[发明专利]基于状态基线的航空发动机气路单元体健康状态评价方法

权利要求书

1.一种基于状态基线的航空发动机气路单元体健康状态评价方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤A，确定本评价体系需要获取的发动机巡航状态参数集合，并以此集合为依据划定样本库覆盖范围，以划定的覆盖范围为依据解析ACARS报文，收集发动机历史巡航数据，建立发动机机队状态基线训练样本库；

步骤B，确定需要监控的单元体性能指标，分析单元体工作特性影响因素，建立各单元体状态基线模型；

步骤C，从机队状态基线训练样本库中选择相应历史数据，对各单元体状态基线模型进行训练，获得单元体状态基线；

步骤D，在对单台发动机的某单元体进行健康状态评价时，需首先将按计算公式得来的单元体性能评价指标与对应的状态基线数值作差，获取偏差值序列，而后将偏差值序列进行标准化和平滑，以准确评估单元体的缓慢性能衰退过程；

所述步骤A具体步骤如下：

步骤A1：根据大涵道比双转子航空发动机的运行特征，分析ACARS报文的数据结构，按种类、来源、测量位置对参数种类进行划分，归纳出发动机历次巡航过程中可测得的飞行状态参数列表，飞行状态参数列表包括飞机巡航重量、指示空速；

步骤A2：分析ACARS报文，归纳出发动机历次巡航过程中可测得的发动机工作状态测量参数列表，包括高压转子转速、低压转子转速、燃油流量、排气温度、可调放气活门和可调静子转叶；

步骤A3：根据分析得到的飞行状态参数列表和发动机工作状态测量参数列表，截取并整理机队内同型号发动机以全新状态投入使用后小于100循环的表中所列参数数据，作为机队状态基线训练样本库；

所述步骤B的具体步骤如下：

步骤B1：结合气动热力学知识和发动机工作特性，筛选出能够显著影响发动机运行性能且随发动机使用循环数增加会出现较明显变化的单元体工作特性；在此基础上，结合巡航报文的参数种类覆盖情况、单元体工作特性稳定性分析结果以及单元体工作特性的可追溯性分析结果，针对各单元体归纳出能准确反映其状态劣化程度的性能指标并确定其计算公式；

步骤B2：针对各个单元体，以步骤B1步归纳出的性能指标作为单元体的状态基线的函数值，分析影响单元体状态基线函数数值的可测变量，可测变量包括工作环境、控制量，以这些可测变量作为状态基线函数的自变量，结合这些变量对基线函数数值的影响规律建立各单元体状态基线函数模型并确定模型中待定系数的个数和位置；

所述步骤C的具体步骤如下：

步骤C1：针对各个单元体的状态基线函数中所包含的自变量和状态基线函数值，按条目选取机队状态基线训练样本库中的对应历史记录参数，利用回归方法得出状态基线函数式模型中的待定系数的最优估计，继而绘制出各单元体的状态基线；

所述步骤D的具体步骤如下：

步骤D1：针对待评价单元体，提取发动机单次飞行循环数据记录，将记录中的工作环境、控制量和发动机运行状态数据代入到步骤C1所获得的单元体状态基线函数式，求得对应的单元体状态基线函数数值；

步骤D2：将同条记录中的飞机飞行状态及发动机运行状态数据代入步骤B1中归纳得到的单元体特性指标计算公式，求得单元体特性指标实际值；

步骤D3：将单元体特性指标实际值与状态基线值作差，求出当次巡航中单元体特性指标偏差值；

步骤D4：将步骤D1至步骤D3中的操作扩展到待评价单元体自本次投入使用至今的历次巡航记录上，在各时间点重复步骤D1至步骤D3，获取特性指标偏差值随发动机使用循环数增加而变化的时间序列；

步骤D5：对步骤D4中得到的单元体特性指标衰退序列进行标准化，得到相对偏差值变化时间序列；

步骤D6：利用30点移动平均法对步骤D5中获取的相对偏差值序列进行平滑，得到较光滑的单元体特性指标衰退序列，并最终实现单元体衰退程度评价目的；

具体通过以下步骤实现：

确定本评价体系需要获取的发动机巡航状态参数集合，收集发动机历史巡航数据，建立发动机机队状态基线训练样本库：

分析ACARS报文的数据结构，对参数种类进行划分；针对机队所有同型号发动机，提取各台发动机服役后少量循环内的无故障ACARS巡航报文，并提取飞机飞行状态参数，提取发动机工作状态参数，并对各参数计量单位进行标准化，建立该型号发动机的机队状态基线训练样本库

确定各单元体性能指标，训练并获得各单元体状态基线模型：

针对风扇单元体的健康状态评价，提出以发动机推进功率与风扇相似转速之间的函数关系：

作为风扇单元体的状态基线，并以N_1c和分别作为横纵坐标，通过最小二乘方法，拟合出基线，其中表示发动机风扇的修正推进功率、w_fan表示发动机风扇的实际推进功率表示发动机进口总温T₂的开氏温度、C_const表示常数、N_1c表示风扇相似转速，P₂表示发动机进口温度、N₁表示风扇转速，G_w表示飞机总重、M表示巡航马赫数；

针对低压压气机的健康状态评价，提出以低压压气机绝热效率与低压压气机相似转速之间的函数关系：

作为低压压气机单元体的状态基线，并通过最小二乘方法求得待定系数p₁～p₈，拟合出N_1c-η_lpc基线，η_lpc表示低压压气机绝热效率、γ为空气绝热系数，P₂₅表示低压压气机LPC出口总压、T₂₅表示低压压气机LPC出口总温、T₂表示发动机进口总温、A_VBV表示可调放气活门角度；

针对高压压气机的状态评价，提出以高压压气机的出口静压与入口总压的比值π′与高压压气机相似转速之间的函数关系，

作为高压压气机的单元体的状态基线，并通过最小二乘化方法求得待定系数p₁～p₇，建立N_1c-π′基线，N₂表示核心机转速、A_VSV表示可调静子转叶角度；

针对高压涡轮的状态评价，提出以性能指标，

或

与特征量之间的函数关系作为高压涡轮的状态基线，并通过最小二乘化方法拟合出多项式形式的φ-β曲线高压涡轮的状态基线，H_hpt表示高压涡轮健康指数、表示低压压气机出口开尔文氏温度、表示排气温度的开尔文氏温度、表示高压涡轮出口温度的开尔文氏温度，T₃高压压气机出口温度、T₂₅表示低压压气机LPC出口总温；

针对低压涡轮的健康状态评价，提出以性能指标H_lpt＝f_ε(N′_1c)＝PS₃/P₂或H_lpt＝f_ε(N″_1c)＝PS₃/P₂、H_lpt＝f_ε(N′_1c)＝P₄₉/P₅或H_lpt＝f_ε(N″_1c)＝P₄₉/P₅、H_lpt＝f_ε(N′_1c)＝P₄₉/P₂或H_lpt＝f_ε(N″_1c)＝P₄₉/P₂、H_lpt＝f_ε(N′_1c)＝PS₃/P₅或H_lpt＝f_ε(N″_1c)＝PS₃/P₅，与特征量任两者之间的函数关系作为低压涡轮的状态基线，并通过最小二乘化方法拟合出多项式形式的N′_1c-H_lpt/N″_1c-H_lpt曲线作为基线，H_lpt表示低压涡轮健康指数、N′_1c和N″_1c均作为低压涡轮的相似转速，PS₃表示高压压气机HPC出口静压、P₄₉表示高压涡轮出口压力、P₅表示喷口总压；

计算单元体与基线的偏差，进行状态评价；

按基线公式将观测到的衰退发动机的飞行状态数据和发动机工作状态数据算出各单元体特征量和性能指标，并与对应的状态基线数值作差，获取偏差值序列，而后将偏差值序列进行标准化和30点移动平均法平滑，得到较为光滑的单元体特性指标衰退序列，即可完成单元体健康状态衰退评价。