航空发动机状态监测技术教学课件

航空发动机状态监测技术第一节航空发动机状态监测概论思想来源于医学健康监测医护人员工程师机器人健康监测医学健康监测与诊断机械设备状态监测与诊断建立病历档案建立设备健康档案视、触、叩、听、嗅听、摸、看、闻听心音、做心电图振动与噪声监测量体温温度测量验血、验尿油液分析量血压应力应变测量X射线、超声检查无损检测技术状态监测与故障诊断一、航空发动机状态监测发展历程飞机故障中航空发动机故障占比很大，占60%左右。制造商和用户采用监控技术对发动机部件工作状态、参数监控。监测技术发展史，四个阶段

1、人工记录飞机稳定巡航状态，记录驾驶舱仪表数据，录入计算机，利用软件进行分析。缺点：易出错，数据少，存在时差。2、机载记录数字飞行记录仪或快速记录器连续记录的数字重放。缺点：获得的数据有限。3、飞机状态监控系统飞机状态监控系统连续监控飞行数据链。缺点：初期投入费用高。4、实时监控和人工智能新的状态监控系统。系统化的数据采集，单个的点参数改变为趋势参数，计算机网络使数据构成数据库。二、航空发动机监测技术的意义监测技术使得航空发动机能够采用基于状态的视情维修策略。1、及时判定故障原因和预防故障发生2、提高发动机的性能和利用率3、提高安全性4、有效、灵活组织维修5、合理制定下发和送修计划6、经济、准确控制备发数量三、航空发动机主要监测技术状态监测方式针对不同的监测对象1、油液2、磨损颗粒监测和分析3、振动4、温度5、性能6、噪声7、目视检查和其他航空发动机的状态监测技术：基于气路参数分析的监控技术、发动机转子系统的振动诊断技术、基于滑油分析的发动机磨损状态诊断技术、发动机内部气路部件的孔探监测技术等。第二节航空发动机磨损状态监测技术一、概述航空发动机磨损状态监测技术是发动机状态监测与故障诊断的主要方法之一。航空发动机上广泛使用轴承和齿轮来支撑转动转子的传递功率，部件在发动机运转过程中，存在摩擦。发动机利用滑油对各种工作部件进行润滑和降温，工作部件磨损时，磨粒进入滑油，因此可监测滑油中磨粒监测机件的磨损，揭示磨损机理，诊断磨损过程和磨损类型。航空发动机系统检测包括：1、滑油消耗率及消耗量监控滑油消耗率消耗量监控：滑油箱上配有油尺或目视镜，驾驶舱滑油量指示2、滑油中的金属屑分析两种方式：在线监测，可使用信号式油滤或磁性探测器；离线实验室分析，铁谱分析或光谱分析。3、滑油理化品质状况分析主要针对油本身进行的分析。在长期使用过程中滑油可能被氧化、酸化、分解,或被燃油稀释,从而改变它的特性,影响滑油效果。通过观察滑油颜色的变化或在试验室中的化学分析,可判断滑油是否变质。新鲜航空滑油的颜色较明亮,使用后由于氧化所生成的胶质及沉淀的影响,会使滑油变暗。如果滑油氧化强烈,它就变为淡红色。严重过热时,还可能闻到滑油烧焦的味道,且它的里面还会有小的黑颗粒,而使滑油变成暗黑色。监测的目的：

1、测定油品2、通过鉴定油品，判定油液好坏3、油液中磨损产物4、油液分析，预测滑油系统潜在的故障二、磨损原理磨损过程：磨合阶段、正常磨损阶段、严重磨损阶段。对应的故障：早期故障、偶然故障、损耗故障。磨损发生过程不同机理，磨损分为：1、粘着磨损：部件摩擦表面微凸体由于应力产生塑性变形，塑性表面在载荷的作用下粘着形成结合焊点，结合焊点有可能转移或被撕下形成粘着磨损颗粒。2、磨料磨损：一个面同其匹配面坚硬微凸体之间的接触造成的材料损失或转移。3、疲劳磨损：两接触面做滚动或滑动时，由于应变力的作用，接触表层金属塑性变形产生裂纹，裂纹扩展后形成剥落。4、腐蚀磨损：金属与周围物质发生化学反应。5、冲蚀磨损：含有硬质粒子流体冲刷造成。磨损颗粒分类1、按磨粒成分分类：金属磨粒和非金属磨粒。2、按磨粒形状分类：正常滑动磨粒、严重滑动磨粒、切削磨粒、疲劳剥块磨粒、层状磨粒、球状磨粒和氧化物磨粒。3、磨粒的形态特征：不同的磨损形式产生不同的磨粒形态特征。三、滑油磨粒分析技术1、滑油磨粒铁谱分析技术铁谱分析原理：将滑油样品中的磨损粒子磁性沉积到特制的玻璃基片上，利用光密度计、电子扫描显微镜、铁谱分析镜等各种精密仪器对沉积的磨粒进行观察或精确测量，根据表面外貌特征、颜色特征、粒度分布判定摩擦和磨损状态。1972年Foxboro制造世界上第一台铁谱仪铁谱分析系统组成：磨粒制谱仪、铁谱显微镜、CCD摄像机、图像采集卡、微型计算机、图像监视器等。

南京航空航天大学1997年研制出智能化铁谱分析仪。铁谱分析步骤1、取样2、制谱3、观测与分析4、结论铁谱分析技术特点1、可从油样中沉淀出1-250um尺寸范围内的磨粒并进行检测，因此能及时准确跟踪机器的磨损变化。2、能进行直接观测，并对沉淀磨粒形态、大小、其他特征进行研究，掌握摩擦表面磨损状态。3、对磨粒成分分析识别，判定磨损部位。2、滑油磨粒光谱分析技术原理：根据特征谱线对元素进行定性分析；根据特征谱线强度变化对元素进行定量分析。光谱仪组成：光源和照明系统、分光系统、探测接收系统、传输存储显示系统。3、滑油磁塞监测系统原理：将磁性塞头插入润滑系统通道，油液流经时，磁性颗粒吸附于磁塞上。磁塞的构造1-封油阀；2-磁塞；3-凸轮槽滑油监测技术优点缺点铁谱分析技术成熟，磨粒适用范围磨粒为磁性20-200um光谱分析精度高，不易受外界影响技术要求高，设备精度要求高磁塞检测技术要求低，耗费少监测范围有限精度不高第三节航空发动机振动监测技术一、概述发动机高低压转子由盘、轴、叶片等零部件组装而成，在运行时会存在不平衡，因此产生振动信号。振动信号是发动机状态监控与故障诊断过程中常见的数据。二、发动机振动机理及超限的原因发动机由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管组成，涡轮和压气机为旋转部件，连成一体，振动通过轴承和发动机承力结构传到发动机，引起发动机的振动。发动机振动可分为：转子振动、轴承振动、整机振动等。数据表明发动机振动常见的故障：1、转子不平衡原因：一是零件本身缺陷；二是零部件磨损。2、转子不对中原因：装配过程中不对中。3、碰摩原因：一工作叶片部分损坏或折断；二工作叶片安装不合适；三转子上部件丢失；四工作叶片或转子变形；五转子轴承不同轴或磨损；六轴连器安装或连接螺栓拧紧不当。4、压气机的喘振非正常工况下气流沿压气机轴线方向发生的低频率（通常有几赫或十几赫）、高振幅(强烈的压强和流量波动)的气流振荡现象。喘振的现象发动机的声音由尖哨转变为低沉；发动机的振动加大；压气机出口总压和流量大幅度的波动；转速不稳定，推力突然下降并且有大幅度的波动；发动机的排气温度升高，造成超温；严重时会发生放炮，气流中断而发生熄火停车。喘振的发生机理钝体附面层分离现象2、S点近壁面速度梯度为0，分离点3、S点后压强增加，主流在逆压作用下形成回流并形成脱体涡E钝体附面层分离原因及条件附面层流动是：惯性力、压力能、粘性力的平衡。1、M点处过流断面最窄，速度最大圆柱绕流卡门涡街圆柱绕流不同雷诺数的形态变化1911年匈牙利冯卡门探究了该现象，所以称之为卡门涡街。卡门涡周期性脱落，其频率为其中St为斯特劳哈尔数（300＜Re＜3*105，St=0.2

）附面层的分离的影响1、附面层分离，压差阻力增加。2、大攻角机翼上边界层分离造成边界层失速。3、发动机叶片上的气流分离造成喘振。4、涡街振动等。因此控制边界层分离对增升、减阻、减振具有重要意义。◆控制附面层分离的措施1、分离点的位置靠后流动阻力小，而分离点位置与流动状态与物面形状有关。改变物面形状，流线型光滑物面-----层流段延长。2、若附面层分离不可避免时，还可通过增加边界层内的流体流量，如吹气、吸气、前缘缝翼减小分离区域。高尔夫球进化史层流附面层更易分离，而湍流边界层不易分离，改变物面粗糙度,分离点后移，尾迹变窄。三、振动监测系统的组成振动监测系统：预处理、报警和结果输出、数据库、数据采集、数据传输和通信及监测分析。振动监测过程：振动测量、振动信号处理、故障特征提取、状态识别。振动监测系统的主要功能：1、数据存储与显示。2、系统的信号分析与处理3、数据管理1、振动测量:①振点：传统做法是振点选择在外部机匣上，新型发动机振点转移至内部转子支撑点。②参数：振动位移、振动速度、振动加速度。2、振动测量方法:名称原理优缺点及应用电测法被测对象振动量转换为电量灵敏度高，便于分析，但易受磁场干扰。目前最广泛的方法机械法利用杠杆原理将振动量放大抗干扰力强，给工件加负载，低频大振幅振动及扭振的测量光学法利用光杠杆原理、读数显微镜、光波干涉原理等进行测量精度高，不受磁场干扰，易于对质量小及不易安装传感器的部件。精密设备、传感器、测振仪中使用广泛3、航空发动机振动测量系统1、振动传感器电动式速度传感器，产生的电信号与振动速度呈正比随技术更新已淘汰；压电加速度计根据压电效应设计，电信号与振动加速度成正比。2、振动测量分析仪分析仪有四类：①最简单的振动测量分析仪②专门设计的自动跟踪转速滤波技术的振动测量分析仪③运用快速傅里叶变换技术的数字式振动信号分析仪。国外发展较快。④机载发动机数字式振动监视仪，分析加速度计所测的信号并生成及存储发动机振幅和相位的数据。波音、空客、麦道均MICROTRAC的仪器。第四节航空发动机气路监测技术一、概述气路系统部件是航空发动机核心部件，包括压气机、燃烧、涡轮。在发动机起飞和巡航阶段分析气路参数（压力、发动机进气温度、发动机排气温度EGT、燃油流量、转子转速等）与厂家提供的参

数比对，判定发动机状况。二、发动机性能衰退原因：1、从发动机设计角度分析：①空气泄漏：转子叶片尖部与机匣之间；静子叶片与转子之间。②轮廓改变：流路中前向台阶的改变引起激波损失。③表面粗糙度2、从发动机使用角度分析：①核心机气路原因：压气机、燃烧室、涡轮个别单元体或整体效率下降，排气温度升高。②燃油系统的原因：喷嘴积碳或安装位置误差使雾化不良产生局部超温，燃油计量装置发生故障使EEC检测产生误差使油量增大。③故障方面原因：起飞滑跑时喘振、撞鸟或外来物使叶片受损、启动过程中提早关闭放气活门。④人为因素原因。⑤外部物理环境变化原因：严寒情况下启动、空气中盐分、水分、微尘含量过高等。三、温度监测技术发动机排气超温是航空发动机使用过程中危害较大的故障，常采用EGT裕度监控。测量方法：①热电偶测温法：热电效应。随着温度梯度由高温向低温区移动，产生电流或电荷堆积现象。②辐射测温法：通过收集某一表面的热辐射能量电磁波传递给探测器以产生正比于辐射强度的电信号，换算后得知温度。③光纤测温法：光经过光纤到达传感器的热敏材料部分，传感器反射回脉冲信号，信号经处理分析确定温度。第五节航空发动机无损检测技术一、概述无损检测技术是指对机器零部件和结构件进行非破坏性检测，以期发现表面和内部缺陷的一项技术。飞机结构和部件由各种不同的金属和非金属材料构成，针对不同部位和不同类型金属，需要采用不同的方法。常用的方法包括内窥镜孔探、渗透、磁粉、涡流、超声波、射线等。由于各种无损监测技术都有其范围和局限性，因此新的无损检测技术一直在被开发。二、内窥检测技术医用内窥镜内窥技术利用光学原理：将密封物体内部的状态传出来，再对光学图像评估、检测、诊断。发展史：1806年德国人philipp

bozzini发明光导器、1921年以色列人george

Scrampton研制出了世界上第一台工业硬杆式内窥镜、随后以挠性光导纤维为导光、传像的第二代内窥镜、第三代电子内窥镜。现代硬杆式内窥镜构造原理图软管式光纤内窥镜的结构原理图软管式电子内窥镜的结构原理图意义：发动机气路关键部件如高压压气机、主气流通道部件、高、低压涡轮叶片等不易拆卸而且检验可达性较差，因此内窥技术在航空发动机维修诊断中发挥重要作用。内窥技术在发动机维护中具体的应用–定期规定的孔探检查–突发事件后的检查–故障监控三、涡流检测技术利用电磁感应原理，通过检测被检工件内感生涡流的变化来无损地评定导电材料及其工件的某些性能，或发现缺陷的无损检测方法。·涡流：当导电体靠近变化着的磁场或导体作切割磁力线运动时，导电体内必然会感生出呈涡状流动的电流，即所谓涡流。该技术常用于导电材料的表面和近表面缺陷检查，对应力腐蚀裂纹和疲劳裂纹检查灵敏度很高。一般使用高频涡流仪检测表面凹痕、裂纹、蚀坑；低频涡流仪检测内侧表面的腐蚀和表面下一定深度的裂纹。涡流检测技术的优点：1、疲劳裂纹和应力腐蚀是飞机结构部件常见的问题，涡流检测技术对这两种裂纹较敏感；2、涡流检测法不必去除表面漆层，检测方便；3、涡流仪探头较小，飞机上搭建部位的螺栓孔、铆钉孔周边裂纹检测方便；4、飞机很多部件可使用涡流仪进行原位检测，不必拆卸结构部件。涡流检测技术的缺点：1、仅限于导电材料的检测2、只能检测表面或近表面的缺陷3、大面积检测效率低，对形状复杂试件难做检查4、必须了解缺陷的方向才能取得较好检查效果，影响因素较多。四、超声检测技术原理：利用超声波的发射和反射的原理进行检测。声波在某种材料中声速固定，因此试件缺陷时，声波波速随材料声阻抗的变化而变化，并在该点产生回波，通过测量回波时间获得缺陷位置信息。作用：一、测厚；二、测裂纹。优点：1、可检测内部缺陷位置、大小、埋深、性质等；2、适用于金属、非金属、磁铁、非磁铁等各种材料；3、可用于测厚等缺点：五、渗透检测技术原理：将溶剂施加在被检测工件表面，清洗后施加显像剂，紫外灯或白炽灯下进行观察，缺陷处发出荧光。常用于监测非松孔性金属和非金属材料表面开口缺陷。方法荧光渗透法：采用含荧光材料的渗透液的检测方法。它用紫外线进行照射，使缺陷显示痕迹而发出黄绿色的光线，本方法的观察必须在暗室中采用紫外线灯（不可见光）来进行。着色渗透法：采用含红色染料的渗透液的检测方法。它在自然光下或在白光下可以观察出红色的缺陷显示痕迹，只要在明亮的地方，不管在室内还是室外都可以进行检测。渗透显示图像分析连续线状断续线状圆形显示小点状显示连续线状显示：主要由裂纹、冷隔、锻造折叠等缺陷引起。断续线状显示：是工件进行磨削、喷丸、锻造及其他机加工时，原本表面上的线性缺陷被堵塞，显示出断断续续的线状显示。圆点显示：由铸件表面的气孔、针孔或疏松以及一些较深的裂纹产生。小点状显示：由气孔、显微疏松产生。渗透检测法在航空维修中的应用1、金属和非金属材料表面开口缺陷2、各受力部件3、检查腐蚀部位清除的彻底程度优点：1、不受工件尺寸大小、几何形状、内部结构、成分和缺陷限制，一次操作可同时检查表面开口全部缺陷；2、经济、操作简单，缺陷显示直观，灵敏度高；3、可用于在位和实验室检查缺点：1、仅适用于表面缺陷的检查，无法显示缺陷深度及内部形状、大小等；2、无法对多孔材料进行检测；3、对表面清洗要求较高，在外场或在位条件下难以保证清洗质量。六、磁粉检测技术原理：磁性材料工件磁化，若工件表面或近表面存在缺陷，会在缺陷附件表面空间形成漏磁场，漏磁场吸附磁粉显示出零件表面或近表面缺陷的大小、形状和部位。优点：1、直观显示缺陷位置、形状、大小；2、具有较高灵敏度、监测速度快、工艺简单、经济；3、几乎不受工件大小和形状的限制。缺点：1、仅适用于铁磁性材料表面和近表面；2、磁化方向需和缺陷方向垂直；3、监测完成后需退磁和清洗，一般用于拆卸部件的检测。第六节航空发动机静电监测技术一、概述航空发动机静电监测技术起源于1970年，美国空军技术研究所的学生发现发动机失效之前气路电气活动性增加，经历了漫长的研究，1978年美国RobertP.Couch博士研究并验证了通过监测尾气中的静电脉冲信号能有效监测发动机性能退化。二、原理航空发动机静电监测技术利用静电感应原理。航空发动机进气道吸入或尾喷管喷出内部故障颗粒时，颗粒物与空气剧烈摩擦带电荷，带电颗粒随气流穿过静电传感器电极时，引起传感器金属探极内部电子流动，探极电子重新分布产生相应的感应电流和电压，检测设备对感应电流和电压进行监测。三、应用航空发动机静电监测技术做了大量研究并研制出发动机气路颗粒碎片带电颗粒监测的发动机损伤监测系统和吸入物监测系统。故障修理发动机零件，经观察检索、测量试验，无损探伤后，发现故障，立即向有关部门下发修理故障通知，由有关部门进行修理。第一节叶片的修理一、叶片的振动修理叶片的振动疲劳应力是产生叶片裂纹的主要因

素，采取控制叶片的自振频率，改变叶片的激励因素；防止叶片的共振现象，是排除和预防叶片裂纹的重要手段。所以我们在叶片出现裂纹之前，控制每种叶片的自振频率在设计范围内。防止叶片在发动机进入状态时产生共振。叶片振动类型分如下几种：①弯曲振动叶片的弯曲振动是叶片绕最小惯性轴与最大惯性轴所产生的弯曲变形。叶片以绕最小惯性轴弯曲最易出现，故称弯曲振动。一阶弯曲振动也称为基本阶振动。它的特点是叶片节线靠近叶片根部，尖端振动应力最大，与节线位置相接近。一阶弯曲自振频率为所有各阶弯曲自振频率最低的。因此一阶弯曲振动最危险。发动机叶片比较易出现一阶弯曲共振。②扭转振动绕着叶片刚心出现的带有纵向节线振动形式的振动称为扭转振动。一条纵向节线的振形称为一阶扭转振动，所对应的频率称为一阶扭转振动频率，以Fl表示。二阶扭转振动有一条纵向节线和二条横向节线的组合的振形，所对应的频率称为二阶扭转自振频率。其三阶扭振，则有三条横向节线，如此类推。同样，一阶扭转自振频率为最低，叶尖端处两边缘的振幅为最大。对于中等长度的叶片，通常一阶扭转振动自振频率，高于一阶弯曲自振频率③复合振动通常为弯曲振动与扭转振动的合成振动。复合振动往往比较复杂，自振频率较高，有时复合振动在靠近叶尖部疲劳损坏的故障。3、叶片测频：叶片测频方法很多，航空发动机叶片测频方法有：激振测量仪和静力矩测量仪。①激振测频仪测量静频的最通用的方法就是激振测频仪的共振测量法。当叶片在激振力的作用下且当该力的频率等于叶片的自振频率，其位置和相位适当时，叶片则由强迫振动进入共振状态，通过测量激振力的频率就知道叶片的自振频率。②静力矩测量仪该设备能测量叶片重量是否合格，能测量叶片重心变化而引起的自振频率的变化。它主要由结构框架、万向支点、弹性支座、伸缩传感器、摆动传感器、三个配重砝码，一个安装配重盘、叶片安装座、两个电信号放大器、一个重心偏离显示器和计算机重量记数器所组成，结构简单。4