CN103728965A - 一种航空发动机的监视装置和方法、fadec 系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空发动机的监视装置和方法，以及FADEC系统，此监视装置中的信号采集装置，用于实时采集航空发动机的状态参数，并将所述状态参数发送到健康管理装置;健康管理装置，用于对所述状态参数进行实时分析和处理，评估所述航空发动机的健康状态，并对发动机部件的寿命进行预测。本发明的航空发动机的监视装置和方法，以及FADEC系统能够对发动机工作状态进行实时监视，自动定位已发生故障的部件并预测潜在的故障，提交诊断和预测报告，给出维修建议，提供完善的健康管理服务，提高发动机控制系统可靠性，并实现视情维修，降低了发动机维护成本。

Description

一种航空发动机的监视装置和方法、FADEC 系统

技术领域

本发明涉及发动机监视装置技术领域，尤其涉及一种航空发动机的监视装置和方法、FADEC系统。

背景技术

随着航空发动机技术的发展，航空发动机性能逐渐增强、结构日益复杂，这些都增加了发动机状态监视和管理的深度和广度。此外，航空发动机运行和维修成本高昂，维护理念已从过去的按寿命或技术状态维护向按可靠性要求的视情维护方向转变，新维护形式要求对各阶段发动机状态进行可靠的评估和预测。这些要求决定了EHMS（Engine HealthManagement System：发动机健康管理系统）的两个主要用途：1、保证发动机健康稳定的工作，提高飞行安全性；2、通过对发动机及部件故障诊断和寿命预测，综合各方面资源管理发动机的运行，降低发动机的维护费用。

目前，现有方案的机载EHMS功能集成在EEC（Electronic EngineControl：电子发动机控制）系统中实现，可实现对气路、燃/滑油等系统的状态监视功能。相对EEC的控制功能来说，健康管理任务级别较低，实现功能较为简单。因此，无法满足复杂度较高的大型发动机的健康管理和寿命预测的需求。现有的另一种方案为使用独立的RCU（Remote Collection Unit：远程收集单元）实现监视数据的采集，但它并不实现本地的大容量监视数据存储、故障诊断功能，即无法实现发动机全面的健康状况监视及管理。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的一个技术问题是提供一种航空发动机的监视装置，为一种可以实现发动机的状态监视和健康管理功能的装置。

一种航空发动机的监视装置，包括：信号采集装置，用于实时采集航空发动机的状态参数，并将所述状态参数发送到健康管理装置;健康管理装置，用于对所述状态参数进行实时分析和处理，并将所述状态参数输入健康预测模型，结合历史数据评估所述航空发动机的健康状态，并对发动机部件的寿命进行预测。

根据本发明的航空发动机的监视装置的一个实施例，进一步的，所述信号采集装置包括：发动机信号采集单元，用于实时采集安装在航空发动机部件上的传感器信号，并获取发动机电子控制系统中的状态信息、故障信息和飞行参数。

根据本发明的航空发动机的监视装置的一个实施例，进一步的，所述传感器信号包括：气路系统参数、燃油系统参数、滑油系统参数和振动参数；信号预处理单元，用于对所述传感器信号进行滤波、放大处理，并转换为数字信号。

根据本发明的航空发动机的监视装置的一个实施例，进一步的，所述健康管理装置包括：异常检测单元，用于对所述传感器信号进行异常检测；故障诊断单元，用于定位产生异常信号的传感器，将实时采集的信号输入故障诊断模型，并结合所述发动机电子控制系统中的状态信息、故障信息和飞行参数，进行关联分析，对发动机部件进行故障诊断，并根据预先设置的排序规则对异常和故障进行排序；或者，将异常参数发送到地面维护终端或地面EHMS进行分析，并获取分析结果；健康评估单元，用于根据故障诊断单元输出的结果实时评估异常或故障；通过健康预测模型对出现一或二级故障的发动机部件进行寿命评估和预测；健康报告生成与指示单元，用于生成健康报告，如果出现异常或故障则发出告警信号，并针对所述异常或告警生成维修建议。

根据本发明的航空发动机的监视装置的一个实施例，进一步的，发动机部件的故障分为五级，一级故障为微型故障，部件性能降低10％；二级故障为小型故障，部件性能降低20％；三级故障为中型故障，部件性能降低30％；四级故障为大型故障，部件性能降低40％；五级故障为巨型故障，部件性能降低50％以上。

根据本发明的航空发动机的监视装置的一个实施例，进一步的，通信装置通过通讯总线与飞机综合管理系统、EEC、地面维护终端和地面EHMS进行数据交互。

根据本发明的航空发动机的监视装置的一个实施例，进一步的，所述通信装置将发动机的状态参数、异常、故障、所述健康报告或维修建议发送到所述飞机综合管理系统、EEC、地面维护终端或地面EHMS。

根据本发明的航空发动机的监视装置的一个实施例，进一步的，还包括：数据存储装置，用于存储所述发动机的状态参数、异常和故障日志；所述状态参数包括：发动机使用时间参数、发动机工作状态参数和发动机工作环境参数。

本发明要解决的一个技术问题是提供一种航空发动机的FADEC系统，包括如上所述的航空发动机的监视装置。

本发明要解决的一个技术问题是提供一种航空发动机的监视方法，可以监视发动机的状态并进行健康管理。

一种航空发动机的监视方法，包括：信号采集装置实时采集航空发动机的状态参数，并将所述状态参数发送到健康管理装置;健康管理装置对所述状态参数进行实时分析和处理，并将所述状态参数输入健康预测模型，结合历史数据评估所述航空发动机的健康状态，并对发动机部件的寿命进行预测。

根据本发明的航空发动机的监视方法的一个实施例，进一步的，所述信号采集装置实时采集安装在航空发动机部件上的传感器信号，并获取发动机电子控制系统中的状态信息、故障信息和飞行参数。

根据本发明的航空发动机的监视方法的一个实施例，进一步的，所述传感器信号包括：气路系统参数、燃油系统参数、滑油系统参数和振动参数；所述信号采集装置对所述传感器信号进行滤波、放大处理，并转换为数字信号。

根据本发明的航空发动机的监视方法的一个实施例，进一步的，所述健康管理装置对所述传感器信号进行异常检测，定位发生异常的传感器，将实时采集的信号输入故障诊断模型，并结合所述发动机电子控制系统中的状态信息、故障信息和飞行参数，进行关联分析，对发动机部件进行故障诊断，并根据预先设置的排序规则对异常和故障进行排序；或者，将异常参数发送到地面维护终端或地面EHMS进行分析，并获取分析结果；所述健康管理装置根据故障诊断单元输出的结果进行实时评估故障的严重程度，通过健康预测模型对出现一或二级故障的发动机部件进行寿命评估和预测；所述健康管理装置生成健康报告，如果出现异常或故障则发出告警信号，并针对所述异常或告警生成维修建议。

根据本发明的航空发动机的监视方法的一个实施例，进一步的，发动机部件的故障分为五级，一级故障为微型故障，部件性能降低10％；二级故障为小型故障，部件性能降低20％；三级故障为中型故障，部件性能降低30％；四级故障为大型故障，部件性能降低40％；五级故障为巨型故障，部件性能降低50％以上。

根据本发明的航空发动机的监视方法的一个实施例，进一步的，所述通信装置通过通讯总线与飞机、EEC、地面维护终端和地面EHMS进行数据的交互；其中，所述通信装置将发动机的状态参数、异常、故障、健康报告或维修建议发送到所述飞机、EEC、地面维护终端或地面EHMS。

本发明的航空发动机的监视装置和方法能够对发动机工作状态进行实时监视，自动定位已发生故障的部件并预测潜在的故障，提交诊断和预测报告，给出维修建议，实现视情维修。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明的航空发动机的监视装置的一个实施例的示意图；

图2为根据本发明的航空发动机的监视装置的一个实施例中信号采集装置的示意图；

图3为根据本发明的航空发动机的监视装置的一个实施例中健康管理装置的示意图；

图4为根据本发明的航空发动机的监视方法的一个实施例的流程图；

图5为根据本发明的航空发动机的监视方法的另一个实施例的流程图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为根据本发明的航空发动机的监视装置的一个实施例的示意图。如图所示，航空发动机的监视装置1包括：信号采集装置11、健康管理装置12。信号采集装置11实时采集航空发动机的状态参数，并将状态参数发送到健康管理装置12。健康管理装置12对状态参数进行实时分析和处理，评估航空发动机的健康状态，并对发动机部件的寿命进行预测。

根据本发明的一个实施例，在健康管理装置12中可以预先设置健康预测模型。健康预测模型能够说明健康预测对象与其相关因素的联系、依存、变化和运动的关系，是在一种比较稳定的结构或现象间具有某种比较稳定的相关关系的基础上建立的预测模型，也就是综合各种途径取得的信息参数,进行一定精度的、细致的预测估计。可以针对不同的发动机部件建立多个健康预测模型，也可以将多个健康预测模型集成为一个具有统一输入、输出接口的发动机部件的健康预测模型。将数据输入健康预测模型，结合历史数据，可以评估所述航空发动机的健康状态，并对发动机各部件的寿命进行预测。

信号采集装置11采集安装在航空发动机部件上的传感器2的信号，并将采集到的传感器信号转换为电信号后传送至健康管理装置12。

健康管理装置12对状态参数进行实时分析和处理，并将状态参数输入健康预测模型，结合历史数据评估所述航空发动机的健康状态，并对发动机部件的寿命进行预测。

根据本发明的一个实施例，通信装置13与监视装置外部的装置或系统进行数据交互。例如，通信装置13与EEC3和地面EHMS4系统进行数据交互。通信装置13也可以与飞机综合管理系统进行数据交互。通讯模块13可以保证提供准确、实时的监视数据，并将发动机运行时重要状态参数数据、维修数据等发送到地面EHMS和维护系统等。

根据本发明的一个实施例，监视装置1也可以包括数据存储装置14。数据存储装置14存储发动机的状态参数、异常和故障日志。状态参数包括：发动机使用时间参数、发动机工作状态参数和发动机工作环境参数等。数据存储装置14通过大容量NVM（Non-Volatile Memory：非易失性存储器）实时存储发动机健康监视数据，并可根据需要发送发动机健康数据。

本发明的航空发动机的监视装置能够对发动机工作状态进行实时监视，自动定位已发生故障的部件并预测潜在的故障，提交诊断和预测报告，给出维修建议，实现视情维修。利用来自监视专用传感器和控制系统等的相关数据，对发动机的相关状态参数进行监视，当出现参数超限时，及时向机组人员发出警告；对发动机的工作状况进行诊断，评估发动机的健康状况，对发动机的关键部件寿命进行预测，适时给出维修建议。当发现部件工作异常、失效或故障时，记录存储相关事件前后发动机的运行数据，并可以提根据需要向地面EHMS或维护保障系统发送事件数据进行综合分析。

图2为根据本发明的航空发动机的监视装置的一个实施例中信号采集装置的示意图。如图2所示：信号采集装置21包括：发动机信号采集单元211和信号预处理单元212。发动机信号采集单元211实时采集安装在航空发动机部件上的传感器信号，并获取发动机电子控制系统中的状态信息、故障信息和飞行参数；其中，传感器信号包括：气路系统参数、燃油系统参数、滑油系统参数和振动参数；信号预处理单元212对传感器信号进行滤波、放大处理，并转换为数字信号。

根据本发明的一个实施例，信号采集装置21由模拟量输入采集电路、开关量输入采集电路等构成。模拟量输入采集电路主要完成传感器输入模拟量信号的滤波、放大等信号调理环节，实现物理信号的标准转换，再通过A/D环节进行采集，转换为数字处理器可识别的信息量。开关量输入电路主要完成开关量输入信号的消抖处理、整形及采样。表征发动机各种状态参数的物理信号，经过滤波、放大等信号调理、转换后传送给健康管理模块。

图3为根据本发明的航空发动机的监视装置的一个实施例中健康管理装置的示意图。如图3所示，健康管理装置31包括：异常检测单元311、故障诊断单元312、健康评估单元313、健康报告生成与指示单元414。异常检测单元311对传感器信号进行异常检测。异常检测单元311可以实现对发动机气路、发动机燃/滑油系统、发动机振动参数的超限异常检测。

故障诊断单元312用于定位产生异常信号的传感器，将实时采集的信号输入故障诊断模型，并结合发动机电子控制系统中的状态信息、故障信息和飞行参数，进行关联分析，对发动机部件进行故障诊断，并根据预先设置的排序规则对异常和故障进行排序；或者，将异常参数发送到地面维护终端或地面EHMS进行分析，并获取分析结果。

根据本发明的一个实施例，在故障诊断单元312中可以预先设置故障诊断模型。故障诊断模型综合各种途径取得的信息参数,进行一定精度的、细致的预测估计，进行故障的诊断。将数据输入故障诊断模型，结合历史数据，可以判断航空发动机的是否出现故障。

根据本发明的一个实施例，发动机部件的故障分为五级，一级故障为微型故障，部件性能降低10％，不影响发动机整体性能；二级故障为小型故障，部件性能降低20％，不影响发动机整体性能；三级故障为中型故障，部件性能降低30％，轻度影响发动机整体性能；四级故障为大型故障，部件性能降低40％，严重影响发动机整体性能；五级故障为巨型故障，部件性能降低50％以上，导致发动机整体性能丧失。

健康评估单元313根据故障诊断单元输出的结果实时评估故障的严重程度，对发动机部件进行使用寿命预测，并根据预先设置的排序规则对异常和故障进行排序。

根据一个实施例，健康评估单元313根据故障诊断单元输出的结果实时评估异常或故障；通过健康预测模型对出现一或二级故障的发动机部件进行寿命评估和预测。根据一个实施例，也可以对其它级别的故障进行寿命预测和评估。

根据一个实施例，健康评估单元313在进行预测和评估时，可以通过通信装置从飞机综合管理系统、地面EHMS和维护系统获取经验参数、历史信息、诊断模型等信息，也可以从数据存储装置中获取经验参数、历史信息、诊断模型等信息。

健康报告生成与指示单元314生成健康报告，如果出现异常或故障则发出告警信号，并针对异常或告警生成维修建议。健康报告生成与指示单元314也可以提供飞机驾驶舱指示所需的信息（超限告警），可以生成供维护人员查看的健康报告及维修建议。

根据本发明的一个实施例，健康管理装置31由高性能CPU及协处理器控制。根据采集到的发动机各部件的信息，按照健康诊断模型进行实时分析和处理，对超限信号发出告警，并对发动机关键部件的寿命进行预测，形成健康报告，合并分析历史数据适时给出维修建议。

本发明的航空发动机的监视装置采集安装在发动机各个部件上的传感器信号，同时从EEC和飞机相关系统读取控制用传感器参数、故障信息和飞行参数；对需要处理的传感器采集原始数据进行处理，状态监测单元实时监测和记录各种状态参数；发现异常时，综合其他参数对异常确认或过滤，并进行故障诊断，最后根据异常及故障的置信度、严重度、紧急度对各系统部件的健康进行评估；并生成健康报告提交给飞机中央维护计算机，同时按飞机要求，将异常时需要告警的信号及状态发送至飞机告警系统。

根据本发明的一个实施例，本发明的航空发动机的监视装置中的母板实现各个装置之间的电气互连，由于监视装置中既有高频数字信号又有毫伏级模拟信号，所以母板设计过程中应重点考虑如何消除各种信号之间的干扰。

监视装置的控制软件实现加电自检、状态监视、报警、故障诊断、故障预测、发动机寿命管理、发动机转子平衡分析等功能。

监视装置的各装置及机架设计应根据其热分析仿真结果，进行合理的热设计，以获取优良的散热效果。

监视装置的各装置的印制板进行结构加强设计，增强印制板抗变形能力。根据发动机的电磁环境特点对电路板、结构件进行电磁兼容性设计，保证监视装置在复杂电磁环境中可靠工作；监视装置的结构件使用耐火金属材料设计，保证其耐火温度远高于监视装置的工作环境温度。

根据本发明的一个实施例，航空发动机的FADEC（Full AuthorityDigital Electronic Control：全权限数字电子控制器）包括如上的航空发动机监视装置。本发明的监视装置为FADEC系统中的航线可更换部件。

图4为根据本发明的航空发动机的监视方法的一个实施例的流程图。如图所示,航空发动机的监视方法包括：

步骤402，信号采集装置实时采集航空发动机的状态参数，并将状态参数发送到健康管理装置。

步骤403，健康管理装置对状态参数进行实时分析和处理，评估航空发动机的健康状态，并对发动机部件的寿命进行预测。

根据本发明的一个实施例，信号采集装置实时采集安装在航空发动机部件上的传感器信号，并获取发动机电子控制系统中的状态信息、故障信息和飞行参数；其中，传感器信号包括：气路系统参数、燃油系统参数、滑油系统参数和振动参数；信号采集装置对传感器信号进行滤波、放大处理，并转换为数字信号。

图5为根据本发明的航空发动机的监视方法的另一个实施例的流程图。如图所示,航空发动机的监视方法包括：

步骤502，传感器实时采集航空发动机的传感器信号，并将状态参数发送到健康管理装置。

步骤503，判断传感器信号是否异常；如果出现异常则进入步骤504，如果没有出现异常则正常结束；

步骤504，定位发生异常的传感器，将实时采集的信号输入故障诊断模型，结合其它的状态信息对发动机部件进行故障诊断，并根据预先设置的排序规则对异常和故障进行排序；

步骤505，获取健康历史数据，通过健康预测模型对出现一或二级故障的发动机部件进行寿命评估和预测。也可以对其它级别的故障进行寿命评估和预测；

步骤506，生成健康报告，如果出现异常或故障则发出告警信号，并针对异常或告警生成维修建议；

根据一个实施例，健康管理装置可以将异常参数发送到地面维护终端或地面EHMS进行分析，并获取分析结果。

本发明的航空发动机的监视装置和方法可为航空发动机提供完善的健康管理服务，实现发动机健康状况的实时监视、健康状况评估、寿命预测及超限告警；实现了大容量发动机健康数据的实时存储；形成发动机健康报告及维修建议；提高发动机控制系统可靠性；实现视情维修，降低发动机维护成本。

可能以许多方式来实现本发明的方法和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和系统。用于方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (14)

1.一种航空发动机的监视装置，其特征在于，包括：

信号采集装置，用于实时采集航空发动机的状态参数，并将所述状态参数发送到健康管理装置;

健康管理装置，用于对所述状态参数进行实时分析和处理，并将所述状态参数输入健康预测模型，结合历史数据评估所述航空发动机的健康状态，并对发动机部件的寿命进行预测。

2.如权利要求1所述的监视装置，其特征在于，所述信号采集装置包括：

发动机信号采集单元，用于实时采集安装在航空发动机部件上的传感器信号，并获取发动机电子控制系统中的状态信息、故障信息和飞行参数；

信号预处理单元，用于对所述传感器信号进行滤波、放大处理，并转换为数字信号。

3.如权利要求2所述的监视装置，其特征在于：

所述传感器信号包括：气路系统参数、燃油系统参数、滑油系统参数和振动参数。

4.如权利要求2所述的监视装置，其特征在于，所述健康管理装置包括：

异常检测单元，用于对所述传感器信号进行异常检测；

故障诊断单元，用于定位产生异常信号的传感器，将实时采集的信号输入故障诊断模型，并结合所述发动机电子控制系统中的状态信息、故障信息和飞行参数，进行关联分析，对发动机部件进行故障诊断，并根据预先设置的排序规则对异常和故障进行排序；或者，将异常参数发送到地面维护终端或地面EHMS进行分析，并获取分析结果；

健康评估单元，用于根据故障诊断单元输出的结果实时评估异常或故障；通过健康预测模型对出现一或二级故障的发动机部件进行寿命评估和预测；

健康报告生成与指示单元，用于生成健康报告，如果出现异常或故障则发出告警信号，并针对所述异常或告警生成维修建议。

5.如权利要求4所述的监视装置，其特征在于：

发动机部件的故障分为五级，一级故障为微型故障，部件性能降低10％；二级故障为小型故障，部件性能降低20％；三级故障为中型故障，部件性能降低30％；四级故障为大型故障，部件性能降低40％；五级故障为巨型故障，部件性能降低50％以上。

6.如权利要求4所述的监视装置，其特征在于，还包括：通信装置；

所述通信装置通过通讯总线与飞机、EEC、地面维护终端和地面EHMS进行数据交互；

其中，所述通信装置将发动机的状态参数、异常、故障、所述健康报告或维修建议发送到所述飞机、EEC、地面维护终端或地面EHMS。

7.如权利要求4所述的监视装置，其特征在于，还包括：数据存储装置，用于存储所述发动机的状态参数、异常和故障日志；

其中，所述状态参数包括：发动机使用时间参数、发动机工作状态参数和发动机工作环境参数。

8.一种航空发动机FADEC系统，其特征在于：

包括如权利要求1至7任意一项所述的航空发动机的监视装置。

9.一种航空发动机的监视方法，其特征在于，包括：

信号采集装置实时采集航空发动机的状态参数，并将所述状态参数发送到健康管理装置;

健康管理装置对所述状态参数进行实时分析和处理，并将所述状态参数输入健康预测模型，结合历史数据评估所述航空发动机的健康状态，并对发动机部件的寿命进行预测。

10.如权利要求9所述的监视方法，其特征在于：

所述信号采集装置实时采集安装在航空发动机部件上的传感器信号，并获取发动机电子控制系统中的状态信息、故障信息和飞行参数。

11.如权利要求10所述的监视方法，其特征在于：

所述传感器信号包括：气路系统参数、燃油系统参数、滑油系统参数和振动参数；所述信号采集装置对所述传感器信号进行滤波、放大处理，并转换为数字信号。

12.如权利要求10所述的监视方法，其特征在于：

所述健康管理装置对所述传感器信号进行异常检测，定位发生异常的传感器，将实时采集的信号输入故障诊断模型，并结合所述发动机电子控制系统中的状态信息、故障信息和飞行参数，进行关联分析，对发动机部件进行故障诊断，并根据预先设置的排序规则对异常和故障进行排序；或者，将异常参数发送到地面维护终端或地面EHMS进行分析，并获取分析结果；

所述健康管理装置根据故障诊断单元输出的结果进行实时评估故障的严重程度，并通过健康预测模型对出现一或二级故障的发动机部件进行寿命评估和预测；所述健康管理装置生成健康报告，如果出现异常或故障则发出告警信号，并针对所述异常或告警生成维修建议。

13.如权利要求12所述的监视方法，其特征在于：

发动机部件的故障分为五级，一级故障为微型故障，部件性能降低10％；二级故障为小型故障，部件性能降低20％；三级故障为中型故障，部件性能降低30％；四级故障为大型故障，部件性能降低40％；五级故障为巨型故障，部件性能降低50％以上。

14.如权利要求12所述的监视方法，其特征在于：

通信装置通过通讯总线与飞机、EEC、地面维护终端和地面EHMS进行数据的交互；其中，所述通信装置将发动机的状态参数、异常、故障、健康报告或维修建议发送到所述飞机、EEC、地面维护终端或地面EHMS。

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