航空燃气涡轮发动机气路故障诊断现状与进展分析

霍荣伟

摘要：随着燃气轮机制造技术的发展，故障诊断技术体系不断完善，在目前的生产实践中，燃气轮机故障诊断技术系统主要包括基于规则的故障诊断专家系统和基于神经网络的诊断系统。在生产实践中必须不断完善混合智能故障诊断方法及其技术体系。在这一阶段，美国和俄罗斯等先进国家正在引领故障诊断技术的研究，韩国也开始研究相关的故障诊断系统以确保燃气轮机的应用效果。理论研究已经取得了一定的成功，但是实际的技术体系仍然有待改进。

关键词：燃气轮机;故障诊断技术;研究;展望

中图分类号：V231.3                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）14-0163-02

0  引言

燃气轮机是一种旋转的叶轮热机，由工作流体（连续流动的气体）驱动并高速旋转，以达到将燃料的能量转化为有用功的目的[1]。在整个单元中，压缩机、燃烧室和燃气轮机的三个主要部件构成一个简单的空气和燃气循环，这些循环可以使燃气轮机的设计更加合理。作为主要的动力设备，提高设备故障诊断的技术水平非常重要，因为一旦发生故障无法及时解决，生产损失就比较大。

1  燃气轮机故障诊断技术系统

1.1 基于规则的故障诊断专家系统

基于规则的故障诊断专家系统实际上是对燃气轮机维护经验的总结，主要包括症状和故障的具体征兆。这种故障诊断方法相对直观、生动，对某些常见燃气轮机模型的常见故障诊断有很好的效果，使技术人员可以快速对链路问题进行故障排除。但是，如果实际应用过程中未曾发生过某种类型的故障，则由于诊断错误或诊断失败，诊断过程可能会延迟。

1.2 基于神经网络的诊断

燃气轮机发生故障并停止工作后，有必要根据设备的某些特征找出故障原因，更换有缺陷的零件，或要求有关技术人员以其他方式维修设备。基于神经网络的诊断方法是一种通过使用关联记忆方法建立从症状到疾病原因的映射过程的诊断方法，具有高度非线性和高容错性的优点，但具有以下缺点：清楚地显示了诊断过程。不可能在诊断指示和诊断结果之间建立准确的联系。由于网络训练时间长，诊断过程不清晰，该技术系统容易被误诊，难以发现，可靠性低。因此，技术系统无法在生产实践中得到广泛应用。

1.3 混合智能故障诊断方法

燃气轮机的不同类型在每个领域都不同，根据模型参数采用智能诊断系统的方法是一种混合型智能故障诊断方法。在智能诊断方法中广泛使用的理论是模糊结论;正是模糊神经网络将它们与神经网络相结合。与纯神经网络相比，混合智能故障诊断可以处理系统提供的一些模糊数据和概念。处理能力更强大，同时具有学习能力，可以不断增强系统知识库，并增加错误诊断经验。在大多数情况下，燃气轮机故障的症状很少见，并且根据故障模式的不同，症状可能相同。在故障诊断系统中应用模糊理论可以有效地解決这一问题，推理过程更加紧密。

2  航空燃气轮机发动机气路故障诊断的意义

航空燃气涡轮发动机具有结构复杂的特征，因此在实际操作过程中难以有效地解决问题。随着经济的发展，燃气涡轮发动机的结构变得越来越复杂，并且为了追求高性能，安全风险很大，发动机需要在高温和高负荷条件下长时间运行。随着军事力量的增强，我国军方装备的新型战术导弹的种类和类型不断增加，其结构也越来越复杂。科技的结合也大大提高了军事装备的自动化水平。因此，导弹动力系统的故障也越来越复杂。受诊断知识和方法的影响，我国航空燃气轮机发动机气路故障的研究和开发方法有限，因此相关行业扩大了对航空燃气轮机发动机气路故障的研究，促进了发动机的排放，并改善了维修设计，从而提高我国的航空航天业的整体竞争力。

3  航空燃气涡轮发动机气路故障诊断现状

根据诊断系统的全局性质，通常将其分为两类：监视整个机器的性能以及监视单元主体的诊断功能。诊断航空燃气涡轮发动机的主要问题是：首先，许多发动机模型的测量参数相对较多。其次，故障之间的关系接近，并且很难准确地区分相似的故障。第三，很难区分由于噪声引起的测量变量的偏差和测量变量的故障。测量信号位置偏差较大。

4  航空燃气涡轮发动机气路诊断的方法

4.1 基于人工智能的方法

随着科学技术的进步，用于解决气体回路故障的人工智能已广泛应用于各个行业。基于人工智能的气路故障解决方法主要包括人工神经网络、专家系统和实际运行中的数据融合。实际的缺陷样本训练样本取决于模型，在确定网络结构和控制学习准确性方面都有一定的经验。为了很好地概括网络，需要将网络结构的复杂性调整为训练样本的规模。支持向量机方法（将在“透视图”部分中进行讨论）是一种改进神经网络泛化的有前途的方法。当使用专家系统维护气路故障时，必须将其与其他指示和信息结合起来，以确定气路故障的位置和原因。自组织功能映射网络是一种无监督的学习网络，对模型的依赖性较低。SOFM网络的优势在于它们可以自动对未知故障进行聚类，其实质是利用样本到聚类的距离。美国空军研究所开发的实时引擎诊断原型系统，最初使用SOFM网络进行初步诊断，然后使用BP网络对已知故障进行诊断，并适用于SOFM网络，对测量噪音具有很强的鲁棒性。

4.2 气路故障诊断

4.2.1 故障隔离

航空发动机气路故障隔离即把监测参数表现出来的发动机气路故障隔离到某种故障模式Fx上。计算向量Bm和各个故障模式Fi（i=1，…，N）的归一化偏差向量Bi相似系数Smi。相似系数最大者可认为最有可能发生的故障模式。

某台发动机的监测参数偏差Bm，计算其和故障模式Fi（i=1，…，N）的相似系数。可以看出Bm和B5的相似系数最大为0.938;和B7的相似系数为-0.81。故障模式F5和F7相似系数为-0.87。可以认为实际监测参数偏差向量Bm和B7的相似系数是由故障模式F5和F7本身的相似性引起的;另外，发动机部件性能在使用中是呈衰减趋势的，相似系数应取大于0的值，因此确认发动机发生的气路故障为F5。判断结果和发动机的实际故障相一致。

4.2.2 故障辨识

航空发动机气路故障的辨识问题是把隔离出具体的部件性能故障后，进一步分析故障的严重程度，即确定部件性能衰退值的大小。对于已隔离出的故障模式Fx，其规一化的监测参数偏差向量为Bx，对应的该部件性能的衰退值为xx。对于实际的监测参数偏差Bm，计算xx×‖Bm‖，即为部件性能衰减的量值。

4.2.3 讨论

①采用相似系数进行航空发动机故障诊断，首先需要确定基准参数并建立各种故障模式的监测参数偏差向量。监测参数偏差向量可以通过发动机模型计算获得，也可以通过统计方式获得。②对于一种新的故障模式，获得监测参数偏差向量可直接用于以后的故障隔离和辨识，系统扩展容易。③不必要求监测参数的个数M大于故障模式的个数N。④实际监测参数偏差向量Bm和故障模式Fi（i=1，…，N）相似系数的绝对值，可以认为Bm对故障模式Fi的隶属度，符合故障诊断的模糊性质。⑤相似系数可以用来分析对监测参数偏差影响相似的故障模式。对于多故障并发的航空发动机气路故障诊断，可以帮助寻找故障方程的主因子。

5  航空涡轮发动机的发展状况

众所周知，航空涡轮发动机的问世给航空业带来了巨大的变化，不仅增加了飞机运行的速度和高度，而且还进入了超音速飞行时代，使航空业进入了一个新时代。研究表明，航空涡轮发动机出现在1940年。随着科学技术的发展，涡轮发动机技术发展到现在的第五代，给我国的发展带来了机遇和挑战。以下简要描述了开发航空涡轮发动机的整个过程。

随着20世纪中叶涡轮喷气发动机的问世，航空领域进入了一个新的发展领域，随着科学技术的不断发展，航空管理者的思想逐渐解放，先进的科学技术和积极引进技术。在技术创新的基础上，发明了加力涡轮喷气发动机，并在美国等西方国家的影响下逐步重组了该工艺。这时，涡扇发动机成为推动发展的主要设备。从20世纪末开始，涡扇发动机得到了加强，以提高战斗机的作战能力，降低噪音并提高可靠性，并且代表性的发动机设备是军用发电机。总体而言，第一代第四代涡轮发动机侧重于在改造过程中提高推力重量比，而第五代涡轮发动机则主要侧重于在改造过程中提高效率和适应性。改革与创新：我们在学习西方国家的先进技术并结合自身条件进行涡轮发动机的研究与开发和改革。最终目标是通过减少因技术，发动机运行而引起的燃油消耗并提高航空涡轮发动机应用的经济性来促进中国航空业的发展。

6  航空涡轮发动机的未来发展方向

随着我国科学技术的最新发展，我国航空涡轮发动机技术得到了进一步发展，但与先进国家的发动机技术仍存在差距。由于涡轮发动机技术水平直接影响着我国航空工业的未来发展，在全球一体化背景下加速我国航空涡轮发动机技术的改进将增强我国的整体实力，并进一步改善我国的发展及国际市场地位。当前，我国正在积极开发天然气资源，并且在将来开发航空涡轮发动机时，燃气发电主要用于燃气涡轮发动机的开发，并且燃气涡轮发动机的未来发展方向主要从以下几个方面进行阐述。

涡轮发动机是航空运行的主要驱动力，因此提高涡轮发动机运行的可靠性非常重要。更长的涡轮发动机寿命节省了航空公司的发动机维护成本，并在一定程度上改善了涡轮发动机。在此基础上，未来开发涡轮发动机时，相关人员将进行研究和讨论，以提高涡轮发动机运行的可靠性，实时监控发动机的运行状态，并发现发动机问题。及时制定解决方案，以便及时开展工作，并提高发动机运行的可靠性。另外，随着对涡轮发动机性能的要求增加，在操作期间涡轮的入口温度升高，因此，有必要开发耐热部件或冷却方法。

7  结语

简而言之，对航空燃气涡轮发动机的气路故障进行诊断是提高发动机可靠性和耐用性的重要保证。诊断航空燃气涡轮发动机的气路的方法有多种，其主要特点是相似系数具有明确的物理意义，简单的故障结构，故障模式容易扩散。因此，燃气回路故障诊断人员应了解航空燃气轮机发动机燃气回路故障诊断的意义，明确航空燃气轮机发动机燃气回路故障诊断的现状。发动机气路诊断可以有效解决实际运行过程中的气路缺陷，缺陷诊断人员应充分了解航空燃气轮机发动机气路缺陷诊断的前景，促进我国航天工业的发展。

参考文献：

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