航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片振動(dòng)測(cè)量技術(shù)綜述

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片振動(dòng)測(cè)量技術(shù)綜述

0轉(zhuǎn)子振動(dòng)測(cè)量fran機(jī)槍是一項(xiàng)復(fù)雜的動(dòng)力，具有復(fù)雜的氣動(dòng)力、熱量和結(jié)構(gòu)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子在工作時(shí),葉片會(huì)與空氣流或燃?xì)饬飨嗷プ饔?由于氣流分布不均勻、不穩(wěn)定及轉(zhuǎn)子不平衡的離心力等會(huì)使葉片振動(dòng)。葉片的振動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致高周疲勞(HCF),HCF可能導(dǎo)致葉片失效,最終降低葉片耐久性和壽命,甚至產(chǎn)生嚴(yán)重后果。因此,通過(guò)監(jiān)測(cè)葉片振動(dòng),可以盡早檢測(cè)到降級(jí)現(xiàn)象,從而避免造成系統(tǒng)低效或失效。轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)測(cè)量技術(shù)分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N。在接觸式振動(dòng)測(cè)量中,傳統(tǒng)上常采用接觸式電阻應(yīng)變片、磁電式速度傳感器和壓電式加速度傳感器。但接觸式振動(dòng)測(cè)量方法存在許多缺點(diǎn),它要求必須把傳感器安裝到待測(cè)葉片上,要安裝昂貴的引出器,且只能監(jiān)測(cè)有限數(shù)量的葉片。非接觸式測(cè)振系統(tǒng)相較而言具有很大的優(yōu)勢(shì)。用于葉片非接觸振動(dòng)測(cè)量的方法包括激光多普勒測(cè)振、間斷相位法、葉尖定時(shí)法等多種方法,而葉尖定時(shí)方法是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。1振動(dòng)測(cè)量原理葉尖定時(shí)測(cè)量的原理實(shí)質(zhì)上是對(duì)葉片的端部相對(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。因此,葉尖定時(shí)測(cè)量法又稱(chēng)為間斷測(cè)量法。在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中,葉尖定時(shí)傳感器是測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵。用葉尖定時(shí)傳感器對(duì)葉片振動(dòng)進(jìn)行非接觸式測(cè)量是將一個(gè)或多個(gè)傳感器探頭沿徑向安裝在渦輪機(jī)械相對(duì)靜止的殼體上,利用傳感器感受在它前面通過(guò)的旋轉(zhuǎn)葉片所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)。如果葉片發(fā)生振動(dòng),葉片的端部相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)?huì)向前或向后偏移,這樣就引起脈沖到達(dá)時(shí)間的改變,從而計(jì)算出葉片振動(dòng)的振幅,對(duì)葉片振幅序列的時(shí)間序列進(jìn)行變換,并進(jìn)行一些必要的數(shù)據(jù)處理即可確定葉片的實(shí)際振動(dòng)頻率。測(cè)量原理和信號(hào)處理示意圖分別如圖1和2所示。2u3000葉片振動(dòng)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理國(guó)外對(duì)葉尖定時(shí)方法的研究始于20世紀(jì)60、70年代,不同的制造商研制的非接觸葉片葉尖定時(shí)測(cè)量系統(tǒng)有著不同的名稱(chēng),如美國(guó)空軍阿諾德工程研發(fā)中心(AEDC)稱(chēng)為非介入式應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)(NSMS,Non-IntrusiveStressMeasurementSystem),德國(guó)MIU公司稱(chēng)為非接觸葉片振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(BSSM,BerührungsloseSchaufelschwingungsmessung,NoncontactBladeVibrationMeasurement),或泛稱(chēng)為葉尖定時(shí)系統(tǒng)。由于這些機(jī)構(gòu)和公司獨(dú)立開(kāi)展研究,因此,其采用的硬件裝置、傳感器數(shù)量和排列以及相應(yīng)的軟件工具都各有不同之處。其中,阿諾德工程發(fā)展中心(AEDC)開(kāi)發(fā)的NSMS已經(jīng)有20年研制歷史,主要用于擴(kuò)充標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片、評(píng)價(jià)旋轉(zhuǎn)部件的振動(dòng)和周期應(yīng)力,其目的是為了實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)?zāi)芰?開(kāi)發(fā)了一組健壯的測(cè)量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及仿真工具,實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)的獨(dú)立工程評(píng)估、性能驗(yàn)證和數(shù)據(jù)確認(rèn)以及專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)分析能力。NSMS系統(tǒng)測(cè)量所有葉片上的應(yīng)力,并得到有關(guān)葉片振動(dòng)模式的數(shù)據(jù),與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片相比,需要更少的設(shè)備和更低的維護(hù)成本。NSMS系統(tǒng)的通用性已經(jīng)在2006年初夏得到證實(shí),AEDC的工程師驗(yàn)證了在線NSMS數(shù)據(jù)分析的實(shí)時(shí)診斷能力,經(jīng)證實(shí)NSMS能夠通過(guò)在失效前檢測(cè)渦輪葉片的損害,從而降低研制項(xiàng)目的總體成本。目前的第4代NSMS包括三個(gè)截然不同的子系統(tǒng):第4代前端(G4F)、第4代監(jiān)測(cè)器(G4M)和第4代處理器(G4P)。其中,G4F包括光電部件(EO)、葉片定時(shí)發(fā)生器(BTG)和葉片缺陷信號(hào)處理器(BDSP)。EO主要用來(lái)從發(fā)動(dòng)機(jī)接收探針信號(hào),這些探針可以是光學(xué)或電子學(xué)原理。EO實(shí)施不同的觸發(fā)技術(shù),提供低壓晶體管到晶體管邏輯(LVTTL)觸發(fā)輸出,提供有效信號(hào)指示葉片何時(shí)通過(guò)探針。BTG從EO系統(tǒng)接收LVTTL觸發(fā)輸出,該觸發(fā)用于鎖住BTG中的計(jì)數(shù)器,測(cè)量葉片到達(dá)時(shí)間,BTG的輸出是在時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)內(nèi)的每個(gè)探針的葉片到達(dá)時(shí)間(TOA)。BDSP從BTG采集每個(gè)探針的葉片到達(dá)時(shí)間,糾正數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)變?yōu)槿毕菪畔?。BDSP能夠近實(shí)時(shí)地顯示數(shù)據(jù),并在硬盤(pán)中保存未糾正的原始數(shù)據(jù)和糾正后的缺陷數(shù)據(jù)。3光纖激光多普勒測(cè)振儀ldds非接觸式葉片葉尖定時(shí)測(cè)量系統(tǒng)可以采用幾種不同原理的傳感器,如渦流、電容、光學(xué)和微波探頭等。發(fā)動(dòng)機(jī)葉片葉尖速率大約為400m/s,葉片葉尖振幅約為0.3mm(壓氣機(jī)系統(tǒng)內(nèi)),這意味著測(cè)量振動(dòng)的時(shí)間間隔只有1μs。為了獲得最大的探針敏感性,應(yīng)該將檢測(cè)傳感器安裝在靠近葉片葉尖的位置,同時(shí)為了保證不受污染,傳感器與機(jī)匣內(nèi)壁之間必須有一定的間隙,這對(duì)傳感器提出了很高的要求。下面介紹幾種不同傳感原理的葉尖定時(shí)測(cè)振系統(tǒng)。1)光學(xué)葉尖定時(shí)測(cè)振系統(tǒng)為了保證整個(gè)葉尖定時(shí)測(cè)振系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度,傳感器必須有很寬的頻帶和很高的信噪比,光學(xué)傳感器在這方面具有很大的優(yōu)勢(shì),根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì),光學(xué)傳感器在葉尖定時(shí)測(cè)振系統(tǒng)中占得比重很大。光學(xué)系統(tǒng)的原理是將一個(gè)窄激光束射向通過(guò)的葉片葉尖,當(dāng)葉片葉尖進(jìn)入光束路徑時(shí),光線被反射到一個(gè)成像傳感器。當(dāng)葉片通過(guò)時(shí),反射光強(qiáng)會(huì)迅速提高;當(dāng)不存在結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí),某個(gè)特定葉片葉尖到達(dá)光纖探頭的時(shí)間(即“葉片到達(dá)時(shí)間”)僅僅取決于轉(zhuǎn)速。但是,當(dāng)葉片存在振動(dòng)時(shí),其到達(dá)時(shí)間就取決于轉(zhuǎn)速和振動(dòng)帶來(lái)的位移,由此可以計(jì)算葉片的振動(dòng)。這種測(cè)振系統(tǒng)的耐高溫程度是由光學(xué)傳感器決定的。早在20世紀(jì)70年代,Zablotskiy,I.,Ye,Korostelev提出用于葉尖定時(shí)測(cè)量的激光多普勒方法,光學(xué)中的多普勒現(xiàn)象是指由于觀測(cè)者和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng),使觀測(cè)者接收到的光波頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。而激光多普勒測(cè)振原理就是基于測(cè)量從物體表面微小區(qū)域反射回的相干激光光波的多普勒頻移,進(jìn)而確定該測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度。該系統(tǒng)將幾個(gè)光學(xué)探針等間距地安裝在機(jī)匣上,利用傅里葉變化分析獲得振動(dòng)幅值和頻率信息。同類(lèi)研究表明,光學(xué)在2008年激光技術(shù)應(yīng)用會(huì)議上,德國(guó)的工程師們又提出了一種用于渦輪葉尖間隙和振動(dòng)測(cè)量的光纖激光多普勒位移傳感器(LDDS),在傳統(tǒng)的激光多普勒速度計(jì)(LDV)基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展。激光多普勒測(cè)速儀(LDV)是利用激光多普勒效應(yīng)來(lái)測(cè)量流體固體運(yùn)動(dòng)速度的一種儀器,它利用運(yùn)動(dòng)微粒散射光的多普勒頻移來(lái)獲得速度信息。其研究表明,與其他光學(xué)傳感器相比,LDDS同時(shí)具備較高的時(shí)間和空間分辨率。另外,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)快速通過(guò)物體的實(shí)時(shí)測(cè)量,因此,LDDS適用于對(duì)葉片振動(dòng)和葉尖間隙的測(cè)量。如圖3為該測(cè)試系統(tǒng)示意圖。其中,光源裝置包括兩個(gè)單端面模式激光二極管(波長(zhǎng)分別為660nm和830nm),通過(guò)一個(gè)2×1光纖耦合器,耦合到一個(gè)單模光纖中。光纖測(cè)頭產(chǎn)生兩個(gè)扇形干涉條紋系統(tǒng),光纖測(cè)頭是被動(dòng)式的,并裝有散熱器蛇形管水冷裝置,可以排除電子干擾和溫度影響。在回路方向被測(cè)物體返回的散射光,并通過(guò)一個(gè)平面鏡和一個(gè)透鏡耦合到一個(gè)多模光纖中。檢測(cè)裝置利用一個(gè)分光鏡將接收到的來(lái)自被測(cè)物體的散射光分成兩個(gè)不同的波長(zhǎng),并將其聚焦到兩個(gè)高帶寬圖像檢測(cè)器上。之后,檢測(cè)信號(hào)通過(guò)一個(gè)14位A/D轉(zhuǎn)換卡輸入到一個(gè)臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)PC計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。該系統(tǒng)在德國(guó)宇航中心(DAC)的壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證(見(jiàn)圖4),對(duì)開(kāi)車(chē)和關(guān)車(chē)以及最高轉(zhuǎn)速50000r/min(833Hz)(對(duì)應(yīng)葉片頻率21.7kHz,葉尖速度586m/s)時(shí)分別進(jìn)行了葉尖間隙和振動(dòng)測(cè)量。所有的測(cè)量結(jié)果都與電容傳感器相符合。LDDS的測(cè)量不確定度平均僅約為22μm,與傳統(tǒng)探針(一般為50~100μm)相比具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。另外,LDDS具有較高的時(shí)間分辨率,在最大轉(zhuǎn)速時(shí)也可以測(cè)到單個(gè)的轉(zhuǎn)子葉片,因此可以測(cè)到軸向轉(zhuǎn)子振動(dòng)。這種系統(tǒng)在金屬和非金屬渦輪葉片的高精度原位葉尖間隙和振動(dòng)測(cè)量中具有很大潛力。此外,美國(guó)HOOD技術(shù)公司在葉片振動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域也有較長(zhǎng)的研究歷史,該公司從1999年開(kāi)始設(shè)計(jì)并研制葉片葉尖定時(shí)系統(tǒng),并支持開(kāi)展了200多次試驗(yàn)(范圍覆蓋5cm直徑的渦輪增壓器到4m直徑的蒸汽渦輪)。HOOD技術(shù)公司的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)如圖5所示,當(dāng)葉片通過(guò)時(shí),傳感器產(chǎn)生模擬脈沖,一個(gè)前置放大器放置在靠近被測(cè)轉(zhuǎn)子的地方并同傳感器相連(對(duì)于光學(xué)傳感器而言,前置放大器中還包括一個(gè)激光器和光電二極管)。前置放大器將緩沖信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)很長(zhǎng)的電纜傳送到該公司的葉片振動(dòng)傳感器接口(BVSI)裝置,BVSI觸發(fā)每個(gè)葉片脈沖,生成一個(gè)精確定時(shí)的數(shù)字信號(hào)。HOOD技術(shù)公司的“葉片數(shù)據(jù)采集軟件”使用戶能夠簡(jiǎn)便地配置每個(gè)傳感器信號(hào)的狀態(tài)和觸發(fā)參數(shù),查看葉片振動(dòng)、間隙,并設(shè)置可視和聲音告警。利用葉片振動(dòng)分析軟件可以進(jìn)行更為詳細(xì)的離線分析并生成報(bào)告。HOOD技術(shù)公司葉片測(cè)振系統(tǒng)一般采用渦流傳感器和光學(xué)傳感器兩種。該公司還研發(fā)了幾種不同的光纖傳感器,在加冷卻的條件下,最高可耐1100℃高溫。2)電渦流葉尖定時(shí)測(cè)振系統(tǒng)渦流傳感器的工作原理是,對(duì)傳感器施加一個(gè)時(shí)變磁場(chǎng),當(dāng)葉片經(jīng)過(guò)時(shí),葉片表面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)渦流及誘生磁場(chǎng),這個(gè)誘生磁場(chǎng)會(huì)削弱傳感器的原磁場(chǎng)。通過(guò)檢測(cè)這種變化,可以監(jiān)測(cè)葉片振動(dòng)、葉尖間隙、彎曲葉片、葉尖碰損、顫振等各種參數(shù)。用于測(cè)振系統(tǒng)的電渦流傳感器通常有兩種原理,一種是被動(dòng)式,一種是主動(dòng)式。被動(dòng)式渦流傳感器采用一個(gè)永久磁鐵產(chǎn)生磁通量,并利用一個(gè)線圈測(cè)量渦流產(chǎn)生的電壓。主動(dòng)探針可以包括一個(gè)或多個(gè)線圈,最簡(jiǎn)單的形式是利用一個(gè)線圈產(chǎn)生磁通量并測(cè)量渦流產(chǎn)生的電壓。目前有多種形狀、尺寸的貨架渦流傳感器產(chǎn)品用于位置測(cè)量。渦流傳感器用于葉片測(cè)量,與其他類(lèi)型探針相比,最大優(yōu)勢(shì)是能夠通過(guò)機(jī)匣獲得葉片通過(guò)數(shù)據(jù),Roeseler和Flotow兩位工程師已經(jīng)利用一個(gè)被動(dòng)渦流傳感器對(duì)此已經(jīng)進(jìn)行了驗(yàn)證,但其測(cè)量結(jié)果與機(jī)匣厚度和材料有很大關(guān)系。圖6所示,奎奈蒂克公司(QinetiQ)在一臺(tái)斯貝(Spey)RB168-101發(fā)動(dòng)機(jī)上驗(yàn)證了其渦流傳感器,并與光學(xué)探針進(jìn)行了對(duì)比,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,該公司將7個(gè)渦輪傳感器和4個(gè)光學(xué)傳感器安裝在第一級(jí)和第二級(jí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子上,獲得葉片通過(guò)數(shù)據(jù)(到達(dá)時(shí)間)。試驗(yàn)結(jié)果表明,渦流傳感器可以通過(guò)1.5mm厚的機(jī)匣獲得葉片通過(guò)數(shù)據(jù),并且其測(cè)試結(jié)果與光學(xué)傳感器的數(shù)據(jù)相同。奎奈蒂克公司的渦流傳感器還在AE3007和JSFLiftFan?系統(tǒng)中做過(guò)全尺寸驗(yàn)證,能夠檢測(cè)振幅小于0.1mm的葉尖振動(dòng)。3)電容葉尖定時(shí)測(cè)量系統(tǒng)目前,國(guó)外許多制造商開(kāi)始熱衷于電容葉尖定時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的研究,如德國(guó)MTU的非接觸葉片振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(BSSM)最早采用光學(xué)探針,但由于一方面光學(xué)探針耐污染能力差,另一方面高溫高壓光學(xué)探針的研制成本相對(duì)較高,目前該公司已經(jīng)轉(zhuǎn)向采用電容傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)量。圖7所示,利用電容傳感器同時(shí)實(shí)現(xiàn)葉尖間隙和葉片振動(dòng)的測(cè)量無(wú)疑是節(jié)約成本的一個(gè)好辦法。BSSM系統(tǒng)一般將4~6個(gè)傳感器安裝在機(jī)匣上,其信號(hào)輸入到觸發(fā)模塊(TSG),產(chǎn)生精確的定時(shí)觸發(fā)脈沖,并輸送到時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)(TDC),TDC的數(shù)字時(shí)間數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)數(shù)字接口傳送給PC機(jī)分析。由于直流電荷放大器對(duì)傳感器區(qū)域的靜電比較敏感,MTU公司近期正在研究采用調(diào)頻驅(qū)動(dòng)模塊,并利用軟件觸發(fā)和定時(shí)取代硬件TSG和TDC模塊,這一舉措將提高振幅分辨率并減少硬件成本。在沿轉(zhuǎn)子周?chē)帕袀鞲衅鲿r(shí),需要考慮幾個(gè)方面的因素。對(duì)于振動(dòng)測(cè)量而言,傳感器的圓周位置將影響振動(dòng)頻率的確定,而徑向位置則對(duì)于能夠捕獲到的振動(dòng)模式數(shù)至關(guān)重要。此外,還要考慮機(jī)匣空間情況等。目前,MTU公司還在探索將BSSM系統(tǒng)用于轉(zhuǎn)子葉片的裂紋檢測(cè)中,預(yù)防葉片裂開(kāi)以及產(chǎn)生嚴(yán)重的二級(jí)損傷。此外,英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)工程學(xué)院的教授們也通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了將商用電容葉尖間隙傳感器用于葉片振動(dòng)測(cè)量的可行性。他們?cè)囼?yàn)中所采用的為英國(guó)Rotadata公司制造的RotaCap測(cè)量系統(tǒng),其構(gòu)成包括礦物質(zhì)絕緣電容探針、振蕩器、解調(diào)控制系統(tǒng)和連接電纜。該探頭同一個(gè)半剛性不銹鋼三軸電纜連接,探頭涂有粉狀礦物質(zhì)絕緣層。該電纜連接振蕩器模塊,后者能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)提供10MHz頻率,并通過(guò)一個(gè)內(nèi)接電纜連接解調(diào)裝置。在試驗(yàn)的過(guò)程中對(duì)電容傳感器測(cè)量的結(jié)果與應(yīng)變片和光學(xué)傳感器進(jìn)行了對(duì)比,取得了較好的效果。4傳感器的種類(lèi)總的來(lái)說(shuō),就葉片振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)而言,葉尖定時(shí)方