CN114341608A - 监测飞行器的空气回路中的交换器的状态的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明还涉及一种用于监测飞行器(7)的空气回路(5)中的热交换器(17)的状态的方法和系统，所述热交换器用于冷却从飞行器的主热空气源的源中提取的空气，所述系统包括：‑获取模块(11)，该获取模块被构造成获取由被设置在所述热交换器的出口处的探头所得到的温度测量值，所述获取在空气回路由所述热交换器的下游的次级热空气源供给并且主热空气源被关掉时执行，‑处理器(9)，该处理器被构造成从所述温度测量值中选择相关的温度测量值，并通过将相关的温度测量值与预定的警报阈值进行比较来检测热交换器(17)中的可能的泄漏。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于监测飞行器的空气回路中的热交换器的状态的方法和系统，更具体地，涉及一种用于监测该回路的空气/空气热交换器的状态和泄漏水平的方法和系统。
背景技术
飞行器中的空气回路包括热交换器，该热交换器用于冷却通过空气排放系统从飞行器发动机中提取的空气。更具体地，排放系统通过压力调节阀(Pressure RegulatingValve，PRV)连接到发动机压缩机，该压力调节阀也用于隔离空气回路。该PRV阀被设置在交换器的上游，并确保调节来自发动机的热空气源的压力。事实上，空气流动的方向是从发动机到交换器，然后到使用压缩空气的设备(被称为消耗者)。该消耗者为机舱提供空气调节，以及为侧翼和其他飞行器的结构和系统提供压缩的除冰空气。
空气回路还包括温度控制环路，该温度控制环路包括被设置在交换器的出口处的温度传感器以及用于调节通过空气交换器的新鲜空气的风扇空气阀(Fan Air Valve，FAV)。控制环路被构造成根据通过探头测量的温度来调节在交换器处混合的新鲜空气。
目前，通过泄漏检测环路来进行空气/空气交换器和加压空气管道周围的热空气泄漏的检测。该检测环路包括导线以及泄漏检测传感器，该导线容纳空气回路管道，该泄漏检测传感器被设置在交换器和保护免受可能由该泄漏引起的热空气泄漏流的区域之间。一旦检测到泄漏，热空气源通过关闭PRV阀自动地隔离，因此防止对飞行器的结构的任何损坏。
当泄漏变得太显著时，该泄漏检测模式有效地保护飞行器。然而，该泄露检测模式使得不能够预期维护，因此可能导致飞行器停机。
因此，本发明的目的是提出了一种用于监测飞行器的空气回路的系统，该系统克服了上述缺点，特别是通过利用空气回路上的测量值来确定该系统的状态并预测泄漏水平，以便预期维护。
发明内容
本发明涉及一种用于监测飞行器的空气回路中的热交换器的状态的方法，所述热交换器用于冷却从飞行器的主热空气源中提取的空气，所述方法包括以下步骤：
-获取由被设置在所述热交换器的出口处的探头所得到的温度测量值，所述获取在空气回路由所述热交换器的下游的次级热空气源供给并且主热空气源被关掉时执行，
-从所述温度测量值中选择相关的温度测量值，
-将所述相关的温度测量值与警报阈值进行比较，以及
-根据所述比较来评估热交换器中的泄漏水平。
该方法使得能够预测泄漏水平，并在泄漏水平变得显著之前预期交换器的移除。然后，该移除可以在预先计划的维护阶段执行，因此避免飞行器的计划外的停机。
有利地，获取模块被构造成在预定的观测时间段期间获取温度测量值，所述时间段由对包括具有显著泄漏的热交换器的飞行器总体进行统计分析来确定。
这使得能够通过选择尽可能短的持续时间来优化观测时间段，以使要处理的数据的量最小化，同时使得能够在不同的交换器总体之间进行区分。
有利地，通过统计滤波来选择相关的温度测量值，所述统计滤波适于选择最能代表包括在所述预定的观测时间段中的稳定阶段的温度测量值。
根据本发明的一个实施例，所述观测时间段具有介于大约3分钟至10分钟之间的持续时间。因此，观测时间是介于处理速度和准确性之间的折中。
有利地，处理器被构造成在将相关的温度测量值与警报阈值进行比较之前使所述相关的温度测量值标准化，所述标准化是通过消除相关的温度测量值相对于外部环境的依赖性来执行。
因此，标准的温度测量值可以被认为是在用于飞行器的每次飞行的相同状况下获取的观测值。
有利地，外部环境通过外部空气的温度的测量值和次级热空气源的出口处的温度的测量值来识别。这使得能够在不管外部温度的情况下将不同的飞行彼此进行比较。
有利地，警报阈值基于热交换器的出口处的空气温度的理论值，该理论值由预定的热模型来估计，所述热模型从对飞行器的机队的多个交换器中的每一个交换器的出口处的空气温度以及外部空气和次级热空气源的对应温度的一系列实际测量值进行统计分析来构建。
警报阈值使得能够在飞行器上尽可能长时间地保持交换器，同时保证不影响飞行器的性能或不发生可能在地面上阻止飞行器的故障风险。
根据本发明的一个实施例，警报阈值是选自介于大约100○C至150○C之间的值。
有利地，处理器被构造成通过基于根据来自飞行器的同一机队的多次飞行的一系列数据预先构建的老化模型的自动学习来估计泄漏水平并建立交换器的故障预知。
根据本发明的一个特征，所述交换器的下游的次级热空气源是辅助动力单元APU。此外，所述交换器的上游的主热空气源是飞行器发动机，热空气通过发动机空气排放系统从所述飞行器发动机中提取。
根据本发明的又一个特征，温度探头是控制环路的一部分，该控制环路用于调节所使用的新鲜空气和热空气的混合物的温度，以在热交换器的出口处保持恒定的空气温度。
有利地，监测系统包括显示界面，以使测量温度、和/或泄漏水平和/或故障预知的图形表示可视化。
这提供了与交换器有关的趋势、异常或中断的信息。
本发明还涉及一种用于监测飞行器的空气回路中的热交换器的状态的系统，所述热交换器用于冷却从飞行器的主热空气源的源中提取的空气，所述系统包括：
-获取模块，所述获取模块被构造成获取由被设置在所述热交换器的出口处的探头所得到的温度测量值，所述获取在空气回路由所述热交换器的下游的次级热空气源供给并且主热空气源被关掉时执行，
-处理器，该处理器被构造成从所述温度测量值中选择相关的温度测量值，并通过将相关的温度测量值与预定的警报阈值进行比较来检测热交换器中的可能的泄漏。
附图说明
在阅读参照附图描述的本发明的优选实施例中，本发明的其它特征和优点将变得明显，在附图中：
[图1]示意性地示出了根据本发明的一个实施例的用于监测飞行器的空气回路中的交换器的状态的系统；
[图2A]和[图2B]示意性地示出了根据本发明的优选实施例的用于监测飞行器中的空气回路的状态的方法；
[图3]是根据本发明的一个实施例的示意性地示出了表示监测在交换器的下游测量的空气温度的曲线的曲线图。
具体实施方式
本发明涉及集成到如下架构中的空气/空气冷却热交换器，在该架构中，通过热空气流的下游的温度传感器来执行空气流的温度的调节和控制。本发明的基本概念是，当空气回路处于预定构型时，通过测量交换器的出口处的温度来表征飞行器的空气/空气热交换器的泄漏。
[图1]示意性地示出了根据本发明的一个实施例的用于监测空气回路的状态，更具体地监测飞行器的空气回路中的热交换器的状态的系统。
监测系统1包括计算机3，该计算机用于获取和处理与飞行器7的空气回路5有关的数据。计算机3包括处理器9、输入界面10、存储器12和显示界面15。根据本发明的一个实施例，存储器13形成由处理器9可读的记录介质，并且在该记录介质上记录一个或多个计算机程序，一个或多个计算机程序包括指令代码，该指令代码用于执行用于监测飞行器7中的空气回路5的状态的方法。
监测系统1的计算机3安装在地面监测和/或维护中心。另外，监测系统1包括被设置在飞行器7中的空气回路的控制器8、获取模块11和记录模块13。
空气回路5包括空气/空气热交换器17“PCE”(预冷却器(Pre-Cooler))，该空气/空气热交换器17“PCE”用于冷却通过发动机空气排放系统23从飞行器7的发动机21中抽取的空气。该发动机空气排放系统23通过被设置在热交换器17的上游的压力调节阀25(“PRV”，pressure regulating valve)连接到发动机21。发动机空气排放系统23处的温度通常在介于150℃至250℃之间的范围内变化。PRV压力调节阀25确保压力调节以及热空气源与发动机21的隔离。实际上，在正常时间，空气流的方向从压力源(即，发动机21的热空气源)到使用压缩空气的消耗者系统27、28。通过关闭压力调节阀25(PRV)可以关掉或隔离该热空气源21。
此外，空气回路5包括温度控制环路29，该温度控制环路包括被设置在热交换器17的出口处的温度探头31以及用于调节通过热交换器17的新鲜空气的FAV阀33。FAV阀33用于根据通过探头31测量的温度来调节在热交换器17处混合的新鲜空气。回路5的通道中的空气的调节温度在介于150℃至250℃之间的范围内变化。因此，控制环路29使得能够在热交换器17的出口处保持恒定的空气温度，从该热交换器的出口处为消耗者27、28(用于机舱的空气调节的消耗者27以及用于机翼的除冰空气的消耗者28等)回收空气。
根据本发明，监测系统1将热交换器17的下游的温度测量值与特定操作模式相结合。更具体地，当空气回路5进入用作观测阶段的特定构型或操作模式时，通过测量交换器17的出口处的温度来监测空气回路5的状态。通过将空气回路5与主热空气源(即，发动机21)隔离并通过向空气回路5供给交换器17的下游的次级热空气源35来执行该特定操作模式。在飞机中，次级热空气源35可以是通常被定位在飞机7的后部处的辅助动力单元APU。APU是涡轮发电机，该涡轮发电机用于在主发动机21停止时在飞机7上产生能量，并且还用于启动该主发动机。此外，空气回路5还包括其他隔离阀38，其他隔离阀使得能够将主热空气源21和次级热空气源35中的一个或另一个隔离。
应当注意，空气回路5的特定操作模式使得能够旁路由主热空气源21、热交换器17和探头31形成的闭合调节环路。该旁路使得能够测量未调节的温度，该温度因此代表可能的空气泄漏。
更具体地，当空气回路5处于特定操作模式时，被设置在飞行器7中的获取模块11被构造成获取由被设置在交换器17的出口处的探头31所得到的温度测量值。这些温度测量值被记录在设置在飞行器7中的记录模块13中。
此外，获取模块11被构造成获取由被设置在次级热空气源35的出口处或空气调节组27的入口处的探头36所得到的次级热空气的温度测量值，以及由被布置在飞行器的外部的探头(未示出)所得到的外部空气的温度测量值。在次级热空气源的出口处和外部空气的出口处的这些温度测量值也被记录在飞行器7的记录模块13中。
所有的温度测量值由地面监测系统获得。更具体地，由处理器9通过输入界面10获取与这些测量值有关的数据。
处理器9被构造成从由飞行器的记录模块13获得的所有的温度测量值中选择每次飞行的相关的温度测量值。此外，处理器9被构造成通过将相关的温度测量值与预定的警报阈值进行比较来检测空气回路5，更具体地为热交换器17中的可能泄漏。根据该比较的结果，处理器9还确定热交换器17中的泄漏水平，因此使得能够防止对空气回路5的维护，并可能在泄漏水平显著之前预期交换器17的移除。
图2A和图2B示意性地示出了根据本发明的优选实施例的用于监测飞行器中的空气回路的状况的方法。
更具体地，图2A涉及飞行器中的监测步骤，而图2B涉及在地面上执行的监测步骤。
在步骤E1中，空气回路5准备进入特定操作模式，该特定操作模式包括将该空气回路与主热空气源21隔离并由交换器17的下游的次级热空气源35馈给该空气回路。
步骤E2是检查空气回路5在观测阶段的特定操作模式中是否良好的测试。更具体地，飞行器中的空气回路的控制器8被构造成根据被设置在回路5中且位于交换器17和温度探头31的上游和下游的阀(例如，PRV、FAV)的位置标准来识别特定操作模式。如果测试确认PRV阀25被正确地关闭并且空气回路5由次级热空气源35供给，则继续进行下一个步骤，以开始记录温度测量值。否则，原路返回到步骤E1，使空气回路5返回到特定操作模式，并重新检查该构型。
在步骤E3中，该步骤是在观测阶段，在该观测阶段期间，由交换器17的出口处的探头31读取的温度T被记录在飞行器的记录模块13中。这些温度代表可能的空气泄漏以及泄漏的状态或水平。
应当注意，当空气回路5由交换器17的下游和温度探头31的下游的次级热空气源35供给时(即，PRV阀25关闭)，在该空气源35和消耗者27之间建立热空气流。在这种情况下，交换器17的下游的温度探头31将测量静态温度，该静态温度对应于由通过与环境空气进行热交换来使通道内部的空气冷却所产生的空气的温度。当热交换器17开始泄漏时，将因此在该空气源和外部之间产生热空气流。然后，该热空气流的温度将由交换器17的下游的温度探头31测量，因此给出泄漏水平的指示。
更具体地，在每个观测阶段期间，获取模块11被构造成在预定的时间段内获取由被设置在交换器17的出口处的探头31所得到的温度测量值。有利地，该时间段由对包括具有显著泄漏的交换器的飞行器总体进行统计分析来确定。该时间段的持续时间被优化为尽可能短，同时使得能够区分不同的交换器总体。作为示例，观测时间段是介于大约3分钟至10分钟之间的持续时间。这是介于处理速度和结果准确性之间的良好折中。
此外，仍然在观测阶段期间，由分别被设置在次级热空气源的出口处和飞行器的外部的探头所得到的次级热空气源35的出口处的温度Ts和外部空气的温度Text也被记录在飞行器的记录模块13中。
在步骤E4(图2B)中，通过输入界面10由飞行器的记录模块13在地面上获得在交换器17的出口处、在次级热空气源35的出口处和外部空气的温度测量值。
在步骤E5中，处理器9被构造成从在交换器的出口处读取的所有的温度测量值中选择每次飞行的相关的温度测量值T。处理器9实现统计滤波，以选择最能代表包括在预定的观测时间段中的稳定阶段的温度测量值。统计滤波使得能够在稳定阶段开始后的精确时刻处选择相关的温度测量值。
在步骤E6中，处理器9被构造成使在热交换器17的输出处测量的相关温度的值标准化。
实际上，在交换器17的下游测量的温度可以依赖于外部环境。该依赖性使得不能够根据不同的外部环境来执行泄漏测量值的准确比较。标准化消除了在交换器的下游的温度测量值相对于外部环境的依赖性。应当注意，外部环境可以包括外部温度、次级热空气源的出口处的温度、外部压力、高度、飞行的位置(海、沙漠、陆地等的上方)、天气状况(雨、雪、霜等)、湿度、相对飞行器的速度等。然而，外部温度和次级热空气源的出口处的温度形成最相关的环境，因为外部温度和次级热空气源的出口处的温度对空气回路5处的温度的影响是最显著的。因此，可以忽略其他状况的影响，而不折中空气泄漏水平评估的准确性，因此便于数据处理。换言之，通过外部空气的温度和次级热空气源的出口处的温度来识别外部环境就足够了。
标准化特别地基于在交换器17的出口处的温度测量值的归一化，并且可以通过预先由对新交换器总体的一系列测量值构建统计模型来执行。
例如，统计模型可以根据外部空气的温度和次级热空气源的出口处的温度的测量值限定的一般线性回归模型来执行。
另一个更准确的标准化技术包括以已知的方式产生多元归一化模式，该多元归一化模式取决于外部空气的温度和来自诸如主成分分析(PCA，Principal ComponentAnalysis)的压缩算法的次级热空气源的出口处的温度。
替代地，统计模型可以是非常简单的归一化模型，该归一化模型通过计算每个新交换器的出口处的一系列空气温度测量值的平均值和标准差来构建。在这种情况下，由温度探头31读取的交换器的出口处的当前温度测量值的标准化包括计算读取的测量值与统计模型的平均值之间的差，然后将差除以模型的标准差。然后，交换器的出口处的温度的标准测量值可以被认为是在用于飞行器的每次飞行的相同状况下获取的观测值。
步骤E7是检测测试，在该检测测试期间，处理器9被构造成在预定的时间段结束时，将交换器17的出口处的相关的标准温度测量值与预定的警报阈值S进行比较。
警报阈值S基于交换器17的出口处的空气温度的理论值，该理论值由预定的热模型来估计。该热模型从对多个换热器中的每一个热交换器的出口处的空气温度的一系列实际测量值以及外部空气的温度和次级热空气源的对应测量值进行统计分析来在两个先前观测阶段期间构建。
第一先前观测阶段是在包括具有显著泄漏的交换器的飞行器总体上进行。实际上，该第一先前观测阶段与步骤E3中用于确定预定的时间段的观测阶段相同。
此外，第二先前观测阶段是在包括不具有任何泄漏的交换器的飞行器总体上进行。例如，在即将下线的飞行器机队和/或在测试台上进行专门的测试。
此外，执行热模拟，以建立空气回路5的热交换系数。应当注意，热交换率取决于次级热空气源35和温度探头31的位置之间的通道长度、通道直径、通道的隔离水平(如果通道配备有隔离)以及管道外部的温度。
这两个先前观测阶段以及空气回路的热交换系数使得能够设定警报阈值S。作为示例，警报阈值S是选自介于大约100○C至150○C之间的值，例如120○C。
如果交换器17的出口处的温度的当前标准测量值小于警报阈值S，则继续进行到步骤E9，以建立对交换器的状态的预知。
否则，换言之，如果温度的当前标准测量值大于警报阈值S，则继续进行到步骤E8，在步骤E8，警报(例如，以消息的形式)在继续进行到下一个步骤E9之前被传输到维护中心。
[图3]是根据本发明的一个实施例的示意性地示出了表示监测在热交换器的下游测量的空气温度的曲线的曲线图。
该曲线图的纵坐标轴以10°为刻度表示交换器的出口处的温度测量值，横坐标轴表示在得到测量值期间的飞行的日期或时间段。
该曲线图示出，最初(时间段P1)，在交换器17的下游测量的温度大约为50°，这表明热交换器17处于非常好的状态。随着飞行的进行，随着交换器17的老化，温度或多或少地逐渐升高(时间段P2)。应当注意，交换器17的下游的温度升高是空气回路5中的泄漏，更可能是交换器处的泄漏的指示。该曲线图示出，在时间段P3，温度略微超过150○C，随后是温度突然降低的时间段P4，该温度降低了大约100○C。温度的这种降低是由于有缺陷的交换器17的移除和用新的交换器替换该有缺陷的交换器。
在步骤E7中，处理器1被构造成通过基于预先构建的老化模型的自动学习来估计泄漏水平并建立热交换器17的故障预知。这使得能够预期交换器的移除。然后，这种移除可以在用于飞行器维护的计划停机阶段期间进行，而不会对航空公司的运营产生任何影响。
老化模型根据在热交换器的设计阶段期间可获得的观测数据以及在先前学习阶段期间从飞行器的同一机队的多次飞行中收集的一系列数据来构建。
用于机器学习的算法基于本领域技术人员已知的统计方法。这些算法使得处理器9能够以无人监督的方式从老化模型和交换器17的下游的新的温度测量值中学习。
此外，老化模型可以通过对存放于维护中心的交换器执行泄漏测试的结果和分析进行反馈来改进。
有利地，在显示界面15上使测量温度、和/或泄漏水平和/或故障预知的图形表示可视化。
此外，为了更大的安全性，监测系统1可以始终包括常规环路，该常规环路用于检测空气/空气交换器和加压空气管道周围的热空气泄漏，该常规环路包括容纳空气回路的管道的导线以及设置在空气回路中的泄漏检测传感器。一旦检测到显著泄漏，检测环路自动地隔离热空气源，以防止对飞行器的结构的任何损坏。
Claims (13)
1.一种用于监测飞行器(7)的空气回路(5)中的热交换器(17)的状态的方法，所述热交换器用于冷却从所述飞行器的主热空气源中提取的空气，所述方法的特征在于，所述方法包括以下步骤：
-获取由被设置在所述热交换器(17)的出口处的探头(31)所得到的温度测量值，所述获取在所述空气回路由所述热交换器(17)的下游的次级热空气源(35)供给并且所述主热空气源被关掉时执行，
-从所述温度测量值中选择相关的温度测量值，
-将所述相关的温度测量值与警报阈值进行比较，以及
-根据所述比较来评估所述热交换器中的泄漏水平。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述温度测量值的获取在预定的观测时间段期间执行，所述时间段由对包括具有显著泄漏的热交换器的飞行器总体进行统计分析来确定。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过统计滤波来选择所述相关的温度测量值，所述统计滤波适于选择最能代表包括在所述预定的观测时间段中的稳定阶段的所述温度测量值。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述观测时间段具有介于大约3分钟至10分钟之间的持续时间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括在将所述相关的温度测量值与所述警报阈值进行比较之前使所述相关的温度测量值标准化，所述标准化是通过消除所述相关的温度测量值相对于外部环境的依赖性来执行。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述外部环境通过外部空气的温度的测量值和所述次级热空气源的出口处的温度的测量值来识别。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述警报阈值基于所述热交换器(17)的所述出口处的空气温度的理论值，所述理论值由预定的热模型来估计，所述热模型从对飞行器的机队的多个热交换器中的每一个热交换器的所述出口处的空气温度以及外部空气和所述次级热空气源的对应温度的一系列实际测量值进行统计分析来构建。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述警报阈值是选自介于大约100○C至150○C之间的值。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过基于根据来自飞行器的同一机队的多次飞行的一系列数据预先构建的老化模型的自动学习来估计所述泄漏水平和所述热交换器(17)的故障预知。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述热交换器(17)的下游的所述次级热空气源(35)是辅助动力单元APU。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，温度探头是控制环路的一部分，所述控制环路用于调节所使用的新鲜空气和热空气的混合物的温度，以在所述热交换器的所述出口处保持恒定的空气温度。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括使测量温度、和/或泄漏水平和/或故障预知的图形表示可视化。
13.一种用于监测飞行器(7)的空气回路(5)中的热交换器(17)的状态的系统，所述热交换器用于冷却从所述飞行器的主热空气源的源中提取的空气，所述系统的特征在于，所述系统包括：
-获取模块(11)，所述获取模块被构造成获取由被设置在所述热交换器的出口处的探头所得到的温度测量值，所述获取在所述空气回路由所述热交换器的下游的次级热空气源供给并且所述主热空气源被关掉时执行，
-处理器(9)，所述处理器被构造成从所述温度测量值中选择相关的温度测量值，并通过将所述相关的温度测量值与预定的警报阈值进行比较来检测所述热交换器(17)中的可能的泄漏。
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