狀態監控技術在核心機試驗中的應用

李富亮

摘要：隨著許多新設計、新材料和新工藝在核心機上的應用，核心機試驗的安全風險不斷增加，狀態監控技術在核心機試驗中的地位越來越重要。本文對氣路參數監控、滑油監控、振動監控等狀態監控技術進行了分析和探討，總結了各種狀態監控技術在核心機試驗中的應用情況。

關鍵詞：核心機試驗;狀態監控技術;氣路參數監控;滑油監控;振動監控

0? 引言

航空發動機工作在高溫、高壓、高轉速和高負荷的苛刻條件下，為了保證發動機及其系統工作可靠，除了在發動機型號研制階段進行詳細設計計算和分析外，還需進行數萬小時的部件和整機試驗[1]。核心機由航空發動機中的高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪組成，是發動機強度和使用可靠性最關鍵的部分，在發動機型號研制初期進行核心機試驗研究，可以降低發動機的研制風險并加快發動機的研制進度。隨著航空發動機設計和試驗技術的不斷發展，許多新設計、新材料和新工藝都安排在核心機上進行技術可行性驗證，核心機試驗的安全風險隨之不斷增加，失速、喘振、振蕩燃燒、葉片損傷、葉尖碰磨、轉子熱彎曲、轉子卡滯等故障時有發生，狀態監控技術在核心機試驗中的地位越來越重要。

核心機狀態監控是指在核心機試驗中及試驗后，從核心機氣動熱力參數、機械性能參數、監控參數中提取信息來實現對核心機狀態的識別，尋找核心機故障并判明故障原因、部位、趨勢或預報即將發生的故障[2]。核心機試驗中使用的狀態監控技術分為實時監控和離線監控兩種，實時監控主要包括試驗過程中的氣路參數監控、滑油監控、振動監控等，離線監控主要包括試驗后的轉子慣性運轉時間記錄、燃滑油泄漏監控、盤車檢查、關鍵部位孔探儀檢查等。本文對核心機試驗中使用的各種實時監控和離線監控技術進行分析、探討和總結。

1? 氣路參數監控

在核心機試驗過程中，常利用高壓轉子轉速、排氣溫度、燃油流量、特征截面溫度和壓力、腔溫腔壓等氣路參數來判斷核心機是否達到規定的技術狀態，并以模擬儀表和實時波形圖等形式顯示在試驗臺架數采系統監控界面上，供試驗人員實時監控;這些氣路參數能準確、靈敏地反映核心機的工作狀態和性能變化，并能精確、快速、便利地進行測量和記錄。當這些參數達到預先設置的報警值或限制值時，數采系統會發出黃色或紅色報警信號進行示警，EEC電子控制器和試驗人員分別自動和手動采取降低轉速、緊急停車等應急處置措施。停車后利用數據回放軟件，對這些參數進行回放對比、趨勢分析等，判斷核心機健康狀況，分析故障原因。

以試驗過程中喘振在線監測為例，目前常用的監測方法有A值、B值和C值判別法。其中，A值為高壓壓氣機出口總、靜壓差的脈動分量與其平均值之比，當A值高于門限值時即判定發生喘振;B值是高壓壓氣機系統在容腔內氣體壓力和作用在容腔中內力的比值，當B值大于臨界B值時壓氣機進入喘振，當B值小于臨界B值時壓氣機進入旋轉失速狀態;另外，依據喘振發生時高壓壓氣機出口總壓急劇下降的特點，將高壓壓氣機出口總壓的變化率小于常數C值作為喘振發生的判據[3]。核心機試驗過程中一般采用A值、B值和C值的不同組合進行喘振在線監測。

2? 滑油監控

核心機滑油監控是利用與滑油有關的信息監視滑油本身的理化性能以及核心機中與滑油接觸的零部件工作情況。滑油監控包括滑油系統工作參數監控、滑油中金屬屑監控和滑油理化分析[4]。

2.1 滑油系統工作參數監控

通過監控滑油系統工作參數，可以確認系統自身是否工作正常，監控參數主要包括滑油壓力、滑油溫度和滑油消耗量。

滑油壓力由安裝在滑油系統高壓供油管路中的壓力傳感器測量，滑油壓力表征滑油系統潤滑油量的大小，滑油壓力過低容易造成系統潤滑不良，滑油壓力過高會導致系統密封性不良，滑油消耗量會升高。核心機試驗過程中應重點關注起動時滑油壓力建立時間和轉速，待核心機運轉至慢車以上狀態，則應監控滑油壓力在合理的范圍內。

滑油溫度傳感器一般安裝在滑油系統回油管路上，通過監控滑油溫度，可以間接獲得核心機軸承、傳動齒輪、熱端封嚴、燃滑油散熱器的工作情況。滑油溫度過高會影響滑油粘性、惡化滑油品質，造成系統潤滑不良。因此，當核心機在大狀態長時間工作時，應監控滑油溫度不得超過允許的工作范圍。

滑油消耗量可以在試驗過程中由滑油箱液位傳感器測量得到，也可以通過試驗前后滑油箱上的滑油標尺刻度計算得到，因油箱的油位與滑油溫度有關，停車后的滑油位測量應在停車后10min測量，滑油消耗量計算時應考慮每次添加滑油量及理化分析取樣油量。滑油消耗量異常可表征滑油外泄或內漏、回油量低、離心通風器異常等故障。

2.2 滑油中金屬屑監控

核心機正常磨損時其滑油中磨粒濃度能夠達到動態平衡，而異常磨損時磨粒濃度及粒度分布會超出標準，因此可利用滑油中金屬屑含量信息監控核心機零部件磨損狀況[5]。核心機試驗中金屬屑監控主要通過滑油濾檢查、滑油光譜分析進行。由于滑油濾網孔尺寸較大，一般間隔一段時間將滑油濾拆開清洗并收集金屬屑進行形貌分析，判斷磨損部件和狀態;同時還從滑油濾、滑油箱、附件齒輪箱等部位提取油樣進行光譜分析，將光譜分析結果與預先制定的金屬元素含量標準進行比對，監控和預測滑油系統故障。

2.3 滑油理化分析

滑油理化分析的目的是檢驗油品的品質以及界定使用惡化極限，以確定油品品質或者油品是否需要更換，理化分析項目一般包括粘度、水分、酸值、機械雜質、起泡性能等。一般在核心機試驗前進行一次滑油理化分析，確認滑油品質滿足要求;核心機試驗中，當出現滑油箱油量增多，懷疑滑油系統中混入燃油或冷卻液時，可進行滑油理化分析進行確認。

3? 振動監控

核心機試驗過程中的振動監控主要包括整機振動監控、關鍵部件振動和應力測量等。

3.1 整機振動監控

整機振動監控的目的是分析和判斷核心機結構系統，特別是轉子系統的機械狀態和故障信息[6]。整機振動信號包含的幅值、頻率、相位等信息，直接反映結構系統的機械狀態，可以通過整機振動信號分析實現對轉子系統工作狀態的監控，及時發現核心機的損傷和非正常磨損。整機振動監控是通過振動監視系統來實現，該系統由振動傳感器、動態信號調理器、數據采集器、動態數采軟件等組成，可以實現振動信號實時采集、實時分析和實時存儲，試驗過程中當振動值達到告警值或限制值時，振動監視系統立即報警，試驗人員及時采取終止起動、緊急慢車和緊急停車等應急處置措施。

3.2 關鍵部件振動和應力測量

關鍵部件振動和應力測量的目的是通過進行轉子和靜子葉片、盤、軸等關鍵部件的振動和應力分析，獲得振動應力分布和振型，確定危險轉速、激振頻率等[7]。核心機試驗過程中主要進行轉靜子葉片、外部附件和管路振動應力測量、轉子軸向力測量等。

典型葉片動應力測試系統主要由應變片、引線、信號傳輸裝置（滑環引電器或遙測裝置）、連接線路和數據采集系統組成。葉片動應力測量過程中的技術難點包括應變片貼片、測試引線、應變信號傳輸和測試改裝等。由于滑環引電器通過轉接軸安裝在壓氣機轉子前端，工作溫度一般要求低于40℃，需要配置冷卻供水或供氣裝置，安裝結構復雜，工作不穩定且測量通道有限，已逐漸被小體積、多通道、高可靠的非接觸式遙測裝置取代。

轉子軸向力測量方法分為間接測量法和直接測量法[8]。間接測量法是依據轉子氣動軸向力的計算方法，將核心機各部分的盤腔軸向力和流道軸向力進行計算和迭加，但因許多腔壓無法實測，導致無法準確計算軸向力，最終計算結果誤差較大。直接測量法是在軸承外環前后各安裝一個粘貼應變片的彈性環，利用彈性環在彈性變形范圍內軸向變形量與軸向載荷呈線性關系的原理，通過實時測量應變量獲取轉子向前或向后的軸向力，該方法測試精度較高，但需要對被測軸承進行專項測試改裝。核心機試驗時一般同時進行轉子軸向力的間接測量和直接測量，試驗過程中重點監控軸向力，防止軸向力在某些轉速下頻繁換向。

4? 其它監控

除了上述幾種實時狀態監控技術，核心機試驗中還進行轉子慣性運轉時間記錄、燃滑油泄漏監控、盤車檢查、關鍵部位孔探儀檢查等離線監控。

轉子慣性運轉時間指的是當油門桿從慢車收回停車位置后，核心機依靠轉子自身的轉動慣性從慢車轉速降轉到某一小轉速的時間。通過分析慣性運轉時的聲音和時間可以判斷核心機氣流通道和軸承有無卡滯或異常。

燃滑油泄漏監控在試驗過程中通過試車臺架的CCTV監控系統屏幕進行，停車后則通過目視檢查燃、滑油系統部件和管路進行。

盤車檢查一般在試驗當天核心機第一次起動前及后續試驗停車后進行，通過盤車時的力矩和聲音可以判斷核心機轉子是否有碰磨和卡滯，避免在轉子碰磨或卡滯的情況下起動核心機，導致更嚴重的故障發生。

孔探儀檢查是一種目視-光學檢測，利用孔探儀可以檢查出核心機內部氣路部件的損傷、變形、裂紋、燒蝕、涂層脫落等多種故障。核心機停車后使用孔探儀對影響試驗安全的高壓壓氣機每一級轉子葉片前后緣、燃燒室燃油噴嘴、高壓渦輪導向器和工作葉片等關鍵部位進行檢查。

5? 總結

通過在核心機試驗時應用氣路參數監控、滑油監控、振動監控等實時狀態監控技術以及轉子慣性運轉時間記錄、燃滑油泄漏監控、盤車檢查、關鍵部位孔探儀檢查等離線狀態監控技術，可以對試驗時核心機工作狀態和性能變化、滑油品質和與滑油接觸的零部件工作情況、轉子系統機械狀態和故障信息、關鍵部件振動應力分布、氣流通道和軸承工作情況、燃滑油泄漏情況進行監控，提前對故障進行示警并準確判斷故障部位，確保核心機試驗安全。

參考文獻：

[1]吳大觀.航空發動機研制工作論文集[M].航空工業出版社，2009.

[2]張經璞.航空發動機狀態監控與典型故障分析[D].沈陽航空航天大學，2017.

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[4]林基恕.航空燃氣渦輪發動機機械系統設計[M].航空工業出版社，2005.

[5]孫護國，霍武軍，于海濱.航空發動機滑油系統監控與診斷技術[J].航空科學技術，2000（04）：23-24.

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[7]侯敏杰.高空模擬試驗技術[M].北京：航空工業出版社，2014.

[8]王秋陽，陳亮.航空發動機轉子氣體軸向力技術研究[J].中國設備工程，2018（007）：173-176.