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    航空發動機狀態監測
    發布時間:2015-12-10


    一、概述


      作爲飛機的核心部分,航空發動機直接影響著飛機的正常飛行。航空發動機因其結構的複雜性以及其惡劣的工作環境,導致航空發動機時刻都有可能發生故障。根據惠普公司的統計結果顯示,因爲發動機出現故障而産生的維修費用、航班延遲、取消造成的損失以及因爲發動機性能降低而造成耗油量增加而造成的損失費用基本上在航空公司的全部成本中占27%。根據有關資料顯示,通過對發動機進行故障檢測不僅能顯著提高發動機運行的可靠性,保障飛行安全;而且可以降低發動機服役期的維護費用;節省地面排故和調整試車的燃油消耗;縮短維修時間;減少備件;縮短飛機再次出動時間,提高部隊戰鬥力等。


      航空發動機尾氣排放情況可以反映發動機的燃燒狀態;同時,在一定程度上反映出發動機的維修狀態或發動機的老化程度,從而爲發動機視情維修提供依據。對航空發動機排放尾氣監測還可以滿足航空發動機通用規範中對發動機排氣中不可見汙染物及排氣冒煙的測試;以及飛機隱身技術中對氣體排放物的的測量要求。


    二、必要性


      航空燃氣渦輪發動機是目前飛機發動機的主要形式。航空燃氣渦輪發動機排放産物主要包括氧氣(02)、氮氣(N2)、二氧化碳(C02)、水蒸氣(H2O)、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、未燃盡碳氫化合物(UHC,也可以叫做揮發性有機化合物VOCs)、一氧化碳(CO)和碳的微小顆粒以及其他微量化合物。産物的主要來源如下:

      (1)空氣中沒有參加燃燒過程的部分:氧氣和氮氣;

      (2)燃燒反應的副産品:氮氧化物;

      (3)理想燃燒過程的最終産品:二氧化碳、水及二氧化硫;

      (4)不完全燃燒的産物:碳氫化合物、一氧化碳和微小碳煙顆粒。


      2.1 發動機狀態與尾氣成分關系


      航空發動機排放的尾氣成分與發動機的燃燒狀態密切相關外,還與發動機類型、實際運行條件(包括發動機速度、溫度、油料、發動機老化程度、維修周期等)緊密聯系。特別是NO和CO的排放與燃燒過程及燃燒效率密切相關,在很大程度上能反映出發動機維修狀態或老化程度。當發動機各系統出現故障時,尾氣中某種成分必然偏離正常值,尾氣的排放特征可以作爲發動機故障檢測的依據。


      1)一氧化碳CO


      CO是一種不完全燃燒産物,通常在燃燒室主燃區中大量形成,在中間區被氧化成CO2。在富油區,會因缺乏氧氣,不能完全燃燒生成CO2,而産生較多的CO。在高溫區,燃燒在化學恰當比或稍貧油條件下,CO2的熱分解形成大量CO,然而這部分CO會在下遊冷卻器富氧區燃燒盡。實際上,CO排放在低功率時達到最大,是燃料不完全燃燒産生的。


      2)未燃盡碳氫化合物UHC


      未燃盡碳氫化合物是典型的燃料不足及不完全燃燒的産物。燃油中有一部分碳氫化合物只是蒸發,沒有來得及參加燃燒反應就通過了燃燒室。因此,在燃燒室出口未燃碳氫燃料以油珠或油蒸汽形式出現,或者是燃油被加熱分解成低分子量的甲烷或乙炔,形成碳氫化合物。它産生的原因是霧化不好,燃燒速度太低。


      3)氮氧化物NOx


      燃料在燃燒過程中生成的NOx,按它的生成機理不同可分爲“熱力”“瞬發”和“燃料”氧化氮三種,由于航空發動機燃料大部分都是航空煤油,燃料中含氮量低,因此NOx産生的原因主要來自于“熱力”NO和“瞬發”NO,前者主要出現在高溫貧油情況,而後者主要是在低溫富油條件下産生。NOx的生成主要取決于發動機燃燒室內主燃區內混合當量比、停留時間、火焰溫度以及燃燒室進口溫度,而這些因素又與發動機工作狀態有關。通常NO隨著當量比增加而增加,當主燃區當量比接近與0.8-1.0時,由于此時火焰溫度達到最高,故NO排放量最大。另外,NO的排放還隨著燃燒室進口溫度和壓力增加而增加,燃氣在燃燒室內停留時間越長,NO生成率也增加,但當量比φ《0.4時,因混氣很貧,NO生成率太小。


      4)冒煙


      航空發動機排氣冒煙主要成分是含碳97~99%和含氫1~3%的固體微小粒子(尺寸在0.01~0.06um)。冒煙主要産生在燃燒室的高溫主燃區中富油區,排放量隨著發動機的壓力比的增大而顯著增大,其生成主要與燃料性質、燃燒室壓力、溫度、油氣比、燃油霧化質量和燃油噴嘴有關。燃料中氫的含量或氫/碳比對排氣冒煙影響很大,含氫量越低,燃燒效率下降,越易于排氣冒煙。燃燒室壓力是影響排氣冒煙的一個最重要的參數,隨著壓力增加排氣冒煙也增加,燃燒室出口溫度提高,排氣冒煙減小。


      5)氧氣O2


      尾氣中的氧氣主要是空氣中氧氣沒有參加燃燒過程産生的,氧氣的含量是反映空燃比的最好指標,主要用于空燃比控制以及斷火檢測。


      6)二氧化碳CO2


      CO2是理想燃燒的産物,其高低反映出燃燒效率。燃燒效率越高,CO2的含量就越高。


      2.2 尾氣測量技術


      2.2.1 傳統測量技術


      航空發動機尾氣成分分析儀器主要有氣相色譜儀、氣體紅外線分析儀、氧分析儀、總烴測量儀、氮氧化物分析儀和煙碳測量儀等。


      氣相色譜儀是尾氣分析最常用、最主要的儀器。一台氣相色譜儀可基本滿足燃燒室試驗中出口各種燃氣成分的測量。但是,色譜儀在正式投入分析運行之前,需要經過嚴格的標准樣品標定、進樣條件的探索和系統管路的密封檢查等許多調試步驟。氣體紅外線分析儀通常能分析的氣體成分有CO、CO2、CH4、SO2、NO 等。氧分析儀、總烴測量儀、氮氧化物分析儀是專門氣體測量儀器,煙碳測量儀測量的是排氣冒煙。


      傳統分析儀器中有的功能單一,不能對多種成分同時分析,而最常用的氣相色譜儀盡管可以分析多種成分,但使用相對複雜,檢測實時性差,分析結果受諸多因素影響,且只能在試驗室進行。


      2.2.2 光聲光譜技術


      光聲光譜技術主要基于比爾-朗伯定律,氣體分子受特定波長的激光照射後,會吸收光子獲得能量,從基態激發到激發態,再通過振轉弛豫變換無輻射躍遷回到基態生成熱,引起周圍氣壓發生變化。對光源進行調制,使氣壓周期性變化形成聲波,聲信號與氣體濃度成正比,利用比爾-朗伯定律根據檢測的聲信號幅值就可以得到氣體濃度值。


      光聲光譜技術是一種理想的無背景噪聲信號技術,具有較高靈敏度和良好選擇性,可同時分析多種氣體成分。光聲光譜技術是監測物體吸收光能後産生的熱能中以聲壓形式表現出來的那部分能量,即使在弱吸收的情況下,吸收能也可被微音器檢測。與其它氣體檢測方法相比較,光聲光譜技術的主要優點是:長期穩定性好、靈敏度高;不消耗氣樣,如載氣、標氣;響應快、檢測時間短,便于現場檢測;適于多種氣體成分的檢測;系統結構簡單。


      2.2.3 光散射技術


      感煙探測器按照工作原理,主要可以分爲離子感煙探測器和光電感煙探測器。其中,離子感煙探測器由于使用镅-241等放射性物質作爲放射源,廢棄時容易對環境造成汙染而逐漸淡出,基于光散射原理的光電感煙探測器處于主導地位。


      當煙粒子和一束光發生相互作業時,由于煙顆粒的折射率具有非均一性,引起入射波陣面的擾動,使得顆粒同時以同樣波長再輻射已經接受的能量,這就是散射。采用光散射技術進行煙霧測量的原理是具有一定波長的入射光,當其進入遮光暗室時,其內煙霧粒子將對光源産生散射作用,按照光散射定律,當其粒徑大于光的波長時將産生散射作用,並且煙粒子經過輕度著色,使得處于一定夾角位置的光敏元件的阻抗發生變化,從而産生光電流。此光電流的大小由煙粒子的濃度和粒徑大小及著色與否來決定,並且與散射光的強弱有關。

     

    三、方案設計


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    圖1 航空發動機尾氣監測系統示意圖


      航空發動機尾氣監測系統主要由六部分組成:1)樣品預處理系統;2)采樣控制;3)感煙探測模塊;4)測量單元;5)光源溫度驅動控制;6)數據采集及處理;7)總控制系統。系統工作流程如下:

      1)樣品預處理系統的樣氣冷卻後通入感煙探測模塊;

      2)總控制系統發出指令將感煙探測模塊的數據采集並處理;

      3)總控制系統給采樣控制單元發出指令,控制泵將經樣品預處理系統處理後的樣氣抽入測量單元的氣體池中;

      4)總控制系統給光源溫度驅動控制發出指令,控制測量單元的光源發出光;

      5)氣體池中的樣氣吸收光源發出的光能量,産生光聲信號;

      6)微音器將光聲信號轉換成電信號,數據采集及處理單元對該信號進行處理;

      7)數據采集及處理單元將處理後的氣體濃度信號發送給總控制單元。


      3.1樣品預處理系統


      采用十字交叉型取樣器來收集航空發動機排放的氣體。收集的樣氣首先進行油氣分離,達到良好的油氣分離效果後,再將樣氣冷卻至50℃,先經過煙霧測量模塊,再進行常規氣體預處理,將樣氣中的顆粒物過濾掉,避免汙染光聲池內腔及管路,同時保證大塵埃粒子不會損壞采樣泵,影響采樣泵的使用壽命。


      3.2 采樣控制


      采樣控制單元主要是執行總控制系統給出的指令,控制采樣泵的開啓、關閉,何時采集樣氣,采集幾次,一次采集多長時間。采樣控制單元還控制管路中的電磁閥的開啓、關閉。同時管路中安裝有壓力傳感器,可以對環境壓力的造成的波動進行補償。


      3.3 感煙探測模塊


      感煙探測模塊是基于光散射技術的光電感煙探測器,對航空發動機排氣冒煙進行測量。采用迷宮結構,爲了增加檢測的靈敏度和可靠性,反射迷宮牆的反射面與迷宮牆有傾斜一定的角度。


      3.4 測量單元


      測量單元可放置三個光源,兩個進光口,則光聲池一端進光口放置一個光源,另一端進光口放置兩個光源,且這兩個光源的光束經合束機構合成一束光後進入光聲池。光聲池爲全鍍金結構,與合束機構及其光源等光學系統形成一個相對獨立的空間,並對該空間進行恒溫控制,即可對環境溫度引起的波動進行補償。


      3.5光源溫度驅動控制


      作爲理想的電子—光子直接轉換器件,激光器具有很高的量子效率,微小的電流和溫度變化將導致輸出光功率的極大變化。激光器作爲電流驅動型器件,高穩定度的驅動電流是輸出功率穩定的前提,同時激光器是對溫度很敏感的器件,環境溫度的波動將直接導致激光器的阈值電流和輸出功率發生變化,因此,激光器電流與溫度控制極其重要。


      寬帶紅外光源發出的寬譜紅外光,需要通過配置不同的窄帶濾波片後變成窄帶光。窄帶濾波片安裝在盤片上,利用無刷步進電機作爲驅動電機,控制盤片的旋轉,使寬譜紅外光光通過相應的窄帶濾波片,得到與氣體吸收線相對應的窄帶光。


      3.6 數據采集及處理


      微音器將壓力波轉換成可識別的電信號。數據采集及處理系統將電信號進行采集後進行一系列的信號處理,並通過光譜定量分析模型計算出氣體濃度。


      3.7 總控制系統


      總控制系統相當于油品質量過程分析系統的大腦,指揮著各單元分時、分步工作,讓各單元協調有序的完成油品質量的氣體成分分析。


    四、系統指標


      系統采用光聲光譜技術,可以測量絕大部分在紅外區有吸收現象的氣體,如無機氣體、苯系物、有機硫、烷烴、烯烴、芳烴等。用于航空發動機狀態監測的尾氣成分有:一氧化碳CO、二氧化碳CO2、一氧化氮NO、二氧化氮NO2、二氧化硫SO2、氧氣O2、水H2O、甲烷CH4、乙炔C2H2、顆粒物等。

      →可同時測量多種氣體;

      →亞ppm級檢測精度,高選擇性;

      →寬動態範圍,無需調節量程;

      →穩定性號,校准周期長,維護費用低;

      →僅需微量采樣氣體;

      →可耐高濕環境;

      →工作溫度範圍寬;

      →內嵌自檢功能。

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