航空发动机整机试验数据性能故障诊断算法研究

【类型】学位论文

【作者】朱大明 

【关键词】 航空发动机 故障诊断 几何调整 传感器 试验数据

【摘要】航空发动机的研制和发展是一个创新的过程，需要经过大量的部件试验和整机试验才能确定发动机的性能。因此对试验数据的进行详细地分析，从而实现试验发动机全面的状态监视、准确的故障诊断、有效的几何调整以及完善的状态评估，在发动机研制、生产和使用过程中显得十分重要。本文以处于研制阶段的航空发动机整机试验为研究对象，以最终建立一个实用的发动机试验性能数据分析系统为研究目标，对发动机整机试验过程中涉及的性能参数传感器故障隔离、气路部件性能故障诊断和几何优化调整等方面进行了全面、深入且富有创新的研究工作，经过带有噪声的严格数值试验和真实发动机的试验数据检验，取得了比较良好的分析效果。对于每一部分研究内容本文都按照新算法的来源、新算法的计算步骤、新算法的应用及特点总结这一顺序进行详细的阐明与论述。本文简要介绍了与试验数据分析相关的测量数据检查、传感器隔离、发动机故障诊断、台架试验和监控系统等个方面的研究现状。在分析处于研制阶段发动机整机试验特点的基础上，本文以某双轴分排涡扇发动机为例，建立了适用于科研台架试车的发动机性能仿真模型，并使用真实数据进行了模型校核。通过数值模拟的方法分析了故障参数和可调参数变化对测量参数的影响。在上述特点分析、模型建立和影响研究的基础上，本文在如下几个发动机试验性能数据分析方面进行了深入研究并取得了进展：1.试验性能参数传感器故障隔离。建立了新的故障隔离方法。针对处于研制阶段发动机整机试验数据的特殊性（测量参数容易变化、测量记录容易不完整、无实际传感器故障案例积累等），采用基于性能模型的传感器故障隔离方法，以自适应模型的自适应结果向量与发动机实际向量之间的距离为故障隔离指标，可以在发动机本身故障情况未知的条件下，隔离传感器故障。即使在故障情况较为严重时，采用稳定加权方法也可获得较好隔离效果。2.发动机气路部件性能故障诊断对适用于研制阶段发动机故障诊断的模型辨识法进行了改良，并分析了现有故障诊断算法的不足，在基于模型和基于数据之间寻找平衡，提出并建立了新诊断方法：故障模式搜索法。论文中详细给出了故障模式搜索法的计算步骤，包括故障参数推理、测量参数推理、搜索计算、结果集合处理等各模块的计算方法。对模式搜索法进行了带噪声的数值试验，结果显示对于单故障、单部件故障（双故障）和双部件故障（三、四故障），故障模式搜索法都有良好的定性定量诊断效果。3.全面而深入的研究了几何优化调整建立了新调整优化算法。对发动机几何优化调整，从调整目的、优化变量、优化目标、约束条件、优化算法各个方面，结合试验几何调整的工程实践给出了详尽的论述。分析处于研制阶段试验调整的具体特点，建立了调整模式搜索法，详细给出了调整模式搜索法的计算步骤，包括可调参数推理、目标参数推理、目标参数搜索、搜索结果处理等。进行了带有噪声的数值试验，结果显示，调整效果良好。并对调整结果的二次选取进行了详细分析。在上述试验数性能据分析相关内容算法研究和应用研究完成的基础上，本文设计并建立了一个完整的发动机试验性能数据分析系统，其中包括：1）给出系统设计要求和功能；2）完成总体设计和详细设计，总体设计包括系统全流程逻辑和输入输出设计，详细设计主要针对各个模块的数据分析功能；3）详细阐述了主要功能模块的实现方法，包括各个模块数学算法的工程设置和流程；4）对整个系统的软件开发特点进行分析，并展示了部分系统效果。本文最后应用某发动机的真实试验数据对于上述发动机试验性能数据分析和故障诊断系统进行了有效性和可靠性验证。结果表明：使用以自适应模型收敛参数为指标的传感器故障隔离法进行传感器故障隔离，其定性隔离效果良好；使用故障模式搜索法建立的故障诊断模块，其定性定量诊断效果良好。系统具有较好的工程应用价值。

【学位名称】博士

【学位授予单位】北京航空航天大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】朱之丽

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