静电感应技术在航空发动机气路状态监测上的应用研究

摘要

航空发动机气路静电监测技术是一种新型发动机状态监测技术，能够监测到传统监测技术很难监测的发动机气路部件故障，并能提供故障早期预警信息，为发动机状态评估与剩余寿命预测提供支持。论文在以往研究成果的基础上，开展了气路静电监测实验研究；设计了静电传感器，搭建了模拟实验平台，在模拟实验环境和某型航空涡轴发动机台架上分别开展了实验研究；开展了工频干扰消除方法研究；建立了叶片-机匣碰摩静电检测模型，并验证了其有效性。发动机气路静电监测技术实验研究为开发具有我国自主知识产权的气路静电监测技术以及建立未来我国大型飞机发动机的健康管理和维修保障体系提供了依据和支持。论文的主要工作及创新点如下：
　　 1、分析了气路颗粒产生机理与荷电机理；根据目前气固两相流中常见的环状和探针式静电传感器，结合发动机特点设计并研制了气路静电监测传感器；搭建了发动机气路静电监测模拟实验环境和测试系统，利用铁粉颗粒和石墨颗粒模拟气路故障颗粒产物，分别在常温和高温条件下开展了气路静电监测模拟实验，针对带电颗粒物性质对监测的影响，对比了不同材料、不同浓度和不同粒径下的静电监测信号变化及其特点。
　　 2、在某型航空涡轴发动机上开展了发动机尾气静电监测实验研究，根据实测的107小时有效监测数据和试车记录参数，分析了发动机输出轴功率对尾气静电信号及特征参数的影响，分析了发动机燃烧效率正常衰退对静电特征参数的影响，结合功率和燃烧效率的影响，确定了实验发动机尾气静电特征参数基准线；分析了两次发动机水洗对尾气静电监测时域信号、特征参数和总体趋势的影响；验证了静电特征参数基准线检测发动机水洗的有效性。
　　 3、针对发动机气路静电监测信号中存在工频干扰的问题，开展了消除工频干扰方法研究。分别采用陷波器法、自适应滤波器法和独立分量分析法进行了工频去除；在进行基于独立分量分析的工频干扰消除研究中，为解决欠定ICA问题，构造了相互正交的两路工频参考源，获得了良好的效果；三种方法的处理结果显示基于独立分量分析的工频干扰消除方法是最合适的方法。
　　 4、针对发动机气路典型的叶片碰摩故障，分析了叶片与机匣碰摩故障发生的原因和机理，讨论了碰摩颗粒物产生与荷电机理，推导了转子碰摩周期性碰撞运动存在性，推导了直线运动点电荷静电感应信号，在此基础上给出了周期碰摩静电感应理论模型，利用几组不同条件下的模拟实验定性的验证了模型的有效性。