專利名稱：一種便攜式航空發(fā)動機氣路部件故障檢測系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于航空發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷領域，更具體地說是一種便攜式航空發(fā)動機氣路部件故障檢測系統(tǒng)及方法。
背景技術：
現(xiàn)有的航空發(fā)動機氣路部件狀態(tài)監(jiān)控主要基于氣路性能參數(shù)及振動信號等，對保障發(fā)動機運行安全具有重要作用，但傳統(tǒng)的氣路分析、轉子振動監(jiān)測等方法需要在故障惡化到一定程度時才能探測到故障的存在，往往不能及時發(fā)現(xiàn)故障，存在著安全隱患；此外，這些監(jiān)測手段獲得的信息是有限的，要全面評估發(fā)動機氣路部件的健康狀態(tài)存在著一定困難，而時有發(fā)生的安全事故也折射出了現(xiàn)有監(jiān)控技術的不足，迫切需要開發(fā)新的監(jiān)測技術。發(fā)動機空中停車事件對飛行安全具有重要影響，誘發(fā)空中停車的原因通?？蓺w類在發(fā)動機的氣路系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、齒輪箱變速系統(tǒng)和燃油及控制系統(tǒng)故障中，而這些典型故障，特別是氣路部件損傷、滑油泄漏、燃油系統(tǒng)故障通常在早期就會引起尾氣靜電信號異常，因此靜電監(jiān)測技術被認為在預防空中停車事件、保障飛行安全方面具有巨大的應用潛力。航空發(fā)動機氣路靜電監(jiān)測技術能夠監(jiān)測到傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)難以發(fā)現(xiàn)的氣路部件故障，提供早期預警信息，并為氣路部件健康狀態(tài)評估與剩余壽命預測提供新的信息源。相對于傳統(tǒng)的氣路監(jiān)測方法的滯后性，由于氣路靜電監(jiān)測的是故障的直接產(chǎn)物，因此可以在氣路部件故障的初期就提供預警信息，這對實現(xiàn)“風險關口前移”，保障飛行安全具有重要意義。氣路靜電監(jiān)測是通過監(jiān)測發(fā)動機尾氣中的靜電荷整體水平來判斷氣路部件狀態(tài)的，正常情況下發(fā)動機尾氣中的帶電顆粒物主要為碳煙顆粒。對于一臺健康的發(fā)動機而言，尾氣中的碳煙顆粒通常維持在一定的水平，與發(fā)動機的工況有關。這些碳煙顆粒帶電后隨尾氣排出，引起靜電傳感器附近靜電場的變化進而產(chǎn)生靜電信號，構成了尾氣靜電信號的基本成分(或基線)。燃燒系統(tǒng)的任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都有可能影響正常組織燃燒，而導致生成過多的碳煙顆粒，引起尾氣靜電信號的異常，而其他氣路部件故障，如熱端部件的燒蝕和掉塊、旋轉部件的碰摩、外來物吸入等也會產(chǎn)生故障顆粒，導致尾氣總體靜電荷水平變化，進而引起尾氣靜電信號異常，且不同的故障引起的靜電信號的變化規(guī)律不同，這就為基于尾氣靜電信號的氣路部件故障監(jiān)測以及診斷提供了可能。靜電監(jiān)測技術是一項非常有應用前景的新型氣路狀態(tài)監(jiān)測技術，對提前故障發(fā)現(xiàn)時機、預防空中停車保證飛行安全具有十分重要的意義，但由于技術因素以及適航的限制，目前無法在民航發(fā)動機上安裝靜電傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種便攜式航空發(fā)動機氣路部件故障檢測系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)可用于發(fā)動機的日常地面試車中，通過采集和分析發(fā)動機地面試車時的尾氣靜電信號以及時檢測到氣路部件故障，為發(fā)動機維修保障提供決策支持。該方法工程上易于實現(xiàn)，且系統(tǒng)成本相對較低。一種便攜式航空發(fā)動機氣路部件故障檢測系統(tǒng)，包括尾氣靜電監(jiān)測傳感器子系統(tǒng)、便攜式機箱以及工業(yè)PC機；所述尾氣靜電監(jiān)測傳感器子系統(tǒng)通過便攜式機箱與工業(yè)PC機相連；其中，便攜式機箱包括依次相連的信號放大模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和路由器；便攜式機箱將尾氣靜電監(jiān)測傳感器子系統(tǒng)采集到的發(fā)動機尾氣靜電信號處理后傳送給工業(yè)PC機。進一步地優(yōu)化方案，本發(fā)明便攜式航空發(fā)動機氣路部件故障檢測系統(tǒng)中，所述尾氣靜電監(jiān)測傳感器子系統(tǒng)包括靜電傳感器和可調(diào)節(jié)高度的固定支架；所述靜電傳感器設置在固定支架上。進一步地優(yōu)化方案，本發(fā)明便攜式航空發(fā)動機氣路部件故障檢測系統(tǒng)中，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括離線和在線兩種工作模式；當處于在線模式時，數(shù)據(jù)采集模塊實時采集發(fā)動機狀態(tài)參數(shù)；當處于離線模式時，發(fā)動機自帶的數(shù)據(jù)記錄儀將記錄的發(fā)動機狀態(tài)參數(shù)傳輸至工業(yè)PC機中，其中所述發(fā)動機狀態(tài)參數(shù)指燃油流量參數(shù)。進一步地優(yōu)化方案，本發(fā)明便攜式航空發(fā)動機氣路部件故障檢測系統(tǒng)中，所述工業(yè)PC機包括依次相連的數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和故障檢測模塊。同時，本發(fā)明還提出了一種基于該系統(tǒng)的檢測方法，包括以下步驟步驟一、利用靜電傳感器采集航空發(fā)動機正常狀態(tài)下的尾氣靜電信號；步驟二、根據(jù)步驟一中采集到的尾氣靜電信號建立尾氣靜電信號基線模型，并根據(jù)基線1吳型獲取相應的基線值；步驟三、實時檢測發(fā)動機尾氣靜電信號，并利用貝葉斯因子法對實測的發(fā)動機尾氣靜電信號的特征參數(shù)與其基線值之間的偏差值序列進行分析，實現(xiàn)對發(fā)動機氣路部件故障的檢測，其中所述實測發(fā)動機尾氣靜電信號的特征參數(shù)為尾氣靜電信號的均方根值；進一步地，本發(fā)明檢測方法中，所述步驟二中建立尾氣靜電信號基線模型，具體為采用基于燃油流量參數(shù)建立的尾氣靜電信號基線模型如下rms (fuel) =a eb" fuel+c其中，rms (fuel)表示當燃油流量為fuel時的尾氣靜電信號的均方根值，fuel表示燃油流量，a, b，c為基線模型參數(shù)，根據(jù)正常狀態(tài)下發(fā)動機的尾氣靜電信號的RMS值和fuel參數(shù)擬合得到。進一步地，本發(fā)明檢測方法中，所述步驟三中利用貝葉斯因子法對實測的發(fā)動機尾氣靜電信號的特征參數(shù)與其基線值之間的偏差值序列進行分析，實現(xiàn)對發(fā)動機氣路部件故障的檢測，具體為計算偏差值序列的累積貝葉斯因子，當累積貝葉斯因子的對數(shù)值小于-1時，該偏差值序列結構出現(xiàn)異常，當前發(fā)動機氣路部件處于故障狀態(tài)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下顯著的進步1)本發(fā)明提供了一種全新的氣路部件故障在線監(jiān)測或離線檢測的系統(tǒng)與方法，相對于傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，本發(fā)明提出方法能夠提前故障發(fā)現(xiàn)時機或發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方法難以監(jiān)測到的氣路部件故障，提高航空發(fā)動機的安全性；2)本發(fā)明所提出的系統(tǒng)成本相對較低，在發(fā)動機地面試車時只需在其尾噴管噴出的尾氣的下游安放靜電監(jiān)測系統(tǒng)，不需要對目前的試車條件和程序進行改造，因此，此方法在工程上易于實現(xiàn)，無論軍用或民用航空均適應。下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的描述；


圖1為本發(fā)明便攜式航空發(fā)動機氣路部件故障檢測系統(tǒng)的結構框圖；圖2為本發(fā)明便攜式機箱的結構框圖；圖3為本發(fā)明工業(yè)PC機的結構框圖；圖4為實施例中尾氣靜電信號RMS隨燃油流量的變化趨勢；圖5為實施例中基于燃油流量參數(shù)的尾氣靜電信號基線；圖6為實施例中尾氣靜電信號RMS值與基線值的偏差值序列；
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明一種便攜式航空發(fā)動機氣路部件故障檢測系統(tǒng)，包括尾氣靜電監(jiān)測傳感器子系統(tǒng)、便攜式機箱以及工業(yè)PC機；所述尾氣靜電監(jiān)測傳感器子系統(tǒng)通過便攜式機箱與工業(yè)PC機相連；其中，便攜式機箱包括依次相連的信號放大模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和路由器；便攜式機箱將尾氣靜電監(jiān)測傳感器子系統(tǒng)采集到的發(fā)動機尾氣靜電信號處理后傳送給工業(yè)PC機。其中，所述尾氣靜電監(jiān)測傳感器子系統(tǒng)包括靜電傳感器和可調(diào)節(jié)高度的固定支架，所述靜電傳感器設置在固定支架上，固定支架安放在發(fā)動機尾噴管下游，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括離線和在線兩種工作模式；當處于在線模式時，數(shù)據(jù)采集模塊實時采集發(fā)動機狀態(tài)參數(shù)；當處于離線模式時，發(fā)動機自帶的數(shù)據(jù)記錄儀將記錄的發(fā)動機狀態(tài)參數(shù)傳輸至工業(yè)PC機中,其中所述發(fā)動機狀態(tài)參數(shù)指燃油流量參數(shù),所述工業(yè)PC機包括依次相連的數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和故障檢測模塊。如圖2所示，靜電傳感器借助固定支架安放在發(fā)動機尾噴口后方約0. 5m處，通過調(diào)節(jié)支架高度使傳感器探極頂端處于發(fā)動機尾流中，靜電傳感器與便攜式機箱之間通過柔性BNC電纜連接；通過BNC電纜傳輸?shù)奖銛y式機箱的模擬靜電信號首先由電荷放大器進行放大，然后經(jīng)帶通濾波器進行濾波，由采集卡采集模擬信號轉換為數(shù)字信號，經(jīng)路由器傳輸?shù)桨l(fā)送到遠端的工業(yè)PC。 如圖3所示，便攜式機箱與遠端的工業(yè)PC機之間由普通網(wǎng)線實現(xiàn)通信，工業(yè)PC機中的依次相連的數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和故障檢測模塊實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、分析與故障檢測。本發(fā)明利用航空發(fā)動機尾氣碳煙顆粒物以及故障顆粒路攜帶靜電荷、且無故障情況下尾氣總體靜電荷水平基本保持在一定的水平范圍內(nèi)、而一旦氣路部件出現(xiàn)故障將引起尾氣總體靜電荷水平的變化這一原理，監(jiān)測發(fā)動機氣路部件健康狀況；利用靜電監(jiān)測系統(tǒng)采集發(fā)動機尾氣的靜電信號，首先采集正常發(fā)動機的尾氣靜電信號，建立此臺發(fā)動機尾氣靜電信號的基線模型，即尾氣靜電信號的特征參數(shù)隨發(fā)動機工況參數(shù)(燃油流量參數(shù))的變化關系；實時檢測發(fā)動機尾氣靜電信號，并利用貝葉斯因子法對實測的發(fā)動機尾氣靜電信號的特征參數(shù)與其基線值之間的偏差值序列進行分析，實現(xiàn)對發(fā)動機氣路部件故障的檢測。尾氣靜電傳感器是基于靜電感應原理設計的，當帶電顆粒物經(jīng)過傳感器探極時，在探極上產(chǎn)生感應電荷，感應電荷量隨著探極的敏感區(qū)域內(nèi)的總體電荷水平的上升而增大。尾氣中電荷水平的變化將引起探極上感應電荷量的變化，造成傳感器內(nèi)電荷的轉移而產(chǎn)生感應電流，同時產(chǎn)生感應電壓信號，即為尾氣靜電監(jiān)測信號。正常情況下，尾氣中的顆粒物主要為燃油正常燃燒產(chǎn)生的碳煙顆粒，這些碳煙顆粒在高溫環(huán)境中高速碰撞荷電后隨尾氣排出，在靜電傳感器上感應出電壓信號，構成了尾氣靜電信號的基線成分。而燃燒系統(tǒng)的任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都有可能影響正常組織燃燒，而導致生成過多的碳煙顆粒，引起尾氣靜電信號的異常。其他氣路部件故障，如熱端部件的燒蝕和掉塊、旋轉部件的碰摩、外來物吸入等也會產(chǎn)生故障顆粒，導致尾氣總體靜電荷水平變化，進而引起尾氣靜電信號偏離基線。基于上述原理，本發(fā)明一種航空發(fā)動機氣路部件故障檢測方法，包括以下步驟步驟一、利用靜電傳感器采集航空發(fā)動機正常狀態(tài)下的尾氣靜電信號； 步驟二、根據(jù)步驟一中采集到的尾氣靜電信號建立尾氣靜電信號基線模型，并根據(jù)基線1吳型獲取相應的基線值；在地面狀態(tài)下，燃油流量是決定尾氣靜電荷水平的重要因素，初步的理論分析以及實驗數(shù)據(jù)表明尾氣靜電信號的RMS值與燃油流量的之間存在較強的相關性，因此以燃油流量為參考變量建立尾氣靜電信號的基線模型，尾氣靜電信號RMS值由如下式(I)得到RMSj =JlIjj12(I)其中，RMSj表示第j秒采集的信號的均方根值，k為靜電信號采樣頻率，Yi為第j秒采集的原始靜電信號的第i個采樣值。在得到一次試車階段內(nèi)各穩(wěn)定功率狀態(tài)下的靜電信號RMS值后，用指數(shù)函數(shù)(式
(2))來擬合這些數(shù)據(jù)，可近似得到尾氣靜電信號的RMS值隨燃油流量的變化趨勢，即基線模型rms (fuel) =a eb"fuel+c (2)其中，rms (fuel)表示當燃油流量為fuel時的尾氣靜電信號的均方根值，fuel表示燃油流量，a, b，c為基線模型參數(shù)，根據(jù)正常狀態(tài)下發(fā)動機的尾氣靜電信號的RMS值和fuel參數(shù)擬合得到。步驟三、實時檢測發(fā)動機尾氣靜電信號，并利用貝葉斯因子法對實測的發(fā)動機尾氣靜電信號的特征參數(shù)與其基線值之間的偏差值序列進行分析，實現(xiàn)對發(fā)動機氣路部件故障的檢測，首先計算偏差值序列的累積貝葉斯因子，其次判斷，當累積貝葉斯因子的對數(shù)值小于-1時，該偏差值序列結構出現(xiàn)異常，則當前發(fā)動機氣路部件處于故障狀態(tài)，其中所述發(fā)動機尾氣靜電信號的特征參數(shù)為尾氣靜電信號的均方根值。實施例借助某次發(fā)動機試車采集數(shù)據(jù)來說明這種方法，首先分析一次試車采集的各穩(wěn)定狀態(tài)下的靜電信號及燃油流量，按照式(I)給出的尾氣靜電信號，擬合出靜電信號RMS值隨燃油流量的變化趨勢，如圖4所示。正常情況下靜電信號的RMS值應在基線為中心的一定的范圍內(nèi)波動，若偏離過多，則預示著在同樣的燃油供給情況下，氣路中的靜電荷水平有著顯著的變化，這通常是由于氣路部件突發(fā)性故障或外來物吸入造成的。燃燒室故障，如噴嘴積碳、燃燒組織不良等原因容易造成尾氣中碳煙顆粒明顯上升，導致靜電荷水平長時間偏離基線；而外來物吸入、掉塊和碰摩等突發(fā)性故障則容易造成短時間內(nèi)靜電信號偏離基線，僅在故障發(fā)生時才會在尾氣靜電信號中有所體現(xiàn)，故障后靜電信號又會回歸基線。由于尾氣碳煙顆粒排放自身的波動性及測量噪聲等原因，僅借助一次試車數(shù)據(jù)建立起的靜電信號的“基線”難以合理反映發(fā)動機尾氣靜電信號特征，因此需要更多的數(shù)據(jù)建立起統(tǒng)計意義上的基線模型。圖5所示為依據(jù)發(fā)動機在地面試車臺上的20次試車數(shù)據(jù)建立起的基線模型，在這一階段內(nèi)發(fā)動機沒有明顯的故障，因此其代表了發(fā)動機的尾氣靜電信號的基本特征。至此，建立起的發(fā)動機尾氣靜電信號的基線模型，可用于在線或離線檢測氣路部件故障。取10次試車的數(shù)據(jù)(共90個數(shù)據(jù)樣本)作為測試樣本來說明這種方法，圖6所示為實測的靜電信號的RMS值與基線值的偏差值，圖示數(shù)據(jù)表明健康發(fā)動的靜電信號RMS值比較接近基線值，其偏差值在0上下振蕩，偏差值序列并無明顯的突變或結構異常，其累積貝葉斯因子的對數(shù)值也保持在0值附近。
權利要求
1.一種便攜式航空發(fā)動機氣路部件故障檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括尾氣靜電監(jiān)測傳感器子系統(tǒng)、便攜式機箱以及工業(yè)PC機；所述尾氣靜電監(jiān)測傳感器子系統(tǒng)通過便攜式機箱與工業(yè)PC機相連；其中，便攜式機箱包括依次相連的信號放大模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和路由器；便攜式機箱將尾氣靜電監(jiān)測傳感器子系統(tǒng)采集到的發(fā)動機尾氣靜電信號處理后傳送給工業(yè)PC機。
2.根據(jù)權利要求I所述的便攜式航空發(fā)動機氣路部件故障檢測系統(tǒng)，其特征在于所述尾氣靜電監(jiān)測傳感器子系統(tǒng)包括靜電傳感器和可調(diào)節(jié)高度的固定支架；所述靜電傳感器設置在固定支架上。
3.根據(jù)權利要求I所述的便攜式航空發(fā)動機氣路部件故障檢測系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集模塊包括離線和在線兩種工作模式；當處于在線模式時，數(shù)據(jù)采集模塊實時采集發(fā)動機狀態(tài)參數(shù)；當處于離線模式時，發(fā)動機自帶的數(shù)據(jù)記錄儀將記錄的發(fā)動機狀態(tài)參數(shù)傳輸至工業(yè)PC機中，其中所述發(fā)動機狀態(tài)參數(shù)指燃油流量參數(shù)。
4.根據(jù)權利要求I所述的便攜式航空發(fā)動機氣路部件故障檢測系統(tǒng)，其特征在于所述工業(yè)PC機包括依次相連的數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和故障檢測模塊。
5.一種權利要求I至3中任意一項所述的便攜式航空發(fā)動機氣路部件故障檢測系統(tǒng)的檢測方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一、利用靜電傳感器采集航空發(fā)動機正常狀態(tài)下的尾氣靜電信號； 步驟二、根據(jù)步驟一中采集到的尾氣靜電信號建立尾氣靜電信號基線模型，并根據(jù)基線模型獲取相應的基線值； 步驟三、實時檢測發(fā)動機尾氣靜電信號，并利用貝葉斯因子法對實測的發(fā)動機尾氣靜電信號的特征參數(shù)與其基線值之間的偏差值序列進行分析，實現(xiàn)對發(fā)動機氣路部件故障的檢測，其中所述發(fā)動機尾氣靜電信號的特征參數(shù)為尾氣靜電信號的均方根值。
6.根據(jù)權利要求5所述的檢測方法，其特征在于所述步驟二中建立尾氣靜電信號基線模型，是基于燃油流量參數(shù)建立的，該尾氣靜電信號基線模型如下 rms (fuel) =a eb" fuel+c 其中，rms (fuel)表示當燃油流量為fuel時的尾氣靜電信號的均方根值，fuel表示燃油流量，a, b，c為基線模型參數(shù)，根據(jù)正常狀態(tài)下發(fā)動機的尾氣靜電信號的RMS值和fuel參數(shù)擬合得到。
7.根據(jù)權利要求5所述的檢測方法，其特征在于所述步驟三中利用貝葉斯因子法對實測的發(fā)動機尾氣靜電信號的特征參數(shù)與其基線值之間的偏差值序列進行分析，實現(xiàn)對發(fā)動機氣路部件故障的檢測，具體為計算偏差值序列的累積貝葉斯因子，當累積貝葉斯因子的對數(shù)值小于-I時，該偏差值序列結構出現(xiàn)異常，當前發(fā)動機氣路部件處于故障狀態(tài)。
全文摘要
一種便攜式航空發(fā)動機氣路部件故障檢測系統(tǒng)及方法，依據(jù)航空發(fā)動機無故障情況下尾氣靜電荷水平保持在一定的水平范圍內(nèi)、一旦氣路部件出現(xiàn)故障將引起尾氣靜電荷水平的變化這一原理，檢測發(fā)動機氣路部件健康狀態(tài)。系統(tǒng)包括尾氣靜電監(jiān)測傳感器子系統(tǒng)，信號調(diào)理、采集及傳輸子系統(tǒng)以及工業(yè)PC。首先建立發(fā)動機尾氣靜電信號的基線模型，通過分析實測的尾氣靜電信號的特征參數(shù)與其基線值的偏差來判斷發(fā)動機的健康狀況。該發(fā)明針對傳統(tǒng)的發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測方法存在漏警以及預警滯后的問題，設計了一種便攜式的氣路部件故障檢測系統(tǒng)，用于發(fā)動機地面試車可提高其安全性，且系統(tǒng)成本較低、工程上易于實現(xiàn)。
文檔編號G01M15/10GK102980771SQ20121051235
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月4日 優(yōu)先權日2012年12月4日
發(fā)明者左洪福, 孫見忠, 劉鵬鵬 申請人:南京航空航天大學