[发明专利]复合传感器及基于该传感器的航空发动机气路故障检测诊断方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测器件及其应用，特别是一种复合传感器及基于该传感器的航空发动机气路故障检测诊断方法。

背景技术

航空发动机作为飞机的核心部件，其可靠性在飞行过程中起着举足轻重的作用，飞机发动机的健康状况直接关系到飞行安全。航空发动机复杂的结构以及高温、高速的工作条件、经常需要变换的工作状态、承受很大的交变载荷等原因导致其关键部件很容易产生各种损伤。而严重的发动机损伤往往会导致发动机工作失效和故障，并严重威胁人身安全和飞行安全。同时，航空发动机的维修成本通常很高，目前的定期维修会导致大量的维修人力、物力以及剩余使用寿命的浪费。

航空发动机结构复杂、工作环境恶劣，是飞机的主要故障来源。由于其高温、高压、高速等特殊性，飞机发动机的诊断监测面临着各种问题，对其准确快速检测一直是航空公司面临的重大技术难题。目前，对航空发动机故障诊断的研究主要集中在两个方面：

一是利用气路参数对发动机气路性能和传感器进行诊断，航空发动机气路性能监控主要通过监视发动机气路参数(如转速、发动机压力比EPR，燃油流量WF和排气温度EGT等)来监视气路状态是否正常，以及发动机能否在规定的安全限制内产生需要的推力或功率。

二是利用振动、滑油及孔探信号对发动机机械性能进行诊断，振动监测主要用于监测转子系统的机械状态，利用振动信号的频谱分析和响应特性评价发动机的状态。滑油监测主要采用光谱分析、铁谱分析和磁性堵塞监测等分析手段，对发动机润滑系统的润滑油进行监测，从而判断发动机相关部件的磨损状态。孔探检测是在发动机不解体的前提下检测发动机上的关键部件外观表面的腐蚀和裂纹等损伤。航空发动机尾气中的颗粒物是发动机气路部件发生故障的直接产物，颗粒物特性能够实时地反映发动机的工作状态，通常测试气体中颗粒物特性的方法主要是基于光学原理，如干涉度量法、光谱法、粒子尺寸分析法等，这些方法由于发动机气路恶劣的工作环境而无法实现在线监测。基于气路粒子静电信息监测的诊断技术是一项新技术，它是根据发动机尾气中静电荷的变化来判断故障类型，只要有碎屑产生，在早期阶段就可对故障进行监控。目前，只有英国Smith-Aerospace工业公司从事该方面的研究，最早始于20世纪90年代初，如今已开发了一套基于该技术的发动机状态监控系统(Engine Health Monitoring，EHM)，并试用于联合攻击机，取得了初步成效。而国内在该领域的研究刚刚开始，南京航空航天大学的左洪福教授带领的科研团队开始研究适合我国国情的发动机气路静电监测系统(Engine Gas-path Electrostatic Monitoring System，简称EGEMS)，为发动机气路部件的碰摩、磨损、侵蚀和烧伤类故障的实时监控和诊断提供一种全新的理论方法和技术手段。

EGEMS在故障出现的早期阶段即可识别碎片是由何种故障引起的，一旦有碎片产生，系统便可探测到，而其它监控技术，如振动监控和性能监控，主要依赖于故障早期的症状。以叶片摩擦引起的故障为例，振动监控要在材料大量磨损导致失衡的前提下做出预警；而性能监控则要求叶片顶端严重磨损导致标准性能参数发生变化时才能做出反应。发动机在正常状态下工作时，尾气中的总体静电荷会保持在一个正常水平，只是随着发动机工作条件的不同会有所不同。因此可以将这个正常水平作为发动机性能衰退的一个阀值。当气路部件发生表面故障时，就会在尾气中产生额外的碎屑，导致总体静电荷水平超过阀值，从而根据该变化所表现出的不同特征判断出故障类型，并做出预警。通过气路碎屑监视可以实现对发动机气路部件，如压气机和涡轮叶片、燃烧室、喷管等的表面故障，如外物打伤、摩擦、磨损、侵蚀和烧伤等的实时监视和诊断。气路碎屑监视的最大好处是对故障的实时识别：只要有碎屑产生，便可被探测到，从而识别何种部件发生故障。气路碎屑监视在保证早期预警和故障跟踪的同时，还可以跟踪后期的故障发展情况，这就为维修计划的安排带来很大的自由度，这是其它监视技术难以实现的。

但是，此种方法的缺点是探测点所反映的仅仅是局部信息，不能完整反映全部气路信息。由于喷管空间某一点静电荷水平会随着位置的不同而不同，并受到气压、温度和气流速度等诸多因素影响，而传感器的数量和表面积都是有限的，并考虑到传感器位置的确定性，不可能将所有的静电荷都探测到，因此测量误差是不可避免的。

综上所述，作为发动机状态监视和故障诊断重点内容的气路性能监视和部件故障诊断的检测方法尚需进行进一步的研究。

发明内容