有關渦軸發動機故障診斷的探討

張立輝

摘 要：該文首先對故障診斷系統的組成進行介紹，對渦軸發動機的構成進行分析，對渦軸發動機故障診斷的基本流程進行研究和探討，以期對于渦軸發動機故障診斷技術水平的提升，以及渦軸發動機安全穩定的運行起到一定的幫助作用。

關鍵詞：渦軸發動機 故障診斷 監視 檢測

中圖分類號：V235 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（b）-0043-01

對發動機的運行狀況進行監視及故障診斷是一個集合了數據采集、信息處理分析以及故障報警等功能的綜合系統，基本具備監視發動機及其部件的健康狀況，如有故障及時隔離，利用采集及處理數據信息，系統不僅可以在線實時監視發動機的運行狀況，及時向工作人員發出警告；而且還可以對發動機健康狀況進行離線評價，對具體的故障類型進行診斷，確定故障所處的具體位置，為發動機檢查、維修提供理論依據。近些年，故障診斷系統在渦軸發動機的運行和研發過程中得到廣泛應用。該文對有關渦軸發動機故障診斷進行研究和探討，不足之處，敬請指正。

1 故障診斷系統的組成

故障診斷系統必須要具備性能監視及故障診斷的功能，其中性能監視是針對發動機運行時測量參數的再現及檢查，排除由于測量系統本身而導致的數據失效。實際上，故障診斷過程是通過氣路分析法對發動機某一部件性能發生變化對發動機性能產生的影響進行計算和分析，以此判斷出其異常原因，對故障位置進行定位，從而確定故障的模式。除此之外，發動機故障診斷系統應當包括發動機基數數學模型、發動機非線性性能模型、故障樹查詢數據庫等模塊。為了達到這些要求，發動機故障診斷系統采用模塊化結構、數據庫技術、神經網絡結構、故障樹結構以及與用戶友好界面設計。具體而言，發動機故障診斷系統包括以下幾個功能子系統，分別是試車數據再現子系統、數據管理子系統、發動機狀態監測和故障診斷子系統，故障樹管理子系統、系統用戶管理子系統以及報告生成子系統。

具體而言，監測和診斷系統包括三個組成部分，分別是數據采集系統、狀態識別系統以及診斷輸出系統。其中數據采集系統是可以周期性的在被監測系統上被選定測點的振動、溫度、噪音等數據信號進行測量。具體而言，故障診斷系統應當包括傳感器、放大器、A/D接口板、計算機、磁帶記錄儀、示波器。

2 渦軸發動機的構成

某型號渦軸發動機是一種應用在新型直升機上的動力設備，渦輪軸發動機同渦輪螺槳發動機是比較相近的，二者都是由渦輪風扇發動機的原理演變而來，只不過后者將風扇變成了螺旋槳，前者是把風扇變成了直升機的旋翼。除此之外，渦輪軸發動機也有一些特點：一般裝有自由渦輪（也就是不帶動壓氣機），而且主要應用于直升機和垂直/短距起落飛機上。在構造方面，渦輪軸發動機具備進氣道、壓氣機、燃燒室和尾噴管等燃氣發生器基本構造，然而也裝備自由渦輪，如圖所示。前面是兩級普通渦輪，負責帶動壓氣機，并且維持發動機工作；后面二級是自由渦輪，負責燃氣作功，利用傳動軸來帶動直升機的旋翼進行旋轉，使其升空飛行。除此之外，渦輪流出來的燃氣分析，經過尾噴管噴出之后可產生一定的推力，由于噴速太小，所以推力也不大，如果折合為功率，也僅僅是總功率的1/10。有時噴速太小，甚至是無推力。為了對直升機的結構進行合理安排，渦輪軸發動機的噴口可以向上、向下、兩側，這樣構造是有利于直升機設計總體安排。

3 渦軸發動機故障診斷的基本流程

在渦軸發動機中一些關鍵部件都屬于旋轉式機械，比如說壓氣機、渦輪以及自由渦輪等，而且其都屬于高速機組。數據調查顯示，這些部件發生故障的概率會比較高，因此對這些旋轉機械進行相關故障問題的診斷和分析具有一定的典型和代表意義。下文主要針對壓氣機進行相關故障診斷分析。

在此之前先了解診斷的基本概念，診斷實際上來源于醫學，在我國的中醫理念中診斷是由“望、聞、問、切，辯癥施治”八字訣總結的一種醫學原理和過程。其中可以細分為兩個過程，一個是診，就是提取信號特征然后對其狀態進行分析；而斷是對狀態進行識別，然后做出決策。具體分析，機械故障診斷就是在動態的情況通過機械設備劣化進程中產生的一些信息，包括振動、噪聲、壓力、溫度、流量、潤滑狀態以及其他指標，對發動機狀態進行分析，并對其故障進行診斷。具體而言，渦軸發動機故障診斷的基本流程包括以下幾個方面。

（1）對敏感參數進行選擇。

首先，選擇對壓氣機影響較大，或者說是最敏感的數據參數，以此作為檢測參量。壓氣機屬于高速機組，在運行過程中最頻繁的故障是喘振。這種故障是由于發動機內部流體壓力失穩而產生，這種故障屬于自激振動。因此對壓氣機進行故障診斷分析采用的檢測參量是振動頻率。

（2）信號采集。

信號采集實際上就是對壓氣機的振動頻率進行采集。采用某型號的便攜式振動計對壓氣機的振動頻率進行采集，然后將數據輸出。

（3）狀態參數識別。

利用對振動頻率進行識別，將待檢模式和樣板模式進行對比，對待檢設備的運轉狀態進行識別。一般惡言，喘振的識別特征總結為：①振動頻率一般在0.1Hz之內；②壓力表有大幅度的波動；③功率表所指功率呈現出周期性變化；④有噪音產生。

（4）診斷決策及分析輸出。

監測和診斷系統對于壓氣機現階段狀態按照判別結果采取對應的措施。如果發生喘振及時進行報警，對壓氣機進行相關干預措施。喘振一般是由于流入壓氣機中的空氣流量急劇減小從而使得流量系數不大于設計流量系數而造成的，喘振發生的最本質的原因是由于流量系數減小。因此說避免出現喘振，就要避免流量系數減小。避免流量系數減小的最根本的措施有兩種，中間級放氣或者旋轉靜止葉片。利用這兩種方法對壓氣機進行處理可以達到預期效果，可以有效避免喘振的產生。

4 結語

總之，故障診斷技術應用于渦軸發動機方面是非常有意義的，能夠在其已經發生故障，或者是要發生故障但是還未發生時就把故障檢測出來，利用對發動機的狀態進行監視，對其實時狀況進行識別，以此診斷出故障的特點、原因以及具體的位置，以此采取對應措施以確保發動機的運行安全，從而減少經濟損失。

參考文獻

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[2] 林.霍尼韋爾公司和普惠公司對軍用渦軸發動機提出聯合建議書[J].直升機技術，2008（3）.