CN103063437A - 航空发动机吸入物在线静电监测系统的模拟实验装置 - Google Patents

航空发动机吸入物在线静电监测系统的模拟实验装置 Download PDF

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左洪福
付宇
刘鹏鹏
王燕山
张梅菊
刘德峰
谷风强
宋文慧
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Abstract

本发明涉及一种航空发动机进气道吸入物静电监测系统及模拟实验装置。进气道延长管与航空涡喷发动机的进气端相连，颗粒注入装置通过进气道延长管上的注入口与进气道延长管相通，进气道延长管上分段布置监测装置；尾喷管延长管的一端与航空涡喷发动机的喷射端连接、尾喷管延长管另一端连接尾气冷却装置；进气道延长管、颗粒注入装置、航空涡喷发动机、尾喷管延长管与尾气冷却装置固定在安装平台上。本发明能够在发动机吸入异常颗粒导致叶片损伤故障的早期就提供预警信息，发明的模拟实验装置能够有效地模拟发动机气路环境，为航空发动机吸入物在线静电监测系统的研究提供了一个低成本、高仿真的有效实验平台。

Description

航空发动机吸入物在线静电监测系统的模拟实验装置
技术领域
本发明涉及一种发动机，更具体地涉及一种航空发动机进气道吸入物静电监测系统及模拟实验装置。属于航空发动机状态监测与故障诊断领域。
背景技术
 航空发动机工作时，风扇和压气机叶片常常会遭受到被高速气流吸入的外来物体(例如飞鸟、砂砾等)的撞击，引起损伤，这种外来物  (Foreign Object)常简称为FO。现有研究将FO分为两类：软体冲击(飞鸟、冰等)、硬物冲击(砂砾、小金属物等)。前者可能发生在起飞或低空飞行状态，因为冲击物较大，对发动机的损害很大，甚至引起重大故障，严重时会造成飞机失事；后者(硬物冲击)会将叶片打伤，使叶片局部发生缺口、凹坑，产生残余应力，残余变形和应力集中，从而降低疲劳寿命，叶片的非预期疲劳破坏很可能带来严重后果，造成叶片断裂。据统计，在提前翻修的发动机零部件中，外物损伤叶片占有很大比重。因此，国内外相关部门对FO的研究极为重视。
确定FO对航空发动机风扇和压气机叶片的损伤影响的主要途径是实验验证。与传统的发动机状态监测（基于发动机振动或性能参数）方法相比，航空吸入物静电监测系统通过实时监测发动机进气道外来物电荷水平的变化情况，可以直接监测到外来物信息，通过外来物损伤判断逻辑来评估并确定外来物对发动机前端的风扇/压气机叶片的损伤情况，来达到提供叶片损伤的初始故障状态的早期预警信息的目的，为发动机前端的风扇/压气机叶片或其他部位的实时在线监测和诊断，提供一种全新的理论方法和技术手段。模拟试验装置是开展各类外来物电荷特性研究及其对叶片损伤评估实验的基础。
发明内容
本发明旨在降低维修次数和维护成本，实时监控发动机风扇、压气机叶片被外来物损伤情况，提高发动机的使用完好性及安全性，提出了一种航空发动机外来物在线静电监测系统。该系统是通过安装于发动机进气道内部的环状静电传感器来通过监测在高温、高速气流环境下的吸入物产生的静电场变化情况来对实现对吸入物在线监控。
本发明采用如下技术方案：
本发明所述的航空发动机吸入物在线静电监测系统的模拟实验装置，包括航空涡喷发动机，还包括进气道延长管，颗粒注入装置，监测装置，尾喷管延长管，尾气冷却装置，安装平台；所述的进气道延长管与航空涡喷发动机的进气端相连，颗粒注入装置通过进气道延长管上的注入口与进气道延长管相通，进气道延长管上分段布置监测装置；尾喷管延长管的一端与航空涡喷发动机的喷射端连接、尾喷管延长管另一端连接尾气冷却装置；进气道延长管、颗粒注入装置、航空涡喷发动机、尾喷管延长管与尾气冷却装置固定在安装平台上。
本发明所述的航空发动机吸入物在线静电监测系统的模拟实验装置，所述的监测装置包括环状静电传感器，信号调理电路，信号采集卡，计算机；所述的环状静电传感器由安装在进气道内表面上的两个金属导体圆环构成，每个圆环沿着进气道延长管轴向前后间隔一定的距离，每个环状静电传感器分别与信号调理电路连接，信号调理电路与信号采集卡连接，信号采集卡与计算机连接。
本发明所述的航空发动机吸入物在线静电监测系统的模拟实验装置，所述的颗粒注入装置包括第一连接管，电气阀门，第二连接管，空气压缩机；所述的第一连接管的一端与进气道延长管的注入口相通，电气阀门与第一连接管、第二连接管相连通，空气压缩机与第二连接管相连通。
本发明所述的航空发动机吸入物在线静电监测系统的模拟实验装置，环状静电传感器还包括静电传感器外壳和静电传感器环形探头；静电传感器外壳通过绝缘材料与静电传感器环形探头连成一体，静电传感器探头插入进气道延长管内。
有益效果
本发明提供的航空发动机吸入物在线静电监测系统的模拟实验装置，通过安装于发动机进气道内部的环状静电传感器来通过监测在高温、高速气流环境下的吸入物产生的静电场变化情况来对实现对吸入物在线监控。
航空发动机吸入物静电监测实验装置使用涡喷发动机模拟发动机气路环境，借助颗粒注入装置投送颗粒物模拟进气道吸入物，可开展各类外来物电荷特性研究及其对叶片损伤评估的实验。
本发明能够在发动机吸入异常颗粒导致叶片损伤故障的早期就提供预警信息，发明的模拟实验装置能够有效地模拟发动机气路环境，为航空发动机吸入物在线静电监测系统的研究提供了一个低成本、仿真的有效实验平台。
附图说明
图1是航空发动机吸入物在线静电监测实验装置组成示意图。
图2是小型航空发动机安装及测控系统示意图。
图3是颗粒注入装置示意图。
图4是吸入物静电传感器组成图。
图5是航空发动机吸入物在线静电监测系统的组成框图。
图中1是进气道延长管，2是颗粒注入装置， 3是进气道环状传感器，4是航空涡喷发动机，5是ECU电子控制单元， 6是燃油泵，7是燃油控制电磁阀，8是油三通，9是终端监控显示屏，10是启动调节系统， 11是尾喷管延长管，12是尾气冷却装置，13是安装平台，14是第一连接管，15是电气阀门，16是第二连接管，17是空气压缩机，18是传感器外壳，19是传感器探头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细说明：
如图所示：航空发动机吸入物在线静电监测系统的模拟实验装置，包括气道延长管1，颗粒注入装置2， 进气道环状传感器3， 4、航空涡喷发动机4，ECU 电子控制单元5， 燃油泵6，燃油控制电磁阀7， 油三通8， 终端监控显示屏9， 启动调节系统10， 尾喷管延长管11，尾气冷却装置12，安装平台13。
进气道延长管1与航空涡喷发动机4的进气端相连，颗粒注入装置2通过进气道延长管1上的注入口与进气道延长管1相通，进气道延长管 1上分段布置监测装置；尾喷管延长管11的一端与航空涡喷发动机4的喷射端连接、尾喷管延长管11另一端连接尾气冷却装置12；进气道延长管1、颗粒注入装置2、航空涡喷发动机4、尾喷管延长管11与尾气冷却装置12固定在安装平台13上。使用航空煤油作为燃料，分别采用有机物粉、树脂粉、铁粉来模拟产生的软颗粒和硬颗粒。采用电气阀门作为接通开关，其吸入颗粒质量可以调节，分别定量模拟带电颗粒物浓度，空气压缩机与第2管道相连用来吹出颗粒物，在进气道延长管管壁上的传感器接口处用来安装静电传感器。颗粒注入装置2包括第一连接管14，电气阀门15，第二连接管16，空气压缩机17；所述的第一连接管14的一端与进气道延长管1的注入口相通，电气阀门15与第一连接管14、第二连接管16相连通，空气压缩机17与第二连接管16相连通。
监测装置包括环状静电传感器3，信号调理电路，信号采集卡，计算机；所述的环状静电传感器3由安装在进气道内表面上的两个金属导体圆环构成，每个圆环沿着进气道延长管1轴向前后间隔一定的距离，每个环状静电传感器3分别与信号调理电路连接，信号调理电路与信号采集卡连接，信号采集卡与计算机连接。
图5是本发明的航空发动机吸入物在线静电监测系统的组成框图。它是将静电传感器安装在航空发动机的进气道延长管内，监测发动机吸入外来物颗粒产生的静电场的变化，通过静电传感器感应的电压变化信号输入信号调理电路，经信号调理电路对输入的电流信号进行放大滤波处理后的信号经信号采集设备获得数据送入计算机进行分析处理，实现对航空发动机外来物进行在线监测的目的。
环状静电传感器3还包括静电传感器外壳18和静电传感器环形探头19；静电传感器外壳18通过绝缘材料与静电传感器环形探头19连成一体，静电传感器探头19插入进气道延长管1内。
模拟方法
 将进气道延长管、颗粒注入装置、静电传感器、小型涡喷发动机、尾喷管延长管、尾气冷却装置等按要求安装于实验台架的适当位置，并正确连接测试系统。准备好实验所需的颗粒物、航空煤油、然后调试颗粒注入装置，之后启动小型涡喷发动机得到高速气流。待发动机工况趋于稳定后，即可开始实验。启动数据采集系统可以记录下采集从点火前到实验结束的全过程信号。
（1）注入不同材质的颗粒物，有机物粉、树脂粉、铁粉等，由颗粒注入装置向管道内喷入，定性分析气路中吸入外来物异常颗粒，并采集全过程的实验数据。
（2）精确称量5g、10 g、15 g同一性质颗粒物，由颗粒注入装置向管道内喷入，定量分析气路中吸入外来物异常颗粒，并采集全过程的实验数据。
（3）通过调节ECU 电子控制单元可以控制发动机转速变化，模拟不同发动机工况下对吸入外来物的影响。

Claims (4)

1.航空发动机吸入物在线静电监测系统的模拟实验装置，包括航空涡喷发动机（4），其特征在于：还包括进气道延长管（1），颗粒注入装置（2），监测装置，尾喷管延长管(11)，尾气冷却装置(12)，安装平台(13)；所述的进气道延长管（1）与航空涡喷发动机（4）的进气端相连，颗粒注入装置(2)通过进气道延长管(1)上的注入口与进气道延长管(1)相通，进气道延长管 (1) 上分段布置监测装置；尾喷管延长管(11)的一端与航空涡喷发动机（4）的喷射端连接、尾喷管延长管(11)另一端连接尾气冷却装置(12)；进气道延长管（1）、颗粒注入装置（2）、航空涡喷发动机（4）、尾喷管延长管(11)与尾气冷却装置(12)固定在安装平台(13)上。
2.根据权利要求1所述的航空发动机吸入物在线静电监测系统的模拟实验装置，其特征在于：所述的监测装置包括环状静电传感器（3），信号调理电路，信号采集卡，计算机；所述的环状静电传感器（3）由安装在进气道内表面上的两个金属导体圆环构成，每个圆环沿着进气道延长管（1）轴向前后间隔一定的距离，每个环状静电传感器（3）分别与信号调理电路连接，信号调理电路与信号采集卡连接，信号采集卡与计算机连接。
3.根据权利要求1所述的航空发动机吸入物在线静电监测系统的模拟实验装置，其特征在于：所述的颗粒注入装置（2）包括第一连接管（14），电气阀门（15），第二连接管（16），空气压缩机（17）；所述的第一连接管（14）的一端与进气道延长管（1）的注入口相通，电气阀门（15）与第一连接管（14）、第二连接管（16）相连通，空气压缩机（17）与第二连接管（16）相连通。
4.根据权利要求1或2所述的航空发动机吸入物在线静电监测系统的模拟实验装置，其特征在于：环状静电传感器（3）还包括静电传感器外壳（18）和静电传感器环形探头（19）；静电传感器外壳（18）通过绝缘材料与静电传感器环形探头（19）连成一体，静电传感器探头（19）插入进气道延长管（1）内。
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