郑州航空工业管理学院航空发动机转子系统碰摩监测实验实验指导书【模板】.pdf

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航空发动机转子系统碰摩监测实验

实验指导书

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一、实验目的

通过该实验的开设，使学生初步认识航空发动机转子系统的故障机理与监测、

诊断方法，认清转子系统故障对航空发动机带来的灾难性后果，熟悉监测信号分

析的基本方法，了解航空发动机在线监测和故障诊断、健康管理等先进理念，培

养学生强化航空安全意识、对航空发动机等复杂机械、重大装备的运行健康状态

监测、分析具备较强的设计、分析和判断能力，掌握机械、电子、力学、信息等

多门知识的综合运用能力。

二、实验原理

航空发动机中压气机和涡轮部分均含有高速旋转的转子系统，也是故障多发

的部件。发动机结构组成如图1。

图1燃气涡轮风扇发动机结构图

（1）依据其工作原理和结构特征，对复杂的航空发动机结构进行简化建模：

首先考虑在外形上与发动机核心机一致，内部结构、核心机支承结构等进行结构

形式简化。本实验可以用于演示和模拟发动机中可能出现涡轮叶片与机匣封严间

隙处的典型碰摩情况，碰摩实验时用板手拧碰摩环点变形顶螺栓，使碰摩环产生

变形，从而与旋转的涡轮叶片产生碰摩，当碰摩严重时，将产生碰摩火花。碰摩

严重程度可由变形的大小和面积来设定，用扳手拧入深度来控制碰摩环变形的位

移大小，调整顶紧螺栓的端部面积，可以调整变形面积大小。调整不同位置的碰

摩环顶紧螺栓的旋入量及端部面积，可以实现不同程度的碰摩仿真。

（2）加速度传感器的碰摩故障监测原理：加速度传感器是一种利用晶体材

料的压电效应，在受到外力作用时，材料几何尺寸发生变化，内部极化，某些表

面形成电荷，从而形成电场。可以用于压力/应力/加速度的测量。

（3）颗粒物传感器用于碰摩故障监测的原理：健康的发动机处于正常工作

状态时，其气路中的颗粒物主要为颗粒较小的碳烟颗粒，其粒径主要分布在

5~7nm和20~40nm两个区域，且气路总体静电荷保持在一个相对稳定的状态。

当发动机出现碰摩故障时，会产生大量的磨粒。这些磨损产生的颗粒物粒径都比

较大，通常在40以上。颗粒物的电荷量与颗粒的粒径、温度以及颗粒的运动速

度均有关系。因此，发动机工况改变或发生碰摩故障都会导致气路中总体的静电

荷水平发生变化。

本实验中用于颗粒物监测的传感器是基于静电感应原理进行工作的，其感应

探极采用耐高温的镍基合金材料，探极和传感器外壳之间采用陶瓷材料进行隔离，

当荷电颗粒经过传感器探极表面的时候，探极里面的电子会在电场力的作用下重

新分布，当感应电荷产生的附加场强与外面荷电颗粒所产生的场强的合场强为零

时，探极包括其表面没有电荷的定向移动，即达到静电平衡状态。如图2所示。

图2颗粒物监测传感器进行碰摩故障监测的原理示意图

当尾气中含有的荷电颗粒远离静电传感器感应电极的过程中，其表面产生的

感应电荷又回归为零。在荷电颗粒靠近和远离传感器感应电极的过程中，造成了

感应电极内电子的定向运动，从而形成感应电流。最后将感应电流通过变换电路

转化为电压信号输出。因此通过基于静电感应原理的颗粒物感器用来实时监控发

动机气路静电荷水平的变化，以此来达到监测气路部件工作状态的目的。

三、实验步骤

航空发动机转子系统故障监测虚拟仿真实验，通过浏览器（推荐使用火狐或

Chrome）登陆至虚拟项目页面，利用键盘鼠标通过交互式页面进行虚拟仿真实验。

系统网址【网址】

（1）登陆虚拟仿真实验网址；

（2）点击按钮“开始实验”，如下图所示；

（3）根据提示于交互式界面选择加速度安装位置；

（4）于交互式界面进行操作，正确连接监测系统（信号分析仪、加速度传感器、

颗粒物传感器等）

（5）点击按钮启动控制台，进入发动机试车控制模块。

（6）正确设置传感器采样频率，见下图所示；

（7）返回控制台操作界面，根据提示拖动虚拟油门杆，对虚拟发动机转速进行

控制，进入分析界面，点击“开始采集”记录并分析振动信号。

（8）返回控制控制台操作界面，根据提示改变油