一种涡扇发动机热端虚拟传感器信号生成与气路故障诊断方法技术

本发明专利技术公开了一种针对航空发动机动态过程气路故障诊断时部分传感信号缺失的问题，利用高压涡轮出口压力虚拟传感器生成技术替代真实传感器进行气路故障诊断，该方法包括：基于机理模型的高压涡轮出口压力虚拟传感器前向信号生成与后向信号生成；基于虚拟传感器的信号选择逻辑，结合UKF的气路旋转部件故障诊断。本发明专利技术解决了在缺少热端部件高压涡轮出口压力的情况下，发动机气路故障诊断能力不强的问题，适用于发动机飞行包线内不同工作点旋转部件故障的动态过程诊断，对于发动机健康管理、降低维修成本有着积极促进的作用。

A Method of Signal Generation and Gas Path Fault Diagnosis for Turbofan Engine Hot End Virtual Sensor

【技术实现步骤摘要】
一种涡扇发动机热端虚拟传感器信号生成与气路故障诊断方法
本专利技术属于航空发动机气路故障诊断
，尤其涉及一种缺失高压涡轮出口压力传感器的航空发动机包线内气路故障识别方法。
技术介绍
航空发动机作为飞机的心脏，其结构复杂且工作环境恶劣。发动机故障诊断技术是保证发动机性能与可靠性，降低使用维护成本的重要手段。气路部件故障影响着航空发动机的性能与可靠性，有必要对其进行诊断。卡尔曼滤波算法是线性最小方差估计的一种递推形式。只要有足够的传感器测量可用，那么卡尔曼滤波方法在航空发动机气路故障诊断中有着较高的精度。然而，由于复杂的发动机结构限制了传感器的安装，特别是在燃烧室和低压涡轮之间的位置，所以很难集齐气路所有的物理参数。本专利技术基于无迹卡尔曼滤波方法，在航空热力学理论的基础上，建立热端虚拟传感器，并提出了一种与状态估计相结合的假设检验策略来跟踪发动机部件的突然蜕化。本专利技术提出了前向信号生成与后向信号生成高压涡轮出口压力虚拟传感器，基于虚拟传感器的信号选择逻辑，结合无迹卡尔曼滤波器(UKF)的涡轮部件气路故障诊断，在飞行包线内不同工作点的都有满意的精度。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提供一种涡扇发动机热端虚拟传感器信号生成与气路故障诊断方法，利用虚拟传感器替代高压涡轮出口压力传感器，并提出了一种与状态估计相结合的假设检验策略来跟踪发动机部件的突然蜕化。针对航空发动机在包线内不同的工作状态，实现了发动机在飞行包线内不同的工作点利用虚拟传感器的气路故障诊断。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种涡扇发动机热端虚拟传感器信号生成与气路故障诊断方法，包括以下步骤：步骤1)利用高压涡轮生成正向高压涡轮出口压力信号与利用低压涡轮生成反向高压涡轮出口压力信号；步骤2)基于虚拟传感器的信号选择逻辑，选择正向高压涡轮出口压力信号或反向高压涡轮出口压力信号中的一个作为虚拟传感器信号，结合无迹卡尔曼滤波器，即UKF对旋转部件进行气路故障诊断。进一步地，所述步骤1)中正向生成与反向生成高压涡轮出口压力虚拟传感器信号具体步骤如下：步骤1.1)利用高压涡轮部件模型，基于容积动力学正向生成高压涡轮出口压力信号，通过牛顿迭代方法提高信号精度；步骤1.2)利用低压涡轮部件模型，基于转子动力学反向计算高压涡轮出口压力信号，通过牛顿迭代方法提高信号精度。进一步地，所述步骤1.1)中利用高压涡轮部件模型，基于容积动力学生成正向高压涡轮出口压力信号，通过牛顿迭代方法提高信号精度具体步骤如下：步骤1.1.1)利用燃烧室入口参数，计算出高压涡轮的入口温度T4和高压涡轮当前时刻的入口压力P4，代入高压涡轮部件中，利用高压涡轮当前时刻的入口压力P4和上一时刻出口压力P43计算出高压涡轮压比，根据航空发动机在不同转速下对应的高压涡轮压比与高压涡轮入口流量，高压转子效率与高压涡轮入口流量生成两种插值表，通过计算出的高压涡轮压比，根据插值表得出相应的高压涡轮入口流量W4和高压转子效率，根据容积效应中流量不平衡计算当前时刻的高压涡轮出口温度、压力计算公式为：其中，h43是高压涡轮旋转部件后掺混后的气体的焓值，W4，Wcool分别是当前时刻高压涡轮和冷却气流量，W43是上一时刻高压涡轮出口流量，R43是由油气比算出的气体常数，V是容腔的体积，T43，P43是上一时刻高压涡轮出口温度和压力，k43是由T43和油气比算出的比热系数，D43是由焓与比热系数算出的计算系数，P43(n),P43(n-1)分别为当前与上一时刻的高压涡轮出口压力，T43(n),T43(n-1)分别为当前与上一时刻的高压涡轮出口温度，step为计算步长；步骤1.1.2)为了得到更加精确的高压涡轮出口压力，根据计算出的高压涡轮出口温度，与真实传感器测得温度的残差，对步骤1.1.1)中上一时刻的高压涡轮出口压力进行修正，具体公式为：其中，k为迭代次数，h是扰动步长，T43,r是量测的高压涡轮出口温度，迭代更新直到精度达到10-5，或者迭代次数达到设置的最大值15，输出虚拟传感器信号。进一步地，步骤1.2)中所述利用低压涡轮部件模型，基于转子动力学计算反向高压涡轮出口压力信号，通过牛顿迭代方法提高信号精度具体步骤如下：步骤1.2.1)，利用低压涡轮上一时刻计算的入口压力和当前时刻量测出口压力计算出低压涡轮压比，根据航空发动机在不同转速下对应的低压涡轮压比与低压涡轮入口流量，低压转子效率与低压涡轮入口流量，生成两种插值表，通过计算出的低压涡轮压比，，由插值表得出对应的低压涡轮入口流量和低压转子效率，计算当前时刻的低压涡轮出口温度：S5＝S43-lgπLPTh5＝h43+(h43-h5,i)ηLPTT5,c＝fh2T(fin,h5)其中，πLPT是低压涡轮的压比，S5，h5分别是低压涡轮出口的熵值，焓值，S43表示高压涡轮出口燃气熵值，h5,i是低压涡轮出口理想焓值由油气比和熵值计算得出，ηLPT是低压涡轮效率，T5,c是低压涡轮出口温度，fh2T()是焓值对应温度的函数，fin是对应的油气比；步骤1.2.2)根据计算出的低压涡轮出口温度，与真实传感器测得温度的残差，对低压涡轮压比进行修正，具体公式为：其中，T5,c，T5,r分别是计算出的和量测的低压涡轮出口温度，迭代更新直到精度达到10-5，或者迭代次数达到设置的最大值15，根据此时低压涡轮压比πLPT，计算出低压涡轮入口压力，输出作为反向高压涡轮压力信号。进一步地，步骤2)中所述基于虚拟传感器的信号选择逻辑，选择正向高压涡轮出口压力信号或反向高压涡轮出口压力信号作为虚拟传感器信号，结合UKF对旋转部件气路故障诊断具体步骤如下：步骤2.1)，利用真实传感器数据，通过UKF计算出风扇，压气机的4个健康参数；步骤2.2)，根据油量变化，以及基于正向假设的压力信号，通过UKF计算出健康参数，根据逻辑选择确定虚拟传感器信号；步骤2.3)，将真实传感器数据与虚拟传感器数据结合，通过UKF计算出完整的风扇，压气机，高压涡轮，低压涡轮的8个健康参数，将其前4个健康参数用步骤2.1)中的4个健康参数替换，组合成新的健康参数代表当前时刻的发动机状态。进一步地，步骤2.2)中根据油量变化，以及基于正向假设的压力信号，通过UKF计算出健康参数，根据逻辑选择确定虚拟传感器信号具体步骤如下：步骤2.2.1)，若油量变化率超过σ1，则虚拟传感器信号采用上一时刻虚拟传感器信号生成方式，直到高压涡轮效率健康参数偏离量低于σ2并且低压涡轮的流量健康参数的偏离量少于σ3；步骤2.2.2)，若油量没有突变，是一个稳态或者油量渐变的工作状况，此时利用通过高压涡轮部件正向生成出的压力信号；通过UKF利用正向生成的压力信号计算出相应的健康参数，如果高压涡轮的流量健康参数偏离量小于θ1并且高压涡轮效率健康参数偏离量小于θ2，则表示高压涡轮当前为未故障状态，将正向生成的压力作为虚拟传感器信号；反之，通过低压涡轮部件计算反向生成的压力信号，UKF利用反向生成的压力信号计算出相应的健康参数，并且将反向生成的压力信号作为虚拟传感器信号。进一步地，step取0.001，h取0.0001。进一步地，σ1取0.1，σ2取0.5％，σ3取0.5％，θ1取0.5％，θ2取0.5％，0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涡扇发动机热端虚拟传感器信号生成与气路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)利用高压涡轮生成正向高压涡轮出口压力信号与利用低压涡轮生成反向高压涡轮出口压力信号；步骤2)基于虚拟传感器的信号选择逻辑，选择正向高压涡轮出口压力信号或反向高压涡轮出口压力信号中的一个作为虚拟传感器信号，结合无迹卡尔曼滤波器，即UKF对旋转部件进行气路故障诊断。

【技术特征摘要】
1.一种涡扇发动机热端虚拟传感器信号生成与气路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)利用高压涡轮生成正向高压涡轮出口压力信号与利用低压涡轮生成反向高压涡轮出口压力信号；步骤2)基于虚拟传感器的信号选择逻辑，选择正向高压涡轮出口压力信号或反向高压涡轮出口压力信号中的一个作为虚拟传感器信号，结合无迹卡尔曼滤波器，即UKF对旋转部件进行气路故障诊断。2.根据权利要求1所述的一种涡扇发动机热端虚拟传感器信号生成与气路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤1)中正向生成与反向生成高压涡轮出口压力虚拟传感器信号具体步骤如下：步骤1.1)利用高压涡轮部件模型，基于容积动力学正向生成高压涡轮出口压力信号，通过牛顿迭代方法提高信号精度；步骤1.2)利用低压涡轮部件模型，基于转子动力学反向计算高压涡轮出口压力信号，通过牛顿迭代方法提高信号精度。3.根据权利要求2所述的一种涡扇发动机热端虚拟传感器信号生成与气路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤1.1)中利用高压涡轮部件模型，基于容积动力学生成正向高压涡轮出口压力信号，通过牛顿迭代方法提高信号精度具体步骤如下：步骤1.1.1)利用燃烧室入口参数，计算出高压涡轮的入口温度T4和高压涡轮当前时刻的入口压力P4，代入高压涡轮部件中，利用高压涡轮当前时刻的入口压力P4和上一时刻出口压力P43计算出高压涡轮压比，根据航空发动机在不同转速下对应的高压涡轮压比与高压涡轮入口流量，高压转子效率与高压涡轮入口流量生成两种插值表，通过计算出的高压涡轮压比，根据插值表得出相应的高压涡轮入口流量W4和高压转子效率，根据容积效应中流量不平衡计算当前时刻的高压涡轮出口温度、压力计算公式为：其中，h43是高压涡轮旋转部件后掺混后的气体的焓值，W4，Wcool分别是当前时刻高压涡轮和冷却气流量，W43是上一时刻高压涡轮出口流量，R43是由油气比算出的气体常数，V是容腔的体积，T43，P43是上一时刻高压涡轮出口温度和压力，k43是由T43和油气比算出的比热系数，D43是由焓与比热系数算出的计算系数，P43(n),P43(n-1)分别为当前与上一时刻的高压涡轮出口压力，T43(n),T43(n-1)分别为当前与上一时刻的高压涡轮出口温度，step为计算步长；步骤1.1.2)为了得到更加精确的高压涡轮出口压力，根据计算出的高压涡轮出口温度，与真实传感器测得温度的残差，对步骤1.1.1)中上一时刻的高压涡轮出口压力进行修正，具体公式为：其中，k为迭代次数，h是扰动步长，T43,r是量测的高压涡轮出口温度，迭代更新直到精度达到10-5，或者迭代次数达到设置的最大值15，输出虚拟传感器信号。4.根据权利要求2所述的一种涡扇发动机热端虚拟传感器信号生成与气路故障诊断方法，其特征在于：步骤1.2)中所述利用低压涡轮部件模型，基于转子动力学计算反向高压涡轮出口压力信号，通过牛顿迭代方法提高信号精度具体步骤如下：步骤1.2.1)，利用低压涡轮上一时刻计算的入口压力和当前时刻量测出口压力计算出低压涡轮压比，根据航空发动机在不同转速下对应的低压涡轮压比与低压涡轮入口流量，低压转子效率与低压涡轮入口流量，生成两种...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁峰，金鹏，黄金泉，吴斌，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32