面向航空發(fā)動機疲勞試驗的靜電監(jiān)測方法研究

韋東豪，文振華*，郭霄，陳蔚蔚

1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南 鄭州 450015

2.中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川 成都 610500

航空發(fā)動機氣路部件所處的工作環(huán)境惡劣，長時間的高壓、高溫、強烈振動容易使部件產(chǎn)生不同程度的疲勞損壞，進而成為航空發(fā)動機主要的故障源[1]。相關(guān)資料顯示，氣路故障占到了發(fā)動機整體故障的90%[2]，嚴(yán)重的氣路故障會使發(fā)動機工作性能下降，引起空中停車等重大飛行事故，造成無法挽回的后果。

隨著航空器對發(fā)動機動力的需求不斷提高，研制新型號發(fā)動機時趨向于采用輕量化設(shè)計來提高推重比、提升發(fā)動機的性能，勢必會給發(fā)動機氣路部件帶來更嚴(yán)苛的性能要求[3]。一臺航空發(fā)動機的設(shè)計與研制需要歷經(jīng)技術(shù)驗證機、工程驗證機和原型機三個階段，研制周期較長[4]。原型機作為發(fā)動機試飛前的最后一個階段，需經(jīng)過大量的地面臺架試驗來驗證其設(shè)計的可靠性[5]，為保證試車安全，在試驗過程中對發(fā)動機原型機進行實時有效的在線監(jiān)測是不可或缺的技術(shù)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測、振動監(jiān)測[6]等技術(shù)手段通常獲取的是間接信息，只有在發(fā)動機故障惡化到一定程度時，才能夠在監(jiān)測數(shù)據(jù)上有所體現(xiàn)，具有一定的滯后性，不具備故障早期預(yù)警能力。因此，在新型號發(fā)動機的研制過程中，亟須一些新的監(jiān)測技術(shù)提供故障早期預(yù)警，保障試車安全，規(guī)避原型機損壞的風(fēng)險。

近年來，氣路靜電監(jiān)測技術(shù)作為一種新型的航空發(fā)動機在線監(jiān)測手段，能夠監(jiān)測發(fā)動機性能退化，具備故障早期預(yù)警能力，受到了廣泛關(guān)注。在航空發(fā)動機試驗方面，該技術(shù)得到了廣泛的實際驗證。孫見忠等[7]對發(fā)動機試車臺試驗所得數(shù)據(jù)進行分析，證實了靜電信號與發(fā)動機的工作狀態(tài)和健康狀態(tài)有關(guān)；付宇等[8]開展了渦輪噴氣發(fā)動機靜電監(jiān)測臺架試驗，獲得了140個完整試車階段的試驗數(shù)據(jù)，融合靜電監(jiān)測信號和氣路參數(shù)評估發(fā)動機性能；殷逸冰等[9]應(yīng)用靜電傳感器監(jiān)測發(fā)動機試車循環(huán)過程，驗證了靜電監(jiān)測技術(shù)具備機載化的可能性。

盡管學(xué)者們已經(jīng)在多類發(fā)動機的試車試驗中開展了驗證性的工作，但其主要針對型號成熟的發(fā)動機開展臺架試驗，在原型機試車階段的發(fā)動機監(jiān)測應(yīng)用未見報道。新型號發(fā)動機的研制通常采用大量的新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝等措施，與成熟型號的發(fā)動機相比，原型機要在保證可靠性的同時，提升自身的性能。然而，原型機設(shè)計以及裝備技術(shù)尚不成熟，疲勞試驗過程中極易發(fā)生不可預(yù)見的故障，導(dǎo)致原型機損壞，從而嚴(yán)重影響研制的進度，加大研制成本投入[10]。因此，本文在某型渦扇發(fā)動機原型機的地面臺架疲勞試驗中引入靜電監(jiān)測技術(shù)，開展對發(fā)動機原型機氣路部件狀態(tài)的在線監(jiān)測試驗，成功監(jiān)測到發(fā)動機原型機早期故障信號并做出預(yù)警，發(fā)動機及時停車，避免了故障傳播造成發(fā)動機原型機健康狀況二次惡化，降低了原型機損壞的風(fēng)險，驗證了靜電監(jiān)測技術(shù)對于原型機的有效性。

1 氣路靜電監(jiān)測技術(shù)原理

氣路靜電監(jiān)測技術(shù)通過對發(fā)動機尾氣中整體電荷水平進行實時在線監(jiān)測來感知發(fā)動機的狀態(tài)。在發(fā)動機正常工作時，尾氣排放顆粒環(huán)境較為平穩(wěn)，因此氣路靜電電荷量維持在相對穩(wěn)定的水平[11]。發(fā)動機氣路部件發(fā)生故障或性能出現(xiàn)嚴(yán)重退化時，氣流通道中會產(chǎn)生粒徑較大的異常顆粒，通常在40μm以上，由于不同顆粒粒徑大小的差異導(dǎo)致顆粒所攜帶的電荷量不同，因此，異常顆粒物會引起氣路中靜電荷水平的變化。

靜電傳感器安裝在發(fā)動機尾噴管后側(cè)，發(fā)動機起動后，帶電顆粒在氣流的帶動下經(jīng)過靜電傳感器的探測區(qū)間，基于靜電感應(yīng)原理，傳感器的感應(yīng)探極表面的電荷會重新排布，使探極內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的信號調(diào)理單元轉(zhuǎn)換、放大后形成電壓信號，然后反饋到計算機的分析處理單元，經(jīng)過特征提取和數(shù)據(jù)融合后實時評估發(fā)動機的健康狀態(tài)，以便提供發(fā)動機初始故障狀態(tài)的早期預(yù)警信息。

在發(fā)動機原型機的疲勞試驗中，因原型機在一定程度上不夠成熟，氣路部件經(jīng)常會出現(xiàn)碰摩、燒蝕等故障，靜電監(jiān)測技術(shù)用于監(jiān)測發(fā)動機原型機在疲勞試驗過程中氣路故障的直接產(chǎn)物，能夠根據(jù)發(fā)動機原型機的實時狀態(tài)有效地進行故障早期預(yù)警。

2 靜電信號的特征參數(shù)提取與分析

靜電傳感器輸出的電壓信號與傳感器探極表面電荷隨時間的變化率成正比[12]，其測量模型可等效為

式中，U為感應(yīng)電壓信號；Q為感應(yīng)電荷量；R為測量電路等效電阻；感應(yīng)電壓信號U反映了靜電傳感器探極靈敏空間內(nèi)電荷量的變化情況。

傳感器輸出的感應(yīng)電壓信號經(jīng)過積分處理得到感應(yīng)電荷后，進行以下特征值提取。

（1）活動水平（AL）用來衡量在時間T內(nèi)尾氣中連續(xù)出現(xiàn)微小顆粒的數(shù)量，其實質(zhì)為感應(yīng)電荷量的均方根值（RMS）[13]。

式中，Qn為靜電傳感器輸出靜電監(jiān)測電壓信號的積分值，即感應(yīng)電荷信號；N為時間T內(nèi)總采樣點數(shù)。

（2）事件率（ER）是一個百分比，用來表示時間T內(nèi)尾氣中異常大顆粒所占比重，根據(jù)感應(yīng)電荷的正、負(fù)極性不同計算得到正事件率（ERP）和負(fù)事件率（ERN）[14]。在數(shù)值上，事件率等于正事件率與負(fù)事件率之和。

式中，M為時間T內(nèi)事件發(fā)生的次數(shù)（|Qn|＞K·AL），K通?？扇≈?～4，本次計算時選用K=2。

（3）利用相關(guān)系數(shù)對不同工況下靜電信號的特征參數(shù)進行相關(guān)性計算，以此來反映特征參數(shù)表征發(fā)動機工況變化的能力，為衡量特征參數(shù)的性能提供一個技術(shù)指標(biāo)。計算公式如下

式中，r為相關(guān)系數(shù)，表示特征參數(shù)之間的相關(guān)程度；ai、bi表示某一特征參數(shù)；aˉ、bˉ為n個特征參數(shù)的平均值。

3 疲勞試車試驗

3.1 試驗環(huán)境配置

圖1為試驗總體結(jié)構(gòu)示意圖，試車臺整體為L形，主要包括發(fā)動機、試驗測試段和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三個部分，空氣由試車臺上端經(jīng)過濾網(wǎng)后進入發(fā)動機進氣道。試驗測試段選用圓筒狀鈑金件作為靜電傳感器的安裝基座，安裝在發(fā)動機噴管之后的地面導(dǎo)軌上，與發(fā)動機保持同軸。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括靜電傳感器、數(shù)據(jù)采集卡以及采集程序。本試驗中使用自主研發(fā)的棒狀靜電傳感器，獲取氣路靜電信號并傳送至ⅤK702NH-SD型以太網(wǎng)采集卡，數(shù)據(jù)經(jīng)采集卡采集、轉(zhuǎn)換后通過以太網(wǎng)線傳輸至終端，經(jīng)采集程序預(yù)處理后形成尾氣靜電監(jiān)測原始信號。由于單個傳感器的監(jiān)測范圍有限，難以覆蓋整個發(fā)動機噴管，因此本試驗采用靜電傳感器陣列對發(fā)動機原型機進行在線監(jiān)測，傳感器安裝示意圖如圖2所示。

3.2 試驗過程

發(fā)動機原型機疲勞試驗包括性能試車和疲勞性試車。性能試車過程發(fā)動機壓氣機相對轉(zhuǎn)速（簡稱轉(zhuǎn)速）變化如圖3所示。在發(fā)動機冷起動后推動油門，使發(fā)動機進入慢車狀態(tài)并持續(xù)2min，此時的轉(zhuǎn)速為67.2%；之后推動油門，使轉(zhuǎn)速增至90%、95%、97%、100.5%，分別持續(xù)2min，由此可將性能試車分為5個階段，總時長10min。

疲勞性試車過程發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化如圖4所示。發(fā)動機冷起動后進入慢車狀態(tài)，保持轉(zhuǎn)速67.2%，時間2min；繼續(xù)推動油門使轉(zhuǎn)速增至90%，持續(xù)2min；轉(zhuǎn)速增至98.1%，維持10min，重復(fù)以上過程7 次；隨后轉(zhuǎn)速降至90%，持續(xù)3min；轉(zhuǎn)速增至95%，持續(xù)3min；轉(zhuǎn)速增至97%，持續(xù)2min，轉(zhuǎn)速增至100.5%，持續(xù)2min；轉(zhuǎn)速降至81%，持續(xù)2min 后發(fā)動機停車，整個疲勞性試車循環(huán)共22個階段，總時長110min。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 靜電信號測試結(jié)果與分析

為檢測發(fā)動機原型機是否處于正常狀態(tài)，試驗首先進行為期10min的性能試車，其靜電信號如圖5所示。圖中靜電信號含有大量脈沖噪聲和其他高頻噪聲，采用小波閾值法[15]進行降噪，結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，性能試車過程中靜電監(jiān)測數(shù)據(jù)整體較為平穩(wěn)，除燃油燃燒產(chǎn)生的少量碳煙顆粒之外，在其他時間段靜電信號皆無明顯異常變化，表明發(fā)動機的狀態(tài)良好。

圖7 為發(fā)動機疲勞試車階段的靜電信號，同樣采用小波閾值方法對原始信號進行降噪處理，結(jié)果如圖8 所示。從圖中可以看出，發(fā)動機的起動階段引起了明顯的靜電信號變化，這是由于發(fā)動機點火時的燃油供給量大，燃燒室中的空氣不足以將其充分消耗，發(fā)生了富油燃燒，燃油未充分燃燒形成大粒徑的碳煙顆粒，改變了氣路環(huán)境整體的靜電荷水平，因而靜電信號增幅明顯。隨著試車的進行，燃油供給量逐漸穩(wěn)定，靜電信號恢復(fù)平穩(wěn)。試車過程中出現(xiàn)幾處靜電信號幅值異常點位（見標(biāo)記處），下文將結(jié)合發(fā)動機的實際工況進行分析。

由式（1）可知，靜電信號積分后可得到傳感器感應(yīng)探極上的感應(yīng)電荷量，圖9 為感應(yīng)電荷與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線圖，圖中感應(yīng)電荷量隨著發(fā)動機工況變化而變化。試車1、2階段，氣路中的靜電場變化率較大，感應(yīng)電荷量在負(fù)半軸上增幅較大，傳感器感應(yīng)電極上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷的極性為負(fù)，氣路中產(chǎn)生帶有正電荷的異常顆粒，此時燃燒室中發(fā)生富油燃燒，產(chǎn)生了帶有正電荷的大粒徑碳煙顆粒，同時感應(yīng)電荷量正半軸幅值也有變化，表示伴有少量的負(fù)極性的小粒徑碳煙顆粒，但整體以大粒徑碳煙顆粒為主；隨后3～17階段燃燒反應(yīng)平穩(wěn)，工況相對穩(wěn)定，感應(yīng)電荷以正電荷為主，幅值較小且在一定的范圍內(nèi)波動，此時氣路中的顆粒種類為極性為負(fù)的小粒徑碳煙顆粒，圖8中標(biāo)記（Ⅰ）處的感應(yīng)電荷量激增是由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速增大，燃油快速且充分燃燒，產(chǎn)生了細(xì)小的碳煙顆粒，隨著功率的降低，感應(yīng)電荷量逐漸恢復(fù)平穩(wěn)；標(biāo)記（Ⅱ）處于試車18～22 階段，此時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速由90% 增至100.5%，感應(yīng)電荷量由0.02pC 增至約0.04pC，增幅接近100%，且持續(xù)時間較長。

4.2 信號特征值分析

為進一步探究發(fā)動機是否發(fā)生故障，對靜電信號進行了特征參數(shù)提取，圖10 所示為靜電信號的事件率，由圖10可知，在發(fā)動機剛啟動時靜電信號的ER 幅值迅速增大，且ERP、ERN圖像均增幅明顯，這表明氣路中產(chǎn)生了分別攜帶正、負(fù)兩種極性的異常碳煙顆粒物；除發(fā)動機起動階段，ERP時有變化，但從整個試車過程來看，事件率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化不明顯，不能夠有效地反映發(fā)動機工況變化。

提取信號的活動水平特征如圖11所示，在試車進行到100min 時刻，氣路中的活動水平幅值出現(xiàn)了明顯增大，且維持至試車結(jié)束，由活動水平這一參數(shù)的表征特點可知，此時小粒徑的帶電顆粒持續(xù)進入發(fā)動機的氣流通道，影響了氣流通道中的靜電荷水平，可初步判斷發(fā)動機產(chǎn)生了早期故障。碰摩故障是一類常見的發(fā)動機氣路故障，通常發(fā)生于葉片與封嚴(yán)材料或機匣之間，摩擦剛開始階段，持續(xù)產(chǎn)生粒徑較小的帶電顆粒物，靜電信號的感應(yīng)電荷量增多，活動水平的變化率較大[16]。對比本試驗的靜電信號以及活動水平，故障信號特征較為符合上述發(fā)動機早期碰摩故障產(chǎn)生故障顆粒的特點。試車結(jié)束后，對發(fā)動機進行孔探檢測，結(jié)果證實了發(fā)動機渦輪葉片與機匣之間產(chǎn)生了一定程度的碰摩。

為探究靜電信號特征參數(shù)的性能，利用式（4）對活動水平進行相關(guān)性計算。疲勞試車階段靜電信號的活動水平作為一個整體，階段（6、7）的活動水平記為AL（6、7），選取與階段（6、7）工況相同的階段，將所選幾個階段的活動水平分別與階段（6、7）進行相關(guān)計算，如AL（6、7）和AL（8、9）。結(jié)果見表1。

表1 相同工況活動水平的相關(guān)系數(shù)Table 1 The correlation coefficient of activity level for the same work condition

由表1 中分析結(jié)果可知，在發(fā)動機工況相同的試車階段，其靜電信號的活動水平之間的相關(guān)系數(shù)介于0.537 和0.816 之間，最大值為0.816。相關(guān)系數(shù)的大小反映了活動水平的關(guān)聯(lián)程度，發(fā)動機工況穩(wěn)定時，活動水平關(guān)聯(lián)程度高，即活動水平同樣較為穩(wěn)定，受到其他因素的影響不大，具有較強的魯棒性。

選取與階段（18～22）工況不同的階段，同理，將二者活動水平進行相關(guān)性計算，結(jié)果見表2。

表2 不同工況活動水平的相關(guān)系數(shù)Table 2 The correlation coefficient of activity level for different work condition

由表2可知，相關(guān)系數(shù)最大值為0.396，此時活動水平關(guān)聯(lián)程度不高，即發(fā)動機不同工況下活動水平的變化較大，這表明活動水平對發(fā)動機工況變化較為敏感。

綜上，活動水平這一特征參數(shù)能夠較好地反映發(fā)動機的實際工況，對于發(fā)動機狀態(tài)的判斷具有一定的可靠性。

5 結(jié)論

本文在某型渦扇發(fā)動機原型機疲勞試驗中引入靜電監(jiān)測技術(shù)，對靜電監(jiān)測信號進行分析后得到以下結(jié)論：

（1）在發(fā)動機原型機的疲勞試驗過程中，氣路靜電監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)崟r在線監(jiān)測發(fā)動機原型機的狀態(tài)，驗證了靜電監(jiān)測技術(shù)對于原型機的有效性。

（2）相同發(fā)動機工況下，活動水平的自相關(guān)系數(shù)可達0.816，相關(guān)程度很高，活動水平的魯棒性較強。

（3）不同發(fā)動機工況下，活動水平自相關(guān)系數(shù)最高為0.396，相關(guān)程度較低，活動水平反映了工況的變化，具有較好的敏感性。

（4）試車100min 時刻，感應(yīng)電荷量增長約100%，且活動水平維持在較高的數(shù)值，初步判斷發(fā)動機原型機發(fā)生了碰摩故障。試車結(jié)束后，孔探檢測結(jié)果表明發(fā)動機出現(xiàn)了碰摩故障，發(fā)動機及時停車，有效地預(yù)防了故障傳播及進一步惡化。