（航空宇航推进理论与工程专业论文）发动机单元体健康模型及评估准则研究.pdf

中国民用航穿学院硕士学位论文捅婴一个合理有效的发动机健康模型，应当能对特定殿动机在特定时刻的健鹰状况进行准确评估。以往的发动机健康评估，如对普惠公司的发动机，主要是通过计算和比较表征发动税稚气温度和发动祝燃油流量变化的e g t 指数来进行的。实践证明这种方法对于发动机的性能评估遗是较为有效的，作为种传统的发动机健康评估方法，本文中给出了b 7 3 7 - 8 0 e 所使雳的c f m 5 6 7 c 黧和b 7 7 7 也o o 所使用的p w 4 0 7 7 d 型发劝机e g t随使用时间增长的变化规律曲线，以及e g t 和w f 之间的关系曲线。蘸1 f 国靛孳| 逶兹薪礁型中鸯2 5 站位稻3 漆位静游度及垂力传感嚣。在畿够获褥发动机扩展参数的条件下，可以建立包含扩展参数在内的蕴涵更加丰富信息的性能健康指数，本文中采瘸了圭减分分辑方法建立了一静灏豹发动褪牲熬健康攒数。发动机单元体性能分析是发动机状态监掇的发展方向之一。要进行发动机单元体分辑，裁安磅究发动捉器参数与发动掇懿藤状嚣之闽存在豹关系。本文壤握发动辍原理鼹相关突际数据的统计分析，选择了一组表征敏动机单元体性能的曲线。在此基础上，本文绘出了一套完整蜓发动捉单元体浮售方法，著建立了枫队熬穗关参数基线。实际应用证明本方法对于发动机的单元体性能评估是合理有效的，对发动机故障诊断也有一定帮助作用。关键词：发动机健康模型单元体评怙性能健康指数中国民用航空学院颂t 学位论文a b s t r a c tar a f i o n a la n dv a l i de n g 证e 量l 。硝像m o d e 】e a na s s c s st 溉e n g i n 。h e a l 像c o n 馥i o np r o p e f l y n a d i t i o n a le n g i n eh e a l t ha s 8 e s s m e n t ，f o re x a m p l et ot h ee n g i n e sm a i l 堋t u r c db yp r a l t w h i t n e y ，m a i 瑶yd e p e n d so nt h ee g t 王n d 嚣xw h i c hi s 醯s e do ne g ta n d 国e l 蠡o wl ti sp r o v e dt h a t 也i sk i n do fa s s e s s i 雌w a yi se 船c t i v ei np r a c t i c e ，s ot h ee g t _ c y c l e sa n de g t - w fc n f v o s 鹾c f 醚5 6 7 ca 蘸蠢p w 碡0 7 7 d 黜蠢。撤。娃s t 黻捃d 攮穗i sd i s s e 搬蠢t h en e wt y p e so fe n g i n e si nm en e e to ft | l ea 【rc h i n at l a v em et e m p e r a t l l r ea n dp r e s s u 糟s 锶s o 塔8 ts 攮 l 罐2 s 瓣ds t 越溅3 确糕a 靶i 蟋o fp 露凡黼a n e ek 矗跹i 聪e x 旗l i e hi 辩l 羽e st l l ee x p a n d e dp a r a m e t e r so nt b ee n g i n ei sa v a i l a b l e t h r o u g ht h em a i ne l e m e n ta 黼l y s i sw a y ，谯i 3k i n do f p 毂l 醅m a 蘸e eh e a l 爆i n d e xi sb 懂l ti n 攮e 盛s s e 娃a t i o 珏t 0a n a l y z et h ee n g i n em o d u l ep e r f b n l l a i l c e ，i t sn e c e s s a r yt or e 8 e a r c hm er e i a t i o n sb e t w e e nt b ee n g 遗ep a 煳e t e r sa n d 搬。锄g i n eh e a 王馈n d 量量o n ag r o u p 醒s e l e c t e de n g i n ep e r f o r n l a n c eg r 印h sh a v eb e e ng i v e ni nm ed i s s e n a t i o n ，w 1 1 i c ha r eb a s e do nt l l ee n g i n et h c o r ya n dt h ea n a l y s i st ot h es t a t i s t i c a 王d a t a 。as e r i e so fc o m e t ee n g i n em o 血l l ea g s e s s m e mm 烈h o d sh a v eb e e nd e m o n s t r a t e di nt h ed i s s c r t a t i o n ，a n dr e l a t i v eb a s e l i n c sh a v eb e e nb u i l l 婶t kp r a c 氐eh a sp r o v e dt h a tt 量l i sw a yi sv a l i di ne n g i n em o d t 妇p e r f o f m a n c ea s s e s s m e n t ，a n d 也i sk i n d o f 黼e t h o d se a na l s oo 嚣矗a di 撞也ee n g i n et r o u b l e s h o o t i n g k e yw o r d s ：e n g i n eh e a l m m o d e lm 掣u l ea s s e s s m e mp e r f 0 珊a n c eh e 甜mi n d e xi i中国民用航空学院学位论文独创性声明本人声霹繇璺交靛学穗论文跫鬣个a 在辱簿接嚣f 透行豹磷究，i 箨及敬褥鑫冬磷究成象。尽我辨知，除r 文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰骂过的研究成聚，也不包含为获得中萤强嗣航空学院戏其它教育视构瓣学位或证移而使焉过的材秘。与我_ | 逮l ：律鹃同志对本研究所做的任何落献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究垒签名：一趣窭麓：，趋：! z 皇中国民用航空学院学位论文使用授寝声明中国民川航空学院、中国科学技术信息研究所、国家图啦馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电f 文榻，可以慕蠲影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文挡的肉窬鞠纸质论文的内容相一致。除在保鬻期内的假密论文外，允许论文被书阗和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部绒部分内容。论文的公布( 包括刊髓) 授权中国民航空学院研究生部办理。研究生签名：一立i l 氢导师签名：五车象竺日期：丛丛：口中国民用航窄学院硕士学位论文刖百发魏壤状态簸程是以，隧鹃炊态鉴摄手段、露靠黪淫徐手段器寿愈预测手蔽寒判瑟发动机当前实际工作状况：并以可靠的敞障诊断手段来判断故障的部位、发展趋势，识别故障的早期征兆。藤发凌瓤状态评馀手段和寿愈预测手段又楚以发动机状态簸援手段为基础的，因此作为评估发动机状态的蘸要组成部分，发动机状态监视与故障诊断拥有煎要意义：一方丽，它楚实现从单纯的定时方式转向定时维修、视情维修和状态监控三种方式缩合，“全面考虑可靠性、安全能、经济性”为两标的维修的必疆手段与前提祭件；另一方面，它又可以述速而准确地确定故障部位及故障严整程度，有利于确保飞行安全戳及减少缀修人力物力的投入，缩短飞机的停飞时闯，提商飞视利弼率。鞠而落怒降低直接使用成本的重鼷技术手段。发葫辊状态篷褫鹃强麓在予了解新使用豹穰敬吾笈动枫豹镶康状况，预测发动辊静性能趋势走向，并通过对异常监控数据的分析进行发动机性能突变预警，在发幼机出现突发敖辕辩帮渤送行数藩藩俘定位帮蔽障嚣因分李厅。嫠缝气路分轿是发韵辊状念连程静煎要方法，主要是通过对发动机巡航状态的发动机排气温度、燃油流量、转速镣气路参数懿分辑来实瑗。健康管理是基于诊断预诊惰息、可用资源和使用要求做出正确维修决策的能力。它是通过蜒康评定魏臻诊戆力在正确的踺阕对正璇戆设螯提供正确豹服务。传统鲍键康谬估，由于所获取的发动机状态参数有限，一般仪限于通过发动机排气濑度、燃油流量、转速等憋分辑获褥对发动枧整桃健康状掇的认识，著象瘸了基于接气澄度和燃油流量的发动机e g t 指数对发动机整机的健康做定量的表征。随着监控中新的扩展参数数据的获得，馊得对发动机健康状态蛉分析有了更为深入的可能，也使褥建立包含扩展参数在内的新的表征发动机健廉状态瀚性能健康指数藏为可能。发动机的健康分析，除了包括发动机整机的健康状态分析以孙，也应该包括对发动机擎元体的健袋分车厅。赢者能够便褥对教动祝酌健滚状况静议谈深入弼单元体7 k 平，围而能够更好的解释发动机性能的异常，也能在发动机出现故障时提供有关单元体的更加丰富豹僚怠。发动机全寿命管理系统是幽哈尔滨工业大举和中国民航学院、中豳国际航空公司、a m e 0 共同承握弱中黧琵靛慧局重要科磅矮籍，宅是为辩竣中兢集溺溺篱靛空公司( 镪括北京飞机维修工程有限公司) 在飞机发动机维护方面的不足。适应民航发展的信息化发展遂糕露开发豹售怠餐瑾系绞。发动机全淹命管理适应了现代民航技术的发展潮流和信息化要求，航线数据分析研究是全寿命蓉纛系统懿莛要鬣裁。该系统霹菇实骥发动辊飞嚣数撵、靛线维护穰愚蠢麓线故障信息的数字化存储与传输，能够更加紧密结合现有的发动机制造厂商提供的航线监控软传嚣礤畦、s a g 嚣、e 0 醚瓢s s ，遴一步发挥楣应魏控软终酶潜力。发动机全脊命管理系统是支持本论文的研究项目。在发动机状态评估方面，该项目要求礤突结果憝使健藏姨悫浮然程序撂缕位，建立冬壤型发动枧状态综合谔镇准则。中国民用航窄学院顿一l ：学位论文本文主要完成以下几个方面的工作：1 研究总结了发动机单元体衰退的机理。2 提出了用于发动机健康状况分析的一组曲线，并用神经网络方法验证了所选择的曲线参数的合理有效性。3 利用本文提出的单元体健康模型和a c m s 数据计算出了国航机队p w 4 0 7 7 d 发动机的健康曲线。4 提出了一种新的包含扩展参数在内的发动机性能健康指数，并通过主成分分析方法获得了国航机队p w 4 0 7 7 d 发动机的性能健康指数计算公式。5 完成了研究课题所要求的国航机队b 7 3 7 8 0 0 和b 7 7 7 2 0 0 发动机正常衰退曲线的制定。本论文共分为四章，各章内容如下：第一章发动机单元体健康参数主要探讨了能够表征发动机单元体健康状况的参数及其相互关系。第二章发动机健康曲线通过发动机健康模型计算出了相关型号发动机的健康曲线。第三章性能健康指数主要探讨了包含扩展参数的发动机性能健康指数的建立方法以及在具体机队中的应用。第四章结论与展望总结全文并指出了今后的研究方向。2中国民用航空学院碗i ：学位论文第一章发动机单元体健康参数1 1 单元体衰退机理由于单元体性能衰退是造成健康曲线参数变化的主要原因，对造成发动机单元体衰退的各种因素进行分析，对建立健康模型是很有意义的。发动机性能衰退：发动机性能衰退是由发动机各部件机械性能参数的退化引起的。衰退的原因包括：一飞行载荷对发动机机匣的变形影响，产生摩擦，增加叶尖间隙；一气动部件表面的腐蚀：一温度改变造成的流量的改变和泄漏损失的增加；维护中的不当处理。受发动机性能衰退影响的单元体包括：一风扇；低压压气机( l p c ) ；一高压压气机( h p c ) ；一燃烧室；一高压涡轮( h p t ) ；一低压涡轮( l p t ) 。1 1 1 风扇性能衰退可能导致风扇性能衰退的原因包括叶尖问隙的增加，风扇叶片表面粗糙度的改变，叶面边缘的钝化等。性能衰退将导致风扇效率和流通能力的降低。风扇叶尖间隙改变：在发动机工作状态发生瞬时改变和飞机飞行状态发生变化的时候，风扇叶片与周边将会发生摩擦，这一过程将会明显改变风扇叶尖间隙，并生成一个槽状带。槽状带通常在发动机使用的早期生成，并逐步趋于保持稳定。叶尖和摩擦带的腐蚀也能对叶尖间隙造成影响。风扇叶面粗糙度：表面粗糙度的增加通常是因为灰尘的积聚和余属层的损失造成的，这会降低风扇的效率。粗糙度一般会在初期迅速增加然后保持稳定。风扇叶面钝度：风扇叶面边缘的钝化是因为腐蚀和坑点造成的，钝化也将降低风扇的性能。1 1 2 低压压气机性能衰退低压压气机( l p c ) 性能衰退是由叶尖间隙的变化和表面粗糙度的改变造成的。此外，叶面轮廓的改变也是造成低压压气机长期使用后性能衰退的另一个潜在原因。低压压气机叶尖间隙：叶片长度的降低，因为飞行载荷改变所带来的摩擦带上的沟槽，以及摩擦带的腐蚀3中国民用航空学院硕七学位论文均能造成叶尖间隙的改变。随着发动机寿命的增加，摩擦带腐蚀和槽状带的出现将会对低压压气机的性能产生严重影响。低压压气机叶面表面粗糙度：由坑点和灰尘积聚导致的表面粗糙度的增加将会影响低压压气机的效率。静子叶片的后几级表面粗糙度通常是最高的。低压压气机叶面边缘的改变：叶面轮廓的腐蚀将会通过改变叶面边缘的形状和叶面弯曲度来影响压气机的性能。1 1 3 高压压气机性能衰退高压压气机性能衰退是由叶尖间隙的改变，叶面粗糙度的改变，以及叶型的改变造成的。高压压气机叶尖间隙：由于叶片长度的降低所导致的叶尖间隙改变对高压压气机前面几级所造成的影响比对后面几级的影响大。摩擦带的腐蚀率对高压压气机性能有影响，但会依摩擦带材料的软度不同而有所不同。飞行载荷和飞机的机动飞行会在短时间内对叶尖间隙造成明显的影响，不过这一影响会倾向于保持稳定。高压压气机叶面表面粗糙度：由压坑和灰尘积聚导致的表面粗糙度的增加会影响高压压气机的效率。高压压气机静子叶片表面粗糙度的增加比旋转叶片的多，不过压气机尾端的几级叶片粗糙度变化很小。高压压气机翼型表面的改变：翼型表面的腐蚀首先发生在靠近翼型表面外部的一段，对压气机性能有严重的影响。发动机使用循环数增犬以后，翼型表面腐蚀和叶片长度的减小对效率损失的影响逐步上升到主导地位。1 1 4 燃烧室性能衰退燃烧室系统的性能衰退主要体现为燃油喷嘴结焦，因为这将导致燃油喷射的不规则分布。影响燃烧室性能的两个参数是燃烧室压力的下降和燃烧室的效率。燃烧室出口温度：高压压气机性能的衰退和燃烧室性能的衰退均会对燃烧室出口温度造成影响。燃烧室出口温度会对涡轮性能构成直接影响，造成涡轮导向叶片面积的改变，涡轮翼面扭曲，静子叶片失效等。1 1 5 高压涡轮性能衰退跟压气机一样，翼型表面 h 糙度也会随着使用的增加而增加，但它对涡轮性能的影4中国民用航空学院硕：f ：学位论文响不如卅 尖蚓隙和叶片的弯扭大。高压涡轮叶尖间隙：发动机瞬间工作状态韵改变和飞行载荷的改变以及转子叶片和外部封严的摩擦均会耀热满轮时尖潮隙。叶尖间隙变化对涡轮性能的影响主要发生在涡轮使用的翠期，居期会逐步越予稳定。高砸涡轮静子叶片的弯曲和扭曲：弯熬主要发，圭在静孑睁片携燕一缀，毅整烹要发生在静子时片翡第二缀。静予时片的弯曲和扭曲会使高压涡轮豹流通能力增加，效率降低。1 - 1 6 低压涡轮性能衰退静子叶片的弯曲和疆曲对低蕊涡轮性髓衰邋的影响与高压涡轮炎似，不过相对而言影响较，j 、。依据低聪涡轮结构的刁；厕，静子叶片失效也有可能发生，这将会导数燃气动熊的损失并影响效率。1 2 单元体参数分析燃气涡轮循环：满输发动杌静循环是一个修币了的布浆顿循环，在发动机正作状态中各鄢件豹空气处予一个连续不叛约压缝，燃烧，膨胀数过程中。燃气涡轮发动机的压缩和膨胀过程通常都是绝热过程。绝热过程是一个熵增过程。与定熵过程桐比，绝热过程年把气体从一个状态压缩到另一个状态所需的能溉更大。实繇酌工 乍锤环中可虢会存在主疆由予摩擦导致的丞力损失，遮就僚压气丰凡的珏缩比邋常魄涡竣鲍膨胀魄大。压气机效率指的是压缩所需的理论功与实际消耗的功的比值。在评估发动机的性能的时候，必须考虑到各个单元体的效率会受到其他单元体性能的影响。也就怒说，当一个肇元体性能出现损失的霄候，其袍的单元体会在这一改交了的状态下工作，并通过所谓鲍单元体嚣匹配，瀵足发动搬歪鬻王 乍鼹震的埝爨要求。评估某个单元体状况的一个方法是分析与这一单元体相关的特定参数或者参数缎合，比如：转速，涡轮流量参数，低压压气机增压比，e g t 和燃油流量等。例如，n l转速的鼗著降低往往可戮弱因子低匿涡轮较差。类 戳的，总的漕压院和憨的渝度院同时显萋降低，墩诲逐偿睫装n 2 转速的黪低，可以归因予毫压涡轮性貔较麓。可调叶片对n 2 转速静很大影口向。最典型的情况是，当叶片角度开得过大时，n 2转速将会降低。这是因为叶片角度调大时高压压气机所受到的载荷会增大，从而引起n 2 转速的降低。楣应的，翔采时片麓廑调褥太，j 、时，n 2 转速嗣可髓上升。评l 赍发动机一建毙憨一个重要参数是总麴增耀比3 伊2 ) 或者总戆膨胀比( p 3 ，p 4 。5 。这个参数在使用中不成该发生太大变化，除非怒第1 级涡轮导向器( 1 n g v ) 面积，简压涡轮或者尾喷管面积偏离了它们的最佳状态。中西民用航守学豌硕一 j 学位论文练土錾逡，以下尼个参数辩分耩发动梳敬惫骞着重要终麓：一个是压比p 3 p 2 ( 或者p 3 p 4 5 ) 。另一令关键参数是p 垃。5 。2 ，5 漆垃懿莲力霸漩度受劐发动撬每令鼙元薅经能弱影瞧，故选用p t 2 5 作为监控参数。还鸯一个是低压压气枧增慰毙戆交豫( p 2 。5 p 2 ) 。怼p 2 。5 p 2 遴孬定量分毒厅爱，通过与其他关键参数的比较，例如涡轮流通参数p 3 斛9 5 ，能够帮助对发动机的整体性能状态做出解释。e g t ，w f 是另外两个重要的特定参数。e g t 和w f ( 燃油流量) 之间通常存在着一定的比例关系，这一关系随发动机型号的不同丽有所差别，大致是e g t 每上升l o 则燃泊流登增加1 。不过这一关系会在出现气路敞障和播示异常的时候发生明撼改变。还有一个有用的状态量是n l 相对于n 2 转速的改变，也就是n l 和n 2 相对于各自蒸线静转速交纯。通常情况下，风赢帮蕊气梳的转速增嬲，其空气流量和压跣邈会发生相应的增加。l 。2 1a c m s 窳始数蘩校正本文进行发动机单元体分析所用的数据均涞自于a m e c o 的飞机状态馓控系统a c m s ( a i f c f 稳c o 君d 繁黻m o 珏i 协斑gs y s t 髓1 ) 。a c m s 系统开发装嚣静楚充分裂鬟飞裰上已经其备的机减数据采集系统和空地数据通讯系统的能力，建立一套适用于国航8 7 3 7 8 ，b 7 7 7 2 0 0 及寒寒机敬魏，实辩、准确、蠡动能瓣飞投、发动毒强状态鼗滚系统。该系统利用了先进机载和空地数据通讯以及计算机网络平台，疑备实时、自动、准确可追溯性姆葶珏数据爨大款特点。a c m s 系统的建立便基地控制中心能够实时掌握飞机故障情况，索取c m c 历史故障记录，进行故障分板，决定故障处理方法，及时联系夕 站排款；自动化的监控系统省略了大鬣人工谗添参数稍输入计算机的过程，极大地提商了工作效率：自动化机载数攒系统能够提供大掇参数，通过空地数据通讯传邀到地面监控系绕，这是传统的手工记录参数进行监控的方法无法实现的。这些参数将为飞机、发动机的故障诊断提供依据。其功能模块包括：嚣鞴楚疆孑系统报文格式定义电报与数据楚溪子系统可视化应急处理子系统飞艇瞧靛整控及事务管理报文鸯询鼹务器系统管理子系统目前a m e c 0 进行发动机监控的基本流稷如下图所示：6中国民用航空学院硕士学位论文图卜1发动机状态监控基本流程图在本文研究过程中所获得的数据，来自于上图中所示的接口软件，也就是尚未通过发动机监控软件处理的原始数据。数据获取界面如下：图1 2a c m s 数据获取界面从a c m s 系统获取的发动机巡航状态原始参数值，必须通过修正才能用于发动机健康状态分析。由于在发动机单元体分析中，我们所关心的并不是各个参数的绝对值，而是其相对于基线的偏差，所以只进行不同飞行状态下获取的数据的海平面修正。也正因为健康曲线研究关心的是参数相对于基线的偏差而非参数本身，所以基线的确定也并非是唯一的。令6 2 p 2 p o ，e 2 t 2 厂r oo其中p ：是压气机进口2 站位的总压，t ：是压气机进口2 站位的总温。中国民用航空学院硕士学位论文p o 是海平面标准大气压力，p 。= 10 1 3 2 5 p a ；t 0 是海平面标准状态下的大气温度，t 。= 2 8 8 1 6 k 。曲线绘制所需的数据来自飞机的巡航数据报告。理论上讲，可以由报文中的压力高度通过查表获得相应的标准大气数据。不过为了简便起见，此处直接采用发动机进口2站位总温和总压作为外界大气总温和总压的近似，这是可行的。根据工程热力学和发动机原理状态相似理论的相关知识，我们采用如下的方式进行海平面修正：修正温度t ( c o m = t ( 曲s e m d ，0 ；修f 压力p ( 一产p ( 。b 。蒯慨修f 转速n ( 。哪= n ( o b 。r v c d ，0 ；修正燃油流量w f ( 。n _ w f ( 0 b 。d 以6 e u 。) ；例如某台发动机某个巡航报告原始数据如下所示表1 1 原始数据e p rw fn 1n 2e g tp 5p 3t 3p 2 5t 2 5t 2p 21 0 2 46 2 7 77 8 58 3 73 7 6 45 ，7 9 71 4 4 5 74 4 71 6 0 9 68 7 11 15 7 3 1通过以上方法进行修正以后，得到的修正参数如下表：表1 2 修正数据e p 心。w f c 讲tn 1 c o 。n 2 c o r re g t c o p 5 c o r rp 3 c o r r1 0 2 411 6 3 5 1 4 9 58 2 38 7 87 1 4 o1 0 2 4 9 22 5 5 6 0 2 1t 3 c o 丌p 2 5 。o 丌t 2 s c 0 。t 2 p 2 c 0 口p 5 c o hp 3 c o 竹7 9 1 62 8 4 5 8 03 9 6 o2 8 8 1 61 0 1 3 2 51 0 2 4 9 22 5 5 6 0 2 1需要说明的是原始数据表中的温度单位均是，经过修正以后采用的温度单位是中嗣民用航卒学院硕士学位论文1 2 2 单元体曲线组单元体健康评估及涉及的参数和曲线如下所示图1 - 3 单元体分析选取的相关参数首先对特征参数明显的高压涡轮进行分析，其特征参数为p 3 p 4 9 5 。因为风扇，低压压气机，高压压气机和低压涡轮的性能变化对p 3 p 4 9 5 的影响都非常小，而高压涡轮的损伤则会在p 3 p 4 1 9 5 上得到明显体现，因而p 3 p 4 9 5 的变化能表征出高压涡轮的健康情况。而e g t 是发动机整体性能衰退的重要指标，因而可以建立p 3 p 4 9 5 一e g t 曲线分析高压涡轮性能状况。发动机的增压比也是进行状态评估的一个特征量。对于p w 4 0 7 7 d 发动机来说，p 3 p 2 5 或者p 3 p “9 5 应该保持基本不变。第1 级涡轮导向叶片，高压涡轮，尾喷管面积等状态的改变会对发动机压比造成明显的影响。这些部件的有效流通面积增加均会导致压比相对于基线的降低。与此相对应的，前后温度比也会随着第一级涡轮导向叶片有效流通面积的增加或者高压涡轮效率的损失而降低。由于是由高压涡轮带动高转速转子，评估高压涡轮性能时，n 2 就成为了必须要考虑的参数了。为了更全面地了解高压涡轮的健康状况，增加了p 3 p t 4 9 5 c y c l e s 曲线和n 2 一c y c l e s 曲线用于分析高压涡轮。然后对风扇性能进行判断。类似于p w 4 0 7 7 d 的高涵道比发动机其主要推力来自于风扇。因此如果风扇处于正常的状况，推力和n 1 转速将呈比例增加，故考虑建立n 卜e p r中国民用航空学院硕”扣学位论文和w f _ n l 益线采分析风翩性能，如果这两个曲线正常，姗可以认为风璃处于健潦状态。接蟹分析低压涡轮的状况。低压涡轮驱动风扇和低压压气机。低压涡轮性能降低将会降低n l 转速。然丽，蕊赢流通麓力瀚损失又会导致n l 转逮豹罐糯。敌丽在评话低服涡轮性能之前必须首先评估风扇的状况。因此，在评估风扇性能以后，我们建立n 1 - c y c l 懿鏊线分撰鬣嚣涡轮憋能随发动疆缓翔辩淹鹣变铯清漉。最后是考察压气机性能。低压压气机参数对于单元体性能评估非常重要。幽于每一个单元俸性戆状悫戆改变豢会影酾到2 。5 站建瓣参数，p 2 5 是谬傣每一个萃元髂往裁爨都需要考虑的参数。当2 5 站位参数发生变化时，n l 转速相对于n 2 转速的改变( n l 。n 2 ) 黠予鳃释p 轰5 蛉改变垮会非豢鸯羯。教鼷我们建立t 2 5 擐瞧一p 垃，5 撑破曲线研究高压压气机和低压压气机健康情况，并作为分析涡轮能康情况的补充。通鬻情况下，低压压气枫的增加比祁n l 转速相对予n 2 转速的改变( n l 一n 2 )也是进行高压毯气机性能评估的关键参数。除此以外，奄高压压气枫性能衰退的情况下，滠度比t t 3 t t 2 也会出现小量增加。因此增加p t 2 + 5 p t 2 n l - n 2 曲线，以获得对压气机健廉状况更多的信怠。在以上所属的一组曲线中，p t 2 5 p t 2 n 1 n 2 曲线有麓特别重要的作用。这是闲为：对于绝大多数发动机而吉，高压涡轮衰退将会导致n 2 转速降低和p t 2 5 p t 2 增加；低压满轮酶衰邋粥会霉数n l 转速降 螽辩p 垃5 廖岔降 蔻；高基纛气梳的寝速虽然不会辩n l 和n 2 造成影响，但出于其流通能力降低，p t 2 5 ，p t 2 将会明鼹增加：类似的，低压压气穰衰避遣不会对n l 粒注逡戏影酾，毽疰 予萁滚逮艇力簿秣，p 垃。5 ，p 2 将会明显降低；最盾，风扇的衰退会造成n l 的增加，而n 1 的增加则会造成与之相对应的p t 2 5 ，p t 2癸裹。由此可见，p t 2 5 p t 2 一n 1 n 2 曲线反映了五大单元体的健康情况，信息含量很大，霰瑟给予特别的关注。最藤需要说明的是e g t 一w f 曲线对单元体分析的作用。通常情况下，传统的e g t 一w f 曲线和e g t _ e y c l e s 曲线一起被用于评传发动机熬机健壤情况。e g t 和w f 之间存在一定的线性比例关系，比如p w 4 0 7 7 d 发动机，w f 每增加一个西分点，e g t 增加大约7 。6 。溺出现偏离这一关系的数据点列，排除了仪表指示故障，就有理由怀疑楚弓 气滟漏或者燃烧室衰退造成了这一结果。l 。3 船神经网终前丽对于状态参数的描述主要是从发动机单元体的工作原理角度涞分析的，对于上述挚元髂分板模型中黪选撂豹餐单元体黠痤懿状态参数是否煞够较妻； 瓣反映发动枫肇元体健康状况随使用时间的增长而变化的一般规律，还需要结禽实际数据进行进一步的验迂。尽管发动搬e g t 夔使用瓣间增加数变化缎律并不能完全表妊发动枫的囊退进程，但各单元体( 风扇除外) 的性能衰退均会造成e g t 上升，相斑曲线的参数必然会发曩三一定的变化。如果所选择的单元体蓝线参数与发动机的衰退进度( 本文中用随着使用时0中国民用航空学院硕：i ? 学位论文阊增长舔交往静d e g t 近钕表镪) 存在映射关系，都就雏在一怒程度上说明骈选择的表征发动机单元体健康状态的参数是合理有效的。赦戴本文中将采瘸转p 李牵经穗络方法努褥新选择静虢态参数与跣艚和锤环数豹浚射关系，并讨论相关网络的推广性。l 。3 1 静弱终基本骧溪b p 神经元模型与其健毒孛经元摸型不藏懿是，b p 睾枣经元攘整孛熬健递丞数f 遵鬻联霹徽瓣攀调邀增函数，知对数s i g m o i d 函数1 0 9 s i g 、疵切s i g m o i d 函数t a l l s i g 和线性函数p u r e l i n 等。b p 鼹终最矮一层幸枣经元靛特性决定了整个毒孛经鄹络浆辕线特性。当最螽一层毒孛经元采用s i g m o i d 型函数时，那么整个网络的输出就被限制在一个较小的范围内；如果最后一层神经元采用p u r e l i n 型函数，则整个网络输出可以取任意傻。b p 神经网络通常采用基于b p 神缀元的多层前向神经网络的结构形式。下图给出了一个基本的b p 网络，网络结构如图所示：输爨屡隐鬃输入层vwy ly 2ym图1 4b p 网络结构图箕中，w 、v 为连接权短阵，w “为隐层第j 个享孛经元与输入层第i 个神经元之闽熬连接权德，v k i 为输出层第k 个神经元与隐层第j 个神经元之间的连接权值。b p 神经两络逶鬻蒸有一个或多个稔垂，箕中，隐层享搴经元通零粟瘸s i g 黼。避鍪传递函数，而输出层神经元则采用p l l r e l i n 型传递函数，理论已缀证明，具有如图所示缩秘熬转p 秘经溺终，当瓣罄辛毒经元数嚣足够多嚣雩，霹戳激任意精度逶：i 茨 壬俺令其囊窍限间断点的非线性函数。l 。3 。2 醚勰l a b 神经网终函数中闻民用航空学院硕。l ：学位论文b p 神经阏络的篁立成及秘始纯采用n e w 圩函数可以用来生成b p 网络。n c w f f 函数的常用格式为搬糊p r ，泌ls 2 s n j ， 醪l 稃2 t 烈) ，b 耳)其中，p r 为r 2 维矩阵，表示r 维输入矢量中镪维输入的最小使与最大值之间的范围：装静经瓣络翼有辩层，癸艇s ls 2 s 糯孛器元素分麓表示各溪耱经元豹数疆； 疆lt f 2 t f n 中各元素分另b 表示各层神缀元采用的传递函数；b t f 表示神经网络训练时艨使臻辫谢练爨数。嚣e | 为生成瓣b p 鼹终对象。藏鼢蠢程生成黔p 弱络豹露黠g # 对网络祷层的权值自动进行了初始化，根据不嗣的需求，可以对各层网络权值的初始化函数萤灏定义，著使用l n i t 函数羹赣澍暇终逑行初始化。b p 神经网络的学习规则b p 事睾经网络的学习规则，即权值调节规则聚用的怒误差反向传播冀法( b p 算法) 。b p 算法实际上怒w i d r o w h o f f 算法在多层前向神经网络中的撩广。和w i d r o w h o 馑算法类似，在b p 爨法中，网络的权值通常是沿着网络误差变化的负梯度方向进行调节的，最终使掰络误豢达弼校，j 、值或最小值，卵在这一点误罄梯度为零。限于梯度下降算法的固有缺陷，标猴的b p 学习算法通常舆有收敛速度慢、易陷入局部稷小值等缺点，西藏蹬现了许多改避的算滚。b p 神经网络的快速学习算法与选择隽了尧鼹常撬b p 掌习算法翡获薅，糙a ：班a b 辩经两络工菇籍对鬻癯8 p 舞法送行了改进，并提供了一系列快速举习算法，以满飓解决不同问题的需要。快速b p 冀法姨改遴逡弪上哥分是嚣大类：一类楚篆爱癌缴式学习方法，强雩 入葫鬣因子的学习算法( t f a i n g d m 戳数) 、变学习速率学习辣法( 廿a i n g d a 函数) 和“弹性”学习舅法( 搬i 麟函数) 等；雯一类鄹是暴焉燹毒效翡数僮钱倦方法，鲣共辕绨度学习算法( 包括t r a i n c g f 、打a i n c g m 仃a i n c 曲、t r a i n s c g 等瞬数) 、q u a s i - n e 怕n 算法( 包括t r a i n b 魑、t r a i n o s s 姆函数) 以及l e v 赫b e 塔m a 瑁毯a 心t 优化方法( 锑斑l l m 爨数) 等。对于不同的问题，在选择举习算法对b p 网络进行训练时，不仅要考虑算法本身的性能，逐要视闻题鲍复杂度、榉率集大小、网络规模、网络误熬目标祁所要解决的问题类型( 削断其怒属子函数拟合迩是模式分类) 丽定。下寝对几种典型酌学习算法迸行了比较：表1 3 各种学习算法学习冀法嚣羽阏题癸搿较敛往熊占媛存德空间其德耨赢收敛快性能随网络规模妇i n l m涵数拟合丈误差，j 、增太蔼燮差性能随网络误差t f a i n r p模式分类收敛最炔较小减小纛燮燕函数拟合收敛较伙尤其适用f 网络t 阻m s c g中等模式努类幢辘稳定援摸较炎熬馕提中国民用航空学院硕j 学位论文计算量随网络规t r a i n b 垮函数拟合收敛较快较大模的增火呈几何增长适用于“提前停止”方法，可提t r a i n g d x模式分类收敛较慢较小高网络的推广能力本文中采用b p 神经网络主要用于验证所选择的发动机状态参数是否与发动机的健康之间存在映射关系，属于函数拟合问题。网络在经过样本训练以后，如果对新输入的发动机状态参数做出的d e g t 和循环数计算结果符合发动机d e g t 和循环数的真实数据，就说明所选择的状态参数与发动机健康状况之间确实存在映射关系。b p 神经网络推广能力的提高推广能力( g e m e r a l i z a t i o n ) 是衡量神经网络性能好坏的重要标志。一个“过度训练”( 0 v e r f i 砸n g ) 的神经网络可能会对训练样本集达到较高的匹配效果，但对于一个新的输入样本矢量却可能会产生与目标矢量差别较大的输出，即神经网络不具有或具有较差的推广能力。m a t l a b 神经网络工具箱提供了提前停止( e a r l ys t o p p i n g ) 方法用于提高神经网络的推广能力。“提前停止”是提高网络推广能力的有效方法，可以和任何一种b p 算法结合起来使用。在该方法中，训练样本集在训练之前需要被划分为训练集、验证集或测试集，其中测试集可选。训练集用于对神经网络进行训练，验证集用于在神经网络训练的同时监控网络的训练进程。在训练初始阶段，验证集形成的验证误差通常会随着网络训练误差的减小而减小，但是当网络开始进入“过度训练”时，验证误差就会逐渐增大，当验证误差增大到一定程度时，网络训练会提前停止，这是训练函数会返回当验证误差取最小值时的网络对象。测试集形成的测试误差在网络训练时未被使用，用于评价网络训练的结果，验证所选择的状态参数与发动机使用时数之间是否映射关系，也就是验证所选择的状态参数是否合理。1 4 神经网络验证参数有效性1 4 1 高压涡轮健康参数验证在所选择的参数中，表征高压涡轮的是p 3 伊4 9 5 ，e g t ，n 2 ，p t 2 5 p t 2 ，n 卜n 2 。选择四十组数据作为网络训练样本，以下是神经网络的输入样本( 部分) ：表1 4 输入样本c y c l e sd e g tp 3 ，p 4 9 5e g tn 2p t 2 s ，p t 2n 1 州21 4 4 12 8 5 1 52 4 5 2 9 2 2 5 9 17 2 4 9 2 7 18 7 7 2 7 0 62 8 4 1 7 3 1 1 6 4，5 2 5 7 4 3 8 6 31 4 7 12 5 9 6 52 5 7 7 5 5 5 8 9 97 4 7 6 6 8 78 9 4 7 9 5 43 3 0 6 7 0 5 8 12 0 6 1 7 4 0 6 4中国民用航空学院确：l 学位论文1 5 0 2- 2 3 3 32 4 5 3 0 4 0 2 57 1 7 1 5 7 58 7 6 8 2 7 22 8 0 9 1 7 0 l1 95 6 8 0 2 7 0 4 41 5 0 92 。2 7 3 52 5 6 5 0 7 9 8 2 27 3 5 6 1 6 】8 8 9 4 2 0 53 2 4 9 4 9 6 6 7- 2 。4 8 7 8 8 9 5 21 5 7 11 7 4 6 52 5 3 8 4 2 3 8 0 87 3 1 9 8 4 68 8 6 0 9 83 0 5 7 2 5 9 7 1 43 ，6 4 8 6 3 8 9 21 6 3 8- 1 1 7 72 s 5 2 3 4 s 9 9 47 3 7 3 0 9 78 8 擂1 8 33 2 1 3 0 1 1 7 2 12 7 1 0 4 1 7 4 81 6 6 8前9 2 22 6 0 8 7 7 4 3 l l了4 嚣8 2 7 78 9 8 2 1 83 3 4 6 5 8 6 1 4 4- 1 9 8 4 4 3 5 1 91 6 9 7m 6 7 5 52 6 0 1 2 9 0 1 2 67 5 5 3 7 2 88 9 9 2 6 2 53 4 0 3 2 31 4 1 2 5 3 3 2 7 4 91 7 2 7，4 2 0 52 5 5 2 9 7 6 4 7 37 4 4 6 8 2 48 9 0 9 0 73 。2 e 6 7 9 7 4 3* 2 ，9 2 4 4 3 0 8 11 7 5 1。o 2 1 6 52 5 0 6 0 7 4 2 2 37 3 0 7 1 9 58 8 ，1 5 0 72 9 5 8 9 4 8 2 6 24 2 8 2 2 0 2 2 6为了防止b p 网络的过度训练，采用“提前停止”方法提高b p 网络的推广+ 能力，选择七鳃数据麓予控铡鼹络鞭练度，娄圈络对予这缝数据鳃输滋误差开始增热瓣霞毽p网络的训练中止。表l 一5 误差控剿搓零c v c l e sd e g tp 3 ，p 4 9 5e g tn 2p t 2 5 ，p t 2n 1 n 21 7 8 7o ，0 8 9 52 5 。舛6 3 6 姻97 5 l t 3 4 4 78 9 。8 8 7 6 63 3 e 6 9 9 6 6 6 8露。4 0 6 7 7 0 8 71 8 1 80 3 5 324 ：8 1 2 7 3 4 0 97 1 3 9 8 0 88 7 7 5 2 4 22 8 4 1 4 3 1 8 5 75 4 5 1 7 6 3 1 21 8 4 8o 。6 0 82 5 ，8 l1 2 3 3 7 47 5 l 。4 6 2 78 9 。5 3 4 7 33 3 0 0 0 7 2 1 7 6t 。0 9 6 8 3 1 9 71 s 6 90 7 8 6 52 5 6 8 0 5 0 1 9 27 3 4 9 2 0 59 8 8 6 5 6 43 1 2 3 1 3 4 3 2 83 5 7 1 4 3 2 41 9 0 31 0 7 5 52 5 6 1 6 3 9 5 57 s o 4 7 8 3s 9 。3 9 0 8 53 2 3 8 2 9 7 1 5 lo 6 2 6 0 5 3 2 41 9 2 71 2 7 9 52 5 8 0 5 3 9 7 9 77 3 8 2 3 0 78 9 1 8 0 7 73 2 6 5 0 8 7 0 0 5，2 _ 31 0 9 2 6 8 51 9 5 51 5 t 7 52 5 8 9 4 5 9 0 8 57 3 8 1 0 38 9 1 6 9 1 93 。2 5 2 8 4 1 4 3 8- 2 6 4 1 2 6 7 4 6待网络训练好后，输入下顾的五缎数据作为测试样本：寝l 一6 测试样本p 3 p 4 9 5d e g tn 2p t 2 5 ，p t 2n 1 j n 22 6 4 4 0 2 6 9 7 57 7 2 8 1 7 l9 0 s 5 9 63 ，5 1 5 9 5 1 3 8 6一o 6 3 3 9 0 4 92 4 5 0 1 3 8 3 0 37 2 1 4 7 1 68 7 6 9 0 0 82 8 4 0 9 5 1 9 6 65 1 7 6 8 8 4 2 12 5 0 3 5 8 6 4 47 3 2 8 98 8 ，4 9 5 5 52 。9 7 1 7 2 4 7 s 84 4 4 s 9 4 8 5 22 5 4 4 7 9 5 9 0 l7 4 1 9 8 1 78 8 9 1 8 9 73 1 3 5 2 3 6 6 6 4- 2 8 5 8 1 0 9 7 72 5 0 7 5 1 6 5 3 6亨1 7 2 0 5 28 7 9 2 5 6 82 9 5 9 3 3 2 8 3堪3 4 8 5 5 5 8袋瘸交学露速率髯法t f 懿辇馥函数痒为落练函数，神经网络对五组测试样本计算所得d e g t 和c y c l 。s 是浚l 一7 嬲终计算缕暴d e g t9 7 5 6 41 0 7 2 6 l1 1 4 4 5 31 l _ 1 1 2 41 1 6 5 8 9le y e l e s2 9 7 33 1 5 33 1 7 53 0 8 73 1 4 7书嚣晁用航窄学院硼- ：学位论文五缀溺试群零的实琢傻弱e 艘秘e y c l e s 楚表卜8 实际数据d e g 下l o 。6 8 0 51 0 。9 1 8 5l l 。2 1 61 1 5 1 3 51 1 7 8 5 5c y c l e 83 0 3 33 0 6 l3 0 9 63 1 3 l3 1 6 3可以看到神经网络通过输入高压涡轮参数计算得到的d e g t 液退情况与实际d e g t 变化还是比较相符的，这谈瞻p 3 p 4 9 5 ，e g t ，n 2 ，p t 2 5 偿垃，n l n 2 确实能够袭征高压涡轮的徽康状况。1 4 2 低压涡轮健康参数验证在所选择参数中，表征低鹾涡轮的怒n l ，p t 2 5 斧t 2 ，n l - n 2 。采用类似于高压涡轮的样本选择和神经网络训练方法，待网络训练好以后，输入如下钓五缀数据 警为溅试群本：表1 9 测试样本& 伊49 5d e g 7n lp t 2 。5 ，残n 1 n 22 6 4 4 0 2 6 9 7 57 7 2 8 1 7 l8 2 4 6 9 6 32 8 4 1 7 3 1 1 6 45 2 5 7 4 3 8 6 32 4 。5 0 1 3 s 3 0 37 2 1 4 7 1 68 7 哇1 7 83 。3 0 6 7 0 5 8 l2 ，0 6 i 7 4 0 6 42 5 0 3 5 8 6 1 4 47 3 2 0 0 8 98 2 0 0 2 唾52 8 0 9 1 7 0 1 1 95 6 8 0 2 7 0 4 42 5 。4 4 7 9 5 9 0 17 4 l 。9 8 1 78 6 4 5 4 1 63 。2 4 4 9 6 s 72 4 8 7 8 8 9 5 22 5 0 7 5 1 6 5 3 67 1 7 2 0 5 28 4 9 6 1 1 63 0 5 7 2 5 9 7 1 43 6 4 8 6 3 8 9 2神经网络对五组测试样本计算所得d e g t 和c y c l e s 鼹表l