航空发动机喘振故障机理及监控方法研究

第 10卷 � 第 15期 � 2010年 5月 1671�1815( 2010) 15�3805�05� 科 � 学 � 技 � 术 � 与 � 工 � 程 Sc ience Techno logy and Eng ineer ing � Vo l� 10� No� 15� M ay 2010 � � 2010� Sci�Tech�Engng� 航空航天 航空发动机喘振故障机理及监控方法研究 丁蓬勃 � 王仲生 (西北工业大学航空学院,西安 710072 ) 摘 � 要 � 航空发动机喘振故障是影响发动机性能的主要因素, 并对民用客机的安全构成巨大威胁。在对航空发动机喘振机 理进行分析的基础上, 从适航性的角度对航空发动机喘振故障进行监测, 同时运用可靠性分析方法 � � � 故障树分析法 ( FTA ) 对该故障进行计算机辅助建树、定性分析及定量分析, 最后采取了相应的控制措施使喘振部件快速退出喘振状态。通过对航 空发动机喘振故障的监控, 大大提高了喘振故障的分析效率, 同时发动机的可靠性也得到一定提升, 对解决喘振故障提供了 参考和借鉴。 关键词 � 喘振故障 � � 故障机理 � � 故障树分析法 � � 故障监控 中图法分类号 � V233. 95; � � � � 文献标志码 � A 2010年 3月 2日收到 国家自然科学基金 ( 50675178)资助 第一作者简介:丁蓬勃 ( 1984� ) ,陕西省兴平市人, 硕士研究生,研 究方向:载运工具 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 及应用。 � � 近几十年来, 随着航空事业的发展, 飞行器的 安全性和可靠性越来越引起人们的重视, 特别是民 用客机,一旦发生故障,轻则影响飞机的性能,重则 机毁人亡,后果不堪设想。 航空发动机是飞机的心脏, 而发动机的喘振问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 一直制约着涡轮发动机的发展, 影响发动机的性 能,是对民用客机安全以及整个航空事业发展的巨 大威胁。 民用客机要求 安全、可靠、经济 !, 安全, 是民 用飞机 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 首要考虑的问题。要达到安全的目的, 必须符合最基本的适航性要求, 即: 要求航空器包 括部件及子系统整体性能和操纵特性在预期运行 环境和使用限制下具有安全性和物理完整性品质。 这种品质要求航空器应始终处于符合其 型号 pcr仪的中文说明书矿用离心泵型号大全阀门型号表示含义汽车蓄电池车型适配表汉川数控铣床 设计 和安全运行状态。 国内对航空发动机喘振故障已有广泛研究,但 大多是对发动机的喘振状态进行了数值模拟,直接 对描述气体动态变化的连续方程、动量方程及能量 方程进行离散求解, 以期能更好地反映发动机的实 际情况 [ 1]。现从喘振故障的监测出发,模拟飞机飞 行中的数据传输以及实时数据处理,以便对飞机飞 行状态进行监控,最后采用符合适航性要求的可靠 性分析 (故障树分析 )方法对该故障进行详细分析, 并提出监控该故障的有效途径及解决措施, 从而对 解决喘振故障提供参考和借鉴。 1� 喘振故障机理分析 航空发动机是飞机的心脏, 涡轮发动机广泛应 用于航空、航海等领域, 而喘振问题一直制约着涡 轮发动机的发展, 影响发动机的性能, 甚至造成发 动机的损坏。喘振是发动机的一种不稳定工作状 态,发生喘振时,可以观察到发动机工作不连续, 有 喘声并急剧振动, 同时发出低沉的噪音; 发动机转 速摆动, 排气温度急剧升高, 推力急剧下降。如不 及时消除,会导致发动机停车或损坏, 最终酿成严 重事故。 涡轮发动机发生喘振的原因可以用气流分离 的形成和发展理论来说明。发生喘振的根本原因 是气流在涡轮发动机压气机的叶片通道内严重分 离而造成的压气机不稳定工作现象,从而使涡轮发 动机的工作状态严重地偏离了设计工作状态而引 起的。 下面分三种情况来分析 [ 2]。 1) 当轴流式压气机处于设计工作状态时, 压气 机各级通道截面的变化完全符合空气容积流量变 化的需要, 空气能够无撞击地流入各排叶栅, 因而 叶栅通道不会发生气流分离现象。 2) 当流量系数过大时,叶栅进口气流的冲角是 负值, 在叶片的凹面将产生涡流, 出现气流分离现 象,但由于空气具有惯性, 在流过弯曲的叶片通道 时,总有紧贴叶片凹面的趋势, 这就有利于减弱和 消除气流分离现象, 即使发生分离, 其涡流区也不 易扩大,因而气流不容易分离。同时在冲角为负值 的情况下, 气流在叶栅内的流动方向改变不大, 速 度改变不大, 压力提高不多, 所以叶栅前后压力差 较小, 即便出现气流分离也不会引起大量气流倒流。 3) 当流量系数过小时 (小于设计值 ), 压气机 叶片进口的冲角为正值, 气流冲向叶片的凹面, 而 在叶片的凸面产生涡流, 出现气流分离现象。由于 气流具有惯性, 紧贴在叶片的凹面, 而在凸面产生 强烈的涡流并迅速发展, 同时, 在叶栅前后产生压 力差, 在叶栅和通道前后压力差的作用下, 就会造 成气流流动、分离、中断, 而后再流动、再分离、再中 断,周而复始的脉动现象, 甚至气流还可能逆向冲 出压气机,引起发动机喘振。 经过以上分析, 可以得出以下结论: 当流量系 数大于或小于设计值时, 在涡轮发动机压气机进口 处会产生气流分离现象。但是流量系数过大所形 成的涡流区不会继续扩大,而流量系数过小时所形 成的涡流区则会继续扩大,从而在叶轮旋转的作用 下,产生强烈的分离, 引起喘振。 2� 喘振故障的监控 故障的监控包括故障监测及故障的控制,下面 将分别从这两方面分别进行说明。 2. 1� 喘振故障的监测 众所周知, 欲达监控发动机喘振状态, 首先要 能及时而准确地捕捉到发动机即将进入或刚刚进 入失速或喘振状态的信息。从理论上分析, 能及时 反映出发动机失速或喘振状态的参数很多, 如压气 机进、出口压力,空气流量, 转速, 排气温度, 振动以 及噪声等等。但是,这些参数能符合所在机型的只 有发动机转速和排气温度。因为发动机转速由转 速表显示,敏感元件为转速传感器; 排气温度由排 气温度表显示,其敏感元件是热电偶。这都是发动 机上的现有的基本设备, 因而采集转速、排气温度 信息不需另加任何探头很容易实现, 既可靠, 又 及时 [ 3]。 发动机由稳定状态刚刚进人喘振的瞬间具有 以下特点:压气机出口处的高压气体有倒流回冲趋 势,骤然间使增压比、空气流量突降,压气机效率猛 跌,涡轮效率锐减, 发动机转子转速以很大的速率 下降;而涡轮前、后燃气温度以很大速率上升。这 一特点喘振状态所固有。 通过掌握发动机喘振的固有特点,采用阈值判 断的方法可对该故障进行在线监控, 即将转速、排 气温度信息数据实时输入相应软件中与正常情况 下的数据相对比, 若有异常现象, 例如若在某个点 或某段时间出现大于或小于该阈值的数据点, 则表 明喘振故障发生。 在监测过程中,将故障树分析与阈值分析相结 合,即通过对转速、排气温度两个参数进行同时监 控可以有效并快速的判断喘振的发生,这样可提高 对喘振故障监控的可靠性, 在故障出现的早期, 可 进行相应的措施进行故障判断。 2. 2� 喘振故障的控制 故障树分析法 ( Fau lt T ree Analysis, 以下简称 FTA算法 )是一种对系统、尤其是大型复杂系统进 行可靠性、安全性分析的有效手段。由于喘振故障 是航空发动机的一个严重事故, 故障树以系统失效 (顶事件 � � � 喘振故障 )为分析目标, 能找出各种因 素 (底事件 )与系统失效之间的逻辑联系,并用倒立 树状图形表示出来,然后据此定性分析各底事件对 系统失效的影响方式和途径 (失效模式 ) ,并定量计 算这种影响的程度 (重要度 )和系统失效概率 [ 4]。 即揭示系统的故障模式和故障的发展过程, 发现薄 3806 科 � 学 � 技 � 术 � 与 � 工 � 程 10卷 弱环节,找出故障原因,采取预防措施, 为进行喘振 故障监控提供依据。 现以发动机加速调节系统为对象, 分析导致喘 振的因素,可建立故障树, 由于篇幅所限, 在此只将 底事件列出, 发动机喘振作为顶事件, 逐级向下分 析,直至分析到可能的底事件, 其中部件及底事件 代号及名称等说明详见表 1[ 5, 6]。 表 1� 部件代号、名称及底事件代号、名称 部件 部件名称 底事件 底事件名称 x1 1号节流器 a1 1号节流器节流较大 x2 2号节流器 a2 2号节流器节流较大 x 3 分配器弹 簧 a3 分配器弹簧松 x4 活门 a4 活门磨损泄漏 x5 回输节流器 a5 回输节流器流量大 x7 延迟节流器 a7 延迟节流器流量大 x8 叶片 a8 叶片损伤 2. 2. 1� 定性分析 割集为导致正规故障树顶事件发生的底事件 的组合,而最小割集则为导致正规故障树顶事件发 生的数目不可再少的底事件的组合, 它表示引起正 规故障树顶事件发生的一种故障模式。任何正规 故障树均由有限数目的最小割集组成, 它们对给定 的正规故障树顶事件来说是惟一的。在计算割集 中采用 Fussell�Vesely算法来求割集。 Fussell�V ese ly 算法的思想是,从顶事件开始, 往下逐级进行,故又 称为 下行法 ! [ 7]。 经过计算机辅助分析, 最小割集为 { x1 }、{ x2 }、 { x3, x4 }、{ x5 }、{ x6 }、{ x 7 }、{ x8 }, 即:底事件 x1, x2, x 5, x 6, x7, x 8为关键部件, 也就是说, 对这些部件强 化,使其发生故障的概率降低, 便可有效地提高整 个系统的可靠度,或者说对这些部件增强故障监测 与诊断措施, 减小排除故障时间, 也能有效提高整 个系统的可用度。 2. 2. 2� 定量分析 定量计算模块是故障树分析系统的一个子模 块,主要完成故障树可靠性特征的定量计算, 包括 不可靠度、可靠度、概率重要度、关键重要度、相关 割集重要度等。 顶事件发生的概率 PT ( t) : PT ( t) = P (A 1 ∀ A 2 ∀ # ∀ Ak ) = ∃k i= 1 P (A i ) - ∃k i< j= 2 P (A iA j ) + # + (- 1)k- 1P (A1A 2 #Ak ) ( 1) 式中 A 1, A 2, #, Ak 为相容事件。 概率重要度的表达式为 F系统 (当 �(X i ) = 1) - F系统 (当 �(X i ) = 0) = �F ( 2) 式中 �(X i ) = 1和 �(X i ) = 0分别表示第 i个底事 件为故障状态和正常状态。 结构重要度的表达式为 Ip (X i ) = 1 2 n-1N p (X i ) ( 3) 式中 n为底事件的总数; N p (X i ) 为由于底事件 X i 由 1变为 0时 (从故障变为正常 )使系统由 1变为 0 的次数; Ip (X i )为 X i基本事件的结构重要度。 由于 x8为极小概率事件,故在定量计算时可以 忽略。由表 2可得出概率重要度的排序 Ip ( 5) > Ip (2) = Ip ( 7) > Ip ( 1) > Ip ( 6) > Ip (3) = Ip ( 4) ( 4) 可知底事件 a5概率重要度最高, a3和 a4的概率重 要度最低,即当底事件 a5发生概率变化时, 引起顶 事件发生概率变化的程度最大, 而 a3和 a4对顶事 件的影响最小; 表中还可看出结构重要度, 也就是 不考虑底事件发生的概率, 在故障树中, 比较各底 事件对系统 (顶事件 )的影响, 可知,除了 a3和 a4对 顶事件影响小之外,其他底事件对系统影响相同。 因此,一旦系统发生故障, 进行故障监控的顺序 为:首先是概率重要度最大的部件,部件快速修复或 更换就可以使系统恢复工作。由此可见,可以根据概 率重要度由大到小排序,安排该系统故障监控与诊断 的最佳顺序。在加速喘振停车这一故障中,根据以上 的分析进行监控的顺序应是: x5 (回输节流器 )、x2 (2 号节流器 )、x7 (延迟节流器 )、x1 ( 1号节流器 )、x6 (升 压限制器 )、x3 (分配器弹簧 )、x4 (活门 ) 380715期 丁蓬勃, 等:航空发动机喘振故障机理及监控方法研究 � 表 2� 各事件各项重要度计算 部件 故障发生概率 概率重要度 结构重要度 顶事件概率 0. 026 7 x1 0. 005 0. 978 2 61 /64 x2 0. 006 0. 979 2 61 /64 x3 0. 000 2 0. 000 2 3 /64 x4 0. 000 2 0. 000 2 3 /64 x5 0. 007 0. 980 2 61 /64 x6 0. 003 0. 976 2 61 /64 x7 0. 006 0. 979 2 61 /64 3� 仿真验证 基于 VC++喘振故障分析系统的实现, 在对故 障进行监控的同时, 采用故障树进行可靠性分析, 这样在计算机的帮助下, 节省了分析时间, 提高了 分析速度,减少人为因素对分析结果造成的影响。 喘振监控时,对输入飞机飞行中发动机相关的 数据 (转速及排气温度 )进行实时分析, 分析出结 果,如图 1所示。在确定喘振发生后,可以采取应急 措施进行排故, 同时在确定喘振后, 可采取故障树 进行分析, 输入导致喘振相关部件的经验概率值, 如图 2所示。进行的定性分析和定量分析结果图如 图 3和图 4所示。定性分析包括求割集和最小割 集,定量分析包括顶事件概率计算、概率重要度计 算及结构重要度计算。最后,根据以上定性及定量 分析的结果, 给出分析及指导措施 (如图 5所示 ) , 以便顺利从根本上解决喘振故障。 图 1� 喘振故障监控结果 图 2� 故障事件列表 图 3� 故障树定性分析结果 图 4� 故障树定量分析结果 图 5� 故障树分析结果 3808 科 � 学 � 技 � 术 � 与 � 工 � 程 10卷 4� 结论 针对喘振故障, 首先对其进行实时监控, 在监 测到故障发生后,采取故障树分析法对发动机加速 调节系统进行可靠性分析, 优点是明显的。故障树 分析法可以透彻分析喘振故障的原因, 分析系统的 薄弱环节, 指导运行监控和维修, 从而实现系统设 计的最优化。具体讲就是在实时监控故障发生的 同时, 通过故障树的可靠性分析, 弄清楚可能造成 发动机喘振的各种因素, 进而确定导致喘振的各种 可能组合方式及其发生的概率, 以便计算失效的概 率,采取相应的纠正措施, 提高航空发动机的可 靠性。 计算机辅助故障树分析系统可视化程度高,将 所有功能集成在一个图形化的操作平台上, 使得分 析过程简便快速。可根据实际情况, 选用合适的生 成模块进行分析,所有相关分析计算只需按菜单操 作即可,其计算准确度与理论值之间的误差在工程 应用中也是可以接受的。 参 � 考 � 文 � 献 1� 吴 � 虎, 蒋建军.加力涡扇发动机喘振与消喘模拟.航空动力学 报, 2006; 2( 21) : 275� 279 2� 燕洪文. 对 JT8D�217A 发动机喘振的探讨. 民航经济与技术, 1995; 11 ( 167) : 44� 45 3� 刘万学. 现役燃气涡轮发动机喘振监控系统的研制.推进技术, 1989; 8( 4 ): 34� 38 4� 宋笔锋, 张怡哲. 一种基于失效树分析的系统可靠性分析软件. 机械科学与技术, 1995; 1 ( 3) : 90� 96 5� 杨 � 俊,谢寿生.基于故障树的故障诊断方法在航空发动机加速 调节中的应用.中国航空学会航空百年学术论坛动力学分论坛, 2003: 82� 86 6� 周宗才, 李应红,王增益.某型涡喷发动机状态监控与主要故障 诊断系统 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 .航空动力学报, 1987; 2( 3) : 267� 269 7� 聂俊岚,王景芹.基于 VC++ 的故障树定性定量分析系统.低压电 器, 2004; 1( 12) : 6� 9 The Research on the SurgeM echanism andM on itoringM ethod ofAero�engine DING Peng�bo, WANG Zhong�sheng ( S chool of Aeronau tics, Northw estern PolytechnicalUn ivers ity, X i% an 710072, P. R. Ch ina ) [Abstract] � A ero�engine surge is the key factor that affects the eng ine perform ance, and greatly threats to the safety in fligh.t F irstly, surge princip le is ana lyzed . From airwo rth iness, surge is inspected and fault tree ana lysis ( FTA) is adopted to automatically construct fau lt tree、make qua litative o r quant itat ive analysis in surge, at las,t appropriatemeasures are taken tomake system out of surge qu ickly. There fo re, through inspecting the surge, fau lt analysis effic iency and eng ine reliability are greatly improved, and it w ill be beneficia l for peop le to dea lw ith the faul.t [Key words] � surge� � failure princip le� � Fau lt tree ana lysis ( FTA ) � � failuremon ito ring 380915期 丁蓬勃, 等:航空发动机喘振故障机理及监控方法研究 �