CN108120602A - 一种航空发动机进气道砂尘吸入物静电监测实验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空发动机进气道砂尘吸入物静电监测实验台，包括风洞管道、螺旋式供砂装置、砂尘环境采样及采样砂尘质量与静电荷测量装置、静电信号采集与处理装置。本发明用于研究和验证航空发动机进气道中沙尘等带电颗粒物在静电传感器电极上引起的静电感应现象，利用静电传感器获取砂尘静电感应信号，通过对所采集到的静电信号分析，提取与砂尘粒径和质量浓度相关的静电信号特征参数，研究沙尘吸入物浓度、粒径尺寸与信号特征参数的关系，实现基于进气道静电监测信号的砂尘吸入物在线定量监测，包括砂尘浓度、吸入物总质量以及砂尘粒径特征信息等。

Description

一种航空发动机进气道砂尘吸入物静电监测实验台

技术领域

本发明涉及一种航空发动机进气道砂尘吸入物静电监测实验台，属于航空发动机状态监控与视情维修技术领域。

背景技术

飞机在起飞、着陆、地面试车和飞行中，动力装置往往会吸入由风或飞机尾迹扬起的漂浮于空气中的砂粒或灰尘，这些砂尘吸入物不仅影响动力装置的性能，甚至影响其可靠性。研究证明，发动机吸入大量砂会造成压气机叶片严重的磨蚀，使发动机推力降低，耗油率升高。砂尘进入轴承封严、转动部件内壁等内部气路，会使发动机某些零部件磨损、破坏转子平衡，随冷却空气进入涡轮叶片容易堵塞冷却气孔，从而影响冷却效果导致叶片烧蚀。针对发动机砂尘吸入物的影响问题，欧美国家制定了砂尘环境和发动机吞沙实验等相关标准，并将吞砂试验列为新型发动机设计定型的考核项目，国内参考美军标也制定了国军标GJB2046-94、GJB150.12-86等规范和要求，对发动机及其附件提出了吞沙和砂尘环境实验要求。近年来欧美国家适航当局先后与相关的发动机厂商合作，开展了关于发动机吞沙、吞火山灰造成的影响实验探究，正在拟定相应的适航规章，以提高发动机抗砂尘、火山灰等外来物危害的能力。

砂尘吸入物对军民用发动机性能及可靠性的影响受到越来越多的重视，如何定量监测及评估实际运行环境下发动机砂尘吸入物及其影响是发动机健康监测技术领域的新课题。现有发动机状态监测系统不具备监测发动机砂尘等吸入物的能力，美军方提出了发动机砂尘吸入物机载监测传感器系统的需求并开展了相关研究，其中基于声发射原理的监测系统及基于静电感应原理的监测系统被认为最具有潜力，公开文献显示静电监测系统(包括进气监测系统和尾气监测系统)已应用在最新型号的发动机上。

静电监测法是一种非侵入式的监测方法，传感器具有结构简单、易于安装维护的优点，因此非常适合于航空发动机砂尘吸入物测量。国内主要研究静电传感器的传感机理，并对传感器的特性进行了初步研究，气路静电监测技术正由实验室理论和模拟实验研究走向发动机地面试车台实验研究，但还有一系列的关键技术有待突破。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种航空发动机进气道砂尘吸入物静电监测实验台，对砂尘被吸入进气道的运动过程及带电颗粒物在静电传感器电极上引起的静电感应现象进行研究，并利用特殊信号处理方法对所得到的静电信号分析，提取砂尘粒径和质量浓度相关的信号特征，为实现基于静电传感器的砂尘吸入物定量监测奠定基础。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种航空发动机进气道砂尘吸入物静电监测实验台，包括风洞管道、螺旋式供砂装置、砂尘环境采样及采样砂尘质量与静电荷测量装置、静电信号采集与处理装置；其中，螺旋式供砂装置包括大砂尘容器、螺旋式砂尘输送头、步进电机和控制器；砂尘环境采样及采样砂尘质量与静电荷测量装置包括砂尘环境采样管道、法拉第筒、电子天平和静电计；静电信号采集与处理装置包括静电传感器、信号处理装置；

所述风洞管道水平设置，风洞管道由管道、模拟发动机进气道、渐扩管道和离心风机依次衔接而成；螺旋式供砂装置、砂尘环境采样及采样砂尘质量与静电荷测量装置分别位于管道的中端、后端；

所述大砂尘容器竖直设置，大砂尘容器由上、下两部分连接而成，上部分为只有上底的圆柱形，下部分为只有下底的圆台形，圆台形上底与圆柱形下底大小相同，大砂尘容器底部带有出砂口，且出砂口置于风洞管道内部，螺旋式砂尘输送头的头部伸入出砂口中，步进电机与螺旋式砂尘输送头的尾部连接，控制器与步进电机连接；

所述砂尘环境采样管道为一90度弯头，90度弯头的一端置于风洞管道中，且该端的中心轴线与风洞管道的中心轴线重合，在使用时该端入口正对风洞管道的风向，另一端穿过风洞管道与法拉第筒的一端通过内螺纹连接，法拉第筒与风洞管道相互垂直，静电计测量端伸入法拉第筒内，输出端置于风洞管道外；

所述静电传感器设置于模拟发动机进气道内部，且与信号处理装置连接。

作为本发明的一种优选方案，所述实验台还包括风速传感器、温度传感器、气压传感器，所述风速传感器、温度传感器、气压传感器均设置于管道前端内部，且分别与信号处理装置连接。

作为本发明的一种优选方案，所述信号处理装置包括信号预处理模块、信号分析与特征提取模块、显示和存储模块，所述信号预处理模块用于对静电传感器采集的静电信号进行预处理，信号分析与特征提取模块与信号预处理模块连接，显示和存储模块与信号分析与特征提取模块连接。

作为本发明的一种优选方案，所述静电传感器通过柔性BNC电缆与信号预处理模块连接。

作为本发明的一种优选方案，所述电子天平用于测量法拉第筒内采样砂尘的质量。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明针对航空发动机砂尘吸入物定量监测和评估问题，设计了一种航空发动机进气道砂尘吸入物静电监测实验台，为研究带电砂尘颗粒团质量浓度、荷质比、粒径等砂尘特征参数与静电传感器监测信号的关系，实现基于静电传感器的沙尘吸入物定量监测和评估提供实验验证手段。

2、本发明提出的设计能够实现多参数的控制，有效模拟航空发动机、特别是直升机进气道的砂尘环境，可实现不同进气速度、不同砂尘浓度、不同砂尘粒径分布(标准试验尘砂粒子，如AC细尘、AC粗尘以及C级砂等)的进气道砂尘环境模拟。

3、本发明针对直升机发动机粒子分离器环形气流通道特点，提出的可互换的类似锥形进气装置，模拟惯性粒子分离器进气结构，可实现不同尺寸和形状的粒子分离器环形气流管道内砂尘环境模拟。

4、本发明提出的砂尘环境采样及砂尘质量与静电荷测量装置，可实现对进气道内砂尘环境的有效采样，并进而实现对进气道砂尘荷质比参数的测量。

附图说明

图1是本发明一种航空发动机进气道砂尘吸入物静电监测实验台结构图。

图2是本发明螺旋式供砂装置结构图。

图3是本发明砂尘环境采样及采样砂尘质量与静电荷测量装置结构图。

图4是本发明模拟发动机进气道剖面图。

图5是本发明提出的发动机进气道砂尘吸入物静电监测系统图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明针对现有航空发动机砂尘吸入物危害的问题，设计了一种基于静电感应原理的航空发动机进气道砂尘环境模拟及砂尘吸入物静电监测模拟实验台。该实验台可用于实验室条件下，通过控制管道中气流速度及注入管道中砂尘粒径和质量来模拟发动机进气道的各种砂尘环境(如不同浓度、不同粒径分布等)，通过弧形法拉第筒对管道中的砂尘进行采样，借助天平和静电计可实现采样砂尘的质量和静电荷的实时测量，借助安装在管道中的静电传感器实时采集砂尘吸入物的静电感应信号。借助特殊的信号分析和特征提取方法，领用采集的静电信号可实现对管道砂尘吸入物的定量监测与评估，包括砂尘浓度、吸入物总质量以及砂尘粒径特征信息等，为发动机健康评估与维修保障提供决策支持信息。

一种航空发动机进气道砂尘环境模拟及砂尘吸入物静电监测实验台，对砂尘被吸入进气道的运动过程及带电颗粒物在静电传感器电极上引起的静电感应现象进行研究，并利用特殊信号处理方法对所得到的静电信号分析，提取砂尘粒径和质量浓度相关的信号特征，为实现基于静电传感器的砂尘吸入物定量监测奠定基础。

实验台组成如图1所示，由风速传感器、压力传感器、温度传感器、螺旋式供砂装置、风洞管道、砂尘环境采样及采样砂尘质量与静电荷测量装置、静电传感器及其信号处理装置、模拟发动机进气道、实验台架、渐扩管道、离心风机组成。

螺旋式供砂装置包括大砂尘容器、螺旋式砂尘输送头、转换接头、高速步进电机以及控制器等。如图2所示，大砂尘容器安装在风洞管道正上方，大砂尘容器的出砂口与风洞管道内部相通，螺旋式砂尘输送头安装在大砂尘容器右侧，螺旋式输送杆则伸入大砂尘容器的出砂口中，转换接头安装在螺旋式砂尘输送头右方，再与右边的高速步进电机连接。它可以通过控制高速步进电机转速，带动转换接头再带动螺旋式砂尘输送头高速旋转来控制出砂质量流量，具有控制精度高、流量可控和无级调速的特点，转换接头仅用于连接螺旋式砂尘输送头和高速步进电机。

砂尘从大砂尘容器里被螺旋式供砂装置抽出，直接进入到管道内部，在离心风机的作用下迅速形成均匀的砂尘环境。采用高速步进电机驱动，专用控制器进行高精度控制，根据管道中气体流量，控制螺旋式砂尘输送头转速及进入管道的沙尘质量流量，进而达到控制砂尘浓度的目标。

如图3所示，砂尘环境采样及采样砂尘质量与静电荷测量装置，包括可转动的砂尘环境采样管道、法拉第筒、高精度电子天平及静电计，可实现管道中砂尘环境的采样，并实现采样砂尘质量与静电荷的测量，进而通过计算可得到管道中采样砂尘的荷质比。砂尘环境采样管道安装在风洞管道内部，入口朝向风洞管道的风向，静电计测量端伸入砂尘环境采样装置中，输出信号端则通过风洞管道入口伸出到管道外；电子天平则放置在外部。砂尘环境采样管道可实现管道中砂尘环境的采样，电子天平实现采样砂尘质量的测量，静电计实现静电荷的测量，进而通过计算可得到管道中采样砂尘的荷质比(采样砂尘静电荷与质量的之比)。

砂尘环境采样及砂尘质量与静电荷测量装置采用可拆卸设计，该装置的入口可前后旋转，同时该装置可分成上下两部分，两部分之间通过内螺纹连接，下部分为一法拉第筒装置，有同轴接头输出静电荷信号，同时利用电子天平可测量收集的砂尘样本的质量。旋转式弯头、长段的设计可以保证在实验过程中装置能够有效地收集砂尘样本，为不影响管道下游气流和砂尘浓度，在不采集砂尘样本期间，旋转式弯头可以旋转180度。

在管道中砂尘在惯性作用下进入到质量与静电荷测量装置中，加长设计的测量装置可以保证在实验过程中收集到足够量的砂尘，同时保证实验过程中进入到测量装置内部的砂尘不会再次吹出测量装置外。质量与静电荷装置的可拆卸设计是通过特别设计的连接口进行连接，保证上下部分导电，内外部分绝缘。利用高精度静电计接通连接荷质比测量装置内部的接头，测量砂尘所携带的电荷量，利用高精度电子天平上测量采样砂尘质量。

风洞管道大量采用现成的标准化材料制作而成，包括标准直径的管道、焊接在管道上的标准法兰盘、可更换的进气道模型、结构加强的渐扩管道等。标准法兰盘焊接在风洞管道两端，形成风洞管道的一段。风洞管道由多段组成，在其中的一段内在轴心位置处有一段螺柱，螺柱通过数片与管道内部母线、螺柱焊接的支承片固定在管道轴心处，螺柱上可安装多种的发动机进气道模型，通过使用不同的模型可用于模拟进气道、离子分离器的气流等。在风洞管道与离心风机之间通过结构加强的渐扩管道连接在一起。

如图4所示，可更换的模拟发动机进气道由模型和管道两部分构成，其可以实现简易的更换以实现不同形状进气道环境的模拟，可模拟惯性粒子分离器环形气流通道。

如图5所示，静电传感器及其信号处理装置，包括静电传感器及管道内的固定支架，静电传感器安装在固定支架上，安放在进气道模型的正前、正中、正后三个位置，也可以是一个或两个，采集砂尘运动产生的静电感应信号，信号处理装置包含信号预处理、信号分析与特征提取、显示和存储三个模块。静电传感器借助固定支架安放在管道中不同位置，静电传感器一直位于管道内侧，静电传感器与信号预处理电路之间通过柔性BNC电缆连接；通过BNC电缆传输到信号预处理电路，经过信号分析与特征提取显示并存储到PC上。

通过采集稳定状态下的静电信号及相应的砂尘浓度信息，提取静电信号特征参数，拟合出静电信号的特征参数随砂尘浓度、荷质比的变化趋势，通过采集稳定状态下的静电信号及相应的砂尘粒径分布信息，提取静电信号特征参数，拟合出静电信号的特征参数随砂尘粒径的变化趋势。

静电感应的原理和依据：静电传感器是基于静电感应原理设计的，当带电颗粒物经过传感器探极时，在探极上产生感应电荷，感应电荷量随着探极的敏感区域内的总体静电荷水平的上升而增大，不同浓度、不同粒径砂尘产生的静电感应信号也不同，表现为时频域特征参数的差异。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种航空发动机进气道砂尘吸入物静电监测实验台，其特征在于，包括风洞管道、螺旋式供砂装置、砂尘环境采样及采样砂尘质量与静电荷测量装置、静电信号采集与处理装置；其中，螺旋式供砂装置包括大砂尘容器、螺旋式砂尘输送头、步进电机和控制器；砂尘环境采样及采样砂尘质量与静电荷测量装置包括砂尘环境采样管道、法拉第筒、电子天平和静电计；静电信号采集与处理装置包括静电传感器、信号处理装置；

所述风洞管道水平设置，风洞管道由管道、模拟发动机进气道、渐扩管道和离心风机依次衔接而成；螺旋式供砂装置、砂尘环境采样及采样砂尘质量与静电荷测量装置分别位于管道的中端、后端；

所述大砂尘容器竖直设置，大砂尘容器由上、下两部分连接而成，上部分为只有上底的圆柱形，下部分为只有下底的圆台形，圆台形上底与圆柱形下底大小相同，大砂尘容器底部带有出砂口，且出砂口置于风洞管道内部，螺旋式砂尘输送头的头部伸入出砂口中，步进电机与螺旋式砂尘输送头的尾部连接，控制器与步进电机连接；

所述砂尘环境采样管道为一90度弯头，90度弯头的一端置于风洞管道中，且该端的中心轴线与风洞管道的中心轴线重合，在使用时该端入口正对风洞管道的风向，另一端穿过风洞管道与法拉第筒的一端通过内螺纹连接，法拉第筒与风洞管道相互垂直，静电计测量端伸入法拉第筒内，输出端置于风洞管道外；

所述静电传感器设置于模拟发动机进气道内部，且与信号处理装置连接。

2.根据权利要求1所述航空发动机进气道砂尘吸入物静电监测实验台，其特征在于，所述实验台还包括风速传感器、温度传感器、气压传感器，所述风速传感器、温度传感器、气压传感器均设置于管道前端内部，且分别与信号处理装置连接。

3.根据权利要求1所述航空发动机进气道砂尘吸入物静电监测实验台，其特征在于，所述信号处理装置包括信号预处理模块、信号分析与特征提取模块、显示和存储模块，所述信号预处理模块用于对静电传感器采集的静电信号进行预处理，信号分析与特征提取模块与信号预处理模块连接，显示和存储模块与信号分析与特征提取模块连接。

4.根据权利要求3所述航空发动机进气道砂尘吸入物静电监测实验台，其特征在于，所述静电传感器通过柔性BNC电缆与信号预处理模块连接。

5.根据权利要求1所述航空发动机进气道砂尘吸入物静电监测实验台，其特征在于，所述电子天平用于测量法拉第筒内采样砂尘的质量。