免费飞机设计：关于航空发动机健康监测与诊断技术的研究

飞 机 设 计第6期30

邹 辉 等：高超声速湍流高效模拟算法第30卷 第6期2010年 12月飞 机 设 计

AIRCRAFT DESIGN V ol. 30 No. 6

Dec 2010文章编号：1673-4599（2010）06-0030-05

关于航空发动机健康监测与诊断技术的研究

赵文涛，李 琼

（南京航空航天大学 民航学院，江苏 南京 210016）

摘 要：主要介绍了当前航空发动机健康监测与诊断技术的主要方法，并对各种方法进行了分析。本文重点介绍了基于油液分析的发动机磨损状态诊断，并对这种诊断方法的发展趋势进行了预测，然后从技术和经济的角度分析了新技术的可行性。

关键词：航空发动机；健康监测与诊断；油液分析；磨损中图分类号：TK45+8 文献标识码：A

Research on Aero-engine Health-monitoring and Diagnosis Methods

ZHAO Wen-tao, LI Qiong

( College of Civil Aviation , Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ,

Nanjing 210016 , China )

Abstract : This article mainly introduces the chief health-monitoring and diagnosis methods on aero-engine, and analyzes each method. This paper focuses on the wear state diagnosis of aero-engine based on oil monitoring, then predicts the new method in the future, and fi nally discusses the feasibility of new technology from the technical and economic point of view.

Key words : aero-engine ; health-monitoring and diagnosis ; oil monitoring ; wear 收稿日期：2010-01-28；修订日期：2010-10-15

据国际民航组织统计，在1988~1993年的6年间，由于发动机起火、发动机叶片出现故障、发动机脱离机翼等而发生的飞行事故多达34起。由于航空发动机是一种集热力气动、燃烧、传热、结构强度、控制与测试等多学科于一身，温度、压力、应力、间隙和腐蚀等工作条件非常苛刻，且对质量、可靠性、寿命等要求又极高的复杂系统[1]。工作时在高温高压的环境中以高转速运转，所受的载荷复杂多变，且由于现代大推重比航空发动机的设计性能要求，使得其结构日趋单薄。因此航空发动机出现的故障模式多，故障出现的几率高，故障的危害大（严重时机毁人亡），使用寿命短。及时地监测和诊断系统故障可

以有效避免事故的发生，以保证飞机的飞行安全。

1.1 航空发动机常用的健康监测与诊断技术

当前航空发动机常用的健康监测与故障诊断的主要手段和技术有[2]：基于发动机气路性能参数的状态诊断技术；发动机转子系统的振动诊断技术；基于油液分析的发动机磨损状态诊断技术以及发动机内部气路部件的孔探监测技术。1.1.1 基于发动机气路性能参数的状态诊断技术

基本理论基础是发动机气路上的参数（主要是温度和压力等）和发动机各气路部件的特性（效率、流通能力等）存在严格的非线性气动热力学关系，由于气路部件的机械故障如叶片侵蚀，封严磨损等是逐渐发展的，因此可以用小偏

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差方法对非线性方程组作线性处理，从而形成了基于线性模型的小偏差故障方程法。但是气路诊断面临的主要困难是：（1）在大多数机型上测量参数个数少于未知量个数。（2）故障之间存在很强的相关性。（3）测量参数中的噪音与故障造成的测量参数偏差具有相同的数量级。（4）发动机具有很强的非线性和复杂性，且工况及工作环境变化大。

1.1.2 发动机转子系统的振动诊断技术

航空发动机基于振动分析的转子系统故障诊断，是典型的旋转机械状态监测与故障诊断问题。发动机转子系统的主要故障有：不平衡、初始弯曲、刚度非对称、不对中、旋转失速和喘振、转子与静子碰摩、转子裂纹、密封失稳、齿轮与滚动轴承故障等。目前，对转子系统故障诊断的研究主要集中在3个方面：（1）从理论上分析各种故障，尤其是非线性故障的特性并确定故障特征量。（2）利用先进的信号采集和处理技术提取故障特征。（3）建立专家知识库，研制基于人工智能的智能诊断系统，应用于实际转子系统。但是，转子系统的故障特点是多种故障具有一些相同征兆，多种原因可能造成同一故障，因此加大了旋转机械转子系统状态监测和故障诊断的难度。

1.1.3 基于油液分析的发动机磨损状态诊断技术

航空发动机的磨损故障诊断主要是通过监测发动机滑油中的金属和非金属磨粒的含量、浓度、尺寸、形状和颜色等信息，来诊断发动机的传动系统和具有相互运动的摩擦副的磨损性质、磨损类型和磨损部位。常用的方法是铁谱分析、光谱分析、污染分析、油品理化及能谱分析等。目前主要的研究方向为：（1）研制先进的仪器以提高油样分析的精度和效率，特别是开发机载的在线油样分析设备。（2）收集基于油样分析的磨损诊断经验，建立知识库、样本库或案例库，开发基于规则和人工神经网络的智能诊断专家系统。（3）实现多种分析方法的融合诊断，提高诊断精度。但是，目前基于发动机磨损诊断状态的技术测量的精度还不够，需要进一步的加强。1.1.4 发动机内部气路部件的孔探监测技术

航空发动机结构复杂，工作在高温、高速等恶劣环境下，而且经常需要交换工作状态，承受很大的交变载荷。它的故障一直是威胁飞行安全的首要问题。因此，在使用过程中采取必要的监测手段，对其承受高负荷和处于腐蚀介质中的零部件进行定期与非定期探测、检验，及时发现各类损伤、缺陷是保障飞行安全的重要措施之一。由于航空发动机的关键部件如主气流通道部件、高压压气机、高低压涡轮的各级轮盘及叶片、燃油喷嘴、燃烧室等都是不易拆卸且检验可达性较差的零部件，采用孔探仪对这些部件的损伤进行窥探和分析是实现发动机无损探伤的重要手段。因此，孔探技术在各航空公司和飞机维修企业得到了普遍采用和重视。该技术利用油液所反映的设备工况信息来对设备的当前和未来的工作状况做出判断，从而为设备的正确维护提供有效的依据，实现预防性维修。这种无损监测技术由于不需拆卸机器，且具有快速、高效、低耗的优点，因此被广泛应用于各个领域。

2 油液监测技术主要方法

通过油样分析来了解机器的工作状态已经有很长的时间的，最初是通过油液的自身的理化性能如粘度、酸度、水分等的变化来判断机器的工作状态的。目前，在机械故障诊断领域中，油样分析方法的概念实际上已在无形中转变为油样磨损残余物的分析了。我们知道，磨损、疲劳和腐蚀是机械零件失效的3种主要形式和原因，而其中磨损失效约占80%左右，由于油样分析方法对磨损监测的灵敏性和有效性，因此这种方法在机械故障诊断中日益显示其重要地位。目前，油液监测的基本方法主要有润滑油理化分析和润滑油介质中的油样磨损分析两种。

2.1 理化分析法

油样理化分析也是油样的常规分析，是用物理化学的方法对油样的各种理化指标进行测定，设备诊断中需要分析的项目一般为粘度、水份、酸度和机械磨损等，在这些项目上各类润滑油都有其正常值控制标准[3]。

粘度：指工业中采用运动粘度。各种机器设备所用润滑油都有严格规定的粘度标准。粘度过大会增加摩擦阻力，过小会降低油膜支撑能力，油膜不能建立而导致磨损状态恶化，只有正常的粘度才能保证摩擦副在良好的润滑状态下工作。

水份：指润滑油中所含水份百分比数。油中的水份能造成乳化和破坏油膜，从而降低润滑效果而增加磨损，同时还腐蚀机件和加速润滑油劣

赵文涛 等：关于航空发动机健康监测与诊断技术的研究