航空發(fā)動機(jī)葉尖間隙在線測量技術(shù)研究綜述

　　摘要：葉尖間隙是航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的關(guān)鍵參數(shù)，直接影響發(fā)動機(jī)的工作效率和運(yùn)行安全。航空發(fā)動機(jī)葉尖間隙的實(shí)時在線監(jiān)測已成為測試大綱中的必備項(xiàng)目。隨著新型航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展，葉尖間隙測量技術(shù)進(jìn)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(jié)構(gòu)及常用測量流程，歸納了葉尖間隙在線測量的六大關(guān)鍵技術(shù)，詳細(xì)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(guān)鍵技術(shù)發(fā)展歷程及未來發(fā)展方向，對比總結(jié)了各種方法的研究成果和最新產(chǎn)品，提出了葉尖間隙測量領(lǐng)域的發(fā)展趨勢與展望，從六個方面總結(jié)了葉尖間隙測量領(lǐng)域的未來重點(diǎn)研究方向，為后續(xù)研究提供了參考。

　　關(guān)鍵詞：葉尖間隙;在線測量;航空發(fā)動機(jī);旋轉(zhuǎn)葉片;傳感器

　　航空發(fā)動機(jī)被稱為工業(yè)皇冠上的明珠，是飛機(jī)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(zhuǎn)葉片作為發(fā)動機(jī)的核心做功部件，其自身運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)直接影響整個發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、工作效率和安全性能。其中，旋轉(zhuǎn)葉片尖端與發(fā)動機(jī)機(jī)匣內(nèi)壁之間的葉尖間隙參數(shù)與發(fā)動機(jī)的效率、壓比、燃油消耗率、穩(wěn)定性等直接相關(guān)，是提升發(fā)動機(jī)性能的關(guān)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(shù)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(jī)的測試發(fā)現(xiàn)，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(dǎo)致喘振的發(fā)生，影響發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性。美國普惠公司研究發(fā)現(xiàn)，PW400094系列發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)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(yīng)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(jī)失速，形成渦波干涉，并影響邊界層分離11。在旋轉(zhuǎn)失速頻率狀態(tài)下，1%弦長的渦動量會導(dǎo)致失速質(zhì)量流增加10%，峰值壓力減小5%[1。然而，葉尖間隙設(shè)計(jì)過小，將增加葉片與機(jī)匣碰撞摩擦的概率，導(dǎo)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(jī)處在高效、安全、穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。航空發(fā)動機(jī)葉尖間隙通常設(shè)計(jì)為葉片長度的1%2%[1，在mm以內(nèi)[1;其變化范圍主要由裝配和工作時的靜子變形、轉(zhuǎn)子變形等因素決定，受發(fā)動機(jī)負(fù)載和飛行負(fù)載的影響，葉尖間隙呈現(xiàn)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(jī)起飛和再加速的飛行狀態(tài)下，而飛機(jī)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(shè)計(jì)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(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)對高機(jī)動性能要求的不斷提高，發(fā)動機(jī)效率的提升成為關(guān)注的焦點(diǎn)，主動間隙控制技術(shù)成為保證發(fā)動機(jī)工作效率的重要手段21，傳統(tǒng)的在發(fā)動機(jī)裝配過程中的葉尖間隙測量方法，如人工塞尺測量法、光學(xué)影像檢測法22等不能為主動間隙控制提供實(shí)時的數(shù)據(jù)來源，葉尖間隙參數(shù)實(shí)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(jì)劃，重點(diǎn)突破航空發(fā)動機(jī)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(shí)施了航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)重大專項(xiàng)，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(jī)葉尖間隙的實(shí)時在線監(jiān)測已成為測試大綱中的必備項(xiàng)目。

　　航空發(fā)動機(jī)葉尖間隙參數(shù)的高精度在線測量，可以保障我國航空發(fā)動機(jī)裝備工作性能的完好，為主動間隙控制提供數(shù)據(jù)支撐，當(dāng)葉尖間隙參數(shù)異常時，快速使其恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)，從而避免葉片磨損、蠕變、伸長、轉(zhuǎn)子不平衡等故障的發(fā)生，減少航空發(fā)動機(jī)裝備非計(jì)劃性維修，延長裝備使用壽命。

　　本文針對航空發(fā)動機(jī)葉尖間隙在線測量技術(shù)的研究情況進(jìn)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(guān)鍵技術(shù);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(jìn)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(jié)論。

　　1測量原理

　　1.1葉尖間隙的基本概念

　　現(xiàn)代渦扇式航空發(fā)動機(jī)主要由風(fēng)扇、高低壓壓氣機(jī)、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(jī)和渦輪的轉(zhuǎn)子主要由葉片、輪盤及軸三部分組成，轉(zhuǎn)子通常以很高的轉(zhuǎn)速工作，通過與空氣流或燃?xì)饬飨嗷プ饔�，為航空發(fā)動機(jī)提供動力能源[2。發(fā)動機(jī)中轉(zhuǎn)子與靜子之間的間隙參數(shù)可分為徑向間隙和軸向間隙，其中，旋轉(zhuǎn)葉片尖端與靜子機(jī)匣內(nèi)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(jī)葉片工作在高溫、高速、復(fù)雜介質(zhì)等極端條件下，并且處于旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)部復(fù)雜的流場環(huán)境中，葉片與繞流存在著多種機(jī)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(zhuǎn)葉片的正常工作環(huán)境，不破壞流場的正常運(yùn)行條件且適應(yīng)極端環(huán)境測試場合等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)葉尖間隙的實(shí)時在線測量，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)葉片的故障診斷、壽命預(yù)測與智能運(yùn)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(jī)地面臺架試驗(yàn)的測量系統(tǒng)可歸納為統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)。

　　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(qū)動及調(diào)理模塊、采集及預(yù)處理模塊和計(jì)算機(jī)。其中，葉尖間隙測量傳感器固定在旋轉(zhuǎn)機(jī)械機(jī)匣上的安裝孔內(nèi)，端面正對轉(zhuǎn)子葉片頂端;驅(qū)動及調(diào)理模塊放置在航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場;采集及預(yù)處理模塊和計(jì)算機(jī)放置在設(shè)備間。部分公司的葉尖間隙測量系統(tǒng)將驅(qū)動及調(diào)理模塊、采集及預(yù)處理模塊集成為測量系統(tǒng)主機(jī)，一并放置在了設(shè)備間。

　　2關(guān)鍵技術(shù)

　　航空發(fā)動機(jī)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(shù)。本章按照葉尖間隙測量系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)及常用的測量流程，從總體上歸納了系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù);下一章將展開論述每種測量方法的具體關(guān)鍵技術(shù)。

　　3研究進(jìn)展

　　從20世紀(jì)50、60年代開始，伴隨著噴氣式發(fā)動機(jī)的發(fā)展，通用電氣、普拉特惠特尼集團(tuán)、羅爾斯羅伊斯等航空發(fā)動機(jī)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(jī)構(gòu)都在投入大量資源致力于航空發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)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(jī)應(yīng)用后，葉尖間隙測量方法經(jīng)歷了從“盤車”、“動態(tài)”、“在線”到“在機(jī)”的幾個發(fā)展階段，以及從零部件測試到整機(jī)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(jìn)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(xì)介紹每種測量方法的基本原理、性能特征、關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展歷程及未來發(fā)展方向，并在最后進(jìn)行總結(jié)。

　　4基于葉尖間隙信號的發(fā)動機(jī)健康管理

　　航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子長期工作在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下，受氣動、機(jī)械、熱等多種載荷作用，容易發(fā)生不平衡、不對中、轉(zhuǎn)靜碰摩、彎扭變形、軸向竄動等典型故障，嚴(yán)重影響航空發(fā)動機(jī)的效率和安全。葉尖間隙信號包含豐富的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息，是實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)健康管理的有效途徑。未來可以建立航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣葉片輪盤轉(zhuǎn)軸耦合數(shù)學(xué)模型，探索融合葉尖間隙、定時信號等多源數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性提取方法，開發(fā)基于支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法的轉(zhuǎn)子故障診斷方法，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)典型故障的準(zhǔn)確識別，保障航空發(fā)動機(jī)的健康運(yùn)行。

　　結(jié)論

　　1)旋轉(zhuǎn)葉片尖端與機(jī)匣內(nèi)壁之間的葉尖間隙參數(shù)是保障航空發(fā)動機(jī)工作效率和運(yùn)行安全的關(guān)鍵，實(shí)時在線的葉尖間隙測量為主動間隙控制提供重要數(shù)據(jù)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(qū)動及調(diào)理模塊、采集及預(yù)處理模塊和計(jì)算機(jī)四個部分。葉尖間隙的常用測量流程可簡要總結(jié)為傳感器發(fā)射電磁波信號并獲取原始葉尖間隙信號，驅(qū)動及調(diào)理模塊完成原始信號到模擬信號的轉(zhuǎn)化，采集及預(yù)處理模塊完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化并進(jìn)行預(yù)處理，計(jì)算機(jī)軟件完成葉尖間隙值的計(jì)算。3)葉尖間隙在線測量的關(guān)鍵技術(shù)可歸納為：耐高溫、體積小巧的葉尖間隙傳感器研制技術(shù)，葉尖間隙信號高信噪比、寬帶寬調(diào)理技術(shù)，多通道葉尖間隙信號高速采集與預(yù)處理技術(shù)，葉尖間隙信號實(shí)時、高精度處理技術(shù)，葉尖間隙測量系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)和葉尖間隙測量系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)，共六個方面。

　　4)航空發(fā)動機(jī)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(xì)分析了各種測量方法的工作原理、性能特征、關(guān)鍵技術(shù)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(chǎn)品情況進(jìn)行了對比和總結(jié)。5)葉尖間隙在線測量技術(shù)的未來重點(diǎn)研究方向主要包括：適應(yīng)更惡劣的工作環(huán)境，更高的測量精度，更大數(shù)據(jù)量的信號采集與處理，基于傳感信號復(fù)用的功能拓展，系統(tǒng)的機(jī)載應(yīng)用和基于葉尖間隙信號的發(fā)動機(jī)健康管理，共六個方向。測量技術(shù)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(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

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　　作者：段發(fā)階，牛廣越，周琦，傅驍，蔣佳佳

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