航空發動機故障診斷方法及測試流程分析

郝春生，秦 月

（1.中國人民解放軍駐紅林機械有限公司軍事代表室，貴陽550009；2.中航工業貴州航空發動機研究所，貴陽550081）

航空發動機故障診斷方法及測試流程分析

郝春生1，秦 月2

（1.中國人民解放軍駐紅林機械有限公司軍事代表室，貴陽550009；2.中航工業貴州航空發動機研究所，貴陽550081）

闡述了某型航空發動機工程研制中應用的發動機故障診斷方法及測試流程。根據發動機型號的使用特點和發動機故障診斷方法對FMECA分析結果進行故障分類，指出了各類故障在現有的測試技術下是否能進行故障診斷，并對能診斷的故障類型進行了詳細的故障診斷及測試流程分析，經驗證，發動機故障診斷方法及測試性流程可滿足航空發動機型號的測試性需求。

航空發動機；故障診斷；測試流程；FMECA；測試方法

0 引言

進行航空發動機故障診斷[1]可以迅速而準確地確定故障部位及嚴重程度，有利于確保飛行安全以及減少維修人力和成本，縮短飛行器的停飛時間，提高其利用率，同時也為實現發動機視情維修奠定基礎。發動機的故障診斷與測試性[2]要求密切相關。隨著發動機可靠性、維修性要求的逐步提高，各種型號都提出了故障診斷和測試性需求。對此，近年來開展了很多關于發動機故障診斷方法的研究,但航空發動機測試性研究起步較晚，缺乏實際有效的發動機故障診斷及測試方法[3]分析研究。建立1種有效實用的發動機故障診斷及測試方法，不僅能有效地對發動機的故障進行查找和定位，還可開發監控發動機性能和功能參數的發動機測試性系統，從而提高航空發動機可靠性和壽命，降低發動機使用成本。

本文針對航空發動機在研制中的故障診斷方法和測試流程進行研究分析，提出故障診斷方法及測試流程的分析方法[3]。

1 故障診斷方法及測試流程的設計分析過程

發動機故障診斷方法及測試流程設計分析過程如圖1所示。

2 故障診斷方法及測試流程設計方法分析

2.1 發動機故障診斷設計方法

根據發動機的故障分類，結合發動機監視和故障診斷需求[5]?？砂寻l動機故障診斷方法分為機內檢測、自動檢測、人工檢測3種方式，如圖2所示。

2.2 各類發動機故障的診斷方法與測試流程

在大體明確發動機測試流程和故障診斷方法[6]后進行發動機故障診斷和測試流程分析。在發動機的方案及工程研制階段，根據可靠性設計工作中的FMECA設計分析結果，結合發動機的使用特點和現有測試方法[7-8]，將發動機故障分為以下3類，其故障診斷方法與測試流程如下。

圖1 發動機故障診斷方法及測試流程設計分析過程

圖2 發動機故障診斷方法

2.2.1 第1類故障測試流程分析

第1類故障為功能失效及性能衰退故障，即故障發動機系統或設備喪失規定的功能以及發動機實際性能的衰退超過規定值。故障模式有發動機轉速擺動、喘振、超溫等。該類故障可通過發動機機載自動檢測系統中的自動檢測和機內檢測，進行實時監控和采集或計算。通過測量發動機的總溫、總壓、靜壓、轉子轉速和燃油流量等來分析發動機及部件的性能水平及性能衰退程度，并可將氣動熱力參數反映的故障隔離到氣路部件或單元體及有關的子系統。利用發動機的振動數據、滑油參數以及對滑油中所含屑末的檢測和分析結果等來監視發動機結構系統部件的健康狀況[9]。發動機測試方法和測試點[10]及傳感器的需求見表1。

表1 第1類故障的發動機測試方法和測試點及傳感器的需求

2.2.2 第2類故障測試流程分析

不能通過發動機機載自動檢測設備或地面自動檢測設備進行檢測的故障。故障模式有風扇部件轉子葉片裂紋、風扇部件轉子葉片葉身掉塊或斷裂、高壓壓氣機轉子葉片裂紋等。該類故障與發動機結構部件損傷相關，無法通過自動檢測設備[11]進行監控和定位，但可以通過人工檢測來完成，主要依賴發動機在外場的使用維護和現有測試方法和設備。在外場利用地面專用設備來探查發動機零件、部件的結構和機械損傷。因此，需使用孔探儀檢查、電渦流檢測、超聲波檢查和磁力探傷檢查等，同時根據發動機的結構和氣流通道特點，設置檢查窗口。

2.2.3 第3類故障的測試流程分析

在外場級條件下，既無法通過機載自動監測設備檢測，也無法通過地面專用設備檢測的故障。故障模式有中央傳動主動錐齒齒面疲勞點蝕、傳動軸花鍵磨損等。該類故障與發動機結構部件損傷相關，在外場難以通過現有檢測技術進行檢測，必須返廠（廠內必須有分解設備、探傷設備和裝配設備）分解發動機檢查。

2.3 基于控制計劃和工作狀態診斷的測試流程需求分析

通過以上發動機故障分析，結合對發動機的工作狀態和控制計劃進行分析見表2，由此才能建立較全面的發動機故障診斷及測試流程[12]。

2.4 基于發動機測量參數和測量點的測試流程需求分析

通過對發動機的故障分類，結合發動機監控及故障診斷的需求，測試系統對各級測試對象所需的測試點和測試參數的測試流程[12]不同。

表2 發動機工作狀態和控制計劃分析

（1）對于重要參數，要求多設測試點，當某個測試點出現問題時，還有其他測試點可進行備份測量。如高、低壓轉子轉速都是飛行員實時判別飛機狀態的重要參數，如果只設置1個測試點，一旦出現問題，飛行員就不能判斷發動機的狀態。

（2）對于特殊參數，如渦輪后溫度的測量，因為溫度場分布不均勻，為了保證參數的準確性，要在溫度場內設置多件熱電偶來采集溫度，取其平均值，以確保參數的準確度。

2.5 發動機測試系統自身需求分析2.5.1 發動機測試系統設計要求[13]

（1）將發動機系統和設備中的所有故障都定位到可更換單元LRU上。

（2）測試點的可達性好，以便快速測試，包括用于連接測試設備的內部和外部測試點、檢測插座和人工觀測等。

（3）制定分析各項試驗結果以及分析使用和維修活動的計劃，以確定數字式電子控制器機內測試（BIT）[14]軟硬件、自動測試設備（ATE）軟硬件、發動機自動測試手段、人工測試方法以及針對故障檢測判別后所實行的維修、維護文件是否滿足數字式電子控制器和發動機整機的故障檢測率、故障隔離率和虛警率的要求。

（4）控制器的 CPU、定時器、RAM、Flash Memory和電源系統等硬件應具有自檢測功能。

（5）數字式電子控制器的控制軟件應具有自檢測功能。

（6）高速電磁閥BIT應具有自檢測功能。

（7）能夠準確及時地采集模擬量、頻率量及開關量輸入信號，并進行相應的濾波、消抖等處理。

（8）對傳感器、執行機構及其回路工作狀態應具有實時檢測功能。（9）對開關量輸入、輸出通道應具有故障檢測功能。（10）應具有與外界通訊的功能，能夠與GME、FMCS等進行數據交換。

（11）對發動機、渦輪起動機和數控系統工作狀態應具有診斷及監控的功能。

（12）通過通訊，完成發動機信息、控制參數和標定參數的調整以及歷史數據的讀取。

（13）通過通訊，能對控制系統功能進行地面檢測。

（14）根據故障危害程度進行故障隔離和系統重構，并按一定的告警級別劃分，進行告警級別設計，并具備一定的故障恢復能力。

2.5.2 測試系統自身可靠性需求

發動機測試系統一定要安全可靠，不能因為該系統發生問題影響發動機的可靠性，造成飛機的誤報警，影響飛行安全。

（1）設置測試單元后，必須考慮測試單元的可靠性對整體可靠性的影響，對于監控重要故障的測試單元以及監控多種故障均涉及到的檢測單元應進行余度設計。

（2）發動機測試性系統應采用檢測單元故障自檢設計。

（3）發動機測試性系統對于可能出錯的測試點應有防錯設計。

（4）為了防止測試單元誤報警造成測試性虛警率指標升高，應對測試點監控報警范圍的設計提出要求。

3 驗證方法

3.1 測試流程的有效性評估[15]

根據發動機故障診斷方法及測試流程分析，對發動機進行測試性設計。根據測試性設計資料和數據，預計發動機的故障檢測率、故障隔離率、故障檢測時間、隔離時間以及估計測試費用等。以這些參數的估計值來評價和度量測試性設計工作，如果達不到型號規范和測試性大綱的要求，則需要進行改進設計。

3.2 故障診斷方法及測試流程的有效性試驗驗證

在發動機（或電子控制器）研制出來后，可以通過注入一定數量故障的方法來驗證測試性水平。注入故障后運行規定的故障檢測與隔離程序，根據試驗結果數據估計有關測試性參數值，是否能滿足發動機（或電子控制器）的使用要求，即進行測試性驗證。

4 總結

（1）在發動機型號研制過程[16]中，可以按照發動機故障診斷及測試性流程進行發動機故障診斷方案分析。

（2）對具體型號的FMECA分析結果進行故障分類，對能進行故障診斷和測試性設計的故障按照本文的方法進行具體分析，為發動機故障診斷需求分析提供輸入。

（3）在進行發動機型號測試性設計時，必須考慮發動機測試系統自身的需求和可靠性需求。

發動機故障診斷方法及測試流程的分析方法，已在某型發動機的測試性設計中得到應用，證明其分析方法、分析流程、設計結果滿足發動機故障診斷及測試性要求。

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Fault Diagnosis Methods and Testing Procedure of Aeroengine

HAO Chun-sheng1，QIN yue2
（1.The office of representatives from the Chinese People's Liberation Army in AVIC Hong Lin Machinery Company Lim ited,Guiyang 550009,China;2.AVIC Guizhou Aeroengine Research Institute,Guiyang 550081,China）

The fault diagnosismethod and testing procedure of aeroenginewere presented according to the engineering research.The fault classification of FMECA analysis resultswas conducted by the engine characteristic and fault diagnosismethods.Whether all kinds of faultswere suited to carry out by the testability technology,and fault diagnosis and testability procedure were analyzed in detail.The fault diagnosismethods and testability procedurewere validated tomeet themodel testability.

aeroengine；fault diagnosis；testing procedure；FMECA；testingmethod

V263.6

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2014.03.015

2013-01-15

郝春生（1979），男，工程師，從事航空發動機系統工程研究和質量管理工作；E-mail:41055023@qq.com。

郝春生，秦月.航空發動機故障診斷方法及測試流程分析[J].航空發動機，2014,40（3）：71-74.HAOChunsheng,QIN Yue.Faultdiagnosis methods and testingprocedure ofaeroengine[J].Aeroengine,2014,40（3）：71-74.