基于状态监测的航空发动机故障诊断与维护研究

尚 文

（中国飞机强度研究所，陕西西安 710065）

0 引言

航空发动机作为一种复杂的透平类机械，具有结构复杂、零部件多、功率大、工作状态严苛等特点，在材料、制造、装配、工艺等多方面提出较好的技术要求，保证航空发动机健康运行的监测、诊断、维修、保养等工作也存在较多技术难度，通过监测手段获取性能状态信息，应用故障诊断技术及算法对性能状态参数进行计算、分析，获取故障机理并依据诊断结论制定维修、保养策略，在故障早期进行准确预警及诊断为其后续机组维护提出可行建议[1-5]。本文通过对航空发动机运行状态故障特征及失效机理进行分析研究，提出一种基于状态监测的故障诊断方案，并开展基于健康监测和故障诊断的维护，为解决相关问题提供理论指导和参考。

1 状态监测及故障技术

航空发动机状态监测重点监测对象有压缩机、燃烧室、涡轮、辅助电机，监测的核心组件包括转子、叶盘、叶片、联轴器、齿轮、喷油嘴、点火器等。

基于传感器技术的航空发动机状态监测技术包括管道镜监测、X-射线检测、电涡流检测、压电监测、碎屑监测、噪声监测、涡轮排气监测等，通过性能参数、油样、气路等分析手段，提供关于部件性能退化的信息。

目前国际上掌握先进航空发动机监测技术的公司主要有美国GE、Rolls-Royce 和德国西门子等公司，其主要监测的性能状态参数有进/排气温度、进/排气压力、点火温度、转子转速、运行功率、燃油速率、液压油温度等。

2 气路分析法的应用

航空发动机出现早起故障（裂纹、涂层损失、碰磨、偏心等）时，并不会出现明显部件性能退化的表征，往往通过单一的性能参数、振动参数的变化及异常也不能准确定性、定位故障，这就为故障的发展埋下了隐患。当出现转子不对中、叶片弯曲、叶片断裂、喷油嘴堵塞等严重故障时，才会出现比较明显部件性能退化的表征，此时进行维修会大幅增加维修成本，同时也将延长停机时间，进而减少经营收益。航空发动机状态监测及故障诊断模式如图1 所示，其中FOD 为Foreign Object Damag，即外来物、外物损伤。为了使航空发动机的效能及可靠性保持在较高水平，实时开展健康监测及机组维护至关重要，可在故障早起对其机理进行研判，准确开展维修、保养工作，防止不可修复性故障的发生，降低维修成本及停机时间。

图1 航空发动机状态监测及故障诊断模式

作为一种系统性的航空发动机诊断方法，气路分析（Gas Path Analysis，GPA）包括线性气路分析法和非线性气路分析法。线性气路分析法最先提出，这种方法是运用一个线性方程组系统使航空发动机所测量的热力学变量（温度、压力等）与发动机部件的流量和效率因素相互关联，从而代表涡轮的健康状况。

3 航空发动机状态监测及故障诊断方案

根据《Gas Turbine Engineering Handbook》（燃气轮机工程手册），将航空发动机重要参数及其符号进行整理（表1）。

表1 航空发动机重要参数及其符号

排气温度是航发中最重要的关键参数之一，过高的航发温度将导致寿命缩短或灾难性的事故。正常的设备中，当温度不高时，航发入口温度可直接测量。在新一代机器中，燃烧室排气温度相对于可用测量元件来说太高，因此中间过程或排气温度被当作间接的航发入口温度测量值。

转速通常用作几乎所有航发的控制函数。在任何连续做功过程中，转子转速增加伴随着外部气体温度的增加。因此，大多数控制函数包括转子转速都倾向于温度。在单轴或双轴发动机中，转子转速改变作为发动机的函数，与压缩机和涡轮机之间的改变相配合。这些部件间复杂的相互作用，可以看作N1（低速）与N2（高速）间的相互作用，没有详细的气路分析是非常敏感和难以定义的。在单轴发动机驱动的发电机中，转子转速是控制函数之一，且它本身不改变。

油压和温度的测量方法：油压是经过过滤器，内外部泄漏的压力降的间接量。外部泄漏最终变得明显，而内部泄漏很难检测。内部泄漏将导致燃油泄漏至高温气路。通常使用3 种测量方法监测油温：燃油从轴承的喷射温度，轴承的回油温度和轴承金属温度。

通过对各类传感器技术的研究，结合基于状态参数的故障机理研究，提出一种航空发动机状态监测及故障诊断方案，包括环境排放监测、气路性能监测和机械性能状态监测3 部分（表2）。

表2 航空发动机状态监测及故障诊断方案

4 结论

综上所述，通过对航空发动机的运行参数及故障机理进行研究，采用动力机械的气路分析方法，提出一种基于状态监测及故障诊断方案，以环境排放参数、经济性能参数及振动参数为监测对象，通过各项参数的测量及分析对早期故障进行诊断，并对故障进行定性及定位，提出针对性维护意见，增强了工程应用的实时性、针对性及准确性。