航空发动机气路故障静电监测方法及系统研究

摘要

航空发动机气路部件长期处于高温、高压的工作环境中，其故障率一直居高不下，气路部件故障是引起发动机严重事故的主要诱因之一。同时，航空发动机健康管理系统对于诸如气路静电监测技术等新型状态监测技术具有着强烈的需求，正逐渐成为研究热点。本文以航空发动机气路故障静电监测作为研究主题，开展了静电传感器设计理论、静电信号预处理方法及特征参数体系、发动机气路故障模拟静电监测实验、若干热端部件故障模拟静电监测实验、气路异常状态在线监测方法、气路故障监测方法及应用等方面的研究。论文的主要工作和成果如下：
　　（1）根据发动机气路中带电颗粒的多电荷静电感应原理，研究了设计静电传感器时所需的功能模型、测量电路以及物理测量模型，形成可指导静电传感器设计制造的理论框架。设计了三款应用于航空涡喷发动机地面试车的静电传感器，并成功应用于数百小时的航空发动机地面试车中。组建了航空发动机气路故障静电监测系统实现在地面试车过程中持续在线监测发动机气路部件状态以及预警气路故障，为试车人员采取终止试车、检查排故等工作提供了必要的支持信息。
　　（2）建立了一套静电信号预处理方法，为气路故障静电监测系统在线计算静电监测信号的特征参数奠定基础。为了解决系统运行过程中实现在线连续计算静电电荷信号的问题，开展了静电电荷信号计算方法研究。利用实测的航空涡喷发动机静电监测信号开展静电信号特征提取方法研究，形成了应用于反应气路静电水平变化情况的特征参数体系。
　　（3）开展了航空发动机气路故障模拟静电监测实验研究。利用自行设计制造的两款航空发动机碰摩故障模拟静电监测实验台开展了多叶片—机匣碰摩故障模拟静电监测实验，整周碰摩故障模拟静电监测实验，局部碰摩故障模拟静电监测实验的研究工作。利用自行研制的热端部件故障模拟实验设备开展了发动机冒烟故障模拟静电监测实验，燃烧故障模拟静电监测实验、热端部件烧蚀掉块故障模拟静电监测实验研究，分析了热端部件故障时多个静电信号特征参数的变化情况。
　　（4）首次开展了航空涡喷发动机静电监测实验，获取了大量的发动机气路静电监测原始数据，以静电电压信号均方根值作为单一参数建立了静电健康基线模型。由于存在静电水平随航空发动机工况变化的问题，建立航空发动机多工况下的静电健康基线模型组。为了解决制造或使用等原因导致的发动机的气路静电水平存在个体差异的问题，开展了静电自适应健康基线的研究，提出了静电自适应健康基线更新方法和需遵循自适应更新策略，实现大时间尺度下的气路异常状态静电在线监测。
　　（5）研究了应用于耐久性试车过程的多参数静电自适应健康基线模型，在线监测试车过程中出现的气路故障。根据获取的故障信号详细分析了在实际试车过程中出现气路滑油泄露、燃烧室积碳、发动机异响故障时静电信号特征参数的变化规律。为了减少气路故障静电监测系统的计算量和硬件资源需求，研究了航空气路故障静电监测过程中的预警策略问题。以更换密封圈、清除积碳维修活动前后气路静电电荷信号特征参数变化分析为基础，研究了维修活动对气路静电水平产生的影响，探索了从气路静电水平角度分析维修活动效果的可行性。

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缩略词

第一章 绪论

1.1研究背景及课题来源

1.2航空发动机状态监测技术综述

1.3航空发动机气路静电监测技术综述

1.4本文研究路线与章节安排

第二章 航空发动机气路故障静电监测系统研究

2.1引言

2.2气路中带电颗粒来源分析

2.3颗粒荷电机理

2.4静电传感器设计理论与实物

2.5航空发动机气路故障静电监测系统

2.6本章小结

第三章 气路静电信号预处理及特征提取方法研究

3.1引言

3.2气路静电信号预处理方法

3.3静电电压信号特征分析研究

3.4静电电荷信号特征分析研究

3.5本章小结

第四章 碰摩故障模拟实验台及静电监测实验研究

4.1引言

4.2碰摩故障机理分析

4.3静电感应技术应用于航空发动机碰摩故障监测的可行性分析

4.4应用于气路静电监测实验的碰摩故障模拟实验台研制

4.5整周碰摩故障静电监测实验研究

4.6局部碰摩故障静电监测模拟实验研究

4.7本章小结

第五章 热端部件若干故障模拟静电监测实验研究

5.1引言

5.2热端部件故障分析

5.3热端部件故障模拟实验装置

5.4发动机冒烟故障模拟静电监测研究

5.5异常燃烧故障模拟静电监测研究

5.6热端部件烧蚀掉块故障模拟静电监测研究

5.7本章小结

第六章 航空发动机气路异常状态在线静电监测研究

6.1引言

6.2航空涡喷发动机静电监测实验环境

6.3静电健康基线模型研究

6.4大时间尺度下的发动机气路异常状态监测研究

6.5本章小结

第七章 耐久性试车过程中气路故障静电监测应用研究

7.1引言

7.2多参数静电自适应健康基线模型

7.3试车过程中发动机气路故障静电监测应用研究

7.4气路故障预警策略

7.5航空发动机维修活动对气路静电电荷水平的影响分析

7.6本章小结

第八章 总结与展望

8.1论文研究总结

8.2未来工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文