航空发动机气路检测系统静电传感器仿真研究

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The Simulation Research of Electrodynamic Sensor Used forAero-engine Gas Path Detection SystemMa Min， Zhang Zhao， Hou Min， Liu Shuaibo， Xu Dong(School of Aeronautical Automation，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China)Abstract：According to the characteristics of the fluid in the gas path of aero-engine，an electrodynamic sensor isdesigned and applied to online monitoring of abnormal charged particles in the gas path，providing a basis for theprognostics and health management(PHM)of aero.engine.The designed sensor consists of pipeline，insulatinglayer，shielding layer and four probes which are arranged symmetrically on the insulating layer.The homogeneityand mean index of the sensitivity field of the sensor，which are relevant to the length and width of the probes，andthe thickness and permitivity of the insulating layer，are optimized by using the ANSYS Parameter Design Language(APDL)。

Key wordsaero--engine； electrodynamic sensor； finite element analysis； optimization index； sensing space航空发动机状态的实时监测关系到飞机的安全性和可靠性，也是故障预测与降管理(PHM，Prognosticsand Health Management)的基础内容之- -2].发动机气路部件工作在高温，高应力的恶劣环境下，是发动机故障的主要来源之-，研究表明航空发动机气路部件故障约占发动机总体故障的90%以上3J，航空发动机气路故障的在线监测-直是航空界亟待解决的难题.航空发动机在工作过程中伴随有碳烟颗粒的产生，不同的工作状态会产生浓度不同、大小不同的碳烟颗粒；当吸入外来物或发生发动机碰磨等故障时，也会产生异常的颗粒物，这些颗粒物随燃烧气体排出的过程中会带有不同程度的荷电 .基于静电感应原理的航空发动机气路故障监测技术是-种新型发动机状态监测技术，它通过检测这些颗粒物的荷电的变化情况来实现对气路部件状态的监测，进而获得发动机的工作状态信息，该技术具有结构简单，实时性强等优点[51。

本文针对发动机尾喷管的结构特点设计了四探极的静电传感器，对简化的尾喷管气路管道模型进行研究.静电传感器作为该监测技术的前端元件，对基于静电感应的气路故障监测系统的构建具有直接的影收稿 日期：2012-10-27基金项 目：国家自然科学基金青年基金资助项目(61102096)；中国民航大学研究生科技创新基金资助项目(YJSCX12-31)：国家级大学生创新创业训练计划项 目(201210059o39)作者简介：马 敏(1971-)，女，安徽霍邱人，教授，博士，硕士生导师，研究方向为无损检测技术及新型传感器；张 钊(1989-)，男，安徽亳州人，研究方向为新型传感器仿真设计 。

- - 308- 河 南 科 学 第31卷 第3期响，因此，对静电传感器的结构进行仿真优化具有重要的意义。

1 静电传感器的结构与原理静电传感器的原理是：通过检测棒状静电传感器探极远端 (即绝缘层外远离荷电颗粒的探极端)上的感应电荷来分析管道内荷电颗粒的流动常数.根据静电传感器与管道内带电颗粒的作用机理，静电传感器可以分为直接电荷传递式和感应式，相应的结构有接触式和非接触式.在气固两相流的流动参数检测中，多使用非接触式静电传感器结构，主要有圆环状和针形嘲，不同结构的静电传感器优缺点比较如表 1所示.圆环状传感器对中心区域的带电颗粒不敏感，只适合用于管道口径较小的环境中，而航空发动机气路的管道口径较大，故选用棒状的静电传感器。

表 1 传感器结构比较Tab.1 Comparison of different sensor structures考虑到静电传感器敏感空间的均匀性和灵敏度大小，设计的传感器如图 1所示。

如图 1所示，四个棒状探极对称分布在绝缘层上.四个棒状探极检测时有三种连接方式：每个探极单独检测；探极 1和 3、2和 4用导线连起来检测；四探极串接起来检测.这种结构克服了环状探极只适合汹径和单个棒状探极分布不均的缺陷.当管道中有荷电颗粒通过时，在探极上就会感应出电荷，在靠近荷电颗粒的探极外表面感应出异号的电荷，绝缘层外远离荷电颗粒的探极表面感应出同号的电荷，所以探极上感应电荷的分布是不均匀的.另外，荷电颗粒的荷电量、荷电颗粒的位置也会对探极的感应电荷产生影响.这些都是由传感器的结构和敏感空间的非线性造成的。

目前，国际上对静电传感器数学模型的研究几乎都建立在大量假蔽层绝缘层探极图 1 四探极传感器结构图Fig.1 Four electrode sensor structure设条件的基础上，进而实现机理建模，如 Yan模型、Gajewski模型等[791.但在结构优化、模型简化以及结果获得等方面仍有不少值得商榷的地方.本文首先建立了点电荷在静电传感器敏感空间内的数学模型，并应用大型有限元分析软件 ANSYS，对特定边界条件下不同几何形状的静电传感器空间的静电厨行了数值分析，进而获得了敏感空间内的灵敏度分布.由于荷电颗粒所产生的场与感应电荷所产生的场相互作用，导体达到静电平衡状态，此过程在极短的时间(10 s)内完成.因此，可以将移动的点电荷与静电传感器的相互作用看作是静电场[1o-l1.点电荷在敏感区域内，静电场满足以下Poisson方程和边界条件：V· ，Y， )V咖 ，y，z))-P ，y，z)， (1)咖 ，Y，z)I 0，，Y，z)l 0， (2)，Y，z)I Cons，其中：占为敏感空间介电常数； 为场域电势分布；r，Fg，F 分别为屏蔽罩，管道和探极的空间位置；p为电荷密度；Cons 为常数，表示探极为-等势体。

2 静电传感器的优化指标分析静电传感器优化的目标就是使传感器敏感空间分布均匀且灵敏度高，静电传感器的灵敏度S ，Y，z)定义如下：2013年 3月 马 敏 ，等：航空发动机气路检测系统静电传感器仿真研究 -309-Js lQfFD(3)(4)其中：Q为探极上的感应电荷，对穿过闭合曲面r的电通量 D积分即可求得；q ， y，z)为敏感空间中颗粒的荷电量.探极对空间某点的灵敏度即为该点荷电量为 1 C时探极上的感应电荷量 。

在图 1的基础上，建立坐标系如图2所示.其中z轴为管线的方向，当-个点电荷 和 Y坐标不变，沿着 z轴移动时，探极上的感应电荷变化近似为-高斯曲线凹.当zO时(即探极中心截面)感蔽层绝缘层探极图 2 四探极传感器坐标图Fig.2 Four electrode sensor coordinate chart应电荷最大，因此，对静电传感器敏感空间均匀性和灵敏度的优化可以简化为对探极中心截面相应指标的优化.ANSYS有限元计算模型也可以简化为 2维模型，相应地，灵敏度定义也简化为2维形式。

s ，y)I而Q I， (5)QJfDdl， (6)式中：Z为2维静电探极的边界，曲面的电通量 D积分变成了曲线的电通量 D积分。

由所设计的静电感应传感器结构的对称性，可用-个扇形敏感区域内敏感场的特性来代表整个敏感场的特性，如图2所示，选取了夹角为45。的靠近探极的-个区域.沿图2所示的 到 方向，在扇形区域内均匀取适量点，逐次在各点加载 1 C电荷量，并计算探极 1、2、3、4上的感应电荷，即获得灵敏度值.s.如在 ，上均匀取 n个点分别加载电荷可求解S。(1，1)、Js (2，1)、Js (3，1)、Js。(4，1)，它们分别代表第-个点加载时，探极 l、2、3、4的灵敏度值；.s (1，n)、.s (2，n)、.s (3，n)、s (4，n)分别表示第n个点加载电荷时，探极 1、2、3、4的灵敏度值；依次类推，S(1，n)、Js (2，n)、5 (3， )、Js (4，n)表示 方向上第 n个点加载时探极 1、2、3、4的灵敏度值。

).则：s (m )me(i， )旦 ，音 ，Pjd( ) ，式中：i表示选取的方向； 表示探极号；n为所选方向上取点总数；mid(i， )表示探极 沿 方向灵敏度的大小； ( ， )表示探极 沿 方向灵敏度标准差的大小(即灵敏度均匀性大小)；而 ( ， )则同时反映了探极灵敏度均值和均匀性指标.当探极的灵敏度均值不变时，Pid( ， )越小，相应方向、相应探极的感应电荷值越均匀.静电感应传感器的输出信号是探极的感应电荷量，输出信号的大猩由灵敏度均值 mid(i， )来表示，因此，本文用 Pjd( ， )来评价感应电荷的均匀性.由此，可定义：∑mid(i， )mid(j)生---- ， (8) ∑mid(j)， (9)～ 310～粪蛔(b)探极 1和3，2和 4相连雕槲 ～ 慨鼢始搬度‰ 兰 - 马敏，等：航空发动机气路检测系统静电传感器仿真研究 -311- - -- -------- - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - - 。 i - 幸 ： 誊极长度增长，三种连接方式下灵敏度均值均增大，但每个探极的灵敏度均值增 大情况不同，四探极都相连时，四个探极上的灵敏度均值较为集中。

～ - - 0.05 0 10 O. 15 O.20探极长度 /m(a)四探极都不相连1.00.8耋。-60.4餐0.20O.05 0.10 O.15 O.20探极长度 s。，珊(b)探极 1和3，2和 4相连0.05 O.10 O.15 O.20探极长度 s，/m(c)四探极都相连图 4 探极长度对灵敏度均匀性指标的影响Fjg·4 The influence of th。probe length on the sensitivity uniformity index。· oio o''- ，-- - 1 ；6探极宽度w。/m掣日探极宽度w /m(a)探极宽度对灵敏度均值指标的影响 (b)探极宽度对灵敏度均匀性指标的影响图s 探极宽度对静电传感器优化指标的影响Fig5 ，I1le innuence nf tle probe width oil the optimizati。n indices。f the e1ectmdyIl锄 ic sens0r 0蜷 霹越薅雌 ∞ 叫 。

蜷导丰掣 帮小 以的的 舶融方 指诜 雠比 传值电 嘲 寸 .式鲥就歌宽-撕溉大同用稠化匀均， ， 啊静文 看 口胁 ～--～见 得 影 可 可眦 们 ∞蜷 越蜉-3l2- 河 南 科 学 第31卷 第3期从图5中可以看出探极宽度越大，灵敏度均值指标越大，但增加幅度不大.探极宽度越大，灵敏度均匀性指标越小.实际应用中，考虑探极对管道中流体的扰流作用，探极宽度应认小值·3.2 绝缘层的外半径和相对介电常数对静电传感器优化指标的影响绝缘层外半径对 值和 值的影响如图6所示。

峰理越蜂耍搭O L---- 0.26 0.28 030 0.32 0.34 036绝缘层外半径 r2Jm( )绝缘层外半径对灵敏度均值指标的影响 (b)绝缘层外半径对灵敏度均匀性指标的影响图 6 绝缘层外半径对静电传感器优化指标的影响Fig.6 The influence。f the externa1 radius of the insulating layer On the optimizatJon indices of the elec d)啪mj。 锄从图 6中可以看出，绝缘层外半径越大，灵敏度均值指标越小，均匀性指标也越小，因此，绝缘层外半径不能取得过大或过小。

趔蟛 餐绝缘层相对介电常数 绝缘层相对介电常数( )绝缘层相对介电常数对灵敏度均值指标的影响 (b)绝缘层相对介电常数对灵敏度均匀性指标的影响图7 绝缘层相对介电常数对静电传感器优化指标的影响Fig.7 The influence of the relative permittiVity of the insulating layer Oil the optimization.ndi。 。of the l。。t dyn枷 。。 。

从图7中可以看出，绝缘层相对介电常数越大，灵敏度均值指标越小.绝缘层相对介电常数对灵敏度均匀性指标影响不大。

4 总结本文基于ANSYS对用于航空发动机气路监测的静电感应传感器进行了优化设计，仿真实验结果表明，对于四探极的静电传感器，把四个探极连起来，能使静电传感器敏感空间的灵敏度更均匀；探极在管道内部分长度越长，灵敏度越高，分布相对越均匀；探极宽度越大，灵敏度越高，分布相对越均匀；随着绝缘层外半径和相对介电常数的增加，灵敏度下降，敏感空间分布更均匀.对于实际的静电传感器，还要考虑探极对流体的扰流作用，加工难易程度等tz锗多因数，设计时要确保其性能满足使用要求，又要有较高的性价比·吣 %% 02013年 3月 马 敏，等：航空发动机气路检测系统静电传感器仿真研究 - 3l3-