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技术

本发明专利技术具体地说是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，以准确评估单元体的缓慢性能衰退过程。

Health assessment method of aero engine gas path unit based on state baseline

The invention specifically is an evaluation of aero engine gas path unit status baseline health status based on the method, which comprises the following steps: step A, determine the engine cruise state parameters of the evaluation system to obtain the set and then set according to the designated sample library coverage to cover the scope for on the basis of analysis of the ACARS packet data collection engine cruise history, the establishment of baseline engine fleet training samples; step B, determine the unit performance monitoring and analysis of the factors affecting the working characteristics of the unit, the establishment of the unit state baseline model; step C, select the corresponding historical data from the baseline fleet in training samples. The training of the unit state baseline model, obtain the unit state baseline; step D, on a single engine When the unit is performing a health assessment, the slow deterioration process of the unit body is accurately assessed.

【技术实现步骤摘要】
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
：本专利技术涉及航空发动机健康状态评价领域，具体地说是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。
技术介绍
：面向对象：航空发动机为飞机提供推进力，其健康的工作状态是维持飞行安全，控制运作成本的重要保证。航空发动机的性能主要取决于多个气路单元体的性能，对单元体的性能进行具有针对性的评价是解决发动机运行性能评价问题的根本途径之一。技术难点：航空发动机单元体的性能由其固有的气动热力学特性决定，随着发动机的使用循环数的增加，单元体的工作性能会产生缓慢的衰退。理论上来说，如果能够精确计算出待评价单元体的效率、流量、压缩比等气动热力学特性的劣化程度，即可实现单元体健康状态的评价。然而，在发动机的不同飞行任务中，发动机单元体通常工作在具有多重维度且多变的工况下，一般来说，这些工况的转换对单元体工作特性的影响远远大于性能劣化所导致的工作特性的微小漂移，而由于发动机在日常的飞行任务中受飞行高度、巡航马赫数、起飞重量等不同工况的影响，其工作点弥散在范围宽广的工作包络空间内，使得评价任务中所关注的性能衰退引起的数据漂移现象极容易被工况信息淹没；此外，考虑到全球发动机使用方的决策过程普遍缺乏产品的设计背景知识的支持的现状，更是进一步加深了发动机单元体的健康状态推理难度，从而造成了全球发动机使用方的空有大量历史数据积累而难以加以有效利用的被动局面。理论背景：作为故障诊断领域的状态/参数估计法的一种衍生方法，基于状态基线的航空发动机整机性能评价方法于20世纪70年代被提出。该种方法分为两个步骤：首先，通过对健康状态发动机工况参数和运行参数的收集，归纳出运行参数与工况参数的函数关系或对照表，作为发动机在整个工作包络空间内的状态基线；而后对比待评价发动机的运行数据与状态基线的偏差得到消除工况影响的偏差值，并把偏差值带入状态评价算法以评估发动机整机运行性能。由于该种方法在发动机状态评价及故障诊断领域内表现出的良好的准确性、稳定性和普适性，目前普遍地被全球各发动机状态监控服务供应方应用于自身的发动机性能监控软件平台。尽管基于状态基线的发动机整机健康状态评价方法已经颇为成熟，然而，将这个思想进一步深化到部件层面，即利用发动机内部气路参数历史数据挖掘基于状态基线的航空发动机单元体性能评价方法，则是一个具备一定理论基础和初步验证效果，却完成形成系统性研究和形成应用案例的技术发展点。应用基础：为满足飞机适航指令规定提出的相关安全性要求，全球各航空公司普遍遵循ARINC724B协议标准，采用无线电通讯手段，即飞机通信寻址及报告系统(ACARS)将飞机巡航过程中测量到的多种状态参数以报文的形式传送回地面监控中心，该报文包含了飞机经纬度、飞机总重、高度、马赫数等飞机飞行状态信息，也包含了发动机转速、燃油流量、排气温度等发动机工作状态信息。目前，全球各大航空公司的不同型号的发动机机队都已经形成一定规模且针对各型号发动机都收集有丰富的ACARS报文历史数据，如果能够对这些大量数据加以合理利用，则足以从数据层面支持本申请中提出的发动机气路单元体健康状态评价方法。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种帮助航空发动机使用方和维修方克服发动机设计知识不足方面的困难，可以利用发动机历史巡航信息对各单元体的健康状态进行评价，从而提升使用方的发动机健康状态监控能力和维修方的发动机维修策略制定能力的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。本专利技术采用如下技术方案：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。作为本专利技术发动机机队状态基线训练样本库的获取步骤，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如飞机巡航重量、指示空速等飞行状态参数列表；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如高压转子转速、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等发动机工作状态测量参数列表；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若干个循环(一般认为小于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。作为本专利技术中单元体性能指标计算方法确定及状态基线模型建立步骤，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工作环境、控制量等可测变量。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。作为本专利技术中单元体状态基线模型训练步骤，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。作为本专利技术中发动机单元体健康状态评价过程，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，求得该工况所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(全新或修后)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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。2.根据权利要求1所述的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如飞机巡航重量、指示空速等飞行状态参数列表；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如高压转子转速、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等发动机工作状态测量参数列表；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若干个循环(一般认为小于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。3.根据权利要求1所述的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工作环境、控制量等可测变量。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。4.根据权利要求1所述的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。5.根据权利要求1所述的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，求得该工况所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(全新或修后)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...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟诗胜，林琳，付旭云，谭治学，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：山东,37