航空發(fā)動機(jī)振動測試技術(shù)研究

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航空發(fā)動機(jī)振動測試技術(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)動機(jī)振動測量的必要性及發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了國內(nèi)外正在發(fā)展中的先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)振動測量技術(shù)方法，并對它們的測量原理、特點(diǎn)和應(yīng)用進(jìn)行了闡述。 關(guān)鍵詞 發(fā)動機(jī) 振動 測試 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)動機(jī)的推力、轉(zhuǎn)速、動強(qiáng)度等在不斷的提高，由轉(zhuǎn)子不平和和氣體流動等原因引起的振動問題日益突出，在新機(jī)研制試驗(yàn)過程中，由于設(shè)計(jì)考慮不足或制造的工藝和裝配問題，都會致使發(fā)動機(jī)在運(yùn)行中產(chǎn)生振動；對于定型使用的發(fā)動機(jī)也會因?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品質(zhì)不斷惡化。同時,發(fā)動機(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，對檢測其振動特性的技術(shù)方法要求非?？量獭Ｈ绾我院侠淼姆椒?選擇合適的振動傳感器和振動測量儀,迅速準(zhǔn)確地測量發(fā)動機(jī)的振動值對提高試驗(yàn)安全性和發(fā)動機(jī)可靠性具有重要意義。 轉(zhuǎn)子葉片是航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零件, 它承受離心力、流體動力、振動、熱應(yīng)力等的綜合作用，葉片的損壞故障絕大多數(shù)是由振動引起的，因此葉片振動測量已經(jīng)成為航空發(fā)動機(jī)可靠性試驗(yàn)的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的測量方法是接觸式電阻應(yīng)變片法，其最大缺點(diǎn)是所測量的數(shù)目有限，且測試成本高、測試周期長、使用壽命有限及信號引出困難等，很難做到實(shí)時監(jiān)測同級的所有葉片的振動情況。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葉片振動進(jìn)行測量，得到葉輪上所有葉片見應(yīng)力分布的整個圖片，為轉(zhuǎn)子葉片的振動測量開創(chuàng)了一條新的途徑。隨著光電子學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，國外已經(jīng)研制出了基于光纖傳感器的葉尖定時測量法。最近，國外先進(jìn)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室又研制出了葉間動態(tài)壓力診斷法，更適合于工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用。 1發(fā)動機(jī)整機(jī)振動測量方法 發(fā)動機(jī)振動測量可分為整機(jī)振動測量和部件（轉(zhuǎn)子葉片）振動測量，其振動測量設(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)和振動測量儀來測量并獲取振幅、振動速度和振動加速度等參數(shù)；在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉片貼應(yīng)變片測量轉(zhuǎn)子葉片振動。 在整機(jī)振動測量中常采用電阻應(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線發(fā)射裝置將應(yīng)變信號傳送到葉輪機(jī)械外部，經(jīng)過前置放大處理，進(jìn)行相關(guān)分析記錄。該技術(shù)的測量精度較高，但整個粘貼過程較繁瑣，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影響待測件的特性。 磁電式速度傳感器檢測方法是利用電磁感應(yīng)原理，通過振動產(chǎn)生磁電信號，其信號與振動速度成正比，經(jīng)過信號解調(diào)獲得振動信息。該方法特別適用于高穩(wěn)定速度式振動檢測，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、內(nèi)部有活動部件、響應(yīng)頻率低、體積大等缺點(diǎn)，不適用于高頻范圍的測量，其地位正逐步由壓電式加速度傳感器所代替。 在發(fā)動機(jī)振動測試中，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)，輸出的信號與振動加速度成正比，通過積分電路及二次放大，用示波器顯示振動加速度的總和。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、耐高溫、靈敏度好、頻響高、動態(tài)范圍寬、抗外磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，頻率測試范圍達(dá)到0.1～5000Hz，振動加速度可測范圍為-5～105g，特別適用于發(fā)動機(jī)整機(jī)和部件的寬頻帶振動測量和分析。傳感器在發(fā)動機(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穩(wěn)定可靠地傳輸?shù)诫姾煞糯笃?，保證信號調(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)子葉片振動測量方法 轉(zhuǎn)子葉片振動測量能夠適應(yīng)高轉(zhuǎn)速、實(shí)時、全面監(jiān)測的要求，提高旋轉(zhuǎn)機(jī)械測量系統(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)子葉片測量方面具有不可比擬的優(yōu)勢，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量，尤其是微弱信號的拾取。 2. 1 微波法 在NASA研究中心正在研究應(yīng)用微波傳感器來獲取葉尖間隙和進(jìn)行葉尖定時測量。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)微波信號并測量反射信號。反射信號的相差與傳感器和待測目標(biāo)之間的距離成正比。這種傳感器很有優(yōu)勢，其能夠在極高溫下工作，而且不受可能存在于渦輪發(fā)動機(jī)中的雜質(zhì)所影響，其測量原理如圖1所示。 圖1 微波振動檢測原理 微波葉尖間隙傳感器系統(tǒng)配有兩個傳感器通道以及四個高溫探針。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)微波信號并能測量金屬目標(biāo)反射回來的信號，這里即指轉(zhuǎn)子葉片。通過葉片運(yùn)動的相位來調(diào)整反射信號。將反射信號與內(nèi)反射信號做對比，相差則對應(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，長約26mm。該探針裝有發(fā)射和接收天線，安裝于發(fā)動機(jī)機(jī)匣上，在此位置上可以測出機(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，并且電流探針能測量的間隙距離達(dá)到25mm（即1/2輻射波長）。該項(xiàng)技術(shù)的終極目標(biāo)是要精確到25μm，目的是評估傳感器對旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)葉尖間隙測量和定時測量的能力。 2.2 葉尖定時振動測量 葉尖定時測量是在葉片旋轉(zhuǎn)平面的機(jī)匣上安裝葉尖定時傳感器，葉片掠過傳感器得到葉片振動幅值、頻率、相位等信息，通過葉尖到達(dá)時間的測量來獲取運(yùn)行中發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)(風(fēng)扇)級的振動位移量(偏離特性)，對葉片振幅序列的時間序列進(jìn)行FFT變換，從而分析整級葉片振動。該方法原理實(shí)質(zhì)上是對葉片的頂部相對位移進(jìn)行間斷測量，根據(jù)所測量的斷續(xù)的數(shù)值“還原”為葉片的原始振動過程，并且對葉片整個振動過程的參數(shù)進(jìn)行分析，具有實(shí)時性強(qiáng)、精度高、適用于高轉(zhuǎn)速等優(yōu)點(diǎn)。它是實(shí)現(xiàn)葉片振動應(yīng)力測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在國外極其重視。 葉尖定時旋轉(zhuǎn)葉片測振技術(shù)始于20世紀(jì)60年代，已經(jīng)歷了從單探頭異步測葉尖振幅到多探頭同步測葉片振型的3個發(fā)展階段。英國R。R公司、美國GE公司、德國MTU公司等都投入了大量的人力、物力開展研究，現(xiàn)在的研究的關(guān)鍵包括以下兩個方面。一是高速、高精度、抗干擾能力強(qiáng)的葉尖定時脈沖傳感器。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)展趨勢是采用光纖傳光的光電測頭，抗干擾能力強(qiáng)，但是．光電測頭對空氣污染較敏感，這是所必須克服的問題。一是葉尖定時信號的處理方法。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)展方向是用多個葉片定時傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時振動參數(shù)全面監(jiān)測的數(shù)據(jù)處理方法，據(jù)預(yù)測國外在近年內(nèi)可能形成產(chǎn)品。國內(nèi)只做過一個測頭的異步測振試驗(yàn)，而未見同步響應(yīng)葉尖定時測振技術(shù)的報道。 2.3 超聲波測量法 超聲波傳感器測量法是即時葉尖間隙測量的最佳選擇。該方法有很多優(yōu)點(diǎn)：它適應(yīng)于金屬和非金屬葉片；允許非接觸測量；能在惡劣環(huán)境下工作；安裝便捷；它屬于數(shù)字測量，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，包括一個大功率脈沖發(fā)生器/接收器和一個高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，因此超聲波傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)即時間隙測量。 超聲波傳感器的操作原理非常簡單，如圖所示，被傳感器激勵的超聲波通過葉尖間隙并在葉尖被反射回來，反射回來的聲波被傳感器探測到。 2.4 渦電流位移傳感器 渦電流法依據(jù)葉片掃過渦流線圈引起的渦流損耗的變化進(jìn)行測量，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。測量裝置主要由探頭和檢測電路兩部分構(gòu)成。檢測電路由振蕩器、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)簡單，靈敏度高，對環(huán)境影響不敏感，線性度好，對材料性質(zhì)較敏感；在傳感器與葉尖之間有障礙和無障礙時都可以使用，特別適用于旋轉(zhuǎn)軸的振動監(jiān)測及小型構(gòu)件在振動測量，便于觀察軸心軌跡，主要用于測量位移、振動振幅、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)過磁場時能夠產(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 激光振動測量 激光光學(xué)測量法按測量原理的不同，有激光全息和激光多普勒測振等多種方法。激光全息干涉測量、電子散斑干涉測量、電子散斑剪切干涉測量可以統(tǒng)稱為全場測量或全息測量?；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量振動，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)振動體表面反射后與參考光的頻差會對光強(qiáng)產(chǎn)生調(diào)制作用，調(diào)制頻率與反射面振動速度成比例，調(diào)制頻率信號經(jīng)過90相移，由正、余弦波信號進(jìn)行頻率調(diào)制，即可得到原模擬量的速度信號，該技術(shù)精度高，一只光學(xué)探頭能測量葉輪上同一級的所有葉片振動。 該方法檢測振動的特點(diǎn)是：不受轉(zhuǎn)子葉片本身材料的限制，各種轉(zhuǎn)子葉片都可測量，適用于精度高、頻響快、高溫渦輪葉尖間隙測量；能在惡劣的環(huán)境下工作，適用于靜態(tài)和動態(tài)的實(shí)時檢測；成本低、光纖探頭體積較小、易安裝等。但由于端面窄小,同時炭黑、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，測量壽命縮短；它適宜用于試驗(yàn)機(jī)中的測量而不宜于長期運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)，宜測葉尖最大間隙值而不宜于單個葉尖間隙值或平均值。因此，激光光學(xué)測量法的主要技術(shù)工作是設(shè)法解決反射光量減小的問題。此外,由于運(yùn)轉(zhuǎn)時的高溫、高壓和振動，應(yīng)對光學(xué)系統(tǒng)和儀器采取保護(hù)措施，這對防止儀器破壞和測量精度下降頗有意義。 2.6 間斷相位法 間斷相位法在測試中當(dāng)葉片不振動時, 示波器上出現(xiàn)規(guī)則的波形。當(dāng)葉片振動時, 傳感器輸出的信號將出現(xiàn)相位差,反映到示波器上的射線長度就會改變, 由此可以判斷葉片振動的大小。在國內(nèi)已經(jīng)有采用這種技術(shù)的葉片故障監(jiān)測儀器, 并且投入了生產(chǎn)實(shí)踐中。該技術(shù)測量方法簡單根據(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葉片進(jìn)人傳感器掃描區(qū), 同時沿旋轉(zhuǎn)反方向達(dá)到最大位移時離開傳感器掃描區(qū), 這時會產(chǎn)生最大掃描寬度。可見產(chǎn)生最大掃描寬度的幾率是非常低的。 3 總結(jié) 航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉片振動測量技術(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；國內(nèi)相對落后，且限于新機(jī)的研制及定型機(jī)的生產(chǎn)，對外場使用的發(fā)動機(jī)應(yīng)該說還難以有效地測試。借助國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展國內(nèi)振動測試技術(shù)，提高特種條件下傳感器的耐久性和可靠性，為我國的航空發(fā)動機(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)動機(jī)振動測量技術(shù)方法研究[J]. 測控技術(shù), 2009(28): 21-33. 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