专利名称：一种航空发动机整机性能衰退趋势预测方法
技术领域：
本发明涉及航空发动机健康管理领域，是一种利用航空发动机参数变化趋势分析，进而对航空发动机性能衰退趋势进行预测的方法。
背景技术：
现有对航空发动机功能进行预测专利有两种，分别为“基于损伤基线的航空发动机硬件损伤分析与寿命预测方法”(公开号CN102288412A)和“基于Bayes信息更新的涡轮盘概率故障物理寿命预测方法”(公开号CN102682208A)，前者是基于损伤基线的航空 发动机硬件损伤分析与寿命预测方法，后者是对航空发动机轮盘概率故障物理寿命进行预测，两者在发动机寿命预测方面都有局限性，均没有对最重要的航空发动机整体寿命进行预测评估，也没有利用性能数据对航空发动机进行性能衰退趋势分析。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种航空发动机整机性能衰退趋势预测方法，能够基于航空发动机排气温度的变化情况对其进行性能衰退趋势预测。本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤步骤一，确定航空发动机在不同工况条件下所需要监控的典型参数，起飞阶段所需要的主要参数排气温度EGT裕度、外界大气温度的限制、风扇转速；巡航条件下的监控数据有发动机的代码；飞机的工作条件，包括高度、马赫数、外界大气温度；发动机性能和测量参数，包括风扇转速NI、高压转子转速N2、排气温度EGT、燃油流量和振动、滑油压力、可调静子导叶VSV位置和空调工作情况；其他特定数据包括环境控制系统ECS数据、防冰参数、涡轮间隙控制TCC时间、额定TR推力、NI调节器、发动机舱温度和可调静子叶片VSV的位置；步骤二，发动机趋势预测所需参数的预处理，按照O. I秒的采样周期采集步骤一所述的参数，对在不同采样时间段的最初10个有效点进行平均，得到所需要的初始化均值，初始化的参数可以作为平滑趋势的检测，如果某个采样点值相对均值偏差大于20%，则剔除该坏点；步骤三，对预处理后的参数进行相似变换，换算到海平面标准大气状况下，海平面标准大气状况下的风扇转速iVu =A\x#，其中，Tstd为海平面标准大气温度，T为外界大气静温；
fT'~海平面标准大气状况下的高压转子转速iV2t = N2X ;
V I海平面标准大气状况下的燃油流量〖 二其中，W为实时采集的燃油流量值，Pstd为海平面标准大气压力，P为外界大气压力；海平面标准大气状况下的排气温度/;(77丨=;步骤四，对航空发动机排气温度EGT进行修正如果EGTtjbserved < 610,则 EGTartual = EGTobserved
如果610 ( EGTobserved < 635，则 EGTactual = EGTobserved+ (-0. 4 X EGTobserved) +244如果EGTobserved ^ 635，则 EGTactual — EGTobserved-IO其中，EGTtjbswved为观测的EGT值，EGTactual为修正后的EGT值； 步骤五，计算排气温度裕度EGTmmgin = EGTredline-EGT,其中，EGTredline代表排气温度的最高限制值，当EGTmmgin值为O时，发动机则必须返厂大修。本发明的有益效果是本发明经过理论推导，得出排气温度裕度的具体计算方法。从而可以对发动机性能衰退情况进行有效的预测。航空发动机排气温度的变化表示其由温度主导的发动机效率发生了变化。利用这一规律，可以在同一型号航空发动机生产出来后，在航空发动机没有故障的情况下，首先计算出该发动机最大的EGTmmgin值，然后根据排气温度裕度的计算点计算当前条件下EGTmmgin。对比其值的变化趋势，从而得到航空发动机性能衰退的变化趋势。不同型号的航空发动机进行性能预测时，可以采用相同的方法进行预测。如果EGTmmgin值接近于零，则表明该发动机的寿命循环即将结束，该返厂大修了。因此，本发明可以利用已有的飞机上装备的数据采集硬件条件，采集发动机的关键参数数据，并基于该数据对发动机性能变化趋势进行预测。本发明既充分利用现有资源，又为航空发动机安全提供了支持。
图I是本发明的方法流程示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。如图I所示，本发明包括以下步骤步骤一，确定航空发动机在不同工况条件下所需要监控的典型参数。首先要选择需要监控的参数，所监控的参数应该能准确反映发动机性能的健康状态，监控参数的变化趋势能对应相关的发动机故障征兆。航空发动机状态监控主要气路监控参数有风扇转速NI，即涡轮风扇航空发动机风扇转速。高涵道比涡扇发动机绝大部分推力是由外涵气流产生的，所以在工程应用与状态监控中风扇转速NI —般用来表征涡扇发动机的推力。由于涡扇发动机的风扇大多由低压涡轮驱动，因此与低压涡轮与风扇单元体性能相关的故障在NI上能较为敏感地反映出变化。高压转子转速N2，即涡扇发动机核心机转速。涡扇发动机高压压气机由高压涡轮驱动，发动机的高压转子与低压转子只存在气路关联没有机械连接，N2在涡扇发动机核心机性能衰退或可变几何部件控制失效等故障发生时，会有明显漂移。因此，其对于监控发动机整机性能趋势与故障识别效果明显。燃油流量FF (Fuel Flow)，即每小时进入涡扇发动机燃烧室的燃油质量即为燃油
流量。 排气温度EGT (Exhaust Gas Temperature)。润扇发动机最重要且最有效的参数应为涡轮前燃气温度。该参数也是用于发动机性能衰退趋势预测的关键参数。起飞条件下数据获得条件监控数据应当在排气温度(EGT)达到或接近最大时获得。无论外界大气温度如何，数据都应当在发动机达最大功率时测量。起飞阶段所需要的主要参数=EGT裕度、外界大气温度的限制、风扇转速。巡航数据的获得条件监控数据必须是在稳定的条件下获取。巡航条件下的监控数据包括发动机的代码，包括飞机型号、日期、时间等。飞机的工作条件；包括高度、马赫数、外界大气温度。发动机性能和测量参数包括N1、N2、EGT、燃油流量和振动、滑油压力、VSV (可调静子导叶)位置和空调工作情况。特定数据的获取环境控制系统ECS (Environment Control System)数据海平面OATL (起飞时)放气活门开关。防冰参数发动机(发动机舱)防冰和机翼防冰。防冰的调节用于起飞计算。润轮间隙控制TCC (Turbine Clearance Control)时间TCC计时器开关值和核心机转速。额定TR (Thrust Rating)推力根据其值，可以调节Sea Level OATL和EGTMargin。NI调节器针对采用数字控制的发动机，风扇的物理转速NI可以在座舱中进行调节。这类发动机有3个参数与风扇转速有关风扇给定转速(通常输入);N1修改水平；物理(未修改的)风扇转速。这些都用于起飞数据的处理。其他需要监控的典型参数发动机舱温度和VSV (可调静子叶片)的位置。步骤二，发动机趋势预测所需参数的预处理。数据趋势初始化(巡航和起飞):步骤一所测量的不同参数的采样周期为0. I秒。在采集到所需要的数据后，对在不同采样时间段的最初10个有效点进行平均，得到所需要的初始化均值。初始化的参数可以作为平滑趋势的检测，如果某个采样点值相对均值偏差大于20%，则由计算机自动计算并副除该坏点。平滑(smooth)参数参数平滑技术也叫指数平滑法。该方法基于前面的平滑水平来建立新的平滑趋势水平，并采用新的原始数据来不断更新，得到新的平滑水平。如果没有新的原始数据，则使用前面平滑过的数值。标准的参数变化趋势通常事先设定好平滑趋势，事先设定好平滑参数。指数平滑公式如下smoothednew = smoothedold+ a (rawnew-smoothedold) (I)
公式(I)中，Smoothednew代表平滑后的参数值，smoothed-代表平滑前的数据。O
<α <0.5是经验常数，为预先给定。减小α则对原始数据的依赖性减弱；增加α则对原始数据的依赖性增强。对不正常点的剔除平滑技术在使用中，对不正常点要剔除要以保护整体的平滑性为原则。平滑趋势随着数据的更新不断变化，如果新数据点是坏的则不予考虑。在计算平滑趋势的过程中，要不断比较新的原始数据和前面的平滑趋势。如果新的数据点超出了限定的正常值水平(超出正常值的20%)，则认为新数据为潜在的坏点，就继续延续以往的平滑水平。如果第二个数据仍然超出了正常值水平，则认为这两个数据预示了新的变化趋势的出现，就用这两个点按照计算标准更新变化趋势。
测量参数分散的解决办法飞机上不同位置的发动机的测量值和平均值之间是有差异的。主要有5个参数EGT (排气温度)、Core Speed (核心机转速)、Fuel Flow (燃油流量)、Nacelle temperature(发动机舱温度)、Throttle LeverAngle (油门杆角度)。可以采用以下公式进行处理。Σ 1'GTengi I-XjT Divergence(engine#'、) = I4XiTtliiyi---其中，EGTengi为多发飞机第i个发动机的排气温度。η为发动机数目。步骤三，对预处理后的参数进行相似变换。航空发动机气路性能参数会在运行过程中会随着外界大气环境(大气温度与压力高度)的变化而变化。而状态监控是一个持续的监控过程，需要将不同大气条件下所获取的性能数据换算到同一大气状况下。本方法中将所有性能数据换算到海平面标准大气状况下，即Tstd = 28815K，Pstd = 101325Pa。Tstd为海平面标准大气温度，Pstd为海平面标准大气压力将航空发动机状态监控的气路采集数据转化为海平面标准大气条件下的相似换算公式如下风扇转速N1相似换算公式 = N、χ其中，N1为发动机风扇转速，Nlk为换算到海平面标准大气状况下的N1, Tstd为海平面标准大气温度，T为外界大气静温。
Wt~高压转子转速N2相似换算公式'Nu =N2X卜
V I其中，N2为发动机高压转子转速，N2k为换算到海平面标准大气状况下的N2, Tstd为海平面标准大气温度，T为外界大气静温。燃油流量Wk相似换算公式-.Wk = W x^fx
P V ^其中，Wk是换算到海平面标准大气状况下的燃油流量，W为实时采集的燃油流量值，Pstd为海平面标准大气压力，P为外界大气压力，T为外界大气静温。
排气温度EGT的相似换算公式
权利要求
1.一种航空发动机整机性能衰退趋势预测方法，其特征在于包括下述步骤 步骤一，确定航空发动机在不同工况条件下所需要监控的典型参数， 起飞阶段所需要的主要参数排气温度EGT裕度、外界大气温度的限制、风扇转速；巡航条件下的监控数据有发动机的代码；飞机的工作条件，包括高度、马赫数、外界大气温度；发动机性能和测量参数，包括风扇转速NI、高压转子转速N2、排气温度EGT、燃油流量和振动、滑油压力、可调静子导叶VSV位置和空调工作情况； 其他特定数据包括环境控制系统ECS数据、防冰参数、涡轮间隙控制TCC时间、额定TR推力、NI调节器、发动机舱温度和可调静子叶片VSV的位置； 步骤二，发动机趋势预测所需参数的预处理， 按照O. I秒的采样周期采集步骤一所述的参数，对在不同采样时间段的最初10个有效点进行平均，得到所需要的初始化均值，初始化的参数可以作为平滑趋势的检测，如果某个采样点值相对均值偏差大于20%，则剔除该坏点； 步骤三，对预处理后的参数进行相似变换，换算到海平面标准大气状况下， 海平面标准大气状况下的风扇转速=%χ#，其中，Tstd为海平面标准大气温度，T为外界大气静温； 海平面标准大气状况下的高压转子转速= Ar2 X·；P if~ 海平面标准大气状况下的燃油流量K. =W,i，其中，W为实时采集的燃油流P V I量值，Pstd为海平面标准大气压力，P为外界大气压力； 海平面标准大气状况下的排气温度= AY；/·X ^ ； 步骤四，对航空发动机排气温度EGT进行修正 如果 EGTtjbserved < 610,则 EGTactual = EGTobserved 如果 610 ( EGTobserved < 635，则 EGTactual = EGTobserved+ (-0. 4 X EGTobserved) +244如果 EGTtjbserved ^ 635,则 EGTactual — EGTobserved-IO 其中，EGTtjbswved为观测的EGT值，EGTactual为修正后的EGT值； 步骤五，计算排气温度裕度EGTmmgin = EGT,edline-EGT，其中，EGTredline代表排气温度的最高限制值，当EGTmmgin值为O时，发动机则必须返厂大修。
全文摘要
本发明提供了一种航空发动机整机性能衰退趋势预测方法，首先确定航空发动机在不同工况条件下所需要监控的典型参数，对其进行预处理和相似变换，然后对航空发动机排气温度进行修正，最后计算排气温度裕度，当排气温度裕度值为0时，发动机必须返厂大修。本发明可以利用已有的飞机上装备的数据采集硬件条件，采集发动机的关键参数数据，并基于该数据对发动机性能变化趋势进行预测。本发明既充分利用现有资源，又为航空发动机安全提供了支持。
文档编号G01M15/00GK102928232SQ201210472458
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月21日 优先权日2012年11月21日
发明者傅强, 王强, 彭凯, 尚永锋, 李勇, 阎锋, 陈明强 申请人:中国民用航空飞行学院