基于静电的航空发动机性能监测技术研究

介绍了静电传感器原理和发动机气路静电监测技术的原理,并在模拟实验平台上和涡轴发动机台架上进行了静电监测技术试验,分析了颗粒物特征和发动机工况对静电信号的影响。     

润滑油路静电传感器动态特性仿真与试验

针对航空发动机润滑油路磨粒在线监测的静电传感器缺少特性参数与验证方法的问题,根据静电感应基本原理和传感器结构,提出相应的特性参数指标,利用环状探极感应模型进行仿真,并设计和搭建了静电传感器试验系统平台,通过试验对润滑油路静电传感器动态特性进行分析与验证。结果表明:所提特性参数指标可有效反映静电传感器的动态特性;长径比是环状润滑油路静电传感器的重要结构参数,传感器效率随长径比的增大而增大;传感器有效视场也随探极尺寸的增大而增大;所建平台可适用于实物静电传感器动态特性的分析与试验,且具有良好的可重复性。仿真和试验结果对润滑油路静电传感器的设计与应用具有重要的指导意义。      

滑油系统全流量磨粒在线监测静电传感技术研究

在滑油系统全流量磨粒在线静电监测中,针对缺乏与实际物理模型相一致的数学模型以及深入地分析,建立了较准确的数学模型.对信号采集电路的分析表明:带不同极性电荷的磨粒经过静电感应区域时输出的感应电压变化不同,从而确定带电磨粒的极性.同时,引入空间灵敏度概念,对带电磨粒的位置、传感器的轴向长度与径向半径3个影响因素分别进行了研究,所得空间灵敏度曲线彼此印证,进而说明了所建数学模型的准确性.为了证实所建立的数学模型与实际的滑油系统全流量磨粒在线监测数据的一致性,设计了仿真监测试验平台,试验结果表明,虽然监测到的静电感应信号夹杂着噪声,但与理论分析的理想电压输出相似,并且可以判断磨粒所带电荷的极性.     

气路颗粒静电监测技术及实验

介绍了发动机气路荷电颗粒产生的机理、静电传感器原理以及气路静电监测技术的原理,然后介绍了模拟试验装置和试验过程,并通过实验的方法对静电监测技术进行了研究,最后通过小波分析的方法对实验信号的能量分布特征进行了研究,结果为大颗粒产生的感应信号的幅度要大而能量分布集中在低频段,而细小颗粒产生的感应信号幅值较小,信号能量分布集中在高频段,实验结果为在气路监测中辨别异常颗粒提供了参考依据,同时也表明了基于颗粒静电监测方法的可行性.      

航空发动机尾气静电信号基线模型分析及应用

开展了基于尾气静电信号的航空发动机气路监控技术的应用研究,把尾气静电监测信号EGEMS作为一种新的气路状态参数并建立其基线模型,通过监控尾气静电信号RMS(root mean square)值的偏差值实现对气路部件的实时监控.首先从尾气静电监测的角度总结了尾气碳烟颗粒物的排放特性,分析了尾气静电信号的基线成分、主要影响因素及典型故障静电信号特征,在此基础上分别提出了基于燃油流量单参数的尾气静电信号基线模型(参数化模型)和基于多元状态估计技术的多参数基线模型(非参数化模型)挖掘技术.通过对某型涡轴发动机尾气静电信号的分析表明:所建立的基线模型能够准确反映发动机不同工况下的尾气静电信号的基本特征,有效地监测到气路的异常状态,验证了所提方法的可行性和有效性.      

航空发动机叶尖径向间隙静电监测方法

提出航空发动机叶尖径向间隙静电监测方法,分别对叶尖荷电在点电荷与电荷分布条件下的静电感应过程建立数学模型,得到感应电荷量与叶尖径向间隙值、叶尖周向位置及叶尖电荷分布的关系。设计并搭建叶尖径向间隙静电监测模拟实验台,提取时域特征参数并分析叶尖径向间隙值及叶尖局部曲率对静电水平的影响。数学模型计算结果表明:①感应电荷量与叶尖径向间隙及叶尖相对传感器的径向位置绝对值呈负相关;②感应电荷量与叶尖所带电荷量呈正相关,且与电荷密度分布有关;③感应电荷量与叶尖尺寸及传感器尺寸有关。实验结果表明静电信号方均根值和整流平均值与叶间径向间隙值呈负相关,与叶尖局部曲率呈正相关,其结果与理论模型相符。      

小波方法在气路静电监测模拟实验中的应用

在航空发动机气路故障模拟实验台上。进行了气路静电监测模拟故障实验。采用自行研制的静电传感器采集数据。针对高温燃烧环境下故障颗粒信号信噪比极低、工频干扰大、故障特征具有突变性质的特点,提出采用小波方法对信号进行处理．对模拟实验数据的处理结果表明,与传统方法相比,小波处理方法能很好地抑制工频干扰。有效地去除背景噪声,提取有用信号。具有较强的鲁棒性。为航空发动机气路静电监测技术的进一步研究提供了参考。     

气路碎屑监测静电传感器设计及模拟实验

基于静电感应原理,结合航空发动机尾喷管结构和模拟实验环境要求,设计了一种用于气路荷电碎屑监测的静电传感器。通过荷电碎屑模拟实验,证明了该静电传感器监测荷电碎屑的有效性,并分析了碎屑荷电量、碎屑与探极表面相对位置对传感器输出的影响。结果表明:碎屑荷电量越多,传感器输出电压幅值越大;同一轴向位置,随着碎屑与探极表面径向距离的增大,传感器输出电压幅值迅速减小;碎屑与探极表面径向距离一定时,碎屑与探极末端轴向距离越大,传感器输出电压幅值越小。此外,还进一步分析了实验过程中一些难以避免的影响测量结果的因素。     

碰摩故障静电监测方法及模拟实验

针对航空发动机叶片碰摩故障难以实现在线监测的问题,展开基于静电感应原理的碰摩故障监测新方法研究。分析了碰摩颗粒产生与荷电机理,以静电传感器理论和点电荷感应信号特征为依据,建立了周期碰摩静电感应理论模型。研究结果表明:周期碰摩在静电传感器上的输出是一系列以碰摩频率为间隔的随频率增大幅值迅速衰减的周期离散谱线。为了验证模型的正确性,利用自行研制的静电传感器,采用模拟碰摩的方式进行了两组实验。第1组实验结果表明传感器可以监测到模拟碰摩故障产生的带电颗粒,碰摩阶段的信号活动率水平明显增大,但事件率没有出现明显的变化;第2组实验在信号频域出现了非常明显的特征频率及其二倍频,且二倍幅值频随频率增大迅速衰减,证明了模型的有效性。     

航空发动机吸入颗粒物静电感应特性的模拟实验及分析

利用静电传感器和SC-010型环境试验箱等硬件搭建了吸入颗粒物静电监测模拟实验平台,并在此实验平台上展开了针对航空发动机吸入颗粒物静电感应特性的模拟实验研究,成功获取相应静电监测信号。实验设置颗粒材料、管道流速、颗粒粒径和颗粒投入质量4种变量作为变量条件,分别进行4组单一变量的对比实验,采集在不同颗粒材料、不同管道流速、不同颗粒粒径以及不同颗粒质量浓度环境下带电颗粒所产生的静电感应信号,对每组实验信号的活动率水平(AL)、正/负事件率(PER/NER)和绝对平均幅值等特征参数进行相应的数据分析和对比,并得到了一些有用的结论。实验发现,上述4种变量条件分别对静电感应信号的绝对时域平均幅值、AL参数、PER/NER参数有不同程度的影响。     

航空发动机气路颗粒静电监测技术模拟实验

探讨了航空发动机气路颗粒静电监测技术的工作原理和技术特点。为进行该技术的可行性研究搭建了模拟实验台,利用电晕模拟了气路故障发生时尾气中不同大小的带电颗粒,使用自制的探针式静电传感器对运动带电颗粒进行监测,信号调理器将感应电荷放大并转换为对应的电压,结果显示：①静电传感器能够监测到运动带电颗粒;②感应电压幅值与颗粒大小有关;③感应电压波形与颗粒性质有关;④大量小颗粒和单个大颗粒混合物的感应电压表现出两者各自的特征。     

航空新型静电传感器建模与标定实验

静电传感器是一种用于航空发动机润滑油路中磨粒在线监测的新型传感器,为了对静电传感器的特性进行研究,改进了静电传感器的数学模型,设计了静电传感器标定装置。标定装置通过高压电场使油滴荷电,可以产生电量和极性可调的带电油滴,并可通过静电计准确测量产生的油滴电量。通过对数学模型的分析,以及标定实验的实验研究,确定了传感器的空间灵敏度分布;发现并验证了定速带电油滴沿着传感器固定径向位置移动时,静电传感器输出电压的峰值与施感电荷呈线性关系;通过标定实验获得了传感器的标定曲线,并进一步定量确定了传感器静态灵敏度在径向位置上的分布,标定实验也同时验证了数学模型的正确性。     

某型航空涡轮轴发动机尾气静电监测探索性实验

 在某型航空涡轮轴发动机上进行了尾气静电监测探索性实验,成功地获得了尾气静电感应信号。根据实测的108 h有效数据,对信号的特征参数活动率水平(AL)、正事件率(PER)、负事件率(NER)和轴频分析(SOA)展开分析。研究结果表明：基于静电感应原理的发动机气路监测技术是可行的;发动机功率对特征参数有明显的影响。在一个完整试车循环中,随着功率的增大,AL参数呈现二次多项式变化规律;PER和NER参数呈现线性增长规律。随着试车阶段的推移,AL参数值在各个功率下均呈上升趋势,PER和NER参数没有明显的变化;水洗对发动机AL参数有明显的影响,但对PER和NER参数没有明显的影响。     

涡轴发动机尾气静电监测信号影响因素分析

 针对某型航空涡轴发动机试车台实验所获得的尾气静电监测信号,结合发动机台架试车状态和性能数据,分别在两个时间尺度上展开分析研究。研究发现发动机的工作状态和健康状态均对尾气静电信号产生重要影响。在小时间尺度上的分析发现,无故障情况下影响尾气静电信号变化的主要因素为燃油供给量,尾气静电信号能量随燃油供给量的增加近似按指数规律上升;而在大时间尺度上的分析发现,在一定的燃油供给和恒定的自由涡轮转速条件下,尾气静电信号能量随着发动机性能的缓慢衰退而逐渐上升。实测尾气静电信号所反映的趋势与初步的理论分析结果相一致,为建立涡轴发动机尾气静电信号的健康"基线",进而用于气路状态监测及故障识别提供了初步的依据。研究还发现,静电监测技术不仅能够为突发性故障提供预警信息,而且能够反映发动机整机性能衰退,进一步拓展了静电传感器的监测能力及其在航空发动机健康管理中的应用。     

轴承钢摩擦副全流量在线磨粒静电监测方法

为满足滑油系统零部件衰退早期症兆监测要求,采用自制的全流量在线磨粒静电传感器对润滑条件下轴承钢滑动摩擦副开展实时在线磨损状态监测研究.研究了润滑条件下金属磨粒荷电机理和设计了静电监测系统,开展了不同载荷和滑动速度时的磨损实验,对摩擦系数、静电感应信号、静电信号均方根值(RMS)进行相关性分析.研究结果显示:①全流量在线磨粒静电监测方法与摩擦系数均能监测到粘着的发生,具有一致性;②静电监测方法在粘着发生前监测到异常;③在稳定磨损阶段,摩擦系数随载荷的增大而减小,随滑动速度的升高而降低;④在剧烈磨损阶段,静电信号中脉冲尖峰的RMS值随载荷增加时先增加后减小,随滑动速度的升高而减小.      

滑油系统全流量在线磨粒静电监测技术研究

 针对滑油系统非金属材料难以实现在线监测的问题,基于静电感应原理展开全流量磨粒监测技术研究。研究润滑条件下荷电磨粒的产生机理和全流量磨粒静电监测原理,着重进行了静电信号特征提取方法研究。为验证磨粒静电监测技术的可行性,设计并搭建了模拟实验平台,开展了故障颗粒注入实验和循环润滑条件下销盘滑动摩擦磨损实验,使用自制的全流量在线磨粒静电传感器对油路中的磨粒进行监测。结果表明:静电传感器能够监测到金属、非金属等不同材料荷电磨粒;感应电压幅值与磨粒大小具有相关性;感应电压波形与荷电磨粒特性有关;静电传感器可以在线监测滑油回路中非金属摩擦副的摩擦磨损状态。     

某型航空涡扇发动机静电传感器机载化监测实验

计了一种特定尺寸的静电传感器,并将其装配在涡扇发动机低压涡轮出口附近的尾喷管管壁,以民用涡扇发动机为静电传感器载体及监测对象开展静电监测实验.以一个完整性能试车过程为周期,采集周期内的尾气静电信号.进一步对静电信号和发动机性能参数进行数据对比分析,同时对测试过程中异常状态下活动率水平（AL）和负事件率（NER）进行计算.实验验证了航空发动机静电监测技术具备机载化的可行性,实验结果表明:正常状态下静电信号电压幅值大小约为5mV,静电水平跟随运行功率变化并呈正相关性;静电传感器对尾气中存在的异常颗粒具有良好的监测效果,在发动机富油状态下静电信号的活动率水平和负事件率分别达到14pC及8%.      

基于Labview与Matlab的航空发动机气路静电采集系统研究

说明了如何在Labview平台下结合应用Matlab软件;介绍了发动机故障诊断方法之静电监测技术,给出了静电信号相关参数,并在此基础上,基于labview与matlab开发了航空发动机气路静电采集系统和烟尘排放量/浓度监测系统,并应用于采集静电信号试验,以对系统进行测试。     

涡喷发动机尾气静电监测及气路故障特征

利用涡喷发动机试车台和新研制的小型涡喷发动机完成了一系列静电监测实验,获取了涡喷发动机尾气静电信号特性,并通过分析静电信号特征证实了尾气静电监测技术对发动机气路部件机械故障的监测.研究发现发动机尾气静电信号的细微变化与发动机工况相关,通过分析第102试车阶段的静电信号发现活动率水平出现了与发动机工况同步变化的情况,验证了活动率水平是一种可作为表征尾气中微小颗粒的带电情况的特征参数;在102～108试车阶段中,发动机出现了燃烧室内壁积炭、燃烧室内壁轻微烧蚀和气路润滑油泄漏故障,根据静电信号的统计分析以及大时间尺度的趋势分析,发现活动率水平、正(负)事件率可作为预警参数来反映因这些故障而导致尾气静电整体水平的变化.      

航空发动机气路静电数据管理系统设计与实现

由于静电信号采集的高频特性,在静电信号采集时需采集大量数据。面对大量的数据信息,采用数据库技术,能够有效地管理和组织数据。本文提出了在Labview编程环境下利用LabSQL访问Microsoft Access数据库的方法,构建起集数据存储、分析和处理于一体的数据管理平台。实现了数据库的连接、数据的实时记录和查询显示,并成功应用于航空发动机气路静电监测系统中,取得了很好的效果。