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浅析CFE型发动机的振动监控收购

2020-05-21 08:47:03 | 来源: 主食

浅析CFE型发动机的振动监控

摘要:航空发动机转动部件的振动值一直是各型发动机重要的监控参数之一,本文将结合CFE型发动机的振动监控系统来说明,在平常维护工作中几种监控工作方式的运用及其各自特点。

关键词: 航空 发动机 保护 监控 振动

前言

现代航空发动机基本都采取了数据监控的维护方式,其中发动机转动部件的振动值一直是各型发动机重要的监控参数之一,转动部件振动水平直接决定了发动机的是否是可以安全使用。以下将结合CFE型发动机来谈谈发动机振动值的监控、分析,及其相干的保护措施。

简介CFE型发动机振动值监控系统的组成及功能

CFE型发动机振动监控系统包括部件:压电式加速度传感器、发动机转速传感元件、集合式发动机振动监控组件、发动机的全功能数字电子控制器和机载发动机振动监控部件。

每台CFE型发动机上安装了两个压电式加速度传感器:前加速度传感器安装在1#轴承腔;后加速度传感器安装在风扇机匣壳体。CFE型发动机的前振动传感器安装在对风扇振动水平最敏感的1#轴承座上,主要用于风扇振动水平的监控,同时这个传感器得出的N2前振动传感器振动值将作为高压转子振动水平的备用参数和比较参数使用。后振动传感器安装在风扇壳体压气机机匣,后振动传感器将更多的丈量发动机的低压和高压转子整体振动水平,并且更多的用于高压转子的振动水平分析。同时后振动传感器提供的N1振动值将作为低压转子振动水平的备用参数和比较参数。

每个压电式加速度传感器利用压敏探测元件,丈量出与加速度信号成比例的电压信号,每个加速度传感器搜集来自很多振动源的数据,这些数据将提供给集合式发动机振动监控组件。

发动机转速传感元件

每台CFE型发动机安装了一个集成式低压转速传感器,这个传感器中安装了三个独立的探测元件,同时丈量低压转子的转速,探测元件1#和2#将丈量出的低压转速信号分别提供给全功能数字电子控制器的A和B通道用于发动机控制,而独立的3#探测元件将丈量出的低压转速信号,提供给集合式发动机振动监控组件,用于解调低压转子的振动值;CFE型发动机振动值监控系统中,高压转速的探测系统不同于低压转速的探测。该型发动机没有安装振动值监控专用的高压转速的探测元件,而是将全功能数字电子控制器的专用发电机的转速信号提供给集合式发动机振动监控组件,用于解调高压转子的振动值。

集合式发动机振动监控组件

E190飞机在中电子舱安装了一个集合式发动机振动监控组件,用于搜集、解调和计算两台发动机的振动值。

首先,集合式发动机振动监控组件在接收到两个压电式加速度传感器丈量出的加速度信号后,利用发动机低压转速和高压转速的频率信号,解调加速度传感器提供的数据,得出与这两个转速频率相应的振动数据----这与调频收音机的工作原理类似。前加速度传感器丈量出的加速度信号,利用N1转速信号解调出N1前振动值;利用N2转速信号(PMA提供的频率信号) 解调出N2前振动值。同理,后加速度传感器丈量出的加速度信号,分别解算出N1后振动值和N2后振动值。

IEVM

N1 频率信号

N2 频率信号

前加速度传感器

N1前振动值

N2前振动值

后加速度传感器

N1后振动值

N2后振动值(Core Vibe Rear)

注:N1前振动值是前振动传感器收集到在N1频率下的振动量,其反应了整个N1系统的振动水平,并不能辨别振动来源是低压涡轮还是风扇;一样N2前振动值反应了全部N2系统的振动水平。后传感器数据同理。

在IEVM解调出每个传感器的低压转子加速度数据和高压转子加速度数据后,再利用数学积分公式将加速度计算成速度, 即IPS = (g);然后再次利用积分将速度计算成位移, mils = (g),最后将得出的位移数据提供给发动机的全功能数字电子控制器。

发动机的全功能数字电子控制器

在FADEC中使用制造厂家定义的分段函数计算公式,将IEVM提供的位移数据转换成飞机上显示和使用的振动数据。现mils与units转换公式为:在4units之下为1 units=1.5 mils;在4units之上为 1 units=16 mils;即飞机指示4 units时,实际振动为6 mils,而指导5 units时,实际振动为20 mils。

然后, FADEC将两个振动传感器丈量出的低压转子的振动值,即N1前振动值和N1后振动值进行比较,选取其中较大的数值作为N1振动值提供给飞机的数据储存和显示系统。同时FADEC中将计算出的各个振动值与其内部设定的限制标准进行比较,如果超过限制标准,则给飞机的数据储存和显示系统提供相应的报警信息。高压转子振动监控同理。

1.4 E190飞机有关发动机振动监控的部件有中央保护计算机、发动机指示和机组正告系统、多功能显示器等,用于发动机振动值的储存、显示和报警。

2 简介E190型飞机上发动机振动值的分析和使用

在E190型飞机上,发动机振动值的分析和使用有以下3种工作方式:

第一种、利用飞机机载装备读取故障历史数据的故障代码和保护信息,可以得到发动机在使用和自检进程中发现的振动值超限或有关振动异常的情况。同时可以利用中央管理计算机中飞机状态监控功能,提取发动机振动超限后记录的数据,然后机务人员可以通过相干的故障信息直接根据FIM、AMM、MEL等手册完成相干保护工作。

这种方法判断故障最为直接、简便,但它只能探测已超限制标准的数据或自检信息,没法进行有效的预防性保护。

第二种、从数字式飞行数据记录器和快速收集组件中提取机载装备搜集的参数数据,这样可以得到覆盖全部飞行航段的、所有收集到的参数数据。对发动机振动监控,读取DFDR和QAR数据最大的优势是可以将多个参数关联在一起,进行全部航段全程综合分析,从而定性的判断发动机振动是不是异常及其可能缘由。以下将通过几种典型图例,说明DFDR和QAR在发动机振动监控中的作用。

图五,左发低压转子振动大

说明:绿色为左/右发动机的低压转子转速;橙色为左发低压转子振动;蓝色为右发低压转子振动;低压转子振动使用机组显示数据,单位是units。此图不能判定此振动值来源为前还是后传感器,如果需要可从QAR数据中分别提取N1_AftVib和N1_FwdVib数据进行分析。

将QAR中这个航段的N1振动数据与其关联的N1转速数据联合分析得出:左发N1振动明显受转速影响,当N1处于高转速阶段时其振动值较大,当N1转速处于巡航等较稳定的转速时,N1振动值着落明显且相对稳定,这种情况下保护人员首先使用风扇配平将可以较好的解决问题。

图6,右发低压转子振动延续较大

说明:深蓝色为飞行高度;紫色为左发低压转子振动;浅蓝色为右发低压转子振动,单位是units。

图六中右发低压转子振动水平在全部飞行航段一直处于高位波动,这种情况常常需要同时采取润滑风扇叶片和风扇配平相结合的保护方式,才能有较好的工作效果。

图7,右发低压转子振动波动幅度大

说明:深蓝色为飞行高度;浅蓝色为左发低压转子振动;紫色为右发低压转子振动,单位是units。

图7可见右发低压转子振动值上下波动幅度大,且波动出现在全部飞行航段,这种情况最大的可能是线路等指导系统出现故障,因此首先需要对该发的振动值丈量和指示系统进行检查。

第三种、利用GE公司提供的远程诊断系统监控发动机振动值,这是航空公司平常的工作方法。飞机在每个航段通过ACARS向GE公司的RD系统发送两个数据报文,报文采取快照的方式提取发动机相关参数的数据。对RD系统中发动机振动值的监控,将直接使用IEVM提供的数值,因此每台发动机每一个报文包含有四个振动值,名称分别为风扇前、风扇后、核心机前、核心机后,这四个数据在CFE型发动机上都使用mils。

注: CFE型发动机正常监控只使用起飞和巡航两个报文,如客户需要则增加爬升报文。

以下是CFE型发动机在使用RD系统中出现的几种比较典型的趋势图,以此说明RD系统对发动机振动值监控的基本作用:

图8、平滑值渐变一样需要考虑科学经营和社会。安徽合肥明东纺织有限公司总经理钱明明告诉笔者。这种情况常常意味着缓慢的损伤,例如在发动机长时间使用中风扇叶片润滑涂层的磨损等;

图八说明:该发自2011年10月13日引进以来,发动机的风扇振动水平在持续的、缓慢的增大,在2012年6月风扇前振动平滑值达2 mils以上;在2012年6月9日完成了风扇润滑以后,风扇振动水平明显着落并稳定在1 mils以下且离散率较小,说明风扇叶片润滑工作质量较好,有效的着落了风扇振动水平,到达了保护工作的预期目的。

图9、平滑值阶跃式突变。这种情况常常意味着发动机转子部件重量距的突然变化或轴承的失效,最常见缘由是FOD等硬件的损伤或风扇叶片重新润滑后导致重量距改变等;

图9说明:该发 2012年6月之前风扇振动值在延续的、缓慢的增大,离散率较大,振动数据整体变化趋势正常;在2012年6月2日完成了风扇润滑以后,风扇振动值突升到2.5 mils以上,然后经过风扇叶片配平工作将风扇振动值降到1 mils以下,此时振动数据的离散率明显较小。对此情况进行工程调查后得出:该发在巴西装机时润滑风扇叶片的工作质量较差,巴西方面在飞机交付时发现了风扇振动大的问题,前后进行了两次风扇配平,使风扇振动水平降到可接受的范围内。当时巴西方面没有完成风扇叶片的重新润滑工作,因此风扇配平工作是在错误的风扇润滑涂层基础上完成的,导致安装了合适毛病涂层的配平螺钉,在新疆重新润滑风扇叶片修正了润滑涂层后,反而因前期安装的配平螺钉的不合适,造成了风扇叶片重量距的突变,致使风扇振动值突升。

图10、实际值单点跳跃。造成这种情况的主要原因常常是飞机或发动机使用中的环境造成的,如FOD、结冰、气流扰动等,也有可能是传感等线路故障导致的。

图10说明:蓝色为该发巡航风扇前振动数据,红色为巡航风扇后振动数据。在2012年3月24日的同一航段,风扇前振动数值和风扇后振动数值同时上升,因此基本可以排除发动机振动指导系统的故障。随后完成工程调查发现,该发起飞的风扇振动数据也出现突然增大的现象,而同机另一台发动机的起飞和巡航两个搜集点的数据都稳定,从而判断该发可能在当时遭到外来物损伤,因此对该发完成了FOD特检工作,确认发动机安全可用。

通过以上案例可见,RD监控系统有以下的特点:1)、RD系统可以连续监控发动机在长时间使用中的振动变化趋势;2)、每个航段的起飞和巡航都只使用1个数据点,对搜集点的质量要求较高,容易造成数据值离散;3)、参数数据较单一,没法全面判断发动机实际运行情况,容易造成错判。

正是由于RD系统有以上的特点,因此当在平常监控中发现振动值有异常时,常常要综合利用前两种监控方法,依照以下的工作程序综合运用3种工作方式进行异常参数的确认和判断:

1)、读取飞机上有没有故障信息或自检代码等;

2)、确认飞机上另外1台发动机的相同参数的变化趋势是否是一致。如果一致则说明造成数据异常的本源可能来自飞机系统,否则造成数据异常的根源可能来源于发动机;

3)、确认发动机的两个振动传感器收集的数据和飞机显示的数据,这几个参数数据的关系是不是协调,变化趋势是否是一致。当出现前、后两个传感器数值变化趋势不一致的情况,则说明一个传感器或及其线路可能出现故障,如果两个传感器的数据变化趋势一致,则基本可以排除传感器故障的可能性;

注:当发动机上N1转速传感器的3#探测元件出现故障,将同时影响两个振动传感器收集的数据;PMA提供的N2转速信号故障同理,而这种情况振动值常常表现为数据波动大、离散大且影响全部飞行航段,飞机或有故障自检信息等。

4)、确认出现异常的参数在巡航和起飞点的数值的变化趋势是不是是一致;

5)、从QAR中提取该发动机在出现异常的参数在航段中的全部数据,和其它相干参数的数据,进行综合分析。

这三种工作方式各有优、缺点,只有将其有效的综合应用,做到相互映证、相互补充,才能更准确的判断故障源,以便采取有针对性的保护措施,得到最好的保护效果。

结束语

发动机振动值监控一直是各型发动机状态监控工作体系中重要的一环,航空公司每一年都有大量的保护工作来保持发动机振动水平,同时振动值超标也是造成发动机返场修理的重要缘由之一,因此如何评估平常保护中的工作质量和效果,以便有效的改进保护方案;如何在发动机使用中及时发现故障隐患,并采取最有效的保护措施,一直是发动机工程、技术管理人员的工作重点,本文结合CFE型发动机的保护经验,简单说明了该型发动机振动监控系统的运用。

不足之处恳请大家批评、指正!

参考资料:

E190 AMM Ⅰ ,CENTRAL MAINTENACE SYSTEM

E190 AMM Ⅰ ,ENGINE VIBRATION MONITORING SYSTEM

E190 WM ,WIRING MANUAL ENGINE VIBRATION INDICATION SYSTEM

E190 SNL ,E190/195 ENGINE TREND REPORT

E190 SNL ,E190/195 ENGINE EXCEEDANCE REPORT

E190 SNL ,E190/195 ENGINE FAN VIBRATION-GENERAL INFORMATION

GE DIAGNOSTICS CH12,VIBRATION MONITORING

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