發動機氣路故障模擬試驗臺碰摩故障實驗研究

黃漫國, 劉 藝, 劉太麗, 劉 偉, 劉德峰, 李 欣

(1.航空工業北京長城航空測控技術研究所，北京 101111； 2.狀態監測特種傳感技術航空科技重點實驗室，北京 101111)

作為各種軍民用飛機的核心，航空發動機的可靠性對飛機的飛行安全起著至關重要的作用，而航空發動機中的氣路部件是保證其正常工作的最為關鍵的組成部分。根據相關統計，航空發動機氣路部件故障占其總體機械故障的80%左右[1]，因此對航空發動機氣路部件故障的早期預警與診斷對于減少發動機故障損失、降低飛機飛行事故發生率具有非常重要的作用[2-4]。

以往采用的發動機故障診斷手段(例如振動監測、基于氣路參數的氣路熱力學模型監測等方法)只有當發動機故障發展到一定程度時才有效，無法對故障進行早期預警[5-10]。早在1970年，美國空軍技術研究所發現了航空發動機氣路部件發生故障會引起氣路通道電氣活動性增加這一現象[11]。隨后，美國、英國的多位學者都針對靜電監測技術開展了相關研究[12-15]。其中，最有代表性的為英國Smith公司，該公司的研究表明：通過對發動機氣路中電荷水平的變化進行實時監測和分析處理，判斷出發動機的工作狀況和性能趨勢，可以為發動機氣路部件故障提供早期預警，實現對發動機工作狀態的實時在線監測與診斷[16-17]。目前，Smith公司的氣路故障靜電監測系統已經在F35戰斗機[12-13]等機型上測試使用，并極大地提高了發動機的故障預測與健康管理(Prognostics Health Management,PHM)能力。

想要利用靜電監測技術來實現對發動機氣路部件故障的在線診斷，需要不同發動機故障模式下的大量測試數據作為支撐，從而形成經驗理論。真實發動機及真實發動機臺架是具備這些能力的最理想的試驗臺，但是健康的發動機很難出現不同種類的故障模式，若人為制造故障，對真實發動機損傷巨大，成本極高；不健康的發動機又不能提供正常工作的基本測試基礎，對基于健康狀態的故障模式測試沒有意義；同時，搭建真實發動機臺架試驗臺耗資巨大，可實現性極低。因此，采用搭建模擬試驗臺的方法來模擬發動機不同種類的故障模式十分關鍵。

1 葉片-機匣碰摩故障機理分析

由于高溫和高速的工作環境，離心力和高溫導致葉片膨脹而發生的葉片-機匣碰摩故障是一種常見的發動機氣路故障[18]。發動機葉片-機匣碰摩故障即葉片與封嚴材料或機匣本體發生碰摩，按照故障嚴重程度可以分為局部碰摩、整周碰摩[19]。局部碰摩是指在一個或多個轉動周期中發生局部接觸摩擦；整周碰摩是指所有轉動周期內一直保持著持續接觸摩擦。發動機葉片安裝在各級輪盤上，每一個輪盤上有幾十個或上百片葉片，所以單個葉片與封嚴材料或機匣本體的碰摩是一種類似于斷續磨削的過程，而且從摩擦學的角度來分析可知，葉片與機匣碰摩屬于典型的高速干摩擦過程，即摩擦副之間沒有任何潤滑劑或保護膜的純固體高速接觸摩擦形式[20-21]。根據發動機轉子結構的特殊性，碰摩過程可以定義為高速斷續干磨削過程，其原理圖如圖1所示。

發生碰摩時超高速的發動機葉片與封嚴材料或機匣之間的作用既包括滑擦-耕犁-切削作用，又包括高速沖撞作用，速度越高沖擊作用越強。隨著速度的提高，高速沖擊的動能轉化成熱能使碰摩產生磨削熱，因此會產生一定的磨粒，隨氣流排出，根據顆粒荷電機理，這些碰摩顆粒將帶上電荷，因此造成氣路整體電荷水平異常變化，進而引起靜電傳感器上感應電荷量變化[22]，可以為靜電監測系統提供早期碰摩故障信號。因此，可以采用在高溫高速環境下模擬碰摩顆粒產生的方式來實現對葉片-機匣碰摩故障進行模擬。

圖1 發動機葉片-機匣碰摩原理示意圖

2 碰摩故障模擬試驗臺設計

2.1 模擬試驗臺構成

航空發動機碰摩故障模擬試驗臺設計如圖2所示。試驗臺包括以下幾大部分。

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、支撐平臺等構成發動機氣路模擬系統，用于模擬真實發動機的尾噴環境。

② 靜電傳感器，安裝于尾噴管延長管的安裝孔中，后接信號處理采集單元和上位機系統。

③ 發動機葉片-機匣碰摩故障模擬裝置。

圖2 碰摩故障模擬試驗臺組成示意圖

2.2 小型渦噴發動機及其控制系統

在試驗系統中，需要一臺真實發動機，它所提供的高溫高壓環境為故障模擬提供了接近事實的外界條件。發動機系統是指以發動機本體為主體以及其他輔助發動機工作的器件總和。發動機的啟動需要空氣與燃油的支持，同時需要提供較好的界面以方便控制。發動機線路連接如圖3所示。控制發動機工作的主要元件是電子控制單元，它與終端顯示屏連接，將發動機轉速等參數顯示出來，并與燃油泵連接以控制燃油量，燃油泵與油箱連接，并與過濾器連接，過濾器與閥連接，閥與電子控制單元連接，用于控制油量。

圖3 發動機系統線路連接示意圖

2.3 發動機葉片-機匣碰摩故障模擬方法

對于航空發動機氣路而言，碰摩故障是指旋轉的葉片與封嚴材料或機匣發生摩擦，因此模擬碰摩故障就是模擬旋轉部件與固定裝置間的摩擦效果，從而產生周期性的摩擦產物。產生的碰摩產物經過靜電傳感器后，在上位機觀察靜電傳感器的感應信號及特征參數變化，驗證監測系統對周期性碰摩故障的識別能力。

由于發動機轉子處于高溫密閉的惡劣工作環境，利用小型發動機本身的轉子和機匣模擬碰磨故障狀態，危險性極高，且具有破壞性，難以實現。另外，考慮到局部碰摩更容易發生，因此搭建了碰摩故障模擬試驗臺，通過在小型渦噴發動機后方周期性強迫注入顆粒的方式實現對碰摩故障的模擬。

碰摩故障模擬裝置方案示意圖如圖4所示。整個模擬裝置由旋轉注入裝置、注入裝置控制系統、注入管路等幾部分組成。其中，注入管路位于發動機與靜電傳感器之間，與尾噴管延長管連通，為方便顆粒落入，注入管路上方采用喇叭形開口；旋轉注入裝置通過支撐架固定在注入管路上方，通過控制系統實現轉速控制，從而實現對不同頻率碰摩故障的模擬。

圖4 碰摩故障模擬裝置方案示意圖

旋轉注入裝置結構示意圖如圖5所示。旋轉注入裝置的空腔用于放置金屬顆粒，通過調節注入量控制結構實現對每次注入顆粒數量的控制，通過改變電機轉速實現對不同轉動速度及不同頻率碰摩故障的模擬。

圖5 旋轉注入裝置結構示意圖

因此，所設計的碰摩故障模擬裝置可以在不破壞發動機本身結構的同時，實現發動機高溫、強氣流環境下快速周期性地產生金屬顆粒，最大程度模擬發動機葉片-機匣碰磨故障狀態，用于對靜電監測系統進行功能性能驗證。

3 實驗驗證與分析

通過碰摩故障模擬裝置周期性注入的顆粒在小型渦噴發動機尾氣沖擊的作用下，隨氣流沿尾噴管延長管排出。由于摩擦作用以及高溫強氣流的影響，顆粒會帶有一定量的電荷，并表現出與碰摩故障對應的特殊靜電信號特征，因此利用靜電傳感器檢測氣流中的靜電荷水平的變化，結合對原始信號的特征分析即可以實現對碰摩故障的監測。

為了驗證發動機葉片-機匣故障模擬實驗裝置的有效性，向碰摩模擬裝置中放入一定量的1 mm的鐵粉顆粒，調節旋轉注入裝置的注入量控制結構令每次注入顆粒量約為10 g，觀察上位機軟件對實驗前后及故障模擬過程中監測信號的變化情況，進行發動機葉片-機匣碰摩故障模擬靜電監測實驗研究。

原始感應信號活動率水平(Active Level,AL)是靜電電荷信號的典型特征參數之一，對時域靜電信息具有很好的表征效果,AL可以定義為

(1)

式中，Qf為靜電電荷信號；T為截取的信號長度，通常取為1 s；N為Qf(t)經離散采樣后在T內的采樣點數；Qfn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。

圖6為以固定頻率連續注入6次粒徑為1 mm的鐵粉顆粒時的監測系統上位機軟件采集到的感應信號及其活動率水平。從圖6中可以看出，每次注入鐵粉顆粒后檢測到的感應信號幅值會發生明顯變化，感應信號的幅值峰峰值U1分別為7.615 mV,7.762 mV,7.968 mV,7.018 mV,9.397 mV,11.339 mV，背景信號幅值峰峰值U2約為2.256 mV。經計算，感應信號的幅值峰峰值U1約為背景信號幅值峰峰值U2的3～5倍；通過對一段時間內的原始感應信號進行初步分析發現，感應信號幅值呈現出明顯與注入顆粒頻率一致的周期性變化。

此外，計算原始感應信號的AL，可發現同樣呈現周期性的幅值變化。

圖6 葉片-機匣故障模擬實驗獲取的感應信號

另外為了驗證碰摩故障模擬實驗感應信號的周期性特點，對原始感應信號進行了頻譜分析，經典的頻域變換方法為傅里葉變換。

已知時域信號f(t)，其傅里葉變換F(ω)表達式為

(2)

傅里葉逆變換為

(3)

傅里葉變換存在滿足的充分條件為

(4)

計算獲得的頻譜圖如圖7所示。從圖7中可以看出在碰摩特征頻率處幅值存在明顯峰值，驗證了碰摩故障模擬實驗感應信號的周期性。

圖7 碰摩故障模擬實驗感應信號頻譜圖

因此，依據碰摩信號特有的周期性特點，通過上位機軟件算法可以實現對模擬碰摩故障的在線監測與識別。此外，通過將葉片等旋轉部件轉速信息引入到監測系統中，實時比對轉速信息與監測信號頻率信息，發掘轉速與監測信號頻率特征的實際對應關系，相比于僅依靠信號周期性做出判斷，可以實現對碰摩故障更準確的判斷與定位，以及變轉速情況下碰摩故障的識別，從而顯著提高了監測系統的準確性與適用性。

4 結束語

在分析航空發動機碰摩故障產生機理的基礎上，設計了航空發動機碰摩故障模擬試驗臺的總體結構，并對葉片-機匣碰摩故障的模擬方法進行了分析，給出了詳細的設計方案，最后基于所設計的航空發動機故障模擬試驗臺進行了發動機葉片-機匣碰摩故障的模擬實驗。

實驗結果表明：原始感應信號幅值和時域特征參數活動率水平(AL)均呈現出明顯與注入顆粒頻率一致的周期性變化。此外，通過頻域分析可以看出在碰摩特征頻率處幅值存在明顯峰值。據此特征，可以在靜電監測系統軟件中實現對模擬碰摩故障的在線監測與識別。

本文驗證了航空發動機氣路故障模擬試驗臺模擬碰摩故障的有效性，同時驗證了監測系統對周期性碰摩故障的識別能力，證明了靜電監測方法用于氣路碰摩故障監測的可行性，為靜電監測技術在航空發動機上的應用提供技術支撐。