狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)在核心機試驗中的應(yīng)用

李富亮

摘要：隨著許多新設(shè)計、新材料和新工藝在核心機上的應(yīng)用，核心機試驗的安全風(fēng)險不斷增加，狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)在核心機試驗中的地位越來越重要。本文對氣路參數(shù)監(jiān)控、滑油監(jiān)控、振動監(jiān)控等狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行了分析和探討，總結(jié)了各種狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)在核心機試驗中的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：核心機試驗;狀態(tài)監(jiān)控技術(shù);氣路參數(shù)監(jiān)控;滑油監(jiān)控;振動監(jiān)控

0? 引言

航空發(fā)動機工作在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速和高負(fù)荷的苛刻條件下，為了保證發(fā)動機及其系統(tǒng)工作可靠，除了在發(fā)動機型號研制階段進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計計算和分析外，還需進(jìn)行數(shù)萬小時的部件和整機試驗[1]。核心機由航空發(fā)動機中的高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪組成，是發(fā)動機強度和使用可靠性最關(guān)鍵的部分，在發(fā)動機型號研制初期進(jìn)行核心機試驗研究，可以降低發(fā)動機的研制風(fēng)險并加快發(fā)動機的研制進(jìn)度。隨著航空發(fā)動機設(shè)計和試驗技術(shù)的不斷發(fā)展，許多新設(shè)計、新材料和新工藝都安排在核心機上進(jìn)行技術(shù)可行性驗證，核心機試驗的安全風(fēng)險隨之不斷增加，失速、喘振、振蕩燃燒、葉片損傷、葉尖碰磨、轉(zhuǎn)子熱彎曲、轉(zhuǎn)子卡滯等故障時有發(fā)生，狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)在核心機試驗中的地位越來越重要。

核心機狀態(tài)監(jiān)控是指在核心機試驗中及試驗后，從核心機氣動熱力參數(shù)、機械性能參數(shù)、監(jiān)控參數(shù)中提取信息來實現(xiàn)對核心機狀態(tài)的識別，尋找核心機故障并判明故障原因、部位、趨勢或預(yù)報即將發(fā)生的故障[2]。核心機試驗中使用的狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)分為實時監(jiān)控和離線監(jiān)控兩種，實時監(jiān)控主要包括試驗過程中的氣路參數(shù)監(jiān)控、滑油監(jiān)控、振動監(jiān)控等，離線監(jiān)控主要包括試驗后的轉(zhuǎn)子慣性運轉(zhuǎn)時間記錄、燃滑油泄漏監(jiān)控、盤車檢查、關(guān)鍵部位孔探儀檢查等。本文對核心機試驗中使用的各種實時監(jiān)控和離線監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行分析、探討和總結(jié)。

1? 氣路參數(shù)監(jiān)控

在核心機試驗過程中，常利用高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、排氣溫度、燃油流量、特征截面溫度和壓力、腔溫腔壓等氣路參數(shù)來判斷核心機是否達(dá)到規(guī)定的技術(shù)狀態(tài)，并以模擬儀表和實時波形圖等形式顯示在試驗臺架數(shù)采系統(tǒng)監(jiān)控界面上，供試驗人員實時監(jiān)控;這些氣路參數(shù)能準(zhǔn)確、靈敏地反映核心機的工作狀態(tài)和性能變化，并能精確、快速、便利地進(jìn)行測量和記錄。當(dāng)這些參數(shù)達(dá)到預(yù)先設(shè)置的報警值或限制值時，數(shù)采系統(tǒng)會發(fā)出黃色或紅色報警信號進(jìn)行示警，EEC電子控制器和試驗人員分別自動和手動采取降低轉(zhuǎn)速、緊急停車等應(yīng)急處置措施。停車后利用數(shù)據(jù)回放軟件，對這些參數(shù)進(jìn)行回放對比、趨勢分析等，判斷核心機健康狀況，分析故障原因。

以試驗過程中喘振在線監(jiān)測為例，目前常用的監(jiān)測方法有A值、B值和C值判別法。其中，A值為高壓壓氣機出口總、靜壓差的脈動分量與其平均值之比，當(dāng)A值高于門限值時即判定發(fā)生喘振;B值是高壓壓氣機系統(tǒng)在容腔內(nèi)氣體壓力和作用在容腔中內(nèi)力的比值，當(dāng)B值大于臨界B值時壓氣機進(jìn)入喘振，當(dāng)B值小于臨界B值時壓氣機進(jìn)入旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài);另外，依據(jù)喘振發(fā)生時高壓壓氣機出口總壓急劇下降的特點，將高壓壓氣機出口總壓的變化率小于常數(shù)C值作為喘振發(fā)生的判據(jù)[3]。核心機試驗過程中一般采用A值、B值和C值的不同組合進(jìn)行喘振在線監(jiān)測。

2? 滑油監(jiān)控

核心機滑油監(jiān)控是利用與滑油有關(guān)的信息監(jiān)視滑油本身的理化性能以及核心機中與滑油接觸的零部件工作情況?；捅O(jiān)控包括滑油系統(tǒng)工作參數(shù)監(jiān)控、滑油中金屬屑監(jiān)控和滑油理化分析[4]。

2.1 滑油系統(tǒng)工作參數(shù)監(jiān)控

通過監(jiān)控滑油系統(tǒng)工作參數(shù)，可以確認(rèn)系統(tǒng)自身是否工作正常，監(jiān)控參數(shù)主要包括滑油壓力、滑油溫度和滑油消耗量。

滑油壓力由安裝在滑油系統(tǒng)高壓供油管路中的壓力傳感器測量，滑油壓力表征滑油系統(tǒng)潤滑油量的大小，滑油壓力過低容易造成系統(tǒng)潤滑不良，滑油壓力過高會導(dǎo)致系統(tǒng)密封性不良，滑油消耗量會升高。核心機試驗過程中應(yīng)重點關(guān)注起動時滑油壓力建立時間和轉(zhuǎn)速，待核心機運轉(zhuǎn)至慢車以上狀態(tài)，則應(yīng)監(jiān)控滑油壓力在合理的范圍內(nèi)。

滑油溫度傳感器一般安裝在滑油系統(tǒng)回油管路上，通過監(jiān)控滑油溫度，可以間接獲得核心機軸承、傳動齒輪、熱端封嚴(yán)、燃滑油散熱器的工作情況。滑油溫度過高會影響滑油粘性、惡化滑油品質(zhì)，造成系統(tǒng)潤滑不良。因此，當(dāng)核心機在大狀態(tài)長時間工作時，應(yīng)監(jiān)控滑油溫度不得超過允許的工作范圍。

滑油消耗量可以在試驗過程中由滑油箱液位傳感器測量得到，也可以通過試驗前后滑油箱上的滑油標(biāo)尺刻度計算得到，因油箱的油位與滑油溫度有關(guān)，停車后的滑油位測量應(yīng)在停車后10min測量，滑油消耗量計算時應(yīng)考慮每次添加滑油量及理化分析取樣油量?；拖牧慨惓？杀碚骰屯庑够騼?nèi)漏、回油量低、離心通風(fēng)器異常等故障。

2.2 滑油中金屬屑監(jiān)控

核心機正常磨損時其滑油中磨粒濃度能夠達(dá)到動態(tài)平衡，而異常磨損時磨粒濃度及粒度分布會超出標(biāo)準(zhǔn)，因此可利用滑油中金屬屑含量信息監(jiān)控核心機零部件磨損狀況[5]。核心機試驗中金屬屑監(jiān)控主要通過滑油濾檢查、滑油光譜分析進(jìn)行。由于滑油濾網(wǎng)孔尺寸較大，一般間隔一段時間將滑油濾拆開清洗并收集金屬屑進(jìn)行形貌分析，判斷磨損部件和狀態(tài);同時還從滑油濾、滑油箱、附件齒輪箱等部位提取油樣進(jìn)行光譜分析，將光譜分析結(jié)果與預(yù)先制定的金屬元素含量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對，監(jiān)控和預(yù)測滑油系統(tǒng)故障。

2.3 滑油理化分析

滑油理化分析的目的是檢驗油品的品質(zhì)以及界定使用惡化極限，以確定油品品質(zhì)或者油品是否需要更換，理化分析項目一般包括粘度、水分、酸值、機械雜質(zhì)、起泡性能等。一般在核心機試驗前進(jìn)行一次滑油理化分析，確認(rèn)滑油品質(zhì)滿足要求;核心機試驗中，當(dāng)出現(xiàn)滑油箱油量增多，懷疑滑油系統(tǒng)中混入燃油或冷卻液時，可進(jìn)行滑油理化分析進(jìn)行確認(rèn)。

3? 振動監(jiān)控

核心機試驗過程中的振動監(jiān)控主要包括整機振動監(jiān)控、關(guān)鍵部件振動和應(yīng)力測量等。

3.1 整機振動監(jiān)控

整機振動監(jiān)控的目的是分析和判斷核心機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，特別是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的機械狀態(tài)和故障信息[6]。整機振動信號包含的幅值、頻率、相位等信息，直接反映結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的機械狀態(tài)，可以通過整機振動信號分析實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)核心機的損傷和非正常磨損。整機振動監(jiān)控是通過振動監(jiān)視系統(tǒng)來實現(xiàn)，該系統(tǒng)由振動傳感器、動態(tài)信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集器、動態(tài)數(shù)采軟件等組成，可以實現(xiàn)振動信號實時采集、實時分析和實時存儲，試驗過程中當(dāng)振動值達(dá)到告警值或限制值時，振動監(jiān)視系統(tǒng)立即報警，試驗人員及時采取終止起動、緊急慢車和緊急停車等應(yīng)急處置措施。

3.2 關(guān)鍵部件振動和應(yīng)力測量

關(guān)鍵部件振動和應(yīng)力測量的目的是通過進(jìn)行轉(zhuǎn)子和靜子葉片、盤、軸等關(guān)鍵部件的振動和應(yīng)力分析，獲得振動應(yīng)力分布和振型，確定危險轉(zhuǎn)速、激振頻率等[7]。核心機試驗過程中主要進(jìn)行轉(zhuǎn)靜子葉片、外部附件和管路振動應(yīng)力測量、轉(zhuǎn)子軸向力測量等。

典型葉片動應(yīng)力測試系統(tǒng)主要由應(yīng)變片、引線、信號傳輸裝置（滑環(huán)引電器或遙測裝置）、連接線路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。葉片動應(yīng)力測量過程中的技術(shù)難點包括應(yīng)變片貼片、測試引線、應(yīng)變信號傳輸和測試改裝等。由于滑環(huán)引電器通過轉(zhuǎn)接軸安裝在壓氣機轉(zhuǎn)子前端，工作溫度一般要求低于40℃，需要配置冷卻供水或供氣裝置，安裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作不穩(wěn)定且測量通道有限，已逐漸被小體積、多通道、高可靠的非接觸式遙測裝置取代。

轉(zhuǎn)子軸向力測量方法分為間接測量法和直接測量法[8]。間接測量法是依據(jù)轉(zhuǎn)子氣動軸向力的計算方法，將核心機各部分的盤腔軸向力和流道軸向力進(jìn)行計算和迭加，但因許多腔壓無法實測，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確計算軸向力，最終計算結(jié)果誤差較大。直接測量法是在軸承外環(huán)前后各安裝一個粘貼應(yīng)變片的彈性環(huán)，利用彈性環(huán)在彈性變形范圍內(nèi)軸向變形量與軸向載荷呈線性關(guān)系的原理，通過實時測量應(yīng)變量獲取轉(zhuǎn)子向前或向后的軸向力，該方法測試精度較高，但需要對被測軸承進(jìn)行專項測試改裝。核心機試驗時一般同時進(jìn)行轉(zhuǎn)子軸向力的間接測量和直接測量，試驗過程中重點監(jiān)控軸向力，防止軸向力在某些轉(zhuǎn)速下頻繁換向。

4? 其它監(jiān)控

除了上述幾種實時狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)，核心機試驗中還進(jìn)行轉(zhuǎn)子慣性運轉(zhuǎn)時間記錄、燃滑油泄漏監(jiān)控、盤車檢查、關(guān)鍵部位孔探儀檢查等離線監(jiān)控。

轉(zhuǎn)子慣性運轉(zhuǎn)時間指的是當(dāng)油門桿從慢車收回停車位置后，核心機依靠轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動慣性從慢車轉(zhuǎn)速降轉(zhuǎn)到某一小轉(zhuǎn)速的時間。通過分析慣性運轉(zhuǎn)時的聲音和時間可以判斷核心機氣流通道和軸承有無卡滯或異常。

燃滑油泄漏監(jiān)控在試驗過程中通過試車臺架的CCTV監(jiān)控系統(tǒng)屏幕進(jìn)行，停車后則通過目視檢查燃、滑油系統(tǒng)部件和管路進(jìn)行。

盤車檢查一般在試驗當(dāng)天核心機第一次起動前及后續(xù)試驗停車后進(jìn)行，通過盤車時的力矩和聲音可以判斷核心機轉(zhuǎn)子是否有碰磨和卡滯，避免在轉(zhuǎn)子碰磨或卡滯的情況下起動核心機，導(dǎo)致更嚴(yán)重的故障發(fā)生。

孔探儀檢查是一種目視-光學(xué)檢測，利用孔探儀可以檢查出核心機內(nèi)部氣路部件的損傷、變形、裂紋、燒蝕、涂層脫落等多種故障。核心機停車后使用孔探儀對影響試驗安全的高壓壓氣機每一級轉(zhuǎn)子葉片前后緣、燃燒室燃油噴嘴、高壓渦輪導(dǎo)向器和工作葉片等關(guān)鍵部位進(jìn)行檢查。

5? 總結(jié)

通過在核心機試驗時應(yīng)用氣路參數(shù)監(jiān)控、滑油監(jiān)控、振動監(jiān)控等實時狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)以及轉(zhuǎn)子慣性運轉(zhuǎn)時間記錄、燃滑油泄漏監(jiān)控、盤車檢查、關(guān)鍵部位孔探儀檢查等離線狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)，可以對試驗時核心機工作狀態(tài)和性能變化、滑油品質(zhì)和與滑油接觸的零部件工作情況、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)機械狀態(tài)和故障信息、關(guān)鍵部件振動應(yīng)力分布、氣流通道和軸承工作情況、燃滑油泄漏情況進(jìn)行監(jiān)控，提前對故障進(jìn)行示警并準(zhǔn)確判斷故障部位，確保核心機試驗安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳大觀.航空發(fā)動機研制工作論文集[M].航空工業(yè)出版社，2009.

[2]張經(jīng)璞.航空發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控與典型故障分析[D].沈陽航空航天大學(xué)，2017.

[3]韓靖懿.某型渦輪風(fēng)扇式發(fā)動機喘振研究[D].東北大學(xué)，2013.

[4]林基恕.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機機械系統(tǒng)設(shè)計[M].航空工業(yè)出版社，2005.

[5]孫護(hù)國，霍武軍，于海濱.航空發(fā)動機滑油系統(tǒng)監(jiān)控與診斷技術(shù)[J].航空科學(xué)技術(shù)，2000（04）：23-24.

[6]陳衛(wèi)，程禮，李全通.航空發(fā)動機監(jiān)控技術(shù)[M].國防工業(yè)出版社，2011.

[7]侯敏杰.高空模擬試驗技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2014.

[8]王秋陽，陳亮.航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子氣體軸向力技術(shù)研究[J].中國設(shè)備工程，2018（007）：173-176.