航空發(fā)動機氣路在線靜電監(jiān)測系統(tǒng)及其專用傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種航空發(fā)動機氣路在線靜電監(jiān)測系統(tǒng)及其專用傳感器，該系統(tǒng)包括進氣道環(huán)狀靜電傳感器、尾噴管棒狀靜電傳感器、信號處理單元和監(jiān)測終端，進氣道環(huán)狀靜電傳感器和尾噴管棒狀靜電傳感器分別通過信號處理單元連接到監(jiān)測終端，所述信號處理單元包括放大電路、濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。通過兩個專用傳感器實現(xiàn)了發(fā)動機工作狀態(tài)的在線監(jiān)測，提高了發(fā)動機維修的經(jīng)濟性和航空器健康管理水平。
【專利說明】航空發(fā)動機氣路在線靜電監(jiān)測系統(tǒng)及其專用傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航空發(fā)動機氣路部件監(jiān)測裝置，具體是一種航空發(fā)動機氣路在線靜電監(jiān)測系統(tǒng)及其專用傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]在飛機飛行產(chǎn)生的故障中，因發(fā)動機引起的故障大約占總數(shù)的百分之六十左右。因此需要對發(fā)動機各個部件進行狀態(tài)檢測，并依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對發(fā)動機的工作或者故障狀況以及發(fā)展趨勢做出準確判別?；跔顟B(tài)的維修即視情維修(CBM, Condition-BasedMaintenance)也因此在發(fā)動機維修工程領(lǐng)域中得到越來越多的重視。視情維修通過對發(fā)動機工作部件的各種參數(shù)進行監(jiān)測，從而實時評估工作狀況，幫助人為選擇維修策略。而實施有效視情維修的最關(guān)鍵之處在于對發(fā)動機關(guān)鍵部件實現(xiàn)在線監(jiān)測，例如對氣路部件的監(jiān)測。
[0003]航空發(fā)動機中，發(fā)動機的氣路部件是保證發(fā)動機的正常工作的最基本和最為關(guān)鍵的部件，據(jù)統(tǒng)計，氣路部件故障引起的發(fā)動機整體故障的占到總數(shù)的百分之九十左右，因此在發(fā)動機的狀態(tài)在線監(jiān)測和故障診斷中，對氣路部件的監(jiān)測和故障診斷占有重要的地位。而外來物的吸入和發(fā)動機部件本身的工作疲勞損傷常常是造成氣路部件損壞和故障的兩大原因。發(fā)動機工作產(chǎn)生的高速氣流和周圍復雜環(huán)境常常使外來吸入物進入發(fā)動機，經(jīng)過發(fā)動機進氣道進入發(fā)動機內(nèi)部并撞擊發(fā)動機葉片。吸入物的極高速度會使其本身與空氣產(chǎn)生劇烈的摩擦，從而帶有大量靜電荷，進一步引起氣路靜電水平的波動。除吸入物造成的發(fā)動機氣部件故障外,氣路部件本身疲勞損傷如葉片-機匣碰摩,燃燒室積碳,葉片燒蝕掉塊也能夠引起發(fā)動機氣路部件故障，故障產(chǎn)生的故障顆粒通過尾噴管道隨尾流氣體排放，弓丨起氣路靜電水平的波動。目前的發(fā)動機監(jiān)測裝置中缺少對靜電經(jīng)典水平波動的監(jiān)測，無法實現(xiàn)發(fā)動機工作狀態(tài)的在線監(jiān)測，無法保障故障診斷的實時性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供了一種航空發(fā)動機氣路在線靜電監(jiān)測系統(tǒng)及其專用傳感器，實現(xiàn)了發(fā)動機工作狀態(tài)的在線監(jiān)測，提高了發(fā)動機維修的經(jīng)濟性和航空器健康管理水平。
[0005]本系統(tǒng)包括進氣道環(huán)狀靜電傳感器、尾噴管棒狀靜電傳感器、信號處理單元和監(jiān)測終端，進氣道環(huán)狀靜電傳感器和尾噴管棒狀靜電傳感器分別通過信號處理單元連接到監(jiān)測終端，所述信號處理單元包括放大電路、濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。
[0006]本發(fā)明還提供了 一種航空發(fā)動機氣路在線靜電監(jiān)測系統(tǒng)專用的進氣道環(huán)狀靜電傳感器，包括通過安裝軸套固定在發(fā)動機進氣管道上的外殼，外殼內(nèi)部裝有合金芯棒，合金芯棒上端通過彈頂觸頭連接有信號輸出接插頭，合金芯棒下端通過并緊螺母與發(fā)動機進氣管道內(nèi)的環(huán)狀感應探極相連。
[0007]本發(fā)明還提供了 一種航空發(fā)動機氣路在線靜電監(jiān)測系統(tǒng)專用的尾噴管棒狀靜電傳感器，包括通過安裝軸套固定在發(fā)動機尾噴管道上的外殼，外殼內(nèi)部裝有合金芯棒，合金芯棒上端通過彈頂觸頭連接有信號輸出接插頭，合金芯棒下端直接伸入發(fā)動機尾噴管道。
[0008]進一步改進，所述的環(huán)狀感應探極使用的材料為高溫耐火材料。
[0009]進一步改進，所述的合金芯棒使用的材料為高溫耐火材料。
[0010]進一步改進,所述的合金芯棒的外緣上套有陶瓷管。
[0011]進一步改進，所述的外殼包括殼體，殼體上方通過后端蓋頂緊螺絲連接有后端蓋，殼體通過前端蓋頂緊螺絲連接有前端蓋，前端蓋通過軸套頂緊螺絲固定在安裝軸套上。
[0012]本發(fā)明有益效果在于:
1、實時監(jiān)測發(fā)動機氣路中靜電信號，實現(xiàn)了靜電信號的在線傳輸，保證發(fā)動機工作狀況在線監(jiān)測和故障模式診斷。
[0013]2、設(shè)計了針對發(fā)動機氣路中的靜電信號特點進行處理的信號處理單元，使原始靜電信號得到有效的處理并輸出。
[0014]3、兩種靜電傳感器使用耐高溫的合金金屬材料為探極材料，不僅具有良好的導電性能，并且能夠適應發(fā)動機高速高溫氣流下的環(huán)境，傳感器靈敏度高，對帶電故障顆粒的監(jiān)測可靠性較高。
[0015]4、內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對簡單，加工方便，成本較低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為進氣道環(huán)狀靜電傳感器一種具體的實施方式。
[0017]圖2為尾噴管棒狀靜電傳感器一種具體的實施方式。
[0018]圖3為航空發(fā)動機氣路靜電監(jiān)測傳感器系統(tǒng)的信號處理單元電路原理圖。
[0019]圖4為航空發(fā)動機氣路靜電傳感器的監(jiān)測原理框圖。
[0020]圖5為實施例中未經(jīng)信號處理單元處理的原始靜電信號圖。
[0021]圖6為實施例中經(jīng)過信號處理單元處理的背景靜電信號圖。
[0022]圖7為實施例中模擬外來吸入物故障的靜電信號圖。
[0023]圖8為實施例中模擬碰摩故障的靜電信號圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0025]圖1為進氣道環(huán)狀靜電傳感器一種具體的實施方式，包括環(huán)狀感應探極1，并緊螺母2，安裝軸套3，安裝軸套頂緊螺釘4，前端蓋頂緊螺釘5，陶瓷管6，殼體7，彈頂觸頭8，后端蓋定頂緊螺釘9，后端蓋10，信號輸出接插頭11，前端蓋12，合金芯棒13，發(fā)動機進氣管道14。其中:環(huán)狀感應探極I與內(nèi)部的合金芯棒13用采用螺紋聯(lián)接，通過并緊螺母2固定環(huán)狀探極，并保證了環(huán)狀探極與合金芯棒之間的良好的導電性能。內(nèi)部合金芯棒13的另一端打有螺紋孔，使彈頂觸頭8與合金芯棒13固定連接。彈頂觸頭8的另一端頂緊信號輸出接插頭11，起到靜電信號傳輸?shù)淖饔?，由此便形成一條靜電信號傳輸?shù)碾娏魍?。此通路中，信號傳輸起始端環(huán)狀探極的材料為不銹鋼，合金芯棒的材料為導電性能較好的鎳基合金，彈頂觸頭為不銹鋼材料，通路末端信號輸出接插頭為銅制。合金芯棒的周圍套有陶瓷管，陶瓷管可以防止內(nèi)部靜電信號的丟失和外部靜電信號的干擾。傳感器不銹鋼金屬外殼7與陶瓷管6過盈配合，外殼起到屏蔽電磁干擾的作用。金屬殼體通過前后端蓋與傳感器內(nèi)部核心模塊定位固定，并將內(nèi)部核心模塊完全包裹。前后端蓋分別使用環(huán)繞端蓋分布的四個頂緊螺釘進行固定。在將環(huán)狀靜電傳感器安裝于進氣管道的過程中，安裝軸套3與進氣管道相焊接，環(huán)狀靜電傳感器的前端蓋外部有螺紋，可以直接與車有內(nèi)螺紋的安裝軸套3配合安裝，同時使用頂緊螺釘進行緊固。
[0026]圖2為尾噴管棒狀靜電傳感器一種具體的實施方式，包括安裝軸套3，安裝軸套頂緊螺釘4，前端蓋頂緊螺釘5，陶瓷管6，殼體7，彈頂觸頭8，后端蓋定頂緊螺釘9，后端蓋10，信號輸出接插頭11，前端蓋12,合金芯棒13和發(fā)動機尾噴管道15、棒狀傳感器與環(huán)狀傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全類似，不同之處在于傳感器的探極部分和安裝部分。棒狀傳感器的內(nèi)部合金芯棒的一端直接作為傳感器的探極，探極伸入發(fā)動機尾噴管道15內(nèi)部。棒狀傳感器的前端蓋車有螺紋，使前端蓋與安裝軸套3通過螺紋連接，安裝軸套3直接焊接在尾噴管上。
[0027]圖3是航空發(fā)動機氣路靜電監(jiān)測傳感器系統(tǒng)的信號處理單元電路原理圖。此電路能夠起到信號濾波和放大的作用。利用運算放大器、電阻以及電容構(gòu)成有源二階低通濾波器。具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點。集成運放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出電阻小，構(gòu)成有源濾波電路后具有一定的電壓放大和緩沖作用，其中截止頻率為3KHz。信號處理電路包含了三個接口，信號輸入接口，信號輸出接口和供電接口，接兩相220V交流電為其工作供電。
[0028]圖4是本發(fā)明的航空發(fā)動機氣路靜電信號監(jiān)測裝置的的原理框圖。它是對航空發(fā)動機的氣路管道內(nèi)部的原始氣路靜電信號進行采集，通過感應到的靜電信號變化實現(xiàn)對發(fā)動機氣路部件的工作狀況進行在線監(jiān)測。如原理框圖所示，靜電傳感器內(nèi)部組成電流通路，將采集到的原始信號通過傳輸至信號處理單元。經(jīng)過信號處理單元的放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換后傳輸給計算機設(shè)備，分析后的信號圖像實時出現(xiàn)在監(jiān)測系統(tǒng)的。
[0029]利用航空發(fā)動機氣路靜電監(jiān)測綜合試驗臺，對本發(fā)明進行實例測試。
[0030]實驗開始時，在沒有故障顆粒的情況下測試本系統(tǒng)的測量信號。分別測試未經(jīng)信號處理單元處理的原始靜電背景信號以及經(jīng)過信號處理單元處理的原始靜電背景信號，并在監(jiān)測終端顯示出兩者的信號圖，如圖5與圖6所示。經(jīng)比較可以看出，處理后的靜電信號去掉了一些高頻噪聲信號，信號有著更加規(guī)律的幅值變化，監(jiān)測終端顯示出更加穩(wěn)定的信號監(jiān)測圖。
[0031]將進氣道環(huán)狀靜電傳感器安裝于氣路靜電監(jiān)測綜合試驗臺的進氣道上，連接信號處理單元和相關(guān)信號采集設(shè)備，進行發(fā)動機外來物注入顆粒實驗，通過注入裝置向試驗臺的進氣道間隔注入鐵粉顆粒來模擬發(fā)動機外來吸入物故障。在注入后監(jiān)測進氣道中的靜電信號，可以發(fā)現(xiàn)信號圖中出現(xiàn)了幾個有一定時間間隔的尖峰信號，故障信號實時的顯示在監(jiān)測終端上，由于注入顆粒帶電量的差異使信號幅值不一，監(jiān)測信號圖如圖7所示。將尾噴管棒狀靜電傳感器安裝于氣路靜電監(jiān)測綜合試驗臺的進氣道上，連接信號處理單元和相關(guān)信號采集設(shè)備，進行發(fā)動機碰摩模擬試驗。通過碰摩裝置模擬發(fā)動機葉片-機匣的碰摩，檢測碰摩產(chǎn)生的帶電顆粒。在開啟碰摩裝置之后，同樣在監(jiān)測終端顯示出有規(guī)律的故障顆粒信號，如圖8所示。本實施例可以說明本發(fā)明中的傳感器對發(fā)動機的氣路中的靜電信號進行有效的監(jiān)測。
[0032]本發(fā)明的工作原理為: 1、氣路部件故障原理和靜電監(jiān)測:發(fā)動機工作產(chǎn)生的高速氣流和周圍復雜環(huán)境常常使外來吸入物進入發(fā)動機，經(jīng)過發(fā)動機進氣道進入發(fā)動機內(nèi)部并撞擊發(fā)動機葉片。吸入物的極高速度會使其本身與空氣產(chǎn)生劇烈的摩擦，從而帶有大量靜電荷，進一步引起氣路靜電水平的波動。發(fā)明中的進氣道環(huán)狀傳感器能夠檢測到這一電荷波動；除吸入物造成的發(fā)動機氣部件故障外,氣路部件本身疲勞損傷如葉片-機匣碰摩,燃燒室積碳,葉片燒蝕掉塊也能夠引起發(fā)動機氣路部件故障，故障產(chǎn)生的故障顆粒通過尾噴管道隨尾流氣體排放，尾流氣體含有大量帶電故障顆粒，引起尾噴管道中靜電荷水平劇烈變化，發(fā)明中的尾噴管棒狀靜電傳感器將監(jiān)測到尾噴管中電荷水平的變化。
[0033]2、氣路靜電傳感器監(jiān)測原理:靜電傳感器的靜電信號監(jiān)測是基于靜電感應的原理。當進氣道或者尾噴管氣流中的帶電顆粒經(jīng)過靜電傳感器附近，將導致靜電傳感器的探極內(nèi)部產(chǎn)生電子流動，為平衡附近的外來電荷，探極內(nèi)部電荷重新分布并伴隨電子流動，進而靜電傳感器會產(chǎn)生感應電流。在這一過程中，帶電體與靜電傳感器之間并沒有電荷的交換，探極電荷由靜電感應產(chǎn)生。當帶電顆粒離開傳感器附近，即外電場撤掉時，正負感應電荷將會迅速移動并互相中和，傳感器探極內(nèi)部的電子將重新分布，使得探極呈電中性狀態(tài)，因此監(jiān)測得到的感應信號也將恢復至零。本發(fā)明中的兩種氣路靜電傳感器就是基于上述的原理。
[0034]3、靜電傳感器設(shè)計原理:靜電傳感器根據(jù)氣路中帶電顆粒相互作用的原理，可以分為直接接觸式和非接觸式兩種。在氣路信號檢測中，使用非接觸式靜電傳感器結(jié)構(gòu)，主要有圓環(huán)狀與針形。環(huán)狀靜電傳感器對于中心區(qū)域的靜電顆粒的靈敏度比棒狀傳感器要低，但是在發(fā)動機進氣道中不能使用棒狀靜電傳感器完成靜電信號的監(jiān)測，因為棒狀固體會使進氣道產(chǎn)生旋流，進氣道旋流是對于發(fā)動機是一個重大的擾動參數(shù)，當有旋流出現(xiàn)時，會使發(fā)動機性能下降，可能出現(xiàn)喘振與強迫葉片振動之類嚴重的新問題。因此進氣道靜電傳感器探極為環(huán)狀探極，而尾噴管的靜電傳感器探極為棒狀探極。
[0035]本發(fā)明具體應用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進，這些改進也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種航空發(fā)動機氣路在線靜電監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:包括進氣道環(huán)狀靜電傳感器、尾噴管棒狀靜電傳感器、信號處理單元和監(jiān)測終端，進氣道環(huán)狀靜電傳感器和尾噴管棒狀靜電傳感器分別通過信號處理單元連接到監(jiān)測終端，所述信號處理單元包括放大電路、濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。
2.—種權(quán)利要求1所述的航空發(fā)動機氣路在線靜電監(jiān)測系統(tǒng)專用的進氣道環(huán)狀靜電傳感器，其特征在于:包括通過安裝軸套(3)固定在發(fā)動機進氣管道(14)上的外殼，外殼內(nèi)部裝有合金芯棒(13)，合金芯棒(13)上端通過彈頂觸頭(8)連接有信號輸出接插頭(11)，合金芯棒(13 )下端通過并緊螺母(2 )與發(fā)動機進氣管道(14)內(nèi)的環(huán)狀感應探極(I)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的進氣道環(huán)狀靜電傳感器，其特征在于:所述的環(huán)狀感應探極(I)和合金芯棒(13)使用的材料為高溫耐火材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的進氣道環(huán)狀靜電傳感器，其特征在于:所述的合金芯棒(13)的外緣上套有陶瓷管(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的進氣道環(huán)狀靜電傳感器，其特征在于:所述的外殼包括殼體(7)，殼體(7)上方通過后端蓋頂緊螺絲(9)連接有后端蓋(10)，殼體(7)通過前端蓋頂緊螺絲(5)連接有前端蓋(12)，前端蓋(12)通過軸套頂緊螺絲(4)固定在安裝軸套(3)上。
6.一種權(quán)利要求1所述的航空發(fā)動機氣路在線靜電監(jiān)測系統(tǒng)專用的尾噴管棒狀靜電傳感器，其特征在于:包括通過安裝軸套(3)固定在發(fā)動機尾噴管道(17)上的外殼，外殼內(nèi)部裝有合金芯棒(13)，合金芯棒(13)上端通過彈頂觸頭(8)連接有信號輸出接插頭(11 )，合金芯棒(13)下端直接伸入發(fā)動機尾噴管道(15)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的尾噴管棒狀靜電傳感器，其特征在于:所述的合金芯棒(13)使用的材料為高溫耐火材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的尾噴管棒狀靜電傳感器，其特征在于:所述的合金芯棒(13)的外緣上套有陶瓷管(6)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的尾噴管棒狀靜電傳感器,其特征在于:所述的外殼包括殼體(7)，殼體(7)上方通過后端蓋頂緊螺絲(9)連接有后端蓋(10)，殼體(7)通過前端蓋頂緊螺絲(5)連接有前端蓋(12)，前端蓋(12)通過軸套頂緊螺絲(4)固定在安裝軸套(3)上。
【文檔編號】G01N15/00GK103674788SQ201310697315
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】左洪福, 蔡景 申請人:南京金翅鳥航空科技有限公司