航空燃氣渦輪發動機氣路故障診斷現狀與展望

王赟虓 WANG Yun-xiao

（沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，沈陽 110043）

（AVIC Shenyang Liming Aero-Engine（Group）Corporation Ltd.，Shenyang 110043，China）

0 引言

伴隨著經濟的發展，社會對航天燃氣渦輪發動機的可靠性、耐久性、壽命以及成本控制提出了更高的要求。為了滿足現代社會對燃氣渦輪發動機的需求，發動機零部件長期在高溫、高負荷的狀態下工作，發動機的結構也越來越復雜，生產單位對燃氣渦輪發動機的生產工藝以及材料選擇提出了更高的要求，其成本投入也不斷增加。面對結構復雜、工藝要求高、材料質量標準以及設計技術規范的發動機，一旦出現問題，其維修工藝便很難順利開展。目前，航空燃氣渦輪發動機氣路故障診斷已經成立了獨立的技術部門，這項技術同時在各行各業取得了較廣泛的應用，針對航空燃氣渦輪發動機存在的故障，采取何種方式解決問題，是相關行業發展的當務之急。

1 航空燃氣渦輪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點，在實際運作過程中一旦出現問題，就很難進行有效處理。伴隨著經濟的發展，燃氣渦輪發動機的結構越來越復雜，在追求高性能的同時，發動機長期處在高溫、高負荷的狀態下運作，自身因此存在較大安全隱患。隨著軍事實力的增強，我國軍隊裝備的新型戰術導彈種類和型號數量不斷增加，其結構也越來越復雜，結合相待科學技術，軍用設備的自動化水平也得到了較大程度的提高，因此導彈動力系統的故障也不斷復雜化。受診斷知識和手段的影響，我國航空燃氣渦輪發動機氣路故障研發手段有限，因此，相關行業必須加大航空燃氣渦輪發動機氣路故障的研究，促進發動機排放以及改進維修設計工藝的同時，提高我國航天事業的整體競爭力。

2 航空燃氣渦輪發動機氣路故障診斷現狀

航空燃氣渦輪發動機氣路診斷的主要依據是判斷氣路參數是否具有噪音或偏置狀況，對發動機的基本性能進行診斷。影響氣路診斷效果的因素有很多種，其中發動機維修思維對診斷效益的影響最明顯。表1是燃氣渦輪發動機氣路診斷過程中的主要診斷系統。根據診斷系統的世界特點，通常分為整機性能衰退監控和單元體診斷功能監控兩大類。

表1 燃氣渦輪發動機氣路診斷過程中的主要診斷系統

從表1中可以總結出，航空燃氣渦輪發動機診斷存在的問題主要有：第一，很多機型上未知量個數比測量參數多；第二，故障與故障之間聯系緊密，很難對同類故障進行準確區分；第三，測量參數中噪音與故障造成的測量參數偏差很難進行區分，測量信號位置偏差性大；第四，發動機氣路故障診斷受環境因素影響，具有較大的變動性。

3 航空燃氣渦輪發動機氣路診斷的方法

3.1 小偏差故障方程法

航空燃氣渦輪發動機氣路故障診斷過程中存在機型上未知量個數比測量參數多的問題，為了解決這一問題，通常采用增加方程個數和減少方程中故障種類兩種方法處理。其中增加方程個數的方法又分為增加測量參數和選取發動機的多個工作狀態組成影響系數的因素兩種。在利用氣路故障診斷法解決航空燃氣渦輪發動機氣路故障的同時，主因子模型法使用的頻率最高，該方法的主要特點有：第一，有效隔離故障，進行準確的定量診斷；第二，可以同時診斷多項故障；第三，能夠有效處理多重共線性問題；第四，主因子模型法主要針對機型上未知量個數比測量參數多的問題，但是，在實際運用過程中還可以有效解決測量參數大于故障種類二引起的故障問題。

3.2 基于非線性穩態模型的診斷方法

基于非線性穩態模型的診斷方法通過測量參數，建立發動機性能模型，該模型具有自適應的特點，以部件性能的變化來測量和辨別故障的實際位置。如何正確使用這種方法解決發動機氣路故障，故障診斷人員必須對維修工藝有明確了解：首先，了解發動機部件性能，根據實際運行狀況引入修正因子，對擴展的非線性方程組進行計算，從而得到實際運行過程中部件的性能狀況。必要條件下需要添加約束條件，為了保障診斷結果的準確性，還必須保障發動機性能故障參數比無故障氣路測量參數小。由于實際運行過程中的發動機不會同時出現多個部件故障，因此，采用非線性穩態模型的診斷方法可以有效解決航空燃氣渦輪發動機氣路故障。

3.3 基于人工智能的方法

伴隨著科技的發展，人工智能解決氣路故障已經在各行業取得廣泛應用。基于人工智能解決氣路故障的方法在實際運作過程中主要包括人工神經網絡、專家系統以及數據融合等方法。通常情況下，對單故障進行分類時，會采用BP網、RBF網和概率神經網絡，定量診斷以故障模式的大小進行判定。神經網絡的方法在實際應用過程中存在明顯的問題，如對故障的檢測和修復必須具備一定經驗性，為了簡化復雜的維修結構，還必須保證維修樣本與實際故障的一致性等。專家系統用于氣路故障維修時，必須與其他征兆信息相結合，從而確定氣路故障的位置和成因。

4 航空燃氣渦輪發動機氣路故障診斷展望

航空燃氣渦輪發動機氣路故障診斷已經作為一個獨立的領域存存在，在漫長的發展過程中，其理論和實踐都取得了較大的成就。面對全新的社會形態，氣路診斷在未來的發展方向為朝著以下幾個方面發展：第一，全新的診斷方法研究；第二，具有融合性的診斷研究；第三，故障診斷具有實效性，能夠進行遠程操作；第四，研究數據挖掘技術。總之，在今后的發展過程中，氣路診斷技術還會向更全面、更先進、更綜合的方向發展，因此，相關行業必須促進航空燃氣渦輪發動機氣路診斷向未來的發展方向奮進，在保障發動機正常運行的同時，為我國航天事業的發展作出應有的貢獻。

5 結束語

總之，對航空燃氣渦輪發動機氣路故障進行診斷是增強發動機可靠性、耐久性的重要保障。航空燃氣渦輪發動機氣路故障診斷的方法有多種，其主要特點表現在相似性系數具有明確的物理意義、故障構造結構簡單以及故障模式容易擴散等方面。因此，氣路故障診斷工作人員應該在了解航空燃氣渦輪發動機氣路故障診斷的意義的前提下，明確航空燃氣渦輪發動機氣路故障診斷現狀，針對問題，采取有效措施，明確航空燃氣渦輪發動機氣路診斷的方法，解決實際運行過程中存在的氣路故障。最后，故障診斷工作人員還應該充分了解航空燃氣渦輪發動機氣路故障診斷展望，促進我國航天事業的發展。

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