雷曉波， 董彥非， 王 茜

(1.西安航空學院飛行器學院， 西安, 710077； 2.中國飛行試驗研究院， 西安, 710089)

沙塵、石塊、飛鳥、金屬碎片、冰塊等物體吸入發(fā)動機流道，會對風扇/壓氣機葉片產(chǎn)生各類損傷，外物損傷(簡稱FOD)會造成葉片產(chǎn)生不同程度的結構損傷，或者造成發(fā)動機性能衰退，極端情況下可造成災難性飛行事故。據(jù)美軍統(tǒng)計，1991—2004年間鳥撞事件多達517起，鳥撞是運輸類飛機的第一大事故癥候[1-2]，我國空軍對1 135臺次發(fā)動機進行調(diào)研表明：30%左右的翻修壓氣機葉片屬于打傷性質(zhì)[3]。外物撞擊風扇葉片愈發(fā)頻繁，如何能夠及時識別外物撞擊事件，對于飛行員采取合理的處置措施，避免或減輕飛行事故，為維修維護人員快速定位被撞擊葉片編號，提高維修效率都具有重要的作戰(zhàn)意義[4-5]。近些年，由于非接觸葉尖振動測量技術的成熟化，英美兩國在發(fā)動機上加裝葉尖振動測量系統(tǒng)開展葉片結構健康狀態(tài)的監(jiān)測分析[6-7]。風扇葉片外物撞擊監(jiān)測識別技術是將非接觸葉尖定時傳感器布置在發(fā)動機風扇機匣上，實時測量葉尖振動離散波形。當風扇葉片遭遇外物撞擊時，撞擊強迫高速旋轉的葉片產(chǎn)生瞬態(tài)振動，造成葉片瞬時角速度發(fā)生波動，從而使被撞擊葉片轉到傳感器位置的時刻出現(xiàn)偏差，通過對比到達時刻偏差或葉尖振動變化，從而識別出葉片是否遭遇外物撞擊事件。

目前國內(nèi)外關于發(fā)動機外物撞擊的研究主要集中在風扇葉片鳥撞瞬態(tài)響應研究、鳥撞靜止葉片的模擬試驗研究上[3-4]，關于葉片外物撞擊監(jiān)測識別技術的研究較少。文獻[6]表明：英國QinetiQ公司開展了大量的葉片外物撞擊理論及試驗研究，研制了一套葉片外物撞擊監(jiān)測識別報警系統(tǒng)，并于2008年在RB168-101發(fā)動機上驗證了系統(tǒng)功能，結果表明該監(jiān)測報警系統(tǒng)能夠在發(fā)動機滿轉速下監(jiān)測出1 g外物撞擊事件。我國在葉片外物撞擊監(jiān)測識別技術研究還處在空白階段。由于葉片外物撞擊監(jiān)測識別技術在保障飛行安全以及葉輪機械健康運轉方面具有重要的價值，因此有必要開展葉片外物撞擊監(jiān)測識別試驗，通過大量試驗分析建立葉片外物撞擊監(jiān)測識別方法。

1 風扇葉片外物撞擊試驗平臺

1.1 風扇轉子試驗平臺

如圖1所示，風扇葉片外物撞擊試驗平臺由風扇轉子試驗器、外物發(fā)射裝置、轉子狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、試驗安全防護裝置等部分組成。從試驗安全角度考慮，采用“試驗現(xiàn)場與操作控制現(xiàn)場隔離”的空間布局，即撞擊試驗過程中所有人員、監(jiān)控終端、測試系統(tǒng)工控機位于安全系數(shù)足夠高的封閉區(qū)域，而轉子試驗器位于另一隔離區(qū)，試驗平臺布局見圖2。

圖1 風扇葉片外物撞擊試驗平臺

圖2 試驗設備總體布局示意圖

以某發(fā)動機風扇轉子為設計參考，采用動力學相似原理模擬低壓轉子部件的動力學特性，采用整體葉盤設計理念，風扇葉片數(shù)量為12，葉高10 cm，葉輪旋轉直徑為600 mm，葉盤厚度50 mm；設計壓比1.06，設計效率0.84，設計流量9.5 kg/s，實際最高轉速為4 400 r/min；轉子結構采用“雙支撐+盤懸臂”布局，考慮到風扇旋轉過程對軸系產(chǎn)生向前的推力，前軸承選用深溝球軸承，后軸承選取圓柱滾子軸承；采用獨立滑油泵對軸承進行噴射潤滑，采用“封嚴篦齒結構+回油槽”對軸承座軸向端面進行封嚴。

1.2 葉片外物撞擊識別系統(tǒng)

為驗證葉片外物撞擊監(jiān)測識別技術的準確性，采用高速攝像拍攝撞擊畫面，分析外物撞擊事件是否發(fā)生、撞擊葉片編號及撞擊位置等撞擊信息。葉片外物撞擊識別系統(tǒng)由1個安裝在轉軸光滑段的轉速傳感器，見圖3(a)；4個安裝在風扇旋轉平臺的葉尖定時傳感器，見圖3(b)；葉尖定時數(shù)據(jù)采集處理器組成。其中轉速傳感器采集的轉速相位信號為識別葉片編號提供了基準參考。根據(jù)葉尖定時傳感器布置算法，確定葉尖定時傳感器的周向角度，其中將任一傳感器定義為S0，沿著旋轉方向4個葉尖定時傳感器S0、S1、S2、S3與S0的夾角分別為0°、127°、238°和319°。

圖3 葉片外物撞擊識別系統(tǒng)傳感器

2 風扇葉片外物撞擊試驗

由于葉尖振動受轉速波動、氣流激振等因素影響較大，為較全面研究風扇葉片外物撞擊監(jiān)測識別技術的準確性，研究團隊在轉速穩(wěn)定狀態(tài)、加減速狀態(tài)和轉速波動狀態(tài)下開展了近千次的外物撞擊試驗。鑒于篇幅限制，本文只介紹轉速穩(wěn)定狀態(tài)下的外物撞擊識別試驗。試驗時，首先采集轉速穩(wěn)定狀態(tài)下未撞擊時葉尖振動波形，然后從圖1中白色導管釋放不同質(zhì)量、速度的塑料彈體撞擊葉片，其中彈體質(zhì)量參考文獻[6]中的試驗分組，再根據(jù)前期平板葉片靜態(tài)撞擊試驗結果來確定。同時拍攝撞擊畫面，采集葉尖振動波形，在外物撞擊過程中需密切關注轉子支座振動以及視頻監(jiān)控畫面，如出現(xiàn)異常則采取應急處置措施。

2.1 葉片外物撞擊判定準則

由于葉尖振動測量系統(tǒng)的不穩(wěn)定性、不同角度處葉尖定時傳感器的靈敏度差異大，外物撞擊葉片過程中葉尖振動波形呈現(xiàn)出復雜的變化規(guī)律[6]，不同傳感器之間的響應差異很大，為此需要綜合多個傳感器的結果以提高識別準確率。通過分析大量的監(jiān)控數(shù)據(jù)，基于單只傳感器信號的外物撞擊判定準則如下：轉速穩(wěn)定狀態(tài)下葉尖振動幅值變化量≥0.6 mm(由于監(jiān)控需要，轉速穩(wěn)定狀態(tài)下真實葉尖振動幅值為監(jiān)控畫面上振動幅值的1/2，下文如無特殊說明，則振動幅值指監(jiān)控畫面上的振動幅值)，則判定該葉片遭遇撞擊；另一方面，為避免誤判，需要將4個傳感器的判別結果綜合，最終給出某葉片遭遇撞擊的準則為：至少2個傳感器證明該葉片遭遇撞擊，才可最終認定該葉片遭遇撞擊。

2.2 風扇轉速為3 000 r/min時的外物撞擊試驗

圖4為風扇轉速3 000 r/min時，發(fā)射5顆質(zhì)量2.90 g的塑料球撞擊風扇葉片過程中，傳感器S0采集的實時監(jiān)控界面，S0傳感器捕捉到了5次明顯的葉片振動異常，第1次振動異常發(fā)生在B9葉片，第2次振動異常發(fā)生在B7葉片，第3次振動異常發(fā)生在B9葉片，第4次振動異常發(fā)生在B10、B122個葉片，第5次振動異常發(fā)生在B7葉片。

圖4 風扇轉速3 000 r/min、2.90 g彈體撞擊葉片時S0傳感器監(jiān)測畫面

圖5為同一試驗條件下S1采集的實時監(jiān)控畫面，對比S0傳感器采集的葉尖振動，可以看出撞擊時葉尖振動的幅值變化要小于S0傳感器，由于第4次撞擊過程中B10葉尖振動變化很小，故第4次撞擊過程中S1只識別出了B12遭遇外物撞擊，而B10被判定為未遭遇外物撞擊。

圖5 風扇轉速3 000 r/min、2.90 g彈體撞擊葉片時S1傳感器監(jiān)測畫面

同理，圖6為該轉速下S2傳感器采集的實時監(jiān)控畫面，由于第4次撞擊過程中B12葉尖振動幅值變化未達到0.6 mm，因此第4次撞擊過程中S1只能判定B10遭遇外物撞擊。同理，圖7為該轉速下S3傳感器采集的實時監(jiān)控畫面，容易看出，該傳感器未識別出第2次撞擊，且在第4次撞擊過程中只有B10葉片振動出現(xiàn)異常增大，只能判定B10葉片遭遇外物撞擊。

圖6 風扇轉速3 000 r/min、2.90 g彈體撞擊葉片時S2傳感器監(jiān)測畫面

圖7 風扇轉速3 000 r/min、2.90 g彈體撞擊葉片時S3傳感器監(jiān)測畫面

將4個傳感器的識別結果整理成表1，從表1可以看出S3未識別出第2次撞擊事件，這說明了不同傳感器對不同的撞擊事件識別結果不一致。從最終的撞擊判定結果可以看出，第1、2、3、5葉片振動異常發(fā)生在單個葉片上，而第4次葉片異常振動則發(fā)生在2個葉片上。

表1 風扇轉速為3 000 r/min時外物撞擊識別結果

以前2次撞擊為例，圖8、圖9分別給出了第1、2次外物撞擊風扇葉片的高速攝像機畫面，撞擊時間見左下角標注，時間格式為分:秒:毫秒:幀序列。

圖8 高速攝像機拍攝的第1次外物撞擊畫面

圖9 高速攝像機拍攝的第2次外物撞擊畫面

在圖8中白色塑料彈體撞擊到B9葉片的尾緣處，彈體隨即被撞碎后彈出，在圖4中只有B9葉片葉尖振動出現(xiàn)很大峰值，B7葉片、B8葉片也出現(xiàn)較小的振動突尖，但由于增大的幅度與未撞擊比沒有明顯差異，故排除這2個葉片被撞擊的可能，這也是后續(xù)需要開展識別算法研究的必要性。在圖9中白色塑料彈體撞擊到B7葉片，可以看出葉片瞬間有較大的彎曲變形，塑料彈體被撞碎后彈出。系統(tǒng)識別的第1、2次葉片撞擊結果與高速相機捕捉到的葉片撞擊編號完全吻合。

2.3 外物撞擊試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

轉速穩(wěn)定狀態(tài)下共完成了582次外物撞擊試驗，其中有高速攝像機拍攝的外物撞擊事件統(tǒng)計見表2。分析表2發(fā)現(xiàn)，風扇轉速分別為1 800 r/min、2 400 r/min、3 000 r/min、3 600 r/min時，葉片外物撞擊識別系統(tǒng)識別的1.25 g以及2.90 g的彈體撞擊次數(shù)與高速相機捕捉的次數(shù)完全吻合。在風扇轉速為4 000 r/min時，開展了4次1.25 g的外物撞擊試驗，系統(tǒng)只能監(jiān)測到2次葉片振動異常，其他2次撞擊事件未被識別出，即在該工況下系統(tǒng)識別準確率僅為50%。初步分析的原因可能為：風扇轉速4 000 r/min時葉片基礎振動增大，且其葉片動剛度增大，葉片的振動狀態(tài)難以改變，質(zhì)量1.25 g的外物與葉片相撞產(chǎn)生的動勢能不足以使葉片產(chǎn)生較大的振動異常，加之受限于葉尖振動測量系統(tǒng)的測量精度以及噪聲干擾，故對于1.25 g的外物撞擊事件的識別準確率僅為50%。

表2 外物撞擊識別系統(tǒng)識別/高速相機捕捉的統(tǒng)計

從表2可知，轉速跨度為1 800～4 000 r/min時，總共發(fā)射86顆2.90 g彈體，系統(tǒng)均能夠識別出外物撞擊事件，識別成功率達到了100%。進一步分析得出，當風扇轉子處在特定轉速下，對于材質(zhì)和形狀確定的彈體，葉片外物撞擊識別系統(tǒng)存在一可識別的最小質(zhì)量。

3 不同撞擊因素對葉尖振動的影響分析

根據(jù)試驗結果，在轉速、彈體質(zhì)量、發(fā)射速度都相同的條件下，由于彈體撞擊葉片編號、位置是一隨機過程。試驗發(fā)現(xiàn)，撞擊葉片的位置不同，會造成撞擊后葉尖振動的響應出現(xiàn)很大差異。為盡可能消除撞擊位置對其他撞擊因素的干擾，下文采用平均值來評估撞擊因素對葉尖振動的影響(下文圖表、文中的葉尖振動數(shù)據(jù)都是實際數(shù)值的2倍)。

3.1 不同質(zhì)量對葉尖振動的影響

在風扇轉速為4 000 r/min的狀態(tài)下，發(fā)射1.25 g、2.90 g以及4.12 g三種質(zhì)量的彈體撞擊葉片，統(tǒng)計的葉尖振動位移的均值見圖10，可以看出隨著彈體質(zhì)量的增加，葉尖位移的增大呈快速增大趨勢。

圖10 4 000 r/min不同質(zhì)量彈體引起的葉尖振動位移曲線

3.2 不同撞擊速度對葉尖振動的影響

在風扇轉速為3 600 r/min的狀態(tài)下，發(fā)射2.90 g的塑料彈體以3～5 m/s、8～10 m/s的發(fā)射速度撞擊葉片，多次撞擊造成的葉尖振動位移幅值曲線見圖11，可以看出即使所有變量相同，不同撞擊序列之間葉尖振動幅值也存在很大差異，其中大速度撞擊造成的葉尖振動位移均值為1.93 mm，小速度撞擊造成的葉尖振動位移均值為1.18 mm，總體來看，大速度撞擊造成的葉尖振動幅值大于小速度撞擊造成的振動位移幅值。

圖11 不同發(fā)射速度對應的葉尖振動位移曲線

3.3 不同轉速對葉尖振動的影響

圖12給出了在1 800～4 000 r/min轉速范圍內(nèi)發(fā)射2.90 g塑料彈體，撞擊葉片瞬間葉尖振動幅值的變化曲線。從圖12可以看出，即使相同條件下不同撞擊序列引起的葉尖振動幅值也相差很大。為盡可能消除撞擊位置這個不可控的因素，將同一轉速下的撞擊幅值進行均化，得出圖13曲線圖，可以看出，當彈體材質(zhì)、質(zhì)量和發(fā)射速度等撞擊因素確定后，當轉速超過某一值后，葉尖振動幅值將會出現(xiàn)明顯的減小。

圖12 不同轉速下葉尖振動位移變化曲線

圖13 葉尖振動位移均值隨風扇轉速的變化曲線

4 結論

在風扇葉片外物撞擊監(jiān)測識別試驗平臺上，開展了轉速穩(wěn)定下的外物撞擊試驗，分析了外物撞擊識別試驗結果以及各撞擊因素與葉尖振動之間的定性規(guī)律，得出：

1)對于一風扇轉子而言，外物撞擊識別系統(tǒng)存在一可識別的最小質(zhì)量。

2)對于該風扇轉子試驗器，風扇轉速在1800～4000 r/min范圍內(nèi)，當彈體質(zhì)量大于2.90 g時，外物撞擊識別系統(tǒng)的識別準確率達到100%。

3)不同角度位置的葉尖定時傳感器對于外物撞擊的響應具有較大差異，因此為提高系統(tǒng)識別準確率，需要綜合多個傳感器的識別結果進行判定。

4)外物撞擊位置對葉尖振動有很大影響，這是造成相同撞擊條件下，不同撞擊序列對應的葉尖振動幅值差異明顯的主要原因。

本文中判定葉片是否撞擊的準則較為粗略，為進一步提高識別準確率，后續(xù)需對不同轉速下的試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，從而給出未撞擊與撞擊之間的判別門限值，以滿足智能監(jiān)測識別的需求。