渦扇發(fā)動機低壓軸斷裂故障在線檢測方法

王玉東

（中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司，上海 200241）

0 引言

在航空發(fā)動機中連接不同結(jié)構(gòu)的各種傳動軸如果發(fā)生斷裂，可能導(dǎo)致不同程度的安全性后果。如邊英杰等、楊浩等報道了發(fā)動機軟軸或起動發(fā)電機軸斷裂的故障。而渦輪和壓氣機的傳動軸斷裂時，不僅使發(fā)動機失去推力和工作能力，而且失去壓氣機約束的渦輪將急劇飛轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速很快超過正常工作轉(zhuǎn)速，可能導(dǎo)致渦輪葉片或盤的破裂，高速飛出的碎片將造成發(fā)動機進一步損傷，甚至導(dǎo)致機毀人亡的災(zāi)難性事故。

對發(fā)動機斷軸現(xiàn)象的研究和軸壽命的研究，國內(nèi)外均有報道，但對于斷軸之后的故障檢測和自動控制策略，目前資料甚少。劉傳凱等、Calcagni 等對渦輪軸斷裂相關(guān)的發(fā)動機性能建模及空氣系統(tǒng)變化進行了研究；Luis對斷軸過程的壓氣機和渦輪瞬間流動情況進行了探討，并試圖將其納入統(tǒng)一的瞬態(tài)性能模型進行研究；Haake 等對斷軸后壓氣機失速、摩擦阻力和轉(zhuǎn)速增長等因素進行了仿真計算，提出了斷軸后最大轉(zhuǎn)速的預(yù)測方法；Pawsey 等研究了斷軸過程中的渦輪氣動特性變化特征；陸山等對軸的安全和壽命管理采用理論或仿真分析的方法進行研究；習(xí)年生等針對某渦輪軸失效進行了分析和改進；靳煥章等則對軸壽命和安全風(fēng)險的試驗驗證方法進行了研究或驗證。

常見的雙軸航空渦扇發(fā)動機具備高壓軸和低壓軸。當?shù)蛪狠S斷裂后，低壓渦輪瞬間失去負載，可通過設(shè)置的斷軸剎車功能進行減速。由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和發(fā)動機推力下降會導(dǎo)致控制系統(tǒng)增加燃油，可能進一步導(dǎo)致高壓渦輪的損壞甚至飛脫。因此，在線檢測低壓軸斷軸故障并處理，可以及時采取減油、停車等措施，避免核心機遭受損壞。

在發(fā)動機試驗臺上，可以采用多種傳感器或監(jiān)視裝置來檢測斷軸故障，但在飛行過程中，只能采用機載的有限信號進行檢測。斷軸發(fā)生后，發(fā)動機甚至飛機會出現(xiàn)劇烈振動，從而被飛行員直接感知，但在處理時間上難以保證及時性，可能使發(fā)動機特別是核心機部分產(chǎn)生進一步破壞，不利于飛行安全。據(jù)此，本文提出了一種有效的低壓軸斷軸檢測方法。

1 低壓軸斷裂過程仿真計算

從理論角度研究發(fā)動機斷軸過程時，一般基于考慮部件非線性特性的發(fā)動機性能模型。本文采用基于部件特性的過渡態(tài)渦扇發(fā)動機非線性性能模型，計算了雙軸分排大涵道比渦扇發(fā)動機的低壓軸斷軸過程。本章以海平面標準大氣環(huán)境下的斷軸過程為例進行計算，后續(xù)章節(jié)則提供了更多飛行工況下的計算結(jié)果。

計算的起始邊界為發(fā)動機在海平面標準天環(huán)境條件下的紅線轉(zhuǎn)速穩(wěn)定狀態(tài)。并有如下計算假設(shè)及其說明：

（1）低壓軸斷裂后，在部件結(jié)構(gòu)發(fā)生變化之前，部件的特性不發(fā)生變化，渦輪和壓氣機的進、出口氣動參數(shù)雖然發(fā)生變化，但在葉片或輪盤破裂之前，部件本身仍是1 個整體，此時部件的特性可近似認為未發(fā)生明顯變化。當結(jié)構(gòu)被破壞或轉(zhuǎn)靜子碰摩后，此假設(shè)不再成立。

（2）低壓軸斷裂后，在短時間內(nèi)物理供油保持不變。根據(jù)工程經(jīng)驗，控制系統(tǒng)檢測到狀態(tài)異常而切斷燃油到燃油實際被切斷有0.5~1 s 的時間間隔，故在斷裂后至少0.5 s 之內(nèi)，燃燒室出口氣流的焓值仍較高，可能會造成高壓轉(zhuǎn)子加速。因此，應(yīng)考慮供油燃燒對氣動狀態(tài)的影響。

（3）低壓軸斷裂后，風(fēng)扇和低壓渦輪有其獨立的轉(zhuǎn)速（不再相等），但仍滿足流量平衡條件。高壓軸上的高壓壓氣機和高壓渦輪仍滿足功率平衡、流量平衡和轉(zhuǎn)速平衡條件。軸斷裂瞬間，轉(zhuǎn)子軸向移動會造成各種間隙（如渦輪轉(zhuǎn)靜子封嚴間隙）的變化，從而使發(fā)動機內(nèi)部冷氣、封嚴氣的流量略有變化。考慮到這種變化不會太大，不是斷軸后狀態(tài)變化的主要因素，為簡化分析，在計算時忽略。

低壓軸斷裂后風(fēng)扇內(nèi)外涵性能參數(shù)變化如圖1所示。為便于比較，所有數(shù)據(jù)均采用相對值。當?shù)蛪狠S斷裂時，高壓軸物理轉(zhuǎn)速升高，風(fēng)扇物理轉(zhuǎn)速降低，低壓渦輪轉(zhuǎn)速升高。與此同時，風(fēng)扇內(nèi)外涵的流量減小，涵道比減小。高壓壓氣機進口總溫降低，出口總溫升高。

圖1 低壓軸斷裂后風(fēng)扇內(nèi)外涵性能參數(shù)變化

2 斷軸檢測方法

2.1 加速率特征

2.1.1 加速率變化

由于低壓軸斷裂后低壓渦輪轉(zhuǎn)速無法測量，本文以風(fēng)扇物理轉(zhuǎn)速作為研究對象。高低壓轉(zhuǎn)速均指高壓壓氣機轉(zhuǎn)速和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，這與常見的發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器分布在壓氣機端的布局相一致。

定義風(fēng)扇轉(zhuǎn)速加速率和高壓轉(zhuǎn)速加速率為

低壓軸斷裂的加速率檢測方法如圖2、3 所示，特征1檢測邏輯實施流程如圖3所示。當檢測到低壓物理轉(zhuǎn)速的變化率低于給定的閾值時，說明發(fā)動機極有可能發(fā)生了低壓軸斷裂。

圖2 低壓軸斷裂的加速率檢測方法

圖3 特征1檢測邏輯實施流程

具體的檢測實施步驟如下：

（1）實時計算的小于給定的閾值時，啟動計時。計時點時間定為，計時周期長度為；

（2）在計時周期內(nèi)（即≤≤+）檢測到大于給定的閾值時，判斷特征1 為真，=1；否則為假，=0。

其中，和由高壓換算轉(zhuǎn)速和發(fā)動機進口總壓插值得出。

2.1.2 換算加速率

考慮到在高空和地面條件下發(fā)動機斷軸后的加（減）速率差異較大，應(yīng)針對不同的環(huán)境壓力或發(fā)動機進口壓力條件進行換算。換算的加速率定義為

本工作亦可應(yīng)用于不測量發(fā)動機進口總壓的情況。當未測時，可以采用環(huán)境靜壓或高壓壓氣機進口總壓代替，或采用與飛行馬赫數(shù)計算。

斷軸過程物理和換算加速率對比如圖4 所示。由于大氣環(huán)境壓力的差異，物理轉(zhuǎn)速加速率在地面和高空差異極大，這將影響檢測邏輯的適用性；而對于換算加速率，其差異僅體現(xiàn)在不同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速上。從圖中可見，98%轉(zhuǎn)速和80%轉(zhuǎn)速對應(yīng)的空中和地面換算加速率差異均在0%~15%范圍內(nèi)。對于物理加速率，地面狀態(tài)是空中狀態(tài)的2~3 倍；對于相同的發(fā)動機換算轉(zhuǎn)速，斷軸后的最大換算加速率差異較小，具備工程化使用條件。

圖4 斷軸過程物理、換算加速率對比

換算加速率不能完全消除空中飛行時飛行速度對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化率的影響。在空中小表速和大表速情況下對應(yīng)的瞬間風(fēng)扇轉(zhuǎn)速最大降低率在數(shù)值上存在差異。為此，在定義風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化率閾值時，可視情考慮2 種方案：（1）在等高壓轉(zhuǎn)速、等進口總壓但馬赫數(shù)不同的工況下，選擇絕對值較小的數(shù)值使閾值適用于不同飛行速度；（2）將閾值表擴展為（,,）），給出不同飛行速度對應(yīng)的閾值。

2.2 轉(zhuǎn)差特征

基于上文描述，可以從斷軸后的發(fā)動機參數(shù)中提取高低壓換算轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)差特征，用于檢測發(fā)動機狀態(tài)。低壓軸斷裂的轉(zhuǎn)差檢測方法如圖5 所示，特征2檢測邏輯實施流程如圖6所示。

圖5 低壓軸斷裂的轉(zhuǎn)差檢測方法

圖6 特征2檢測邏輯實施流程

從圖5 中可見，加速過程轉(zhuǎn)差曲線和穩(wěn)態(tài)過程轉(zhuǎn)差曲線均位于正常轉(zhuǎn)差限制曲線的下方，而斷軸后的轉(zhuǎn)差曲線則位于正常轉(zhuǎn)差曲線的上方。當檢測到這一明顯特征時，表明發(fā)動機極有可能發(fā)生了低壓軸斷裂故障。具體的檢測實施步驟如下：

（1）根據(jù)低壓換算轉(zhuǎn)速和插值計算的閾值；

（2）當>時，判斷特征2 為真，=1；否則為假，=0。

其中，由和插值得出，對應(yīng)圖中的最大轉(zhuǎn)差限制曲線。

2.3 綜合檢測邏輯和時間

2.3.1 檢測邏輯

采用轉(zhuǎn)差關(guān)系和加速率特征，均可進行斷軸檢測。為進一步提高檢測可靠性，降低誤檢率，可對上述檢測邏輯進行綜合。綜合后的低壓軸斷裂故障判斷模塊實施流程如圖7 所示。在給定的時間窗口Δ（如0.2 s）內(nèi)，當檢測到和均出現(xiàn)非零值時，則判定發(fā)生了低壓軸斷軸故障；當該時間窗口內(nèi)和均為零值時，判定未發(fā)生低壓軸斷軸故障。

圖7 低壓軸斷裂故障判斷模塊實施流程

需要指出的是，、和轉(zhuǎn)差關(guān)系不一定在同一采樣周期內(nèi)恰好超出閾值，因此選擇具有一定長度的時間窗口是更合理的方案，可以明顯提高檢測準確性。

2.3.2 檢測時間

根據(jù)渦扇發(fā)動機性能仿真計算，參考上文的轉(zhuǎn)速變化率（圖4），在斷軸后的0.1s內(nèi)，出現(xiàn)瞬間最小值；在0.2 s 內(nèi)，變?yōu)檎怠Ｒ虼祟A(yù)計加速率判據(jù)的檢測時間為0~0.2 s。

從不同穩(wěn)態(tài)點開始，斷軸后的轉(zhuǎn)差變化關(guān)系如圖8所示。根據(jù)計算可知，在斷軸后的0.02~0.05s內(nèi)，轉(zhuǎn)差即達到極限加速曲線對應(yīng)轉(zhuǎn)差；斷軸后的0.10~0.15 s 內(nèi)，轉(zhuǎn)差達到所定義的最大轉(zhuǎn)差限制曲線。在本示例中，最大轉(zhuǎn)差限制曲線定義為：對于相同的低壓換算轉(zhuǎn)速，高壓換算轉(zhuǎn)速限制值為極限加速過程高壓換算轉(zhuǎn)速的1.05倍。

圖8 斷軸后的轉(zhuǎn)差變化關(guān)系

3 驗證與檢驗

為降低檢測方法的虛警率，提高檢測可靠性，必須針對發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工作過程進行驗證。對于檢測方法的2 個特征點，分別根據(jù)模型計算和試驗數(shù)據(jù)予以檢驗。

3.1 加速率檢驗

應(yīng)檢驗正常的停車和加減速過程是否會因為加速率降低被誤判為斷軸故障。由于減速過程的轉(zhuǎn)速變化率幅值不如停車過程的大，因此僅分析停車過程與斷軸過程的區(qū)別。

斷軸與停車過程的1個顯著區(qū)別是：停車后低壓轉(zhuǎn)速和高壓轉(zhuǎn)速均快速降低，而低壓軸斷裂后高壓轉(zhuǎn)速不會急劇降低，甚至在短時間內(nèi)略有升高。考慮到檢測方法要有盡量大的適用范圍，定義在低壓轉(zhuǎn)速加速率降低至超出閾值后的一段時間內(nèi)，檢測到高壓軸加速率高出閾值即認定可能發(fā)生了斷軸。高壓軸加速率的判斷閾值遠大于停車過程加速率數(shù)值，因此不會誤判。斷軸過程與停車過程的加速率比較如圖9所示。

圖9 斷軸過程與停車過程的加速率比較

3.2 轉(zhuǎn)差檢驗

為詳細識別軸斷裂后更多的異常特征，防止將斷軸的轉(zhuǎn)差特征與正常發(fā)動機工作過程的特征混淆，要進行轉(zhuǎn)差檢驗。在海平面標準天條件下進行了穩(wěn)態(tài)以及加減速、停車和低壓軸斷裂狀態(tài)的換算轉(zhuǎn)速計算，如圖10所示。從圖中可見，軸斷裂后發(fā)動機的高、低壓軸換算轉(zhuǎn)速明顯異常。對于正常的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況（包括加減速、停車等過程），高、低壓換算轉(zhuǎn)速均是正相關(guān)的，即二者同時升高或同時降低。而在低壓斷軸過程中，當風(fēng)扇換算轉(zhuǎn)速降低時，高壓換算轉(zhuǎn)速極速升高。據(jù)此可以明確地將此過程判定為斷軸故障。

圖10 不同過程的高、低壓換算轉(zhuǎn)速計算

3.3 喘振過程檢驗

上述加速率檢驗和轉(zhuǎn)差檢驗證明所定義的斷軸檢測邏輯不會將正常的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過程判定為故障。進一步對發(fā)動機發(fā)生喘振故障的情況進行檢驗。發(fā)動機喘振后執(zhí)行減油、打開放氣閥或關(guān)閉可調(diào)靜子葉片（Variable Stator Vane，VSV）等措施，待喘振消失后發(fā)動機可以繼續(xù)工作。若誤判為斷軸故障，將導(dǎo)致發(fā)動機不必要的停車，降低飛行安全性。為此，必須進行喘振過程檢驗，研究斷軸檢測邏輯的可靠性。

某雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機瞬態(tài)喘振過程參數(shù)變化如圖11 所示。從圖中可見，當發(fā)生喘振時，壓氣機出口靜壓突然降低，高、低壓換算轉(zhuǎn)速也隨之降低。此時的轉(zhuǎn)差特征與斷軸后的特征明顯不同，且低壓轉(zhuǎn)速變化緩慢，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速減速率未達到斷軸檢測閾值。同時，結(jié)合專門設(shè)置的喘振檢測邏輯，將喘振誤檢為斷軸故障的可能性極低。

圖11 某雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機瞬態(tài)喘振過程參數(shù)變化

3.4 高壓軸斷軸檢驗

類似地，要對高壓軸斷裂后的過程進行檢驗。高壓軸斷裂后的風(fēng)扇和高壓壓氣機換算轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖12（黑色實線）所示。從圖中可見，當高壓軸斷裂后，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和高壓軸轉(zhuǎn)速均降低，這與低壓軸斷裂后的轉(zhuǎn)差關(guān)系完全不同（紅色實線）。因此，低壓軸斷裂檢測邏輯不會對高壓軸斷裂過程誤判。

圖12 高壓軸斷裂后的風(fēng)扇和高壓壓氣機換算轉(zhuǎn)速關(guān)系

3.5 作動部件開關(guān)檢驗

在發(fā)動機正常工作過程中，穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過程存在作動部件開關(guān)控制，包括增壓級后可調(diào)放氣閥（Vari?able Bleed Valve，VBV）、高壓壓氣機瞬態(tài)放氣閥（Transient Bleed Valve，TBV）、高壓壓氣機VSV、渦輪葉尖間隙主動控制（Active Clearance Control，ACC）閥等。這些作動部件的開關(guān)或角度變化會引起發(fā)動機高、低壓轉(zhuǎn)速的波動，因此也需要進行檢驗，以防止轉(zhuǎn)速波動現(xiàn)象被誤判為軸斷裂故障。在上文所述穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過程的檢驗中，也包含了正常隨動的作動部件控制，未發(fā)現(xiàn)誤檢。實際上，作動部件開度變化時，低壓渦輪仍通過低壓軸向風(fēng)扇傳送功率，且功率比停車過程的更高，故低壓轉(zhuǎn)速的加速率變化比較輕微。與此相反，當?shù)蛪狠S斷裂時，風(fēng)扇完全喪失輸入功率，轉(zhuǎn)速急劇降低，由此產(chǎn)生了極大的轉(zhuǎn)速變化率，足以將其與正常的作動控制過程區(qū)分開。

以上討論和計算均針對固定噴口的大涵道比分排渦扇發(fā)動機。對于帶加力、可調(diào)噴口的渦扇發(fā)動機，斷軸檢測的方法原理仍然適用。特別地，若加力時噴口調(diào)節(jié)作動控制滯后或超前，高低壓轉(zhuǎn)速也會產(chǎn)生波動。李偉等從機理上進行研究發(fā)現(xiàn)，噴口調(diào)節(jié)偏差引起的高低壓轉(zhuǎn)速波動是同時增大或減小的。當噴口面積偏小時，低壓轉(zhuǎn)速和高壓轉(zhuǎn)速均降低；當噴口面積偏大時，低壓轉(zhuǎn)速和高壓轉(zhuǎn)速均升高。這與低壓斷軸時高壓轉(zhuǎn)速升高而低壓（風(fēng)扇）轉(zhuǎn)速降低的特征明顯不同，因此不會誤檢為斷軸故障。

4 應(yīng)用與討論

本方法的特點是不增加發(fā)動機機載測點，而是利用現(xiàn)有的轉(zhuǎn)速、溫度或壓力信號，從轉(zhuǎn)速信號中提取高、低壓軸轉(zhuǎn)速的1 階導(dǎo)數(shù)，得到迅速變化的加速率信號，進而識別低壓軸斷裂特征（特征1）。

為提供檢測率，降低虛警率和漏檢率，采用溫度信號和轉(zhuǎn)速信號合成換算轉(zhuǎn)速值，通過高壓、低壓換算轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)差比較，提取低壓軸斷裂的另一特征（特征2）。

根據(jù)低壓軸斷裂特征1、2 的表現(xiàn)，采用邏輯判斷確定低壓軸斷裂故障發(fā)生的可能性。

本文通過現(xiàn)有的機載傳感器實現(xiàn)了低壓軸斷裂故障的航線實時檢測，提高了發(fā)動機工作安全性和飛行安全性。由于設(shè)置了判斷斷軸故障的多個量化參數(shù)，可以在飛行過程中存儲，并于飛行結(jié)束后根據(jù)量化參數(shù)進行故障分析。

斷軸量化參數(shù)亦可以應(yīng)用在航空發(fā)動機的整機臺架試驗中，用于判斷并監(jiān)視低壓軸斷裂故障的發(fā)生，有利于提高試驗安全水平，降低試驗數(shù)據(jù)挖掘難度。本工作亦可用于地面燃氣輪機和船用燃氣輪機的斷軸判斷，有利于提高燃氣輪機運行安全。

防止發(fā)動機斷軸，或保證斷軸引起的危害情況不惡化或不發(fā)生次生災(zāi)害，是發(fā)動機研制的重要安全需求。本文建立的斷軸檢測方法是發(fā)動機安全保障的重要一環(huán)。當檢測到斷軸事件發(fā)生時，應(yīng)由控制系統(tǒng)及時進行故障處理（如緊急停車），以降低發(fā)生次生危害的風(fēng)險，從而保證發(fā)動機安全性水平。

5 結(jié)論

（1）低壓軸斷裂后，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速急劇降低，低壓渦輪轉(zhuǎn)速急劇升高，存在渦輪飛轉(zhuǎn)和破裂的風(fēng)險。

（2）低壓軸斷裂后，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子加速率為負值，高壓轉(zhuǎn)子加速率為正值，該特征可作為低壓斷軸的檢測依據(jù)。

（3）低壓軸斷裂后，高壓換算轉(zhuǎn)速和風(fēng)扇換算轉(zhuǎn)速間的轉(zhuǎn)差超出正常范圍，可作為低壓斷軸的另一個檢測依據(jù)。

（4）采用基于加速率特征和轉(zhuǎn)差特征的綜合檢測邏輯可以檢測低壓斷軸故障，預(yù)計檢測時間為0~0.5 s，且不會對穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過程進行誤判。

（5）通過加速率、轉(zhuǎn)差、喘振過程、高壓軸斷裂過程的檢驗，本檢測方法不會因發(fā)動機正常停車、喘振和高壓軸斷裂而導(dǎo)致虛警，檢測可靠性高，具有較高的工程實用性。