4）：318-324.

[8]俞克強.大修發動機單元體性能分析的探索與研究[D].中國民航大學，2007.

[9]譚巍，徐健，于向才.基于支持向量機的航空發動機性能衰退指標預測[J].航空發動機，2014，40（4）：51-55.