本文摘要：摘要：葉尖間隙是航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的關(guān)鍵參數(shù)，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率和運(yùn)行安全。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)已成為測(cè)試大綱中的必備項(xiàng)目。隨著新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，葉尖間隙測(cè)量技術(shù)進(jìn)一步成熟和深入。介紹了葉尖間隙在線測(cè)量原理，闡述了
摘要：葉尖間隙是航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的關(guān)鍵參數(shù)，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率和運(yùn)行安全。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)已成為測(cè)試大綱中的必備項(xiàng)目。隨著新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，葉尖間隙測(cè)量技術(shù)進(jìn)一步成熟和深入。介紹了葉尖間隙在線測(cè)量原理，闡述了系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)及常用測(cè)量流程，歸納了葉尖間隙在線測(cè)量的六大關(guān)鍵技術(shù)，詳細(xì)分析了放電探針?lè)ā⒐饫w法、電容法、電渦流法和微波法等葉尖間隙測(cè)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(lái)發(fā)展方向，對(duì)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(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)與展望，從六個(gè)方面總結(jié)了葉尖間隙測(cè)量領(lǐng)域的未來(lái)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(cè)量;航空發(fā)動(dòng)機(jī);旋轉(zhuǎn)葉片;傳感器
航空發(fā)動(dòng)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(guó)國(guó)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(dòng)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(gè)發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)機(jī)匣內(nèi)壁之間的葉尖間隙參數(shù)與發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵。
航天技術(shù)評(píng)職知識(shí)： 航天控制論文能發(fā)表sci期刊嗎
研究表明，在渦輪級(jí)中，大約1/3以上氣動(dòng)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(zhǎng)度的1%，渦輪氣動(dòng)效率將下降0.8%~1.2%。美國(guó)通用電氣公司針對(duì)CF550型發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)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(guò)大的葉尖間隙將導(dǎo)致喘振的發(fā)生，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性。美國(guó)普惠公司研究發(fā)現(xiàn)，PW400094系列發(fā)動(dòng)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(duì)葉片表面非定常壓力響應(yīng)及氣動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)的渦動(dòng)量會(huì)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(guò)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(dòng)機(jī)處在高效、安全、穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙通常設(shè)計(jì)為葉片長(zhǎng)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(shí)的靜子變形、轉(zhuǎn)子變形等因素決定，受發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載和飛行負(fù)載的影響，葉尖間隙呈現(xiàn)對(duì)稱的和非對(duì)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(shí)，葉尖間隙相對(duì)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(dòng)機(jī)對(duì)高機(jī)動(dòng)性能要求的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)效率的提升成為關(guān)注的焦點(diǎn)，主動(dòng)間隙控制技術(shù)成為保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率的重要手段21，傳統(tǒng)的在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程中的葉尖間隙測(cè)量方法，如人工塞尺測(cè)量法、光學(xué)影像檢測(cè)法22等不能為主動(dòng)間隙控制提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)來(lái)源，葉尖間隙參數(shù)實(shí)時(shí)在線測(cè)量具有重要的工程意義。
2000年，歐洲國(guó)家啟動(dòng)了HEATTOP計(jì)劃，重點(diǎn)突破航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件葉尖間隙測(cè)量的傳感材料及工藝，而中國(guó)也在“十三五”期間全面啟動(dòng)實(shí)施了航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)重大專項(xiàng)，開(kāi)展葉尖間隙在線非接觸測(cè)量系統(tǒng)的研發(fā)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)已成為測(cè)試大綱中的必備項(xiàng)目。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙參數(shù)的高精度在線測(cè)量，可以保障我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝備工作性能的完好，為主動(dòng)間隙控制提供數(shù)據(jù)支撐，當(dāng)葉尖間隙參數(shù)異常時(shí)，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(zhǎng)、轉(zhuǎn)子不平衡等故障的發(fā)生，減少航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝備非計(jì)劃性維修，延長(zhǎng)裝備使用壽命。
本文針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙在線測(cè)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(cè)量原理;第二部分分析了測(cè)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(cè)量方法的研究進(jìn)展;第四部分提出了發(fā)展趨勢(shì)與展望;最后，在第五部分給出了結(jié)論。
1測(cè)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(dòng)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(dòng)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(pán)及軸三部分組成，轉(zhuǎn)子通常以很高的轉(zhuǎn)速工作，通過(guò)與空氣流或燃?xì)饬飨嗷プ饔茫瑸楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力能源[2。發(fā)動(dòng)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(cè)量流程
發(fā)動(dòng)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(chǎng)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(cè)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(chǎng)的正常運(yùn)行條件且適應(yīng)極端環(huán)境測(cè)試場(chǎng)合等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)葉尖間隙的實(shí)時(shí)在線測(cè)量，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)葉片的故障診斷、壽命預(yù)測(cè)與智能運(yùn)維，受到了歐美國(guó)家及我國(guó)的高度重視和大力發(fā)展。雖然葉尖間隙在線測(cè)量方法的原理多樣，用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面臺(tái)架試驗(yàn)的測(cè)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(cè)量系統(tǒng)主要包括四個(gè)部分：傳感器、驅(qū)動(dòng)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(cè)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(duì)轉(zhuǎn)子葉片頂端;驅(qū)動(dòng)及調(diào)理模塊放置在航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng);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(cè)量系統(tǒng)將驅(qū)動(dòng)及調(diào)理模塊、采集及預(yù)處理模塊集成為測(cè)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(dòng)機(jī)葉尖間隙在線測(cè)量方法發(fā)展至今，其測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)及常用的測(cè)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(kāi)論述每種測(cè)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(kāi)始，伴隨著噴氣式發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)制造企業(yè)以及美國(guó)國(guó)家航空航天局、美國(guó)聯(lián)邦航空管理局、美國(guó)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(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片葉尖間隙測(cè)量方法的研究，尤其是在第五代航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用后，葉尖間隙測(cè)量方法經(jīng)歷了從“盤(pán)車”、“動(dòng)態(tài)”、“在線”到“在機(jī)”的幾個(gè)發(fā)展階段，以及從零部件測(cè)試到整機(jī)測(cè)試的發(fā)展趨勢(shì)。研究人員常按照測(cè)量原理的不同對(duì)葉尖間隙在線測(cè)量方法進(jìn)行分類，目前主要包括放電探針?lè)ā⒐饫w法、電容法、電渦流法和微波法等。本章將詳細(xì)介紹每種測(cè)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(lái)發(fā)展方向，并在最后進(jìn)行總結(jié)。
4基于葉尖間隙信號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理
航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子長(zhǎng)期工作在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下，受氣動(dòng)、機(jī)械、熱等多種載荷作用，容易發(fā)生不平衡、不對(duì)中、轉(zhuǎn)靜碰摩、彎扭變形、軸向竄動(dòng)等典型故障，嚴(yán)重影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和安全。葉尖間隙信號(hào)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(dòng)機(jī)健康管理的有效途徑。未來(lái)可以建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣葉片輪盤(pán)轉(zhuǎn)軸耦合數(shù)學(xué)模型，探索融合葉尖間隙、定時(shí)信號(hào)等多源數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性提取方法，開(kāi)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(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)典型故障的準(zhǔn)確識(shí)別，保障航空發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)工作效率和運(yùn)行安全的關(guān)鍵，實(shí)時(shí)在線的葉尖間隙測(cè)量為主動(dòng)間隙控制提供重要數(shù)據(jù)支撐。
2)葉尖間隙在線測(cè)量方法采用葉端傳感工作原理，典型的葉尖間隙測(cè)量系統(tǒng)主要包括傳感器、驅(qū)動(dòng)及調(diào)理模塊、采集及預(yù)處理模塊和計(jì)算機(jī)四個(gè)部分。葉尖間隙的常用測(cè)量流程可簡(jiǎn)要總結(jié)為傳感器發(fā)射電磁波信號(hào)并獲取原始葉尖間隙信號(hào)，驅(qū)動(dòng)及調(diào)理模塊完成原始信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)化，采集及預(yù)處理模塊完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)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(cè)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(hào)高信噪比、寬帶寬調(diào)理技術(shù)，多通道葉尖間隙信號(hào)高速采集與預(yù)處理技術(shù)，葉尖間隙信號(hào)實(shí)時(shí)、高精度處理技術(shù)，葉尖間隙測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)和葉尖間隙測(cè)量系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)，共六個(gè)方面。
4)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙在線測(cè)量方法，按照測(cè)量原理的不同，可分為放電探針?lè)ā⒐饫w法、電容法、電渦流法和微波法等，詳細(xì)分析了各種測(cè)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(lái)發(fā)展方向，并對(duì)各種方法的最新研究成果和產(chǎn)品情況進(jìn)行了對(duì)比和總結(jié)。5)葉尖間隙在線測(cè)量技術(shù)的未來(lái)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(cè)量精度，更大數(shù)據(jù)量的信號(hào)采集與處理，基于傳感信號(hào)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(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理，共六個(gè)方向。測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與展望對(duì)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。
參考文獻(xiàn)
[1]趙歡,姜宗民丁漢.航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片葉緣隨形磨拋刀路規(guī)劃[J/OL].航空學(xué)報(bào),(20200903)[20210623]http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20200903.1306.010.htmlDOI:10.7527/S10006893.2020.24318ZHAOH,JIANGZMDINGH.Toolpathplanningforprofilinggrindingofaeroenginebladeedge[J/OL].taAeronauticaetAstronauticaSinica,(20200903)
[20210623]http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20200903.1306.010.htmlDOI:10.7527/S10006893.2020.24318(inChinese).楊俊杰,鄭小梅,楊興宇.影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)壽命的載荷分散系數(shù)[J].航空學(xué)報(bào)2021,42(5):308317.
YANGJJ,ZHENGXM,YANGXY.Loadscatterfactorsaffectingaeroenginestructurelife[J].ActaAeonauticaetAstronauticaSinica,2021,42):308317(inChinese).
作者：段發(fā)階，牛廣越，周琦，傅驍，蔣佳佳
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