《民航发动机状态监控与故障诊断》根据中国民航大学飞行器动力工程专业的*新“航空发动机状态监控和故障诊断教学大纲”和课程组多年来从事民用航空发动机状态监控、故障诊断科研实践和教学经验编写而成。《民航发动机状态监控与故障诊断》不仅继承了国内外同类教材的**内容，还紧密结合国内外航空发动机状态监控领域的工程实践，同时吸收相关研究成果。《民航发动机状态监控与故障诊断》着重阐明航空发动机状态监控理论在工程实践中的应用，力求深入浅出、循序渐进。通过学习《民航发动机状态监控与故障诊断》，读者能对民航发动机气路、滑油、振动等方面的状态监控和故障诊断，以及无损检测技术有较深入的理解，为今后从事民航发动机监控、运行管理和维修工作打下较坚实的理论基础。

目录
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 发动机故障诊断学的任务和基本原理 2
1.3 发动机状态监视与故障诊断系统 2
思考题 5
第2章 航空发动机数学模型 6
2.1 发动机的故障特性 6
2.2 数学模型的建立流程 7
2.3 发动机正常状态数学模型 8
2.3.1 正常态数学模型方程 8
2.3.2 正常态数学模型的求解 10
2.4 发动机故障状态数学模型 11
2.4.1 故障因子 11
2.4.2 故障态模型方程 12
2.5 故障系数 13
2.5.1 故障系数的定义 13
2.5.2 故障系数的求解 13
2.6 故障方程的线性统计模型求解 16
2.6.1 线性统计模型的基本概念 16
2.6.2 *小二乘估计 17
2.7 主因子模型求解 21
2.7.1 概述 21
2.7.2 故障相关性准则 25
2.7.3 合理性准则 28
2.7.4 基本解和通解的确定 29
2.7.5 主因子模型例题 31
思考题 35
第3章 发动机的气路性能监控与故障诊断 36
3.1 概述 36
3.2 监控数据采集与传输 38
3.2.1 监控数据的选择 38
3.2.2 监控数据采集方法和传输途径 41
3.3 起飞性能监控 44
3.3.1 起飞阶段发动机的运行特性分析 44
3.3.2 发动机起飞EGT裕度的定义 45
3.3.3 发动机起飞EGT裕度的评估和应用 48
3.4 发动机巡航性能趋势监控 50
3.4.1 巡航阶段的特点和监控方法 51
3.4.2 巡航阶段气路性能参数 53
3.4.3 巡航监控参数偏差量的计算 54
3.4.4 巡航数据偏差量的数据处理 57
3.4.5 巡航数据趋势报告 63
3.5 发动机气路性能故障诊断与分析 66
3.5.1 发动机气路性能分析与故障诊断 66
3.5.2 基于发动机部件和系统工作原理的故障分析 70
3.5.3 典型的民航涡扇发动机诊断与排故工程实例 76
思考题 78
第4章 滑油系统状态监控与故障诊断 79
4.1 概述 79
4.2 航空发动机滑油系统 79
4.2.1 滑油系统功用 79
4.2.2 滑油系统组成 80
4.2.3 滑油理化指标与要求 80
4.2.4 润滑系统的常见故障 81
4.3 航空发动机滑油系统状态监控技术 82
4.3.1 概述 82
4.3.2 滑油消耗量/消耗率监控 83
4.3.3 航空发动机滑油磨损状态监控 83
4.4 滑油系统状态监控技术的应用 92
4.4.1 铁谱分析技术在发动机上的应用 92
4.4.2 滑油光谱分析法的应用 93
4.4.3 磁性屑末检测在航空发动机上的应用 94
思考题 97
第5章 航空发动机振动监控与故障诊断 98
5.1 转子振动的基础知识 98
5.1.1 转子运动微分方程 98
5.1.2 转子的不平衡响应 99
5.1.3 简谐振动三要素 102
5.1.4 振动位移、速度和加速度 103
5.1.5 振幅的表示 104
5.1.6 旋转机械的混频振动和基频振动 105
5.2 航空发动机振动信号分析 106
5.2.1 傅里叶变换 106
5.2.2 包络谱分析 107
5.3 发动机振动监视和故障诊断 108
5.3.1 转子激振源 110
5.3.2 其他激振源 116
5.4 发动机振动的平衡方法 117
5.4.1 静不平衡与动不平衡 117
5.4.2 动平衡方法 118
思考题 121
第6章 无损检测技术和静电检测技术 122
6.1 无损检测技术概述 122
6.1.1 无损检测的原理及特点 122
6.1.2 新型无损检测方法 126
6.2 航空发动机维修检测中的孔探技术 127
6.2.1 航空发动机孔探技术发展状况 127
6.2.2 航空发动机关键部件损伤分析 130
6.2.3 孔探技术未来发展方向 134
6.3 航空发动机静电监控技术 134
6.3.1 概述 134
6.3.2 监控原理 135
思考题 136
附表1 JT9D发动机的故障系数 137
附表2 a与Fa的几个关系式 139
附录3 PW4000系列发动机指印图 140
附录4 GE90系列发动机指印图 141
参考文献 142

第1章绪论
　　1.1引言
　　随着航空运输业的迅速发展，飞行延误和航班取消造成的经济影响以及维修成本增加等问题日趋严重，对航空运营企业而言，维修成本控制的好坏直接影响到其利润。据普惠公司统计，发动机维修成本、飞机非直接运营成本(指由发动机造成的航班延误/取消及空中停车等)和燃油成本(发动机性能衰退会使油耗增加)在航空公司的全部运营成本中占27%。由此可见，保证发动机安全可靠地工作不仅可以带来良好的社会效益，而且会带来可观的经济效益。
　　航空业的高速发展为航空发动机的研制和使用提出许多新的研究课题，其中一个重要课题就是发动机状态监控与故障诊断。所谓发动机状态监控与故障诊断，是指借助一定的技术手段对与发动机各部件工作状态紧密相关的各种参数实施监控，对各部件工作状态的发展趋势做出有价值的判断，即对发动机的故障做出诊断或预测潜在的故障，及时提出维修的具体技术措施，从而保证飞行安全、提高运行经济效益。航空运输业正在迅速发展，但它却是一个高投入、高风险、低回报的行业。
　　航空发动机故障诊断技术于20世纪70年代初在英国诞生。由于其在故障识别和预报方面的实用性以及由此产生的巨大经济、社会效益，航空发动机故障诊断技术很快受到航空界的重视，得到迅速发展。作为飞机心脏的发动机，其综合性能是影响民用航空器飞行安全和利用率的一个非常关键的因素。发动机中的压气机、燃烧室、涡轮等关键部件长期工作在高温、高压、高负载环境中，是飞机上工作环境*恶劣的部分。据统计，在飞机的机械故障中，发动机故障占40%。
　　航空发动机的故障类型十分复杂，总体上可分为性能故障、结构强度故障及附件系统故障。在早期，只有在航空发动机的工作出现问题或者返厂大修时才能知道发动机内部某部分零部件是否发生了故障；在以预防为主的时代，为了保障发动机的安全性，采用了定时全面翻修的维修方式，这样虽然可以起到较好的预防作用，但是由于航空发动机部件多、结构组成复杂、拆装困难，使得翻修工作成为一项艰巨的任务，耗费了大量的时间、人力、物力和财力。并且定时全面翻修带有盲目性，很容易导致维修不足和过度，既不经济，又不合理。这使得发动机的维修成为一项复杂而令人头疼的工作。随着基于发动机实际性能状态的视情维修思想的出现，上述问题可以得到有效的解决，产生了巨大的效益。而视情维修的实现，需要一系列先进的技术和手段的支持。发动机故障诊断技术正是其中很重要的一项，它可对发动机进行快速、准确的故障隔离和辨识，显著提高发动机的可靠性，缩短维修时间，减少备件，是实现视情维修的必要手段和前提条件。
　　1.2发动机故障诊断学的任务和基本原理
　　发动机故障诊断学的研究对象是完全组装好的、正在工作的或准备工作的发动机(有时也包括如压气机、涡轮等单*部件)。诊断过程应当不对发动机进行分解，所采取的所有诊断方法和手段应当是无损的。
　　发动机故障诊断学的任务在于揭示发动机的故障，即确定故障所在部位、故障严重程度和预测潜在故障的发生。按照发动机故障诊断学的观点，故障是指发动机的一种不合格状态，它的发生会影响发动机的正常工作或降低发动机的性能指标。发动机故障包括以下几个方面的情况：①发动机机械零件或构件的损坏；②发动机系统或设备丧失规定的功能；③发动机实际性能的衰退超过规定值。
　　发动机状态监控的主要内容是评估发动机当前状态；故障诊断则包括故障检测(判断是否存在故障)、隔离(对故障进行定位)和辨识(判断故障的严重程度)；寿命预测是根据发动机状态对其翼使用时间或循环进行预测。对发动机用户而言，全面了解发动机性能并对其故障进行快速、准确地隔离和辨识，就可以更好地有计划换发以及确定发动机送修的工作范围和深度，从而大大地减少运营和维修成本，并有效避免重大事故的发生。
　　故障诊断的基本思想可以表述如下：设被测对象全部可能发生的状态(包括正常状态和故障状态)组成状态空间，它的全部可测量特征的可能取值范围形成特征空间，当系统处于某一状态S时，它将具有确定的特征y，即存在着映射g：
　　反之，一定的系统特征也对应于确定的状态，即存在着映射f：
　　如果f和g是双射函数，即特征空间和状态空间存在一对一的映满的映射，则由特征向量可唯一地确定系统的状态。映射g可由其工作原理和相应的理论求得。故障诊断的目的在于根据可测量的特征向量判断系统处于何种状态，即故障诊断的任务是找到映射f，因此，在一定意义上说，故障诊断过程相当于一般科学所解决问题(正问题)的逆过程(反问题)。对于发动机理论而言，如果说正问题是根据发动机的几何尺寸和部件特性确定发动机的性能，则发动机的故障诊断就是上述问题的反问题，即根据发动机的测量参数(又称为征兆量)确定发动机部件的故障状态。
　　1.3发动机状态监视与故障诊断系统
　　图1-1所示为典型民航发动机状态监视与故障诊断系统的构成。系统通常由机载系统和地面系统(包括各自的硬件和软件系统)组成。
　　图1-1典型民航发动机状态监视与故障诊断系统构成
　　机载系统一般包括测量压力、温度、转速、振动等各种参数的传感器、信号调节器、数据采集系统、数据传输和记录装置、数据处理系统以及告警、简单打印处理装置等。常用的系统有如飞机综合数据系统(AIDS)、发动机指示和机组告警系统(EICAS)等。
　　地面系统主要由传输设备、译码或数据处理设备，地面维修站、计算中心以及相应的状态监视和故障诊断软件系统构成。
　　数据采集系统将传感器感受到的信号按规定顺序和时间采集并传送给机载记录装置，其中一部分参数可在飞机上进行简单处理。当出现故障时，可将故障显示给驾驶员或用灯光或音响告警。记录的全部信息将在地面站的中心计算机上进一步细致处理。在地面站，这些信息通过专门的数据传输装置和接口输入中心计算机，可以采用手工方式、计算机辅助方式或自动方式，并调用状态监视与故障诊断软件系统，对数据进行处理，*后输出发动机技术报告、趋势图、快速故障显示并进行数据压缩、存储，提出维修建议等。
　　20世纪80年代以来，民航发动机原始设备制造商(OEM)开发的发动机状态监控与诊断系统陆续投入使用，从具体的技术层面来看，民航发动机状态监控和诊断的技术工作主要包括以下3方面的内容。
　　(1)气路性能监控。气路分析(gas path analysis，GPA)在发动机性能监控与诊断中占有重要地位，主要通过监视发动机气路参数，如转速、发动机压力比(EPR)、燃油流量(FF)和排气温度(exhaust gas temperature，EGT)等，来监视气路系统工作状态是否正常，以及发动机能否在规定的安全限制内产生需要的推力或功率。
　　(2)机械性能监控。机械性能监控包括滑油和振动监控。滑油监控主要监视滑油压力、温度、消耗量，回油管路上的磁性堵塞以及进行油样分析(包括光谱分析、理化性能分析和铁谱分析等)。民航发动机工况变化比较平稳，磨损相对小，所以有些发动机制造商(如通用和赛峰合资生产CFM56系列发动机)并不要求用户必须进行油样分析，但对军用航空发动机而言，油样分析则是一项重要内容。振动监控主要通过机载振动监控系统跟踪转速频率来监视高、低压转子的振动量。民航发动机多采用大涵道比涡扇发动机，低压转子振动过大一般可在外场进行风扇配平；若高压转子振动超标，则需拆返厂进行平衡。
　　(3)无损探伤。主要有孔探检查、涡流检查、荧光/着色检查、荧光磁粉检查、射线检查、超声波检测及静电检测等，其中孔探检查是发动机状态监控的一种重要手段，应用*为广泛。
　　每个厂家的发动机状态监控与诊断系统功能各具特色，在这些系统中，一类是对整机性能衰退趋势进行监控，另一类则具有单元体诊断功能。此外，还有用于发动机大修试车的诊断系统，如GE公司的TEMPER，P&W公司的MAPNET等，具体如表1-1所示。
　　表1-1发动机状态监控与诊断系统
　　目前，在国内，中国民航大学联合国内发动机运营和大修单位开发了民航发动机全寿命管理系统，主要包括：趋势分析、故障诊断、寿命预测以及维修计划与管理等，该系统旨在进一步加强航空公司飞机/发动机机队管理水平，适应民航信息化的快速发展。该系统的体系结构如图1-2所示，下面介绍该系统的主要功能。
　　图1-2民航发动机全寿命管理系统体系结构
　　(1)航线信息管理。包括机队备发状态管理、航线故障管理、当前机群时间分布、滑油消耗量管理、金属元素污染物分析、振动信息管理和孔探信息管理。航线数据库主要包括：发动机工作时间报告库、航线故障库、滑油消耗量库、滑油趋势库、振动信息库和孔探报告库。
　　(2)机队性能趋势。对发动机巡航及起飞趋势拟合及预测。
　　(3)自动报警与报告生成。报警包括：趋势报警、参数突变报警和综合权值报警等。生成报告包括：机队排队报告、性能拆发预报、故障统计报告、拆发统计报告和拆发评估报告等。
　　思考题
　　1.民航发动机监控的主要内容有哪些？请分别举例进行说明。
　　2.表征航空发动机气路性能的参数有哪些？在工程上有何意义？
　　第2章
　　航空发动机数学模型
　　本章主要介绍航空发动机气路数学模型建立与求解方法，可用于发动机气路故障的监控和诊断。
　　2.1发动机的故障特性
　　在一定的工作环境(边界条件)和工作状态(控制条件)下，发动机的性能参数完全取决于发动机的几何尺寸。理论上只要已知发动机的全部尺寸，就可以建立发动机的数学模型。但是像轴流式压气机这样的复杂部件，要直接根据几何尺寸确定其性能模型非常困难。在燃气涡轮发动机理论中，广泛采用的是半经验半理论的建立数学模型的方法，即对复杂的各部件利用试验方法建立相应的部件特性，再利用部件之间相互匹配的热力学关系式建立完整的发动机数学模型。
　　实际上，基于数学模型的发动机故障诊断也是部件特性的诊断，这正是基于故障方程的故障诊断方法的基础。应当注意的是，部件特性的变化是指整个特性关系即函数形式的变化，而不是发动机工作点的在共同工作线上的移动。
　　一般地，发动机各部件的正常特性可以表示为
　　式中，因变量x？=(x？，？，x？)称为状态量，而z？=(z？，z？，？，z？)称为工作参数，x？的上标0表示正常特性。
　　状态量的选取是任意的，但每一个特性方程中只能有一个状态量，通常为部件的性能参数。状态量可分为两类：简单状态量和复杂状态量。简单状态量与发动机的工作参数无关，其数值的变化直接反映了部件的故障，如尾喷口面积A_E，其数值不会受发动机转速或空气流量等工作参数的影响。而复杂状态量则不仅与部件本身的尺寸相关，还受发动机工作参数的影响，如压气机效率不仅受压气机尺寸影响，还与发动机转速和压气机流量相关。显然，复杂状态量的变化并不能说明该部件发生了变化，因为可能是由工作点的变化引起。
　　发动机工作时各部件的工作存在着互相制约的关系，即部件匹配关系或部件的共同工作。对于给定的工作条件(外部环境，如环境压强、环境温度和飞行马赫数)，以及发动机的工作状态即控制条件(如发动机转速或发动机压比)，几何尺寸不可调的发动机的工