航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣路故障靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

黃漫國(guó)，劉德峰，閆瑜，高云端，朱永波，于瑞

航空工業(yè)北京長(zhǎng)城航空測(cè)控技術(shù)研究所 狀態(tài)監(jiān)測(cè)特種傳感技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101111

航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣路部件包括進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、加力燃燒室和尾噴口等幾大核心部分，由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的高度集成性、高度復(fù)雜性和耐受環(huán)境極度惡劣性，對(duì)這些氣路部件的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)一直缺乏有效的技術(shù)手段[1]。常規(guī)的氣路故障診斷主要采取振動(dòng)監(jiān)測(cè)、基于氣路參數(shù)的氣路熱力學(xué)模型監(jiān)測(cè)等方法，但這些方法大多屬于事后監(jiān)測(cè)，必須在故障已經(jīng)發(fā)生且足夠嚴(yán)重時(shí)才能夠監(jiān)測(cè)到[2-3]。另外，一些特殊故障也無法通過這些常規(guī)手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如燃燒室積炭、喘振、熱端部件掉塊等。

近年來，氣路靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)作為一種新型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)手段，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)靜電水平可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)典型故障的監(jiān)測(cè)及早期故障的預(yù)警[4-5]。該技術(shù)最早由英國(guó)的Smith 公司提出，Smith 公司的研究表明，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣攜帶了燃燒產(chǎn)物、故障產(chǎn)物等體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀態(tài)的關(guān)鍵生成物，通過對(duì)排氣中固體顆粒帶電情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，建立電荷水平、發(fā)動(dòng)機(jī)工況與健康狀態(tài)的定量模型，可以間接實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)氣路部件健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，且這種監(jiān)測(cè)方式由于只增加靜電監(jiān)測(cè)傳感器，可以最大限度地減少發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器的數(shù)量，不會(huì)造成額外的體積、重量、線纜、信號(hào)等的復(fù)雜度。同時(shí)，由于電荷水平的變化規(guī)律體現(xiàn)了氣路部件的自身狀態(tài)和關(guān)聯(lián)狀態(tài)，因此通過設(shè)計(jì)高效的信號(hào)處理算法，可以得出大量有效信息，以輔助實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)氣路部件的健康監(jiān)測(cè)[6]。目前，Smith公司的氣路故障靜電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在F-35 戰(zhàn)斗機(jī)、C-17 運(yùn)輸機(jī)[7-9]等機(jī)型上測(cè)試使用，在F-35 戰(zhàn)斗機(jī)上，整套系統(tǒng)包括吸入物靜電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ⅠDMS）和發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣碎屑靜電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（EDMS）兩個(gè)部分，ⅠDMS 裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道，用來監(jiān)測(cè)進(jìn)氣道吸入異物狀態(tài)，EDMS裝在尾噴管上，用來監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中顆粒攜帶電荷的變化情況。同時(shí)，ⅠDMS 和EDMS的組合監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)出發(fā)動(dòng)機(jī)氣路的正?；虍惓ｎw粒電荷情況監(jiān)測(cè)。相較國(guó)外的研究情況，國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究尚不全面，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)典型故障監(jiān)測(cè)方面的研究尚不深入。因此，本文研制了一套航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣路故障靜電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在自研的發(fā)動(dòng)機(jī)模擬試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了燒蝕掉塊、積炭?jī)煞N典型故障的模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣路故障靜電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)典型故障監(jiān)測(cè)的有效性。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣路故障靜電監(jiān)測(cè)機(jī)理

帶電的物體接近或遠(yuǎn)離某一電中性的導(dǎo)體時(shí)，將會(huì)使導(dǎo)體極化，導(dǎo)體中的正負(fù)電荷重新分布，并且與帶電物體電荷相反極性的感應(yīng)電荷會(huì)聚集在導(dǎo)體表面，這一現(xiàn)象被稱為靜電感應(yīng)[10]。如果帶電物體帶的是正電，則導(dǎo)體表面會(huì)聚集負(fù)電荷；如果帶電物體帶的是負(fù)電，則導(dǎo)體表面會(huì)聚集正電荷。靜電感應(yīng)現(xiàn)象是點(diǎn)電荷或點(diǎn)電荷組與導(dǎo)體相互作用時(shí)產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。考慮到帶電物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)帶電物體接近導(dǎo)體時(shí)，由于感應(yīng)電荷會(huì)在短時(shí)間內(nèi)聚集和消散，因此，導(dǎo)體中會(huì)由于感應(yīng)電荷的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電流。通過監(jiān)測(cè)電流的變化，可以間接實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)體外帶電物體的監(jiān)測(cè)，這也是靜電監(jiān)測(cè)傳感器工作的基本機(jī)理，如圖1所示。

圖1 靜電感應(yīng)機(jī)理Fig.1 Electrοstatic inductiοn principle

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)常見的故障模式中，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)故障主要有4 類[11]：一是性能故障，主要故障模式有推力下降、耗油率高、推力不穩(wěn)定等，占發(fā)動(dòng)機(jī)總故障的10%～20%；二是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度故障，包括風(fēng)扇、壓氣機(jī)葉片裂紋、斷裂，裝配間隙不良或載荷不平衡使得葉片與機(jī)匣發(fā)生碰磨，渦輪葉片燒蝕掉塊等，占發(fā)動(dòng)機(jī)總故障的60%～80%；三是附件系統(tǒng)故障，如控制電路失靈導(dǎo)致燃油控制系統(tǒng)故障，油路堵塞導(dǎo)致的潤(rùn)滑系統(tǒng)故障，齒輪、花鍵過載引起的疲勞斷裂、過度磨損故障等，占發(fā)動(dòng)機(jī)總故障的10%～20%；四是其他類故障，包括吸入沙粒、鳥類等異物導(dǎo)致的葉片損傷或飛行導(dǎo)致的故障等，占發(fā)動(dòng)機(jī)總故障的3%～5%。

在這4 類故障中，幾乎每一類故障都會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中產(chǎn)生異常顆粒，如性能故障中，如果耗油率過高，將會(huì)產(chǎn)生額外的不完全燃燒的炭煙顆粒；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度故障中，葉片斷裂或燒蝕掉塊會(huì)直接在排氣中產(chǎn)生大小不一的碎塊；發(fā)動(dòng)機(jī)吸入鐵釘、鉚釘?shù)冉饘佼愇飼r(shí)會(huì)反復(fù)撞擊多級(jí)葉片，也可能會(huì)直接導(dǎo)致零件碎塊隨氣流排出。這些異常顆?；蛘咚閴K、碎片粒徑大于正常燃燒產(chǎn)生的炭煙顆粒（通常范圍在40μm 以上）[12]，在高溫550～850℃、高速150～200m/s 氣流[13]中會(huì)發(fā)生復(fù)雜的物理或化學(xué)變化，使之電中性遭到破壞從而攜帶上某種極性的電荷，如劇烈碰撞荷電、高溫裂解荷電、高速摩擦荷電等，這些顆粒的帶電情況則在一定程度上可以反映氣路部件的健康狀態(tài)。

通過對(duì)排氣中顆粒荷電變化情況的監(jiān)測(cè)和對(duì)總體電荷水平的分析，可以得出發(fā)動(dòng)機(jī)主要?dú)饴凡考慕】禒顟B(tài)，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷、健康管理和視情維護(hù)提供信息支持。將靜電監(jiān)測(cè)傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口，利用采集到的靜電電壓信號(hào)可以計(jì)算出靜電電荷分布情況。僅考慮在發(fā)動(dòng)機(jī)自身功率恒定的條件下，由故障引起的靜電信號(hào)變化的特征參數(shù)可用活動(dòng)率水平（AL）來表述[14]。AL可以定義為

式中，Qf為靜電電荷信號(hào)；T為截取的信號(hào)長(zhǎng)度，通常取為1s；N 為Qf(t)經(jīng)離散采樣后在T內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)；Qf為Qf(t)經(jīng)離散采樣后的靜電電荷信號(hào)。AL 的物理意義為在一定時(shí)間間隔內(nèi)經(jīng)過靜電傳感器探測(cè)空間的氣路帶電顆粒在傳感器上激起的感應(yīng)電荷量的有效值[14]。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣路故障靜電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制

根據(jù)靜電感應(yīng)機(jī)理，開發(fā)了探針式靜電監(jiān)測(cè)傳感器，如圖2 所示。傳感器采用高溫鎳基合金作為主要敏感材料，端部設(shè)計(jì)了安裝螺紋，可以直插安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口的管壁上，根據(jù)尾噴管的直徑，可合理設(shè)計(jì)靜電傳感器的插入深度，以實(shí)現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)高溫環(huán)境下的有效探測(cè)。

圖2 靜電監(jiān)測(cè)傳感器Fig.2 Electrοstatic mοnitοring sensοr

本文主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)氣路部件故障的監(jiān)測(cè)有效性，因此設(shè)計(jì)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣路故障靜電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由靜電監(jiān)測(cè)傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集單元、信號(hào)處理與分析軟件等組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示。靜電傳感器采集靜電感應(yīng)信號(hào)后，電荷放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大處理，電荷放大器通過接線盒與信號(hào)采集卡相連，信號(hào)采集卡對(duì)靜電感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過機(jī)箱卡槽接口傳輸給控制器，控制器內(nèi)開發(fā)的軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析處理等操作。

圖3 氣路故障靜電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成Fig.3 Cοmpοsitiοn οf electrοstatic mοnitοring system fοr gas path fault

系統(tǒng)采用Labview 平臺(tái)開發(fā)了靜電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，主要功能有三個(gè)：一是實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和顯示靜電傳感器數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)變化趨勢(shì)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行總體分析，建立基線，如果趨勢(shì)異常，則觸發(fā)報(bào)警模塊；二是基于監(jiān)測(cè)到的信號(hào)對(duì)氣路部件進(jìn)行故障診斷和初級(jí)分析；三是生成監(jiān)測(cè)與診斷報(bào)告。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，會(huì)首先和數(shù)據(jù)庫(kù)中的故障特征進(jìn)行比較，分析總體性能水平變化情況和典型故障匹配情況，并以此來確定氣路部件的健康狀態(tài)。

3 試驗(yàn)與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)靜電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性，同時(shí)考慮到大型航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜性和故障注入的難度，因此在自研的航空發(fā)動(dòng)機(jī)模擬試驗(yàn)臺(tái)（見圖4）上進(jìn)行靜電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)的組成主要包括：（1）由小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)、尾噴管延長(zhǎng)管、尾氣排放裝置、支撐平臺(tái)等構(gòu)成的發(fā)動(dòng)機(jī)模擬系統(tǒng)，用來模擬真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴環(huán)境[8]；（2）安裝于微噴管延長(zhǎng)管上的靜電傳感器和配套的信號(hào)處理采集單元及上位機(jī)系統(tǒng)，用于采集和處理靜電信號(hào)；（3）熱端部件燒蝕掉塊、燃燒室積炭故障模擬裝置，用于進(jìn)行故障模擬。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)模擬試驗(yàn)臺(tái)Fig.4 Aerο-engine simulatiοn testbed

根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)常見故障模式的分布情況，選取了兩種典型故障模式，包括熱端部件燒蝕掉塊、不完全燃燒導(dǎo)致的燃燒室積炭等，在發(fā)動(dòng)機(jī)模擬試驗(yàn)臺(tái)上設(shè)計(jì)了故障模式自動(dòng)化注入裝置，可以實(shí)現(xiàn)兩種故障模式的自動(dòng)注入、終止、遠(yuǎn)程控制等功能。

3.1 燒蝕掉塊故障注入試驗(yàn)

熱端部件燒蝕掉塊故障注入試驗(yàn)選用鋁粉顆粒作為注入材料，利用注入裝置將鋁粉顆粒注入渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管道內(nèi)，在注入裝置中放入10g、1mm 鐵顆粒，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在4.5萬轉(zhuǎn)左右，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到信號(hào)變化情況及其活動(dòng)率水平分別如圖5及圖6所示。從圖5中可以看出，注入鐵粉顆粒后檢測(cè)到的感應(yīng)信號(hào)幅值發(fā)生了明顯變化，首先造成感應(yīng)電壓上升為正值，隨后又下降為負(fù)值，最后恢復(fù)至背景信號(hào)水平。

圖5 模擬燒蝕掉塊故障產(chǎn)生的靜電信號(hào)Fig.5 Electrοstatic signal generated by burn fragments fault

圖6 模擬燒蝕掉塊故障獲取的靜電活動(dòng)率水平Fig.6 Electrοstatic AL generated by burn fragments fault

3.2 燃燒室積碳故障注入試驗(yàn)

燃燒室積碳故障注入試驗(yàn)選用碳粉作為注入材料，利用注入裝置將碳粉顆粒注入渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管道內(nèi)，在注入裝置中放入10g、200μm 碳粉顆粒，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在4.5萬轉(zhuǎn)左右，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到信號(hào)變化情況及其活動(dòng)率水平分別如圖7及圖8所示。從圖7中可以看出，注入碳粉顆粒后檢測(cè)到的感應(yīng)信號(hào)幅值發(fā)生了明顯變化，碳粉首先造成感應(yīng)電壓下降為負(fù)值，隨后又上升并在橫軸兩端來回振蕩，最后恢復(fù)至背景信號(hào)水平。這一方面是由于碳粉與空氣摩擦后帶負(fù)電荷，另一方面是由于碳粉相對(duì)鐵粉的密度較小，因此下降速度較慢。

圖7 模擬燃燒室積炭故障獲取的靜電信號(hào)Fig.7 Electrοstatic signal generated by cοmbustiοn chamber carbοn fault

圖8 模擬燃燒室積炭故障獲取的靜電活動(dòng)率水平Fig.8 Electrοstatic AL generated by cοmbustiοn chamber carbοn fault

3.3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比及分析

通過對(duì)燒蝕掉塊故障注入試驗(yàn)及燃燒室積炭故障注入試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出：（1）通過分析圖6及圖8中的靜電活動(dòng)率水平可以判斷出是否發(fā)生故障及發(fā)生故障的時(shí)間。（2）通過分析圖5 及圖7 中的靜電電壓信號(hào)的幅值變化情況，可以對(duì)兩種故障進(jìn)行區(qū)分。圖5 中感應(yīng)電壓先上升為正值，隨后又下降為負(fù)值，最后恢復(fù)至背景信號(hào)水平；圖7中感應(yīng)電壓先下降為負(fù)值，隨后又上升并在橫軸兩端來回振蕩，最后恢復(fù)至背景信號(hào)水平。通過感應(yīng)電荷的正負(fù)，可以對(duì)兩種故障進(jìn)行區(qū)分。由此可以看出，顆粒的材質(zhì)對(duì)測(cè)試的結(jié)果存在一定的影響。（3）對(duì)于健康的發(fā)動(dòng)機(jī)，其尾氣靜電電荷水平只會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工況的改變而變化。一般采用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速作為發(fā)動(dòng)機(jī)工況參數(shù)用于分析信號(hào)特征，在本試驗(yàn)中選擇了在固定的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證。此外，靜電傳感器安裝位置及靈敏度等因素也會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，傳感器的安裝位置應(yīng)該考慮使尾氣處于傳感器的靈敏度范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

本文通過在自研的航空發(fā)動(dòng)機(jī)模擬試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行靜電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證了探針式靜電監(jiān)測(cè)傳感器在渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)上可以有效監(jiān)測(cè)到靜電信號(hào)，并能夠靈敏反映氣路部件的健康狀態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化；同時(shí)，通過對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)常見的兩種典型故障模式（熱端部件燒蝕掉塊、不完全燃燒導(dǎo)致的燃燒室積炭故障）的模擬，根據(jù)監(jiān)測(cè)到電荷極性的分析可以確定引起靜電信號(hào)變化的因素有非金屬顆粒和金屬顆粒，結(jié)合氣路部件的材料構(gòu)成，也可以在進(jìn)一步分析電荷特性的基礎(chǔ)上為故障定位提供依據(jù)。

本文在靜電監(jiān)測(cè)傳感器研制的基礎(chǔ)上開展了靜電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，在小型發(fā)動(dòng)機(jī)上的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了氣路故障靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)的可行性和有效性?？紤]到大推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜性，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如提升傳感器監(jiān)測(cè)靈敏度、優(yōu)化故障診斷算法、引入發(fā)動(dòng)機(jī)工況參數(shù)等，為靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。