中国民行飞行学院毕业论文 航空发动机状态监控与故障诊断技术
图2-2带或者不带EMS发动机的寿命跟踪
图2-2所示为发动机带或不带发动机状态监视系统情况下发动机的寿命趋势，显然，采用了发动机监视系统(EMS)，既可避免潜在的危险，提高安全性，又可延长发动机的使用窄命。
发动机状态监视与故障诊断软件系统的功能一般分为两个水平等级，第一级为有限监视系统，用以监视发动机健康状况，如普惠公司发展的ECM，和通用电气公司发展的ADEPT系统，我国民航已使用这两种软件系统。第二级为扩展的监视系统，主要是提高了诊断能力，可将故障准确地隔离到发动机部件和子系统，定量分析部件和发动机性能的衰退程度，如普·惠公司的TEAMⅡ、通用电气公司的GEM和罗·罗公司的COMPASS系统。为实现不同水平的功能要求，监视系统的测量参数和输出报告内容有很大差别。对于第二级扩展水平的监视系统，一般要求系统有更多的测量参数，主要是增加发动机气路中的总压和总温以及可调几何位置的测量，其输出内容，不仅能给出测量参数趋势图，而且能指出传感器故障并能反映气路部件效率、流通能力变化的特征参数趋势图，从这种图上可明显看出有故障的部件。国内有关民航公司和院校近年来发展了一种新的发动机状态监视与故障诊断软件系统EMD，利用有限监视系统的测量参数，达到故障诊断，把故障隔离到单元体和子系统的功能。
2.2.2发动机状态监控与故障诊断系统效益
发动机状态监视与故障诊断系统从理论分析和使用实践两方面均充分证明具
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有良好效果，可产生显著的社会效益和经济效益，主要体现在： ·提高安全可靠性，避免重大飞行事故，降低空中停车率； ·降低直接使用成本：
a．延长零部件寿命，减少或避免二次损失： b．采用2人机组，减少空勤人员；
c．减少维修工时(包括修理、隔离、调整、试车等)； d．有计划进行维修，合理利用人力、设备； e．节省试车耗油，降低空中油耗； f．节省备件的储备量和运输费用；
g．减少延误和停飞。 ·提高信誉 ·降低地面污染
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图2-3 EMS组成与偿还投资的关系
图2-4 典型的EMS成本效益分析
图2-3和图2-4分别示出发动机监视系统(EMS)组成与偿还投资的关系和典型的发动机监视系统(EMS)成本效益分析。由图2-3可以看出，监视、诊断系统组成越复杂，功能越齐全，其投资成本则越高，而所得到的飞机和发动机的寿命循环成本的效益并不是单调增加，其结果，如果仅着眼经济效益，则有可能得不偿失。因此，选用或者发展一个状态监视和故障诊断系统，应该考虑系统的有效性和成本两个方面，进行综合权衡。
2.3 状态监视和故障诊断方法
发动机的故障大多是逐渐发展的，发展过程中有很多征兆，因此是可以监视和诊断的。例如，压气机叶片的机械浸蚀，虽不易直接从几何尺寸上进行监测，但它却影响压气机的效率。开始效率下降，等浸蚀严重时才可能引起压机喘振或叶片断裂。只有对发动机易出现的故障，故障发生时的特征及其发展有深刻的了
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解，才可能设计出有效的状态监视和故障诊断系统，进而实现监视和诊断。 大涵道比涡扇发动机上的热部件就其重量说约占发动机总重的20％，但由于热部件故障多，其维修费却占总维修费的60%。这一类型发动机通常涡轮、燃烧室、风扇及压气机，扩压机匣等部件的故障占到整个发动机故障的90％左右，而这些部件的故障对发动机的可靠性影响也最大，因此对这些部件应重点进行监视。对于直升机的发动机，其动力传输系统十分重要，而传输系统中的齿轮，轴承及轴的故障发生率较高，在监视中也应重点考虑。
发动机的完好程度可用工作时间、低循环疲劳次数、高温或超温下工作时间、振动幅值、部件效率和发动机性能、滑油中杂质含量和气流中金属颗粒的含量、大小及分布等指标来评定。
概括起来，目前采用的发动机状态监视与故障诊断的手段有三类： 第一类属性能状态监视或称为气路参数分析(GPA)技术，包括对气流通道的压力、温度，燃油流量和转速监测；对发动机性能参数如推力或功率等参数的监测。 第二类属机械状态监视。常用的手段有：振动监视；滑油监视(包括滑油压力、滑油温度，滑油消耗量、滑油屑末收集、滑油光谱分析，滑油铁谱分析等)；低循环疲劳和热疲劳监视(低循环疲劳计数、涡轮叶片温度场监测)。此外，还有叶片动应力监测、声谱监测等。
第三类属无损探测类，一般只作地面检测用。常用的手段有：孔探仪检测；涡流检测；同位素照相检查；超声波检查；磁力探伤；声发射探测；X射线照相检查；荧光检查；着色检查，液体渗透检查等。其中，孔探仪检测在发动机地面检查时用得最多。
作为发动机状态监视与故障诊断系统，机载与地面结合、硬件与软件配套使用的常用手段主要是气路分析技术、振动监视技术和滑油监视技术。军用飞机和直升机则将发动机使用寿命监视作为主要监视手段之一。经验证明，往往同一个监视参数可以反映多种故障；同-种故障也可以用多个监视参数监测。如何利用有限的监测参数达到满意的监视和诊断效果乃是该学科所面临的任务和方向。这就要求：一方面，应该综合地使用上述手段，充分发挥各自的适用范围和优势，以达到对发动机健康状态的全面监视并准确地进行故障隔离；另-方面，应该大力研究和发展各种有效的故障诊断方法。目前常用的诊断方法有直接对比法、趋势分析以及参数分析方法等。
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需要指出，气路参数分析技术在发动机故障诊断技术中占有重要的地位。发动机气路上的气动热力参数可以用能量守恒、流量连续、动量守恒等关系严格地以数学表达式连系起来，也就是可以建立待诊断的发动机的数学模型(认为是线性模型)，确定测量参数随单元体几何参数，工作状态以及性能参数的变化关系。这样，已知测量参数，利用数学模型即可求解单元体性能参数变化，再通过与无故障单元体的性能对比，即可诊断单元体的损伤或故障。
时间序列分析法是另一种参数模型分析法，它是对有序的动态测量数据进行处理和分析的一种有效方法。基于动态测量数据(包括气动热力参数、性能参数、振动参数、滑油参数等)的有序性和时间相关性，建立时间序列模型(自回归滑动平均模型或自回归模型)，进而形成模式向量，计算统计特性，提取特征向量，构造判别函数(与无故障或一些典型故障特征对比)即可进行故障诊断。同时，利用时序模型还可进行线性最小方差意义下的趋势预报。该种方法的应用还有待进一步研究和发展。
2.4 先进发动机状态监视和故障诊断系统
2.4.1 监控参数
现在发展了一种新的发动机状态监视和故障诊断系统EMD(Engine Monitoring and Diagnosis),利用有限监视系统的测量参数,达到了故障诊断,把故障隔离到单元体和子系统的功能。EMD在北京飞机维修工程公司(AMECO)和东方航空公司(EAL)试用成功,对B767、B747、A310共13架大型客机的40台发动机进行状态监视和故障诊断，取得良好的经济效益。
2.4.2系统功能和特点
整个系统由人员、设备和软件组成。所发展的EMD软件系统在地面站的微机上运行,输出指示发动机健康状况和故障诊断结果的各种报告(见表2-2),提供给维修工程师,作为发动机检查和采取维修措施的重要依据。
为适应AMECO和EAL的机群和开发环境的不同要求,以相同的监视和故障诊断技术为基础,分别建立了不同的系统,如图1。它们都利用了飞机上现有的测量参数,
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