1、中华人民共和国航空工业标准航空燃气涡轮发动机监视系统设计与实施指南振动监视1 主题内容与适用范围HB/Z 286.4 - 96 1. 1 本指南提出航空燃气涡轮发动机振动监视系统的组成、功能和使用方法。1. 2 田IZ286.t(航空燃气涡轮发动机监视系统设计与实施指南总则的要求适用于本指南。本指南适用于航空燃气涡轮发动机振动监视系统的设计、使用和维修。2 引用标准本章无条文。3 术语和缩略语3. 1 术语3. 1. 1 机载振动监视系统airbome vibration monitoring system 在飞机上使用的发动机振动监视系统。3. 1. 2 基频base frequency 与
2、转子转速信号同频的信号频率。对具有转速差的多转子系统，对应各转子转速，存在各自的基频信号。3.1.3 振动总量total level of vibration 在一定频带内(如发动机常用转速的频率范围内)振动信号的综合量值(含背景噪声).以振动位移或振动速度、加速度表示。3. 1. 4 频谱spectrum 一组按频率顺序分布的幅频关系特性。3.1.5 振动分量component level of vibration 发动机振动频谱内各具体频率成分的振动信号量值。3.2 缩略语3.2. 1 EVM Engine Vibration Montoring 发动机振动监视3. 2.2 A VM Ai
3、rborne Vibration Monitoring 机载振动监视中国航空工业总公司1996-09-13发布1996 -10 -01实施73 3. 2. 3 FIR Finite Impulse Response 有限冲击响应4 总述HB/Z 286.4-96 一个完整的EVM系统包括用于监视和分析发动机振动的全部硬件系统和软件系统。一般分为机载监视系统和地面站两大部分，如图1所示。本指南主要针对整个系统的AVM部分。发动机振动监视可以作为发动机总的状态监视系统的一个部分;也可以作为一个独立的部分。目前使用的大多数AVM系统主要用于监视由转子不平衡引起的振动。AVM系统也用于监视其它零、部件
4、的振动，包括齿轮、轴承、传动装置和附件以及加力燃烧室等。只要仔细地考虑了正确的设计和安装，AVM系统可以通过对发动机损伤和非正常磨损的早期检测而节约发动机的使用费用。AVM系统设计时，应明确系统的目的和范围以及系统与整个飞机的关系。设计时应考虑的主要因素是:效益、系统的成本、系统寿命、可靠性和维修性以及进一步扩展的可行性和必要的准备。图2供AVM系统总体设计和要求时考虑，旨在保证AVM系统设计、应用时能全面计及应该考虑的因素。5 机载振动监视系统目前所有的AVM系统均通过一个或多个安装在发动机某些部位的传感器检测和监视发动机振动。来自传感器的信号由复杂程度不同的电子处理装置接收处理，经过处理的
5、信号以某种形式对机组人员显示或传递到其它机载监视设备，同时可进行记录供事后处理分析用。5.1 信号源监视系统的精度和保真度极大程度地取决于信号源的质量。信号凛的质量则主要取决于传感器的选择、传感器的安装位置及安装要求。5. 1. 1 传感器振动测量传感器有位移式、速度式和加速度式，它们分别感受振动物体的位移、速度和加速度。位移传感器通常用于测量发动机转铀与轴承机匣的相对运动，很难用于发动机整机振动测量。速度传感器通常采用电磁式，其活动线圈和电磁体因响应振动而产生相对运动，传感器线圈所产生的电压正比于相对运动速度。该类传感器的主要优点在于它所产生的信号强而且是低阻抗的，用常规的航空电缆很容易远距
6、离传递。但由于有活动体易引起摩擦、磨损而严重地限制了使用寿命，且其频率响应受传感器横向效应激励和安装方位的影响太大，所以目前该类传感器已很少用于发动机整机振动测量。现代飞机发动机的AVM系统广泛采用压电式加速度传感器。传感器的压电元件所产生的电荷与平行于传感器敏感铀的加速度成正比。5. 1 . 1 . 1 加速度传感器的主要技术指标该类传感器的主要技术指标为:a.灵敏度在20t时为10-125pc/ g; b.横向灵敏度不应超过敏感铀最大灵敏度的5%;74 C.频率响应范围为2Hz-5趾;d.双端差分输出。HB/Z 286.4 - 96 5. 1. 1.2 加速度计结构类型目前常用的加速度计结
7、椅类型有:a.带接插件的表面安装加速度计;b.带整体电缆的表面安装加速度计;C.内装加速度计;d.双加速度计。带接插件的表面安装加速度计，如图3所示。采用与电缆分开的加速度计非常容易安装，但它们可能会由于芷插件损坏或污染而产生信号衰减或失真。带整体电缆的表面安装加速度汁，如图4所示。为了避免接插件损坏或污染带来潜在问题，某些加速度计设计成带整体电缆型式。通常采用氟炭绝缘电缆并用金属导管保护，使电缆不致暴露在260t:以上工作。在环境温度更高时，通常采用带钢外套的矿渣绝缘硬导线电缆。在发动机内靠近转子主轴承处必须安装传感器时，可采用内装型加速度计，如图5所示。由于该种传感器在发动机制造、装配时就
8、要装入，所以对其可靠性要求非常高;否则，难于更换且费用很高。一种替代的方法是采用刚性或半刚性的探头型加速度计部件，将其插入或接近轴承机匣，从而可以从发动机外面固定或拆卸传感器，其型式如图6所示。双加速度计是将两个加速度计共同安装在发动机的同一位置上，这样两个信号可相互比较进行有效性检验。关键是要使两个加速度计装在一起(最好是采用共用的安装托架).使它们感受相同的机械振动。但需注意，两个传感器安装不要过于紧密，以致在同一时间，其中一个产生缺陷而引起另一个也产生缺陷口5.1.2 传感器安装位置传感器在发动机或附件立的安装位置必须考虑与待监视的部件有很好的刚性连接，通常在发动机研制过程中要进行广泛的
9、振动试验，试验所得到的数据、结果可提供初步选择传感器位置的依据。其位置应该通过飞行试验或发动机安装在飞机上的地面试验最后确定。5. 1. 3 传感器安装要求传感器的安装面最好选择发动机本体的一部分。如不可能，则要选择刚性很好的安装托架。用安装边固定传感器时最好采用T型或刚性很强的L型托架。在工作范围内或工作范围附1ft应避免由于托架共振而引入动态响应问题。所安装的传感器及托架组件的第一阶固有频率至少比所要测定的频率大三倍，为此，不适于采用悬臂支承托架。安装面应是平的、清洁的、金属对金属的表面。传感器和托架(或发动机本体)的安装面的平行度、垂直度以及连接螺钉的拧紧力矩应明确规定。5.2 信号传输
10、对高阻抗信号的传输要特别注意，以避免信号的干扰和失真。压电式加速度计的压电晶体元件阻抗很高，需要很多专门的设计措施使从压电加速度计传输到前置放大器的真实信号得以保持。75 H/Z 286. 4-96 5.2.1 线路型式加速度计、传输电缆和电荷敢大器子系统应由差分电路组成，如图7所示。5.2.2 绝缘加速度计的敏感元件应与其亮体良好的绝缘。在最高工作温度下绝缘电阻不小于20MO。5.2.3 屏蔽信号电缆在整个传输长度范围应完全屏蔽。屏蔽应在一个点接地，通常在信号调节器机壳接地。5.2.4 电缆的低噪声处理当屏蔽电缆折曲，其各组成部分有相对运动时，可能引起电缆内部产生静电荷。该电荷将随时间变化而
11、使得放大器出现虚假信号。此种潜在问题叫做摩擦电噪声。采用特殊的低噪声电缆可解决此问题，如图8所示。电缆内部导线用含石墨粉的纱带包缠从而防止电荷集聚。为进一步抗摩擦电干扰，电缆应卡紧以避免运动。在大振动区域，如发动机短舱，其电缆应牢固卡住，推荐沿其长度卡紧间隔不大于2mm。5.2.5 接插件在传感器和信号调节第一级之间尽可能少用接插件。如果必须采用，则应用钢壳圆形螺纹式接插件并带自锁或保险丝。应避免使用卡口插座型接插件。AVM系统的接插件和位于传感器与信号调节第一级之间的接插件不应与飞机的其他系统的导线共用。如果必须用共用接插件，则所选择的共用接插件系统应该是直流信号，如热电偶，或者所共用的系统
12、在飞行中不频繁使用。接插件应适于应变释放以防止电缆疲劳损伤和产生摩擦电噪声。接插件应该密封以防止受潮或受油和液压流体的污染。可通过衬套和交接面的密封达到。在发动机上或接近发动机的关键区，应采用专门的高压紧力的接插件触点，以提供可靠的接触而保证信号传输的连续性。镀金触点可减少对腐蚀和磨损的敏感度，以保证低阻抗连接的维修性。5.3 信号调节器信号调节器是AVM系统的核心部分，其作用是将传感器感受的振动信号经过阻抗变换、放大、积分和滤波处理等，提供模拟量和(或)数字量的输出。信号调节器可以做成一个强立的航空电子设备盒，也可以作为发动机或飞机电子综合系统的一个组成部分。5.3.1 电荷放大器以差分式压
13、电加速度计作为信号源，信号调节的第一级就是差分电荷放大器。其作用是将高阻抗电荷信号转换成低阻扰电压信号并进行信号放大。推荐的设计要求电荷放大器应形成缓冲的宽频带输出，以适用于信号离线处理所要求的外部保存和分析条件。5.3.2 积分运算网络为适应振动监视显示不同参数(位移、速度)的需要，信号调节器中应设置积分运算网络。76 HB/Z 286.4-96 因为一次积分相当于每倍频程6dB的低通谴波器，故每一次积分将导致低频信号突出而高频信号衰减。采用积分运算网络有利于消除信号中的高频噪声。5.3.3 滤被由传感器所拾取的原始振动信号包含的频率成分很多并含有背景噪声，通常采用各种有效的滤波技术以获得所
14、要求的信号成分。仔细地选择滤波器特性对于整个信号调节器系统的性能是至关重要的。一般情况是在电荷放大器之后实现滤波。有时，为了避免造成信号饱和和过载，而需要在电荷放大器前采用输入(低通)滤波器。转子系统以恒速运转，如涡轮螺桨发动机或涡轮轴发动机，则可采用固定的带通滤波器，其中心频率为转速的频率，信号输出主要反映转子的不平衡。通常发动机在一定转速范围内工作，可选择宽带滤披器，使其适应整个转子速度范围;也可选择窄带滤波器，使其跟踪对应于每一个转子速度的信号。跟踪滤波器系统采用一个或多个牢带滤波器，以发动机转速信号作为参考，始终跟踪发动机的转子频率。由于跟踪滤波器的功能是监视离散频率并最大阪度地剔除噪
15、声，故宫的带宽应尽可能的窄，而与所要跟踪的转子频率严格同步。通常，任何带通滤i皮器的跟踪速率反比于滤被器的Q值。Q值是带宽(在-3dB点测量)与中心频率之比。喋声抑制不仅是带宽的函数而且是滤波器形状的函数G因此，理想的牢带跟踪滤波器的响应如图9所示。该种滤波器响应非常近似于数字式有限冲击响应(FIR)滤波器。典型的FIR和模拟式带通滤波器响应示于图10。一种方便的描述滤搜器特性的方法是用形状因子，通常用一40dB与一3dB两处带宽之比表示。现代AVM信号调节器系统犬多采用数字式跟踪滤波器。由于跟踪滤技器取决于发动机转速信号并以其作为滤波器中心频率的基准，故应精确地表征整个发动机工作频率范围内转
16、速传感器或转速表的比值和输出特性;同时，应保证转速信号在信号调节器内有足够的缓冲，而使跟踪滤波器不受其他系统的干扰。如果将相位信号叠加在发动机转速信号上，则采用AVM系统的跟踪滤波器可以对发动机进行本机修正平衡。5.3.4 机内测试设备和自检测机载信号调节系统应具有机内测试设备和自检测功能。机内测试设备用作故障发生时检测和记录故障的手段;自栓测用作主动检查系统自身工作状态的手段。5.3.5 输出形式信号调节器的输出形式必须与系统对信号的显示、记录或进一步处理的要求相适应。它包括对模拟量的输出增益和阻抗匹配以及对数字量输出的模/数转换器的匹配。5.4 信号的指示和记录5.4.1 信号的指示信号调
17、节器输出的信号可直接传递给飞机驾驶舱的振动指示仪表或屏幕显示。5.4. 1. 1 振动的指示参数一般而言，振动指示参数低频时用位移，中间频率时用速度，而高频时用加速度。典型的燃气涡轮发动机转子转速所在的频率范围适于用速度作为指示参数。77 HB/Z 286.4 - 96 5.4.1 , 2 振动总量与分量振动总量一般是在一定通频带范围内测量和显示的振动量值;振动分量则一般是经跟踪滤波、窄带滤波或频谱分析得到的单一频率成分的振动量值，其中主要包括振动监视所关注的发动机各主转子的振动分量以及它们各自的倍频分量，通常，仪表或屏幕仅显示振动总量，总量异常时，则需显示或分析振动分量。5.4.1.3 振动
18、限制值振动限制值与发动机类型、测点位置、测振方法、所测振动的总量与分量以及振动环境等多个因素有关。限制值一般由发动机设计、制造部门给定。5.4.2 振动信号记录现代使用的机载记录仪多为数字式。数字式记录仪有磁带记录仪和固态电子式记录仪两类。如果需要对发动机的振动信号进行数字化分析，则振动数据的采集和记录系统的频响特性必须满足数字化分析的要求。6 系统的监视和诊断功能完善的振动监视系统设计通常应具有告警、趋势分析、响应特性分析、频谱分析和本机平衡等监视和诊断功能。6 , 1 告警功能告警功能是给机组提供事件或AVM系统状态恶化的警告。要求具有告警灯、事件捕捉和事件存贮装置。最主要的告警功能是振动
19、值超限告警，而关键在于振动限制值的合理确定。发动机设计、制造部门可参考已有的同类型发动机振动限制值，也可会同订购方，根据内、外场正常发动机的振动监视值的统计数据确定。6.2 趋势分析考察振动数据的变化趋势及趋势的变化速率并据以发现潜在的故障。数据点的平滑方法对趋势分析的有效性和可信度是重要的。应正确选择数据点的数目和合理的平滑方法。6.3 响应特性分析测量和记录每台发动机各振动传感器位置在整个飞行过程中，包括加速、减速及稳态过程的振动响应曲线。利用与转子系统动力响应特性曲线或与典型故障的响应曲线进行对比，实施故障诊断。6.4 频i营分析振动信号的频谱分析是发动机振动信号非参数模型的分析和识别应
20、用最广泛、最有效的手段。根据振动频谱中特征谱线对应的频率和幅值可以比较准确地识别故障原因。要进行频谱分析，其前提是应该有宽带(一般为5Hz-5kHz)模拟量的信号源;记录仪和信号分析仪的采样频率应该满足采佯定理的要求。推荐两种机载实现频谱分析功能的方案:a.在飞机上设置专用的插座，从电荷放大器直接引出模拟量的输出信号。当需要进行频谱分析时，随飞机配置便携式的振动信号分析仪或高频响记录仪。只要与专用输出插座连接，78 HB/Z 286.4 - 96 即可实时地分析或记录模拟量的振动信号:b.配置专门的机载振动数据采集和记录、分析系统。系统待采集和存贮的振动信号的频率范围可分档，一般最高分析频率档
21、应达到5kHzo6.5 本机现场)平衡AVM系统中使用窄带跟踪滤披器主要是为了监视和诊断因转子不平衡引起的振动。如发现不平衡量过大，可适时地进行本机(现场)平衡修正。只要利用窄带跟踪滤波器与转子转速严格同步，再在转子上加装参考相位标志，即可判断转子不平衡量的大小和方位。7 系统的使用AVM系统的预期目的是为了对引起发动机振动响应变化的发动机故障或衰退进行检测和定位。为达到此目的，振动传感器必须与旋转部件紧密连接。最普遍的结构是每台发动机装2个传感器，一个在前，一个在后。前面的传感器通常安装在1号轴承机匣(或风扇机回)上，以监视风扇和(或)压气机;后面的传感器通常用于监视不同的涡轮单元体。信号处
22、理硬件可安装在飞机上或安装在发动机上，也可采用分开式，即某些信号前置调节部分安装在发动机上，其余部分安装在飞机上的处理器内。由于传感器(一般均用加速度计)信号对导线和接插件要求特别严格，故希望是在传感器内或在发动机上以开关量或数字量的形式完成某些信号传递，这样就需要在发动机上有数字接口。振动监视系统通常提供两类输出数据，一类供飞行机组使用;另一类供维修人员使用。7. 1 飞行机组用对飞行机组提供的信息必须是最可信、最可靠的。它应该对紧急的或正发展的问题提出明确而直接的告警，同时对与事件有关的失衡直接指示和定位，需要机组按文件规定的程序来取措施。显示的形式，从离散的超限告警标志到自动的信号幅值超
23、限指示或一经要求即行显示。在军用飞机中，显示通常趋于定性，而要求驾驶员的动作应无条件地取决于发动机状态和飞行包线。7.2 维修人员用提供给机组人员的信息至少也应作为维修需要的信息。理想情况是，或者由振动监视系统自身或者由其官机载装置提供和存贮更多更细致的信息。这样，信息即可用于视情维修、前估分析、诊断和本机平衡以及地面试验等方面。这些方面实施的程度以及具有的潜在经济效益完全取决于各订购方的基本观点、基础以及与其维修策略相联系的水平。7.2. 1 视情维修视情维修己为很多新的民用和军用发动机所实践并已证明具有重要的节约意义。对于发动机，视情维修的保证取决于维修方案，它包括多种监视形式，由工作小时
24、和工作循环，ilJ发司j机状态的指示。AVM是重要的发动机状态监视的手段之一。在状态监视总的内容中，AVM通常设计成只监视转子不平衡(采用跟踪滤波系统)，而，干、对整个发动机进行状态监视，除非配置某些宽带监视和观察。AVM系统可能检测到的早期故障的例子有:79 HB/Z 286.4-96 a.涡轮和(或)压气机叶片部分折断。这将导致不平衡显著增大而引起二次损伤;b.滑油渗漏进入压气机鼓筒。它将引起发动机出现非整数阶次特征的失衡而导致严重的二次损伤;C.轴承退化，尽管AVM系统不能专门地早期检测该类故障，但在很多情况下，可及时地在其损坏之前给予指示，而让发动机停车;d.叶尖碰摩和隔圈摩擦腐蚀。可
25、在严重的二次损伤发生前检测到并采取措施:e.由外物打伤引起的风扇叶片凸台(或中间围带)的卡死和风扇失衡。在这种情况下继续工作会导致严重损伤以及其他发动机部件和附件疲劳故障。AVM检测这样的问题非常有效并可允许及时地采取简单的纠正手段sf.连接处不同心和压气机部件固定螺栓松动，会进一步产生故障而可能引起发展的二次损伤;g.叶片锁片错位。可导致代价很大的故障。故障的早期检测和排故已成为共识，其结果对减少发动机的维修费用和改善整个视情监视程序的经济性均十分有效。7.2.2 预估分析和诊断预估分析最一般的形式是在预定的发动机状态下，通过人工或电子设备，对一个或多个振动参数(也可与其官参数一起)进行趋势
26、分析。基于由发动机设计、制造部门和经验所给定的限制值，可以确定发动机哪一个单元体应该大修和什么时候大修。系统的读断能力直接与它分辨和显示频率相关数据的能力有关。如果仅有固定的宽带滤波器，由于含有噪声和其它信号源，则难于识别不平衡源;如果有一系列较窄的固定的带宽滤波器，在发动机转子工作转速部围内，则能一定程度地识别不平衡源;采用跟踪滤波器，与转子转速频率同步，贝才能清晰地识别转子的不平衡，如再与固定带宽的滤波器组合，则可以对更多的发动机故障状态的信息给予评定。最新研制的基于预定频率范围的频谱分析能够更大程度地进行故障定位和诊断。这样的能力是地面系统能够达到更完善诊断的基础。7.2.3 本机平衡现
27、代民用AVM系统通过利用在飞行中已获得的振幅和相位信号，使维修人员可以在停机坪(库)进行风扇本机修正平衡。它将节约维修工时和燃油，并降低噪声。统计数据表明，保证发动机在服役中期，与风扇有关的振动水平低于正常安全容限以下是经济的、可行的。其结果将显著减少二次损伤对发动机其它零部件造成的疲劳损伤。某些发动机正扩展其功能以提供数据实现低压涡轮的本机修正平衡。7.2.4 地面试验具有频谱分析能力(典型的频率范围5Hz-5kHz)的监视系统能够检测到发动机的很多问题并精确定位，这可避免在修理前进行地面试验的需要。发动机在修理或大修的前、后在试车台架上运行时，可以安装附加的传感器并由电子设备分析，因而较A
28、VM系统有更强的诊断能力。因为燃气涡轮发动机的振动特性受其安装影响，经常会发生台架振动数据与机载振动数80 HB/Z 286.4-96 据间的差别。如果AVM系统有相对完善的分析能力，且此能力接近于地面系统，则更便于识别发动机有关的故障。8 责任对振动监视系统的要求取决于发动机及其使用并受很多其它因素制约。像其它状态监视系统一样，振动监视系统也需要不同部门间的紧密合作。对系统研制和完整性负责的部门通常包括订购方、飞机和发动机设计、制造部门以及设备供应(制造)部门。8. 1 订购方订购方对提出系统要求全面负责。在发动机设计、制造部门的协助下，由订购方提出待监视的内容、如何表示数据、如何使用数据、
29、期望通过系统得到的效益。对系统的性能、可靠性、寿命周期费用以及维修性等也应提出要求。8.3 飞机设计、制造部门飞机设计、制造部门负责系统的完整性。与订购方共同确定显示、存贮振动数据的模式;协同发动机设计、制造部门确定发动机响应特性以及需要设置的告警的振动限制值;在设备供应部门的帮助下，对机载信号处理器的功能、接口和环境要求等作出规定。8.3 发动机设计、制造部门发动机设计、制造部门负责确定发动机振动特性、限制值、监视参数、诊断意图以及发动机上部件安装的环境。在设备供应部门的协助下，应规定对传感器、连接电缆的要求，确定其在发动机上的安装位置;规定所需要的信号处理(滤波)特性以及包括合适的转子相位
30、基准信号源，以满足风扇本机修正平衡的要求。8. 4 设备供应部门设备供应部门负责明确地向发动机设计、制造部门通报有关设备的能力，这不仅包括技术选择，还应涉及原始成本、寿命周期费用、可靠性、维修性以及产品的保障性。81 回国NM-K伊lm趋势数据信息(计算机数据库或口志)r-.、!炉;_，实时频谱分析仪X-y绘图仅诊断设备|冒FP|修正平衡分析仪完整的发动机振动监视系统示意图f吵一!-手工士传递向寸地面:!山/记录仪11趋d运机外发动机, 航空电子组件提示/警告信号器;。一模拟量输出指示器一-I 飞.!li1.习I l荧光屏r 打印机1图1Nl转速/参考相相位二J传感器装在机匣处)丘牛飞传感器装
31、于轴承座处)发动机垣舱机载驾驶能。卜HB/Z 286.4 - 96 |王孟;-1图2AVM系统总的考虑83 HB/Z 286 . 4-96 图3带接头的表面安排的加速度计图4带套体电缆的表面安装的加速度计图5内部安装的加速度计84 HB/Z 286.4-96 r- : rl斗-0严斗: C，-)Vi恤:I I :斗寸44迁L._, 安装在发动机上E如接插件加速度计_ ,2 -E三F、回6内部感头式加速度计-ra-厅川快。因-唱0-0 置于发动机上或飞机内低噪声电缆前置放大器图7典型的差分测量电路置装一系指内-到机-飞-于-置-信号处理电子设备85 86 在E Ut.l b 3.Jb 40dtJ HB/Z 286 .4-96 图8低噪声电缆。频率围9理想的带通滤波器理1辜Odb 3db 40db HB/Z 286.4-96 典型的八位戴字flR法法嚣形状因于:3 典型的14量模拟越握在形状因子:10 频率国10数字式和模拟式带通滤波器附加说明:本指南由中国航空工业总公司三。一研究所提出;本指南由北京航空航天大学负责起草;本指南主要起草人:李其汉。87
