彭鴻博　劉孟萌　王悅閣

(中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院,天津　300300)

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民航發(fā)動機拆發(fā)日期預(yù)測研究

彭鴻博劉孟萌王悅閣

(中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院,天津300300)

針對民航發(fā)動機拆發(fā)送修業(yè)務(wù)的需求，采用Daubechines的3階小波對民航發(fā)動機歷史性能數(shù)據(jù)進行降噪平滑處理，建立民航發(fā)動機性能衰退模型。結(jié)合影響民航發(fā)動機拆發(fā)日期的時壽件的軟時間、適航指令/服務(wù)通告限制等因素，對民航在翼發(fā)動機進行拆發(fā)日期預(yù)測。試驗結(jié)果驗證了該方法在預(yù)測民航在翼發(fā)動機拆發(fā)日期的可行性，可以滿足民航發(fā)動機拆發(fā)送修業(yè)務(wù)的需求。

民航發(fā)動機時壽件拆發(fā)日期預(yù)測狀態(tài)監(jiān)控小波變換排氣溫度裕度AD/SB

0　引言

民航發(fā)動機是飛機的“心臟”，其健康狀況與飛行安全息息相關(guān)。對民航發(fā)動機采取視情維修的策略。當(dāng)發(fā)動機性能衰退到較差的狀況時，就要拆下發(fā)動機送修，以保證其安全性和經(jīng)濟性[1]。送修時，如果過早拆下發(fā)動機，就會造成發(fā)動機資源的浪費，增加航空公司運營成本；過晚拆下，就會對飛行安全構(gòu)成威脅。這兩種情況都是不允許的[2]。民航發(fā)動機性能衰退的主要表征是排氣溫度裕度(exhausted gas temperature margin，EGTM)不斷減小。

小波變換在時域、頻域均具有良好的局部性質(zhì)[3]，本文利用小波變換對民航發(fā)動機EGTM的歷史數(shù)據(jù)進行處理并分析，得出民航發(fā)動機的EGTM衰退模型，并結(jié)合發(fā)動機時壽件(life limited parts，LLP)的軟時間、適航指令/服務(wù)通告(airworthiness dictate/service bulletin，AD/SB)限制等因素，預(yù)測民航在翼發(fā)動機的拆發(fā)日期。

1　發(fā)動機拆發(fā)日期影響因素分析

1.1性能衰退的影響

性能衰退情況是指隨著發(fā)動機使用循環(huán)次數(shù)的增加，發(fā)動機的EGTM、燃油流量、壓氣機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等氣路參數(shù)出現(xiàn)衰退的趨勢[4]。本文采用EGTM作為預(yù)測發(fā)動機拆發(fā)日期的性能參數(shù)。在民用發(fā)動機投入使用后，隨著發(fā)動機使用時間的增加，EGTM呈現(xiàn)一定規(guī)律的衰退趨勢。當(dāng)EGTM接近警戒值時，就必須拆下發(fā)動機送修，以恢復(fù)發(fā)動機性能。

1.2時壽件的影響

時壽件是指民航發(fā)動機結(jié)構(gòu)中有明確使用壽命限制的零部件，如發(fā)動機中的風(fēng)扇盤、風(fēng)扇軸、低壓渦輪軸、中壓渦輪盤等。由于受材料、結(jié)構(gòu)及工作環(huán)境等因素的影響，必須在時壽件使用到規(guī)定的時間前，將發(fā)動機拆下送修，進行時壽件的修理或更換[5]。時壽件是影響送修目標(biāo)的硬性條件。利用式(1)計算該臺發(fā)動機的剩余最低循環(huán)數(shù)，再折算成下發(fā)日期。

C1=min(CLLP,1-C0.1,CLLP,2-C0.2,…，

CLLP,i-C0,i)

(1)

式中：CLLP,i為該臺發(fā)動機第i個時壽件的設(shè)計循環(huán)數(shù)；C0,i為第i個時壽件使用的循環(huán)數(shù)。

1.3AD/SB的影響

AD/SB的影響是指適航部門和制造商規(guī)定發(fā)動機使用一定循環(huán)數(shù)后，必須拆下發(fā)動機進行某些工作。例如，某發(fā)動機規(guī)定在運行14 035次循環(huán)后，應(yīng)拆下發(fā)動機進行繞線管的孔探檢查[6]。所以，可以通過這個循環(huán)數(shù)來計算發(fā)動機的下發(fā)日期。

下發(fā)日期的計算公式為：

C2=min(CAD/SB,1-C0,CAD/SB,2-C0,…，

CAD/SB,i-C0)

(2)

式中：CAD/SB,i為第i個AD/SB中規(guī)定的循環(huán)數(shù)；C0為已經(jīng)使用的循環(huán)數(shù)。

2　發(fā)動機拆發(fā)日期的預(yù)測

2.1發(fā)動機拆發(fā)日期預(yù)測流程

發(fā)動機從性能衰退、時壽件和AD/SB限制等角度，均可以得到一個拆發(fā)日期。取最靠前的那個日期就是該臺發(fā)動機的最終拆發(fā)日期。綜上所述，民航發(fā)動機拆發(fā)日期的預(yù)測流程如圖1所示。

2.2粗大誤差剔除

圖2　去除粗大誤差前后的EGTM樣本圖

2.3小波變換去噪平滑

為了精確地提取EGTM的衰退趨勢，利用小波變換，對去除粗大誤差后的樣本數(shù)據(jù)作進一步的降噪平滑。小波變換是在傳統(tǒng)的傅里葉變換的基礎(chǔ)上發(fā)展演變而來的，因其具有良好的時頻局部特性，得到了廣泛的應(yīng)用。一般而言，數(shù)據(jù)源f(n)都是包含噪聲的，我們可以用式(3)表示一個數(shù)據(jù)源的噪聲模型，e(n)為高斯白噪聲，小波變換就是要抑制e(n)，以恢復(fù)f(n)，從而達到去除噪聲的目的[9]。

s(n)=f(n)+σe(n)

(3)

式中：e(n)為噪聲；σ為噪聲強度。

EGTM采樣信號是一維信號，運用小波變換進行降噪平滑的具體步驟為：

①對去除粗大誤差的EGTM采樣信號進行小波分解；

②設(shè)定各層細(xì)節(jié)的閾值，對分解的小波進行過濾；

③將得到的EGTM信號趨勢進行小波重構(gòu)。

本文采用Daubechines的3階濾波器對EGTM衰退的趨勢進行提取，小波分析趨勢對比如圖3所示。

圖3　小波分析趨勢對比圖

2.4EGTM衰退趨勢線的擬合

本文采用一元線性回歸的相關(guān)方法，求解民航發(fā)動機EGTM的衰退率。一元線性回歸模型可以表示為[10]：

yi=β0+β1xi+εi

(4)

式中：yi為EGTM估計值；β0為EGTM初始衰退值；β1為EGTM衰退率；xi為飛機飛行循環(huán)數(shù)；εi為隨機誤差。

直接運用Matlab中的Curve Fitting Tool對式(4)求解，得到的EGTM衰退趨勢如圖4所示。

圖4　EGTM衰退趨勢線

將式(4)求得的結(jié)果代入一元線性回歸模型，得到EGTM衰退模型，即：

y=-0.017 5x+114.3

(5)

為保證衰退模型完全可靠，排除小波降噪平滑后出現(xiàn)的異常值、周期性因素等干擾，運用殘差圖診斷回歸效果?！皻埐顖D”是指以飛行循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo)，以殘差為縱坐標(biāo)，將每一次飛行循環(huán)的殘差描繪在該平面坐標(biāo)上所形成的圖形。當(dāng)描繪的點圍繞殘差等于0的直線上下隨機散布，說明回歸直線對原觀測值的擬合情況良好；否則，說明回歸直線對原觀測值的擬合不理想。利用Matlab得到的殘差分布圖如圖5所示。

圖5　殘差分布圖

從圖5可以直觀看出，只有很小一部分點的置信區(qū)間不包含零點，說明所得到的一元線性模型還是十分可靠的。EGTM衰退率為0.017 5 ℃/循環(huán)。

航空實際運營表明：全壽命周期內(nèi)發(fā)動機的EGTM衰退率并不是一成不變的，而是在裝機初期衰退較快，中期比較平穩(wěn)，末期衰退加速。根據(jù)不同階段的EGTM數(shù)據(jù)，采用本文的方法，可求解各階段的EGTM衰退率。

3　發(fā)動機拆發(fā)日期預(yù)測應(yīng)用驗證

對某航空公司一臺CF56-22發(fā)動機拆發(fā)日期的預(yù)測方法進行驗證，編號為67889的發(fā)動機已經(jīng)飛行了28 717次飛行循環(huán)。當(dāng)前EGTM為105.55℃，EGTM的警戒值(當(dāng)EGTM降為警戒值時，發(fā)動機必須拆下送修)為22 ℃。該臺發(fā)動機的部分時壽件清單如表1所示。AD/SB規(guī)定：該發(fā)動機在40 000次循環(huán)后要拆下進行SPOOL檢查。

表1　部分時壽件清單

利用本文方法對該案例進行分析。

①從性能衰退角度考慮，當(dāng)前EGTM為105.55 ℃，警戒值為22 ℃，按照當(dāng)前的EGTM衰退率0.017 5，求得再經(jīng)過4 775次飛行循環(huán)，EGTM就達到了警戒值。在實際使用過程中，航空公司會對發(fā)動機的核心機進行幾次水洗，假設(shè)為3次，每次可以獲得10 ℃左右的EGTM恢復(fù)；將這些因素考慮在內(nèi)，再經(jīng)過4 775+2 057=6 832次飛行循環(huán)，發(fā)動機的EGTM就達到警戒值，必須拆下送修。

②從時壽件角度考慮，由表1和式(1)可知，壽命件Fan Disk再用1 283次循環(huán)，就必須更換。

③從AD/SB限制角度考慮，再飛行11 283次循環(huán)，就必須拆下發(fā)動機進行SPOOL檢查。

綜上所述，該航空公司編號為67 889的發(fā)動機再

使用1 283次循環(huán)，就要送修。發(fā)動機的日使用率約為4次循環(huán)，所以大約再使用320天后必須送修。

4　結(jié)束語

發(fā)動機拆發(fā)日期的預(yù)測可以有效減少發(fā)動機維修業(yè)務(wù)中的維修不足或者過度維修。本文結(jié)合性能衰退、時壽件到壽、AD/SB限制等參數(shù)，提出了一種拆發(fā)日期的預(yù)測方法。該方法可以直觀、有效地預(yù)測民航在翼發(fā)動機短、中期的拆發(fā)日期，為發(fā)動機維修工程師提供指導(dǎo)。

但該方法仍存在一些不足，如EGTM的線性擬合只適用于短、中期預(yù)測。發(fā)動機拆發(fā)日期預(yù)測精度的提高，還需收集更多的性能參數(shù)，以建立更準(zhǔn)確的狀態(tài)變化趨勢模型。另外，不能僅局限于本文提出的影響發(fā)動機拆發(fā)日期的這三個因素，還應(yīng)根據(jù)航空公司的實際情況，考慮其他的影響因素，如故障因素等。因此，該方法還需進一步完善，以得到更精確的預(yù)測日期。

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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)

彭鴻博(1972—)，男，2007年畢業(yè)于法國國立民航大學(xué)航空發(fā)動機專業(yè)，獲碩士學(xué)位，副教授；主要從事航空發(fā)動機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。