航空燃气涡轮发动机气路故障诊断现状与展望

王赟虓 WANG Yun-xiao

（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，沈阳 110043）

（AVIC Shenyang Liming Aero-Engine（Group）Corporation Ltd.，Shenyang 110043，China）

0 引言

伴随着经济的发展，社会对航天燃气涡轮发动机的可靠性、耐久性、寿命以及成本控制提出了更高的要求。为了满足现代社会对燃气涡轮发动机的需求，发动机零部件长期在高温、高负荷的状态下工作，发动机的结构也越来越复杂，生产单位对燃气涡轮发动机的生产工艺以及材料选择提出了更高的要求，其成本投入也不断增加。面对结构复杂、工艺要求高、材料质量标准以及设计技术规范的发动机，一旦出现问题，其维修工艺便很难顺利开展。目前，航空燃气涡轮发动机气路故障诊断已经成立了独立的技术部门，这项技术同时在各行各业取得了较广泛的应用，针对航空燃气涡轮发动机存在的故障，采取何种方式解决问题，是相关行业发展的当务之急。

1 航空燃气涡轮发动机气路故障诊断的意义

航空燃气涡轮发动机具有结构复杂的特点，在实际运作过程中一旦出现问题，就很难进行有效处理。伴随着经济的发展，燃气涡轮发动机的结构越来越复杂，在追求高性能的同时，发动机长期处在高温、高负荷的状态下运作，自身因此存在较大安全隐患。随着军事实力的增强，我国军队装备的新型战术导弹种类和型号数量不断增加，其结构也越来越复杂，结合相待科学技术，军用设备的自动化水平也得到了较大程度的提高，因此导弹动力系统的故障也不断复杂化。受诊断知识和手段的影响，我国航空燃气涡轮发动机气路故障研发手段有限，因此，相关行业必须加大航空燃气涡轮发动机气路故障的研究，促进发动机排放以及改进维修设计工艺的同时，提高我国航天事业的整体竞争力。

2 航空燃气涡轮发动机气路故障诊断现状

航空燃气涡轮发动机气路诊断的主要依据是判断气路参数是否具有噪音或偏置状况，对发动机的基本性能进行诊断。影响气路诊断效果的因素有很多种，其中发动机维修思维对诊断效益的影响最明显。表1是燃气涡轮发动机气路诊断过程中的主要诊断系统。根据诊断系统的世界特点，通常分为整机性能衰退监控和单元体诊断功能监控两大类。

表1 燃气涡轮发动机气路诊断过程中的主要诊断系统

从表1中可以总结出，航空燃气涡轮发动机诊断存在的问题主要有：第一，很多机型上未知量个数比测量参数多；第二，故障与故障之间联系紧密，很难对同类故障进行准确区分；第三，测量参数中噪音与故障造成的测量参数偏差很难进行区分，测量信号位置偏差性大；第四，发动机气路故障诊断受环境因素影响，具有较大的变动性。

3 航空燃气涡轮发动机气路诊断的方法

3.1 小偏差故障方程法

航空燃气涡轮发动机气路故障诊断过程中存在机型上未知量个数比测量参数多的问题，为了解决这一问题，通常采用增加方程个数和减少方程中故障种类两种方法处理。其中增加方程个数的方法又分为增加测量参数和选取发动机的多个工作状态组成影响系数的因素两种。在利用气路故障诊断法解决航空燃气涡轮发动机气路故障的同时，主因子模型法使用的频率最高，该方法的主要特点有：第一，有效隔离故障，进行准确的定量诊断；第二，可以同时诊断多项故障；第三，能够有效处理多重共线性问题；第四，主因子模型法主要针对机型上未知量个数比测量参数多的问题，但是，在实际运用过程中还可以有效解决测量参数大于故障种类二引起的故障问题。

3.2 基于非线性稳态模型的诊断方法

基于非线性稳态模型的诊断方法通过测量参数，建立发动机性能模型，该模型具有自适应的特点，以部件性能的变化来测量和辨别故障的实际位置。如何正确使用这种方法解决发动机气路故障，故障诊断人员必须对维修工艺有明确了解：首先，了解发动机部件性能，根据实际运行状况引入修正因子，对扩展的非线性方程组进行计算，从而得到实际运行过程中部件的性能状况。必要条件下需要添加约束条件，为了保障诊断结果的准确性，还必须保障发动机性能故障参数比无故障气路测量参数小。由于实际运行过程中的发动机不会同时出现多个部件故障，因此，采用非线性稳态模型的诊断方法可以有效解决航空燃气涡轮发动机气路故障。

3.3 基于人工智能的方法

伴随着科技的发展，人工智能解决气路故障已经在各行业取得广泛应用。基于人工智能解决气路故障的方法在实际运作过程中主要包括人工神经网络、专家系统以及数据融合等方法。通常情况下，对单故障进行分类时，会采用BP网、RBF网和概率神经网络，定量诊断以故障模式的大小进行判定。神经网络的方法在实际应用过程中存在明显的问题，如对故障的检测和修复必须具备一定经验性，为了简化复杂的维修结构，还必须保证维修样本与实际故障的一致性等。专家系统用于气路故障维修时，必须与其他征兆信息相结合，从而确定气路故障的位置和成因。

4 航空燃气涡轮发动机气路故障诊断展望

航空燃气涡轮发动机气路故障诊断已经作为一个独立的领域存存在，在漫长的发展过程中，其理论和实践都取得了较大的成就。面对全新的社会形态，气路诊断在未来的发展方向为朝着以下几个方面发展：第一，全新的诊断方法研究；第二，具有融合性的诊断研究；第三，故障诊断具有实效性，能够进行远程操作；第四，研究数据挖掘技术。总之，在今后的发展过程中，气路诊断技术还会向更全面、更先进、更综合的方向发展，因此，相关行业必须促进航空燃气涡轮发动机气路诊断向未来的发展方向奋进，在保障发动机正常运行的同时，为我国航天事业的发展作出应有的贡献。

5 结束语

总之，对航空燃气涡轮发动机气路故障进行诊断是增强发动机可靠性、耐久性的重要保障。航空燃气涡轮发动机气路故障诊断的方法有多种，其主要特点表现在相似性系数具有明确的物理意义、故障构造结构简单以及故障模式容易扩散等方面。因此，气路故障诊断工作人员应该在了解航空燃气涡轮发动机气路故障诊断的意义的前提下，明确航空燃气涡轮发动机气路故障诊断现状，针对问题，采取有效措施，明确航空燃气涡轮发动机气路诊断的方法，解决实际运行过程中存在的气路故障。最后，故障诊断工作人员还应该充分了解航空燃气涡轮发动机气路故障诊断展望，促进我国航天事业的发展。

[1]李迎春，郑光华.航空燃气涡轮发动机氢燃料研究历史和低污染燃烧技术发展[J].航空动力学报，2012.

[2]余有锋.航空发动机气路故障模拟试验台及静电监测技术研究[D].南京航空航天大学，2013.

[3]彭淑宏.航空发动机气路故障诊断技术研究[D].上海交通大学，2012.

[4]沈默.基于相关向量机的航空发动机气路故障诊断研究[D].湘潭大学，2012.

[5]古远兴.航空燃气涡轮发动机强度设计问题与挑战[N].中国航空报，2014.

[6]田川，曹惠玲.航空燃气涡轮发动机分析[J].中国民航大学学报，2014.