智能飞机发动机健康管理的传感器要求

1、智能飞机发动机健康管理的传感器要求王 萍1. 概述NASA和美国国防部正在开展支持未来“智能”飞机发动机的项目，目的是增强飞机推进系统的经济可承受性、性能、操作性、安全性和可靠性。NASA的目标包括：1）降低飞机致命故障率和空运系统对威胁的易损性；2）通过降低飞机噪音和排气量，保护当地和全球环境质量；3）更快、更远、更及时地运送更多的人和货物。智能发动机将要求先进的推进控制和健康管理（PCHM）能力，它包括传感器、诊断和预测、自适应/主动控制以及综合控制和诊断，从而使这些发动机在当前发动机状态或当前飞机任务基础上，具备自诊断、自预测及自适应优化性能。PCHM技术还在美国国防部通用经济可承受的先

2、进涡轮发动机（VAATE）项目中发挥着重要作用。要获得这种智能发动机，主要依靠准确地采集用于发动机控制和健康管理所必要的数据，因此传感器技术是PCHM的基础。2. 先进的健康管理技术和传感器要求智能飞机发动机要求先进的健康管理功能，以便准确地评估当前的发动机健康和预测发动机剩余寿命。结合这些信息与发动机的预期使用情况，将能够实现最佳的进度规划并获得最佳的维修性能。诊断和预测是一个飞机发动机健康管理系统的关键要素。诊断是评估该系统的当前状态并检测和隔离故障。预测是预计剩余的系统/部件寿命。来自先进传感器、算法和寿命使用监测技术的新信息正在使未来智能飞机发动机预想的先进健康管理功能成为可能。图1给

3、出了一个概念发动机健康管理系统。一个推进系统管理器综合了所有的PCHM功能。它接收发动机指令输入，并送入发动机控制；它将发动机健康信息传输到一个飞行器管理计算机；并且，如果有必要，它还基于当前的发动机健康状态重新配置或适应发动机控制。图1发动机健康管理架构下面具体讨论飞机发动机的健康管理技术和相关的传感器要求，特别是气路性能诊断、结构健康监测和预测领域。（1）气路性能诊断和传感器要求气路分析是通过对气路测量参数（如温度、压力和旋转速度）的变化以及这些参数和部件性能的内在关系的解析，来评价发动机部件健康。近几年来气路分析已经被用于地面应用中，来发现发动机性能趋势和实施故障诊断。性能诊断以及性能诊

4、断与自适应控制的综合在智能发动机设想中发挥着重要作用。而气路传感器的准确性、一致性和可靠性方面的改进将直接影响性能诊断和基于模型控制技术的提高。同样由于恶劣的工作温度条件，在发动机气路分析的某些地方还没有可用仪器。随着高温传感能力的提高，有望能够研制出适应这些环境的传感器。对这些位置的增加测量将进一步加强气路分析技术的准确性。除了传统的气路压力和温度测量，对额外参数的传感能力将有利于诊断发动机性能故障。例如，可利用气路碎片监测传感器来监测和量化发动机吞咽碎片及其携带电荷。这类传感器采用了一种静电技术来监测和量化发动机中存在碎片的数量。当这些传感器被安装到发动机进气道时，它们将能够检测外来物体或

5、吞咽碎片。而安装在靠近发动机排气管道的其它碎片监测传感器则能够检测涡轮叶片、耐磨带、密封条等疲劳产生的碎片、涡轮叶片/导向器叶片的振动和燃烧产生气体的变化。对这类传感器的要求包括设计费用、重量、尺寸和可靠性以及便于维修。（2）结构与机械部件健康管理和传感器要求传统的飞机发动机健康监测系统限制了振动诊断和滑油系统监测领域的功能。今天的飞机上通常没有处理高频加速计测量的机载信号处理能力。未来设想增加多种分布在发动机上的低成本高频振动传感器以及处理器，执行相关的信号处理。这有助于实现故障的早期检测，并提高系统故障的隔离率。目前通过振动诊断可以检测的故障包括轴承故障、涡轮叶片故障、齿轮故障、外物损伤、

6、轮盘裂纹和轴裂纹。诊断这类故障的振动频率取决于部件的设计和旋转速度。例如，可以通过周期冲击（以滚动传动频率发生，这一频率可以根据轴承几何形状和转动速度来估计）监测来诊断轴承缺陷（如，滚珠、内圈和外圈故障）。而飞机发动机的滑油系统监测通常在飞行后由光谱油液分析项目执行，它分析按照规定间隔在发动机中采集到的油液，通过这个过程分析油液的化学组成，并检查油液中存在的污染物或颗粒。因此不具有实时性。未来预想是在发动机滑油系统中增加多个低成本在线油液磨粒监测传感器，提供增强的故障隔离功能，以及区分磨粒大小和成分（含铁或不含铁颗粒）的能力。油液磨粒监测传感器监测发动机油液系统中存在的金属颗粒的碎片检测器。如

7、果发动机机械部件发生磨损或破碎，就产生了金属颗粒并被释放到系统油液中。碎片检测器传感器中包含一个可以吸附油液中所有金属颗粒的磁铁。当一个颗粒被吸附到碎片检测器上时，就接通一次电路，从而给出一个检查发动机的告警。此外，涡轮叶片监测传感器也将是一种可能的先进结构和机械健康监测传感器，它用来测量叶片叶尖间隙并提供叶片定时（time of arrival）功能。用于叶片健康监测的候选传感技术包括涡流、电容和光学传感器。除了监测叶片健康外，这些传感器还可能用于主动间隙控制、轮盘裂纹检测和精确的转速测量中。（3）分布式、故障容限控制技术和传感器要求传统的飞机发动机控制结构包括一个中央发动机控制计算机，它具

8、有同发动机控制传感器和作动器的模拟接口。未来智能飞机发动机所预想的主动部件控制和先进健康管理技术将要求在系统中新增加一些传感器和作动器，这些增加的传感器和作动器又将带来线束电缆的增加，从而会大大提高系统的总体重量和费用。解决这个问题的一个方法是将传统的控制架构（所有的控制、数据采集和信号处理逻辑宿驻在一个集中的控制计算机中）转变成一个分布式控制架构，在这种架构中系统功能存在于智能、轻型、分布式的部件中。分布式部件可以通过一个简单的通信和电源总线或一个无线通信架构相互连接，从而大大减少需要的电缆。这种分布式控制架构的益处还包括易于查找故障并更换发生故障的外场可更换单元。同时，这种控制体系将需要具

9、有输入信号调理、输出设备驱动电路、自校准、处理功能、机内测试功能和通信总线接口的“智能”传感器和作动器。（4）发动机传感器通用要求任何考虑引入到下一代飞机推进系统中的新的“智能发动机”技术必须相对当前的技术提供切实的益处，以便于最终转换成产品。对于所有增加到发动机上的新型传感器，需要考虑的问题包括它们能否以较高可靠性忍受飞机发动机的恶劣环境（高温）。传统传感器设计中使用的某些材料无法适用于这种环境，因此新的设计中要采用其它材料或采取创新外置或非直接测量技术。用于健康监测用途的传感器需要比它们监测的故障更可靠，同时还必须满足许多实时性要求，否则新技术的引入不仅不能加强反而会削弱系统的可靠性。民机

10、发动机的大修前时间间隔通常为500010000小时，并期望未来能进一步提高，因此发动机传感器至少能够具有相近的或更长的在翼寿命。除了可靠性，对新技术还有成本、重量和尺寸限制。任何新型传感器的制造、微型化和封装都是关键问题。没有作动和处理功能的相应提高，高度测量仪器化的发动机将不具备经济可承受性。在传感器设计中综合局部智能（如自诊断、自标定和处理功能）的智能传感器目前被认为是降低硬件尺寸和重量增加的一种方法。此外，对安装在发动机上的传感器的要求还包括必须具有易达性，便于维修人员检查或更换。3. 小结飞机发动机是一个复杂的系统，需要充分监测以确保飞行安全性和及时维修。发动机健康管理（EHM）是飞机总体故障预测与健康管理（PHM）PHM的一个基石，而传感技术又是发动机健