航空涡轮轴发动机性能监测技术研究

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1、承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文

2、第一章绪论1.1研究背景现代航空发动机多为涡轮燃气发动机，其结构复杂，工作状态恶劣且多变，属于故障多发系统，如何保障发动机健康稳定的工作，提高飞行安全性，降低其运行和维护费用，一直是困扰国内外学者和研究人员的问题。近十年来，随着发动机故障诊断与性能[1～5]监测技术的发展，发动机健康管理系统(EHM)这一全新的概念被提了出来。工程应用[6]及技术分析表明，EHM技术可以降低维修保障费用，提高战备完好率和任务成功率。发动机健康管理系统包括数据管理、健康状况分析、故障诊断和发动机寿命分析四个模块，可以完成实

3、时发动机的机械系统和气动热力系统的监控和诊断、传感器故障诊断隔离以及发动机健康状况和工作寿命预测等任务。传统的EHM方法如表1.1，新兴的EHM方法如表1.2。表1.1传统的EHM方法EHM方法评估的基础检测技术特点磨损碎片分测量轴承、轴等部件的磨损引起的对磁性碎屑的观快速评估析碎片颗粒测趋势预测比较发动机的测量参数（温度、压气路性能分力、转速）与基准值的差别，估计传感器趋势分析析性能参数的变化量使用液体渗透、涡流、超声、射线快速评估，可能需要分借助于各种管道外观检验和激光技术对非破坏性的内外部解，评估

4、的效果依赖于镜进行肉眼观测肉眼检测技术经验振动特性的监视快速评估，评估的效果振动分析传感器并与基准值比较依赖于技术经验使用寿命分预测、预防早期失效蠕变和低周期性疲劳的寿命监测传感器析寿命计算1航空涡轮轴发动机性能监测技术研究表1.2新兴的EHM方法EHM方法评估的基础检测技术特点监视发动机不同区域的早期的故障预警预测；判碎片静电特性断故障的严重级别以利静电学进气道碎片监视(IDMS)传感器于维修；工作油路传感器尾喷口碎片监视（EDMS）能监视非金属碎片；油路传感器（OLS）吸入碎片/故障严重等级无线探测

5、技在燃气轮机的预定位置信息；潜在的振动监测；传感器术监视无线信号以“继续或中止”的形式进行数据处理；作为健康管理的一个重要组成部分，发动机性能监测系统的研究对于健康管理有着重要的现实意义。性能监测的目的在于估计发动机各个部件的变化情况，隔离发动机系统的故障，通过分析沿发动机气路的各个传感器的测量数值情况，估计发动机的性能状况。这种通过测量参数来进行发动机性能监测的分析方法称为发动机气路部件性能监[7]测。气路部件性能监测主要有基于人工神经网络的方法和基于卡尔曼滤波的方法。本文研究基于卡尔曼滤波器的发动机

6、性能监测模型。将测量值与模型输出之间的偏差作为卡尔曼滤波器的输入，将发动机性能参数作为卡尔曼滤波模型的状态量，根据卡尔曼滤波原理，测量值与模型输出之间的偏差会使得卡尔曼滤波模型对发动机的状态进行调整，从而得到健康参数的估计值。考虑到模型与真实发动机间的建模误差，研究利用神经网络的非线性映射能力和在线学习能力来实时修正建模误差，提高发动机性能监测的置信度。1.2国内外研究发展状况1.2.1国外研究概况上世纪80年代以来，国外的各种发动机监控与故障诊断系统陆续投入使用，如GE公司为发动机大修试车而设计的TE

7、MPER，P&W公司的MAPNET，ECM，TEAM，R&R公司的COMPASS系统等，这些系统根据设计需要其功能分为整体监控与单元体监控两大类，监测发动机是否正常，并提供维修参考方案。美国空军在SBIR计划的第二阶段就已经初步建立发动机健康管理系统的原型，进行了相关的地面测试研究，并在1985年开始研制CETADS（ComprehensiveEngineTrendingandDiagnosticsSystem），用于其军用发动机的故障分析诊断。2南京航空航天大学硕士学位论文美国于上个世纪80年代开始的

8、综合高性能燃气涡轮发动机技术IHPTET（Integrated[8～9]HighPerformanceTurbineEngine）项目中，提出了通过建立健全航空发动机性能监测与故障诊断系统，将发动机制造、维护费用降低35%-60%的目标，在IHPTET的后续计划VAATE（VersatileAffordableAdvancedTurbineEngines）中提出通过发动机健康管理技术将F-100，F-110发动机平均在翼时间由当前的229小