基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷與維護(hù)研究

尚 文

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西西安 710065）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種復(fù)雜的透平類(lèi)機(jī)械，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件多、功率大、工作狀態(tài)嚴(yán)苛等特點(diǎn)，在材料、制造、裝配、工藝等多方面提出較好的技術(shù)要求，保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康運(yùn)行的監(jiān)測(cè)、診斷、維修、保養(yǎng)等工作也存在較多技術(shù)難度，通過(guò)監(jiān)測(cè)手段獲取性能狀態(tài)信息，應(yīng)用故障診斷技術(shù)及算法對(duì)性能狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、分析，獲取故障機(jī)理并依據(jù)診斷結(jié)論制定維修、保養(yǎng)策略，在故障早期進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)警及診斷為其后續(xù)機(jī)組維護(hù)提出可行建議[1-5]。本文通過(guò)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)故障特征及失效機(jī)理進(jìn)行分析研究，提出一種基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的故障診斷方案，并開(kāi)展基于健康監(jiān)測(cè)和故障診斷的維護(hù)，為解決相關(guān)問(wèn)題提供理論指導(dǎo)和參考。

1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障技術(shù)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象有壓縮機(jī)、燃燒室、渦輪、輔助電機(jī)，監(jiān)測(cè)的核心組件包括轉(zhuǎn)子、葉盤(pán)、葉片、聯(lián)軸器、齒輪、噴油嘴、點(diǎn)火器等。

基于傳感器技術(shù)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)包括管道鏡監(jiān)測(cè)、X-射線(xiàn)檢測(cè)、電渦流檢測(cè)、壓電監(jiān)測(cè)、碎屑監(jiān)測(cè)、噪聲監(jiān)測(cè)、渦輪排氣監(jiān)測(cè)等，通過(guò)性能參數(shù)、油樣、氣路等分析手段，提供關(guān)于部件性能退化的信息。

目前國(guó)際上掌握先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)的公司主要有美國(guó)GE、Rolls-Royce 和德國(guó)西門(mén)子等公司，其主要監(jiān)測(cè)的性能狀態(tài)參數(shù)有進(jìn)/排氣溫度、進(jìn)/排氣壓力、點(diǎn)火溫度、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、運(yùn)行功率、燃油速率、液壓油溫度等。

2 氣路分析法的應(yīng)用

航空發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)早起故障（裂紋、涂層損失、碰磨、偏心等）時(shí)，并不會(huì)出現(xiàn)明顯部件性能退化的表征，往往通過(guò)單一的性能參數(shù)、振動(dòng)參數(shù)的變化及異常也不能準(zhǔn)確定性、定位故障，這就為故障的發(fā)展埋下了隱患。當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不對(duì)中、葉片彎曲、葉片斷裂、噴油嘴堵塞等嚴(yán)重故障時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)比較明顯部件性能退化的表征，此時(shí)進(jìn)行維修會(huì)大幅增加維修成本，同時(shí)也將延長(zhǎng)停機(jī)時(shí)間，進(jìn)而減少經(jīng)營(yíng)收益。航空發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷模式如圖1 所示，其中FOD 為Foreign Object Damag，即外來(lái)物、外物損傷。為了使航空發(fā)動(dòng)機(jī)的效能及可靠性保持在較高水平，實(shí)時(shí)開(kāi)展健康監(jiān)測(cè)及機(jī)組維護(hù)至關(guān)重要，可在故障早起對(duì)其機(jī)理進(jìn)行研判，準(zhǔn)確開(kāi)展維修、保養(yǎng)工作，防止不可修復(fù)性故障的發(fā)生，降低維修成本及停機(jī)時(shí)間。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷模式

作為一種系統(tǒng)性的航空發(fā)動(dòng)機(jī)診斷方法，氣路分析（Gas Path Analysis，GPA）包括線(xiàn)性氣路分析法和非線(xiàn)性氣路分析法。線(xiàn)性氣路分析法最先提出，這種方法是運(yùn)用一個(gè)線(xiàn)性方程組系統(tǒng)使航空發(fā)動(dòng)機(jī)所測(cè)量的熱力學(xué)變量（溫度、壓力等）與發(fā)動(dòng)機(jī)部件的流量和效率因素相互關(guān)聯(lián)，從而代表渦輪的健康狀況。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷方案

根據(jù)《Gas Turbine Engineering Handbook》（燃?xì)廨啓C(jī)工程手冊(cè)），將航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要參數(shù)及其符號(hào)進(jìn)行整理（表1）。

表1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要參數(shù)及其符號(hào)

排氣溫度是航發(fā)中最重要的關(guān)鍵參數(shù)之一，過(guò)高的航發(fā)溫度將導(dǎo)致壽命縮短或?yàn)?zāi)難性的事故。正常的設(shè)備中，當(dāng)溫度不高時(shí)，航發(fā)入口溫度可直接測(cè)量。在新一代機(jī)器中，燃燒室排氣溫度相對(duì)于可用測(cè)量元件來(lái)說(shuō)太高，因此中間過(guò)程或排氣溫度被當(dāng)作間接的航發(fā)入口溫度測(cè)量值。

轉(zhuǎn)速通常用作幾乎所有航發(fā)的控制函數(shù)。在任何連續(xù)做功過(guò)程中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加伴隨著外部氣體溫度的增加。因此，大多數(shù)控制函數(shù)包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速都傾向于溫度。在單軸或雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速改變作為發(fā)動(dòng)機(jī)的函數(shù)，與壓縮機(jī)和渦輪機(jī)之間的改變相配合。這些部件間復(fù)雜的相互作用，可以看作N1（低速）與N2（高速）間的相互作用，沒(méi)有詳細(xì)的氣路分析是非常敏感和難以定義的。在單軸發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是控制函數(shù)之一，且它本身不改變。

油壓和溫度的測(cè)量方法：油壓是經(jīng)過(guò)過(guò)濾器，內(nèi)外部泄漏的壓力降的間接量。外部泄漏最終變得明顯，而內(nèi)部泄漏很難檢測(cè)。內(nèi)部泄漏將導(dǎo)致燃油泄漏至高溫氣路。通常使用3 種測(cè)量方法監(jiān)測(cè)油溫：燃油從軸承的噴射溫度，軸承的回油溫度和軸承金屬溫度。

通過(guò)對(duì)各類(lèi)傳感器技術(shù)的研究，結(jié)合基于狀態(tài)參數(shù)的故障機(jī)理研究，提出一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷方案，包括環(huán)境排放監(jiān)測(cè)、氣路性能監(jiān)測(cè)和機(jī)械性能狀態(tài)監(jiān)測(cè)3 部分（表2）。

表2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷方案

4 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)及故障機(jī)理進(jìn)行研究，采用動(dòng)力機(jī)械的氣路分析方法，提出一種基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷方案，以環(huán)境排放參數(shù)、經(jīng)濟(jì)性能參數(shù)及振動(dòng)參數(shù)為監(jiān)測(cè)對(duì)象，通過(guò)各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量及分析對(duì)早期故障進(jìn)行診斷，并對(duì)故障進(jìn)行定性及定位，提出針對(duì)性維護(hù)意見(jiàn)，增強(qiáng)了工程應(yīng)用的實(shí)時(shí)性、針對(duì)性及準(zhǔn)確性。