尚 文

（中國飛機強度研究所，陜西西安 710065）

0 引言

航空發(fā)動機作為一種復(fù)雜的透平類機械，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件多、功率大、工作狀態(tài)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(shù)要求，保證航空發(fā)動機健康運行的監(jiān)測、診斷、維修、保養(yǎng)等工作也存在較多技術(shù)難度，通過監(jiān)測手段獲取性能狀態(tài)信息，應(yīng)用故障診斷技術(shù)及算法對性能狀態(tài)參數(shù)進行計算、分析，獲取故障機理并依據(jù)診斷結(jié)論制定維修、保養(yǎng)策略，在故障早期進行準確預(yù)警及診斷為其后續(xù)機組維護提出可行建議[1-5]。本文通過對航空發(fā)動機運行狀態(tài)故障特征及失效機理進行分析研究，提出一種基于狀態(tài)監(jiān)測的故障診斷方案，并開展基于健康監(jiān)測和故障診斷的維護，為解決相關(guān)問題提供理論指導(dǎo)和參考。

1 狀態(tài)監(jiān)測及故障技術(shù)

航空發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測重點監(jiān)測對象有壓縮機、燃燒室、渦輪、輔助電機，監(jiān)測的核心組件包括轉(zhuǎn)子、葉盤、葉片、聯(lián)軸器、齒輪、噴油嘴、點火器等。

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

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

2 氣路分析法的應(yīng)用

航空發(fā)動機出現(xiàn)早起故障（裂紋、涂層損失、碰磨、偏心等）時，并不會出現(xiàn)明顯部件性能退化的表征，往往通過單一的性能參數(shù)、振動參數(shù)的變化及異常也不能準確定性、定位故障，這就為故障的發(fā)展埋下了隱患。當出現(xiàn)轉(zhuǎn)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(xiàn)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(jīng)營收益。航空發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)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(fā)動機的效能及可靠性保持在較高水平，實時開展健康監(jiān)測及機組維護至關(guān)重要，可在故障早起對其機理進行研判，準確開展維修、保養(yǎng)工作，防止不可修復(fù)性故障的發(fā)生，降低維修成本及停機時間。

圖1 航空發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷模式

作為一種系統(tǒng)性的航空發(fā)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(tǒng)使航空發(fā)動機所測量的熱力學變量（溫度、壓力等）與發(fā)動機部件的流量和效率因素相互關(guān)聯(lián)，從而代表渦輪的健康狀況。

3 航空發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷方案

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

表1 航空發(fā)動機重要參數(shù)及其符號

排氣溫度是航發(fā)中最重要的關(guān)鍵參數(shù)之一，過高的航發(fā)溫度將導(dǎo)致壽命縮短或災(zāi)難性的事故。正常的設(shè)備中，當溫度不高時，航發(fā)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(fā)入口溫度測量值。

轉(zhuǎn)速通常用作幾乎所有航發(fā)的控制函數(shù)。在任何連續(xù)做功過程中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加伴隨著外部氣體溫度的增加。因此，大多數(shù)控制函數(shù)包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速都傾向于溫度。在單軸或雙軸發(fā)動機中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速改變作為發(fā)動機的函數(shù)，與壓縮機和渦輪機之間的改變相配合。這些部件間復(fù)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(fā)動機驅(qū)動的發(fā)電機中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是控制函數(shù)之一，且它本身不改變。

油壓和溫度的測量方法：油壓是經(jīng)過過濾器，內(nèi)外部泄漏的壓力降的間接量。外部泄漏最終變得明顯，而內(nèi)部泄漏很難檢測。內(nèi)部泄漏將導(dǎo)致燃油泄漏至高溫氣路。通常使用3 種測量方法監(jiān)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(shù)的研究，結(jié)合基于狀態(tài)參數(shù)的故障機理研究，提出一種航空發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷方案，包括環(huán)境排放監(jiān)測、氣路性能監(jiān)測和機械性能狀態(tài)監(jiān)測3 部分（表2）。

表2 航空發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷方案

4 結(jié)論

綜上所述，通過對航空發(fā)動機的運行參數(shù)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(tài)監(jiān)測及故障診斷方案，以環(huán)境排放參數(shù)、經(jīng)濟性能參數(shù)及振動參數(shù)為監(jiān)測對象，通過各項參數(shù)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(yīng)用的實時性、針對性及準確性。