航空發(fā)動機(jī)故障分析和診斷綜合訓(xùn)練系統(tǒng)

李本威, 韋 祥, 王永華

(海軍航空工程學(xué)院 飛行器工程系, 山東 煙臺 264001)

航空發(fā)動機(jī)故障分析和診斷綜合訓(xùn)練系統(tǒng)

李本威, 韋 祥, 王永華

(海軍航空工程學(xué)院 飛行器工程系, 山東 煙臺 264001)

以某型渦扇發(fā)動機(jī)為實(shí)體,采用發(fā)動機(jī)故障仿真建模、虛擬維修交互控制、三維模型轉(zhuǎn)換與重構(gòu)、計算機(jī)控制等技術(shù),開發(fā)了發(fā)動機(jī)故障分析和診斷綜合訓(xùn)練系統(tǒng),建立了一種全新的實(shí)裝和模擬器相配合的發(fā)動機(jī)維修訓(xùn)練模式。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了渦扇發(fā)動機(jī)狀態(tài)與故障參數(shù)變化的光電模擬、故障分析與診斷排除模擬訓(xùn)練,有效縮短了渦扇發(fā)動機(jī)維護(hù)與故障診斷培訓(xùn)時間,減少了培訓(xùn)層次,提高了培訓(xùn)的效率和效果。

渦扇發(fā)動機(jī)； 故障分析與診斷； 綜合訓(xùn)練系統(tǒng)

航空渦扇發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對其故障的分析和診斷有一定難度。常規(guī)維修培訓(xùn)模式主要是依托發(fā)動機(jī)的物理樣機(jī)或全尺寸模型進(jìn)行實(shí)際拆裝實(shí)訓(xùn)[1]。然而,大多數(shù)航空維修從業(yè)人員很難在院校受到嚴(yán)格的維修培訓(xùn)；對學(xué)校而言,受場地和經(jīng)費(fèi)的限制,不可能讓學(xué)員反復(fù)進(jìn)行拆裝練習(xí),培訓(xùn)效率不高,難以適應(yīng)對機(jī)務(wù)人員的訓(xùn)練要求。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、虛擬樣機(jī)技術(shù)、計算機(jī)仿真技術(shù)提供了虛擬化維修訓(xùn)練環(huán)境,可以代替實(shí)際裝備進(jìn)行訓(xùn)練,有效地克服實(shí)際裝備訓(xùn)練受時間和場地限制、訓(xùn)練成本高、易損壞裝備等弊端[2]。

歐美一些航空技術(shù)先進(jìn)的國家,進(jìn)行航空發(fā)動機(jī)維修訓(xùn)練的主要做法是以實(shí)際裝備為基礎(chǔ),結(jié)合訓(xùn)練模擬器、虛擬仿真維修訓(xùn)練示教系統(tǒng),取得了較滿意的效果[3-4]。2002年,美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了虛擬環(huán)境安全維修訓(xùn)練系統(tǒng)(VEST)。該系統(tǒng)基于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),主要用于F-15E飛機(jī)的座艙情景培訓(xùn)、武器系統(tǒng)狀態(tài)鑒定、外機(jī)身安全維護(hù)培訓(xùn),具有肢體感知、培訓(xùn)和檢查功能[5]。該實(shí)驗(yàn)室于2008年提出了一份發(fā)展飛機(jī)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的藍(lán)本，使用虛擬教練對使用者進(jìn)行指導(dǎo),并允許多人聯(lián)合訓(xùn)練,通過程序進(jìn)行對話交流,幫助飛機(jī)維修人員獲得全面深入的技術(shù)培訓(xùn)[6]。

目前,國內(nèi)對虛擬維修訓(xùn)練技術(shù)的研究取得了一些成果[7-12],然而對于航空發(fā)動機(jī)虛擬維修培訓(xùn)系統(tǒng)的研究較少。由于發(fā)動機(jī)的很多故障難于復(fù)現(xiàn),對發(fā)動機(jī)故障分析和診斷的實(shí)踐性訓(xùn)練難度較大。為此,海軍航空工程學(xué)院采用交互控制技術(shù),開發(fā)了以虛擬排故、拆裝培訓(xùn)為核心,發(fā)動機(jī)硬件隨動顯示狀態(tài)的發(fā)動機(jī)故障分析和診斷綜合訓(xùn)練系統(tǒng),建立了一種全新的實(shí)裝和模擬器相配合的發(fā)動機(jī)維修訓(xùn)練模式。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了渦扇發(fā)動機(jī)狀態(tài)與故障參數(shù)可變化的光電模擬、故障分析與診斷排除模擬訓(xùn)練。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

發(fā)動機(jī)故障分析和診斷綜合訓(xùn)練系統(tǒng)主要功能有:(1)發(fā)動機(jī)標(biāo)準(zhǔn)試車、故障排除的訓(xùn)練和自動化評估考核；(2)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制和主要參數(shù)變化的光電演示；(3)發(fā)動機(jī)氣路性能參數(shù)計算與故障分析。

系統(tǒng)主要由某型渦扇發(fā)動機(jī)樣機(jī)、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速驅(qū)動器、飛機(jī)機(jī)械模擬操縱座艙、發(fā)動機(jī)狀態(tài)控制器、光電顯示器件、電子白板交互監(jiān)控顯示裝置、液壓驅(qū)動裝置、視頻網(wǎng)絡(luò)切換主控制器、中心服務(wù)器和主控制臺等硬件組成,其總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,硬件和軟件的邏輯關(guān)系見圖2。

圖1 發(fā)動機(jī)故障分析和診斷綜合訓(xùn)練總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)硬件軟件設(shè)計邏輯關(guān)系圖

信號由飛機(jī)座艙發(fā)出,根據(jù)飛行狀態(tài)和油門桿角度對發(fā)動機(jī)狀態(tài)進(jìn)行控制,通過發(fā)動機(jī)電機(jī)帶轉(zhuǎn)系統(tǒng)和燈光顯示系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)示,數(shù)值由模擬軟件顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 渦扇發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)解剖硬件設(shè)計

渦扇發(fā)動機(jī)零件多、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及圖紙設(shè)計、制造工藝方案確定、總裝調(diào)試驅(qū)動運(yùn)轉(zhuǎn)等過程。為清晰表達(dá)渦扇發(fā)動機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),同時盡量保持發(fā)動機(jī)的外部形狀,整機(jī)解剖主要是對發(fā)動機(jī)低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)、燃燒室、火焰筒、高低壓渦輪、排氣混合器、加力燃燒室及外函道等進(jìn)行剖切。整機(jī)剖切效果圖如圖3所示。

圖3 渦扇發(fā)動機(jī)整機(jī)剖切效果圖

在經(jīng)解剖的部件位置安裝燈帶,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速通過步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速燈帶流水頻率同步表征；以不同占空比的閃爍燈光變化模擬顯示發(fā)動機(jī)點(diǎn)火和燃燒室工作的狀況；溫度的高低則通過燈帶亮度的強(qiáng)弱來呈現(xiàn),可形象地表征發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)。

2.2 飛機(jī)模擬座艙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)硬件設(shè)計

飛機(jī)進(jìn)行地面試車和空中特情處置的主要操作空間在飛機(jī)座艙內(nèi)。為此,依據(jù)飛機(jī)座艙結(jié)構(gòu)、外型和儀表、開關(guān)等配置,研制了人機(jī)交互訓(xùn)練模擬座艙。模擬座艙系統(tǒng)主要由模擬座艙和CAN總線控制計算機(jī)組成(見圖4),能夠?qū)崿F(xiàn)飛機(jī)操縱模擬、發(fā)動機(jī)控制模擬、發(fā)動機(jī)顯示模擬和發(fā)動機(jī)告警模擬等功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

發(fā)動機(jī)故障分析和診斷綜合訓(xùn)練系統(tǒng)軟件主要包含3部分:(1)試車程序；(2)發(fā)動機(jī)狀態(tài)參數(shù)驅(qū)動的關(guān)聯(lián)控制；(3)試車參數(shù)監(jiān)控軟件間的數(shù)據(jù)通信。

試車程序?qū)崿F(xiàn)模擬座艙從開始試車到試車結(jié)束整個過程座艙環(huán)境的模擬,包括:(1)與試車相關(guān)的開關(guān)、按鈕等數(shù)據(jù)量輸入(DI)；(2)油門等模擬量輸入(AI)數(shù)據(jù)的采集；(3)信號燈等數(shù)據(jù)量輸出(DO)；(4)儀表等模擬量輸出(AO)數(shù)據(jù)的輸出控制；(5)相關(guān)虛擬顯示儀表的控制。

圖4 模擬座艙整體組成示意圖

依據(jù)試車過程中的狀態(tài)及參數(shù),發(fā)動機(jī)狀態(tài)參數(shù)驅(qū)動的關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng)向發(fā)動機(jī)狀態(tài)控制器發(fā)出控制步進(jìn)電機(jī)和光電流水燈帶的指令,以驅(qū)動發(fā)動機(jī)氣路部件的光電可視化展示。

發(fā)動機(jī)試車參數(shù)監(jiān)控軟件間的數(shù)據(jù)通信包括讀取控制臺發(fā)送的相關(guān)控制數(shù)據(jù)、實(shí)時發(fā)送座艙內(nèi)試車相關(guān)的數(shù)據(jù)量和模擬量數(shù)據(jù),內(nèi)含開始試車命令、曲線顯示參數(shù)命令、發(fā)動機(jī)故障設(shè)置命令、試車參數(shù)數(shù)據(jù)文件更新命令。實(shí)現(xiàn)上述功能的模塊邏輯關(guān)系如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)總類與模塊邏輯關(guān)系圖

4 發(fā)動機(jī)氣路故障驅(qū)動控制模型

為準(zhǔn)確模擬發(fā)動機(jī)氣路部件故障對發(fā)動機(jī)性能參數(shù)的影響,需要進(jìn)行發(fā)動機(jī)氣路部件故障模擬,訓(xùn)練機(jī)務(wù)人員利用氣路可測參數(shù)分析和判斷發(fā)動機(jī)故障。

發(fā)動機(jī)氣路部件發(fā)生故障或性能退化,實(shí)際上就是改變了發(fā)動機(jī)氣路部件的特征參數(shù)，用退化參數(shù)ΔMaf表征模擬發(fā)動機(jī)氣路部件故障的情況。

風(fēng)扇流量退化參數(shù)ΔMaf為

風(fēng)扇效率退化參數(shù)Δηcl為

Δηcl=1-(ηcl)act/(ηcl)ref

壓氣機(jī)流量退化參數(shù)為

壓氣機(jī)效率退化參數(shù)為

高壓渦輪流量退化參數(shù)為

高壓渦輪效率退化參數(shù)為

ΔηTH=1-(ηTH)act/(ηTH)ref

低壓渦輪流量退化參數(shù)為

低壓渦輪效率退化參數(shù)為

在此基礎(chǔ)上,分別假設(shè)某個氣路部件有故障或性能退化,在模擬故障狀態(tài)下,通過發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)氣路計算的驅(qū)動模型[13],獲取發(fā)動機(jī)不同截面的氣路測量參數(shù)變化情況,并通過如圖4所示的飛機(jī)模擬座艙控制,表征發(fā)動機(jī)故障狀態(tài)下發(fā)動機(jī)氣路參數(shù)的變化規(guī)律。同時,參數(shù)變化通過發(fā)動機(jī)模擬試車遠(yuǎn)程考核評估軟件的顯控界面定量展現(xiàn),從而達(dá)到發(fā)動機(jī)氣路部件故障分析訓(xùn)練的目的。

5 發(fā)動機(jī)故障診斷及排故模擬實(shí)現(xiàn)

可通過軟件設(shè)置故障實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)試車的超溫、降轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速懸掛、滑油壓力低等多種典型故障的模擬,全面考核訓(xùn)練人員對發(fā)動機(jī)試車故障的分析與處置能力。故障設(shè)置界面見圖6。

圖6 模擬故障設(shè)置界面

燃油調(diào)節(jié)器中油門控制彈簧剛度下降是發(fā)動機(jī)典型故障之一，會導(dǎo)致供油量的不足，最大轉(zhuǎn)速和排氣溫度偏低，發(fā)動機(jī)性能下降。對該故障的排故分析見表1。

表1 最大轉(zhuǎn)速和排氣溫度偏低故障分析表

該故障產(chǎn)生的現(xiàn)象為“最大狀態(tài)轉(zhuǎn)速和排氣溫度低”。設(shè)置該故障后,“特性文件調(diào)整程序”根據(jù)彈簧剛度下降量和該故障的代碼修改高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的上限,并生成部件特性文件“Character.DAT”。受訓(xùn)人員根據(jù)地面試車環(huán)境對飛行條件進(jìn)行設(shè)置:飛行高度H=0 km,馬赫數(shù)Ma=0,大氣環(huán)境同ISO環(huán)境溫度差為0℃,高低壓軸功率提取和引氣量均采用默認(rèn)值。

設(shè)置完成后,系統(tǒng)生成入口文件“Input.DAT”。系統(tǒng)根據(jù)故障代碼判斷可知:該故障主要影響發(fā)動機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能。所以,系統(tǒng)調(diào)用發(fā)動機(jī)計算穩(wěn)態(tài)模型,根據(jù)Input.DAT和Character.DAT計算并輸出文件OUT.DAT。經(jīng)測試得知:性能模型計算256個工作點(diǎn)僅耗時1.2 s；最大狀態(tài)的性能參數(shù)為低壓轉(zhuǎn)速90.08%、高壓轉(zhuǎn)速96.06%、排氣溫度651 ℃。座艙油門桿由慢車推到最大狀態(tài)后,發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子模擬運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速由11 r/min上升到19 r/min,轉(zhuǎn)速燈帶仍中速流水,火焰筒4級亮度(正常最大狀態(tài)為轉(zhuǎn)子模擬運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速20 r/min,轉(zhuǎn)速燈帶高速流水,火焰筒5級亮度)；模擬座艙中高壓轉(zhuǎn)速表指示96%、低壓轉(zhuǎn)速表狀態(tài)指示90%,排溫表指示651 ℃,噴口指示器指示“關(guān)”(正常最大狀態(tài)的性能參數(shù)低壓轉(zhuǎn)速94.54%、高壓轉(zhuǎn)速98.41%、排氣溫度689 ℃)。

排故訓(xùn)練時,引導(dǎo)排故程序根據(jù)故障代碼,調(diào)用事先建立的故障邏輯診斷圖,引導(dǎo)至“燃調(diào)油門控制彈簧剛度下降”故障模式下,然后對最大轉(zhuǎn)速止動釘進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整的圈數(shù)同燃調(diào)凸輪特性曲線角度的變化量呈線性關(guān)系。系統(tǒng)引導(dǎo)學(xué)員進(jìn)入虛擬維修界面(見圖7),根據(jù)排除故障操作要求進(jìn)行虛擬操作。

圖7 虛擬拆裝界面

最后,系統(tǒng)重新生成“Character.DAT”文件,模擬座艙的高壓轉(zhuǎn)速表指示98.4%,低壓轉(zhuǎn)速表狀態(tài)指示94.5%,排溫表指示689 ℃；發(fā)動機(jī)模擬運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速20 r/min,轉(zhuǎn)速燈帶高速流水,火焰筒5級亮度,從而說明故障排除。

6 結(jié)語

航空發(fā)動機(jī)故障分析和診斷綜合訓(xùn)練系統(tǒng)以實(shí)裝和模擬器相配合、虛擬維修示教和自主學(xué)習(xí)實(shí)操訓(xùn)練相呼應(yīng),可以滿足不同崗位人員自主學(xué)習(xí)、自主訓(xùn)練、訓(xùn)練監(jiān)控、考核評估,提高了人員培訓(xùn)的有效性和針對性。系統(tǒng)通過建立渦扇發(fā)動機(jī)氣路部件的模擬故障模型,結(jié)合發(fā)動機(jī)的穩(wěn)態(tài)驅(qū)動及過渡態(tài)驅(qū)動的氣路截面參數(shù)模型,獲取不同故障模式下的發(fā)動機(jī)氣路各截面性能參數(shù),并利用硬件實(shí)現(xiàn)故障現(xiàn)象可視化。該系統(tǒng)能反映出環(huán)境參數(shù)變化、故障模式、控制參數(shù)調(diào)整對同一氣路部件故障導(dǎo)致氣路截面參數(shù)不同的影響,使得故障模擬的靈活性和準(zhǔn)確性得以顯著提升。

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Integrated training system of aero-engine fault analysis and diagnosis

Li Benwei,Wei Xiang,Wang Yonghua

(Department of Aircraft Engineering, Naval Aeronautics and Astronautics University, Yantai 264001, China)

Taking a certain type of turbofan engine as an entity, by using various technologies, such as modeling and simulation methods in fault diagnosis engines, virtual maintenance and interaction control, conversion and reconstitution of three-dimension model, computer control, etc., a comprehensive training system of engines, which can analyze and diagnose malfunctions, is developed. Also, a new mode of engine maintenance and training that coordinates installation and simulator is established. This system realizes the photoelectron simulation, fault analysis and diagnosis, and removal training of malfunctions based on engine’s state and fault parameter variation. This system can shorten the training time and reduce the training level of maintaining and diagnosing malfunctions of turbofan engine. In addition, the efficiency and the effectiveness of training are improved.

turbofan engine; fault analysis and diagnosis; integrated training system

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.027

2016-08-26

“泰山學(xué)者”工程專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助

李本威(1962—),男,山東威海,博士,教授,主要研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動機(jī)健康管理.

V235.13

A

1002-4956(2017)1-0119-05