CN104345273A - 飞机辅助动力单元起动机性能检测方法和装置 - Google Patents

飞机辅助动力单元起动机性能检测方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种辅助动力单元APU起动机的性能检测方法，包括：获取一时间段内多个时间点上与APU有关的报文；根据所述报文获取所述APU起动机的运行参数，所述运行参数包括启动时间STA；计算所述时间段内所述启动时间STA的平均值AVG以及偏差指数δ；根据所述偏差指数δ确定所述APU起动机的性能处于稳定期，衰退期，或故障期。

Description

飞机辅助动力单元起动机性能检测方法和装置
技术领域
本发明涉及一种飞机部件性能的检测方法，特别地，涉及一种飞机辅助动力单元起动机性能的检测方法。
背景技术
机载辅助动力单元（Airborne Auxiliary Power Unit），简称辅助动力单元APU，是安装在飞机尾部的一台小型涡轮发动机。APU的主要功能是提供电源和气源，也有少量的APU可以向飞机提供附加推力。具体来说，飞机在地面上起飞前，由APU供电来启动主发动机，从而不需依靠地面电、气源车来发动飞机。在地面时，APU还提供电力和压缩空气保证客舱和驾驶舱内的照明和空调。在飞机起飞时，APU可作为备用电源使用。在飞机降落后，仍由APU供应电力照明和空调。APU的功能决定了其运行的稳定性直接关系到飞机的飞行成本和服务质量。
APU的点火启动是通过起动机来完成的。航空燃气涡轮发动机的结构和循环过程决定了它不能自主的点火起动。这是因为，在静止的发动机中直接喷油点火，因为压气机没有旋转，前面空气没有压力，就不能使燃气向后流动，也就无法使涡轮转动起来，这样会烧毁燃烧室和涡轮导向叶片。所以，燃气涡轮发动机的起动特点就是：先要气流流动，再点火燃烧，也即是发动机必须要先旋转，再起动。根据这个起动特点，就必须在点火燃烧前先由起动机通过消耗电能来带动发动机旋转。
APU的起动过程是使APU转子从静止状态过渡到稳定工作状态的加速过程，即APU转子转速从0加速至95%以上的工作过程。在这一过程中，APU转子能否在规定的时间内达到规定的工作转速进入稳定工作状态，主要取决于APU转子在起动过程中所获得的转矩大小。随着起动机工作时间增长，由于内部励磁场变形、铜、铁损的增加以及机械磨损等原因，导致碳刷接触性下降或内部摩擦力增加等，其效能逐渐降低，输出功率也随之降低。当起动机输出功率下降到一定程度时，起动机无法使APU转子获得足够的转矩，即发生起动机失效。
APU起动机是APU的重要部件，一旦起动机失效，将会直接导致其无法启动运行，从而使飞机停飞。据统计，起动机故障占APU故障总量的近半数，是APU正常工作的主要障碍，也是改善APU维护水平所需解决的主要问题。目前来看，对APU起动机并没有有效的维护方法，只能事后进行维修。并且由于起动机性能衰退较快（一般来说，从进入衰退阶段到发生故障基本在三十个飞行小时之内），这就需要对飞机APU起动机性能的衰退现象做出迅速的反应，以留出准备备件的时间，这对保证飞机正点运行十分重要，同时也能更精确地控制库存，甚至实现零库存。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，根据本发明的一个方面，提出一种辅助动力单元APU起动机的检测方法，包括：获取一时间段内多个时间点上与APU有关的报文；根据所述报文获取所述APU起动机的运行参数，所述运行参数包括启动时间STA；计算所述时间段内所述启动时间STA的平均值AVG以及偏差指数δ；根据所述偏差指数δ确定所述APU起动机的性能处于稳定期，衰退期，或故障期。
如上所述的方法，其中确定所述APU起动机的性能处于稳定期，衰退期，或故障期的步骤包括：响应于所述偏差指数δ小于衰退阈值，确定所述APU起动机的性能处于稳定期；响应于所述偏差指数δ大于所述衰退阈值且小于故障阈值，确定所述APU起动机的性能处于衰退期；以及响应于所述偏差指数δ大于所述故障阈值，确定所述APU起动机的性能处于故障期。
如上所述的方法，进一步包括：确定所述APU起动机处于稳定期时所述偏差指数δ；其中，所述衰退阈值大约为所述稳定偏差指数δ的1.5-2.0倍，故障阈值大约为所述稳定偏差指数δ的2-3倍。
如上所述的方法，其中所述时间段约为2-3天。
如上所述的方法，其中在所述时间段内获取大约5-10个与APU有关的报文。
如上所述的方法，进一步包括：确定根据下一个通过APU相关的报文得出的启动时间STAnext；响应于STAnext大于AVG+nδ，确定根据下一个与APU相关的报文得出的STAnext+1是否大于AVG+nδ；以及响应于根据与APU相关的报文得出启动时间STA连续大于AVG+nδ超过预设报警次数Z，发出报警；其中，n为2-5；Z为3-5。
如上所述的方法，响应于根据与APU相关的报文得出的启动时间STA小于AVG+nδ，重新计算所述启动时间STA的平均值AVG以及偏差指数δ。
如上所述的方法，响应于根据与APU相关的报文得出的启动时间STA连续大于AVG+nδ超过预设报警次数Z，重新计算所述启动时间STA的平均值AVG以及偏差指数δ。
如上所述的方法，其中所述偏差指数δ为标准方差。
如上所述的方法，其中所述n为2或3，Z为3。
如上所述的方法，进一步包括：确定APU的燃油组件工作正常。
如上所述的方法，进一步包括：确定APU的其他参数保持正常，所述其他参数包括但不限于：APU排气温度EGT、引起压力PT、进气口叶片角度IGV和APU涡轮效率NPA。
根据本发明的另一个方面，提出一种飞机辅助动力单元APU起动机的性能检测装置，包括：报文获取单元，其获取一时间段内与APU有关的报文；报文解析单元，其解析出所需要的APU起动机运行数据；以及性能检测单元，其根据所述起动机运行数据确定所述APU起动机的性能处于稳定期，衰退期，严重衰退期或故障期。
根据本发明的又一方面，提出一种飞机辅助动力单元APU起动机的性能检测装置，包括：处理器；以及与处理器相连的存储器，其存储计算机可读代码；所述计算机可读代码在所述处理器上运行以执行以下步骤：获取一时间段内与APU有关的报文；根据所述报文解析出所述APU起动机运行参数，所述运行参数包括启动时间STA；确定所述APU起动机的性能处于稳定期，衰退期，严重衰退期或故障期。
附图说明
下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：
图1示出了根据本发明的一个实施例的飞机APU的结构示意图；
图2示出了根据本发明的一个实施例的飞机APU起动机的结构示意图；
图3示出了根据本发明的一个实施例的APU起动机性能变化的曲线图；
图4示出了APU起动机启动时间数据的统计趋势图；
图5示出了空客公司的A13报文的一个实例；
图6示出了根据本发明的一个实施例的APU起动机性能的检测方法的流程图；
图7是根据本发明的另一个实施例的APU起动机性能的检测方法的流程图；
图8是根据本发明的一个实施例的APU起动机性能变化的实例；以及
图9是根据本发明的一个实施例的飞机辅助动力单元APU起动机的性能检测系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。
图1示出了根据本发明的一个实施例的飞机APU的结构示意图。如图所示，飞机APU主要包括功率部分100、负载部分200，以及附件部分300。其中，功率部分100主要包括功率压气机110、涡轮组件120，以及排气组建130等；负载部分200主要包括负载压气机210；附件部分300主要包括附件齿轮箱310、起动机320，以及发电机330等。进气道进入的气流分成两股，一股进入功率压气机110和涡轮组件120，主要用来带动APU旋转，然后气流通过排气组件130排走；而另一股气流进入负载压气机210，这部分气流由负载压气机增压，专门用于产生供飞机使用的压缩空气。在这股气流的进口有流量调节活门（进口导流叶片），它根据飞机对压缩空气的需求，实时的对活门（叶片）开度进行调节，来控制进入负载压气机的空气的多少。
图2示出了根据本发明的一个实施例的APU起动机的示意图。起动机302的主要部分为直流电动机总成321，其通过V型卡箍322以及O型圈323被连接到附件齿轮箱310上。直流电动机总成321上具有直流电供电接线桩324以及电刷磨损指示器325。一般来说，起动机的两个供电接线桩324一端接入28V DC，一端接地。电刷磨损指示器325中设置有在塑料罩中能清楚的看见的销。当显示指示器销时，电刷是可用的；当没有显示指示器销时，必须更换起动机的电刷部分。
根据本发明的一种实施方式，起动系统从飞机的直流系统上获得电源，将28V直流电压供到电池汇流条（BAT BUS），通过电流接触器供到起动机。起动系统旋转并加速APU转子，使其达到燃油和点火系统能够投入工作的转速，然后点火燃烧燃油，APU进一步加速。当转速达到APU正常转速的35%至60%后，关闭起动机，同时APU继续加速至正常工作转速。例如，对于APS3200型APU，当转速达到APU正常转速的55％时，关闭起动机；而对于GTCP131-9A型APU，当转速达到APU正常转速的50％时，关闭起动机。
起动机的性能变化遵循一定规律：在使用前期和中期，起动机的性能较为稳定，而在后期会出现性能的退化，直至故障。图3为APU起动机性能变化曲线的示意图。从图中可以看出，随着使用时间的增加，由于飞机APU起动机性能逐渐退化，衰退指数逐渐增加。当APU起动机性能的衰退指数比较稳定时，其性能处于稳定期；当APU起动机的性能衰退逐渐加快时，其性能进入衰退期；当超过某一个阈值时，其性能进入故障期，可能随时出现故障。当APU起动机进入故障期后，既影响APU的使用，对服务质量和飞行安全产生不利后果；又容易产生非计划性的维修，造成航班的延误和停飞。
飞机APU起动机的性能主要通过APU的启动时间来表征。图4是APU起动机性能变化引起APU启动时间数据变化的统计趋势图。如图4所示，当起动机处于稳定期时，APU启动时间的变化范围很小，而当APU起动机处于衰退期时，APU启动时间发生向上的跃变，直至故障导致APU无法启动。并且，从图4中可以看出，由进入衰退期到发生故障的时间是很短的。因此，起动机衰退期的检测更显得非常重要。
现有技术中还没有手段可以对APU起动机的性能是否进入衰退期进行检测。而本发明的某些实施例可以实现这种检测。对于衰退期的检测有如下好处：当APU起动机处于衰退期时，发生故障的概率仍然非常低。如果选择在此时机对飞机进行检修，飞行安全和服务质量是可以得到保障的。此时，航空公司可以适时地安排对飞机的检修，从而避免了非计划的维修，减少飞机的延误。也同时避免了按固定时限进行检修时造成的检修成本的浪费。
多种方法可以用来获取启动时间STA这一运行参数。例如，通过存储在飞机黑匣子中的数据就可以获得上述数据。
通过飞机制造商提供的数据系统也可以方便地获取上述数据，并实现地面实时检测。例如，空客的Aircraft Condition Monitoring System(ACMS）系统以及波音公司的Aircraft Heath Monitor(AHM)系统都可以实时监测飞机的运行数据，并且，当满足一定的触发条件时，自动生成包含一系列数据信息的报文。
根据本发明的一个实施例，APU的相关运行数据可以利用飞机数据系统（例如ACMS或AHM系统）获取并体现在生成的相关报文中。这类报文信息可以通过飞机通信寻址与报告系统（ACARS AircraftCommunications Addressing and Reporting System）系统传输至地面，并进一步分发到不同航空公司的服务器上。根据本发明的一个实施例，APU报文也可以通过航空电信网（ATN Aviation Telecommunication Network）的通信装置或系统传输。
实际上，对于现有的飞行数据系统而言，APU的性能监视是已有的项目，因此，可以自动生成对应的APU报文，并通过ACARS或ATN传输到地面。但是，这些监视的数据并没有被用于APU性能的衰退期检测。例如，空客公司的A13报文，即（APU MES/IDLE REPORT），或者波音公司的APU报文就是这样的APU报文的实例。在以下实施例中，以空客公司的A13报文为实例进行说明。波音公司APU报文的处理与此类似。
图5示出了空客公司的A13报文的一个实例。如图所示，A13报文主要包含了4部分信息，分别为：报头、APU履历信息、启动飞机发动机的运行参数及APU启动参数。
报头由CC和C1段组成，主要包含了飞机的航班信息、报文产生航段阶段、引气活门状态、总温（即外界温度）等信息。APU履历信息由E1段组成包括APU序号、运行时间和循环等信息。启动飞机发动机的运行参数由N1至S3段组成；其中N1、S1表示的是启动第一台飞机发动机时的运行情况，N2、S2表示启动第二台飞机发动机时的运行情况，N3、S3为APU启动发动机完成后APU慢车时的情况。其中，与起动机性能相关的数据为启动时间STA。
由图5可以看出，启动时间STA这一APU运行参数包含在现有的A13号报文中。因此，利用该报文获取的数据可以实现本发明的APU起动机性能检测。
图6是根据本发明的一个实施例的APU起动机性能的检测检测方法的流程图。如图所示，该APU起动机性能的检测方法6000中，在步骤6100，通过获取飞机APU起动机在某一时间点的运行数据，例如启动时间STA。
根据本发明的一个实施例，步骤6100中所需的信息可以从例如A13报文的APU报文中获取。例如，从国际航空电讯集团SITA网控制中心和中国民航数据通信公司ADCC网控制中心可以远程实时获取飞机APU运行的A13报文，通过报文解码器将所述的飞机APU运行状态A13报文解码，得到所需要的飞机APU起动机运行信息。
在步骤6200，取之前的M个启动时间STA，求其均值AVG以及标准方差δ。根据本发明的一个实施例，M的取值可以为20。
在步骤6300，比较上一步骤中所求得的标准方差δ是否超过故障阈值。如果超过故障阈值，则在步骤6310，输出故障报警。
当步骤6300判断为否时，进入步骤6400，比较步骤6200中所求得的标准方差δ是否超过严重衰退阈值。如果超过严重衰退阈值，则在步骤6410，输出严重衰退报警。
当步骤6400判断为否时，进入步骤6500，比较步骤6200中所求得的标准方差δ是否超过衰退阈值。如果超过衰退阈值，则在步骤6510，输出衰退报警。
根据本发明的一个实施例，首先通过经验数据分析该型号APU起动机处于稳定期时的波动率，而后以稳定期波动率为基准，进一步确定其它阈值。例如，根据本发明的一个实施例，衰退阈值为稳定期变化趋势的1.5-2.0倍，故障期阈值为稳定期变化趋势的2-3倍。
这种用一段时间内不断更新的数据分析变化趋势的方法可以称为移动窗口法。移动窗口的大小，即纳入计算范围的点的个数M的选择取决于多种因素，例如，测量时间的间隔以及控制策略等。如果移动窗口越小，数据的波动率越容易受到正常波动的影响，从而出现过多的误报，影响本发明的效果。如果移动窗口过大，虽然反映变化趋势较为准确，但是这会降低本发明的时效性，无法及时准确地发出告警信息。因此，移动窗口的大小对于本发明有着重要的影响。根据本发明的一个实施例，在每天测量2-3个点的前提下，M的取值约为5。根据本发明的另一个实施例，在每天测量低于或等于2个点的前提下，M的取值约为10。
根据本发明的一个实施例，为了减少误告警和提高准确度，如果连续出现2次的衰退告警时，才确认APU起动机的性能进入衰退期；而连续出现2次以上的故障告警时，才确认APU起动机的性能进入故障期。
图7是根据本发明的另一个实施例的APU起动机性能的检测方法的流程图。如图所示，该APU起动机性能的检测方法7000中，与图6所示的实施例相似，在步骤7100，通过获取飞机APU起动机在某一工作时间的运行数据，例如启动时间STA。
在步骤7200，取当前时间点之前的M个启动时间STA，求其均值AVG以及标准方差δ。求取之前一定个数个点的均值和标准方差是为了给下一个点的判断设定变动范围，但需要去除有可能为噪点的数值。根据将在下文描述的，高值计数器用于记录变动超出预设范围的偏差点，当偏差点连续出现的次数没达到报警个数时，这些偏差点不计入均值和标准方差计算的样本范围内。根据本发明的一个实施例，M的取值可以为20。
在步骤7300，比较上一步骤中所求得的标准方差δ是否超过故障阈值。如果超过故障阈值，则在步骤7310，输出故障报警。
当步骤7300判断为否时，进入步骤7400，比较步骤7200中所求得的标准方差δ是否超过衰退阈值。如果超过衰退阈值，则在步骤7410，输出衰退报警。
当步骤7400判断为否时，进入步骤7500，归零计数器。这是由于通过前面的判断，偏差点已经断开，要计算连续的偏差点的个数，就需要将计数器归零，重新计数。
在步骤7600，判断下一个时间点对应的启动时间STA是否大于AVG+nδ。其中，n的取值由控制策略决定，当n的取值较高时，对突变点的控制较为宽松，这样可以减少误报，但却有漏报的风险；而当n的取值较低时，对突变点的控制较为严格，这样可以防止漏报，但却可能面对频次较高的报警。一般来说，n的取值在2-5之间。根据本发明的一个实施例，n的取值为3。
当步骤7600判断为是时，进入步骤7610，计数器+1。下一步，在步骤7620，判断高值计数器是否等于预设报警个数。当判断为否时，返回步骤7600。当判断为是时，说明有连续达到预设报警个数的启动时间STA超出预设的正常波动范围，且向上方跃变，此时进入步骤7630，发出上升跃变报警。
根据本发明的一个实施例，由于单独一次的跃变可能由多种原因导致，所以需要连续超过一定个数才进入报警，以排除误报。预设报警个数的取值与控制策略有关，一般取值为2-5。
在步骤7700，归零高值计数器。这是由于当连续偏差点的个数达到预设的报警个数时，偏差点的出现已不属于偶然现象，不应该作为噪点排除。此时将计数器归零，在下一次循环至步骤7200时，将会保留这些偏差点，使其计入参照样本。此步骤结束后返回步骤7100。
图8是根据本发明的一个实施例的APU起动机性能变化的实例。其中在图中实线的位置，APU的起动机进行了更换。如图8所示，在更换APU起动机之前，启动时间STA非常快速的上升。如果采用前文所述的方法就会发现，STA快速的升高，偏差指数如标准方差也快速上升，从而很快就会产生APU起动机性能变坏，进入衰退期的警报。
同时也需要注意到，除了启动时间STA之外，APU的其他参数保持正常，所述其他参数包括但不限于：APU排气温度EGT、引起压力PT、进气口叶片角度IGV都保持在正常范围之内。这是APU起动机故障的一个重要的特征。
另一个需要注意的是，APU燃油组件FCU的性能变坏的表现也与此非常类似。因此，需要与燃油控制组件故障相区别：首先，同样是启动时间STA的标准方差离，但是APU燃油组件FCU的性能变坏时，STA变坏速度稍慢，但是STA表现时好时坏，因此离散的面积更大；而起动机故障时，往往是STA单边上升，速度也更快。而且，虽然APU燃油组件FCU的性能变坏时，除了STA外其他参数保持良好；但是，由于供油不稳定，NPA和EGTP也会逐渐变坏。
图9是根据本发明的一个实施例的飞机辅助动力单元APU起动机的性能检测系统的结构示意图。如图9所示，APU起动机的性能检测系统包括：报文获取单元901，其获取一时间段内与APU有关的报文；报文解析单元902，其解析出所需要的APU起动机运行数据；以及性能检测单元903，其根据所述起动机运行数据确定所述APU起动机的性能处于稳定期，衰退期，严重衰退期或故障期。
根据本发明的一个实施例，一种飞机辅助动力单元APU起动机的性能检测装置，包括：处理器；以及与处理器相连的存储器，其存储计算机可读代码；所述计算机可读代码在所述处理器上运行以执行以下步骤：获取一时间段内与APU有关的报文；根据所述报文解析出所述APU起动机运行参数，所述运行参数包括启动时间STA；确定所述APU起动机的性能处于稳定期，衰退期，严重衰退期或故障期。
上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。

Claims (14)

1.一种飞机辅助动力单元APU起动机的性能检测方法，包括：
获取一时间段内多个时间点上与APU有关的报文；
根据所述报文获取所述APU起动机的运行参数，所述运行参数包括启动时间STA；
计算所述时间段内所述启动时间STA的平均值AVG以及偏差指数δ；
根据所述偏差指数δ确定所述APU起动机的性能处于稳定期，衰退期，或故障期。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述APU起动机的性能处于稳定期，衰退期，或故障期的步骤包括：
响应于所述偏差指数δ小于衰退阈值，确定所述APU起动机的性能处于稳定期；
响应于所述偏差指数δ大于所述衰退阈值且小于故障阈值，确定所述APU起动机的性能处于衰退期；以及
响应于所述偏差指数δ大于所述故障阈值，确定所述APU起动机的性能处于故障期。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：
确定所述APU起动机处于稳定期时所述偏差指数δ；
其中，所述衰退阈值大约为所述稳定偏差指数δ的1.5-2.0倍，故障阈值大约为所述稳定偏差指数δ的2-3倍。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述时间段约为2-3天。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在所述时间段内获取大约5-10个与APU有关的报文。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
确定根据下一个通过APU相关的报文得出的启动时间STAnext；
响应于STAnext大于AVG+nδ，确定根据下一个与APU相关的报文得出的STAnext+1是否大于AVG+nδ；以及
响应于根据与APU相关的报文得出启动时间STA连续大于AVG+nδ超过预设报警次数Z，发出报警；
其中，n为2-5；Z为3-5。
7.根据权利要求6所述的方法，响应于根据与APU相关的报文得出的启动时间STA小于AVG+nδ，重新计算所述启动时间STA的平均值AVG以及偏差指数δ。
8.根据权利要求6所述的方法，响应于根据与APU相关的报文得出的启动时间STA连续大于AVG+nδ超过预设报警次数Z，重新计算所述启动时间STA的平均值AVG以及偏差指数δ。
9.根据权利要求1-8中任一所述的方法，其中所述偏差指数δ为标准方差。
10.根据权利要求6-8中任一所述的方法，其中所述n为2或3，Z为3。
11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：确定APU的燃油组件工作正常。
12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：确定APU的其他参数保持正常，所述其他参数包括但不限于：APU排气温度EGT、引起压力PT、进气口叶片角度IGV和APU涡轮效率NPA。
13.一种飞机辅助动力单元APU起动机的性能检测装置，包括：
报文获取单元，其获取一时间段内与APU有关的报文；
报文解析单元，其解析出所需要的APU起动机运行数据；以及
性能检测单元，其根据所述起动机运行数据确定所述APU起动机的性能处于稳定期，衰退期，严重衰退期或故障期。
14.一种飞机辅助动力单元APU起动机的性能检测装置，包括：
处理器；以及
与处理器相连的存储器，其存储计算机可读代码；
所述计算机可读代码在所述处理器上运行以执行以下步骤：
获取一时间段内与APU有关的报文；
根据所述报文解析出所述APU起动机运行参数，所述运行参数包括启动时间STA；
确定所述APU起动机的性能处于稳定期，衰退期，严重衰退期或故障期。
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