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航空发动机健康管理系统技术与标准发展综述

日期:2014-11-12

    随着航空发动机面临的可靠性、安全性、经济性和维修保障等问题日益凸显,传统的定期维修方式已难以满足需求。视情维修具有规模小、效率高、经济性好尤其是可避免重大灾难性事故的显著优势,成为航空发动机必然发展的先进维修方式。视情维修的前提是要求航空发动机具有对自身故障的预测能力,并具有对健康状态进行管理的能力,由此产生了航空发动机健康管理(Engine Health Management,简称EHM)的概念。
发动机健康管理是指利用传感器获取发动机状态的数据信息,借助各种传统的和现代的数学方法来评估发动机及各系统的健康状态,预测发动机性能状态的发展趋势和可能发生的故障,并提供科学和恰当的排故和维修建议;在结构载荷监测的基础上,对发动机在保证工作安全条件下的剩余使用寿命进行预测。采用健康管理技术,可以实现对发动机的视情维修,有效降低发动机的使用费用,并避免重大灾难性事故的发生,延长发动机寿命,显著提高发动机的可靠性、维修性、保障性和安全性。
目前我国航空发动机健康管理系统的应用研究尚在起步阶段,存在诸多技术难点和关键技术,急需借鉴国外先进研制经验和标准规范的指导,以推动关键技术突破。本文将就国内外航空发动机健康管理系统的技术发展和标准演变进行研究,分析国内外技术和标准发展差距,并提出我国发动机健康管理系统的发展建议,以期为我国发动机型号研制提供借鉴和参考。
       1、国外航空发动机健康管理系统技术发展过程
民用发动机方面,国外在二十世纪六十年代即开始研究航空发动机状态监视和故障诊断系统。七十年代状态监视系统开始在民用发动机上应用,并取得成功,提高了飞行安全和航班运营效率。八九十年代,电子技术和计算机技术的迅速发展,大大促进了航空发动机的状态监视和故障诊断技术的发展。波音747/767飞机和空客A310飞机上的发动机都装备了状态监视和故障诊断系统。到二十一世纪初,欧美等国在B787A380项目中提出并实施了预测与健康管理概念,标志航空发动机的视情维修和安全性、维修性与经济性监视进入一个新的阶段。美国GE公司的GEnx发动机和英国罗罗公司的Trent 900发动机所应用的健康管理系统是现代发动机健康管理系统的典型代表,该健康管理系统分为机载部分和地面部分,其中机载部分首次采用在发动机上安装的方式,并借助飞机通讯寻址和报告系统实现基于Web的远程监控与诊断,这是近年来航空发动机健康管理系统的主流发展方向。目前国外的健康管理系统已经发展到工程验证阶段,许多技术已经经过演示验证,并且证明实施健康管理能够显著降低发动机使用和维修保障费用,提高发动机的可靠性和安全性。
在军用发动机方面,六十年代罗罗公司研制的MK202“斯贝”发动机装备了滑油监视系统。七十年代,GE公司研制的T700-GE-700T700-GE-701涡轴发动机已具备初步的健康监视系统的组成及功能,能进行基本的状态监视,完成一些重要部位的故障诊断。T700-GE-701C发动机的控制系统由DECU(数字电子控制器)和HMU(液压机械装置)组成,并配置一个历史记录仪,其健康监视功能主要由DECU及历史记录仪实现。GE公司在1979年开始为F404-GE-400涡扇发动机设计的IECMS是一个实时发动机监视和寿命跟踪系统。英国则于1975年发展了发动机使用情况监视系统(EUMS)和低循环疲劳计数器(LCFC)。
八十年代以后,随着发动机和计算机技术的发展,发动机监视系统日益成为一种标准配置。英国综合EUMSLCFC两者的经验,发展了机群通用的单元体诊断系统。1982年美国普惠公司开始发展F100-PW-200发动机的状态监视系统,到1987年该系统实现了与飞机综合和后勤数据库的兼容,系统继续得到扩大和改进。八十年代末,欧洲四国联合研制的EJ200发动机提出了具备状态监视和故障诊断能力的研制要求,其状态监视和故障诊断功能集成在FADEC系统中实现。随着技术不断的发展,EJ200发动机的状态监视功能已经比较完善,达到了其研制要求。
九十年代,美国F119发动机研制了诊断与健康管理(DHM)系统,该系统除具有完善的状态监视功能外,还具有比较完善的故障诊断能力,只是还没有达到足够的诊断精度,也未规定明确的考核指标。F119发动机DHM系统虽然尚不具备预测能力,但它是现役航空发动机中最先进的智能状态监视和故障诊断系统。F135发动机是F119发动机的后续改进型号,除了具备完善的状态监视和故障诊断能力外,还提出了故障预测的要求,并且也具备了一定的预测能力。预测是健康管理系统区别于以往早期阶段的发动机监视诊断系统的显著特征之一。为此,美国普惠公司投入了大量资源,开发了新型传感器和诊断软件,形成了比较完善的健康管理系统和配套的考核指标体系。健康管理技术在F135发动机研制中得到充分应用,代表了美国目前所能达到的最高水平。
1 航空发动机健康管理系统发展过程及趋势
综上可知,航空发动机健康管理系统的技术发展经历了如图1所示的从状态监视、故障诊断到预测与健康管理的逐步发展和完善过程,即早期阶段的发动机健康管理系统以简单的或基本的状态监视系统和故障诊断系统的形式存在;之后状态监视和故障诊断技术不断发展成熟,逐步形成完善的状态监视和故障诊断系统;然后逐步与发动机寿命管理和预测技术相结合,发展成为现代意义上完整的航空发动机健康管理系统。
       2、国外航空发动机健康管理系统标准的演变
美国是目前航空发动机健康管理系统技术水平最高的国家,其对发动机健康管理系统的要求在美国军用标准和协会标准中均有体现。由于健康管理系统早期主要以状态监视系统和故障诊断系统的形式存在,且状态监视和故障诊断依然是现代健康管理系统的主要功能,因此标准中对状态监视或故障诊断系统的要求可以视作对健康管理系统的要求。
从美国航空发动机通用规范的历史演化过程来看,随着年代的推进和航空技术进展,美国一直在不间断地更新通用规范的版本,这些版本均对发动机状态监视系统或健康监视系统进行了不同程度的要求。1中列出了美国航空发动机通用规范/指南各版本(即从MIL-E- 5007DMIL-E-5007EJSGS-87231AJSSG-2007JSSG-2007AJSSG-2007B)中关于发动机监视、诊断与健康管理系统相关的章节内容。从表中可以看出,自MIL-E-5007D后才开始提出发动机状态监视的相关规定;MIL-E-5007DMIL-E-5007E将状态监视、寿命计数器等要求放入测试系统”章节中;随着该领域技术的不断发展和应用经验的逐步积累,到JSGS-87231A提出了发动机监视系统(EMS)的概念,到JSSG-2007A发展成为发动机健康监视系统(EHMS),到JSSG-2007B中进一步扩展为推进与动力系统健康监视系统(PPHMS)。
1 美国航空发动机通用规范/指南各版本条款对比
章节号
MIL-E-5007D
MIL-E-5007E
JSGS-87231A
JSSG-2007
JSSG-2007A
JSSG-2007B
3.7.6
测试系统
测试系统
发动机监视系统(EMS
发动机监视系统(EMS
发动机健康监视系统(EHMS
推进与动力系统健康监视系统(PPHMS
3.7.6.1
测试界面
测试系统界面
EMS故障检测/隔离
EMS故障检测和隔离
发动机健康监视系统的故障检测和隔离
推进与动力系统健康监视系统的故障检测和隔离
3.7.6.1.1
状态监视
发动机空中状况监视
 
 
 
 
3.7.6.1.2
发动机状态监控
发动机监视传感器
 
 
 
 
3.7.6.1.3
 
推力指示
 
 
 
 
3.7.6.1.4
 
专用维护测试装置
 
 
 
 
3.7.6.2
压力接头
振动测量
机载发动机诊断功能
发动机机载诊断功能
发动机机载诊断功能
发动机机载诊断功能
3.7.6.2.1
 
 
 
机内试验和可检查性
机内试验和可检查性
机内试验和可检查性
3.7.6.3
专用维修测试设备
压力接头
 
 
 
 
3.7.6.4
温度传感系统
温度传感系统
 
 
 
 
3.7.6.5
振动测量
发动机寿命计数器
 
 
 
 
3.7.6.5.1
 
相对损伤图表
 
 
 
 
3.7.6.6
推力指示
转速指示
 
 
 
 
3.7.6.7
低循环疲劳计数器
 
 
 
 
 
3.7.6.7.1
相对损伤图表
 
 
 
 
 
3.7.6.8
转速指示
 
 
 
 
 
除美军标外,美国SAE(机动车工程师协会)也发布了一系列燃气涡轮发动机监视系统标准,用以指导航空发动机的状态监视、故障诊断及健康管理系统的设计、使用和维修。1981SAE发布了ARP 1587《航空燃气涡轮发动机监视系统指南》,该标准基于上世纪七十年代的技术水平提出,当时的技术远远落后于现在的技术水平。在经历了两次修订换版后,2007年发布了ARP 1587B《航空燃气涡轮发动机健康管理系统指南》,该标准对航空发动机健康管理系统的要求是基于现代先进的电子和计算机技术水平提出的。ARP l587B给出了关于发动机健康管理系统最顶层的观点,介绍了发动机健康管理系统的整体结构以及概述、效益和能力,并提供了有参考价值的实例,展示了发动机健康管理系统可能的设计选择,定义了一个广义的发动机健康管理结构。由于新式的发动机健康管理系统可包括预测能力,即根据探测到的发动机工作条件的变化预测何处发生故障,因此SAE协会编制了AIR 5871作为ARP l587B的配套标准,来满足这方面的最新需求。AIR 5871介绍了关于发动机健康管理中预测与诊断技术的基础要求及其应用,在发动机健康管理系统应用范围内提供了预测与诊断技术的清晰定义、研发途径和应用实例。
综上可知,航空发动机健康管理系统标准的演变过程与技术的演变过程类似,经历了从“测试系统”要求到“机载状态监视系统”要求,最后到“健康管理系统”要求或“健康监视系统”要求的发展历程,下一步的标准发展趋势是强调“预测”能力
      3、国内航空发动机健康管理系统技术现状及发展差距
国内开展航空发动机状态监视和故障诊断系统的研究始于八五”期间。现役航空发动机仅具有状态监视功能,还不具备故障诊断功能,更不具备健康预测和寿命管理功能。目前多型在研发动机型号上具备了对发动机和数控系统的状态监控、对数控系统的故障诊断和应急处理以及数控系统重构的功能,但并不具备对发动机的故障诊断、故障预测和寿命管理功能。随着对发动机健康管理技术重视程度的不断提高,相关科研单位陆续开展了探索研究工作,相关在研型号也已经开展发动机健康管理系统的工程实施工作;在气路故障诊断方法、发动机振动监测及其故障诊断系统的研究等方面,取得了一定的突破,但主要针对台架试验进行监视和离线分析,至今尚未形成自主的可以投入使用的发动机健康管理系统。
与国外先进国家相比,我国在发动机健康管理系统技术发展上存在较大差距。目前我国尚未建立起发动机健康管理系统的设计体系,部分健康管理关键技术还停留在理论研究阶段。在役军用发动机主要靠座舱仪表指示参数或通过飞机参数记录系统完成发动机状态监视,在民用发动机方面刚刚展开初步设计工作。在研型号虽然开展了相关研制和试验验证工作,但部分关键技术还未完全突破,主要原因是在研发动机没有完备的发动机维护信息数据库和故障特征数据库,缺少工程实用的发动机机载模型,难以提高健康管理系统故障诊断的准确率。同时,传感器技术也限制了健康管理系统的功能和诊断精度,部分先进传感器技术尚未成熟,并且尚未经过型号的实践检验。
       4、国内航空发动机健康管理系统标准现状及发展差距
目前我国标准规范中尚未明确提出发动机健康管理系统的概念和要求,只在GJB 241A -2010《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》等发动机顶层标准规范中存在对“测试系统”或“状态监视”的相关要求。GJB 241A-20103.7.6测试系统”中将原GJB 241-19873.7.6.1.2发动机状态监控修改为了机载发动机状态监视系统,规定了该系统的具体功能和组成,并要求具有机内自检测能力。GJB 241A-2010还增加了3.7.6.1.3发动机状态监视用传感器”,列出了为满足状态监视要求,发动机传感器应提供的基本参数。此外,GJB 241A-2010增加了3.9测试性”要求,因为测试性是发动机健康管理系统的基础。但纵观GJB 241A-2010整个规范,其中的测试性、维修性要求还基于“定期维修”这一传统维修方式,尚未列出目前已经可用的机内测试、故障诊断等方法。这与国内目前在役发动机大多采用机械液压控制器或模拟式电子控制器的实际现状是相符的。但目前新研发动机均采用了FADEC系统,且提出了发动机健康管理系统的研制需求,因此GJB 241A-2010已不能满足在研发动机型号健康管理系统对标准规范的要求。
除通用规范外,我国在上世纪九十年代参照SAE协会ARP 1587等国外指南,编制并发布了HB/Z 286系列《航空燃气涡轮发动机监视系统设计与实施指南》;此外还编制并发布了GJB 2875-1997航空燃气涡轮发动机监视系统设计准则》和GJB 3708-1999军用直升机发动机监视系统要求》等标准。这些标准与指南基于我国上世纪九十年代中后期的技术水平编制,主要侧重于对系统概念、功能、成本分析和实施计划等的说明,对于基于现代先进技术的健康管理系统来说,在概念、功能等方面具备一定的参考意义。在技术方面,这批标准和指南侧重于机上监视参数获取、记录和报警以及事后的地面分析检测,与现代基于诊断与预测的健康管理系统设计理念有较大差距。此外这些标准与指南缺少对健康管理系统的具体要求与验证方法,也未给出定量的指标,可操作性较差,对我国在研型号健康管理系统研制工作的指导性较弱。
综上可知,我国航空发动机通用规范的要求还处于测试系统状态监视概念阶段,尚未明确提出健康管理系统的概念及相关要求,从概念和顶层要求上落后于美国航空发动机通用规范提出的“健康监视”或“健康管理的相关要求。同时,缺乏航空发动机健康管理系统通用规范,导致在研型号健康管理系统研制过程中缺乏顶层标准规范的指导,型号专用规范编制难度大,技术水平难以满足研制需求,不能有效指导型号研制。此外,我国HB/Z 286系列标准主要参考早期的SAE标准制定,国外标准转化过程存在着诸多技术不匹配等问题未能完全解决,使得HB/Z 286系列标准对型号研制的指导作用不强。
        5、结论与建议
本文对国内外航空发动机健康管理系统的技术发展和标准演变进行了研究,得出以下结论:
1)        航空发动机健康管理系统的技术发展是一个逐渐演变的过程,经历了从状态监视、故障诊断到预测与健康管理的逐步发展和完善过程。
2)        航空发动机健康管理系统的标准发展也是一个逐渐演变的过程,并与技术的发展过程类似,经历了从“测试系统”要求到“机载状态监视系统”要求,最后到“健康管理系统”要求或“健康监视系统”要求的发展历程,下一步的标准发展趋势是强调“预测”能力
3)        我国航空发动机健康管理系统在部分关键技术方面落后于国外先进国家,在先进概念、顶层要求和通用规范等标准方面也落后于国外先进国家,急需先进标准支撑型号研制和关键技术突破。
基于目前我国航空发动机健康管理系统的技术研究和工程研制现状和需求,建议从以下几个方面开展相关研究:
1)        深入了解用户的使用需求,基于实际的需求制定健康管理系统总体方案;
2)        做好航空发动机试验,充分暴露发动机的故障,广泛收集发动机故障信息,补充完善故障模式库。

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