航空发动机及航改燃机健康管理技术

第1章 概论 1.1 基础知识 1.1.1 航空发动机及航改燃机简介 1. 基本结构及工作原理 航空发动机是热机的一种，遵循热机的工作原则: 通过进气、压缩、燃烧和排气四个阶段，在高压条件下输入能量，低压条件下释放能量。发动机主机部件主要包括风扇、高压压气机、燃烧室、涡轮、加力燃烧室、尾喷管，发动机附件系统主要包括健康管理系统、滑油系统、附件传动系统、起动和点火系统、燃油系统、控制系统、空气系统等，如图1.1所示。 图1.1 某涡扇发动机主机部件示例图 风扇、高压压气机、燃烧室、涡轮、加力燃烧室等是航空发动机的核心部件，高压压气机、燃烧室、高压涡轮组成核心机，风扇与低压涡轮组成低压转子组件。风扇、高压压气机用于提高气流压力，空气流流过时，风扇和压气机工作叶片对气流做功，使气流的压力、温度升高。压缩气流进入燃烧室与喷入的燃料混合燃烧，产生高温高压的燃气，实现从燃料的化学能到燃气机械能的转换。从燃烧室流出的高温高压燃气，通过涡轮膨胀做功将燃气的部分内能转化为机械能，用以带动风扇、压气机旋转。从涡轮流出的高温高压燃气在尾喷管中继续膨胀，沿发动机轴向从喷口向后高速排出，使发动机获得反作用的推力。对于带加力的航空发动机，涡轮后的剩余空气在加力燃烧室中继续燃烧，使燃气进一步升温、膨胀，产生高能量的燃气，经过尾喷管高速喷出，产生附加推力。 民用航空发动机、航改燃机与军用航空发动机结构略有不同，其一般没有加力燃烧室，另外民用航空发动机有反推装置，因此控制系统需要完成反推装置的控制。航改燃机低压转子与负载连接，通过转轴输出功率，燃气从涡轮和尾喷管排出，燃气的热能转化为涡轮、负载及压气机等转动部件的机械能，如图1.2所示。 图1.2 某航改燃机结构示例图 燃油系统功能是为燃烧室燃烧和伺服系统作动输送清洁的满足特定压力要求的燃油。控制系统功能是在整个飞行包线内控制主燃烧室和加力燃烧室的流量，完成发动机的起动、停车和推力调节，并通过调节风扇进口可调叶片和压气机可调静子叶片的角度及尾喷管面积，使发动机性能在全包线范围内达到*佳。附件传动系统的主要功能是完成起动机到发动机转子的功率传递并从高压转子提取功率。滑油系统主要是对发动机轴承、齿轮和某些摩擦进行有效的润滑和冷却，确保发动机工作的安全和寿命。起动和点火系统的主要功能是实现发动机的起动运转，起动系统包括空气起动系统和电起动系统两种形式，点火系统用来点燃燃烧室中的油气混合物。空气起动系统分为内部空气系统和外部空气系统，内部空气系统主要用于部件的冷却和封严、转子系统轴向压力平衡及轴承腔加压等，外部空气系统主要用于发动机附件的冷却通风、涡轮主动间隙控制、压气机放气及静子叶片调节等。发动机健康管理系统主要包括机载子系统（简称机载系统）和地面数据处理系统（简称地面系统），通过对发动机飞行过程中的数据进行监测分析，检查发动机测量参数是否超标，判断发动机当前的状态并预测发动机发生故障的时间和位置，以及主要部件的剩余使用寿命（remaining usage life， RUL），为发动机维修提供指导和建议，实现发动机可靠性、维修性、安全性的显著提升。 2. 发动机测量参数 以某型民用涡扇发动机为例，发动机的测量参数主要包括气路测量参数、振动测量参数、滑油测量参数、燃油系统及空气系统测量参数等。气路测量参数通常包括发动机高/低压转子转速及各截面温度、压力测量参数；振动测量参数通常包括发动机进气道机匣、中介机匣、涡轮后机匣及附件机匣等部位的振动测量参数；滑油测量参数通常包括滑油系统温度、滑油压力、滑油滤压差、液位、金属屑末等测量参数；燃油系统测量参数通常包括燃油流量、燃油回路温度、燃油压力、油滤压差等；空气系统测量参数通常包括空气管路中的腔温、腔压，以及可调静子导叶位置等，如图1.3所示。 图1.3 某型民用涡扇发动机测量参数分布示例图 1.1.2 健康管理基本概念 1. 发动机健康状态含义 发动机健康状态可定义为发动机及其组成系统的整体工作状态，是发动机系统、子系统、外场可更换单元（line replaceable unit，LRU）和车间可更换单元（shop replaceable unit，SRU）在执行设计功能时所表现出的能力状态。健康状态可描述为正常状态、非正常状态。 1） 正常状态 正常状态为发动机、发动机部件、发动机系统或子系统健康状态的统称，说明发动机有能力应对所处的工作环境，按照设计的性能完成规定的任务。 2） 非正常状态 非正常状态指实际工作状态与正常（或期望）的工作状态偏差很大，该偏差值可以是单个被测变量或者一组变量，包括异常、故障、失效三种基本类型。 异常: 发动机、发动机部件、发动机系统或子系统的非正常状态。 故障: 发动机、发动机部件、发动机系统或子系统已知的或可重复的非正常状态。 失效: 发动机、发动机部件、发动机系统或子系统性能降级，处于不能提供预期功能的非正常状态。 2. 发动机健康管理含义 发动机健康管理概念源于状态监视，围绕发动机异常和故障状态两个基本监视概念，即诊断和预测。简单地说，诊断指寻找当前和过去的异常或故障状态的过程，而预测指根据当前检测的异常或故障，对发动机的未来性能、功能或能力进行估算的过程。发动机故障诊断是指在一定工作环境下通过数据分析技术来检测和识别发动机某种功能的退化、故障或失效，分析退化或失效的原因，确定故障发生的部位及严重程度。发动机故障预测是指综合利用监测参数、使用情况、当前环境和工作条件、试验数据、历史经验等各种数据信息，借助发动机特征参数变化规律及数学模型，在故障或退化导致系统功能失效之前进行检测，并避免未来的部件故障、退化等，可以表示为剩余使用寿命或达到特定退化水平及部件故障风险不可接受点的时间。 20世纪90年代以来，由于联合攻击战斗机的自主后勤新需求，预测已经成为发动机监视系统的重点，监视功能逐渐集成了维修计划、维修管理和后勤功能。于是，发动机监视系统逐步发展成为具有诊断、预测及维护全面功能的发动机预测与健康管理（engine prognostics and health management，EPHM）系统，通常称为发动机健康管理（engine health management，EHM）系统。 发动机健康管理系统利用传感器获取系统的数据信息，根据故障诊断及预测分析的结果，分析、评估系统的健康状态及部件的剩余使用寿命，判断是否继续运行、是否补偿、是否需要隔离或紧急停机等，并提示发动机用户采取必要措施并提供维修需求信息。 发动机健康管理系统构成如图1.4所示，其通常是由机载系统和地面系统组成，机载系统由机载监测单元、专用传感器、发动机电缆及健康监测单元组成，地面系统由数据管理中心、地面数据处理计算机和地面健康管理软件组成。发动机健康管理系统建立在对发动机信息的采集、处理、辨识和融合的基础上，综合利用发动机机理、信息技术、人工智能等学科方面的研究成果，采取积极主动的措施来监视发动机的健康状态，以及预测发动机性能变化趋势、部件故障发生时机和剩余使用寿命，为采取必要的措施来缓解发动机的性能衰退提供指导，为部件故障或失效的决策和执行过程提供帮助。 图1.4 发动机健康管理系统构成 1.1.3 航空发动机及航改燃机典型故障 1. 典型故障分类 航空发动机及航改燃机故障类别与模式繁多，发动机故障类型主要包括性能故障、结构故障和附件系统故障等。 发动机性能故障是指发动机稳态工作或动态工作过程中，气体流路中的气动参数不符合设计规律，导致发动机性能不合格而产生的故障。我国发动机故障统计显示，发动机性能故障占全部故障的10%~20%，多表现为发动机推力下降、推力不稳、排气温度过高、耗油率高、空中熄火和喘振、转速摆动等。从发动机故障部位的局部气流场来看，故障原因可能是发动机局部形状不符合要求，从而导致气流流路损失增加或温度场分布异常。 发动机结构故障是由于结构件或机械部件断裂引发的故障。结构故障范围广、种类多，后果比较严重，据统计，结构故障占发动机全部故障的60%~70%，对发动机安全构成主要威胁，故障表现形式包括叶片断裂、轮盘爆裂、断轴、鼓筒裂纹、机匣裂纹、火焰筒裂纹、空气及油液管路裂纹或断裂等，多为零组件设计不合理、使用工况不当导致的故障，直接原因为强度不足导致破裂与损伤、高周疲劳损伤、低周疲劳损伤、热疲劳损伤、蠕变与疲劳交互损伤等。 发动机附件系统故障主要包括齿轮及传动系统故障、轴承及润滑系统故障、燃油及控制系统故障，故障表现形式主要包括齿轮破裂、压陷与磨损剥落、花键磨损、传动杆断裂、轴承磨损、滑油消耗量过大、滑油压力脉动过大、燃油附件活门故障、执行机构故障、燃油流量不稳等。发动机附件系统故障原因复杂多样，主要包括疲劳断裂、结构共振、设计加工误差、装配误差、负载变化、元器件老化、产品质量差等。 2. 典型故障概述 1） 发动机性能故障 表示燃气涡轮发动机性能的主要参数包括发动机推力（或功率）和耗油率。另外，发动机排气温度与性能的相关性较强，间接反映涡轮前燃气温度情况，不允许超过限值；加速时间要短，不允许超过规定数值；发动机工作稳定可靠，不允许非正常自动停车等。发动机运行过程中，气体流路中的局部参数异常会导致发动机总体性能不合格，使推力减小、耗油率增加、排气温度过高、起动时间过长或加速超温，甚至引起发动机自动停车，发动机排气温度突增示例见图1.5。为避免严重事故发生，针对性能故障，健康管理系统设计指南要求对排气温度、转子转速、燃油流量等关键性能测量参数进行状态监视，并且基于模型估计和关键参数变化对性能趋势变化进行分析。 图1.5 发动机排气温度突增示例 2） 发动机结构故障 发动机结构故障的危害性与严重性普遍较高，许多发动机重大故障和飞行事故都是由结构故障引发的。按照故障发生部位，结构故障可划分为结构系统故障、叶片故障、轮盘故障、主轴与转子系统故障、燃烧室故障等，下面逐项对每种结构型故障的内涵、形态、成因、监测方式等展开介绍。 （1） 结构系统故障。 结构故障指燃气涡轮发动机结构承力系统中的承力框架及壳体、支承结构、空气系统管路，以及燃、滑油管路等部分产生的结构损伤故障。故障产生的原因主要是设计、工艺、制造等方面存在缺陷，在发动机使用过程中产生磨损、应力集中，从而使物理结构产生变形、裂纹甚至断裂，结构系统故障会使发动机强度下降、振动增大、性能退化，甚至导致空中停车。典型的结构系统故障模式包括发动机机匣主