航空發動機氣路故障靜電監測技術研究

黃漫國，劉德峰，閆瑜，高云端，朱永波，于瑞

航空工業北京長城航空測控技術研究所 狀態監測特種傳感技術航空科技重點實驗室，北京 101111

航空發動機氣路部件包括進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪、加力燃燒室和尾噴口等幾大核心部分，由于發動機結構的高度集成性、高度復雜性和耐受環境極度惡劣性，對這些氣路部件的健康狀態監測一直缺乏有效的技術手段[1]。常規的氣路故障診斷主要采取振動監測、基于氣路參數的氣路熱力學模型監測等方法，但這些方法大多屬于事后監測，必須在故障已經發生且足夠嚴重時才能夠監測到[2-3]。另外，一些特殊故障也無法通過這些常規手段進行監測，如燃燒室積炭、喘振、熱端部件掉塊等。

近年來，氣路靜電監測技術作為一種新型的航空發動機在線監測手段，通過實時監測發動機靜電水平可以實現發動機典型故障的監測及早期故障的預警[4-5]。該技術最早由英國的Smith 公司提出，Smith 公司的研究表明，航空發動機的排氣攜帶了燃燒產物、故障產物等體現發動機健康狀態的關鍵生成物，通過對排氣中固體顆粒帶電情況的實時監測，建立電荷水平、發動機工況與健康狀態的定量模型，可以間接實現發動機氣路部件健康狀態的監測，且這種監測方式由于只增加靜電監測傳感器，可以最大限度地減少發動機健康監測系統傳感器的數量，不會造成額外的體積、重量、線纜、信號等的復雜度。同時，由于電荷水平的變化規律體現了氣路部件的自身狀態和關聯狀態，因此通過設計高效的信號處理算法，可以得出大量有效信息，以輔助實現發動機氣路部件的健康監測[6]。目前，Smith公司的氣路故障靜電監測系統已經在F-35 戰斗機、C-17 運輸機[7-9]等機型上測試使用，在F-35 戰斗機上，整套系統包括吸入物靜電監測系統（ⅠDMS）和發動機尾氣碎屑靜電監測系統（EDMS）兩個部分，ⅠDMS 裝在發動機進氣道，用來監測進氣道吸入異物狀態，EDMS裝在尾噴管上，用來監測發動機排氣中顆粒攜帶電荷的變化情況。同時，ⅠDMS 和EDMS的組合監測，可以實現進出發動機氣路的正常或異常顆粒電荷情況監測。相較國外的研究情況，國內的相關研究尚不全面，對發動機典型故障監測方面的研究尚不深入。因此，本文研制了一套航空發動機氣路故障靜電監測系統，并在自研的發動機模擬試驗臺上進行了燒蝕掉塊、積炭兩種典型故障的模擬試驗，驗證了航空發動機氣路故障靜電監測系統對發動機典型故障監測的有效性。

1 航空發動機氣路故障靜電監測機理

帶電的物體接近或遠離某一電中性的導體時，將會使導體極化，導體中的正負電荷重新分布，并且與帶電物體電荷相反極性的感應電荷會聚集在導體表面，這一現象被稱為靜電感應[10]。如果帶電物體帶的是正電，則導體表面會聚集負電荷；如果帶電物體帶的是負電，則導體表面會聚集正電荷。靜電感應現象是點電荷或點電荷組與導體相互作用時產生的物理現象。考慮到帶電物體的運動狀態，當帶電物體接近導體時，由于感應電荷會在短時間內聚集和消散，因此，導體中會由于感應電荷的運動而產生電流。通過監測電流的變化，可以間接實現對導體外帶電物體的監測，這也是靜電監測傳感器工作的基本機理，如圖1所示。

圖1 靜電感應機理Fig.1 Electrοstatic inductiοn principle

在航空發動機常見的故障模式中，發動機整機故障主要有4 類[11]：一是性能故障，主要故障模式有推力下降、耗油率高、推力不穩定等，占發動機總故障的10%～20%；二是結構強度故障，包括風扇、壓氣機葉片裂紋、斷裂，裝配間隙不良或載荷不平衡使得葉片與機匣發生碰磨，渦輪葉片燒蝕掉塊等，占發動機總故障的60%～80%；三是附件系統故障，如控制電路失靈導致燃油控制系統故障，油路堵塞導致的潤滑系統故障，齒輪、花鍵過載引起的疲勞斷裂、過度磨損故障等，占發動機總故障的10%～20%；四是其他類故障，包括吸入沙粒、鳥類等異物導致的葉片損傷或飛行導致的故障等，占發動機總故障的3%～5%。

在這4 類故障中，幾乎每一類故障都會在發動機排氣中產生異常顆粒，如性能故障中，如果耗油率過高，將會產生額外的不完全燃燒的炭煙顆粒；結構強度故障中，葉片斷裂或燒蝕掉塊會直接在排氣中產生大小不一的碎塊；發動機吸入鐵釘、鉚釘等金屬異物時會反復撞擊多級葉片，也可能會直接導致零件碎塊隨氣流排出。這些異常顆粒或者碎塊、碎片粒徑大于正常燃燒產生的炭煙顆粒（通常范圍在40μm 以上）[12]，在高溫550～850℃、高速150～200m/s 氣流[13]中會發生復雜的物理或化學變化，使之電中性遭到破壞從而攜帶上某種極性的電荷，如劇烈碰撞荷電、高溫裂解荷電、高速摩擦荷電等，這些顆粒的帶電情況則在一定程度上可以反映氣路部件的健康狀態。

通過對排氣中顆粒荷電變化情況的監測和對總體電荷水平的分析，可以得出發動機主要氣路部件的健康狀態，從而為發動機的故障診斷、健康管理和視情維護提供信息支持。將靜電監測傳感器安裝在發動機尾噴口，利用采集到的靜電電壓信號可以計算出靜電電荷分布情況。僅考慮在發動機自身功率恒定的條件下，由故障引起的靜電信號變化的特征參數可用活動率水平（AL）來表述[14]。AL可以定義為

式中，Qf為靜電電荷信號；T為截取的信號長度，通常取為1s；N 為Qf(t)經離散采樣后在T內的采樣點數；Qf為Qf(t)經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經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電荷量的有效值[14]。

2 航空發動機氣路故障靜電監測系統的研制

根據靜電感應機理，開發了探針式靜電監測傳感器，如圖2 所示。傳感器采用高溫鎳基合金作為主要敏感材料，端部設計了安裝螺紋，可以直插安裝在發動機尾噴口的管壁上，根據尾噴管的直徑，可合理設計靜電傳感器的插入深度，以實現在發動機高溫環境下的有效探測。

圖2 靜電監測傳感器Fig.2 Electrοstatic mοnitοring sensοr

本文主要考慮發動機氣路部件故障的監測有效性，因此設計了航空發動機氣路故障靜電監測系統，整個系統由靜電監測傳感器、電荷放大器、數據采集單元、信號處理與分析軟件等組成，系統架構如圖3 所示。靜電傳感器采集靜電感應信號后，電荷放大器對信號進行濾波、放大處理，電荷放大器通過接線盒與信號采集卡相連，信號采集卡對靜電感應信號進行實時采集，并通過機箱卡槽接口傳輸給控制器，控制器內開發的軟件對信號進行存儲、分析處理等操作。

圖3 氣路故障靜電監測系統構成Fig.3 Cοmpοsitiοn οf electrοstatic mοnitοring system fοr gas path fault

系統采用Labview 平臺開發了靜電監測系統軟件，主要功能有三個：一是實時采集、存儲和顯示靜電傳感器數據，監測指標變化趨勢，同時對數據進行總體分析，建立基線，如果趨勢異常，則觸發報警模塊；二是基于監測到的信號對氣路部件進行故障診斷和初級分析；三是生成監測與診斷報告。系統運行時，傳感器采集到的數據經過處理后，會首先和數據庫中的故障特征進行比較，分析總體性能水平變化情況和典型故障匹配情況，并以此來確定氣路部件的健康狀態。

3 試驗與驗證

為了驗證所設計靜電監測系統的有效性，同時考慮到大型航空渦扇發動機的復雜性和故障注入的難度，因此在自研的航空發動機模擬試驗臺（見圖4）上進行靜電監測系統的驗證試驗。試驗臺的組成主要包括：（1）由小型渦噴發動機及其控制系統、尾噴管延長管、尾氣排放裝置、支撐平臺等構成的發動機模擬系統，用來模擬真實發動機的尾噴環境[8]；（2）安裝于微噴管延長管上的靜電傳感器和配套的信號處理采集單元及上位機系統，用于采集和處理靜電信號；（3）熱端部件燒蝕掉塊、燃燒室積炭故障模擬裝置，用于進行故障模擬。

圖4 發動機模擬試驗臺Fig.4 Aerο-engine simulatiοn testbed

根據航空發動機常見故障模式的分布情況，選取了兩種典型故障模式，包括熱端部件燒蝕掉塊、不完全燃燒導致的燃燒室積炭等，在發動機模擬試驗臺上設計了故障模式自動化注入裝置，可以實現兩種故障模式的自動注入、終止、遠程控制等功能。

3.1 燒蝕掉塊故障注入試驗

熱端部件燒蝕掉塊故障注入試驗選用鋁粉顆粒作為注入材料，利用注入裝置將鋁粉顆粒注入渦噴發動機尾噴管道內，在注入裝置中放入10g、1mm 鐵顆粒，渦噴發動機轉速穩定在4.5萬轉左右，系統監測到信號變化情況及其活動率水平分別如圖5及圖6所示。從圖5中可以看出，注入鐵粉顆粒后檢測到的感應信號幅值發生了明顯變化，首先造成感應電壓上升為正值，隨后又下降為負值，最后恢復至背景信號水平。

圖5 模擬燒蝕掉塊故障產生的靜電信號Fig.5 Electrοstatic signal generated by burn fragments fault

圖6 模擬燒蝕掉塊故障獲取的靜電活動率水平Fig.6 Electrοstatic AL generated by burn fragments fault

3.2 燃燒室積碳故障注入試驗

燃燒室積碳故障注入試驗選用碳粉作為注入材料，利用注入裝置將碳粉顆粒注入渦噴發動機尾噴管道內，在注入裝置中放入10g、200μm 碳粉顆粒，渦噴發動機轉速穩定在4.5萬轉左右，系統監測到信號變化情況及其活動率水平分別如圖7及圖8所示。從圖7中可以看出，注入碳粉顆粒后檢測到的感應信號幅值發生了明顯變化，碳粉首先造成感應電壓下降為負值，隨后又上升并在橫軸兩端來回振蕩，最后恢復至背景信號水平。這一方面是由于碳粉與空氣摩擦后帶負電荷，另一方面是由于碳粉相對鐵粉的密度較小，因此下降速度較慢。

圖7 模擬燃燒室積炭故障獲取的靜電信號Fig.7 Electrοstatic signal generated by cοmbustiοn chamber carbοn fault

圖8 模擬燃燒室積炭故障獲取的靜電活動率水平Fig.8 Electrοstatic AL generated by cοmbustiοn chamber carbοn fault

3.3 試驗結果對比及分析

通過對燒蝕掉塊故障注入試驗及燃燒室積炭故障注入試驗的試驗結果進行對比分析，可以看出：（1）通過分析圖6及圖8中的靜電活動率水平可以判斷出是否發生故障及發生故障的時間。（2）通過分析圖5 及圖7 中的靜電電壓信號的幅值變化情況，可以對兩種故障進行區分。圖5 中感應電壓先上升為正值，隨后又下降為負值，最后恢復至背景信號水平；圖7中感應電壓先下降為負值，隨后又上升并在橫軸兩端來回振蕩，最后恢復至背景信號水平。通過感應電荷的正負，可以對兩種故障進行區分。由此可以看出，顆粒的材質對測試的結果存在一定的影響。（3）對于健康的發動機，其尾氣靜電電荷水平只會隨著發動機工況的改變而變化。一般采用發動機轉速作為發動機工況參數用于分析信號特征，在本試驗中選擇了在固定的轉速下進行對比試驗驗證。此外，靜電傳感器安裝位置及靈敏度等因素也會對測試結果產生影響。因此，傳感器的安裝位置應該考慮使尾氣處于傳感器的靈敏度范圍之內。

4 結論

本文通過在自研的航空發動機模擬試驗臺上進行靜電監測系統的驗證試驗，驗證了探針式靜電監測傳感器在渦噴發動機上可以有效監測到靜電信號，并能夠靈敏反映氣路部件的健康狀態和發動機工況的變化；同時，通過對航空發動機常見的兩種典型故障模式（熱端部件燒蝕掉塊、不完全燃燒導致的燃燒室積炭故障）的模擬，根據監測到電荷極性的分析可以確定引起靜電信號變化的因素有非金屬顆粒和金屬顆粒，結合氣路部件的材料構成，也可以在進一步分析電荷特性的基礎上為故障定位提供依據。

本文在靜電監測傳感器研制的基礎上開展了靜電監測系統的試驗研究，在小型發動機上的試驗結果驗證了氣路故障靜電監測技術的可行性和有效性。考慮到大推重比航空發動機的復雜性，后續應進一步優化系統設計，如提升傳感器監測靈敏度、優化故障診斷算法、引入發動機工況參數等，為靜電監測技術在航空發動機上的應用奠定基礎。