發(fā)動機氣路故障模擬試驗臺碰摩故障實驗研究

黃漫國, 劉 藝, 劉太麗, 劉 偉, 劉德峰, 李 欣

(1.航空工業(yè)北京長城航空測控技術(shù)研究所，北京 101111； 2.狀態(tài)監(jiān)測特種傳感技術(shù)航空科技重點實驗室，北京 101111)

作為各種軍民用飛機的核心，航空發(fā)動機的可靠性對飛機的飛行安全起著至關(guān)重要的作用，而航空發(fā)動機中的氣路部件是保證其正常工作的最為關(guān)鍵的組成部分。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，航空發(fā)動機氣路部件故障占其總體機械故障的80%左右[1]，因此對航空發(fā)動機氣路部件故障的早期預(yù)警與診斷對于減少發(fā)動機故障損失、降低飛機飛行事故發(fā)生率具有非常重要的作用[2-4]。

以往采用的發(fā)動機故障診斷手段(例如振動監(jiān)測、基于氣路參數(shù)的氣路熱力學(xué)模型監(jiān)測等方法)只有當發(fā)動機故障發(fā)展到一定程度時才有效，無法對故障進行早期預(yù)警[5-10]。早在1970年，美國空軍技術(shù)研究所發(fā)現(xiàn)了航空發(fā)動機氣路部件發(fā)生故障會引起氣路通道電氣活動性增加這一現(xiàn)象[11]。隨后，美國、英國的多位學(xué)者都針對靜電監(jiān)測技術(shù)開展了相關(guān)研究[12-15]。其中，最有代表性的為英國Smith公司，該公司的研究表明：通過對發(fā)動機氣路中電荷水平的變化進行實時監(jiān)測和分析處理，判斷出發(fā)動機的工作狀況和性能趨勢，可以為發(fā)動機氣路部件故障提供早期預(yù)警，實現(xiàn)對發(fā)動機工作狀態(tài)的實時在線監(jiān)測與診斷[16-17]。目前，Smith公司的氣路故障靜電監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在F35戰(zhàn)斗機[12-13]等機型上測試使用，并極大地提高了發(fā)動機的故障預(yù)測與健康管理(Prognostics Health Management,PHM)能力。

想要利用靜電監(jiān)測技術(shù)來實現(xiàn)對發(fā)動機氣路部件故障的在線診斷，需要不同發(fā)動機故障模式下的大量測試數(shù)據(jù)作為支撐，從而形成經(jīng)驗理論。真實發(fā)動機及真實發(fā)動機臺架是具備這些能力的最理想的試驗臺，但是健康的發(fā)動機很難出現(xiàn)不同種類的故障模式，若人為制造故障，對真實發(fā)動機損傷巨大，成本極高；不健康的發(fā)動機又不能提供正常工作的基本測試基礎(chǔ)，對基于健康狀態(tài)的故障模式測試沒有意義；同時，搭建真實發(fā)動機臺架試驗臺耗資巨大，可實現(xiàn)性極低。因此，采用搭建模擬試驗臺的方法來模擬發(fā)動機不同種類的故障模式十分關(guān)鍵。

1 葉片-機匣碰摩故障機理分析

由于高溫和高速的工作環(huán)境，離心力和高溫導(dǎo)致葉片膨脹而發(fā)生的葉片-機匣碰摩故障是一種常見的發(fā)動機氣路故障[18]。發(fā)動機葉片-機匣碰摩故障即葉片與封嚴材料或機匣本體發(fā)生碰摩，按照故障嚴重程度可以分為局部碰摩、整周碰摩[19]。局部碰摩是指在一個或多個轉(zhuǎn)動周期中發(fā)生局部接觸摩擦；整周碰摩是指所有轉(zhuǎn)動周期內(nèi)一直保持著持續(xù)接觸摩擦。發(fā)動機葉片安裝在各級輪盤上，每一個輪盤上有幾十個或上百片葉片，所以單個葉片與封嚴材料或機匣本體的碰摩是一種類似于斷續(xù)磨削的過程，而且從摩擦學(xué)的角度來分析可知，葉片與機匣碰摩屬于典型的高速干摩擦過程，即摩擦副之間沒有任何潤滑劑或保護膜的純固體高速接觸摩擦形式[20-21]。根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的特殊性，碰摩過程可以定義為高速斷續(xù)干磨削過程，其原理圖如圖1所示。

發(fā)生碰摩時超高速的發(fā)動機葉片與封嚴材料或機匣之間的作用既包括滑擦-耕犁-切削作用，又包括高速沖撞作用，速度越高沖擊作用越強。隨著速度的提高，高速沖擊的動能轉(zhuǎn)化成熱能使碰摩產(chǎn)生磨削熱，因此會產(chǎn)生一定的磨粒，隨氣流排出，根據(jù)顆粒荷電機理，這些碰摩顆粒將帶上電荷，因此造成氣路整體電荷水平異常變化，進而引起靜電傳感器上感應(yīng)電荷量變化[22]，可以為靜電監(jiān)測系統(tǒng)提供早期碰摩故障信號。因此，可以采用在高溫高速環(huán)境下模擬碰摩顆粒產(chǎn)生的方式來實現(xiàn)對葉片-機匣碰摩故障進行模擬。

圖1 發(fā)動機葉片-機匣碰摩原理示意圖

2 碰摩故障模擬試驗臺設(shè)計

2.1 模擬試驗臺構(gòu)成

航空發(fā)動機碰摩故障模擬試驗臺設(shè)計如圖2所示。試驗臺包括以下幾大部分。

① 由小型渦噴發(fā)動機及其控制系統(tǒng)、尾噴管延長管、尾氣排放裝置、支撐平臺等構(gòu)成發(fā)動機氣路模擬系統(tǒng)，用于模擬真實發(fā)動機的尾噴環(huán)境。

② 靜電傳感器，安裝于尾噴管延長管的安裝孔中，后接信號處理采集單元和上位機系統(tǒng)。

③ 發(fā)動機葉片-機匣碰摩故障模擬裝置。

圖2 碰摩故障模擬試驗臺組成示意圖

2.2 小型渦噴發(fā)動機及其控制系統(tǒng)

在試驗系統(tǒng)中，需要一臺真實發(fā)動機，它所提供的高溫高壓環(huán)境為故障模擬提供了接近事實的外界條件。發(fā)動機系統(tǒng)是指以發(fā)動機本體為主體以及其他輔助發(fā)動機工作的器件總和。發(fā)動機的啟動需要空氣與燃油的支持，同時需要提供較好的界面以方便控制。發(fā)動機線路連接如圖3所示?？刂瓢l(fā)動機工作的主要元件是電子控制單元，它與終端顯示屏連接，將發(fā)動機轉(zhuǎn)速等參數(shù)顯示出來，并與燃油泵連接以控制燃油量，燃油泵與油箱連接，并與過濾器連接，過濾器與閥連接，閥與電子控制單元連接，用于控制油量。

圖3 發(fā)動機系統(tǒng)線路連接示意圖

2.3 發(fā)動機葉片-機匣碰摩故障模擬方法

對于航空發(fā)動機氣路而言，碰摩故障是指旋轉(zhuǎn)的葉片與封嚴材料或機匣發(fā)生摩擦，因此模擬碰摩故障就是模擬旋轉(zhuǎn)部件與固定裝置間的摩擦效果，從而產(chǎn)生周期性的摩擦產(chǎn)物。產(chǎn)生的碰摩產(chǎn)物經(jīng)過靜電傳感器后，在上位機觀察靜電傳感器的感應(yīng)信號及特征參數(shù)變化，驗證監(jiān)測系統(tǒng)對周期性碰摩故障的識別能力。

由于發(fā)動機轉(zhuǎn)子處于高溫密閉的惡劣工作環(huán)境，利用小型發(fā)動機本身的轉(zhuǎn)子和機匣模擬碰磨故障狀態(tài)，危險性極高，且具有破壞性，難以實現(xiàn)。另外，考慮到局部碰摩更容易發(fā)生，因此搭建了碰摩故障模擬試驗臺，通過在小型渦噴發(fā)動機后方周期性強迫注入顆粒的方式實現(xiàn)對碰摩故障的模擬。

碰摩故障模擬裝置方案示意圖如圖4所示。整個模擬裝置由旋轉(zhuǎn)注入裝置、注入裝置控制系統(tǒng)、注入管路等幾部分組成。其中，注入管路位于發(fā)動機與靜電傳感器之間，與尾噴管延長管連通，為方便顆粒落入，注入管路上方采用喇叭形開口；旋轉(zhuǎn)注入裝置通過支撐架固定在注入管路上方，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，從而實現(xiàn)對不同頻率碰摩故障的模擬。

圖4 碰摩故障模擬裝置方案示意圖

旋轉(zhuǎn)注入裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。旋轉(zhuǎn)注入裝置的空腔用于放置金屬顆粒，通過調(diào)節(jié)注入量控制結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對每次注入顆粒數(shù)量的控制，通過改變電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)對不同轉(zhuǎn)動速度及不同頻率碰摩故障的模擬。

圖5 旋轉(zhuǎn)注入裝置結(jié)構(gòu)示意圖

因此，所設(shè)計的碰摩故障模擬裝置可以在不破壞發(fā)動機本身結(jié)構(gòu)的同時，實現(xiàn)發(fā)動機高溫、強氣流環(huán)境下快速周期性地產(chǎn)生金屬顆粒，最大程度模擬發(fā)動機葉片-機匣碰磨故障狀態(tài)，用于對靜電監(jiān)測系統(tǒng)進行功能性能驗證。

3 實驗驗證與分析

通過碰摩故障模擬裝置周期性注入的顆粒在小型渦噴發(fā)動機尾氣沖擊的作用下，隨氣流沿尾噴管延長管排出。由于摩擦作用以及高溫強氣流的影響，顆粒會帶有一定量的電荷，并表現(xiàn)出與碰摩故障對應(yīng)的特殊靜電信號特征，因此利用靜電傳感器檢測氣流中的靜電荷水平的變化，結(jié)合對原始信號的特征分析即可以實現(xiàn)對碰摩故障的監(jiān)測。

為了驗證發(fā)動機葉片-機匣故障模擬實驗裝置的有效性，向碰摩模擬裝置中放入一定量的1 mm的鐵粉顆粒，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)注入裝置的注入量控制結(jié)構(gòu)令每次注入顆粒量約為10 g，觀察上位機軟件對實驗前后及故障模擬過程中監(jiān)測信號的變化情況，進行發(fā)動機葉片-機匣碰摩故障模擬靜電監(jiān)測實驗研究。

原始感應(yīng)信號活動率水平(Active Level,AL)是靜電電荷信號的典型特征參數(shù)之一，對時域靜電信息具有很好的表征效果,AL可以定義為

(1)

式中，Qf為靜電電荷信號；T為截取的信號長度，通常取為1 s；N為Qf(t)經(jīng)離散采樣后在T內(nèi)的采樣點數(shù)；Qfn為Qf(t)經(jīng)離散采樣后的靜電電荷信號。AL的物理意義為在一定時間間隔內(nèi)經(jīng)過靜電傳感器探測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。

圖6為以固定頻率連續(xù)注入6次粒徑為1 mm的鐵粉顆粒時的監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件采集到的感應(yīng)信號及其活動率水平。從圖6中可以看出，每次注入鐵粉顆粒后檢測到的感應(yīng)信號幅值會發(fā)生明顯變化，感應(yīng)信號的幅值峰峰值U1分別為7.615 mV,7.762 mV,7.968 mV,7.018 mV,9.397 mV,11.339 mV，背景信號幅值峰峰值U2約為2.256 mV。經(jīng)計算，感應(yīng)信號的幅值峰峰值U1約為背景信號幅值峰峰值U2的3～5倍；通過對一段時間內(nèi)的原始感應(yīng)信號進行初步分析發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)信號幅值呈現(xiàn)出明顯與注入顆粒頻率一致的周期性變化。

此外，計算原始感應(yīng)信號的AL，可發(fā)現(xiàn)同樣呈現(xiàn)周期性的幅值變化。

圖6 葉片-機匣故障模擬實驗獲取的感應(yīng)信號

另外為了驗證碰摩故障模擬實驗感應(yīng)信號的周期性特點，對原始感應(yīng)信號進行了頻譜分析，經(jīng)典的頻域變換方法為傅里葉變換。

已知時域信號f(t)，其傅里葉變換F(ω)表達式為

(2)

傅里葉逆變換為

(3)

傅里葉變換存在滿足的充分條件為

(4)

計算獲得的頻譜圖如圖7所示。從圖7中可以看出在碰摩特征頻率處幅值存在明顯峰值，驗證了碰摩故障模擬實驗感應(yīng)信號的周期性。

圖7 碰摩故障模擬實驗感應(yīng)信號頻譜圖

因此，依據(jù)碰摩信號特有的周期性特點，通過上位機軟件算法可以實現(xiàn)對模擬碰摩故障的在線監(jiān)測與識別。此外，通過將葉片等旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)速信息引入到監(jiān)測系統(tǒng)中，實時比對轉(zhuǎn)速信息與監(jiān)測信號頻率信息，發(fā)掘轉(zhuǎn)速與監(jiān)測信號頻率特征的實際對應(yīng)關(guān)系，相比于僅依靠信號周期性做出判斷，可以實現(xiàn)對碰摩故障更準確的判斷與定位，以及變轉(zhuǎn)速情況下碰摩故障的識別，從而顯著提高了監(jiān)測系統(tǒng)的準確性與適用性。

4 結(jié)束語

在分析航空發(fā)動機碰摩故障產(chǎn)生機理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了航空發(fā)動機碰摩故障模擬試驗臺的總體結(jié)構(gòu)，并對葉片-機匣碰摩故障的模擬方法進行了分析，給出了詳細的設(shè)計方案，最后基于所設(shè)計的航空發(fā)動機故障模擬試驗臺進行了發(fā)動機葉片-機匣碰摩故障的模擬實驗。

實驗結(jié)果表明：原始感應(yīng)信號幅值和時域特征參數(shù)活動率水平(AL)均呈現(xiàn)出明顯與注入顆粒頻率一致的周期性變化。此外，通過頻域分析可以看出在碰摩特征頻率處幅值存在明顯峰值。據(jù)此特征，可以在靜電監(jiān)測系統(tǒng)軟件中實現(xiàn)對模擬碰摩故障的在線監(jiān)測與識別。

本文驗證了航空發(fā)動機氣路故障模擬試驗臺模擬碰摩故障的有效性，同時驗證了監(jiān)測系統(tǒng)對周期性碰摩故障的識別能力，證明了靜電監(jiān)測方法用于氣路碰摩故障監(jiān)測的可行性，為靜電監(jiān)測技術(shù)在航空發(fā)動機上的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。