CN102980771A - 一种便携式航空发动机气路部件故障检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种便携式航空发动机气路部件故障检测系统及方法，依据航空发动机无故障情况下尾气静电荷水平保持在一定的水平范围内、一旦气路部件出现故障将引起尾气静电荷水平的变化这一原理，检测发动机气路部件健康状态。系统包括尾气静电监测传感器子系统，信号调理、采集及传输子系统以及工业PC。首先建立发动机尾气静电信号的基线模型，通过分析实测的尾气静电信号的特征参数与其基线值的偏差来判断发动机的健康状况。该发明针对传统的发动机状态监测方法存在漏警以及预警滞后的问题，设计了一种便携式的气路部件故障检测系统，用于发动机地面试车可提高其安全性，且系统成本较低、工程上易于实现。

Description

一种便携式航空发动机气路部件故障检测系统及方法

技术领域

本发明属于航空发动机状态监控与故障诊断领域，更具体地说是一种便携式航空发动机气路部件故障检测系统及方法。

背景技术

现有的航空发动机气路部件状态监控主要基于气路性能参数及振动信号等，对保障发动机运行安全具有重要作用，但传统的气路分析、转子振动监测等方法需要在故障恶化到一定程度时才能探测到故障的存在，往往不能及时发现故障，存在着安全隐患；此外，这些监测手段获得的信息是有限的，要全面评估发动机气路部件的健康状态存在着一定困难，而时有发生的安全事故也折射出了现有监控技术的不足，迫切需要开发新的监测技术。

发动机空中停车事件对飞行安全具有重要影响，诱发空中停车的原因通常可归类在发动机的气路系统、滑油系统、齿轮箱变速系统和燃油及控制系统故障中，而这些典型故障，特别是气路部件损伤、滑油泄漏、燃油系统故障通常在早期就会引起尾气静电信号异常，因此静电监测技术被认为在预防空中停车事件、保障飞行安全方面具有巨大的应用潜力。

航空发动机气路静电监测技术能够监测到传统监测系统难以发现的气路部件故障，提供早期预警信息，并为气路部件健康状态评估与剩余寿命预测提供新的信息源。相对于传统的气路监测方法的滞后性，由于气路静电监测的是故障的直接产物，因此可以在气路部件故障的初期就提供预警信息，这对实现“风险关口前移”，保障飞行安全具有重要意义。

气路静电监测是通过监测发动机尾气中的静电荷整体水平来判断气路部件状态的，正常情况下发动机尾气中的带电颗粒物主要为碳烟颗粒。对于一台健康的发动机而言，尾气中的碳烟颗粒通常维持在一定的水平，与发动机的工况有关。这些碳烟颗粒带电后随尾气排出，引起静电传感器附近静电场的变化进而产生静电信号，构成了尾气静电信号的基本成分（或基线）。

燃烧系统的任一环节出现故障都有可能影响正常组织燃烧，而导致生成过多的碳烟颗粒，引起尾气静电信号的异常，而其他气路部件故障，如热端部件的烧蚀和掉块、旋转部件的碰摩、外来物吸入等也会产生故障颗粒，导致尾气总体静电荷水平变化，进而引起尾气静电信号异常，且不同的故障引起的静电信号的变化规律不同，这就为基于尾气静电信号的气路部件故障监测以及诊断提供了可能。

静电监测技术是一项非常有应用前景的新型气路状态监测技术，对提前故障发现时机、预防空中停车保证飞行安全具有十分重要的意义，但由于技术因素以及适航的限制，目前无法在民航发动机上安装静电传感器。

发明内容

本发明公开了一种便携式航空发动机气路部件故障检测系统及方法。该系统可用于发动机的日常地面试车中，通过采集和分析发动机地面试车时的尾气静电信号以及时检测到气路部件故障，为发动机维修保障提供决策支持。该方法工程上易于实现，且系统成本相对较低。

一种便携式航空发动机气路部件故障检测系统，包括尾气静电监测传感器子系统、便携式机箱以及工业PC机；所述尾气静电监测传感器子系统通过便携式机箱与工业PC机相连；其中，便携式机箱包括依次相连的信号放大模块、信号调理模块、数据采集模块和路由器；便携式机箱将尾气静电监测传感器子系统采集到的发动机尾气静电信号处理后传送给工业PC机。

进一步地优化方案，本发明便携式航空发动机气路部件故障检测系统中，所述尾气静电监测传感器子系统包括静电传感器和可调节高度的固定支架；所述静电传感器设置在固定支架上。

进一步地优化方案，本发明便携式航空发动机气路部件故障检测系统中，所述数据采集模块包括离线和在线两种工作模式；当处于在线模式时，数据采集模块实时采集发动机状态参数；当处于离线模式时，发动机自带的数据记录仪将记录的发动机状态参数传输至工业PC机中，其中所述发动机状态参数指燃油流量参数。

进一步地优化方案，本发明便携式航空发动机气路部件故障检测系统中，所述工业PC机包括依次相连的数据存储模块、数据处理模块和故障检测模块。

同时，本发明还提出了一种基于该系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤一、利用静电传感器采集航空发动机正常状态下的尾气静电信号；

步骤二、根据步骤一中采集到的尾气静电信号建立尾气静电信号基线模型，并根据基线模型获取相应的基线值；

步骤三、实时检测发动机尾气静电信号，并利用贝叶斯因子法对实测的发动机尾气静电信号的特征参数与其基线值之间的偏差值序列进行分析，实现对发动机气路部件故障的检测，其中所述实测发动机尾气静电信号的特征参数为尾气静电信号的均方根值；

进一步地，本发明检测方法中，所述步骤二中建立尾气静电信号基线模型，具体为采用基于燃油流量参数建立的尾气静电信号基线模型如下：

rms(fuel)=a·e^b·fuel+c

其中，rms(fuel)表示当燃油流量为fuel时的尾气静电信号的均方根值，fuel表示燃油流量，a，b，c为基线模型参数，根据正常状态下发动机的尾气静电信号的RMS值和fuel参数拟合得到。

进一步地，本发明检测方法中，所述步骤三中利用贝叶斯因子法对实测的发动机尾气静电信号的特征参数与其基线值之间的偏差值序列进行分析，实现对发动机气路部件故障的检测，具体为：计算偏差值序列的累积贝叶斯因子，当累积贝叶斯因子的对数值小于-1时，该偏差值序列结构出现异常，当前发动机气路部件处于故障状态。

本发明与现有技术相比具有以下显著的进步：1）本发明提供了一种全新的气路部件故障在线监测或离线检测的系统与方法，相对于传统的监测方法，本发明提出方法能够提前故障发现时机或发现传统方法难以监测到的气路部件故障，提高航空发动机的安全性；2）本发明所提出的系统成本相对较低，在发动机地面试车时只需在其尾喷管喷出的尾气的下游安放静电监测系统，不需要对目前的试车条件和程序进行改造，因此，此方法在工程上易于实现，无论军用或民用航空均适应。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述；

附图说明

图1为本发明便携式航空发动机气路部件故障检测系统的结构框图；

图2为本发明便携式机箱的结构框图；

图3为本发明工业PC机的结构框图；

图4为实施例中尾气静电信号RMS随燃油流量的变化趋势；

图5为实施例中基于燃油流量参数的尾气静电信号基线；

图6为实施例中尾气静电信号RMS值与基线值的偏差值序列；

具体实施方式

如图1所示，本发明一种便携式航空发动机气路部件故障检测系统，包括尾气静电监测传感器子系统、便携式机箱以及工业PC机；所述尾气静电监测传感器子系统通过便携式机箱与工业PC机相连；其中，便携式机箱包括依次相连的信号放大模块、信号调理模块、数据采集模块和路由器；便携式机箱将尾气静电监测传感器子系统采集到的发动机尾气静电信号处理后传送给工业PC机。其中，所述尾气静电监测传感器子系统包括静电传感器和可调节高度的固定支架，所述静电传感器设置在固定支架上，固定支架安放在发动机尾喷管下游，所述数据采集模块包括离线和在线两种工作模式；当处于在线模式时，数据采集模块实时采集发动机状态参数；当处于离线模式时，发动机自带的数据记录仪将记录的发动机状态参数传输至工业PC机中，其中所述发动机状态参数指燃油流量参数，所述工业PC机包括依次相连的数据存储模块、数据处理模块和故障检测模块。

如图2所示，静电传感器借助固定支架安放在发动机尾喷口后方约0.5m处，通过调节支架高度使传感器探极顶端处于发动机尾流中，静电传感器与便携式机箱之间通过柔性BNC电缆连接；通过BNC电缆传输到便携式机箱的模拟静电信号首先由电荷放大器进行放大，然后经带通滤波器进行滤波，由采集卡采集模拟信号转换为数字信号，经路由器传输到发送到远端的工业PC。

如图3所示，便携式机箱与远端的工业PC机之间由普通网线实现通信，工业PC机中的依次相连的数据存储模块、数据处理模块和故障检测模块实现对数据的存储、分析与故障检测。

本发明利用航空发动机尾气碳烟颗粒物以及故障颗粒路携带静电荷、且无故障情况下尾气总体静电荷水平基本保持在一定的水平范围内、而一旦气路部件出现故障将引起尾气总体静电荷水平的变化这一原理，监测发动机气路部件健康状况；利用静电监测系统采集发动机尾气的静电信号，首先采集正常发动机的尾气静电信号，建立此台发动机尾气静电信号的基线模型，即尾气静电信号的特征参数随发动机工况参数（燃油流量参数）的变化关系；实时检测发动机尾气静电信号，并利用贝叶斯因子法对实测的发动机尾气静电信号的特征参数与其基线值之间的偏差值序列进行分析，实现对发动机气路部件故障的检测。

尾气静电传感器是基于静电感应原理设计的，当带电颗粒物经过传感器探极时，在探极上产生感应电荷，感应电荷量随着探极的敏感区域内的总体电荷水平的上升而增大。尾气中电荷水平的变化将引起探极上感应电荷量的变化，造成传感器内电荷的转移而产生感应电流，同时产生感应电压信号，即为尾气静电监测信号。正常情况下，尾气中的颗粒物主要为燃油正常燃烧产生的碳烟颗粒，这些碳烟颗粒在高温环境中高速碰撞荷电后随尾气排出，在静电传感器上感应出电压信号，构成了尾气静电信号的基线成分。而燃烧系统的任一环节出现故障都有可能影响正常组织燃烧，而导致生成过多的碳烟颗粒，引起尾气静电信号的异常。其他气路部件故障，如热端部件的烧蚀和掉块、旋转部件的碰摩、外来物吸入等也会产生故障颗粒，导致尾气总体静电荷水平变化，进而引起尾气静电信号偏离基线。

基于上述原理，本发明一种航空发动机气路部件故障检测方法，包括以下步骤：

步骤一、利用静电传感器采集航空发动机正常状态下的尾气静电信号；

步骤二、根据步骤一中采集到的尾气静电信号建立尾气静电信号基线模型，并根据基线模型获取相应的基线值；

在地面状态下，燃油流量是决定尾气静电荷水平的重要因素，初步的理论分析以及实验数据表明尾气静电信号的RMS值与燃油流量的之间存在较强的相关性，因此以燃油流量为参考变量建立尾气静电信号的基线模型，尾气静电信号RMS值由如下式（1）得到：

${\mathrm{RMS}}_j=\sqrt{\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^2}---\left(1\right)$

其中，RMS_j表示第j秒采集的信号的均方根值，k为静电信号采样频率，y_i为第j秒采集的原始静电信号的第i个采样值。

在得到一次试车阶段内各稳定功率状态下的静电信号RMS值后，用指数函数（式（2））来拟合这些数据，可近似得到尾气静电信号的RMS值随燃油流量的变化趋势，即基线模型：

rms(fuel)=a·e^b·fuel+c    （2）

其中，rms(fuel)表示当燃油流量为fuel时的尾气静电信号的均方根值，fuel表示燃油流量，a，b，c为基线模型参数，根据正常状态下发动机的尾气静电信号的RMS值和fuel参数拟合得到。

步骤三、实时检测发动机尾气静电信号，并利用贝叶斯因子法对实测的发动机尾气静电信号的特征参数与其基线值之间的偏差值序列进行分析，实现对发动机气路部件故障的检测，首先计算偏差值序列的累积贝叶斯因子，其次判断，当累积贝叶斯因子的对数值小于-1时，该偏差值序列结构出现异常，则当前发动机气路部件处于故障状态，其中所述发动机尾气静电信号的特征参数为尾气静电信号的均方根值。

实施例

借助某次发动机试车采集数据来说明这种方法，首先分析一次试车采集的各稳定状态下的静电信号及燃油流量，按照式（1）给出的尾气静电信号，拟合出静电信号RMS值随燃油流量的变化趋势，如图4所示。正常情况下静电信号的RMS值应在基线为中心的一定的范围内波动，若偏离过多，则预示着在同样的燃油供给情况下，气路中的静电荷水平有着显著的变化，这通常是由于气路部件突发性故障或外来物吸入造成的。燃烧室故障，如喷嘴积碳、燃烧组织不良等原因容易造成尾气中碳烟颗粒明显上升，导致静电荷水平长时间偏离基线；而外来物吸入、掉块和碰摩等突发性故障则容易造成短时间内静电信号偏离基线，仅在故障发生时才会在尾气静电信号中有所体现，故障后静电信号又会回归基线。

由于尾气碳烟颗粒排放自身的波动性及测量噪声等原因，仅借助一次试车数据建立起的静电信号的“基线”难以合理反映发动机尾气静电信号特征，因此需要更多的数据建立起统计意义上的基线模型。图5所示为依据发动机在地面试车台上的20次试车数据建立起的基线模型，在这一阶段内发动机没有明显的故障，因此其代表了发动机的尾气静电信号的基本特征。至此，建立起的发动机尾气静电信号的基线模型，可用于在线或离线检测气路部件故障。

取10次试车的数据（共90个数据样本）作为测试样本来说明这种方法，图6所示为实测的静电信号的RMS值与基线值的偏差值，图示数据表明健康发动的静电信号RMS值比较接近基线值，其偏差值在0上下振荡，偏差值序列并无明显的突变或结构异常，其累积贝叶斯因子的对数值也保持在0值附近。

Claims (7)

1.一种便携式航空发动机气路部件故障检测系统，其特征在于，包括尾气静电监测传感器子系统、便携式机箱以及工业PC机；所述尾气静电监测传感器子系统通过便携式机箱与工业PC机相连；其中，便携式机箱包括依次相连的信号放大模块、信号调理模块、数据采集模块和路由器；便携式机箱将尾气静电监测传感器子系统采集到的发动机尾气静电信号处理后传送给工业PC机。

2.根据权利要求1所述的便携式航空发动机气路部件故障检测系统，其特征在于：所述尾气静电监测传感器子系统包括静电传感器和可调节高度的固定支架；所述静电传感器设置在固定支架上。

3.根据权利要求1所述的便携式航空发动机气路部件故障检测系统，其特征在于：所述数据采集模块包括离线和在线两种工作模式；当处于在线模式时，数据采集模块实时采集发动机状态参数；当处于离线模式时，发动机自带的数据记录仪将记录的发动机状态参数传输至工业PC机中，其中所述发动机状态参数指燃油流量参数。

4.根据权利要求1所述的便携式航空发动机气路部件故障检测系统，其特征在于：所述工业PC机包括依次相连的数据存储模块、数据处理模块和故障检测模块。

5.一种权利要求1至3中任意一项所述的便携式航空发动机气路部件故障检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、利用静电传感器采集航空发动机正常状态下的尾气静电信号；

步骤二、根据步骤一中采集到的尾气静电信号建立尾气静电信号基线模型，并根据基线模型获取相应的基线值；

步骤三、实时检测发动机尾气静电信号，并利用贝叶斯因子法对实测的发动机尾气静电信号的特征参数与其基线值之间的偏差值序列进行分析，实现对发动机气路部件故障的检测，其中所述发动机尾气静电信号的特征参数为尾气静电信号的均方根值。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：所述步骤二中建立尾气静电信号基线模型，是基于燃油流量参数建立的，该尾气静电信号基线模型如下：

rms(fuel)=a·e^b·fuel+c

其中，rms(fuel)表示当燃油流量为fuel时的尾气静电信号的均方根值，fuel表示燃油流量，a，b，c为基线模型参数，根据正常状态下发动机的尾气静电信号的RMS值和fuel参数拟合得到。

7.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：所述步骤三中利用贝叶斯因子法对实测的发动机尾气静电信号的特征参数与其基线值之间的偏差值序列进行分析，实现对发动机气路部件故障的检测，具体为：计算偏差值序列的累积贝叶斯因子，当累积贝叶斯因子的对数值小于-1时，该偏差值序列结构出现异常，当前发动机气路部件处于故障状态。

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