一种非介入式航空发动机状态监测系统及实现方法技术方案

本发明专利技术提出了一种非介入式航空发动机状态监测系统及实现方法。整个系统包含电场传感器、尾气电场感应装置、信号采集装置以及计算机。尾气电场感应装置搭载电场传感器获取尾气带电量，并将测量数据通过信号采集装置送至计算机，在计算机中完成信号处理、分析及显示。航空发动机状态感知采用测量尾气带电颗粒周围电场值的方式，分析方式采用一种基于高斯定理的封闭空间内的总电荷量估算方法，基于测得的电场估算尾气中带电颗粒的电荷量，利用数据挖掘技术获取尾气电荷量与航空发动机的工作状态之间的对应关系，从而实现对航空发动机工作状态的监测，系统精确度高、易于实现且成本较低。低。低。

【技术实现步骤摘要】
一种非介入式航空发动机状态监测系统及实现方法


[0001]本专利技术属于航空发动机状态监控与故障诊断领域，具体涉及一种非介入式航空发动机状态监测系统及实现方法，包含该系统的整体架构、测量方法，适用于航空发动机地面试车试验时的状态监测。

技术介绍

[0002]发动机工作状态的感知和获取是发动机状态监测的重要手段，也是发动机运行过程故障监测、发动机设计缺陷诊断等的重要检测手段。传统的发动机状态工作感知手段如基于叶片振动、基于气路参数和气路热力学模型，往往需要故障恶化到一定程度才能监测到相应变化，并且这些技术固有的传感器安装受限、信号定位难等问题还将长期存在。
[0003]航空器发动机处于工作状态时，尾气颗粒会在接触、吸附、原子电离、燃烧室化学反应等作用下带上一定量的电荷。健康状态的航空器发动机尾气主要包含碳烟颗粒，其是主燃区内形成的碳烟以及随后高温区中被氧化的结果，这种尾气颗粒荷电量小、数量较多且分布较均匀。当发动机性能衰退或发生故障时，例如叶片磨蚀、发动机气路部件出现磨损性故障或部件达到工作寿命出现老化问题，尾气会包含异常固体颗粒，异常颗粒荷电量大、数量少而分布稀疏。此外随着故障恶化，异常颗粒所带电荷量会随故障的程度逐渐增大，因此通过感知航空发动机尾气中的带电颗粒电荷量能够监测航空发动机的工作状态。
[0004]基于尾气带电颗粒的航空发动机状态监测技术是一种被动式的测量方法，具有在线性好、鲁棒性强、成本低等优点。现有航空发动机尾气静电监测方法包括接触式静电传感方法及感应式静电传感方法，接触式静电传感方法通常通过布置大量探针完成，对管道中心的电荷信号敏感，但是探极深入流场会对静电场造成一定干扰，从而造成测量误差。而感应式静电传感器不直接接触带电颗粒，但是对中心区域的带电颗粒不敏感，迫切需要开发一种新的航空发动机尾气带电量的测量系统，为航空发动机运行故障监测提供一种新的手段。

技术实现思路

[0005]为克服现有技术中存在的上述问题，本专利技术公开了一种非介入式航空发动机状态监测系统及实现方法，提出了一种基于高斯定理的封闭空间内的总电荷量估算方法。本专利技术的目的是通过感知航空发动机尾气带电颗粒带电量实现对航空发动机的状态监测。
[0006]为实现上述目的，本专利技术具体采用以下技术方案：一种非介入式航空发动机状态监测系统及实现方法，监测系统包括尾气电场感应装置、多路电场传感器、数据采集模块以及计算机；实现方法是根据尾气电场感应装置上多路电场传感器的排列规则，基于高斯定理的封闭空间内的总电荷量估算方法计算尾气电场感应装置内实时的带电颗粒电荷量，然后根据航空发动机尾气带电量与航空发动机工作状态的关系，以获取航空发动机工作状态。
[0007]所述尾气电场感应装置安装于发动机尾喷口后的临近区域，使尾气从尾气电场感
应装置中心流过，将电场传感器安装于内部。由于尾气喷出含有碳烟颗粒，且会有一定扩散，选择喇叭状外形结构，以避免影响尾气粒子运动。尾气感应装置的前底面半径设计要考虑气流温度的影响，满足传感器工作温度的要求。尾气感应装置的长度设计需要考虑加工难度以及系统精度；每m个所述电场传感器均匀分布组成一个传感平面阵列，每个传感阵列平面以h米的间隔沿所述尾气感应装置固定。
[0008]所述多路电场传感器安装于尾气感应装置的特定点位：在尾气电场感应装置的前底面圆心处建立空间直角坐标系，z轴指向后底面，从尾气感应装置前底面开始到后底面选取z坐标间隔h米的XOY截面作为电场传感平面布置电场传感器。将特性相同的电场传感器平均分为多组，每组包含m个，沿上述截面的边缘处均匀布置于圆面m个点位。每组传感器以背置式固定在尾气电场感应装置上。电场传感器使用非接触式电场传感器，它的适用性更强。
[0009]所述信号采集模块包括采集卡，使用多个通道的采集卡，使得能够满足多路电场传感器的信号采集要求，要求采集卡的采用频率较高，且每个通道能够将实时采集的电场传感器信号同步输出给计算机，以完成高精度高速度的信号采集。
[0010]所述计算机包括数据处理与存储模块、电荷量软测量模块以及显示模块。所述数据处理与存储模块接收高速信号采集模块的数据，所述电荷量软测量模块是依据本专利技术提出的一种基于高斯定理的封闭空间内的总电荷量估算方法进行信号转换，将采集的电场数据转换成需要的带电量数据，所述显示模块将计算得到的带电量数据及电场数据进行显示。
[0011]所述电荷量软测量模块是一种基于高斯定理的封闭空间内的总电荷量估算方法，根据24路电场传感器的布置特点，将尾气电场感应装置作为闭合曲面，通过电场传感器阵列所测有限位置点的空间电场值准确而高效地估算出整个闭合曲面内的带电量，包括以下步骤：
[0012]步骤一、导入尾气感应装置上的实时电场传感阵列的电场信号；
[0013]步骤二、将尾气感应装置作为闭合曲面，可拆分为前底面半径为r的圆形面S1，侧面扇环面S2以及后底面半径R的圆形面S3，如图4所示。S1和S2可通过面上电场传感器的均值乘以其面积求得电通量。扇环S2根据传感器平面阵列的层数可划分为n个小扇环，而每个小扇环根据每层电场传感平面包含的传感器数量可划分为m个小区域，每个小区域的电场值用小区域顶点位置处步骤一的电场均值近似。
[0014]步骤三、基于高斯定理，任意闭合曲面的电通量等于这个闭合曲面内电荷量的代数和除以真空介电常数ε0，因此，针对每个小区域进行电场值的面积积分。最后累加各个部分的电通量得到整个喇叭状封闭曲面的总电通量，将其与ε0相乘可算出封闭曲面内的电荷量。
[0015]进一步地，本专利技术基于高斯定理的封闭空间内的总电荷量估算方法中，所述步骤三中基于高斯定理算出尾气感应装置内地电荷量，具体如下：
[0016][0017]其中，Ψ
E
表示尾气感应装置封闭曲面上的电通量，S1表示喇叭状前底面，S3表示喇叭状后底面，S2表示喇叭状侧面，E
k
表示每个小区域的电场均值。
[0018][0019]其中，表示尾气感应装置封闭曲面内的电荷量，ε0为真空介电常数。
[0020]另外，本专利技术还提出了一种基于该系统的监测方法，包括以下步骤：
[0021]步骤一、将所述监测系统放置在航空发动机尾喷管周围，使得尾气能够流经尾气感应装置；
[0022]步骤二、分别在正常发动机运行的5个阶段进行测试，包含主发动机在辅助发动机的驱动下缓慢加速至最高转速的10％、发动机点火启动，转速迅速增加到最大值、发动机缓慢降低转速、发动机再次逐渐加速以及发动机缓慢降低转速直至稳定；
[0023]步骤三、利用电场传感阵列测得的电场值，基于所述电荷量软测量方法，将电场值计算出尾气感应装置内的电荷量，测得随发动机状态变化时尾气的标准电荷量；
[0024]步骤四、通过对发动机运行时的尾气带电粒子电荷量与标准电荷量的偏差值进行分析，实现对航空发动机状态的监测，具体为：偏差值超过一定阈值，则判断发动机处于故障状态；若偏差值在阈值之内，则判断发动机处于某个正常运本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非介入式航空发动机状态监测系统及实现方法，其特征在于：所述非介入式航空发动机状态监测系统由数据由电场传感器、尾气电场感应装置、信号采集装置以及计算机四部分组成；其中，尾气电场感应装置为固定电场传感器布置位置的支架，电场传感器作为感知单元能够测量某个位置的电场值，多个电场传感器组成一个平面阵列，沿尾气电场感应装置布置电场传感平面阵列；尾气从尾喷管喷出，流经尾气感应装置，电场传感器感知尾气附近位置的电场值，通过信号采集装置将电场值送至计算机进行数据处理，基于一种基于高斯定理的封闭空间内的总电荷量估算方法，估算出尾气电场感应装置内实时的带电颗粒电荷量，利用数据挖掘技术获取尾气电荷量与航空发动机的工作状态之间的对应关系，从而实现对航空发动机工作状态的监测。2.根据权利要求1所述的电场传感器，其特征在于：所述电场传感器，为非接触式电场传感器，安装于所述尾气电场感应装置上，具有体积小、功耗低、可靠性高的特点，可通过非接触的方式测量某个位置的电场值。3.根据权利要求1所述的尾气电场感应装置，其特征在于：所述尾气电场感应装置，固定电场传感器的位置，其外形为喇叭状，尾气气流的带电粒子不会对传感器造成干扰，尾气气流的温度较高，电场传感器布置在尾气电场感应装置上可以规避尾气的高温度，使其正常工作；所述电场传感器沿尾气感应装置组成电场传感平面阵列，可以获得尾气电场感应装置上多个位置点的场强，能够以较高精度与较低成本还原尾气电场感应装置内的带电粒子电荷量。4.根据权利要求1所述的信号采集装置，其特征在于：所述信号采集装置为信号采集卡，具有多个通道，每个通道连接一个电场传感器，信号输出端连接计算机，通过采集程序将各通道电场传感器的值同步输出至计算机进行处理。为了实现采集程序，将采集卡的采集程序封装成动态链接库，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕建勋，刘昕宇，袁海文，魏鹏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：