CN107389349A - 基于气路静电探测的航空发动机气路故障监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于气路静电探测的航空发动机故障监测系统,包括静电传感器和静电采集盒,其中:所述静电传感器用于航空发动机气路异常颗粒静电信号的采集,所述静电采集盒用于将静电传感器所采集到的静电信号转换为电信号。采用本发明的系统可监测出航空发动机异常静电并推测出常规发动机故障监测法不容易发现的气路早期故障,提高发动机工作安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种航空发动机气路静电探测的早期故障监测系统。更具体来说,涉及一种专门探测航空发动机尾喷管中气体高温电离产生的颗粒静电探测系统,由于磨损故障产生的异常颗粒静电或者燃油燃烧不正常等原因将导致航空发动机气路荷电颗粒所携带的静电量超出正常范围,采用本系统可监测出航空发动机异常静电并推测出常规发动机故障监测法不容易发现的气路早期故障,提高发动机工作安全性。
背景技术
现有的排气温度监测等航空发动机气路监测技术难于探测到气路部件的早期故障(如叶片涂层脱落、叶尖烧蚀掉块、燃烧室过烧、叶尖与机匣轻度磨损等),因而机务人员不能及时采取防范措施防止故障恶化,因此迫切需要一项性能可靠、使用方便的发动机气路故障监测技术,在气路部件发生故障的早期就能及其发现故障隐患。
采用航空发动机气路静电监测技术是解决这一问题的有效手端。这是由于在气路故障的早期,气路中会产生大量异常的细小颗粒。这些颗粒穿越电离的高温气体而携带一定的静电,致使故障状态下的气路静电信号超过正常值。基于上述技术原理,本装置可对航空发动机的故障状况做出更加及时、精确的监测,使机务人员可以在故障发生 的更早时期及其发现故障隐患,并采取相应维护措施,将故障消除在萌芽状态。
传统的航空发动机故障监测系统(排气温度监测系统、振动监测系统等)只有在发动机发生较严重故障时才能监测出故障,而此时发动机往往已经受到了较严重的损伤。本发明所采用的航空发动机气路静电探测系统则由于对气路(主要是尾喷管)中的尾气静电含量与气路故障(燃烧不正常导致的碳烟颗粒、叶尖与机匣碰磨导致的磨损颗粒)比较敏感,因而可以基于静电测量而监测航空发动机气路故障,实现燃烧不充分碳烟颗粒、周期碰磨和外来异物等故障的早期预警,确保发动机的工作安全。为航空发动机的气路部件的潜在故障提供更加及时、精确的监测手端,使机务人员可以在故障发生的早期及时发现故障隐患,将故障消除在萌芽状态。
发明内容
本发明的目的是:现有排气温度等技术不能有效检测出航空发动机气路的叶片涂层脱落、叶尖烧蚀掉块、燃烧室过烧和叶尖与机匣轻度磨损等早期故障,针对这一难题,本发明采用航空发动机气路荷电颗粒的静电监测技术,通过开发航空发动机气路静电传感器、设计高精度静电信号采集电路、采用故障诊断算法,开展基于模拟实验台的气路静电监测实验,建立故障诊断判据,最终实现航空发动机气路故障的早期预警,避免发动机事故。
为实现本发明之目的,采用以下技术方案予以实现:
一种基于气路静电探测的航空发动机故障监测系统,包括静电传感器和静电采集盒,其中:所述静电传感器用于航空发动机气路异常颗粒静电信号的采集,所述静电采集盒用于将静电传感器所采集到的静电信号转换为电信号。
所述的航空发动机故障监测系统,其中:静电传感器包括传感器电极、绝缘介质、内部电路和接地外壳。
所述的航空发动机故障监测系统,其中:电极为细长柱形,接地外壳由金属材料制成,所述外壳包裹电极尾部,在电极尾部与外壳之间填充有绝缘介质,信号输出连接件穿过外壳以及绝缘层与电极尾部相连,所述信号输出连接件由金属制成。
所述的航空发动机故障监测系统,其中:电极材料为镍基高温合金,所述电极为细长柱形;所述接地外壳由铜或不锈钢制成;所述绝缘介质包括陶瓷绝缘材料;信号输出连接件由铜制成,形状为柱形。
所述的航空发动机故障监测系统,其特征在于:信号输出连接件上设有螺纹,由螺纹连接导线将静电传导到静电采集盒电路。
所述的航空发动机故障监测系统,其中:静电采集盒电路包括电源电路、前置信号放大及滤波电路、单片机控制电路、无线通信模块。
所述的航空发动机故障监测系统,其特征在于:电源电路包括电源芯片,其将输入端引入的12V电源电压变换为+3.3V信号,并由输出端输出。
所述的航空发动机故障监测系统,其中:电源芯片的输入端接电源,且同时连接电容C1、C2的第一端,C1、C2的第二端接地,电源 芯片的两个输出端同时连接电容C3、C4的第一端,C1、C2的第二接地;所述两个输出端还与电阻R4的第一端连接,R4的第二端与电阻R7第一端连接,R7的第二端接地,R4的第二端和R7的第一端还与电源芯片的电压调节管脚ADJ连接,管脚ADJ与电解电容C9的正极端连接,C9的负极端接地;所述两个输出端还与电阻R1的第一端连接,电阻R1的第二端分别连接电容C5、C6的第一端,电容C5、C6的第二端接地;电阻R1的第一端引出的电压作为VDD电压输出;所述两个输出端还与电阻R5的第一端连接,电阻R5的第二端分别连接电容C10、C11的第一端,电容C10、C11的第二端接地;电阻R5的第一端引出3.3V电压。
所述的航空发动机故障监测系统,其中:前置信号放大及滤波电路中,静电传感器的输出端接电阻R12的第一端,电阻R12的第二端接电容C12的第一端,电容C12的第二端接地,电阻R12和电容C12组成的一阶RC低通滤波电路;电阻R12的第二端接电阻R13的第一端,电阻R13的第二端接运算放大器U2的管脚3,电阻R13的第二端还连接电阻R17后接地;运算放大器的管脚4接地;运算放大器的管脚2连接电阻R8的第一端,电阻R8的第二端接地;U2的管脚1连接电阻R10的第一端,R10的第二端连接R8的第一端,管脚1作为OUTA引出端,用于输出一级放大信号OUTA;U2的管脚8电源,管脚7接电阻R11的第一端,R11的第二端接电阻R9的第一端,R9的第二端接地;管脚6接R9的第一端;管脚5接电阻R18的第一端、接电容C13的第一端、接电阻R15的第一端,R18第二端接地,C13 第二端接地,R15第二端接电容C14第一端、接电阻R16的第一端,C14第二端接地,R16第二端接上述OUTA端,C14第二端与管脚7连接,且C14第二端引出OUTB。
所述的航空发动机故障监测系统,其中:电阻R13,R17和电阻R8,R10组成平衡输入阻抗网络,对静电信号进行线性放大,放大后的信号由引脚1输出得到一级放大信号OUTA;OUTA再经过电阻R16,C14,R15,C13组成的二阶阻容滤波,输入集成运放的引脚5,进行二级放大。
所述的航空发动机故障监测系统,其中:前置信号放大及滤波电路还包括低通滤波电路,该电路包括运算放大器U2A,其管脚2与电阻R3第一端和电阻R4第一端连接,电阻R3第二端接地,R4第二端与U2A输出端U_AD1连接;管脚3与电阻R2第一端和电容C2第一端连接,R2第二端连接电容C1第一端和电阻R1第一端,R1第二端与前置信号放大及滤波电路输出端连接,C1第二端与U2输出端连接,C2第二端接地,管脚1、4分别接负电压和正电压。
所述的航空发动机故障监测系统,其中:所述系统还包括手持终端,用于接收静电采集盒传来的采集结果,对该结果进行处理。
附图说明
图1为基于气路静电探测的航空发动机故障监测系统示意图;
图2为静电传感器结构示意图;
图3为电源电路示意图;
图4为前置信号放大及滤波电路示意图;
图5为低通滤波电路示意图;
图6为贝塞尔、切比雪夫和巴特沃斯三种特性输出曲线。
具体实施方式
如图1所示,本发明的基于气路静电探测的航空发动机故障监测系统包括:(1)静电传感器;(2)静电采集盒电路;(3)终端。
如图2所示,静电传感器用于航空发动机气路异常颗粒静电信号的采集,由敏感元件(即传感器电极)、绝缘介质、内部电路和接地外壳构成。其中电极需要导电性好且需要耐高温;绝缘介质采用绝缘性好的材料,同时具有较好的耐压性和耐高温性,经过研究,我们选用镍基高温合金作为电极材料,所述电极为细长柱形;接地外壳由金属材料(如铜、不锈钢等)制成,用来保护内部电路结构,同时良好接地,屏蔽外来电磁干扰,所述外壳完全包裹电极尾部,且在电极尾部与外壳之间填充有绝缘介质(优选的是陶瓷绝缘材料)。信号输出连接件穿过外壳以及绝缘层与电极尾部相连,信号输出连接件由金属(如铜)制成,为柱形,优选的上面设有螺纹,可由螺纹连接导线将静电传导到后级检测电路。测量时,带电颗粒流经测量电极时,将在静电传感器的近端(尾部)和远端(头部)感应出大小相等、符号相反的电荷,感应电荷量的大小是所有在感应区中颗粒电荷在静电传感器上产生的感应电荷之和。把单个带电颗粒看作点电荷,则点电荷通过测量电极时的感应特性,反映了测量电极自身的传感特性,项目建 立的静电传感器测量模型即是建立在点电荷的基础上。
静电采集盒电路包括电源电路、前置信号放大及滤波电路、单片机控制电路、无线通信模块。
如图3所示,电源电路包括:电源芯片U1(LM317,三端稳压芯片),其将输入端引入的12V电源电压变换为+3.3V信号,并由输出端输出;电源芯片的输入端(管脚3)接12V电源,且同时连接电容C1(10uF)、C2(0.1uF)的第一端,C1、C2第二端接地,所述电容C1、C2的作用为滤波;电源芯片的输出端(管脚2和4)同时连接电容C3(0.1uF)、C4(10uF)的第一端,C1、C2的第二端接地,所述电容C3、C4的作用为滤波;所述管脚2、4还与电阻R4(220欧姆)的第一端连接,R4的第二端与电阻R7(330欧姆)第一端连接,R7的第二端接地,R4的第二端和R7的第一端还与电源芯片的电压调节管脚ADJ连接,R4和R7的作用是通过比例运算,使电源芯片获得所需的输出电压,为后级单片机电路提供工作电压,管脚ADJ将电阻R4和R7比例运算信号输入稳压芯片LM317,可输出需要的电压,管脚ADJ与电解电容C9(220uF)的正极端连接,C9的负极端接地,C9用于滤波,具体容值需实验确定,容量过大,输出电压反应慢;容量过小,滤波效果差,本发明所选用的容值能够得到较好的滤波效果;管脚2、4还与电阻R1的第一端连接,电阻R1的第二端分别连接电容C5(1uF)、C6(0.1uF)的第一端,电容C5、C6的第二端接地,C5、C6的作用为滤波,电阻R1的第一端引出的电压作为VDD电压输出,供单片机等数字电路使用;管脚2、4还与电阻R5(5欧姆)的第一 端连接,电阻R5的第二端分别连接电容C10(1uF)、C11(0.1uF)的第一端,电容C10、C11的第二端接地,C10、C11的作用为滤波,电阻R5的第一端引出3.3V电压,供AD芯片等模拟电路使用;R1和R5的作用是为后续的模拟电路和数字电路分开供电:R1所在支路的电压输出为数字电路供电;R5所在支路的电压输出为模拟电路供电;避免两个电路互相干扰。
如图4所示,为前置信号放大及滤波电路,静电传感器的输出端接电阻R12的第一端,电阻R12的第二端接电容C12的第一端,电容C12的第二端接地,电阻R12和电容C12组成的一阶RC低通滤波电路,用以滤除静电传感器输出的信号(频率一般是低频1.5kHz以下,幅值一般小于10mV)中的1.5kHz以上的高频信号;电阻R12的第二端接电阻R13的第一端,电阻R13的第二端接运算放大器U2(如OPA2188)的管脚3(+INA),电阻R13的第二端还连接电阻R17后接地,运算放大器的管脚4(-VCC)接地;运算放大器的管脚2(-INA)连接电阻R8的第一端,电阻R8的第二端接地,U2的管脚1(OUTA)连接电阻R10的第一端,R10的第二端连接R8的第一端,管脚1还作为OUTA引出端,用于输出一级放大信号OUTA;U2的管脚8(+VCC)接12V电源,管脚7(OUTB)接电阻R11的第一端,R11的第二端接电阻R9的第一端,R9的第二端接地;管脚6(-INB)接R9的第一端;管脚5(+INB)接电阻R18的第一端、接电容C13的第一端、接电阻R15的第一端,R18第二端接地,C13第二端接地,R15第二端接电容C14第一端、接电阻R16的第一端,C14第二端接地,R16第二端接 上述OUTA端,C14第二端与管脚7连接,且C14第二端引出OUTB。上述电路中:电阻R13,R17和电阻R8,R10组成平衡输入阻抗网络,对静电信号进行线性放大,放大后的信号由引脚1输出得到一级放大信号OUTA;OUTA再经过电阻R16,C14,R15,C13组成的二阶阻容滤波,输入集成运放的引脚5,进行二级放大。放大后的信号由引脚7输出得到二级放大信号OUTB。两级放大总放大倍数设计为:一级*二级=47*5=235倍。上述电路中运算放大器各管脚的名称如如下:引脚1-OUTA,放大单元1的信号输出端;引脚2--INA,放大单元1的信号输入负端;引脚3--INA,放大单元1的信号输入正端;引脚4--INA,放大器的电源负端;引脚5-OUTA,放大单元2的信号输入正端;引脚6--INA,放大单元2的信号输入负端;引脚7--INA,放大单元2的信号输出端;引脚8--INA,放大器的电源正端。
由于经前置信号放大及滤波电路输出的信号噪声比较多,因此需要对上述二级放大后的静电信号(由运算放大器U2管脚7输出)进行低通滤波,如图5所示,为低通滤波电路(二阶巴特沃斯低通滤波器),该电路包括运算放大器U2A,其管脚2(负极输入端)与电阻R3第一端和电阻R4第一端连接,电阻R3第二端接地,R4第二端与U2A输出端U_AD1连接;管脚3(负极输入端)与电阻R2第一端和电容C2第一端连接,R2第二端连接电容C1第一端和电阻R1第一端,R1第二端与前置信号放大及滤波电路输出端连接,C1第二端与U2输出端连接,C2第二端接地,管脚1、4(负电压输入端、正电压输入端)分别接-12V电压和+12V电压。
图5滤波电路的信号传递函数公式如下:
A表示输入信号,A(s)表示经过信号处理网络后的输出信号;
S是为了采用复数对信号变换进行处理而引入的,s=j*2*pi*f;
系数a1,b1取表1中所列的对应系数,可以获得对应的输出信号特性,如贝塞尔输出曲线或者巴特沃斯输出曲线。
a1,b1的值分别取表1的值,可分别得图5输出的贝塞尔、切比雪夫和巴特沃斯三种特性输出曲线,结果如图6所示。发现切比雪夫特性在接近截止频率fk时会由于放大倍数突变而导致采集失真;贝塞尔特性对高频干扰信号衰减较少但对有用的低频信号衰减较多;故选择巴特沃斯特性来确定滤波电路的元件参数。
表1 Sallen-Key型二阶有源低通滤波器系数
贝塞尔 | 切比雪夫 | 巴特沃斯 | |
a1 | 1.3617 | 1.065 | 1.4142 |
b1 | 0.618 | 1.9305 | 1.000 |
U2A输出端U_AD1接单片机控制电路,单片机控制电路板选用单片机(如C8051F060单片机)实现静电信号AD采集、与外界通信等。该单片机主频24.5MHz,本发明采用该单片机片内集成的16位、1Msps的ADC模块进行静电信号采集,并通过单片机的高速串口将采集结果发送到无线通信模块,再由无线通信模块发给手持终端内的无线模块。其中,单片机利用自身嵌入的16位模数采集模块对输入的模拟电压,进行数字转换。并对转换后的数字进行中值滤波处理:连 续采集14次模拟电压,丢弃第一次采集结果;对后续采集的13次结果按照从小到大的升序排列;再对中间的3次采集结果求均值。这样可以很好地滤除电磁干扰。
手持终端是基于ARM11的硬件平台、Windows CE6.0系统平台的高性能手持数据终端,其无线模块接收到采集结果后,对该结果进行处理。终端将接收到信号与预先设定的故障数据库中的数据进行比较,以进行故障判断,例如根据信号采集结果与前期测量的已知故障特征对比,分析存在的故障,例如:(1)燃烧不正常,碳烟颗粒静电信号异常;(2)碰磨故障,产生的异常铁粉颗粒静电信号异常。若有故障,则首先判断故障部位,然后根据系统的分析结果进行相应的维护和修理,并将该故障检测结果存入故障数据库,供后续监测、分析使用。若无故障,则返回并继续进行故障监测。
Claims (7)
1.一种基于气路静电探测的航空发动机故障监测系统,包括静电传感器和静电采集盒,其特征在于:所述静电传感器用于航空发动机气路异常颗粒静电信号的采集,所述静电采集盒用于将静电传感器所采集到的静电信号转换为电信号。
2.根据权利要求1所述的航空发动机故障监测系统,其特征在于:静电传感器包括传感器电极、绝缘介质、内部电路和接地外壳。
3.根据权利要求2所述的航空发动机故障监测系统,其特征在于:电极为细长柱形,接地外壳由金属材料制成,所述外壳包裹电极尾部,在电极尾部与外壳之间填充有绝缘介质,信号输出连接件穿过外壳以及绝缘层与电极尾部相连,所述信号输出连接件由金属制成。
4.根据权利要求2所述的航空发动机故障监测系统,其特征在于:电极材料为镍基高温合金,所述电极为细长柱形;所述接地外壳由铜或不锈钢制成;所述绝缘介质包括陶瓷绝缘材料;信号输出连接件由铜制成,形状为柱形。
5.根据权利要求4所述的航空发动机故障监测系统,其特征在于:信号输出连接件上设有螺纹,由螺纹连接导线将静电传导到静电采集盒电路。
6.根据权利要求1所述的航空发动机故障监测系统,其特征在于:静电采集盒电路包括电源电路、前置信号放大及滤波电路、单片机控制电路、无线通信模块。
7.根据权利要求6所述的航空发动机故障监测系统,其特征在于:电源电路包括电源芯片,其将输入端引入的12V电源电压变换为+3.3V信号,并由输出端输出。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20171124 |