本文摘要：摘要：葉尖間隙是航空發(fā)動機設計和試驗的關鍵參數，直接影響發(fā)動機的工作效率和運行安全。航空發(fā)動機葉尖間隙的實時在線監(jiān)測已成為測試大綱中的必備項目。隨著新型航空發(fā)動機的發(fā)展，葉尖間隙測量技術進一步成熟和深入。介紹了葉尖間隙在線測量原理，闡述了
摘要：葉尖間隙是航空發(fā)動機設計和試驗的關鍵參數，直接影響發(fā)動機的工作效率和運行安全。航空發(fā)動機葉尖間隙的實時在線監(jiān)測已成為測試大綱中的必備項目。隨著新型航空發(fā)動機的發(fā)展，葉尖間隙測量技術進一步成熟和深入。介紹了葉尖間隙在線測量原理，闡述了系統(tǒng)典型結構及常用測量流程，歸納了葉尖間隙在線測量的六大關鍵技術，詳細分析了放電探針法、光纖法、電容法、電渦流法和微波法等葉尖間隙測量方法的工作原理、性能特征、關鍵技術發(fā)展歷程及未來發(fā)展方向，對比總結了各種方法的研究成果和最新產品，提出了葉尖間隙測量領域的發(fā)展趨勢與展望，從六個方面總結了葉尖間隙測量領域的未來重點研究方向，為后續(xù)研究提供了參考。
關鍵詞：葉尖間隙;在線測量;航空發(fā)動機;旋轉葉片;傳感器
航空發(fā)動機被稱為工業(yè)皇冠上的明珠，是飛機的“心臟”，也是制約我國國防工業(yè)發(fā)展的重要瓶頸之一[12]。旋轉葉片作為發(fā)動機的核心做功部件，其自身運行狀態(tài)參數直接影響整個發(fā)動機系統(tǒng)的運轉狀態(tài)、工作效率和安全性能。其中，旋轉葉片尖端與發(fā)動機機匣內壁之間的葉尖間隙參數與發(fā)動機的效率、壓比、燃油消耗率、穩(wěn)定性等直接相關，是提升發(fā)動機性能的關鍵。
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研究表明，在渦輪級中，大約1/3以上氣動損失是由葉尖間隙流造成的，并且葉尖間隙參數每增加渦輪葉片長度的1%，渦輪氣動效率將下降0.8%~1.2%。美國通用電氣公司針對CF550型發(fā)動機的測試發(fā)現，葉尖間隙引起的耗油率損失約占葉型與間隙密封總損失的67%，并且葉尖間隙每減小0.0254mm，燃油消耗率降低0.1%，排氣溫度下降℃。此外，過大的葉尖間隙將導致喘振的發(fā)生，影響發(fā)動機的穩(wěn)定性。美國普惠公司研究發(fā)現，PW400094系列發(fā)動機高壓壓氣機后段葉尖間隙的不均勻，引起了喘振裕度的不足，直接誘發(fā)了第三類喘振10。
葉尖間隙對葉片表面非定常壓力響應及氣動阻尼的影響也十分顯著。葉尖間隙流和主流摻混，形成了泄露渦，易引發(fā)發(fā)動機失速，形成渦波干涉，并影響邊界層分離11。在旋轉失速頻率狀態(tài)下，1%弦長的渦動量會導致失速質量流增加10%，峰值壓力減小5%[1。然而，葉尖間隙設計過小，將增加葉片與機匣碰撞摩擦的概率，導致零部件損壞，降低安全裕度[1。因此，葉尖間隙存在最優(yōu)量值保證發(fā)動機處在高效、安全、穩(wěn)定的運行狀態(tài)。航空發(fā)動機葉尖間隙通常設計為葉片長度的1%2%[1，在mm以內[1;其變化范圍主要由裝配和工作時的靜子變形、轉子變形等因素決定，受發(fā)動機負載和飛行負載的影響，葉尖間隙呈現對稱的和非對稱的變化[1。
最小的葉尖間隙常發(fā)生在飛機起飛和再加速的飛行狀態(tài)下，而飛機處于巡航狀態(tài)時，葉尖間隙相對平穩(wěn)，變化不大20，因此，葉尖間隙值的設計和裝配常遵循巡航狀態(tài)下效率較高、起飛和再加速狀態(tài)下安全性好的原則。隨著現代航空發(fā)動機對高機動性能要求的不斷提高，發(fā)動機效率的提升成為關注的焦點，主動間隙控制技術成為保證發(fā)動機工作效率的重要手段21，傳統(tǒng)的在發(fā)動機裝配過程中的葉尖間隙測量方法，如人工塞尺測量法、光學影像檢測法22等不能為主動間隙控制提供實時的數據來源，葉尖間隙參數實時在線測量具有重要的工程意義。
2000年，歐洲國家啟動了HEATTOP計劃，重點突破航空發(fā)動機高溫部件葉尖間隙測量的傳感材料及工藝，而中國也在“十三五”期間全面啟動實施了航空發(fā)動機和燃氣輪機重大專項，開展葉尖間隙在線非接觸測量系統(tǒng)的研發(fā)。航空發(fā)動機葉尖間隙的實時在線監(jiān)測已成為測試大綱中的必備項目。
航空發(fā)動機葉尖間隙參數的高精度在線測量，可以保障我國航空發(fā)動機裝備工作性能的完好，為主動間隙控制提供數據支撐，當葉尖間隙參數異常時，快速使其恢復到規(guī)定狀態(tài)，從而避免葉片磨損、蠕變、伸長、轉子不平衡等故障的發(fā)生，減少航空發(fā)動機裝備非計劃性維修，延長裝備使用壽命。
本文針對航空發(fā)動機葉尖間隙在線測量技術的研究情況進行了綜述，第一部分介紹了葉尖間隙在線測量原理;第二部分分析了測量的關鍵技術;第三部分分別介紹了每種葉尖間隙在線測量方法的研究進展;第四部分提出了發(fā)展趨勢與展望;最后，在第五部分給出了結論。
1測量原理
1.1葉尖間隙的基本概念
現代渦扇式航空發(fā)動機主要由風扇、高低壓壓氣機、燃燒室、高低壓渦輪、尾噴管、附件傳動裝置與附屬系統(tǒng)等組成，其中，壓氣機和渦輪的轉子主要由葉片、輪盤及軸三部分組成，轉子通常以很高的轉速工作，通過與空氣流或燃氣流相互作用，為航空發(fā)動機提供動力能源[2。發(fā)動機中轉子與靜子之間的間隙參數可分為徑向間隙和軸向間隙，其中，旋轉葉片尖端與靜子機匣內壁之間的微小徑向間隙稱為葉尖間隙。
1.2葉尖間隙的測量流程
發(fā)動機葉片工作在高溫、高速、復雜介質等極端條件下，并且處于旋轉機械內部復雜的流場環(huán)境中，葉片與繞流存在著多種機制的流固耦合作用。基于葉端傳感的葉尖間隙測量方法具備不影響旋轉葉片的正常工作環(huán)境，不破壞流場的正常運行條件且適應極端環(huán)境測試場合等特點，能夠實現葉尖間隙的實時在線測量，并進一步實現葉片的故障診斷、壽命預測與智能運維，受到了歐美國家及我國的高度重視和大力發(fā)展。雖然葉尖間隙在線測量方法的原理多樣，用于航空發(fā)動機地面臺架試驗的測量系統(tǒng)可歸納為統(tǒng)一的結構。
目前典型的葉尖間隙測量系統(tǒng)主要包括四個部分：傳感器、驅動及調理模塊、采集及預處理模塊和計算機。其中，葉尖間隙測量傳感器固定在旋轉機械機匣上的安裝孔內，端面正對轉子葉片頂端;驅動及調理模塊放置在航空發(fā)動機試驗現場;采集及預處理模塊和計算機放置在設備間。部分公司的葉尖間隙測量系統(tǒng)將驅動及調理模塊、采集及預處理模塊集成為測量系統(tǒng)主機，一并放置在了設備間。
2關鍵技術
航空發(fā)動機葉尖間隙在線測量方法發(fā)展至今，其測量手段豐富多樣，但根本目的均是為了能夠更高精度、更可靠地獲取葉尖間隙參數。本章按照葉尖間隙測量系統(tǒng)的典型結構及常用的測量流程，從總體上歸納了系統(tǒng)的關鍵技術;下一章將展開論述每種測量方法的具體關鍵技術。
3研究進展
從20世紀50、60年代開始，伴隨著噴氣式發(fā)動機的發(fā)展，通用電氣、普拉特惠特尼集團、羅爾斯羅伊斯等航空發(fā)動機制造企業(yè)以及美國國家航空航天局、美國聯(lián)邦航空管理局、美國海軍空中作戰(zhàn)中心等研究機構都在投入大量資源致力于航空發(fā)動機旋轉葉片葉尖間隙測量方法的研究，尤其是在第五代航空發(fā)動機應用后，葉尖間隙測量方法經歷了從“盤車”、“動態(tài)”、“在線”到“在機”的幾個發(fā)展階段，以及從零部件測試到整機測試的發(fā)展趨勢。研究人員常按照測量原理的不同對葉尖間隙在線測量方法進行分類，目前主要包括放電探針法、光纖法、電容法、電渦流法和微波法等。本章將詳細介紹每種測量方法的基本原理、性能特征、關鍵技術發(fā)展歷程及未來發(fā)展方向，并在最后進行總結。
4基于葉尖間隙信號的發(fā)動機健康管理
航空發(fā)動機轉子長期工作在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下，受氣動、機械、熱等多種載荷作用，容易發(fā)生不平衡、不對中、轉靜碰摩、彎扭變形、軸向竄動等典型故障，嚴重影響航空發(fā)動機的效率和安全。葉尖間隙信號包含豐富的轉子系統(tǒng)運行狀態(tài)信息，是實現發(fā)動機健康管理的有效途徑。未來可以建立航空發(fā)動機機匣葉片輪盤轉軸耦合數學模型，探索融合葉尖間隙、定時信號等多源數據的轉子動力學特性提取方法，開發(fā)基于支持向量機、神經網絡等機器學習算法的轉子故障診斷方法，實現對轉子系統(tǒng)典型故障的準確識別，保障航空發(fā)動機的健康運行。
結論
1)旋轉葉片尖端與機匣內壁之間的葉尖間隙參數是保障航空發(fā)動機工作效率和運行安全的關鍵，實時在線的葉尖間隙測量為主動間隙控制提供重要數據支撐。
2)葉尖間隙在線測量方法采用葉端傳感工作原理，典型的葉尖間隙測量系統(tǒng)主要包括傳感器、驅動及調理模塊、采集及預處理模塊和計算機四個部分。葉尖間隙的常用測量流程可簡要總結為傳感器發(fā)射電磁波信號并獲取原始葉尖間隙信號，驅動及調理模塊完成原始信號到模擬信號的轉化，采集及預處理模塊完成模擬信號到數字信號的轉化并進行預處理，計算機軟件完成葉尖間隙值的計算。3)葉尖間隙在線測量的關鍵技術可歸納為：耐高溫、體積小巧的葉尖間隙傳感器研制技術，葉尖間隙信號高信噪比、寬帶寬調理技術，多通道葉尖間隙信號高速采集與預處理技術，葉尖間隙信號實時、高精度處理技術，葉尖間隙測量系統(tǒng)標定技術和葉尖間隙測量系統(tǒng)試驗驗證技術，共六個方面。
4)航空發(fā)動機葉尖間隙在線測量方法，按照測量原理的不同，可分為放電探針法、光纖法、電容法、電渦流法和微波法等，詳細分析了各種測量方法的工作原理、性能特征、關鍵技術發(fā)展歷程及未來發(fā)展方向，并對各種方法的最新研究成果和產品情況進行了對比和總結。5)葉尖間隙在線測量技術的未來重點研究方向主要包括：適應更惡劣的工作環(huán)境，更高的測量精度，更大數據量的信號采集與處理，基于傳感信號復用的功能拓展，系統(tǒng)的機載應用和基于葉尖間隙信號的發(fā)動機健康管理，共六個方向。測量技術的發(fā)展趨勢與展望對后續(xù)的方法研究、系統(tǒng)研發(fā)及工程應用具有指導意義。
參考文獻
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作者：段發(fā)階，牛廣越，周琦，傅驍，蔣佳佳
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