CN107328828A - 航空发动机滑油碎屑检测与分析一体化设计方法与装置 - Google Patents
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Abstract
航空发动机滑油碎屑检测与分析一体化设计方法与装置，涉及航空发动机滑油监测。设计方法：将碎屑检测传感器与磁场式碎屑吸附装置集成于航空发动机滑油系统中，受污染的滑油通过碎屑检测传感器进行碎屑检测，碎屑检测传感器实现数据采集；将碎屑检测传感器采集的数据反馈到EEC中，EEC控制吸附装置的工作，吸附滑油中含有碎屑，将碎屑沉积固定；飞机停机检修时，取出吸附装置，分析吸附装置上的碎屑可判断发动机中机械部件是否有故障发生。设计装置设有碎屑检测传感器和磁场式吸附装置，碎屑检测传感器设有内外芯，内外芯由法兰连接；磁场式吸附装置由同轴内外壁和外部电磁铁组成，碎屑检测传感器和磁场式吸附装置直接集成于滑油系统管道。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机滑油监测，尤其是涉及航空发动机滑油碎屑检测与分析一体化设计方法与装置。
背景技术
作为典型的复杂系统，航空发动机的结构极其复杂，且服役在高温、高速的恶劣环境下，不仅较易发生各种机械类故障，而且关键部件容易发生性能退化。因此，航空发动机的健康状况直接影响飞机的飞行安全和运营成本。为了提高发动机服役过程的安全性和可靠性，三大航空发动机制造商GE、罗罗和普惠都已经在发动机上开始逐步应用故障诊断预测与健康管理技术，逐渐从传统的定期维修向视情维修进行转化。根据发动机健康管理技术面向对象的不同，可将其具体划分为四个方向：面向气路、面向滑油系统、面向振动系统以及面向单元体寿命。
航空发动机滑油除了起到润滑和降温功能外，还作为发动机磨损或破坏产生的各种屑末的运输媒介。发动机在正常运行过程中会不断产生小于10μm的屑末，若屑末大于10μm时，则意味着可能产生异常情况，且随着发动机的继续运行，产生的碎屑粒子的种类、大小会不断增加，直至发动机失效为止([1]Srinidhi Murali,Xingao Xia,AshishV.Jagtiani,Joan Carletta,Jiang Zhe.Capacitive Coulter counting:detection ofmetal wear particles in lubricant using a microfluidic device[J].SmartMaterials and Structures,2009,18(3):037001)。另一方面，这些碎屑也会导致滑油的性能发生退化，失去润滑功能。因此，对滑油进行监测，不仅可有效地诊断发动机旋转部件的磨损状态，而且可预测滑油性能变化，为发动机性能变化、视情维护提供支持，防止发生突然的失效([2]Matthew Appleby,Fred K.Choy,Li Du,Jiang Zhe.Oil debris andviscosity monitoring using ultrasonic and capacitance/inductance measurements[J].Lubrication Science,2013,25(8):507-524)。
发动机健康监测系统的物理分布结构主要有：机载系统和地面子系统，这也决定了实现滑油监测的两种不同途径，在线滑油监测与离线滑油监测。
目前，航空发动机滑油监测领域最成熟的离线方法是铁谱分析法与光谱分析法，但铁谱分析仪与光谱分析仪造价昂贵，设备复杂，分析时间长；正在研制中的在线滑油监测方法有超声法、磁场法、电容法、共振法等，单独一种方法的应用都有其限制所在，将磁场法与电容法结合起来，可实现高检测精度、低成本、低干扰、结构简单、易于集成等优点。
在线滑油监测是以集成于发动机滑油系统上的传感器系统为基础，通过实时检测滑油中所含碎屑，判断发动机机械部件是否发生故障，是实现发动机健康管理的重要手段之一，有利于提高发动机运行的可靠性、安全性，降低维修成本。
发明内容
本发明的目的是提供不需要对航空发动机做任何变动，实现方式简单，成本低廉的航空发动机滑油碎屑检测与分析一体化设计方法与装置。
所述航空发动机滑油碎屑检测与分析一体化设计方法，包括以下步骤：
1)将碎屑检测传感器与磁场式碎屑吸附装置集成于航空发动机滑油系统中，受污染的滑油通过碎屑检测传感器进行碎屑检测，所述碎屑检测传感器实现数据采集；
2)将碎屑检测传感器采集的数据反馈到EEC(发动机电子控制系统)中，EEC控制吸附装置的工作，吸附滑油中含有的碎屑，并将碎屑沉积固定；
3)飞机停机检修时，取出吸附装置，分析吸附装置上的碎屑可判断发动机中机械部件是否有故障发生。
所述航空发动机滑油碎屑检测与分析一体化设计装置设有碎屑检测传感器和磁场式吸附装置，所述碎屑检测传感器采用圆柱型电容传感器，所述圆柱型电容传感器设有内芯和外芯，内芯和外芯由同轴法兰连接；所述磁场式吸附装置由同轴内壁、同轴外壁和外部电磁铁组成，同轴内壁和同轴外壁之间为活性连接；所述碎屑检测传感器和磁场式吸附装置通过螺栓连接直接集成于航空发动机滑油系统的管道中。
所述磁场式吸附装置的同轴外壁可采用非导电性材料，以避免磁场屏蔽现象产生，所述磁场式吸附装置的同轴内壁可采用具有黏附性材料，以将沉积的碎屑颗粒固定住；所述外部磁铁可采用电磁铁，电磁铁由EEC根据碎屑检测传感器的反馈控制通断，外部磁铁绕同轴外壁旋转，实现碎屑均匀沉积于同轴内壁的目的。
所述圆柱型电容传感器的内芯和外芯均采用导电性材料，例如铜，作为电容的两极，内芯和外芯使用同轴法兰实现连接。
所述碎屑检测传感器与磁场式吸附装置，构型简单，均可快速、简便地集成于航空发动机上。
所述碎屑检测传感器为圆柱型电容传感器，可实现滑油碎屑检测，碎屑进入滑油会污染滑油从而使其本身的介电常数发生改变，反馈至电容器使测量值发生改变。
所述磁场式吸附装置的外壁两端细、中间粗，滑油从一侧细端流入，从中点位置匀速进入外壁中端，此时受到重力与磁力作用，沉积过程中还有黏性阻力的影响，磁力、重力与黏性阻力作用方向皆为纵轴方向，等效于一合力，该合力给予碎屑一加速度。不同尺寸碎屑由于磁力不同而使合力不同，加速度也各不相同，而外壁中端半径固定，碎屑沉积时间因此不同，由于水平速度恒定，故此不同尺寸碎屑由于沉积时间的不同，从而使得碎屑沉积呈现链状分布。
所述滑油流动的水平速度不同时，碎屑沉积所处位置不同，流速过慢会使得大尺寸碎屑沉积位置过近，流速过快可能使碎屑沉积至磁场式吸附装置外，流速大小可根据磁场式吸附装置中间段半径、长度不同而变化。
本发明利用电容与磁化理论，滑油通过圆柱型电容传感器，经由滑油的介电常数变化反馈，得到滑油质量的变化量；再通过吸附装置，由磁力吸引铁磁性碎屑吸附于装置内壁，通过内壁粘附性材料，实现碎屑在内壁上的固定沉积。
本发明具有以下有益效果：
1)本发明中圆柱型电容传感器，可对航空发动机滑油中的碎屑含量进行检测，测量值反馈至EEC可控制吸附装置工作与否，也可判断滑油性能变化程度，判断是否应更换滑油。
2)本发明的滑油碎屑吸附装置部分，能够对航空发动机滑油中的碎屑进行吸附固定，并实现均匀链状分布沉积的效果，通过观测碎屑沉积结果，可对发动机机械部件的磨损有定性上的分析预判。
3)系统简单，操作方便，本发明将滑油碎屑检测与分析整合于一套装置中，且无需复杂构件，操作时不需特殊装置，简便易行。
4)集成度高，可简单快速地集成于航空发动机滑油系统：所设计滑油碎屑检测分析一体化方法，无需对航空发动机进行零件结构改造，只需在航空发动机原有滑油系统上添加轻巧的小部件，易于集成，且功能齐备。
本发明实现了航空发动机滑油检测与分析一体化设计，实现了对航空发动机滑油的实时在线监测。滑油监测是航空发动机健康管理的重要组成部分之一，将为航空发动机运营成本的降低，安全性、可靠性的提高提供有效助益。
附图说明
图1为本发明所述航空发动机滑油碎屑检测与分析一体化设计装置实施例的结构示意图。
图2为本发明所述航空发动机滑油碎屑检测与分析一体化设计装置中碎屑检测传感器的结构示意图。
图3为本发明所述航空发动机滑油碎屑检测与分析一体化设计装置中磁场式吸附装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例，对本发明装置作进一步说明。
如图1～3所示，所述航空发动机滑油碎屑检测与分析一体化设计装置实施例设有碎屑检测传感器和磁场式吸附装置，所述碎屑检测传感器采用圆柱型电容传感器，所述圆柱型电容传感器设有内芯5和外芯4，内芯5和外芯4由同轴法兰连接；所述磁场式吸附装置由同轴内壁1、同轴外壁2和外部电磁铁3组成，同轴内壁1和同轴外壁2之间为活性连接；所述碎屑检测传感器和磁场式吸附装置通过螺栓连接直接集成于航空发动机滑油系统A的管道中。
所述磁场式吸附装置的同轴外壁可采用非导电性材料，以避免磁场屏蔽现象产生，所述磁场式吸附装置的同轴内壁可采用具有黏附性材料，以将沉积的碎屑颗粒固定住；所述外部磁铁可采用电磁铁，电磁铁由EEC根据碎屑检测传感器的反馈控制通断，外部磁铁绕同轴外壁旋转，实现碎屑均匀沉积于同轴内壁的目的。
所述圆柱型电容传感器的内芯和外芯均采用导电性材料，例如铜，作为电容的两极，内芯和外芯使用同轴法兰实现连接。
所述航空发动机滑油碎屑检测与分析一体化设计方法包括以下步骤：
首先，将碎屑检测传感器与磁场式碎屑吸附装置集成于航空发动机滑油系统中，检测传感器为圆柱型电容传感器，由于含有碎屑的滑油受到污染，此时滑油的介电常数将与无污染滑油的介电常数有所差异，该差异反馈至圆柱型电容传感器测量值上，测量值数据传输到EEC中，EEC基于此控制吸附装置是否工作。
而后，滑油流入磁场式碎屑吸附装置中，若此时滑油中铁磁性碎屑量超过设定阈值，吸附装置外部电磁铁通电工作，磁化滑油中碎屑，产生磁力，由磁力的牵引，碎屑沉积到吸附装置内壁上，由于内壁具有黏附性，可将沉积的碎屑进行固定。由于外部磁铁均匀旋转，可使碎屑均匀沉积固定于内壁上。
吸附装置筒状部分的内外壁为活性连接，当发动机停机检修时，可将内壁取出，通过观察内壁所沉积碎屑的数量及尺寸，可判断发动机内部机械部件是否发生故障。
下面以滑油监测技术和图1～3为例对本发明作进一步说明。
本发明所述航空发动机滑油碎屑检测与分析一体化设计装置实施例的结构示意图如图1所示，主要实现功能为航空发动机在线滑油碎屑检测与分析，实现滑油碎屑检测功能装置如图2所示，实现滑油碎屑分析功能装置如图3所示。
滑油碎屑在线检测功能的实现利用变介电常数电容原理，如图2所示，设计成一圆柱型电容传感器，其外芯与內芯均采用导电性材料，例如铜，內芯半径为1mm，长度为40mm，内外芯两极间距离为3mm，外芯厚度为1mm，内外芯使用同轴法兰实现连接。当受污染滑油流经电容传感器时，此时受过污染的滑油的介电常数相较于无污染滑油介电常数已发生了改变，反馈至电容传感器上，即所测得电容值发生改变，测量值传输至EEC中，可判断出滑油中所含碎屑量，从而控制磁场式碎屑吸附装置工作。
滑油碎屑分析功能的实现利用的磁化原理，如图3所示，磁场式吸附装置外壁采用非导电性材料，可避免磁场屏蔽现象；内壁采用具有黏附性的材料，从而可将沉积于内壁的碎屑固定住；外部磁铁采用电磁铁形式，由EEC控制电路通断，磁铁产生的磁场强度为1T，外部磁铁以200r/min的转速匀速旋转，使碎屑均匀沉积固定于内壁上。
磁场式吸附装置外壁为两端细、中间粗的筒状结构，内壁嵌在外壁的中间段；两细端半径为4mm，长度为15mm，中间段半径为10mm，长度为45mm。工作时，滑油从一侧细端流入，以水平速度Vx从中点位置进入外壁中端，此时受到重力Fg与磁力Fc，沉积过程中还有黏性阻力Fn，磁力、重力与黏性阻力合成力为纵轴方向F，给予碎屑的加速度为aF，外壁中端半径为R，碎屑沉积时间为水平速度恒定，由于不同尺寸碎屑其合力F相差较大，因此不同尺寸碎屑由于沉积时间的不同，可均匀线性沉积在吸附装置内壁上。当水平速度Vx不同时，碎屑沉积所处位置不同，流速过慢会使得大尺寸碎屑沉积位置过近，因此采用流速为1m/s。
综上所述，本发明装置结合滑油碎屑在线检测与分析于一体，且装置简单，易于集成，可用于航空发动机滑油健康监测。
Claims (6)
1.航空发动机滑油碎屑检测与分析一体化设计方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将碎屑检测传感器与磁场式碎屑吸附装置集成于航空发动机滑油系统中，受污染的滑油通过碎屑检测传感器进行碎屑检测，所述碎屑检测传感器实现数据采集；
2)将碎屑检测传感器采集的数据反馈到EEC中，EEC控制吸附装置的工作，吸附滑油中含有的碎屑，并将碎屑沉积固定；
3)飞机停机检修时，取出吸附装置，分析吸附装置上的碎屑可判断发动机中机械部件是否有故障发生。
2.航空发动机滑油碎屑检测与分析一体化设计装置，其特征在于设有碎屑检测传感器和磁场式吸附装置，所述碎屑检测传感器采用圆柱型电容传感器，所述圆柱型电容传感器设有内芯和外芯，内芯和外芯由同轴法兰连接；所述磁场式吸附装置由同轴内壁、同轴外壁和外部电磁铁组成，同轴内壁和同轴外壁之间为活性连接；所述碎屑检测传感器和磁场式吸附装置通过螺栓直接集成于航空发动机滑油系统的管道中。
3.如权利要求2所述航空发动机滑油碎屑检测与分析一体化设计装置，其特征在于所述磁场式吸附装置的同轴外壁采用非导电性材料；所述磁场式吸附装置的同轴内壁采用具有黏附性材料。
4.如权利要求2所述航空发动机滑油碎屑检测与分析一体化设计装置，其特征在于所述外部磁铁采用电磁铁，电磁铁由EEC根据碎屑检测传感器的反馈控制通断，外部磁铁绕同轴外壁旋转。
5.如权利要求2所述航空发动机滑油碎屑检测与分析一体化设计装置，其特征在于所述圆柱型电容传感器的内芯和外芯均采用导电性材料。
6.如权利要求5所述航空发动机滑油碎屑检测与分析一体化设计装置，其特征在于所述导电性材料采用铜，作为电容的两极，内芯和外芯使用同轴法兰实现连接。
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