状态监控技术在核心机试验的应用范文
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摘要：随着许多新设计、新材料和新工艺在核心机上的应用，核心机试验的安全风险不断增加，状态监控技术在核心机试验中的地位越来越重要。本文对气路参数监控、滑油监控、振动监控等状态监控技术进行了分析和探讨，总结了各种状态监控技术在核心机试验中的应用情况。
关键词：核心机试验；状态监控技术；气路参数监控；滑油监控；振动监控
航空发动机工作在高温、高压、高转速和高负荷的苛刻条件下，为了保证发动机及其系统工作可靠，除了在发动机型号研制阶段进行详细设计计算和分析外，还需进行数万小时的部件和整机试验[1]。核心机由航空发动机中的高压压气机、燃烧室和高压涡轮组成，是发动机强度和使用可靠性最关键的部分，在发动机型号研制初期进行核心机试验研究，可以降低发动机的研制风险并加快发动机的研制进度。随着航空发动机设计和试验技术的不断发展，许多新设计、新材料和新工艺都安排在核心机上进行技术可行性验证，核心机试验的安全风险随之不断增加，失速、喘振、振荡燃烧、叶片损伤、叶尖碰磨、转子热弯曲、转子卡滞等故障时有发生，状态监控技术在核心机试验中的地位越来越重要。核心机状态监控是指在核心机试验中及试验后，从核心机气动热力参数、机械性能参数、监控参数中提取信息来实现对核心机状态的识别，寻找核心机故障并判明故障原因、部位、趋势或预报即将发生的故障[2]。核心机试验中使用的状态监控技术分为实时监控和离线监控两种，实时监控主要包括试验过程中的气路参数监控、滑油监控、振动监控等，离线监控主要包括试验后的转子惯性运转时间记录、燃滑油泄漏监控、盘车检查、关键部位孔探仪检查等。本文对核心机试验中使用的各种实时监控和离线监控技术进行分析、探讨和总结。
1气路参数监控
在核心机试验过程中，常利用高压转子转速、排气温度、燃油流量、特征截面温度和压力、腔温腔压等气路参数来判断核心机是否达到规定的技术状态，并以模拟仪表和实时波形图等形式显示在试验台架数采系统监控界面上，供试验人员实时监控；这些气路参数能准确、灵敏地反映核心机的工作状态和性能变化，并能精确、快速、便利地进行测量和记录。当这些参数达到预先设置的报警值或限制值时，数采系统会发出黄色或红色报警信号进行示警，EEC电子控制器和试验人员分别自动和手动采取降低转速、紧急停车等应急处置措施。停车后利用数据回放软件，对这些参数进行回放对比、趋势分析等，判断核心机健康状况，分析故障原因。以试验过程中喘振在线监测为例，目前常用的监测方法有A值、B值和C值判别法。其中，A值为高压压气机出口总、静压差的脉动分量与其平均值之比，当A值高于门限值时即判定发生喘振；B值是高压压气机系统在容腔内气体压力和作用在容腔中内力的比值，当B值大于临界B值时压气机进入喘振，当B值小于临界B值时压气机进入旋转失速状态；另外，依据喘振发生时高压压气机出口总压急剧下降的特点，将高压压气机出口总压的变化率小于常数C值作为喘振发生的判据[3]。核心机试验过程中一般采用A值、B值和C值的不同组合进行喘振在线监测。
2滑油监控
核心机滑油监控是利用与滑油有关的信息监视滑油本身的理化性能以及核心机中与滑油接触的零部件工作情况。滑油监控包括滑油系统工作参数监控、滑油中金属屑监控和滑油理化分析[4]。
2.1滑油系统工作参数监控
通过监控滑油系统工作参数，可以确认系统自身是否工作正常，监控参数主要包括滑油压力、滑油温度和滑油消耗量。滑油压力由安装在滑油系统高压供油管路中的压力传感器测量，滑油压力表征滑油系统润滑油量的大小，滑油压力过低容易造成系统润滑不良，滑油压力过高会导致系统密封性不良，滑油消耗量会升高。核心机试验过程中应重点关注起动时滑油压力建立时间和转速，待核心机运转至慢车以上状态，则应监控滑油压力在合理的范围内。滑油温度传感器一般安装在滑油系统回油管路上，通过监控滑油温度，可以间接获得核心机轴承、传动齿轮、热端封严、燃滑油散热器的工作情况。滑油温度过高会影响滑油粘性、恶化滑油品质，造成系统润滑不良。因此，当核心机在大状态长时间工作时，应监控滑油温度不得超过允许的工作范围。滑油消耗量可以在试验过程中由滑油箱液位传感器测量得到，也可以通过试验前后滑油箱上的滑油标尺刻度计算得到，因油箱的油位与滑油温度有关，停车后的滑油位测量应在停车后10min测量，滑油消耗量计算时应考虑每次添加滑油量及理化分析取样油量。滑油消耗量异常可表征滑油外泄或内漏、回油量低、离心通风器异常等故障。
2.2滑油中金属屑监控
核心机正常磨损时其滑油中磨粒浓度能够达到动态平衡，而异常磨损时磨粒浓度及粒度分布会超出标准，因此可利用滑油中金属屑含量信息监控核心机零部件磨损状况[5]。核心机试验中金属屑监控主要通过滑油滤检查、滑油光谱分析进行。由于滑油滤网孔尺寸较大，一般间隔一段时间将滑油滤拆开清洗并收集金属屑进行形貌分析，判断磨损部件和状态；同时还从滑油滤、滑油箱、附件齿轮箱等部位提取油样进行光谱分析，将光谱分析结果与预先制定的金属元素含量标准进行比对，监控和预测滑油系统故障。
2.3滑油理化分析
滑油理化分析的目的是检验油品的品质以及界定使用恶化极限，以确定油品品质或者油品是否需要更换，理化分析项目一般包括粘度、水分、酸值、机械杂质、起泡性能等。一般在核心机试验前进行一次滑油理化分析，确认滑油品质满足要求；核心机试验中，当出现滑油箱油量增多，怀疑滑油系统中混入燃油或冷却液时，可进行滑油理化分析进行确认。
3振动监控
核心机试验过程中的振动监控主要包括整机振动监控、关键部件振动和应力测量等。
3.1整机振动监控
整机振动监控的目的是分析和判断核心机结构系统，特别是转子系统的机械状态和故障信息[6]。整机振动信号包含的幅值、频率、相位等信息，直接反映结构系统的机械状态，可以通过整机振动信号分析实现对转子系统工作状态的监控，及时发现核心机的损伤和非正常磨损。整机振动监控是通过振动监视系统来实现，该系统由振动传感器、动态信号调理器、数据采集器、动态数采软件等组成，可以实现振动信号实时采集、实时分析和实时存储，试验过程中当振动值达到告警值或限制值时，振动监视系统立即报警，试验人员及时采取终止起动、紧急慢车和紧急停车等应急处置措施。
3.2关键部件振动和应力测量
关键部件振动和应力测量的目的是通过进行转子和静子叶片、盘、轴等关键部件的振动和应力分析，获得振动应力分布和振型，确定危险转速、激振频率等[7]。核心机试验过程中主要进行转静子叶片、外部附件和管路振动应力测量、转子轴向力测量等。典型叶片动应力测试系统主要由应变片、引线、信号传输装置（滑环引电器或遥测装置）、连接线路和数据采集系统组成。叶片动应力测量过程中的技术难点包括应变片贴片、测试引线、应变信号传输和测试改装等。由于滑环引电器通过转接轴安装在压气机转子前端，工作温度一般要求低于40℃，需要配置冷却供水或供气装置，安装结构复杂，工作不稳定且测量通道有限，已逐渐被小体积、多通道、高可靠的非接触式遥测装置取代。转子轴向力测量方法分为间接测量法和直接测量法[8]。间接测量法是依据转子气动轴向力的计算方法，将核心机各部分的盘腔轴向力和流道轴向力进行计算和迭加，但因许多腔压无法实测，导致无法准确计算轴向力，最终计算结果误差较大。直接测量法是在轴承外环前后各安装一个粘贴应变片的弹性环，利用弹性环在弹性变形范围内轴向变形量与轴向载荷呈线性关系的原理，通过实时测量应变量获取转子向前或向后的轴向力，该方法测试精度较高，但需要对被测轴承进行专项测试改装。核心机试验时一般同时进行转子轴向力的间接测量和直接测量，试验过程中重点监控轴向力，防止轴向力在某些转速下频繁换向。
4其它监控
除了上述几种实时状态监控技术，核心机试验中还进行转子惯性运转时间记录、燃滑油泄漏监控、盘车检查、关键部位孔探仪检查等离线监控。转子惯性运转时间指的是当油门杆从慢车收回停车位置后，核心机依靠转子自身的转动惯性从慢车转速降转到某一小转速的时间。通过分析惯性运转时的声音和时间可以判断核心机气流通道和轴承有无卡滞或异常。燃滑油泄漏监控在试验过程中通过试车台架的CCTV监控系统屏幕进行，停车后则通过目视检查燃、滑油系统部件和管路进行。盘车检查一般在试验当天核心机第一次起动前及后续试验停车后进行，通过盘车时的力矩和声音可以判断核心机转子是否有碰磨和卡滞，避免在转子碰磨或卡滞的情况下起动核心机，导致更严重的故障发生。孔探仪检查是一种目视-光学检测，利用孔探仪可以检查出核心机内部气路部件的损伤、变形、裂纹、烧蚀、涂层脱落等多种故障。核心机停车后使用孔探仪对影响试验安全的高压压气机每一级转子叶片前后缘、燃烧室燃油喷嘴、高压涡轮导向器和工作叶片等关键部位进行检查。5总结通过在核心机试验时应用气路参数监控、滑油监控、振动监控等实时状态监控技术以及转子惯性运转时间记录、燃滑油泄漏监控、盘车检查、关键部位孔探仪检查等离线状态监控技术，可以对试验时核心机工作状态和性能变化、滑油品质和与滑油接触的零部件工作情况、转子系统机械状态和故障信息、关键部件振动应力分布、气流通道和轴承工作情况、燃滑油泄漏情况进行监控，提前对故障进行示警并准确判断故障部位，确保核心机试验安全。
参考文献：
[1]吴大观.航空发动机研制工作论文集[M].航空工业出版社，2009.
[2]张经璞.航空发动机状态监控与典型故障分析[D].沈阳航空航天大学，2017.
[3]韩靖懿.某型涡轮风扇式发动机喘振研究[D].东北大学，2013.
[4]林基恕.航空燃气涡轮发动机机械系统设计[M].航空工业出版社，2005.
[5]孙护国，霍武军，于海滨.航空发动机滑油系统监控与诊断技术[J].航空科学技术，2000（04）：23-24.
[6]陈卫，程礼，李全通.航空发动机监控技术[M].国防工业出版社，2011.
[7]侯敏杰.高空模拟试验技术[M].北京：航空工业出版社，2014.
[8]王秋阳，陈亮.航空发动机转子气体轴向力技术研究[J].中国设备工程，2018（007）：173-176.
作者：李富亮 闫素银 单位：中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司