CN103674788A - 航空发动机气路在线静电监测系统及其专用传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航空发动机气路在线静电监测系统及其专用传感器，该系统包括进气道环状静电传感器、尾喷管棒状静电传感器、信号处理单元和监测终端，进气道环状静电传感器和尾喷管棒状静电传感器分别通过信号处理单元连接到监测终端，所述信号处理单元包括放大电路、滤波电路和A/D转换电路。通过两个专用传感器实现了发动机工作状态的在线监测，提高了发动机维修的经济性和航空器健康管理水平。

Description

航空发动机气路在线静电监测系统及其专用传感器

技术领域

    本发明涉及航空发动机气路部件监测装置，具体是一种航空发动机气路在线静电监测系统及其专用传感器。

背景技术

在飞机飞行产生的故障中，因发动机引起的故障大约占总数的百分之六十左右。因此需要对发动机各个部件进行状态检测，并依据监测数据对发动机的工作或者故障状况以及发展趋势做出准确判别。基于状态的维修即视情维修(CBM，Condition-Based Maintenance)也因此在发动机维修工程领域中得到越来越多的重视。视情维修通过对发动机工作部件的各种参数进行监测，从而实时评估工作状况，帮助人为选择维修策略。而实施有效视情维修的最关键之处在于对发动机关键部件实现在线监测，例如对气路部件的监测。

航空发动机中，发动机的气路部件是保证发动机的正常工作的最基本和最为关键的部件，据统计，气路部件故障引起的发动机整体故障的占到总数的百分之九十左右，因此在发动机的状态在线监测和故障诊断中，对气路部件的监测和故障诊断占有重要的地位。而外来物的吸入和发动机部件本身的工作疲劳损伤常常是造成气路部件损坏和故障的两大原因。发动机工作产生的高速气流和周围复杂环境常常使外来吸入物进入发动机，经过发动机进气道进入发动机内部并撞击发动机叶片。吸入物的极高速度会使其本身与空气产生剧烈的摩擦，从而带有大量静电荷，进一步引起气路静电水平的波动。除吸入物造成的发动机气部件故障外，气路部件本身疲劳损伤如叶片-机匣碰摩，燃烧室积碳，叶片烧蚀掉块也能够引起发动机气路部件故障，故障产生的故障颗粒通过尾喷管道随尾流气体排放，引起气路静电水平的波动。目前的发动机监测装置中缺少对静电经典水平波动的监测，无法实现发动机工作状态的在线监测，无法保障故障诊断的实时性。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种航空发动机气路在线静电监测系统及其专用传感器，实现了发动机工作状态的在线监测，提高了发动机维修的经济性和航空器健康管理水平。

本系统包括进气道环状静电传感器、尾喷管棒状静电传感器、信号处理单元和监测终端，进气道环状静电传感器和尾喷管棒状静电传感器分别通过信号处理单元连接到监测终端，所述信号处理单元包括放大电路、滤波电路和A/D转换电路。

本发明还提供了一种航空发动机气路在线静电监测系统专用的进气道环状静电传感器，包括通过安装轴套固定在发动机进气管道上的外壳，外壳内部装有合金芯棒，合金芯棒上端通过弹顶触头连接有信号输出接插头，合金芯棒下端通过并紧螺母与发动机进气管道内的环状感应探极相连。

本发明还提供了一种航空发动机气路在线静电监测系统专用的尾喷管棒状静电传感器，包括通过安装轴套固定在发动机尾喷管道上的外壳，外壳内部装有合金芯棒，合金芯棒上端通过弹顶触头连接有信号输出接插头，合金芯棒下端直接伸入发动机尾喷管道。

进一步改进，所述的环状感应探极使用的材料为高温耐火材料。

进一步改进，所述的合金芯棒使用的材料为高温耐火材料。

进一步改进，所述的合金芯棒的外缘上套有陶瓷管。

进一步改进，所述的外壳包括壳体，壳体上方通过后端盖顶紧螺丝连接有后端盖，壳体通过前端盖顶紧螺丝连接有前端盖，前端盖通过轴套顶紧螺丝固定在安装轴套上。

    本发明有益效果在于：

1、实时监测发动机气路中静电信号，实现了静电信号的在线传输，保证发动机工作状况在线监测和故障模式诊断。

2、设计了针对发动机气路中的静电信号特点进行处理的信号处理单元，使原始静电信号得到有效的处理并输出。

3、两种静电传感器使用耐高温的合金金属材料为探极材料，不仅具有良好的导电性能，并且能够适应发动机高速高温气流下的环境，传感器灵敏度高，对带电故障颗粒的监测可靠性较高。

4、内部结构相对简单，加工方便，成本较低。

附图说明

图1为进气道环状静电传感器一种具体的实施方式。

图2为尾喷管棒状静电传感器一种具体的实施方式。

图3为航空发动机气路静电监测传感器系统的信号处理单元电路原理图。

图4为航空发动机气路静电传感器的监测原理框图。

图5为实施例中未经信号处理单元处理的原始静电信号图。

图6为实施例中经过信号处理单元处理的背景静电信号图。

图7为实施例中模拟外来吸入物故障的静电信号图。

图8为实施例中模拟碰摩故障的静电信号图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为进气道环状静电传感器一种具体的实施方式，包括环状感应探极1，并紧螺母2，安装轴套3，安装轴套顶紧螺钉4，前端盖顶紧螺钉5，陶瓷管6，壳体7，弹顶触头8，后端盖定顶紧螺钉9，后端盖10，信号输出接插头11，前端盖12，合金芯棒13，发动机进气管道14。其中：环状感应探极1与内部的合金芯棒13用采用螺纹联接，通过并紧螺母2固定环状探极，并保证了环状探极与合金芯棒之间的良好的导电性能。内部合金芯棒13的另一端打有螺纹孔，使弹顶触头8与合金芯棒13固定连接。弹顶触头8的另一端顶紧信号输出接插头11，起到静电信号传输的作用，由此便形成一条静电信号传输的电流通路。此通路中，信号传输起始端环状探极的材料为不锈钢，合金芯棒的材料为导电性能较好的镍基合金，弹顶触头为不锈钢材料，通路末端信号输出接插头为铜制。合金芯棒的周围套有陶瓷管，陶瓷管可以防止内部静电信号的丢失和外部静电信号的干扰。传感器不锈钢金属外壳7与陶瓷管6过盈配合，外壳起到屏蔽电磁干扰的作用。金属壳体通过前后端盖与传感器内部核心模块定位固定，并将内部核心模块完全包裹。前后端盖分别使用环绕端盖分布的四个顶紧螺钉进行固定。在将环状静电传感器安装于进气管道的过程中，安装轴套3与进气管道相焊接，环状静电传感器的前端盖外部有螺纹，可以直接与车有内螺纹的安装轴套3配合安装，同时使用顶紧螺钉进行紧固。

图2为尾喷管棒状静电传感器一种具体的实施方式，包括安装轴套3，安装轴套顶紧螺钉4，前端盖顶紧螺钉5，陶瓷管6，壳体7，弹顶触头8，后端盖定顶紧螺钉9，后端盖10，信号输出接插头11，前端盖12，合金芯棒13和发动机尾喷管道15、棒状传感器与环状传感器内部结构完全类似，不同之处在于传感器的探极部分和安装部分。棒状传感器的内部合金芯棒的一端直接作为传感器的探极，探极伸入发动机尾喷管道15内部。棒状传感器的前端盖车有螺纹，使前端盖与安装轴套3通过螺纹连接，安装轴套3直接焊接在尾喷管上。

图3是航空发动机气路静电监测传感器系统的信号处理单元电路原理图。此电路能够起到信号滤波和放大的作用。利用运算放大器、电阻以及电容构成有源二阶低通滤波器。具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后具有一定的电压放大和缓冲作用，其中截止频率为3KHz。信号处理电路包含了三个接口，信号输入接口，信号输出接口和供电接口，接两相220V交流电为其工作供电。

图4是本发明的航空发动机气路静电信号监测装置的的原理框图。它是对航空发动机的气路管道内部的原始气路静电信号进行采集，通过感应到的静电信号变化实现对发动机气路部件的工作状况进行在线监测。如原理框图所示，静电传感器内部组成电流通路，将采集到的原始信号通过传输至信号处理单元。经过信号处理单元的放大、滤波和A/D转换后传输给计算机设备，分析后的信号图像实时出现在监测系统的。

利用航空发动机气路静电监测综合试验台，对本发明进行实例测试。

实验开始时，在没有故障颗粒的情况下测试本系统的测量信号。分别测试未经信号处理单元处理的原始静电背景信号以及经过信号处理单元处理的原始静电背景信号，并在监测终端显示出两者的信号图，如图5与图6所示。经比较可以看出，处理后的静电信号去掉了一些高频噪声信号，信号有着更加规律的幅值变化，监测终端显示出更加稳定的信号监测图。

将进气道环状静电传感器安装于气路静电监测综合试验台的进气道上，连接信号处理单元和相关信号采集设备，进行发动机外来物注入颗粒实验，通过注入装置向试验台的进气道间隔注入铁粉颗粒来模拟发动机外来吸入物故障。在注入后监测进气道中的静电信号，可以发现信号图中出现了几个有一定时间间隔的尖峰信号，故障信号实时的显示在监测终端上，由于注入颗粒带电量的差异使信号幅值不一，监测信号图如图7所示。将尾喷管棒状静电传感器安装于气路静电监测综合试验台的进气道上，连接信号处理单元和相关信号采集设备，进行发动机碰摩模拟试验。通过碰摩装置模拟发动机叶片-机匣的碰摩，检测碰摩产生的带电颗粒。在开启碰摩装置之后，同样在监测终端显示出有规律的故障颗粒信号，如图8所示。本实施例可以说明本发明中的传感器对发动机的气路中的静电信号进行有效的监测。

本发明的工作原理为：

1、气路部件故障原理和静电监测：发动机工作产生的高速气流和周围复杂环境常常使外来吸入物进入发动机，经过发动机进气道进入发动机内部并撞击发动机叶片。吸入物的极高速度会使其本身与空气产生剧烈的摩擦，从而带有大量静电荷，进一步引起气路静电水平的波动。发明中的进气道环状传感器能够检测到这一电荷波动；除吸入物造成的发动机气部件故障外，气路部件本身疲劳损伤如叶片-机匣碰摩，燃烧室积碳，叶片烧蚀掉块也能够引起发动机气路部件故障，故障产生的故障颗粒通过尾喷管道随尾流气体排放，尾流气体含有大量带电故障颗粒，引起尾喷管道中静电荷水平剧烈变化，发明中的尾喷管棒状静电传感器将监测到尾喷管中电荷水平的变化。

2、气路静电传感器监测原理：静电传感器的静电信号监测是基于静电感应的原理。当进气道或者尾喷管气流中的带电颗粒经过静电传感器附近，将导致静电传感器的探极内部产生电子流动，为平衡附近的外来电荷，探极内部电荷重新分布并伴随电子流动，进而静电传感器会产生感应电流。在这一过程中，带电体与静电传感器之间并没有电荷的交换，探极电荷由静电感应产生。当带电颗粒离开传感器附近，即外电场撤掉时，正负感应电荷将会迅速移动并互相中和，传感器探极内部的电子将重新分布，使得探极呈电中性状态，因此监测得到的感应信号也将恢复至零。本发明中的两种气路静电传感器就是基于上述的原理。

3、静电传感器设计原理：静电传感器根据气路中带电颗粒相互作用的原理，可以分为直接接触式和非接触式两种。在气路信号检测中，使用非接触式静电传感器结构，主要有圆环状与针形。环状静电传感器对于中心区域的静电颗粒的灵敏度比棒状传感器要低，但是在发动机进气道中不能使用棒状静电传感器完成静电信号的监测，因为棒状固体会使进气道产生旋流，进气道旋流是对于发动机是一个重大的扰动参数，当有旋流出现时，会使发动机性能下降，可能出现喘振与强迫叶片振动之类严重的新问题。因此进气道静电传感器探极为环状探极，而尾喷管的静电传感器探极为棒状探极。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种航空发动机气路在线静电监测系统，其特征在于：包括进气道环状静电传感器、尾喷管棒状静电传感器、信号处理单元和监测终端，进气道环状静电传感器和尾喷管棒状静电传感器分别通过信号处理单元连接到监测终端，所述信号处理单元包括放大电路、滤波电路和A/D转换电路。

2.一种权利要求1所述的航空发动机气路在线静电监测系统专用的进气道环状静电传感器，其特征在于：包括通过安装轴套（3）固定在发动机进气管道（14）上的外壳，外壳内部装有合金芯棒（13），合金芯棒（13）上端通过弹顶触头（8）连接有信号输出接插头（11），合金芯棒（13）下端通过并紧螺母（2）与发动机进气管道（14）内的环状感应探极（1）相连。

3.根据权利要求2所述的进气道环状静电传感器，其特征在于：所述的环状感应探极（1）和合金芯棒（13）使用的材料为高温耐火材料。

4.根据权利要求2所述的进气道环状静电传感器，其特征在于：所述的合金芯棒（13）的外缘上套有陶瓷管（6）。

5.根据权利要求2所述的进气道环状静电传感器，其特征在于：所述的外壳包括壳体（7），壳体（7）上方通过后端盖顶紧螺丝（9）连接有后端盖（10），壳体（7）通过前端盖顶紧螺丝（5）连接有前端盖（12），前端盖（12）通过轴套顶紧螺丝（4）固定在安装轴套（3）上。

6.一种权利要求1所述的航空发动机气路在线静电监测系统专用的尾喷管棒状静电传感器，其特征在于：包括通过安装轴套（3）固定在发动机尾喷管道（17）上的外壳，外壳内部装有合金芯棒（13），合金芯棒（13）上端通过弹顶触头（8）连接有信号输出接插头（11），合金芯棒（13）下端直接伸入发动机尾喷管道（15）。

7.根据权利要求6所述的尾喷管棒状静电传感器，其特征在于：所述的合金芯棒（13）使用的材料为高温耐火材料。

8.根据权利要求6所述的尾喷管棒状静电传感器，其特征在于：所述的合金芯棒（13）的外缘上套有陶瓷管（6）。

9.根据权利要求6所述的尾喷管棒状静电传感器，其特征在于：所述的外壳包括壳体（7），壳体（7）上方通过后端盖顶紧螺丝（9）连接有后端盖（10），壳体（7）通过前端盖顶紧螺丝（5）连接有前端盖（12），前端盖（12）通过轴套顶紧螺丝（4）固定在安装轴套（3）上。

Images