基于狀態監測的航空發動機故障診斷與維護研究

尚 文

（中國飛機強度研究所，陜西西安 710065）

0 引言

航空發動機作為一種復雜的透平類機械，具有結構復雜、零部件多、功率大、工作狀態嚴苛等特點，在材料、制造、裝配、工藝等多方面提出較好的技術要求，保證航空發動機健康運行的監測、診斷、維修、保養等工作也存在較多技術難度，通過監測手段獲取性能狀態信息，應用故障診斷技術及算法對性能狀態參數進行計算、分析，獲取故障機理并依據診斷結論制定維修、保養策略，在故障早期進行準確預警及診斷為其后續機組維護提出可行建議[1-5]。本文通過對航空發動機運行狀態故障特征及失效機理進行分析研究，提出一種基于狀態監測的故障診斷方案，并開展基于健康監測和故障診斷的維護，為解決相關問題提供理論指導和參考。

1 狀態監測及故障技術

航空發動機狀態監測重點監測對象有壓縮機、燃燒室、渦輪、輔助電機，監測的核心組件包括轉子、葉盤、葉片、聯軸器、齒輪、噴油嘴、點火器等。

基于傳感器技術的航空發動機狀態監測技術包括管道鏡監測、X-射線檢測、電渦流檢測、壓電監測、碎屑監測、噪聲監測、渦輪排氣監測等，通過性能參數、油樣、氣路等分析手段，提供關于部件性能退化的信息。

目前國際上掌握先進航空發動機監測技術的公司主要有美國GE、Rolls-Royce 和德國西門子等公司，其主要監測的性能狀態參數有進/排氣溫度、進/排氣壓力、點火溫度、轉子轉速、運行功率、燃油速率、液壓油溫度等。

2 氣路分析法的應用

航空發動機出現早起故障（裂紋、涂層損失、碰磨、偏心等）時，并不會出現明顯部件性能退化的表征，往往通過單一的性能參數、振動參數的變化及異常也不能準確定性、定位故障，這就為故障的發展埋下了隱患。當出現轉子不對中、葉片彎曲、葉片斷裂、噴油嘴堵塞等嚴重故障時，才會出現比較明顯部件性能退化的表征，此時進行維修會大幅增加維修成本，同時也將延長停機時間，進而減少經營收益。航空發動機狀態監測及故障診斷模式如圖1 所示，其中FOD 為Foreign Object Damag，即外來物、外物損傷。為了使航空發動機的效能及可靠性保持在較高水平，實時開展健康監測及機組維護至關重要，可在故障早起對其機理進行研判，準確開展維修、保養工作，防止不可修復性故障的發生，降低維修成本及停機時間。

圖1 航空發動機狀態監測及故障診斷模式

作為一種系統性的航空發動機診斷方法，氣路分析（Gas Path Analysis，GPA）包括線性氣路分析法和非線性氣路分析法。線性氣路分析法最先提出，這種方法是運用一個線性方程組系統使航空發動機所測量的熱力學變量（溫度、壓力等）與發動機部件的流量和效率因素相互關聯，從而代表渦輪的健康狀況。

3 航空發動機狀態監測及故障診斷方案

根據《Gas Turbine Engineering Handbook》（燃氣輪機工程手冊），將航空發動機重要參數及其符號進行整理（表1）。

表1 航空發動機重要參數及其符號

排氣溫度是航發中最重要的關鍵參數之一，過高的航發溫度將導致壽命縮短或災難性的事故。正常的設備中，當溫度不高時，航發入口溫度可直接測量。在新一代機器中，燃燒室排氣溫度相對于可用測量元件來說太高，因此中間過程或排氣溫度被當作間接的航發入口溫度測量值。

轉速通常用作幾乎所有航發的控制函數。在任何連續做功過程中，轉子轉速增加伴隨著外部氣體溫度的增加。因此，大多數控制函數包括轉子轉速都傾向于溫度。在單軸或雙軸發動機中，轉子轉速改變作為發動機的函數，與壓縮機和渦輪機之間的改變相配合。這些部件間復雜的相互作用，可以看作N1（低速）與N2（高速）間的相互作用，沒有詳細的氣路分析是非常敏感和難以定義的。在單軸發動機驅動的發電機中，轉子轉速是控制函數之一，且它本身不改變。

油壓和溫度的測量方法：油壓是經過過濾器，內外部泄漏的壓力降的間接量。外部泄漏最終變得明顯，而內部泄漏很難檢測。內部泄漏將導致燃油泄漏至高溫氣路。通常使用3 種測量方法監測油溫：燃油從軸承的噴射溫度，軸承的回油溫度和軸承金屬溫度。

通過對各類傳感器技術的研究，結合基于狀態參數的故障機理研究，提出一種航空發動機狀態監測及故障診斷方案，包括環境排放監測、氣路性能監測和機械性能狀態監測3 部分（表2）。

表2 航空發動機狀態監測及故障診斷方案

4 結論

綜上所述，通過對航空發動機的運行參數及故障機理進行研究，采用動力機械的氣路分析方法，提出一種基于狀態監測及故障診斷方案，以環境排放參數、經濟性能參數及振動參數為監測對象，通過各項參數的測量及分析對早期故障進行診斷，并對故障進行定性及定位，提出針對性維護意見，增強了工程應用的實時性、針對性及準確性。