用于使測量組構形適應燃氣渦輪性能診斷的過程的制作方法

文檔序號：5833129閱讀：254來源：國知局

專利名稱：用于使測量組構形適應燃氣渦輪性能診斷的過程的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及燃氣渦輪發動機建模領域。更特別地，本發明涉及用于適應(adapt)燃氣渦輪發動機的測量組構形(measurement suite configuration)的方法和系統，以便根據傳感器故障或數據缺失來提供耐用的(robust)性能跟蹤。
背景技術：
燃氣渦輪性能診斷本身涉及當發動機隨著時間的過去惡化時跟蹤在發動機模塊性能測量(典型地是效率和流動參數)中的變化。推進這種方法學的主要信息來源是沿著發動機的氣路選取的測量，比如溫度、壓力、速度等等。穿過寬闊的用戶/航行器基地跟蹤發動機群提出了額外的復雜性，即被測量的參數因使用儀器和記錄的保真度和穿過安裝的不可重復性而不同。傳統的性能診斷評估方法應用一些預估/校正評估計劃的形式。這些程序使用過去的性能評估作為用于當前性能評估計算的推理信息。許多這些途徑使用線性評估方法或它們的導數以從先前評估和當前數據中推斷性能變化。這種診斷方法成功的部署取決于許多因素，其中一個是在不需要應用復雜的例外邏輯以覆蓋所有可能的測量情景的情況下它的適應不同測量組的能力。提供某種形式的測量構形的預備是提供在性能跟蹤過程中所需的耐用的步驟，該測量構形在不需要對診斷軟件做出變化的情況下使它本身適應當前有用的測量組以及適應跨過發動機監測程序壽命設置的這種測量中的變化。有幾個因素推進了對于這種測量構形過程的需要。一個因素是在考慮中對于引導性能健康趨勢的有用的氣路測量的數量和類型隨著燃氣渦輪的型號和類型而變化的事實。例如，應用一個或兩個巻軸的發動機、渦4侖噴氣對渦4侖風扇噴氣發動機、混合對非混合流動、新一代或成熟型號的發動機以及其它的都是以氣路使用儀器的形式指示什么是有用的和什么是無用的因素，該使用儀器提供用于性能評估過程的輸入參數流。現有技術中許多公知的用于執行發動機模塊性能健康跟蹤的方法在一定意義上都是一類的，即它們可纟皮應用在任何類型的燃氣渦輪測量組。前者典型地是數據庫問題，而后者可影響過程的實際軟件執行。適應任何特定測量構形的過程都將提供更大程度的耐用并且否定需要軟件改變以執行特定測量i更置。另一個推動需要測量構形的因素是在航行器發動機監測中數據缺失是常見的。不論什么原因，參數可從記錄的輸入流中或者在一段時間中間歇地或者全部地消失。由于^(吏用儀器的問題、維修行為、記錄異常等等，可發生這種情況。不論什么起因，結果是有效的測量組改變了。如果性能評估過程取決于(預選的)測量組，那么一個或多個輸入參數間歇的(或持續的)丟失將引起在分析中發生間隔。所需要的是更加耐用的發動機性能跟蹤過程，其識別當前時間點的測量組并且適應測量組來改變以允許性能評估過程進行。發明內容盡管有執行發動機性能跟蹤的各種方法和系統，但是這種方法和系統并不完全令人滿意。發明人已經發現的是希望具有適應燃氣渦輪發動機的測量組構形的方法和系統，以便根據傳感器故障或數據缺失來提供耐用的性能跟蹤。本發明的一個方面提供了一種用于使來自燃氣渦輪發動機的測量適應使用在性能跟蹤中的方法。根據本發明的這個方面，該方法優選地開始于選擇用于燃氣渦輪發動機及其應用的默認的發動機構形、獲得對應預定數量的測量參數的氣路數據樣本、得到用于燃氣渦輪發動機的性能參數、將在時間k處的測量參數和性能參數與預定的閾值比較以確定每一個參數的品質和/或可用性，其中被確定是有問題的參數對于性能跟蹤被界定為不存在的，基于默認的發動機構形和現有測量參數Z確定測量構形矩陣Mc,以及基于默認的發動機構形和現在的性能參數x確定故障構形矩陣Fc，并且使用測量構形矩陣Mc和故障構形矩陣Fc來適應性能跟蹤方法。該方法的另一個方面是測章構形矩陣Mc是大小為m的單位矩陣，其中m二被測量參數的個數。該方法的另一個方面是故障構形矩陣Fc是大小為n的單位矩陣，其中n-被評估的性能故障的個數。該方法的另一個方面是在測量構形矩陣Mc的主對角線中的零輸入代表有問題的或缺失的參數測量。該方法的另一個方面是在故障構形矩陣MF的主對角線中的零輸入代表那些故障，該故障的評估受到被使用來計算性能評估的對應測量參數的丟失的影響。本發明的一個或多個實施例的詳細描述將在下面的附圖和說明中^皮提出來。通過說明和附圖以及通過權利要求，本發明其它的特征、目的和優點將變得顯而易見。

圖1是示范性方法的方塊圖。圖2是本發明的單個模塊的示范性應用結構。
具體實施方式
通過參考附圖將對本發明的實施例進行描述，其中各處相似的數字代表相似的元件。進一步地，可以理解的是在本文中使用的措辭和用語是出于說明的目的并且不應該被認為是限制性的。在本文中對 "包含"、"包括，，或"具有"以及它們的變體的使用意味著包括此后列出的條目和它的等同物以及另外的條目。用語"被安裝"、"被連接"和"被結合"被廣泛地使用并且包括兩種直接的和間接的安裝、連接和結合。進一步地，"被連接"和"被結合"并不被限定為物理的或機械的連接或結合。本發明并不受到附圖中所描述或所暗示的任何特定軟件語言的限制。多種備選的軟件語言可被使用來執行本發明。如現有技術中的普遍慣例，一些部件和條目被圖解和描述，就好像它們是硬件元件。然而，在方法和系統中的各種部件都可在軟件或硬件中被執行。本發明是模塊化結構并且可作為切實包含在程序存儲裝置上的應用程序被配置成軟件。用于#1行的應用代碼可存在于多個不同類型的對本領域的那些技術人員是公知的計算機可讀媒介上。圖1圖示了用于適應燃氣渦輪發動機的測量組構形的方法和系統，以根據傳感器故障或數據缺失來提供耐用的性能跟蹤。該方法開始于在離散時間k處獲得發動才幾氣路數據樣本(步驟102)。氣路數據包括多個氣路參數測量，比如巻軸速度、溫度、壓力和流率。對于特定的燃氣渦輪發動機型號和它的特定應用場合，可有一組默認的在發動機氣路中被測量的參數。這符合用于該發動機型號和應用場合的標準的"物料清單"傳感器構形。該組默認的參數創建了測量組并且是公知推理的(步驟103)。測量矩陣Mc基于該組默認的發動機測量參數被集合并且被保持。測量矩陣Mc是大小為m(mxm)的單位矩陣，其中m是被測量的參數的個數，并且被界定為其中i和j是行指數和列指數。為了確定測量參數的品質和/或可用性，在時間k處發動機氣路參數的向量被典型地與預定的閾值做比較(步驟104)。范圍外的參數或丟失的參數將使這些測試失敗并且測量參數Z的向量將被標記為不具有默認的構形。同樣地，如果所有的參數都在閾值內，那么然后測量參數的向量將被標記為具有默認的構形并且對于性能診斷跟蹤將立刻是有用的(步驟109)。如果測量參數Z的向量被標記為不具有默認的構形，那么這指示至少一個測量參數或者在預定的閾值之外或者是完全丟失的，也就是數據缺失。在任一情形中，有問題的或丟失的參數測量對于隨后的性能診斷跟蹤都要被確定是不存在的(步驟105),并且測量構形矩陣Mc 被改變(步驟106)<formula>formula see original document page 10</formula>(2)
通過背景技術，發動機性能診斷跟蹤典型地評估傳感器性能以及發動機模塊性能。對于發動機片莫塊，性能參數通常的表現形式為在模塊效率和流量參數中的變化，或性能變量增量(從標稱或安裝狀態)。對于傳感器本身，傳感器誤差參數x是氣路分析的部分并且被評估和跟蹤。性能變量增量(delta)從參考(標稱)處計算。如果所有的參數變量增量都接近于零而一個參數具有大的變量增量值，那么它可指示"傳感器"誤差。傳感器誤差并不被限于使用儀器上，而是可包括在數據記錄、數據約簡、標準化等等中的誤差。傳感器誤差是傳感器精度的測量并且被包括在性能評估過程中以吸收傳感器偏差與漂移的影響和較小程度上的傳感器不可重復性。性能評估幫助防止來自傳感器誤差的模塊性能評估的訛誤。所以，如果測量參數x不存在，那么任何隨后的分析都能有效地將關聯的傳感器誤差評估從性能評估過程中降低。這個過程由故障構形矩陣Fc來控制，其被集合并且跟蹤測量構形矩陣Mc。當測量構形矩陣Mc是基于默認的發動機構形時，故障構形矩陣Fc也是單位矩陣。如果Mc被改變了，那么Fc也將纟皮改變。一組解法可被開發以控制作為Mc中變化的函數的Fc是如何變化的，并且可隨著應用場合之間的不同而變化。故障構形矩陣Fc基于該組默認的故障參數被集合并且被保持。故障構形矩陣Fc是大小為n(nxn)的單位矩陣，其中n是被隨后的性能診斷跟蹤過程評估的性能故障x的個數，并且n〉m。故障構形矩陣Fc纟皮界定為故障構形矩陣Fc包括模塊評估性能故障x(效率和流量參數變化) 以及傳感器故障和任何其它的可被包括在性能診斷跟蹤過程中的發動機系統故障。用于評估默認的測量構形的潛在故障列表(n)被執行診斷跟蹤的分析者預先確定和指定。如果測量構形矩陣Mc已經從上次的樣本k-l中^皮更新了(步驟 106),那么故障構形矩陣Fc相似地也要被更新(步驟107)。故障構形矩陣Fc被改變以排除那些故障，該故障的評估受到被使用來計算性能評估的對應測量參數的丟失的影響(在步驟106中執行)。例如，如果被結合到高壓壓縮機(HPC)入口處的壓力測量傳感器 (稱為P25)失敗了，或者如果它的輸出信號遭受到缺失，那么測量構形矩陣Mc就被調整以反映這種情況。如果q"測量參數是P25，那么 Mc(q,q)將被設置為0。故障構形矩陣Fc相似地也^^更新，Fc(p,p) = 0, 其中在故障組中的p^參數代表P25傳感器故障。通常，Fc被更新為在接著的性能跟蹤計算中，測量構形矩陣Mc和故障構形矩陣Fc 通過適應有效地將P25測量從性能故障計算中除去了并且將P25傳感器誤差評估從起作用的故障列表中除去了。典型地，使用最小平方或者綜合最小平方評估計算執行性能計算。卡爾曼濾波器(Kalman filter) 是一個^^皮使用的途徑，并且其是被使用來教授方法的綜合最小平方途ith性能故障存在 ith性能故障不存在所述的情況中，在媒質110和溫度傳感器120彼此直接毗鄰的情況中，我們談論直接熱耦合。媒質的流動越小，熱耦合(thermal coupling)越好，其也被稱作熱耦合(heat coupling),在媒質和溫度傳感器元件之間，并且溫度傳感器元件 120和環境112之間的熱耦合以及媒質10和周圍材料112之間的熱耦合越小，溫度傳感器元件120處測量的溫度和媒質110的溫度之間的偏差通常越小。上面的考慮和定義應用于全部下面的實施例。熱流和/或媒質流，媒質和/或其它材料的熱傳導以及不同媒質和/或主體之間的熱傳遞是之前提到的環境條件，其影響溫度傳感器元件處測量的溫度與媒質的溫度的偏差。電路130被實施成根據溫度傳感器元件120處測量的溫度和校正模型 131來確定媒質的溫度。校正模型根據環境條件的分析和環境條件的影響的類型，以及溫度傳感器元件120處測量的溫度和媒質110的溫度之間的偏差被減小，或換句話說通過校正模型被校正的媒質110的溫度。試驗表明某些環境條件比其它對偏差具有更大的影響，因此校正模型尤其考慮引起一個或幾個基本上的偏差的環境條件。因此，溫度傳感器元件120可以例如是NTC (負溫度系數)元件或 PTC (正溫度系數)元件，從而根據溫度，溫度傳感器元件120示范性地改變它的阻抗，并且當前阻抗值是NTC或PTC元件處溫度的測量。作為傳感器信號122，并通過電路130接收，通過溫度傳感器120然后示范性地產生該阻抗值和/或對應的電壓值。可替代地，溫度傳感器120也可以是熱耦合器。然而，溫度測量也基于其它測量原理。發射傳感器信號122 可以例如經由信號線或無線地進行。電路130可被實施，以便根據傳感器信號122和校正模型131而作為溫度信號132輸出媒質的溫度。因此，校正模型131可以作為使媒質的對應溫度與不同的傳感器信號 122相關的值的表而被示范性地存儲，或者作為特征曲線或函數被存儲于電路130中，電路130根據其計算對于各個傳感器信號122的媒質的對應溫度132。測量協方差矩陣R是從么^知的測量傳感器不可重復性標準偏差<formula>formula see original document page 13</formula>和傳感器性能故障影響系數子矩陣Hs的知識計算的，如<formula>formula see original document page 13</formula> (8)其中S是cr, ,"1,2，…,",值的nsx 1向量，而^ag(。是nsx ns對角矩陣，其中S出現在主對角線上并且所有出現在主對角線以外上的都是零。(5)、 (6)、 (7)和(8)代表卡爾曼濾波器等式。一旦測量構形Mc和故障構形Fc矩陣已被更新(步驟106,107)，那么它們可被使用來適應上面所描述的性能評估過程以適合如下面被進行的(step 109)當前數據點的測量構形。測量構形Mc和故障構形Fc矩陣適應影響系數矩陣H，創建修正影響系數矩陣^<formula>formula see original document page 13</formula> (9) 與修正影響系數矩陣》關聯的測量構形Mc適應測量傳感器不可重復性標準偏差S，創建修正測量協方差矩陣》<formula>formula see original document page 13</formula> (10)其中I是mxm單位矩陣。修正影響系數矩陣#和修正測量協方差矩陣》適應卡爾曼增益矩陣5<formula>formula see original document page 13</formula> (11)使用修正值計算性能變量增量i并且被輸出<formula>formula see original document page 13</formula> (12)出于性能跟蹤的目的，對于雄)的性能變化，其中Fc(i,i)=l，并且 i = l,2，...,n，可被報告給終端用戶。在圖2中圖示的是各種包括和實施本發明的模塊的結構 (framework)201實施例。結構201從位于燃氣渦輪發動機上的監測傳感器處接收數據。結構201包括被結合到測量適應模塊205上的數據規范器203, 其被結合到適應的(adaptive)卡爾曼濾波器207上以用于評估燃氣渦輪發動機模塊性能變化。數據規范器203將獲得的發動機測量數據與發動機型號比較以得到發動機性能測量變量增量。測量適應模塊205包括Z向量匯編(assembler)209、 Fc矩陣匯編211和Mc矩陣匯編213。測量變量增量被集合在向量Z 209中并且對Mc矩陣213做出適當的變化，如先前所描述的。Fc矩陣匯編211修正將從測量變量增量的當前構形進行評估的性能故障。適應的卡爾曼濾波器207包括適應的影響S矩陣發動機215、適應的測量協方差》矩陣發動機217、適應的卡爾曼增益萬矩陣發動機219和適應的狀態評估；發動機211 。測量構形 Mc 213和故障構形Fc 211矩陣使卡爾曼濾波器207適應給定的測量組。在每個時間步驟k處執行這個過程，對于該時間步驟的數據是有用'的以用于處理。如上面略述的對于特定測量構形Mc和關聯故障構形Fc的更新卡爾曼濾波器評估等式的作用是同樣產生了對于給定的從開始處測量構形組件的性能變化什么是將要^L跟蹤的。由于這個過程可在軟件或硬件中被執行，或者場內(on-board)或者場外(off-board),所以應用本發明的優點是不需要動態再分配存儲以適應由不同的測量構形所指定的在矩陣大小中的變化。在上面所描述的過程中，矩陣維數被固定在默認的測量大小m和性能故障大小n,并且不會變化。構形矩陣Mc和構形矩陣Fc的使用將關聯的卡爾曼濾波器評估過程中適當的行和列清零，使得剩下的非零部分提供相同的結果一，其使用由測量組所指定的較低的維數數量將被獲得。在先前引用的P25 壓力測量缺失的實例中，測量變量增量向量本質上已經在大小上被一簡化到(m-l)x 1向量。這個在維度上的約簡通常將需要在模型數字元素中關聯的約簡，也就是H、 R和D。 Mc和Fc構形矩陣的使用允許最初的維數可;^皮保持。在不需要軟件變化或手動干涉的情況下，根據本測量構形這個支持可再構形其本身的自主過程。已經描述了本發明的一個或多個實施例。然而，可以理解的是在不偏離本發明的精神和范圍的情況下可做出各種修改。因此，其它的實施例在所附權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種用于使來自燃氣渦輪發動機的測量適應在性能跟蹤中的使用的方法，包括選擇用于所述燃氣渦輪發動機及其應用的默認的發動機構形；獲得對應預定數量的測量參數的氣路數據樣本；得到用于所述燃氣渦輪發動機的性能參數；將在時間k處的所述測量參數和性能參數與預定的閾值比較，以便確定每一個參數的品質和/或可用性，其中，被確定是有問題的參數對于性能跟蹤被界定為不存在的；基于所述默認的發動機構形和現有測量參數Z確定測量構形矩陣MC，以及基于所述默認的發動機構形和現在的性能參數x0確定故障構形矩陣FC；和使用所述測量構形矩陣MC和故障構形矩陣FC來適應性能跟蹤方法。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述測量構形矩陣 Mc是大小為m的單位矩陣，其中m-被測量參數的個數。
3. 根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述故障構形矩陣 Fc是大小為n的單位矩陣，其中11 =被評估的性能故障的個數。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括使用最小平方或綜合最小平方評估計算來執行性能跟蹤計算。
5. 根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述最小平方評估是卡爾曼濾波器。
6. 根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述卡爾曼濾波器是適應的卡爾曼濾波器。
7. 根據權利要求6所述的方法，其特征在于，在所述測量構形矩陣Mc的主對角線中的零輸入代表有問題的或丟失的參數測量。
8. 根據權利要求7所述的方法，其特征在于，在所述故障構形矩陣Fc的主對角線中的零輸入代表那些故障，所述故障的評估受到被使用來計算所述性能評估的對應測量參數的丟失的影響。
9. 根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括使用所述測量構形矩陣Mc和故障構形矩陣Fc來適應的影響系數矩陣H，從而創建修正影響系數矩陣^。
10. 根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括使用所述測量構形矩陣Mc和適應的影響系數矩陣^來適應測量傳感器不可重復性標準偏差S，從而創建修正測量協方差矩陣》。
11. 根據權利要求IO所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括使用所述修正影響系數矩陣#和修正測量協方差矩陣》來適應卡爾曼增益矩陣D。
12. 根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括使用所述適應的卡爾曼增益矩陣5 、所述適應的影響系數矩陣# 、現有測量參數Z和現在的性能參數x。來計算性能變量增量；。
13. —種用于使來自燃氣渦輪發動機的測量適應在性能跟蹤中的使用的系統，包括用于選擇用于所述燃氣渦輪發動機及其應用的默認的發動機構形的裝置；用于獲得對應預定數量的測量參數的氣路數據樣本的裝置；用于得到用于所述燃氣渦4侖發動機的性能參數的裝置；用于將在時間k處的所迷測量參數和性能參數與預定的閾值比較，以便確定每一個參數的品質和/或可用性的裝置，其中，被確定是有問題的參數對于性能跟蹤被界定為不存在的；用于基于所述默認的發動4幾構形和現有測量參數Z確定測量構形矩陣Mc，以及基于所述默認的發動機構形和現在的性能參數x確定故障構形矩陣Fc的裝置；和用于使用所述測量構形矩陣Mc和故障構形矩陣Fc來適應性能跟蹤方法的裝置。
14. 根據權利要求13所述的系統，其特征在于，所述測量構形矩陣Mc是大小為m的單位矩陣，其中m-被測量參數的個數。
15. 根據權利要求14所述的系統，其特征在于，所述故障構形矩陣Fc是大小為n的單位矩陣，其中n-被評估的性能故障的個數。
16. 根據權利要求15所述的系統，其特征在于，所述系統進一步包括用于使用最小平方或綜合最小平方評估計算來執行性能跟蹤計算的裝置。
17. 根據權利要求16所述的系統，其特征在于，所述最小平方評估是卡爾曼濾波器。
18. 根據權利要求17所述的系統，其特征在于，所述卡爾曼濾波器是適應的卡爾曼濾波器。
19. 根據權利要求18所述的系統，其特征在于，在所述測量構形矩陣Mc的主對角線中的零輸入代表有問題的或丟失的參數測量。
20. 根據權利要求19所述的系統，其特征在于，在所迷故障構形矩陣Fc的主對角線中的零輸入代表那些故障，所述故障的評估受到被使用來計算所述性能評估的對應測量參數的丟失的影響。
21. 根據權利要求20所述的系統，其特征在于，所述系統進一步包括用于使用所述測量構形矩陣Mc和故障構形矩陣Fc來適應影響系數矩陣H，從而創建修正影響系數矩陣^的裝置。
22. 根據權利要求21所述的系統，其特征在于，所述系統進一步包括用于使用所述測量構形矩陣Mc和適應的影響系數矩陣#來適應測量傳感器不可重復性標準偏差S，從而創建修正測量協方差矩陣》的裝置。
23. 根據權利要求22所述的系統，其特征在于，所述系統進一步包括用于使用所述修正影響系數矩陣^和修正測量協方差矩陣》來適應卡爾曼增益矩陣5的裝置。
24. 根據權利要求23所述的系統，其特征在于，所述系統進一步包括用于使用所述適應的卡爾曼增益矩陣萬、所述適應的影響系數矩陣^ 、現有測量參數Z和現在的性能參數XG來計算性能變量增量i的裝置o
全文摘要
本發明公開了一種用于使測量組構形適應燃氣渦輪性能診斷的過程。所描述的方法和系統使用線性預估-校正評估過程從氣路測量數據中評估燃氣渦輪發動機模塊性能的變化。測量構形矩陣MC和故障構形FC矩陣被集合。構形矩陣MC和構形矩陣FC被使用來使典型的線性預估-校正類型的性能評估過程適應給定的測量組，并且理想地適合于線性評估系統，比如那些使用卡爾曼濾波器的系統。
文檔編號G01M15/00GK101231213SQ20081000518
公開日2008年7月30日申請日期2008年1月22日優先權日2007年1月24日
發明者A·J·沃爾波尼申請人:聯合工藝公司

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