航空發動機尾氣監測技術概述

王志軍 肖歡暢

摘要：航空發動機尾氣監測是預測發動機故障、分析與改善污染物排放的有效途徑。本文介紹了四種非接觸、可視化、高精度、實時在線的無損檢測技術：被動式傅里葉變換紅外光譜（FTIR）遙感技術、靜電監測技術、電容層析成像（ECT）技術、激光誘導白熾技術，并對每項技術的監測過程、實施局限性進行概述。

關鍵詞：航空發動機;故障預警;尾氣監測;無損檢測技術

中圖分類號：V263.6?文獻標識碼：A?文章編號：1672-9129（2020）08-0068-02

航空發動機作為飛機的最核心部件，保證其正常穩定運行是減少飛機飛行故障、降低飛行重大事故的重要內容。根據我國二十一世紀以來的飛行故障統計數據，由于發動機故障直接或間接造成的重大飛行事故超過總機械和機務故障的百分之六十[1]。因此，加強對航空發動機運行狀態的監控，尤其是在飛行時的實時在線監測對飛機的飛行運輸安全有著至關重要的作用，并且可以提前預知航空發動機的安全隱患，提供故障的早期預警信息，降低發動機的維護成本。

1?航空發動機尾氣監測

通過監測航空發動機尾氣是監控其運行狀態的有效途徑，發動機尾氣的形成與其中燃料的燃燒程度密切相關，對尾氣中煙塵粒子的分析可以確定其燃燒效率，在一定程度上反映發動機的工作狀態及老化程度，這對發動機故障的提前預警有著極其重要的研究意義[2]。同時，發動機尾氣的排放對環境的污染也有著不可忽視的影響，尾氣的監測可測量與控制污染排放，對航空燃油的改進與優化提供最直接的數據。因此，航空發動機尾氣的測量與監控是預測發動機故障、分析與改善污染物排放的有效途徑。

2?航空發動機尾氣監測技術

傳統的航空發動機尾氣監測常采用離線采樣法，需要將發動機保持在一個恒定的運行條件下，然后利用相關的傳感器等其他數據采集設備對尾氣定時定點數據獲取，該方法由于其設備昂貴、系統結構復雜、采集操作復雜、單次采集耗時長等局限性，一般只適用于試驗階段。隨著檢測技術的不斷發展，一系列先進的非接觸、可視化、高精度的無損檢測技術被引入進來。本文主要就無損檢測中的利用被動式傅里葉變換紅外光譜（FTIR）遙感技術[3]、靜電監測技術[2，4-5]、電容層析成像（ECT）技術[6-7]、激光誘導白熾技術[8-10]進行論述。

2.1 被動式傅里葉變換紅外光譜（FTIR）遙感技術。被動式傅里葉變換紅外光譜（FTIR）遙感技術，是利用FTIR光譜儀系統，結合紅外輻射光譜的能力分布和氣體濃度的算法模型，根據測得的光譜圖對紅外發射光譜進行定量分析，計算出航空發動機尾氣中CO2、CO、NO等氣體的組分濃度，進而實現對航空發動機的尾氣監測及故障預警。

2.2靜電監測技術。基于靜電感應的航空發動機尾氣監測技術是一種通過識別尾氣中電荷載體信息來實施航空發動機監測的方法。發動機正常工作時，氣路中的帶電顆粒的電荷水平穩定在正常的范圍中定，而航空發動機出現故障時，會產生異常帶電顆粒，從而引起氣路中電荷水平的變化超出正常的范圍。航空發動機尾氣中，異常帶電顆粒的生成和來源，包括進氣道吸入物與壓氣機葉片等部件高速摩擦碰撞損傷、發動機非正常工作狀態下產生物。靜電監測技術通過對尾氣中異常帶電顆粒的監測，實現航空發動機的故障預警。

2.3電容層析成像（ECT）技術。電容層析成像（ECT）技術作為一項對電容敏感，且響應速度快、與被測物流非接觸、安裝簡便及成本低的過程層析成像技術，該技術作為一種無損檢測的手段，在工業、醫學等領域具有廣闊的應用前景。在航空發動機尾氣監測方面，ECT技術將多個ECT電極板合理的安放發動機尾氣流場中，通過發動機尾氣流場中的微粒電離，獲取流場邊界電容信息，進而得到流場中微粒的空間分布情況，利用圖形重建算法在線重建出高清晰度、高實時性的圖像，再通過對成像圖像的分析，進而實現對航空發動機的監測與故障預警。

2.4 激光誘導白熾技術。激光誘導白熾技術是一種先進的在線無損檢測技術，該技術通過高能激光照射耐火或金屬粒子使其發生黑體輻射現象，在激光結束后，遠高于環境溫度的顆粒迅速冷卻，伴隨產生的熾光也隨之衰減至消失，通過采集熾光的光強及衰減曲線即可分析被測顆粒的大小。在航空發動機尾氣監測中，利用激光誘導白熾技術，高能激光將發動機尾氣中的顆粒物誘導激發形成亮斑點，然后使用高速相機對亮斑進行成像，建立尾氣粒子的空間流場分布模型，，為監控航空發動機的工作狀態提供直觀的測量數據，實時在線對飛行故障進行預測。

3?總結與展望

本文中涉及到四種航空發動機尾氣監測技術，每種技術都有其各自特點：被動式傅里葉變換紅外光譜（FTIR）遙感技術，能夠在非接觸情況下實現對輻射源的絕對光譜能量分布和氣體濃度等信息的獲取，但難以滿足航空發動機尾氣實時在線的數據采集;發動機氣路靜電監測技術能夠通過識別尾氣中電荷載體信息來實現尾氣的監測，能夠實現判斷發動機氣路性能異常或故障，但是對于航空發動機在線監測時，就需要將傳感器按照一定分布置于發動機尾氣氣路管道中，同時采集的尾氣信息也僅局限于尾氣流場的邊緣，對流場核心區域的信息采集較為困難;應用逐漸廣泛的電容層析成像（ECT）技術，可以通過發動機尾氣流場中的微粒電離，獲取流場邊界電容信息，進而得到流場中微粒的空間分布情況，但是ECT技術是通過對電荷的分析獲取相關信息，不能得到流場中微粒的現實尺寸和形狀特征;激光誘導白熾技術在航空發動機尾氣流場監測方面。當前還處于探索階段，還未形成相關配套的硬件監測設備，只實現了對尾氣顆粒物分布的小范圍平面測量。

航空發動機尾氣監測是監控發動機工作狀態的有效方法，隨著故障檢測的技術革新和標準提高，傳統的監測技術將會逐漸不滿足監測的要求，而各類非接觸、可視化、高精度、實時在線的無損檢測技術，在攻克當前所存在的難題后，將是實現航空發動機尾氣監測的理想手段。

參考文獻：

[1] 彭淑宏. 航空發動機氣路故障診斷技術研究[D]. 上海：上海交通大學，2012