浅析民用航空发动机健康管理系统的应用和发展

浅析民用航空发动机健康管理系统的应用和发展

李　婧¹

（1．上海飞机设计研究院动力燃油系统设计研究部，上海　200235）

摘要：本文针对各航空公司对当今民用大型客机安全性、可靠性、经济性和维修性的要求，提出发动机健康管理技术是当今民用飞机在激烈竞争市场中制胜的关键点，是提高民用飞机安全性和可靠性、降低发动机维护成本、提高维修性的主要手段，主要阐述了发动机健康管理技术的应用前景、现状和研究的主要方向。

关键词：民用飞机；航空发动机；健康管理系统；经济性；安全性

Application and Development on Engine Health Management Technology of civil aircrafts

Li Jing¹

(1.Powerplant and Fuel Systems Department,Shanghai Aircraft Design and Research Institute,Shanghai 200235)

Abstract:The paper describes the safety,economy,reliability and maintenance rigorous requirements from airlines and puts forward the view that Engine Health Management is the key point which is high competition to winning in civil aircraft market today.It can improve safety and reliability,maintenance for civil aircraft engine,reduce the engine maintenance costs in-service time.The paper doesn't only set forth the application and current situation on Engine Health Management,but also the main research direction of Engine Health Management technology.

Key words:Civil Aircraft;Aero-engine;Health Management System;Economics;Safety

0　引言

随着民用大型客机研制技术日益成熟，航空公司对民用大型客机的安全性、可靠性、经济性和维修性都提出了更高的要求。统计数据表明，民用飞机发动机的运行和维护成本几乎占整架飞机总成本的25%。如何有效减少发动机的运行和维护成本已经成为世界各飞机制造商提升竞争力的关键问题^［1］。

1　发动机健康管理技术应用前景

民航发动机结构复杂，工作环境恶劣，属于多发故障机械。作为民航飞机的心脏，民航发动机的健康状况将直接影响飞行的安全性、维护性和经济性。美国对1980年～2001年7571架飞机调查结果显示，发动机故障占飞机总故障的36%。据国际民航组织的统计，1988年～1993年，飞机因机械故障原因造成事故的比例为25%～30%。在造成各类飞机事故的机械因素中，发动机故障是关键原因。由于发动机起火、叶片故障、发动机脱离机体等原因而发生的飞行事故达34起。全世界航空公司每年约有31亿美元用于飞机的维修，其中发动机维修费用约占30%。由此可见，发动机安全可靠地运行和预防故障是保障飞机飞行安全和降低维修费用的关键点，也是各国政府、飞机制造商、发动机制造商、航空公司和有关研究机构共同关心的重要问题。

同时，发动机安全性、可靠性、经济性也是影响发动机销售的主要因素。安全性和可靠性要求未来民航发动机空中停车率在目前的水平基础上再降低50%，延误或取消航班的几率降低到1．00×10^-3，发动机安装后工作时间在现有水平基础上再增加50%，达到15 000小时。经济性即成本和价格因素，包括研制成本、制造成本、使用及维护成本等。未来民航动力装置市场会更加激烈，用户会要求飞机制造商和发动机制造商研制出更低价格、更长寿命的发动机。这就要求在发动机设计和制造中体现出成本优势。未来民航发动机的设计目标是，在2020年发动机设计及使用成本降低10%，制造成本下降25%～30%，在燃料消耗方面能降低15%～20%，寿命延长50%，平均停工间隔时间能延长50%～100%^［2］。

发动机健康管理技术是实现当今市场对民用航空发动机更高目标的根本途径之一。一方面，发动机健康管理技术可以迅速而准确地确定故障部位及故障程度，有利于确保飞行安全以及减少维护费用、送修次数和返修时的人工和航材费用，减少航班延误和航班取消，提高飞机、机队的利用率；另一方面，发动机健康管理技术又是实现先进维修思想和维修方式的前提条件。维修思想经历了故障后维修、以预防为主的维修和以可靠性为中心的维修的3个阶段。近年来，发动机的维修方式以视情为主，辅以定时维修和事后维修。视情维修的主要工作是对发动机的状态进行监控，它是一种主动的发动机维护管理方法，通过发动机监控获得实际健康状况以采取相应的维护措施，不是简单地规定大修换发的时间。实践证明，这种维修方式可以有效延长换发前的平均工作时间和减少不必要的维修工作，从而大大降低维修费用，提高发动机的利用率，保证和提高发动机运行的可靠性。这种维修方式的技术基础即是发动机健康管理技术。

从20世纪80年代状态监测与故障系统的应用开始，到本世纪初很多欧美国家在B777，A380等项目中提出并实施的发动机健康管理概念，标志航空发动机的“视情维修”和安全性、维修性和经济性管理已进入一个新的阶段。通过实施发动机健康管理，可降低发动机的使用费用、延长寿命、提高可靠性和安全性，效果十分明显。美国从2007年开始实施“下一代航空运输系统”计划，欧盟正在推动单一天空计划以及中国正在实施的大飞机项目，都对民用航空发动机健康管理提出了明确的要求。因此，发动机健康管理技术的应用前景是非常远大的。

2　发动机健康管理技术的发展和应用现状

随着发动机性能和系统复杂性的增加以及信息技术的发展，航空发动机健康管理经历了从对故障和异常时间的被动反应到主动预防；从外部测试到机内测试（BIT）；从状态监控与故障诊断到事先预测和综合诊断、再到健康管理的发展过程。在系统层次上，从过去的部件和分系统级，发展到现在的涵盖整个发动机各个主要分系统的系统集成级，形成一种综合的健康管理系统。

早期的发动机健康管理系统比较简单，主要采用人工测试和机载记录的方式。航空电子系统为分立式结构，依靠人工在地面上利用专用或通用测试设备检测和隔离飞机中的问题，外部测试设备需要和被检测对象连接，获取其状态信息之后才能进行测试和诊断。技术的进步引起发动机及其系统复杂程度增加，检测故障难度加大，其故障诊断需要综合运用机内测试和外部测试系统，监控和汇总飞行中的所有总线数据，以报告的方式记录发动机运行状态。该方式操作简单，监控范围广，减少了输出数据量，提高了精度。但最初投入费用高，对监控人员的知识储备和技术水平要求也很高。

随着发动机及其系统的复杂性、信息化和综合化程度大幅提高，发动机维修保障工作重点已由传统的以机械修复为主，逐步转变为以信息的获取、处理和传输并做出维修决策为主，从而形成发动机健康管理系统。事后维修和定期维修已经无法很好地满足现代复杂设备保障的要求。在这种情况下，发展和衍生出综合诊断系统。综合诊断不是一项新技术或技术组合，也不是一个产品，而是一种系统工程。综合诊断的实施必须从发动机设计开始，并贯穿于其寿命周期的各个阶段。综合诊断实施的基本途径是一项“综合”的手段，即通过有效地组织和配置各个组成单元，成为一个整体，协同工作。综合诊断系统向测试、监控、诊断、预测和维修管理一体化方向发展，慢慢发展到从最初侧重考虑电子系统扩展到电子、结构、机械、动力等主要分系统都考虑到的健康管理系统。

20世纪80年代以来，一些监控诊断系统陆续投入使用，这些系统主要利用发动机气动热力模型，一类是对整机性能衰退进行监控，另一类则具有单元诊断功能。20世纪90年代后期开发了具有实时诊断功能的发动机健康管理（EHM）样机，将气路诊断和其他诊断技术相融合。借助于ACARS可以实现基于Web的远程监控与诊断，如P＆W公司的ADEM；GE和CFMI公司基于CWC的远程诊断；RR公司基于网络的实时发动机健康监控等^［3］。

飞机健康管理（Airplane Health Management，AHM）是波音公司最新的以网络为基础的性能监测模块，它收集发动机数据，对发动机状态进行实时跟踪，提供潜在故障鉴别、排故和趋势预测，从而进行预先的、计划性的和及时的维修服务，减少飞机签派延误，以及非例行维护次数。该系统由机载部分和地面部分组成。AHM机载部分主要通过获取机载数据，实时评估发动机工作状态，并与飞行员显示系统交联；地面部分主要由维护数据库和地面推理机，利用事后数据进行故障诊断、使用趋势分析预测和提出维修策略。目前，AHM已被用于B777机型和B747-400机型上^［4］。

3　民用航空发动机健康管理发展和研究方向

作为飞机健康管理的最重要组成部分之一，航空发动机健康管理系统包括机载和地面维护两个部分，飞机主制造商和航空公司关注的重点是不一样的。飞机主制造商更加关心机载部分的功能和研究内容，而航空公司则更加关注地面维护报告内容。

根据故障模式危害性和机载工程可实现性确定各个健康管理技术内容是否能够采取机载方式。故障模式的危害性主要考虑对飞行安全是否造成重要影响，是否需要及时诊断处理；机载工程可实现性要考虑相应状态参数的可测性、故障诊断算法的实时性以及工程实现的代价效益比等因素。

航空发动机的健康管理系统与航空发动机控制系统紧密相连，充分利用发动机控制系统中原有的用于发动机及各个分系统状态监视的传感器信息资源，利用航空发动机控制系统FADEC控制器的实时处理和诊断结果，再辅助必要的额外监视措施，将发动机的实时信息告知空勤人员，实现航空发动机系统的健康管理。

从功能上发动机状态监控与故障检测诊断系统分为3个层次：数据采集层、专业诊断层和综合诊断层。数据层的功能是获取发动机的各种检测参数；专业诊断层包括性能评估、振动监测、寿命预测和子系统故障诊断；综合诊断层包括发动机状态综合评定、专家系统，数据库等。从实现方式上发动机状态监控与故障检测诊断分为两个部分：实时在线诊断和离线诊断。

3．1　发动机性能评估方法研究

发动机性能评估在发动机健康管理中占据重要的位置，是发动机健康管理的主要目的。目前主要有3种性能评估方法：发动机性能状态监控与趋势分析技术、发动机离线气路分析技术、基于模型的在线气路故障诊断与预测技术。

目前，大多发动机制造商都采用的是发动机性能状态监控与趋势分析技术。该方法是在分析发动机性能和气动热力特征基础上，选择一组能描述发动机状态的测量参数，实现对发动机性能参数的监控与趋势分析。比如对发动机转速、排气温度、燃油流量、压比等重要参数进行监控。

现在，许多航空发达的国家正在进行基于模型的发动机在线气路故障诊断与预测技术的研究。它是采用基于模型的气路故障诊断与预测技术，建立包含不可测健康参数的自适应实时模型进行诊断和预测，例如压气机效率、气路流等。从目前的研究状态发现，大多数航空发动机制造商都采用了卡尔曼滤波技术，研究根据可测量参数推算发动机部件不可测健康参数的方法，采用气路分析法对发动机的部件健康参数进行诊断，对各部件的故障、健康状况以及发展趋势做出正确的预测。

3．2　发动机振动监控方法和配平算法研究

造成发动机振动故障原因很多，如压气机或涡轮叶片断裂、掉块，转子不平衡或轴承损坏，发动机附件传动齿轮的失效等。另外，发动机压气机旋转失效、喘振、叶片颤振等都会导致发动机振动过大，引起发动机产生严重振动故障，如发动机转静子碰擦、叶片断裂或空中停车等，所以国内外民用和军用的飞机一般都会装有发动机振动检测系统。

航空发动机振动监控和故障诊断方法主要用于发动机结构系统，特别是转子系统的机械状态。利用振动信号所包含的丰富信息，如幅值、频率、相位、模态等多种信息，借助于现代信号分析与技术，如频谱分析、功率谱密度分析、倒频谱分析、小波分析等提取故障诊断有用信息，再利用数字信号分析技术、逻辑推力、神经网络、模糊数学及专家系统等人工智能的理论和方法，建立专家知识库，借助人工智能诊断系统，实现航空发动机振动故障诊断和风扇叶片配平。通常，为保证发动机运行安全，采用在线振动超限报警措施；为了得到振动超限原因和故障产生的部位，通常需要进行离线振动分析。根据分析和检测的结果，采取相应维修工作。

3．3　发动机寿命限制件使用分析和寿命预测方法研究

机载寿命评估系统最突出的特点就是对实时性要求比较高，主要采取航空发动机飞行载荷谱的实时统计分析技术，包括实时蠕变载荷统计模型、实时低循环疲劳统计模型等，对各失效模式的不同寿命预测模型进行分析比较，给出综合分析报告。

3．4　发动机子系统典型故障监控和分析方法研究

发动机的子系统主要包括发动机控制系统、起动系统、点火系统、燃油系统、空气系统和滑油系统。

发动机控制系统的健康管理技术主要涉及对电子控制器、传感器和执行机构的故障诊断、重构和容错的技术。目前，普遍采用的手段就是在发动机的控制器FADEC内部采取机电BIT技术，对其电路、传感器和执行机构进行实时故障诊断，利用控制系统的冗余设计，实现容错和容错控制。

发动机的起动系统主要是通过设置压力、温度、转速传感器实现压气机供气量和供油量之间的自然匹配，把握温度和转速急升急降的时机，同时通过传感器监测涡轮排气温度、监测表征APU主要负载的总管压力和总管流量。点火系统的监测涉及电磁兼容技术、安全冗余和防差错技术、数据采集、温度压力传感器。发动机燃油系统的故障主要包括油路管道堵塞、泄漏及油路阀门控制故障等，所以发动机的健康监测主要是对燃油的温度、压力和流量进行监测，采用先进的电容式传感器监测燃油流量和先进的超声波传感器高精度监测燃油的质量流量。发动机空气系统的监测涉及传感器、封严技术及间隙控制技术。目前国外航空发动机主要采取篦齿封严和主动间隙控制管理发动机空气系统。滑油系统主要是保障发动机摩擦件的润滑、散热、杂质过滤、防锈，消除冲击载荷。通过对滑油系统的监控和故障诊断，可提前发现发动机内部故障。滑油监测主要包括滑油系统工作监测、滑油碎屑监测、飞行后滑油样品分析、滑油状态监测，可采取小波神经网络技术、遗传算法等理论进行故障诊断，同时设置滑油滤、磁塞、金属屑传感器等来监测有无金属屑，设置温度、压力和流量传感器来监测滑油温度、压力及消耗量，通过采集飞行后的滑油进行油品分析。

4　总结

发动机健康管理技术是用于保证飞机飞行安全、降低使用费用和保障费用，采取积极主动的措施监视发动机健康状态、预测性能变化趋势、预测部件故障发生的时机及剩余使用寿命，并且采取必要的措施缓解发动机性能衰退、部件故障/失效的决策和执行过程的主要手段。在民用飞机激烈的竞争市场中，是先进民用飞机不可或缺的先进系统。

参考文献

［1］曾声奎，Michael G Pecht，吴际．故障预测与健康管理（PHM）技术的现状与发展［J］．航空学报，2005，26（5）：626-632．

［2］孙博，康锐，谢劲松．PHM系统中的传感器应用与数据传输技术［J］．测控技术，2007，26（7）：12-14．

［3］张传超，史永胜，宋云雪．航空发动机健康管理技术进展及趋势［J］．航空发动机，2008，34（4）：51．

［4］王施，王荣桥，陈志英，等．航空发动机健康管理综述［J］．燃气涡轮实验与研究，2009，22（1）：51-58．