民航发动机拆发日期预测研究

彭鸿博　刘孟萌　王悦阁

(中国民航大学航空工程学院,天津　300300)



民航发动机拆发日期预测研究

彭鸿博刘孟萌王悦阁

(中国民航大学航空工程学院,天津300300)

针对民航发动机拆发送修业务的需求，采用Daubechines的3阶小波对民航发动机历史性能数据进行降噪平滑处理，建立民航发动机性能衰退模型。结合影响民航发动机拆发日期的时寿件的软时间、适航指令/服务通告限制等因素，对民航在翼发动机进行拆发日期预测。试验结果验证了该方法在预测民航在翼发动机拆发日期的可行性，可以满足民航发动机拆发送修业务的需求。

民航发动机时寿件拆发日期预测状态监控小波变换排气温度裕度AD/SB

0　引言

民航发动机是飞机的“心脏”，其健康状况与飞行安全息息相关。对民航发动机采取视情维修的策略。当发动机性能衰退到较差的状况时，就要拆下发动机送修，以保证其安全性和经济性[1]。送修时，如果过早拆下发动机，就会造成发动机资源的浪费，增加航空公司运营成本；过晚拆下，就会对飞行安全构成威胁。这两种情况都是不允许的[2]。民航发动机性能衰退的主要表征是排气温度裕度(exhausted gas temperature margin，EGTM)不断减小。

小波变换在时域、频域均具有良好的局部性质[3]，本文利用小波变换对民航发动机EGTM的历史数据进行处理并分析，得出民航发动机的EGTM衰退模型，并结合发动机时寿件(life limited parts，LLP)的软时间、适航指令/服务通告(airworthiness dictate/service bulletin，AD/SB)限制等因素，预测民航在翼发动机的拆发日期。

1　发动机拆发日期影响因素分析

1.1性能衰退的影响

性能衰退情况是指随着发动机使用循环次数的增加，发动机的EGTM、燃油流量、压气机转子转速等气路参数出现衰退的趋势[4]。本文采用EGTM作为预测发动机拆发日期的性能参数。在民用发动机投入使用后，随着发动机使用时间的增加，EGTM呈现一定规律的衰退趋势。当EGTM接近警戒值时，就必须拆下发动机送修，以恢复发动机性能。

1.2时寿件的影响

时寿件是指民航发动机结构中有明确使用寿命限制的零部件，如发动机中的风扇盘、风扇轴、低压涡轮轴、中压涡轮盘等。由于受材料、结构及工作环境等因素的影响，必须在时寿件使用到规定的时间前，将发动机拆下送修，进行时寿件的修理或更换[5]。时寿件是影响送修目标的硬性条件。利用式(1)计算该台发动机的剩余最低循环数，再折算成下发日期。

C1=min(CLLP,1-C0.1,CLLP,2-C0.2,…，

CLLP,i-C0,i)

(1)

式中：CLLP,i为该台发动机第i个时寿件的设计循环数；C0,i为第i个时寿件使用的循环数。

1.3AD/SB的影响

AD/SB的影响是指适航部门和制造商规定发动机使用一定循环数后，必须拆下发动机进行某些工作。例如，某发动机规定在运行14 035次循环后，应拆下发动机进行绕线管的孔探检查[6]。所以，可以通过这个循环数来计算发动机的下发日期。

下发日期的计算公式为：

C2=min(CAD/SB,1-C0,CAD/SB,2-C0,…，

CAD/SB,i-C0)

(2)

式中：CAD/SB,i为第i个AD/SB中规定的循环数；C0为已经使用的循环数。

2　发动机拆发日期的预测

2.1发动机拆发日期预测流程

发动机从性能衰退、时寿件和AD/SB限制等角度，均可以得到一个拆发日期。取最靠前的那个日期就是该台发动机的最终拆发日期。综上所述，民航发动机拆发日期的预测流程如图1所示。

2.2粗大误差剔除

图2　去除粗大误差前后的EGTM样本图

2.3小波变换去噪平滑

为了精确地提取EGTM的衰退趋势，利用小波变换，对去除粗大误差后的样本数据作进一步的降噪平滑。小波变换是在传统的傅里叶变换的基础上发展演变而来的，因其具有良好的时频局部特性，得到了广泛的应用。一般而言，数据源f(n)都是包含噪声的，我们可以用式(3)表示一个数据源的噪声模型，e(n)为高斯白噪声，小波变换就是要抑制e(n)，以恢复f(n)，从而达到去除噪声的目的[9]。

s(n)=f(n)+σe(n)

(3)

式中：e(n)为噪声；σ为噪声强度。

EGTM采样信号是一维信号，运用小波变换进行降噪平滑的具体步骤为：

①对去除粗大误差的EGTM采样信号进行小波分解；

②设定各层细节的阈值，对分解的小波进行过滤；

③将得到的EGTM信号趋势进行小波重构。

本文采用Daubechines的3阶滤波器对EGTM衰退的趋势进行提取，小波分析趋势对比如图3所示。

图3　小波分析趋势对比图

2.4EGTM衰退趋势线的拟合

本文采用一元线性回归的相关方法，求解民航发动机EGTM的衰退率。一元线性回归模型可以表示为[10]：

yi=β0+β1xi+εi

(4)

式中：yi为EGTM估计值；β0为EGTM初始衰退值；β1为EGTM衰退率；xi为飞机飞行循环数；εi为随机误差。

直接运用Matlab中的Curve Fitting Tool对式(4)求解，得到的EGTM衰退趋势如图4所示。

图4　EGTM衰退趋势线

将式(4)求得的结果代入一元线性回归模型，得到EGTM衰退模型，即：

y=-0.017 5x+114.3

(5)

为保证衰退模型完全可靠，排除小波降噪平滑后出现的异常值、周期性因素等干扰，运用残差图诊断回归效果。“残差图”是指以飞行循环次数为横坐标，以残差为纵坐标，将每一次飞行循环的残差描绘在该平面坐标上所形成的图形。当描绘的点围绕残差等于0的直线上下随机散布，说明回归直线对原观测值的拟合情况良好；否则，说明回归直线对原观测值的拟合不理想。利用Matlab得到的残差分布图如图5所示。

图5　残差分布图

从图5可以直观看出，只有很小一部分点的置信区间不包含零点，说明所得到的一元线性模型还是十分可靠的。EGTM衰退率为0.017 5 ℃/循环。

航空实际运营表明：全寿命周期内发动机的EGTM衰退率并不是一成不变的，而是在装机初期衰退较快，中期比较平稳，末期衰退加速。根据不同阶段的EGTM数据，采用本文的方法，可求解各阶段的EGTM衰退率。

3　发动机拆发日期预测应用验证

对某航空公司一台CF56-22发动机拆发日期的预测方法进行验证，编号为67889的发动机已经飞行了28 717次飞行循环。当前EGTM为105.55℃，EGTM的警戒值(当EGTM降为警戒值时，发动机必须拆下送修)为22 ℃。该台发动机的部分时寿件清单如表1所示。AD/SB规定：该发动机在40 000次循环后要拆下进行SPOOL检查。

表1　部分时寿件清单

利用本文方法对该案例进行分析。

①从性能衰退角度考虑，当前EGTM为105.55 ℃，警戒值为22 ℃，按照当前的EGTM衰退率0.017 5，求得再经过4 775次飞行循环，EGTM就达到了警戒值。在实际使用过程中，航空公司会对发动机的核心机进行几次水洗，假设为3次，每次可以获得10 ℃左右的EGTM恢复；将这些因素考虑在内，再经过4 775+2 057=6 832次飞行循环，发动机的EGTM就达到警戒值，必须拆下送修。

②从时寿件角度考虑，由表1和式(1)可知，寿命件Fan Disk再用1 283次循环，就必须更换。

③从AD/SB限制角度考虑，再飞行11 283次循环，就必须拆下发动机进行SPOOL检查。

综上所述，该航空公司编号为67 889的发动机再

使用1 283次循环，就要送修。发动机的日使用率约为4次循环，所以大约再使用320天后必须送修。

4　结束语

发动机拆发日期的预测可以有效减少发动机维修业务中的维修不足或者过度维修。本文结合性能衰退、时寿件到寿、AD/SB限制等参数，提出了一种拆发日期的预测方法。该方法可以直观、有效地预测民航在翼发动机短、中期的拆发日期，为发动机维修工程师提供指导。

但该方法仍存在一些不足，如EGTM的线性拟合只适用于短、中期预测。发动机拆发日期预测精度的提高，还需收集更多的性能参数，以建立更准确的状态变化趋势模型。另外，不能仅局限于本文提出的影响发动机拆发日期的这三个因素，还应根据航空公司的实际情况，考虑其他的影响因素，如故障因素等。因此，该方法还需进一步完善，以得到更精确的预测日期。

[1] 雷达,钟诗胜.面向MRO的民航发动机拆发日期预测系统[J].计算机集成制造系统,2013,19(7):1715-1720.

[2] 付旭云,钟诗胜.民用航空发动机维修计划启发式算法[J].计算机集成制造系统,2010,16(7): 52-57.

[3] 王佰行.基于小波分析的数据平滑处理算法研究与应用[J].科技创新导报,2009(31):142-142.

[4] 曹惠玲,林达锦,曾学锋.CFM56-7B型发动机衰退模型建立与研究[J].中国民航大学学报,2010,28(4):9-12.

[5] 王悦.CFM56-7B发动机送修时机选择[J].航空维修与工程,2012(2):94-96.

[6] 左洪福，蔡景，陈志雄.航空维修工程学[M].北京：科学出版社，2011:211-219.

[7] 郝英,孙健国,白杰.航空燃气涡轮发动机气路故障诊断现状与展望[J].航空动力学报,2003,18(6):753-760.

[8] 彭云飞.航空发动机状态参数处理技术及其应用研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009.

[9] 吴伟,蔡培升.基于MATLAB的小波去噪仿真[J].信息与电子工程,2008,6(3):220-222.

[10]隋永志,李书明,倪继良,等.基于 MATLAB的航空发动机试车数据的线性回归研究[J].航天制造技术,2009(6): 45-48.

Research on Prediction of the Demolition Date for Repairing of Civil Aviation Engine

In accordance with the demands for maintenance of civil aviation engines,the demolition date for repairing has to be determined.By adopting Daubechines 3 wavelet,the historical performance data of civil aviation engines are smoothed and de-noised to establish the performance deterioration model.In addition,combining with some of the limiting factors that influencing the demolition date for repairing,such as the soft time of life limited parts,and airworthiness directives / service bulletin,etc.,the prediction of the in-service engine is conducted.The practical examples verify the feasibility of this method of predicting the demolition date for repairing; it meets the requirement of business of demolition for repairing of civil aviation engines.

Civil aviation engineLife limited partRemoval datePredictionStatus monitoring Wavelet transform Exhausted gas temperature marginAirworthiness dictate/service bulletin(AD/SB)

彭鸿博(1972—)，男，2007年毕业于法国国立民航大学航空发动机专业，获硕士学位，副教授；主要从事航空发动机健康管理方向的研究。

TH707;TP274+.2

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201608003

修改稿收到日期：2015-12-30。