航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試技術(shù)研究

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航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試技術(shù)研究 顧寶龍 趙振平 何 泳 閆旭 陳浩遠(yuǎn) （中航工業(yè)上海航空測(cè)控技術(shù)研究所 故障診斷與健康管理技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201601） 摘要 綜述了航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量的必要性及發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了國(guó)內(nèi)外正在發(fā)展中的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量技術(shù)方法，并對(duì)它們的測(cè)量原理、特點(diǎn)和應(yīng)用進(jìn)行了闡述。 關(guān)鍵詞 發(fā)動(dòng)機(jī) 振動(dòng) 測(cè)試 Research on aero-engine vibration testing technology Gu Baolong Zhao Zhenping He Yong Y an Xu Chen Haoyuan (Aviation Industry Corporation of China Shanghai Aero Measurement & Control Technology Research Institute Key Laboratory of Aviation Technology for Fault Diagnosis and Health Management Research, Shanghai ,201601) Abstract This paper reviews the current status of development and the necessity of aero-engine vibration testing, introduces the development of the domestic and foreign advanced technology aviation engine vibration test methods. Their testing principles，characteristics and applications are described. Key words aero-engine vibration testing 0 引言 航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟，是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高速旋轉(zhuǎn)的流體機(jī)械，其可靠性直接影響到飛機(jī)的飛行安全。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推力、轉(zhuǎn)速、動(dòng)強(qiáng)度等在不斷的提高，由轉(zhuǎn)子不平和和氣體流動(dòng)等原因引起的振動(dòng)問(wèn)題日益突出，在新機(jī)研制試驗(yàn)過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)考慮不足或制造的工藝和裝配問(wèn)題，都會(huì)致使發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中產(chǎn)生振動(dòng)；對(duì)于定型使用的發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)因?yàn)檫\(yùn)輸途中的磕碰，使用中的磨損、損傷及腐蝕使得其振動(dòng)品質(zhì)不斷惡化。同時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)不同于一般的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，處在高溫、油霧和電磁干擾嚴(yán)重的惡劣環(huán)境中，對(duì)檢測(cè)其振動(dòng)特性的技術(shù)方法要求非?？量?。如何以合理的方法,選擇合適的振動(dòng)傳感器和振動(dòng)測(cè)量?jī)x,迅速準(zhǔn)確地測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)值對(duì)提高試驗(yàn)安全性和發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性具有重要意義。 轉(zhuǎn)子葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件, 它承受離心力、流體動(dòng)力、振動(dòng)、熱應(yīng)力等的綜合作用，葉片的損壞故障絕大多數(shù)是由振動(dòng)引起的，因此葉片振動(dòng)測(cè)量已經(jīng)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的測(cè)量方法是接觸式電阻應(yīng)變片法，其最大缺點(diǎn)是所測(cè)量的數(shù)目有限，且測(cè)試成本高、測(cè)試周期長(zhǎng)、使用壽命有限及信號(hào)引出困難等，很難做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)同級(jí)的所有葉片的振動(dòng)情況。前蘇聯(lián)科學(xué)家在上世紀(jì)六十年代提出了間斷相位法對(duì)葉片振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，得到葉輪上所有葉片見(jiàn)應(yīng)力分布的整個(gè)圖片，為轉(zhuǎn)子葉片的振動(dòng)測(cè)量開(kāi)創(chuàng)了一條新的途徑。隨著光電子學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，國(guó)外已經(jīng)研制出了基于光纖傳感器的葉尖定時(shí)測(cè)量法。最近，國(guó)外先進(jìn)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室又研制出了葉間動(dòng)態(tài)壓力診斷法，更適合于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。 1發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)測(cè)量方法 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量可分為整機(jī)振動(dòng)測(cè)量和部件（轉(zhuǎn)子葉片）振動(dòng)測(cè)量，其振動(dòng)測(cè)量設(shè)備包括傳感器、二次儀表、記錄和分析設(shè)備。通常利用加速度計(jì)和振動(dòng)測(cè)量?jī)x來(lái)測(cè)量并獲取振幅、振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度等參數(shù)；在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片貼應(yīng)變片測(cè)量轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)。 在整機(jī)振動(dòng)測(cè)量中常采用電阻應(yīng)變片法、磁電式速度傳感器和壓電式加速度傳感器。電阻應(yīng)變片法是在整機(jī)機(jī)身或者葉片上粘貼電阻應(yīng)變片，利用集流器裝置或安裝在軸上的無(wú)線發(fā)射裝置將應(yīng)變信號(hào)傳送到葉輪機(jī)械外部，經(jīng)過(guò)前置放大處理，進(jìn)行相關(guān)分析記錄。該技術(shù)的測(cè)量精度較高，但整個(gè)粘貼過(guò)程較繁瑣，布線復(fù)雜，可靠性差。而且應(yīng)變式傳感器的工作壽命較短，環(huán)境適應(yīng)性差，自身的荷重和體積也會(huì)影響待測(cè)件的特性。 磁電式速度傳感器檢測(cè)方法是利用電磁感應(yīng)原理，通過(guò)振動(dòng)產(chǎn)生磁電信號(hào)，其信號(hào)與振動(dòng)速度成正比，經(jīng)過(guò)信號(hào)解調(diào)獲得振動(dòng)信息。該方法特別適用于高穩(wěn)定速度式振動(dòng)檢測(cè)，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、內(nèi)部有活動(dòng)部件、響應(yīng)頻率低、體積大等缺點(diǎn)，不適用于高頻范圍的測(cè)量，其地位正逐步由壓電式加速度傳感器所代替。 在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試中，使用最多的是壓電加速度傳感器。該傳感器選用高居里溫度的壓電晶體元件，最高使用溫度可以達(dá)到650℃，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。壓電式加速度傳感器的工作原理是依據(jù)壓電材料的壓電效應(yīng)，輸出的信號(hào)與振動(dòng)加速度成正比，通過(guò)積分電路及二次放大，用示波器顯示振動(dòng)加速度的總和。與其他傳感器相比，壓電式加速度傳感器具有體積小、壽命長(zhǎng)、耐高溫、靈敏度好、頻響高、動(dòng)態(tài)范圍寬、抗外磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，頻率測(cè)試范圍達(dá)到0.1～5000Hz，振動(dòng)加速度可測(cè)范圍為-5～105g，特別適用于發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)和部件的寬頻帶振動(dòng)測(cè)量和分析。傳感器在發(fā)動(dòng)機(jī)惡劣環(huán)境條件下工作，必須配制專用的低噪聲、抗干擾、耐高溫電纜，將傳感器輸出的電荷信號(hào)穩(wěn)定可靠地傳輸?shù)诫姾煞糯笃?，保證信號(hào)調(diào)理的準(zhǔn)確性、可靠性，真正發(fā)揮壓電式加速度傳感器的優(yōu)越性。 2 轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)測(cè)量方法 轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)測(cè)量能夠適應(yīng)高轉(zhuǎn)速、實(shí)時(shí)、全面監(jiān)測(cè)的要求，提高旋轉(zhuǎn)機(jī)械測(cè)量系統(tǒng)的性能。按其工作原理的不同，可分為微波法、超聲波法、激光掃描式等多種形式。其中微波傳感器在轉(zhuǎn)子葉片測(cè)量方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，其特點(diǎn)是抗于擾能力強(qiáng)，適合高速、高精度的非接觸式測(cè)量，尤其是微弱信號(hào)的拾取。 2. 1 微波法 在NASA研究中心正在研究應(yīng)用微波傳感器來(lái)獲取葉尖間隙和進(jìn)行葉尖定時(shí)測(cè)量。微波葉尖間隙傳感器的工作原理與短程雷達(dá)系統(tǒng)極其相似。傳感器向目標(biāo)發(fā)送連續(xù)微波信號(hào)并測(cè)量反射信號(hào)。反射信號(hào)的相差與傳感器和待測(cè)目標(biāo)之間的距離成正比。這種傳感器很有優(yōu)勢(shì)，其能夠在極高溫下工作，而且不受可能存在于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的雜質(zhì)所影響，其測(cè)量原理如圖1所示。 圖1 微波振動(dòng)檢測(cè)原理 微波葉尖間隙傳感器系統(tǒng)配有兩個(gè)傳感器通道以及四個(gè)高溫探針。微波葉尖間隙傳感器系統(tǒng)工作原理與短程雷達(dá)系統(tǒng)相似。葉尖間隙探針裝有發(fā)射和接收天線，傳感器能發(fā)射出連續(xù)微波信號(hào)并能測(cè)量金屬目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)，這里即指轉(zhuǎn)子葉片。通過(guò)葉片運(yùn)動(dòng)的相位來(lái)調(diào)整反射信號(hào)。將反射信號(hào)與內(nèi)反射信號(hào)做對(duì)比，相差則對(duì)應(yīng)于與葉片之間的間距。 圖2 高溫葉尖間隙探針 圖2所示的高溫葉尖間隙探針直徑約為14mm，長(zhǎng)約26mm。該探針裝有發(fā)射和接收天線，安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣上，在此位置上可以測(cè)出機(jī)匣與渦輪葉尖之間的徑向間隙。探針用高溫材料制成，需要承受高達(dá)900℃的未冷卻溫度以及1200℃冷卻空氣。 目前的微波系統(tǒng)以5.8GHz運(yùn)行，并且電流探針能測(cè)量的間隙距離達(dá)到25mm（即1/2輻射波長(zhǎng)）。該項(xiàng)技術(shù)的終極目標(biāo)是要精確到25μm，目的是評(píng)估傳感器對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)葉尖間隙測(cè)量和定時(shí)測(cè)量的能力。 2.2 葉尖定時(shí)振動(dòng)測(cè)量 葉尖定時(shí)測(cè)量是在葉片旋轉(zhuǎn)平面的機(jī)匣上安裝葉尖定時(shí)傳感器，葉片掠過(guò)傳感器得到葉片振動(dòng)幅值、頻率、相位等信息，通過(guò)葉尖到達(dá)時(shí)間的測(cè)量來(lái)獲取運(yùn)行中發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)(風(fēng)扇)級(jí)的振動(dòng)位移量(偏離特性)，對(duì)葉片振幅序列的時(shí)間序列進(jìn)行FFT變換，從而分析整級(jí)葉片振動(dòng)。該方法原理實(shí)質(zhì)上是對(duì)葉片的頂部相對(duì)位移進(jìn)行間斷測(cè)量，根據(jù)所測(cè)量的斷續(xù)的數(shù)值“還原”為葉片的原始振動(dòng)過(guò)程，并且對(duì)葉片整個(gè)振動(dòng)過(guò)程的參數(shù)進(jìn)行分析，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、適用于高轉(zhuǎn)速等優(yōu)點(diǎn)。它是實(shí)現(xiàn)葉片振動(dòng)應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在國(guó)外極其重視。 葉尖定時(shí)旋轉(zhuǎn)葉片測(cè)振技術(shù)始于20世紀(jì)60年代，已經(jīng)歷了從單探頭異步測(cè)葉尖振幅到多探頭同步測(cè)葉片振型的3個(gè)發(fā)展階段。英國(guó)R。R公司、美國(guó)GE公司、德國(guó)MTU公司等都投入了大量的人力、物力開(kāi)展研究，現(xiàn)在的研究的關(guān)鍵包括以下兩個(gè)方面。一是高速、高精度、抗干擾能力強(qiáng)的葉尖定時(shí)脈沖傳感器。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般采用電感、電容脈沖傳感器，電感傳感器要求葉尖磁化，而電容傳感器的抗干擾能力差。目前的發(fā)展趨勢(shì)是采用光纖傳光的光電測(cè)頭，抗干擾能力強(qiáng)，但是．光電測(cè)頭對(duì)空氣污染較敏感，這是所必須克服的問(wèn)題。一是葉尖定時(shí)信號(hào)的處理方法。目前已有單傳感器、雙傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，發(fā)展方向是用多個(gè)葉片定時(shí)傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)振動(dòng)參數(shù)全面監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)處理方法，據(jù)預(yù)測(cè)國(guó)外在近年內(nèi)可能形成產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)只做過(guò)一個(gè)測(cè)頭的異步測(cè)振試驗(yàn)，而未見(jiàn)同步響應(yīng)葉尖定時(shí)測(cè)振技術(shù)的報(bào)道。 2.3 超聲波測(cè)量法 超聲波傳感器測(cè)量法是即時(shí)葉尖間隙測(cè)量的最佳選擇。該方法有很多優(yōu)點(diǎn)：它適應(yīng)于金屬和非金屬葉片；允許非接觸測(cè)量；能在惡劣環(huán)境下工作；安裝便捷；它屬于數(shù)字測(cè)量，適用于先進(jìn)的數(shù)字控制系統(tǒng)。超聲波傳感器能夠生成兆赫茲超聲波，能在高溫條件下工作，包括一個(gè)大功率脈沖發(fā)生器/接收器和一個(gè)高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，因此超聲波傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)即時(shí)間隙測(cè)量。 超聲波傳感器的操作原理非常簡(jiǎn)單，如圖所示，被傳感器激勵(lì)的超聲波通過(guò)葉尖間隙并在葉尖被反射回來(lái)，反射回來(lái)的聲波被傳感器探測(cè)到。 2.4 渦電流位移傳感器 渦電流法依據(jù)葉片掃過(guò)渦流線圈引起的渦流損耗的變化進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。測(cè)量裝置主要由探頭和檢測(cè)電路兩部分構(gòu)成。檢測(cè)電路由振蕩器、檢波器及放大器等組成。它具有良好的低頻特性，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，對(duì)環(huán)境影響不敏感，線性度好，對(duì)材料性質(zhì)較敏感；在傳感器與葉尖之間有障礙和無(wú)障礙時(shí)都可以使用，特別適用于旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)監(jiān)測(cè)及小型構(gòu)件在振動(dòng)測(cè)量，便于觀察軸心軌跡，主要用于測(cè)量位移、振動(dòng)振幅、轉(zhuǎn)速及偏心率。 目前，HOOD 公司已近研制出商業(yè)化的渦流式傳感器，可以在最高537℃的溫度下可靠工作。但是，此方法受葉片材料的影響較大，葉片的導(dǎo)電性必須足夠，葉尖端面還需要有一定的厚度，以便在經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)時(shí)能夠產(chǎn)生渦流。傳感器的輸出是隨著葉尖形狀、安裝狀態(tài)和環(huán)境溫度等變化，因此，事先需要校準(zhǔn)，使其適合使用環(huán)境。此外，傳感器的耐熱性能較差，目前用于渦輪高溫部件尚有困難。 2.5 激光振動(dòng)測(cè)量 激光光學(xué)測(cè)量法按測(cè)量原理的不同，有激光全息和激光多普勒測(cè)振等多種方法。激光全息干涉測(cè)量、電子散斑干涉測(cè)量、電子散斑剪切干涉測(cè)量可以統(tǒng)稱為全場(chǎng)測(cè)量或全息測(cè)量?；诙嗥绽招?yīng)的鍘振技術(shù)，利用多普勒頻移正比于速度的原理測(cè)量振動(dòng)，目前已獲得快速發(fā)展與應(yīng)用。根據(jù)邁克爾遜干涉原理，光波經(jīng)振動(dòng)體表面反射后與參考光的頻差會(huì)對(duì)光強(qiáng)產(chǎn)生調(diào)制作用，調(diào)制頻率與反射面振動(dòng)速度成比例，調(diào)制頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)90相移，由正、余弦波信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制，即可得到原模擬量的速度信號(hào)，該技術(shù)精度高，一只光學(xué)探頭能測(cè)量葉輪上同一級(jí)的所有葉片振動(dòng)。 該方法檢測(cè)振動(dòng)的特點(diǎn)是：不受轉(zhuǎn)子葉片本身材料的限制，各種轉(zhuǎn)子葉片都可測(cè)量，適用于精度高、頻響快、高溫渦輪葉尖間隙測(cè)量；能在惡劣的環(huán)境下工作，適用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)；成本低、光纖探頭體積較小、易安裝等。但由于端面窄小,同時(shí)炭黑、油垢、灰塵等污損光學(xué)系統(tǒng)和葉尖反射面等原因，光學(xué)鏡頭易污染，導(dǎo)致精度下降，測(cè)量壽命縮短；它適宜用于試驗(yàn)機(jī)中的測(cè)量而不宜于長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)，宜測(cè)葉尖最大間隙值而不宜于單個(gè)葉尖間隙值或平均值。因此，激光光學(xué)測(cè)量法的主要技術(shù)工作是設(shè)法解決反射光量減小的問(wèn)題。此外,由于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的高溫、高壓和振動(dòng)，應(yīng)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)和儀器采取保護(hù)措施，這對(duì)防止儀器破壞和測(cè)量精度下降頗有意義。 2.6 間斷相位法 間斷相位法在測(cè)試中當(dāng)葉片不振動(dòng)時(shí), 示波器上出現(xiàn)規(guī)則的波形。當(dāng)葉片振動(dòng)時(shí), 傳感器輸出的信號(hào)將出現(xiàn)相位差,反映到示波器上的射線長(zhǎng)度就會(huì)改變, 由此可以判斷葉片振動(dòng)的大小。在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有采用這種技術(shù)的葉片故障監(jiān)測(cè)儀器, 并且投入了生產(chǎn)實(shí)踐中。該技術(shù)測(cè)量方法簡(jiǎn)單根據(jù)傳感器接受到的掃描寬度確定葉片振幅大小, 沿旋轉(zhuǎn)方向葉片為最大位移時(shí)葉片進(jìn)人傳感器掃描區(qū), 同時(shí)沿旋轉(zhuǎn)反方向達(dá)到最大位移時(shí)離開(kāi)傳感器掃描區(qū), 這時(shí)會(huì)產(chǎn)生最大掃描寬度。可見(jiàn)產(chǎn)生最大掃描寬度的幾率是非常低的。 3 總結(jié) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)測(cè)量技術(shù)正快速發(fā)展，很多先進(jìn)的技術(shù)廣泛應(yīng)用于新機(jī)的研制、定型機(jī)的生產(chǎn)和使用；國(guó)內(nèi)相對(duì)落后，且限于新機(jī)的研制及定型機(jī)的生產(chǎn)，對(duì)外場(chǎng)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該說(shuō)還難以有效地測(cè)試。借助國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展國(guó)內(nèi)振動(dòng)測(cè)試技術(shù)，提高特種條件下傳感器的耐久性和可靠性，為我國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)事業(yè)作出貢獻(xiàn)。 參考文獻(xiàn) [1] 黃春峰, 侯敏杰, 石小江. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量技術(shù)方法研究[J]. 測(cè)控技術(shù), 2009(28): 21-33. 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