CN117330319B - 一种小型涡轴发动机整机寿命试车结构损伤监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型涡轴发动机整机寿命试车结构损伤监测方法，本发明根据失效模式与损伤形式，结合损伤间的耦合关系，分析需要检测的结构损伤类型，并通过损伤特征确定监测手段。在保障实用性以及经济性的条件下，设计涡轴发动机加速任务试验平台以及电涡流测功机扭矩自动加载方案。通过本发明的涡轴发动机加速任务试验平台与结构损伤监测手段，实现以高效的手段监测发动机的健康状态。

Description

一种小型涡轴发动机整机寿命试车结构损伤监测方法

技术领域

本发明涉及发动机整机损伤监测技术领域，具体是一种小型涡轴发动机整机寿命试车结构损伤监测方法。

背景技术

目前，加速任务试车的验证试验以叶片模拟试验件为主，通过对某型发动机涡轮盘使用材料相同的试验件进行蠕变-疲劳交互试验，使试验件在通过某发动机模拟任务得到的原始转速谱以及其加速谱下进行损伤等效验证。模拟试验方案虽然可以清晰的对关键部件进行应力分析以及损伤观测，但过程中忽略了航空发动机在实际服役工作中复杂的工作环境，而且施加加速载荷以后，航空发动机其他部件在该载荷下的损伤模式，与实际情况偏差较大。为保障加速任务试车理论的可靠性，需要对发动机在整机环境下的损伤模式进行考核，完成验证工作。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了能够以高效的手段监测发动机的健康状态的一种小型涡轴发动机整机寿命试车结构损伤监测方法。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明是一种小型涡轴发动机整机寿命试车结构损伤监测方法，包括如下操作：

S1，根据小型涡轴发动机在服役过程中典型零部件所承受的载荷以及常见的包括叶片疲劳断裂、伸长在内的故障形式，确定失效模式；

S2，根据结构损伤间的耦合关系，筛选能够表征发动机当前健康状况的非主要部件结构损伤指标；

S3，选取发生在整机发动机内部件的破坏性损伤以及引起关键部件材料性能发生变化的间接损伤；

S4，基于失效模式、非主要部件结构损伤指标以及破坏性损伤和间接损伤，规划结构损伤监测手段；

S5，设计涡轴发动机加速任务试验平台，根据涡轴发动机加速任务试验平台的电涡流测功机与作为实验载机的小型涡轴发动机性质，设计电涡流测功机扭矩自动加载方案，对小型涡轴发动机进行试车，按照规划的结构损伤监测手段对小型涡轴发动机进行损伤监测。

本发明的进一步改进在于：所述S1中确定的失效模式包括载荷、热冲击、表面颗粒冲刷造成的叶片径向伸长、疲劳断裂、反扭转、点蚀、烧蚀、表面粗糙度变化。

本发明的进一步改进在于：所述S2中非主要部件结构损伤指标的筛选取决于结构损伤是否会与燃气涡轮蠕变变形量产生耦合关系，包括会对燃气涡轮工况造成影响的燃烧室、导向器、动力涡轮发生的结构损伤。

本发明的进一步改进在于：所述S3中选取的破坏性损伤包括燃气涡轮裂纹长度、燃气涡轮导向器裂纹长度、燃烧室主燃控裂纹长度、动力涡轮叶片蠕变伸长量；间接损伤包括燃气涡轮叶片烧蚀度、燃气涡轮叶片表面粗糙度、燃气涡轮导向器烧蚀度、燃烧室主燃控烧蚀度、燃烧室主燃控周围表面粗糙度。

本发明的进一步改进在于：所述S4中结构损伤监测手段具体包括：针对服役过程中产生的裂纹，采用荧光渗透检测技术检测表面开口缺陷，对部件内部的缺陷，使用ct扫描技术；针对涡轮叶片蠕变变形，采用径向间隙测量、三维扫描、与三坐标法进行检测；对于涡轮叶片由高温高压环境造成的点蚀、烧蚀损伤，采用显微镜直接观测；对于表面粗糙度的检测，首先利用复形胶对被测表面进行复形，再对复形得到的可观测表面的粗糙程度进行检测。

本发明的进一步改进在于：所述涡轴发动机加速任务试验平台包括试车间以及设置在试车间内的发动机燃油系统、控制系统、数据采集系统、试车台架、电涡流测功机、电气系统、进排气系统；

所述发动机燃油系统用于为试车发动机提供燃油；

所述控制系统用于控制试车发动机；

所述数据采集系统用于采集、记录试车参数；

所述试车台架用于安装试车发动机；

所述电涡流测功机用于吸收计量发动机输出的轴功率，并具有加载量调节功能；所述电气系统用于试车间内各系统电力供应；

所述进排气系统用于为试车发动机补充新鲜空气，提供排气通道。

本发明的进一步改进在于：所述数据采集系统包括性能参数监测系统和健康监测系统；

所述性能参数监测系统用于检测包括燃气涡轮转速、排气温度、燃油流量、燃油剩余量，并对检测到的数据进行监测；

所述健康监测系统用于检测振动情况，包括振动位移、振动加速度以及分贝，通过检测到的数据监测试车发动机的健康状态。

本发明的有益效果是：本发明考虑试车过程中，结构损伤间的交互影响，结合发动机原理，确定需要检测的结构损伤参数，便于每个工作周期进行发动机的拆装与无损检测，并以此设计涡轴发动机加速任务试验平台。本发明以加速任务试车的原理为基准，通过涡轴发动机加速任务试验平台与结构损伤监测方案，实现以高效的手段监测发动机的健康状态。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是本发明方法的结构损伤监测手段示意图；

图3是CT扫描下燃气涡轮叶根处示意图；

图4是燃气涡轮三维扫描下尺寸示意图；

图5是显微镜下叶片烧蚀示意图；

图6是叶片表面粗糙度的Sa与表面形貌示意图；

图7是本发明实施例中涡轴发动机加速任务试验平台示意图；

图8是本发明实施例中试车间布局示意图；

图9是本发明实施例中涡轴发动机加速任务试验平台的上位机控制程序的控制界面；

图10是本发明实施例中电涡流测功机的扭矩加载流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明是一种小型涡轴发动机整机寿命试车结构损伤监测方法，包括如下操作：

S1，根据小型涡轴发动机在服役过程中典型零部件所承受的载荷以及常见故障形式，确定失效模式；

S2，根据结构损伤间的耦合关系，筛选能够表征发动机当前健康状况的非主要部件结构损伤指标；

S3，选取发生在整机发动机内部件的破坏性损伤以及引起关键部件材料性能发生变化的间接损伤；

S4，基于失效模式、非主要部件结构损伤指标以及破坏性损伤和间接损伤，规划结构损伤监测手段；

S5，设计涡轴发动机加速任务试验平台，根据涡轴发动机加速任务试验平台的电涡流测功机与作为实验载机的小型涡轴发动机性质，设计电涡流测功机扭矩自动加载方案，对小型涡轴发动机进行试车，按照规划的结构损伤监测手段对小型涡轴发动机进行损伤监测。

相较于涡喷、涡扇发动机，涡轴发动机在可靠性方面的特殊性在于：由于直升机在起飞、爬高和悬停时，发动机需要在大功率状态下工作，且工作状态变化大，零部件受到热冲击容易出现低频热循环疲劳损伤。燃气涡轮本身位于燃烧室后面，直接接触高温高压燃气，承受离心力与弯矩、热应力、振动应力和气动力等复杂的应力作用，需对此进行燃气涡轮的损伤表征。

目前大部分涡轮叶片的失效形式为正常失效形式，即蠕变-疲劳交互作用以及蠕变损伤共同导致的失效。涡轮叶片在高温高压燃气，和复杂应力的耦合状态下服役，通常会产生的结构损伤可以分为两种，即表观损伤和内部冶金组织损伤。表观损伤主要包括由载荷、热冲击、表面颗粒冲刷造成的叶片径向伸长、疲劳断裂、反扭转、点蚀、烧蚀、表面粗糙度变化。内部冶金组织损伤为燃气涡轮在服役过程中产生的一系列冶金组织演变和损伤，主要为表面涂层退化、拓扑密排相(Topologically Close-Packed Phase，简称TCP)的析出，二次反应区(Secondary Reaction Zone,简称SRZ)的生成，晶界及晶界碳化物形貌的演变初生碳化物MC的分解以及蠕变孔洞和裂纹形成等。燃气涡轮在服役过程中，温度、载荷、时间等因素为组织演变和损伤的主要影响要素，通常进行的较为缓慢。出于检测流程安排、以及对损伤过程中间态的需求，实验检测阶段主要针对表观损伤。

燃气涡轮在服役过程中，主要的表观损伤包括会产生破坏性损伤的叶片疲劳断裂、蠕变变形，会对材料性能产生影响的表面粗糙度以及烧蚀、氧化。本实施例中具体监测方案如下表所示：

表1燃气涡轮无损检测方法

其中，典型的结构损伤如图3、4、5、6所示。

主要失效部件以外需要进行检测的结构件包括：燃烧室、燃气涡轮导向器以及动力涡轮。根据服役环境的不同，对以上部件需要检测的损伤与检测手段规划如下：

表2其他重要部件结构损伤检测方法

利用涡轴发动机加速任务试验平台，按要求完成涡轴发动机加速任务试验工作。试车中记录选定的发动机性能参数和振动情况。每完成规定的试车循环次数，进行一次规定的发动机分解和零部件检查，将检查的结果与零部件的初始数据比对，出具对比验证报告。循环次数取决于损伤检测的需求以及易损件的寿命。分解后进行检查和发动机检修工作，进行清洗、目视检查、尺寸检验和无损检测工作后，对易损零部件修理、更换、动平衡、装配；继续发动机试车进行下一个循环周期寿命试验。当发动机经过一定次数的循环寿命试车后分解检查，关键零部件产生明显损伤后，更换新的发动机，继续进行循环周期寿命试车工作，直至循环周期寿命试车工作结束。其中，表中采集数据体现发动机当前结构损伤的状态，并通过周期检测的方式，获取在不同时间点发动机的健康状况。

以开展对SPT15-RX型涡轴发动机的加速试车实验工作，设计涡轴发动机加速任务试验平台，设计的试车平台需要包括发动机燃油系统、控制系统、数据采集系统、试车台架、电涡流测功机、电气系统、进排气系统；试车间需具备基本的进气、排气系统、消防系统、消音系统等，以保障试车的安全。

为确保试车的正常进行与数据记录，涡轴发动机加速任务试验平台的基本组成与功能具体包括以下部分：

1.涡轴发动机SPT15-RX(15KW)作为实验载机；

2.发动机燃油系统，为试车发动机提供燃油，并具有燃油流量控制和测量装置；

3.控制系统、数据采集系统，控制系统对被试发动机进行控制，数据采集系统用于采集处理记录发动机性能参数数据和发动机的健康状态数据；

4.试车台架，用于安装实验使用的发动机与电涡流测功机，并保证后续拆卸能够顺利进行；

5.电涡流测功机，用于吸收计量发动机输出的轴功率，并具有加载量调节功能；

6.循环水冷却系统，用于电涡流测功机的冷却，使电涡流测功机工作温度保持在规定值以下，并对温度与压力等参数进行监测，保障电涡流测功机的工作环境；

7.电气系统，涡轴发动机加速任务试验平台各系统电力供应，满足包括ECU等设备的供电；

8.试车间进排气系统以及消声装置，为试车发动机补充新鲜空气，提供排气通道，并进行消声处理，降低排气声噪；

9.试车间消防灭火装置，用于火警探测、报警及灭火工作；

10.压缩空气源，试车辅助设备，用于非正常停车时对发动机吹气散热等；

11.工业视频检测装置，试车时对发动机及其他重要部分进行监视，便于在操作间观察试车间内部情况；

12.试车间，要求坚固且隔音好，通过海绵等吸音设备覆盖墙壁达到降噪的效果。需要至少三个房间，一个作为试验间用于发动机、台架、电涡流测功机和其他外围附件设备的布置；一个房间作为操纵间，放置控制系统，数据采集系统；一个作为燃油间，放置燃油箱、油箱架、燃油附加装置等，对实验房间的布置如图7、8所示。

控制系统由以下几个部分组成：与发动机连接的ECU，接收ECU、电涡流测功机等输出信号的采集机箱、电涡流测功机加载量调节的扭矩自动加载系统、以及同时具有控制发动机和转换采集机箱信号功能的上位机及上位机控制程序。采集机箱将ECU与电涡流测功机发送的模拟信号进行处理，转换后送至上位机中用于显示与记录。过程中电涡流测功机的扭矩自动加载系统保障发动机在恒转速模式下的功率稳定。

上位机控制程序，应同时具有输入指令控制发动机、转换采集机箱信号、显示排气总温、输出功率、燃油流量、燃气涡轮转速、输出轴转速加载载荷谱等功能。设计加速任务试车台采集控制系统，通过TCP连接，将采集机箱的信号输入上位机中转换后显示参数。连接后程序与采集机箱连通，启动接收数据。通过串口，将上位机与ECU连接。需要注意的是，连接方式是发动机-ECU-GSU-上位机，而由于ECU内部程序本身的一些问题，在接入外部控制程序时，会导致GSU显示出现乱码，但并不会影响上位机控制发动机，故一些本可以直接通过GSU读取的参数，需要加装传感器，以供发动机实时状态的监测。操作指令方面，给予点火、加载、停车三个选项。当上位机同时与采集机箱、发动机连接成功，且GSU显示为正常时，可以给予点火指令，由ECU内部控制程序，控制发动机至怠速，即32000r的状态。给予加载指令后，上位机读取设定的载荷谱，开始以0.2s/次的频率给予发动机转速信号，并控制发动机的转速在循环内对实际飞行状态进行模拟。右侧的载荷谱显示界面为输入的实时谱转速，可以通过转速传感器输入的信号，读取当前发动机的实时转速，确认发动机运行是否符合要求。当一整个循环结束以后，发动机转速会回落至怠速，此时点击停车，则停止当前循环，进行冷吹、加油等后续工作。显示界面会将排气温度与当前功率以时间曲线的形式展示出来，并会附加燃油流量、输出轴转速等参数，方便对发动机健康状态进行实时观测。上位机控制程序的控制界面如图9所示。

为电涡流测功机附加的扭矩需根据当前发动机转速实时变化，设计加载方案。电涡流测功机的加载，分为恒扭矩、恒转速两种模式。当采用恒扭矩模式时，通过调节设定旋钮，对扭矩进行实时调节，以符合当前转速下发动机输出轴端需要的扭矩。而在循环加载的过程中，不可能时刻给予准确的加载，因此选用恒转速模式。恒转速模式下，电涡流测功机允许的最大转速被限定，通过调节自身的扭矩，来使转速恒定。根据电涡流测功机的这一特性，对发动机内部程序进行设定，将发动机输出轴最大转速也设定在某一个数值上。发动机本身传动比为固定，发动机输出轴最大转速设定的意义在于，当燃气涡轮提供的功率超过输出轴与附加扭矩形成的输出功时，不再允许提高燃气涡轮转速，以保护发动机的安全。本实施例中设置电涡流测功机最大转速设置为6050r,发动机设定的最大转速为6200r，通过将发动机的最大转速设置略高于电涡流测功机最大转速，当发动机的输出轴转速通过载荷谱，达到限定的最大转速，但该转速略高于电涡流测功机的限定转速，故为使输出轴转速降低，电涡流测功机自动加载，增加扭矩后，转速也会降低至电涡流测功机的设定数值，同时确保功率与之前相同。为使发动机能够再次达到自身设定的转速，燃气涡轮转速再次提高，提供更大的功率，再次达到限定的最大转速，如此便形成了自动反馈调节，通过输出轴转速，来控制电涡流测功机的扭矩随发动机燃气涡轮的变化而发生改变。本身这一过程，可能会导致电涡流测功机扭矩与燃气涡轮转速互相影响无限制提高，但实验本身采用的是燃气涡轮转速谱，给予发动机的命令为燃气涡轮的转速信号，双向限制下，便可以实现电涡流测功机扭矩随燃气涡轮转速发生改变的目的，具体流程如图10所示。

数据采集系统需要监测ECU输出的部分发动机内部参数，以及包括燃气涡轮转速、排气温度、燃油流量、燃油剩余量、振动加速度等需要外部加装传感器的参数。燃气涡轮转速，通过外置的霍尔元件，将采集到的转速信号输入至采集机箱中；为确保发动机运行过程中不会超温，采用温度传感器对排气温度进行监测，温度传感器的位置需要通过对比尾喷管不同位置下的温度而确定，选择温度最高的位置设置温度传感器，通常为尾喷口中心的右上方，且在试车前需要对温度传感器进行标定。由于温度传感器不是完全线性，且温度与输出电压曲线不经过原点，因此对检测到的温度数据进行拟合，并将拟合后的数据代入上位机控制程序中，从而获得实际温度。

为保障发动机在工作过程的安全，设计一套包含振动、位移、以及分贝在内的监测系统。由于在最大状态的工作温度过高，某些部位无法直接连接振动传感器，故振动监测同时采用直接接触与间接接触两种方案。对温度不是很高的区域，采用贴合式振动传感器，通过将振动传感器紧贴在发动机上，来取得该部位的振动情况，如齿轮箱等。温度过高的部位，如燃气涡轮、动力涡轮外壳，则选择激光位移传感器。通过将激光打在高温区域上，来监测发动机在大状态下振动是否在安全范围内；当发动机出现内部剐蹭等严重结构损伤时，工作时产生的噪音会发生变化。通过声学测量仪器的声强探头，将声压信号转换成电信号，从而测得当前工况下的噪音，检测发动机的健康状态。

综上所述，根据小型涡轴发动机循环试车试验中监测得到的性能参数，以及通过结构损伤检测方案获得的结构参数，经量化处理后，完成对发动机当前状态的健康监测。处理后的数据可以应用于加速任务试车的损伤等效验证。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种小型涡轴发动机整机寿命试车结构损伤监测方法，其特征在于：包括如下操作：

S1，根据小型涡轴发动机在服役过程中典型零部件所承受的载荷以及常见的包括叶片疲劳断裂、伸长在内的故障形式，确定失效模式；

S2，根据结构损伤间的耦合关系，筛选表征发动机当前健康状况的非主要部件结构损伤指标；

S3，选取发生在整机发动机内的部件的破坏性损伤以及引起关键部件材料性能发生变化的间接损伤；

S4，基于失效模式、非主要部件结构损伤指标以及破坏性损伤和间接损伤，规划结构损伤监测手段；

S5，设计涡轴发动机加速任务试验平台，根据涡轴发动机加速任务试验平台的电涡流测功机与作为实验载机的小型涡轴发动机性质，设计电涡流测功机扭矩自动加载方案，对小型涡轴发动机进行试车，按照规划的结构损伤监测手段对小型涡轴发动机进行损伤监测。

2.根据权利要求1所述的一种小型涡轴发动机整机寿命试车结构损伤监测方法，其特征在于：所述S1中失效模式包括载荷、热冲击、表面颗粒冲刷造成的叶片径向伸长、疲劳断裂、反扭转、点蚀、烧蚀、表面粗糙度变化。

3.根据权利要求1所述的一种小型涡轴发动机整机寿命试车结构损伤监测方法，其特征在于：所述S2中非主要部件结构损伤指标的筛选取决于结构损伤是否会与燃气涡轮蠕变变形量产生耦合关系，包括会对燃气涡轮工况造成影响的燃气涡轮燃烧室、燃气涡轮导向器、动力涡轮发生的结构损伤。

4.根据权利要求3所述的一种小型涡轴发动机整机寿命试车结构损伤监测方法，其特征在于：所述S3中选取的破坏性损伤包括燃气涡轮裂纹长度、燃气涡轮导向器裂纹长度、燃烧室主燃控裂纹长度、动力涡轮叶片蠕变伸长量；间接损伤包括燃气涡轮叶片烧蚀度、燃气涡轮叶片表面粗糙度、燃气涡轮导向器烧蚀度、燃烧室主燃控烧蚀度、燃烧室主燃控周围表面粗糙度。

5.根据权利要求4所述的一种小型涡轴发动机整机寿命试车结构损伤监测方法，其特征在于：所述S4中结构损伤监测手段具体包括：针对服役过程中产生的裂纹，采用荧光渗透检测技术检测表面开口缺陷，对部件内部的缺陷，使用ct扫描技术；针对涡轮叶片蠕变变形，采用径向间隙测量、三维扫描、与三坐标法进行检测；对于涡轮叶片由高温高压环境造成的点蚀、烧蚀损伤，采用显微镜直接观测；对于表面粗糙度的检测，首先利用复形胶对被测表面进行复形，再对复形得到的可观测表面的粗糙程度进行检测。

6.根据权利要求5所述的一种小型涡轴发动机整机寿命试车结构损伤监测方法，其特征在于：所述涡轴发动机加速任务试验平台包括试车间以及设置在试车间内的发动机燃油系统、控制系统、数据采集系统、试车台架、电涡流测功机、电气系统、进排气系统；

所述发动机燃油系统用于为试车发动机提供燃油；

所述控制系统用于控制试车发动机；

所述数据采集系统用于采集、记录试车参数；

所述试车台架用于安装试车发动机；

所述电涡流测功机用于吸收计量发动机输出的轴功率，并具有加载量调节功能；所述电气系统用于试车间内各系统电力供应；

所述进排气系统用于为试车发动机补充空气，提供排气通道。

7.根据权利要求6所述的一种小型涡轴发动机整机寿命试车结构损伤监测方法，其特征在于：所述数据采集系统包括性能参数监测系统和健康监测系统；

所述性能参数监测系统用于检测包括燃气涡轮转速、排气温度、燃油流量、燃油剩余量，并对检测到的数据进行监测；

所述健康监测系统用于检测振动情况，包括振动位移、振动加速度以及分贝，通过检测到的数据监测试车发动机的健康状态。

8.根据权利要求1所述的一种小型涡轴发动机整机寿命试车结构损伤监测方法，其特征在于：所述电涡流测功机扭矩自动加载方案具体为：将电涡流测功机扭矩加载模式设置为恒转速模式，设置发动机输出轴的最大转速与电涡流测功机最大转速，通过负反馈调节，完成加载扭矩的自主调节。