综合发动机健康管理系统

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1、综合发动机健康监测系统用于燃气轮机航空发动机G F Tanner - 控制系统部，劳斯莱斯公司J A Crawford C E“ M IEEMRI - 预测服务业务，数据系统与解决方案G F Tanner经理，特伦特 900 发动机监控系统劳斯莱斯公司德比DE24 8BJ英国 +44（0）1332 247862（办公室） graham.tannerrolls-SIN C-3 PO BOX 31J Crawford CEng MlEE MRI技术开发经理预测服务业务数据系统与解决方案德比DE24 8BJ英国t44（0）1332 777509（办公室）+44（0）7967 000323（手机）ja

2、ck.crawfordds-scorn1介绍劳斯莱斯已经开始了一项战略，将综合的健康监测能力纳入其燃气轮机发动机的产品和 服务。受益于这种能力的第一架飞机将是特伦特900动力空客A380。本文介绍了启动这一 战略的项目及其旨在提供的全面服务。它概述了项目开始时考虑的一些业务案例问题，以及 反映在项目期间应计的预期财务收益的成本模式。本文中的大部分内容用于描述用于执行实时参数分析和异常检测的引擎监控系统。该系 统的输出可以传递到地面计算机资源进行进一步分析，以预测，分类和定位发展中的发动机 故障和异常情况。发动机和发动机之间的计算资源的最佳组合是技术解决方案的关键，该解决方案提供了 降低发动机过

3、载寿命运行和维护成本的成本效益的手段。因此，本文的后半部分描述了这些 现场资源如何整合到整体引擎健康监测（EHM）过程中，以及对总体EHM功能划分的方法。数据系统和解决方案（DS&S）专门从事燃气轮机发动机性能分析和解释，为全球发动机制造商和飞机运营商提供广泛的EHM服务。DS&S正在与劳斯莱斯密切合作，最大限度 地发挥这种整合发动机状态监测方法的有效性。2 EHM 业务案例概述为了证明将EHM系统设计成新的燃气轮机产品所需的开发成本不算太大，对下游经济 效益预测进行了详细的分析。这种分析集中在使用预期的EHM系统造成的成本节约的两个 主要领域：1. 通过避免“惊喜”失败，减少在职业务中断。2

4、. 由于更多的在役知识和故障识别而导致的改进的维护过程，导致更具选择性和成本效 益的引擎条带程序和零件更换。对于项目 1，结合能够检测初始故障的系统的潜在好处，如果允许其完全发展，则可以 容易地显示发动机部件的重大操作中断和可能的昂贵的二次损坏。然而，添加任何复杂的电 子设备将在一定程度上降低发动机的基本可靠性。通过对工程设计的仔细关注，并确保附加组件不具有发货关键性，已经表明，其优点将 很快超过这种小的可靠性损失。通过两种方式对失效防范分析进行了比较，以预测效果：a）研究了类似燃气轮机产品的在役车队数据，以评估如果存在EHM系统，可能会避 免或显着降低的实际故障和相关维护成本。b）审查了类似

5、设计的在役燃气轮机的故障模式效应分析（FMEA）,以评估可以通过EHM 功能预测性检测的那些故障，以便采取适当的措施来避免产生的结果。对a）的在役车队数据的研究表明，假设新发动机类型将对现有产品展现出类似的故障特征，将舒适地实现发动机车队销售情况的财务盈亏平衡点。福布）大约百分之二十的 FMEA 列出的失败可能潜在地被预测; 然而，很难将这些信息与成本基准所需的维护数据相关联。因此方法a）用于效益分析。对于项目 2，维护收益分析主要是根据某些机械故障导致的主要次级损害的避免进行评估。这表明如果只能避免几个重大的失败发生，那么会产生实质的好处。3 EHM 系统概念应用于Trent 900 / A

6、380程序的总体和关闭引擎系统如图3.1-1所示，显示了关键数据流路径。3.1 发动机系统特伦特900发动机监控系统是发动机控制和监控系统（ECMS）的子系统，由一个电 子发动机监控单元（EMU）组成，其中包含安装在发动机风扇箱上的相关换能器，以实现 最佳的系统性能。EMU 内的计算资源和发动机上相关联的监测传感器的紧密接近，提供捕获和处理高带 宽信号的能力，而不受限制01 有限的数字传输速率，长时间运行的电缆重要性以及暴露于 电气辐射和雷电威胁。它还允许车载系统中的健康监测检测限制适应单个引擎，以便解决正 常的降级和性能偏差，从而减少假警报。在将动力单元作为发动机的组成部分的同时，避免 了发

7、动机从其健康状态“记忆”中被移除，更换或以其他方式分离时出现的后勤问题。EMU 包含两个处理模块，如图 3.1-2 所示。信号处理模块输入模拟信号，并进行频域变换。主处理模块使用频域数据并执行各种EHM算法。3.1.1 监控系统输入EMU 在内部计算资源中占用了下列引擎输入：专用传感器以下换能器直接连接到动车组 双通道加速度计该发动机安装的振动传感器提供的加速度计输入类似于以前的 Trent 发动机所使用的输入，它们没有采用完整的EHM功能。 气压攻丝（P25, P50, P160）这些发动机气体路径压力不需要用于控制目的，但有利于发动机性能监测。因此认为将 压力直接输送到含有适当的压力传感器

8、的EMU中是适当的。除了静态压力测量之外，通过 使用高分辨率A-D来取样要采集的信号，在EMU中提供了提取动态信息的可能性。 电磁芯片检测器（EMCD）EMCD 用于发动机机械系统监测，可以获得产生金属碎屑进入油系统的机械故障早期警告。可以在Trent 900上采用更先进的系统，作为可以推导出碎片大小和粒子数的后续介 绍。控制系统输入控制系统以模拟和数字形式输入监控系统。从发动机电子控制器（EEC）接收以下模 拟输入： 轴速度传感器信号，用于精确的振动分析。 动态分析模拟发动机压力信号以下数字输入通过CANBus从EEC采集，并分为以下类型： 飞机采购数据（如世界时间） 发动机性能数据（例如气

9、体路径温度） 发动机控制参数（如控制中的EEC车道） EEC BITE 数据3.1.2 监控系统功能嵌入在车载监控系统中的典型功能包括： 发动机振动监测报告该功能提供驾驶舱显示的发动机振动监测，以满足一汽W 25的要求。该功能还满足飞 机对驾驶舱咨询显示的要求，并提供振动超越事件的维护信息。 油泥监测（EMCD）该功能用于通过监控主机油系统来检测机械故障的早期阶段，目的是检测发动机齿轮， 轴承或其他机械退化，通过感测夹带在油中的铁质颗粒。适当的维护警告提供以确定必要的 维护行动。 风扇平衡监控该功能可以在不需要专用的发动机地面运行的情况下启用风扇（重新）平衡。风扇平衡 命令的维护界面是通过飞机

10、维护系统进行的。 发动机机械故障或新颖性检测该功能将检测发动机事件和良性故障，这些故障可能不会立即对发动机产生明显的物理 或功能损害，但最终可能导致部件故障和下次计划维护期间或车间访问之间的运行中断。 这个功能预测检测的典型故障是：轴承故障物理损坏旋转部件鼓中的液体（例如油）密封擦 发动机/ EEC事件/事件监控为了方便详细的机翼分析，当运行的发动机具有以下功能时，监控系统将捕获并记录相 关数据：A、机械超越（例如转速）b. 发动机性能相关事件（例如浪涌，）C.显着的控制系统故障（例如电子通道故障，执行器故障等）3.1.3 监控系统输出EMU功能输出将作为CANbus数字数据流生成，传输给EE

11、C，以便与飞机进行通信。 输出分组为： 驾驶舱振动跟踪订单 监控系统压力（P25, P160, P50） 电子磁芯检测器警报 发动机预测报告 EEC /引擎事件数据 用于在飞机下水道系统上存储的相关数据的连续数据流（见下文）3.1.4动车组物理特性EMU是由Meggitt pic集团的一部分Vibro-Meter SA设计和制造的独立单元。电子电 路安装在适合安装在涡扇发动机的风扇箱上的坚固的箱子中。振动隔离安装座用于屏蔽电子 设备，避免航空发动机风扇箱侧面受到潜在的破坏性震动。该单元由流过发动机机舱区域的空气自然冷却，并且不被电气密封以适应大气压力变化EMU箱最多可容纳3个电路板和一个内部电

12、源，可转换和调节115v AC的飞机。它还 包含三个压力传感器，允许管道输入的发动机压力被监测和处理以进行进一步的地面分析。3.2发动机系统发动机性能和振动数据量都非常大，由EMU在每次飞行中不断获得。动力单元的处理 能力足以进行实时监控发动机性能所需的复杂分析。然而，当孤立执行时，这种分析不能利 用所有其他发动机的累积经验和其他地面系统可获得的附加信息。在典型的远程飞行中，可以预期四发机可以累积几千兆字节的未压缩数据。可用于传输 数字数据的机载通信系统既没有带宽，也没有能力使得来自每个飞机的所有引擎数据能够被 中继到飞行中的地面。类似地，通过将数据从地面传输到空中，维持每个EMU的存储器中

13、不断更新的舰队历史是不可行的。不管技术上的限制，目前的定价结构表明，成本将在任何 一个方向都是禁止的。利用劳斯莱斯专有的新技术， EMU 的车载处理能力同时最大限度地提高了信息内容， 并将带宽降至最低，达到空对地传输的可行性。在实地，数据系统和解决方案采用专有的数 据融合技术，并提供预测分析服务，显着增强机载系统的功能。 在平台和车外算法计算之间取得平衡对于灵活，可管理和响应的发动机状况监测服务至关重 要。3.2.1 数据流范例发动机控制和监测系统监测温度，压力和速度，以便为传统发动机健康监测（ EHM）性能分析制定起飞，爬升和巡航数据样本。这些作为常规VHF ACARS消息传输到地面， 发动

14、机和油系统事件警告和警报也是如此。DS&S收到这些消息，并提供有关引擎状况和 性能趋势的报告。在这方面， ECMS 继续经过劳斯莱斯公司开发的经过试验和测试的发动 机健康监测方法，目前由DS&S聘请监测燃气轮机发动机车队。除了传统的EHM功能,Trent 900的EMU通过引入显着提高的预测分析能力来监测旋转部件的状况，开创了新的领域。A380航空电子系统包括具有专用容量的文件服务器，用于存储引擎数据。EMU通过 在每个飞行中持续存储相关分析数据，充分利用可用容量。在飞机服务器上采用循环FIFO 存储过程，如果需要，来自当前航班和前几航班的累积数据总是可用于随后的离线分析。板载预测分析的输出是

15、一系列可配置的“特征检测器”，用于报告数据中可识别的条件。 在发动机开发和飞行试验期间，“特征”已被确定为值得注意。可配置的阈值级别决定生成 报告的点。这些可以在早期部署过程中进行调整，以优化检测过程。特征检测器操作使得特定的机械故障模式触发特征检测器输出的特定组合。当触发一个 或多个特征检测器时，将所有特征检测器输出的图案与正常操作的累积背景和对应于已知缺 陷模式的图案的知识库进行比较。如果识别出特征检测模式，则可以进行诊断并且接近实时 地发起动作。无法识别的模式启动了一项详细调查，涉及飞机服务器上整个飞行中存储的数 据的离线分析，以及罗尔斯罗伊斯工程师的专家意见。然后将调查结果应用于知识库

16、，以 便将来的实例将被自动识别。显然，在发动机上本地执行高带宽数据的分析是适当的。同样地，优选地维护和更新来自相同类型的所有引擎的特征模式的单个知识库，每个检测到的事件可被引用到该基础。EMU 特征检测器的输出在分析过程中形成了一个方便的断点。此时，嵌入式信息被充分地 压缩，以允许通过窄带通信系统传输到地面。从而使这两个功能实现物理分离。如图 3.2-1 所示engineInttiD airadvanced ； 创口naJ prcctsilng .localan; liivcconfiflUTiticnTiatLiFidetectionI r - 、才 r： . *a L on ths aro

17、urid - -featuittr portingbulkdala .i:. tran 師fraturadatabusupportingInfBrrrBtFonftaturirc&gnttiondlBQnos：l3expertanaiyiisreport to tntf userdatancqursiUnnFigure- 3.2-1 EMU vibration analysis - data, flow paradigm3.2.2 空对地数据传输目前的经验表明，约 85的报告预测“特征”将从入门知识数据库中识别出来。随着进一 步的知识获取，这个数字将会增加。这些事件可以通过由DS&S运营和维护

18、的自动化系统 进行实时检测，诊断和报告。在未被识别的事件中，通过详细检查事件之前存储的大量数据的样本，可以看出相当大 的比例。当前的技术使存储数据的潜在有用的时段被压缩成几兆字节，但是这太大了，无法 利用用于EMU消息的窄带VHF数据链路。当主机提供对宽带卫星数据链路系统的访问时， 可以在飞行中发送数据样本。由于这些事件可能不频繁，飞行中相对较高的传输成本可能通 过全自动化过程的更大的便利性和可靠性来证明。在宽带链路不可用的情况下，或离线分析 需要更大数量的数据的情况下，存储的数据可以在登陆后从文件服务器手动下载。可能需要对大量数据进行详细分析的事件也需要专家知识持有人的意见，而这些知识不 一

19、定会立即被访问。在这种情况下，尽管不必要的延迟应该避免，但实时传输数据并不是必 须的。随着越来越多的主要机场安装宽带无线局域网WLAN）连接，在登陆后到达门口时 自动下载所有存储的数据将变得可行。图 3.2-2 显示了 EMU 数据的空对地继电器的传输路由，相对带宽要求由互连箭头的宽度表示。In th*.airVHF AGARSdataQlobl datanBtworkienginealrtomk file scrprI.(； J enQlne ih1 inonltoririg urit _buLk dahreport to end userFgur-e 3.2 2 EMU vibrestio

20、n analysis - data transmission bandwidth3.2.3 发动机状况监测在 DS S ，由事件或异常运行条件触发的常规性能报告和报告与特定于单个引擎或与 整个车队相关的其他数据融合在一起。使用自动神经网络技术来检查结果，以评估发动机的 现状。此外，参数趋势和贝叶斯统计分析能够预测发动机的未来状况。结果通过互联网链接 以易于同化的形式呈现给最终用户，以保护可以配置为匹配其特定数据要求的网页。图 3.2-3描述了装有EMU的Trent 900发动机用户可用的发动机状态监测能力的程度build 1 rvalrdstBcaonftaturdetection- J :.

21、- -| .J. .1I.-I LlsagbI1ticking|canfiaiJratiQn msriaQarrantmalntenanc* a(Qrtjngfault diagnosis-porfarmarce projnosiiFHalnleraance schBdullna1一 !data Li scanddlvcfy -rEpart to end usorFigure 3.2-3 Trent 900 EMU - engme condition monitoring4。结论特伦特900民用航空发动机计划为劳斯莱斯和DS&S提供了及时的机会，引进先进的EHM 技术，以有益于航空公司客户经营的运行可靠性和维护成本。技术贸易研究侧重于车 载和地面能力之间的平衡，以确保在当前数据传输限制下的计算资源的最佳分配。劳斯莱斯和DS&S的合作伙伴关系汇集了 EHM全面服务所需的专业知识，从而降低了下一代民用飞机的运行寿命。G F Tanner& J A Crawiord在 2003 年 5 月 14 日，英国格洛斯特的独立外部评价“飞机机载状态监测”技术研讨会 上发表