段發(fā)階,牛廣越,周琦,傅驍,蔣佳佳

天津大學(xué) 精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室,天津 300072

航空發(fā)動機被稱為工業(yè)皇冠上的明珠,是飛機的“心臟”,也是制約中國國防工業(yè)發(fā)展的重要瓶頸之一。旋轉(zhuǎn)葉片作為發(fā)動機的核心做功部件,其自身運行狀態(tài)參數(shù)直接影響整個發(fā)動機系統(tǒng)的運轉(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)動機機匣內(nèi)壁之間的葉尖間隙參數(shù)與發(fā)動機的效率、壓比、燃油消耗率、穩(wěn)定性等直接相關(guān),是提升發(fā)動機性能的關(guān)鍵。研究表明,在渦輪級中,大約1/3以上氣動損失是由葉尖間隙流造成的,并且葉尖間隙參數(shù)每增加渦輪葉片長度的1%,渦輪氣動效率將下降0.8%～1.2%。美國通用電氣公司針對CF5-50型發(fā)動機的測試發(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0.0254 mm,燃油消耗率降低0.1%,排氣溫度下降1 ℃。此外,過大的葉尖間隙將導(dǎo)致喘振的發(fā)生,影響發(fā)動機的穩(wěn)定性。美國普惠公司研究發(fā)現(xiàn),PW4000-94系列發(fā)動機高壓壓氣機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。葉尖間隙對葉片表面非定常壓力響應(yīng)及氣動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)動機失速,形成渦波干涉,并影響邊界層分離。在旋轉(zhuǎn)失速頻率狀態(tài)下,1%弦長的渦動量會導(dǎo)致失速質(zhì)量流增加10%,峰值壓力減小5%。然而,葉尖間隙設(shè)計過小,將增加葉片與機匣碰撞摩擦的概率,導(dǎo)致零部件損壞,降低安全裕度。因此,葉尖間隙存在最優(yōu)量值保證發(fā)動機處在高效、安全、穩(wěn)定的運行狀態(tài)。

航空發(fā)動機葉尖間隙通常設(shè)計為葉片長度的1%～2%,在3 mm以內(nèi)；其變化范圍主要由裝配和工作時的靜子變形、轉(zhuǎn)子變形等因素決定,受發(fā)動機負載和飛行負載的影響,葉尖間隙呈現(xiàn)對稱的和非對稱的變化。最小的葉尖間隙常發(fā)生在飛機起飛和再加速的飛行狀態(tài)下,而飛機處于巡航狀態(tài)時,葉尖間隙相對平穩(wěn),變化不大,因此,葉尖間隙值的設(shè)計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)動機對高機動性能要求的不斷提高,發(fā)動機效率的提升成為關(guān)注的焦點,主動間隙控制技術(shù)成為保證發(fā)動機工作效率的重要手段,傳統(tǒng)的在發(fā)動機裝配過程中的葉尖間隙測量方法,如人工塞尺測量法、光學(xué)影像檢測法等不能為主動間隙控制提供實時的數(shù)據(jù)來源,葉尖間隙參數(shù)實時在線測量具有重要的工程意義。

2006年,歐洲國家啟動了HEATTOP計劃,重點突破航空發(fā)動機高溫部件葉尖間隙測量的傳感材料及工藝,而中國也在“十三五”期間全面啟動實施了航空發(fā)動機和燃氣輪機重大專項,開展葉尖間隙在線非接觸測量系統(tǒng)的研發(fā)。航空發(fā)動機葉尖間隙的實時在線監(jiān)測已成為測試大綱中的必備項目。航空發(fā)動機葉尖間隙參數(shù)的高精度在線測量,可以保障中國航空發(fā)動機裝備工作性能的完好,為主動間隙控制提供數(shù)據(jù)支撐,當(dāng)葉尖間隙參數(shù)異常時,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、轉(zhuǎn)子不平衡等故障的發(fā)生,減少航空發(fā)動機裝備非計劃性維修,延長裝備使用壽命。

本文針對航空發(fā)動機葉尖間隙在線測量技術(shù)的研究情況進行了綜述,第1部分介紹了葉尖間隙在線測量原理；第2部分分析了測量的關(guān)鍵技術(shù)；第3部分分別介紹了每種葉尖間隙在線測量方法的研究進展；第4部分提出了發(fā)展趨勢與展望；最后,在第5部分給出了結(jié)論。

1 測量原理

1.1 葉尖間隙的基本概念

如圖1所示,現(xiàn)代渦扇式航空發(fā)動機主要由風(fēng)扇、高低壓壓氣機、燃燒室、高低壓渦輪、尾噴管、附件傳動裝置與附屬系統(tǒng)等組成,其中,壓氣機和渦輪的轉(zhuǎn)子主要由葉片、輪盤及軸3部分組成,轉(zhuǎn)子通常以很高的轉(zhuǎn)速工作,通過與空氣流或燃氣流相互作用,為航空發(fā)動機提供動力能源。發(fā)動機中轉(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)葉片尖端與靜子機匣內(nèi)壁之間的微小徑向間隙稱為葉尖間隙,如圖2所示,圖中為葉尖間隙值。

圖1 航空發(fā)動機示意圖Fig.1 Diagram of an aeroengine

圖2 葉尖間隙示意圖Fig.2 Diagram of blade tip clearance

1.2 葉尖間隙的測量流程

發(fā)動機葉片工作在高溫、高速、復(fù)雜介質(zhì)等極端條件下,并且處于旋轉(zhuǎn)機械內(nèi)部復(fù)雜的流場環(huán)境中,葉片與繞流存在著多種機制的流固耦合作用?；谌~端傳感的葉尖間隙測量方法具備不影響旋轉(zhuǎn)葉片的正常工作環(huán)境,不破壞流場的正常運行條件且適應(yīng)極端環(huán)境測試場合等特點,能夠?qū)崿F(xiàn)葉尖間隙的實時在線測量,并進一步實現(xiàn)葉片的故障診斷、壽命預(yù)測與智能運維,受到了歐美國家及中國的高度重視和大力發(fā)展。

雖然葉尖間隙在線測量方法的原理多樣,用于航空發(fā)動機地面臺架試驗的測量系統(tǒng)可歸納為統(tǒng)一的結(jié)構(gòu),如圖3所示。目前典型的葉尖間隙測量系統(tǒng)主要包括4個部分：傳感器、驅(qū)動及調(diào)理模塊、采集及預(yù)處理模塊和計算機。其中,葉尖間隙測量傳感器固定在旋轉(zhuǎn)機械機匣上的安裝孔內(nèi),端面正對轉(zhuǎn)子葉片頂端；驅(qū)動及調(diào)理模塊放置在航空發(fā)動機試驗現(xiàn)場；采集及預(yù)處理模塊和計算機放置在設(shè)備間。部分公司的葉尖間隙測量系統(tǒng)將驅(qū)動及調(diào)理模塊、采集及預(yù)處理模塊集成為測量系統(tǒng)主機,一并放置在了設(shè)備間。

圖3 葉尖間隙測量系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)[29]Fig.3 Structure of blade tip clearance measurement system[29]

葉尖間隙的常用測量流程是：傳感器在驅(qū)動及調(diào)理模塊的驅(qū)動下,從探頭端面向外發(fā)射光、微波等電磁波信號；該信號受旋轉(zhuǎn)葉片端面的作用,反射回傳感器探頭并被接收,實現(xiàn)原始葉尖間隙信號的獲取,葉尖間隙值的變化被調(diào)制到信號的幅值或相位上；傳感器將接收信號傳輸?shù)津?qū)動及調(diào)理模塊,完成光、微波、電容等信號到模擬電壓信號的轉(zhuǎn)換,通過放大濾波等方法提高了該模擬信號的信噪比；該模擬信號輸入到采集及預(yù)處理模塊,實現(xiàn)模擬電壓信號到數(shù)字電壓信號的轉(zhuǎn)化,采用了降噪濾波方法初步完成該信號的處理；信號高速傳輸?shù)接嬎銠C,在上位機軟件中實現(xiàn)了間隙波形的提取、間隙值的解調(diào)和計算。通過此流程可實現(xiàn)發(fā)動機全級整機旋轉(zhuǎn)葉片葉尖間隙參數(shù)的非接觸、低介入、在線測量。

2 關(guān)鍵技術(shù)

航空發(fā)動機葉尖間隙在線測量方法發(fā)展至今,其測量手段豐富多樣,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)。本節(jié)按照葉尖間隙測量系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)及常用的測量流程,從總體上歸納了系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)；第3節(jié)將展開論述每種測量方法的具體關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 耐高溫、體積小的葉尖間隙傳感器研制

在典型的葉尖間隙測量系統(tǒng)中,傳感器探頭及部分尾端線纜是唯一探入到航空發(fā)動機內(nèi)部的部件。一方面,渦輪葉片工作在極端高溫環(huán)境中,例如,俄羅斯PS-90A2型航空發(fā)動機核心機高壓渦輪的工作環(huán)境溫度可達1 700 ℃,對傳感器探頭的耐高溫性能提出了較高要求。

耐高溫葉尖間隙傳感器可分為非冷卻式和主動冷卻式。針對非冷卻式,通常傳感器耐溫在1 400 ℃ 及以下,金屬的抗氧化性直接決定了傳感器的尺寸精度和理想導(dǎo)體邊界條件,陶瓷的純度、介電常數(shù)漂移情況直接影響傳感器電極間絕緣性、傳感器透微波能力等性能,需要具體根據(jù)傳感器類型,選用耐高溫的抗氧化金屬材料及高純陶瓷材料。此外,金屬與金屬、金屬與陶瓷的穩(wěn)定連接是保證傳感器在高溫環(huán)境中正常工作的關(guān)鍵,采用高溫焊接、陶瓷-金屬燒結(jié)和惰性氣體封裝等工藝,能夠提高傳感器結(jié)構(gòu)件連接處的抗氧化能力,延長傳感器在惡劣環(huán)境下的使用壽命。針對主動冷卻式,目前耐1 400 ℃以上的放電探針式、電容式葉尖間隙傳感器,以及耐650 ℃以上的光纖式、被動型電渦流式葉尖間隙傳感器均采用了氣體主動冷卻的方法,通過流場和溫度場仿真,設(shè)計傳感器內(nèi)部的冷卻流道和最佳氣體流量。

另一方面,航空發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,安裝孔過大會影響機匣的剛度,有限空間要求傳感器結(jié)構(gòu)盡量小巧。光纖傳感器的探頭最為小巧,特別是反射強度型光纖傳感器；電容傳感器和電渦流傳感器的探頭直徑與最小阻容變化量有關(guān),根據(jù)量程和分辨力進行合理設(shè)計；微波傳感器可通過介質(zhì)填充的方法減小傳感器探頭的尺寸。

2.2 葉尖間隙信號高信噪比、寬帶寬調(diào)理

葉尖間隙信號的調(diào)理是將光、微波、電容等電磁波信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電壓信號的過程。傳感器工作在強振動、強電磁干擾的環(huán)境中,原始的葉尖間隙測量信號微弱且噪聲水平較高,傳輸線纜又引入了分布參數(shù),進一步惡化了信號質(zhì)量。葉尖間隙測量系統(tǒng)應(yīng)具備高信噪比、寬帶寬的調(diào)理能力。采用傳輸路徑上的分布參數(shù)補償、測量參數(shù)修正等技術(shù),避免線纜抖動、溫度變化對測量結(jié)果的影響。設(shè)計長線纜驅(qū)動技術(shù),保證傳感器較好的動態(tài)性能和信號傳輸距離。建立調(diào)理電路傳遞函數(shù)仿真模型,設(shè)計高信噪比、寬帶寬的信號調(diào)理電路,實現(xiàn)調(diào)理電路的噪聲抑制和信號不失真?zhèn)鬏敗?/p>

2.3 多通道葉尖間隙信號高速采集與預(yù)處理

典型的軍用航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高達18 000 r/min,葉片數(shù)目眾多,對于每個葉片的傳感器動態(tài)響應(yīng)時間僅為5 μs左右,4通道信號14位量化的數(shù)據(jù)量將大于280 Mbit/sec,對測量系統(tǒng)的高速采集和預(yù)處理功能提出了較大挑戰(zhàn)。在多通道葉尖間隙信號采集與預(yù)處理模塊中,首先,利用高采樣率、高量化位數(shù)的數(shù)據(jù)采集芯片將多路葉尖間隙模擬信號不失真地轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；其次,基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA),采用滑動均值濾波、有限長單位沖激響應(yīng)濾波、小波降噪等降噪濾波方法對原始葉尖間隙信號進行預(yù)處理,提高原始葉尖間隙信號的信噪比；最后,開發(fā)基于高速串行計算機擴展總線標(biāo)準(zhǔn)(Peripheral Component Interconnect Express, PCIE)或通用串行總線標(biāo)準(zhǔn)(Universal Serial Bus, USB)等數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的間隙信號高速采集、傳輸技術(shù),將信號組幀后傳輸?shù)接嬎銠C,并在上位機軟件的控制下完成高速存儲,從而實現(xiàn)整機全級葉片多通道葉尖間隙信號全部信息的高速采集。

2.4 葉尖間隙信號實時、高精度處理

針對航空發(fā)動機葉尖間隙測試需求,在計算機中設(shè)計的旋轉(zhuǎn)葉片葉尖間隙信號監(jiān)測分析軟件必須具備葉尖間隙值實時監(jiān)測、轉(zhuǎn)速實時計算、葉片序號識別、數(shù)據(jù)可視化和離線數(shù)據(jù)分析等功能。以面向?qū)ο笏枷脒M行軟件開發(fā),將軟件功能模塊化,方便軟件的后期維護和升級。采用分層架構(gòu)思想進行軟件整體設(shè)計。軟件需考慮兼容性和跨平臺特性,通常采用C++語言進行軟件開發(fā),兼容Windows7系統(tǒng)、Windows10系統(tǒng)和Linux環(huán)境。軟件中采用數(shù)據(jù)緩存方法,保證大數(shù)據(jù)量下的信號實時傳輸、處理、顯示和存儲。通過間隙數(shù)據(jù)的峰峰值計算方法或者間隙脈沖波形輪廓截取和擬合分析相結(jié)合的方法,實現(xiàn)間隙值的計算。

2.5 葉尖間隙測量系統(tǒng)標(biāo)定

在葉尖間隙在線測量方法中,葉尖間隙值的變化通常反映到測量信號的強度、相位或探頭里敏感元件阻抗的變化。強度、相位、阻抗等物理量與葉尖間隙值之間常常不是嚴(yán)格線性關(guān)系,易受探頭與葉片的相對安裝位置、葉片形貌、葉片材料等的影響。測量系統(tǒng)的標(biāo)定能有效消除系統(tǒng)誤差,提高葉尖間隙測量精度。標(biāo)定技術(shù)可分為靜態(tài)的葉片標(biāo)定技術(shù)和動態(tài)的葉片標(biāo)定技術(shù)。靜態(tài)葉片標(biāo)定技術(shù)使傳感器與被測葉片相對靜止,采用標(biāo)定電路的高精度溫度漂移控制技術(shù),利用高精度位移平臺分析并記錄葉片端面形貌與傳感器輸出信號以及葉尖間隙的關(guān)系,獲得標(biāo)定曲線；動態(tài)葉片標(biāo)定技術(shù)使被測葉片相對傳感器旋轉(zhuǎn)運動,更符合系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境,是未來被重點關(guān)注的標(biāo)定技術(shù),通過構(gòu)建旋轉(zhuǎn)葉片高精度動態(tài)標(biāo)定臺,驗證靜態(tài)標(biāo)定與動態(tài)標(biāo)定的一致性。

2.6 葉尖間隙測量系統(tǒng)試驗驗證

目前,中國在葉尖間隙測量領(lǐng)域尚未出臺統(tǒng)一的國家或軍用測試規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),葉尖間隙測量系統(tǒng)也沒有成熟的第三方計量設(shè)備和手段來完成計量檢定,葉尖間隙測量系統(tǒng)試驗驗證技術(shù)對于系統(tǒng)的工程應(yīng)用具有重要意義。在實驗室環(huán)境下,搭建測試系統(tǒng)各項功能、性能指標(biāo)的實驗平臺,制定葉尖間隙測量系統(tǒng)的功能、性能試驗大綱,規(guī)范系統(tǒng)的測試流程,開展測量精度影響因素分析試驗,優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),實現(xiàn)測量系統(tǒng)技術(shù)成熟度的提升。在航空發(fā)動機的部件試驗、核心機試驗和整機試驗環(huán)境下,依托航空發(fā)動機測試部門,開展對測量系統(tǒng)的“六性”(可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性)評估。

3 研究進展

從20世紀(jì)五六十年代開始,伴隨著噴氣式發(fā)動機的發(fā)展,通用電氣、普拉特-惠特尼集團、羅爾斯-羅伊斯等航空發(fā)動機制造企業(yè)以及美國國家航空航天局、美國聯(lián)邦航空管理局、美國海軍空中作戰(zhàn)中心等研究機構(gòu)都在投入大量資源致力于航空發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片葉尖間隙測量方法的研究,尤其是在第五代航空發(fā)動機應(yīng)用后,葉尖間隙測量方法經(jīng)歷了從“盤車”“動態(tài)”“在線”到“在機”的幾個發(fā)展階段,以及從零部件測試到整機測試的發(fā)展趨勢。

研究人員常按照測量原理的不同對葉尖間隙在線測量方法進行分類,如圖4所示,目前主要包括放電探針法、光纖法、電容法、電渦流法和微波法等。本節(jié)將詳細介紹每種測量方法的基本原理、性能特征、關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展歷程及未來發(fā)展方向,并在最后進行總結(jié)。

圖4 葉尖間隙在線測量方法分類Fig.4 Classification of online measurement methods of blade tip clearance

3.1 放電探針法

放電探針式葉尖間隙測量系統(tǒng)基于火花放電原理,最早由英國Rotadata公司的Davidson等在1983年提出,基本原理如圖5所示。測量開始前記錄探針到機匣內(nèi)壁的初始安裝間隙,測量過程中探針向葉片端面移動,當(dāng)兩者之間距離達到微米量級時(典型值3～5 μm),氣體在高壓直流電壓作用下被擊穿放電,記錄探針的移動距離,可實現(xiàn)葉尖間隙的測量,即=-。

圖5 放電探針式葉尖間隙測量系統(tǒng)基本原理[32]Fig.5 Basic principle of blade tip clearance measurement system based on discharge probe method[32]

傳統(tǒng)測量系統(tǒng)體積龐大,執(zhí)行機構(gòu)復(fù)雜,研制體積小巧和無需位移的葉尖間隙傳感器一直是該領(lǐng)域重點關(guān)注的技術(shù)問題。1992—1995年,Rotadata公司研制了第二代和第三代測量系統(tǒng),改進了傳感器的機械執(zhí)行結(jié)構(gòu),新系統(tǒng)體積減小了23%,重量減小了30%,增加了電容探針來檢測最長葉片與其他葉片的間隙差值,實現(xiàn)了所有葉片的檢測,但因為電容法本身即可實現(xiàn)葉尖間隙測量,該公司后續(xù)未再深入探討放電探針與電容探針相結(jié)合的方案。1994—2001年,日本工業(yè)大學(xué)的渡邊高幸等提出了一種基于紫外線照射的放電探針法,簡化了存在碰摩隱患的機械執(zhí)行機構(gòu),實驗室環(huán)境下測量精度優(yōu)于50 μm,但該照射裝置過于復(fù)雜,不利于工程應(yīng)用。2016—2020年,南京航空航天大學(xué)的于兵團隊提出了交流電壓式放電探針法,利用湯森放電方法獲取葉尖間隙與擊穿電壓之間的標(biāo)定曲線,傳感器無需移動,有效提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度及安全性,分析了實驗室環(huán)境溫度和濕度漂移對放電電壓的影響規(guī)律,6 mm量程內(nèi)測量精度優(yōu)于50 μm。

在電容法被成熟應(yīng)用之前,放電探針法曾用于工程測試。1988年,日本先進燃氣輪機工程研究所將系統(tǒng)應(yīng)用于AGTJ-100A型高溫渦輪原型機,在燃氣進口溫度1 300 ℃條件下成功實現(xiàn)了高壓渦輪第一級葉片的葉尖間隙測量。2003年,中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所引進了Rotadata公司系統(tǒng),實現(xiàn)了6 000 r/min以上航空發(fā)動機單級風(fēng)扇和高壓壓氣機的穩(wěn)態(tài)葉尖間隙測試,是中國在多個試驗件上的首次葉尖間隙實測試驗。

放電探針法具有工作原理簡單,耐高溫,不受被測葉片端面形貌影響等優(yōu)勢,但最大的難題是僅能測量所有葉片中的最小葉尖間隙值,這一問題來源于系統(tǒng)的火花放電工作原理,是原理性缺陷。此外,由于放電位置或電壓易受高溫燃氣和油污的影響,探針易在高溫環(huán)境下膨脹和燒蝕,系統(tǒng)在工程環(huán)境中的測量精度有限。由于上述局限性,放電探針法正逐漸退出研究和應(yīng)用的熱點,目前多應(yīng)用于發(fā)動機盤車狀態(tài)下、環(huán)境溫度低于600 ℃時的葉尖間隙測量,多作為其他測量方法的參考。

3.2 光纖法

光纖式葉尖間隙測量系統(tǒng)基于光纖傳感技術(shù),安裝于機匣內(nèi)的傳感器發(fā)射一束或多束光信號,同時接收葉片端面的反射信號,經(jīng)后續(xù)調(diào)理、處理電路,實現(xiàn)葉尖間隙的測量。該方法按照測量原理的不同,包括反射強度法、激光三角法、多普勒頻移法和其他光纖法。

3.2.1 反射強度法

反射強度法最早由美國紐約州立大學(xué)的Dhadwal等在1996年提出,用于航空發(fā)動機風(fēng)扇、壓氣機葉片的風(fēng)洞試驗驗證,其基本原理如圖6所示。典型特征是采用中心一根發(fā)射光纖、周圍多圈接收光纖的Y型光纖束式傳感器結(jié)構(gòu)。傳感器發(fā)射的光信號照射到葉片端面,反射信號的強度被葉尖間隙所調(diào)制,通過實時檢測反射光強度,實現(xiàn)葉尖間隙測量。

圖6 基于反射強度法光纖式葉尖間隙測量系統(tǒng)基本原理[42]Fig.6 Basic principle of fiber optic blade tip clearance measurement system based on reflection intensity method[42]

根據(jù)反射強度式傳感器的接收光功率表達式,光源光功率的波動、高溫?zé)g或污損造成葉尖反射率的變化、葉片彎扭振動造成探頭與葉片角度的變化,均會極大影響反射光強度,進而影響葉尖間隙測量結(jié)果。補償和消除以上測量精度影響因素是反射強度法的關(guān)鍵。

基于反射強度法探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活的特點,研究人員廣泛采用光功率比值補償方法,通過設(shè)計多圈接收光纖,保證葉尖間隙測量精度。2006年,天津大學(xué)的段發(fā)階團隊最早提出了多圈接收光纖式的傳感器探頭結(jié)構(gòu),消除了光強受葉尖反射率及光源波動的影響,在12 000 r/min轉(zhuǎn)速下,系統(tǒng)量程優(yōu)于3 mm,精度優(yōu)于25 μm。2013—2018年,西班牙巴斯克大學(xué)將研制的三圈同軸光纖束式傳感器應(yīng)用于航空發(fā)動機壓氣機,量程2～4 mm,精度優(yōu)于12 μm。2020年,西北工業(yè)大學(xué)的楊盛德分析了光纖束傳感器不同的端面結(jié)構(gòu)對反射面形狀因子的消除作用,對于設(shè)計多圈型光纖傳感器具有指導(dǎo)意義。

傳感器探頭的結(jié)構(gòu)尺寸、光束發(fā)散角也會通過影響接收光強,影響葉尖間隙測量結(jié)果。2015—2017年,南京工程學(xué)院的賈丙輝等設(shè)計了裝配準(zhǔn)直透鏡的雙圈同軸光纖束式傳感器,分析了光場強度分布規(guī)律,提高了光束分布質(zhì)量,增強了傳感器抗煙霧干擾的能力,在實驗室室溫環(huán)境中,量程約5 mm,測量精度優(yōu)于25 μm。2015—2020年,西安交通大學(xué)的張小棟團隊分析了雙圈同軸光纖束式傳感器在徑向、圓周和轉(zhuǎn)軸三個空間維度下的輸出特性,通過調(diào)整探頭參數(shù),提高了測量分辨力；以一個雙圈同軸光纖束作為一個基元,設(shè)計了三基元式探頭結(jié)構(gòu),分析了基元間距、光源參數(shù)對探頭三維位移測量精度的影響規(guī)律,完成了各基元重疊區(qū)域的補償。

反射強度法的原理不受光纖色散效應(yīng)影響,常采用多模光纖加工發(fā)射光纖和接收光纖,因此該方法具有信噪比高、抗電磁干擾、性能穩(wěn)定、探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活等優(yōu)點,然而反射光強的測量精度直接決定了葉尖間隙測量精度,目前的研究多為實驗室條件下的單因素分析,高溫燃氣環(huán)境對反射光強的影響限制了該方法的工程應(yīng)用。未來需要研究高溫輻射噪聲干擾抑制技術(shù),采用藍光光源或光強調(diào)制等手段,消除高溫環(huán)境對反射光強的影響,實現(xiàn)葉尖間隙高精度測量。

3.2.2 激光三角法

基于激光三角法的光纖式葉尖間隙測量系統(tǒng)利用相似三角形原理,通過將葉尖間隙值轉(zhuǎn)化為與傳感器探頭尺寸參數(shù)相關(guān)的物理量,實現(xiàn)測量。早在1978年,美國宇航局與普惠公司合作,提出了基于回光位置的激光三角法,如圖7 (a) 所示,當(dāng)葉尖間隙變化時,光電探測器上的光斑位置隨著反射光路徑的變化而變化,利用光斑位置實現(xiàn)葉尖間隙測量。2011年,哈爾濱工程大學(xué)的畢思明進一步研究了該方法中的激光光斑成像定位技術(shù),測量精度優(yōu)于30 μm?；诨毓馕恢玫募す馊欠憫?yīng)速度快,適合動態(tài)實時測量,但傳感器包含了激光器和光電探測器,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大；探頭的安裝精度要求極高,直接影響測量結(jié)果；高溫?zé)g或污損造成葉片端面粗糙度的變化,葉片彎扭振動造成探頭與葉片角度的變化,機匣振動,均會極大影響葉尖間隙測量精度,目前的工程應(yīng)用較少。

在工程環(huán)境中,傳感器與葉片的相對位置和角度難以控制,而傳感器探頭本身的尺寸參數(shù)可以高精度加工。據(jù)此設(shè)計理念,1999年,美國集成光纖系統(tǒng)公司的Dhadwal與美國航天局合作提出了一種基于葉尖定時的激光三角法,如圖7(b) 所示,傳感器內(nèi)布局兩支雙圈光纖束式傳感器,發(fā)射兩束不同波長的光信號,并分別接收葉片到達和離開測量區(qū)域的時刻信號,進而獲得葉片掃過兩束光的時間間隔Δ,利用傳感器的尺寸參數(shù)(出射光束的夾角為、端面間距為)和葉尖的旋轉(zhuǎn)線速度,葉尖間隙則為=(Δ-)2cot(2)。

圖7 基于激光三角法光纖式葉尖間隙測量系統(tǒng)基本原理Fig.7 Basic principle of fiber optic blade tip clearance measurement system based on laser triangulation method

基于葉尖定時的激光三角法采用雙光纖束式傳感器探頭結(jié)構(gòu),光纖束的布局、光斑直徑的控制是該方法重點關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)。1999年,美國集成光纖系統(tǒng)公司設(shè)計了兩種光纖束布局方案,分別為光纖束夾角20°且沿探頭中心軸線兩側(cè)不對稱分布、光纖束夾角40°且對稱分布,通過了旋轉(zhuǎn)實驗臺和風(fēng)洞的試驗驗證,結(jié)果表明對稱式探頭結(jié)構(gòu)效果更好,光斑直徑25 μm,2 mm量程內(nèi)精度優(yōu)于12.7 μm,支持50 ns的脈沖最快上升時間。2011—2013年,天津大學(xué)的段發(fā)階團隊采用超小型光纖準(zhǔn)直器縮小了光斑尺寸,量程0.5～3.5 mm范圍內(nèi),光斑直徑小于100 μm,測量精度優(yōu)于15 μm。

基于葉尖定時的激光三角法不會直接受到激光器輸出光強不穩(wěn)定、不同葉片端面反射率不同、機匣內(nèi)燃氣介質(zhì)造成光強變化等的影響,具有很強的抗干擾能力,但由于多了一路光纖束結(jié)構(gòu),系統(tǒng)可靠性會降低。實際上,該方法與基于葉尖定時原理的葉片振動參數(shù)測量方法,都利用了葉片到達時刻實現(xiàn)后續(xù)參數(shù)計算,因此,在葉尖定時測量領(lǐng)域提出的過零定時法、恒比定時法、雙邊沿聯(lián)合檢測法、局部相位信息法等時刻鑒別方法均可在未來應(yīng)用于該方法中,提高葉尖間隙測量精度。此外,目前該方法依靠轉(zhuǎn)速同步傳感器獲取葉片速度,無法排除轉(zhuǎn)速波動的影響,未來可以嘗試研制三光纖束式傳感器探頭結(jié)構(gòu),通過獲取葉片瞬時速度,進一步提高方法的抗干擾能力。

3.2.3 多普勒頻移法

多普勒頻移法屬于葉尖間隙測量領(lǐng)域的新興技術(shù),2005年,德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)的Pfister等首次將多普勒頻移法應(yīng)用于葉尖間隙測量過程中,其基本原理如圖8所示,圖中,為第1種光信號的波長,為第2種光信號的波長。采用了激光多普勒測速的基本理論,雙波長光信號經(jīng)過透鏡組的準(zhǔn)直、衍射和聚焦,在葉片徑向方向同時形成兩個干涉條紋區(qū)域,并且這兩個區(qū)域的條紋間距沿葉片徑向方向的變化趨勢相反,葉片旋轉(zhuǎn)經(jīng)過條紋區(qū)域時,反射光由于多普勒效應(yīng)被調(diào)制,其頻率與葉尖的旋轉(zhuǎn)線速度和干涉條紋間距的關(guān)系為=,兩路不同波長反射光信號的頻率比值僅與葉尖間隙有關(guān),通過標(biāo)定實現(xiàn)測量。

圖8 基于多普勒頻移法光纖式葉尖間隙測量系統(tǒng)基本原理[60]Fig.8 Basic principle of fiber optic blade tip clearance measurement system based on doppler shift method[60]

德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)對比了多普勒頻移法和電容法的測量結(jié)果隨機誤差,前者更優(yōu),其測量分辨力優(yōu)于5 μm,該單位將系統(tǒng)應(yīng)用于壓氣機工程測試,在轉(zhuǎn)速50 000 r/min、葉尖線速度586 m/s、溫度300 ℃、強振動的環(huán)境條件下,1.8 mm 的測量范圍內(nèi)精度優(yōu)于25 μm。

該方法的傳感器探頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對光學(xué)器件的加工、裝配精度要求較高,探頭的小型化設(shè)計是亟需突破的關(guān)鍵技術(shù)。2011年,北京理工大學(xué)的劉園園等采用折衍混合單透鏡方案代替了雙校合消色差透鏡組方案,在減小像差的同時縮小了傳感器探頭的尺寸和重量,為探頭小型化提供了有效的解決思路,但該方案尚未通過實驗驗證,離工程化應(yīng)用還有很長的距離。

多普勒頻移法的測量速率快,可同時測量葉片的葉尖間隙、旋轉(zhuǎn)速度和振動參數(shù),具有較高的空間分辨力和時間分辨力,不受電磁干擾影響,不受被測葉片材料、粗糙度的影響,但該方法依賴于干涉條紋的質(zhì)量,僅在較小的葉片徑向區(qū)域內(nèi)光信號的干涉效果較好,因此多普勒頻移法的測量量程較小。未來一方面需要繼續(xù)優(yōu)化探頭透鏡組的準(zhǔn)直、衍射和聚焦方案,研制更加小巧的傳感器探頭,另一方面需要研究干涉條紋質(zhì)量提升技術(shù),提高干涉區(qū)域條紋的對比度,擴展該方法的測量量程以滿足葉尖間隙測量需求。

3.2.4 其他光纖法

基于光纖傳感的葉尖間隙測量方法還包括激光干涉測距法、激光相位測距法和光譜共焦法等。這些方法的研究程度較淺,研究成果較少,尚未應(yīng)用于工程環(huán)境,因此在本節(jié)中一并介紹。

激光干涉測距法由瑞士流體動力研究所的Kempe等在2003年提出,采用光學(xué)低相干干涉技術(shù),以探頭光學(xué)窗口的外表面充當(dāng)參考鏡,參考光束和測量光束形成了共路徑干涉結(jié)構(gòu),利用干涉條紋圖譜的頻率,實現(xiàn)葉尖間隙測量。該單位設(shè)計了基于機械延遲線干涉臂和頻移參考臂的測量系統(tǒng),在實驗室模擬葉盤上,葉尖間隙測量精度優(yōu)于100 μm。2009年,美國西南科技公司的Vakhtin等設(shè)計了基于藍寶石光纖和藍寶石窗口的共路徑干涉式傳感器,探頭直徑12.7 mm,耐溫600 ℃,約20 μs完成單次測量,測量量程0.9 mm,精度優(yōu)于10 μm。激光干涉測距法具有自校準(zhǔn)優(yōu)勢,不被環(huán)境溫度或振動影響,但測量分辨力和量程分別受到了光源帶寬和頻率的限制,未來需要重點突破寬帶光源驅(qū)動技術(shù)和干涉條紋對比度增強技術(shù),提高分辨力和量程；此外,由于激光干涉測距法采用了光頻域反射技術(shù),通過頻率掃描完成單次測量的時間較長,快速和線性的頻率調(diào)諧是未來該方法從實驗室走向工程應(yīng)用必須突破的技術(shù)瓶頸。

激光相位測距法利用強度被正弦調(diào)制的光信號,通過求解測量路和參考路的相位差,實現(xiàn)葉尖間隙測量。對于該方法,調(diào)制信號的頻率以及鑒相方法的精度直接決定了葉尖間隙測量精度。2011—2013年,天津大學(xué)的段發(fā)階團隊提出了一種基于大頻差雙頻激光的葉尖間隙測量方法,采用拍頻調(diào)制信號、高頻弱光信號處理電路和基于全相位傅里葉變換的相位求解方法,提高了尺度精度和鑒相精度,葉尖間隙測量精度優(yōu)于35 μm。此外,發(fā)射和接收光信號的強度會影響原始接收信號的信噪比,進而影響測量精度。2014年,該團隊研制了基于多模光纖的測量系統(tǒng),有效保證了光信號的強度,傳感器探頭直徑小于6 mm,單次采集速率優(yōu)于5 μs,量程9 mm,分辨力優(yōu)于20 μm。激光相位測距法不易受葉片端面粗糙度、電磁干擾等環(huán)境因素的影響,具有較快的測量速度。雖然多模光纖能解決單模光纖發(fā)射和接收光強不足的問題,但是不同模式的光信號在多模光纖上的傳輸相位延遲不同,因此多模光纖的長度不可過長,否則嚴(yán)重影響測量精度。未來可以利用透鏡聚焦和準(zhǔn)直技術(shù),探索基于單模光纖的光強提升方案,推動激光相位測距法的實驗室研究進展及后續(xù)的工程應(yīng)用。

光譜共焦法利用色散物鏡將準(zhǔn)直后的白光信號產(chǎn)生光譜色散,僅有特定波長的光信號在葉片端面形成共焦反射,通過光譜探測接收光最大光強的波長值,實現(xiàn)葉尖間隙的測量。光譜共焦測量技術(shù)是近年來的新興技術(shù),廣泛應(yīng)用于微小位移高精度測量領(lǐng)域,目前商業(yè)化的光譜共焦位移傳感器的生產(chǎn)商主要有德國米銥測試技術(shù)(Micro-Epsilon)、STIL、Precitec等公司,而在葉尖間隙測量領(lǐng)域,尚未有研究機構(gòu)針對葉尖間隙的測試特點,研發(fā)專供葉尖間隙測量的光譜共焦式系統(tǒng)樣機。2016年,北京航空精密機械研究所的畢超等利用Micro-Epsilon公司的confocalDT型系統(tǒng),在實驗室搭建的旋轉(zhuǎn)葉片模擬實驗臺上完成了測試,光斑直徑15 μm,量程1.5 mm,分辨力60 nm,精度優(yōu)于1.2 μm。該方法具有測量分辨力高,精度高,對被測葉片表面的粗糙度和環(huán)境雜散光不敏感等優(yōu)點,但光譜儀采樣速率有限,商業(yè)測量系統(tǒng)的響應(yīng)速度難以滿足高速旋轉(zhuǎn)葉片的測量需求,未來需要研究光譜快速檢測技術(shù),以推動該方法在葉尖間隙測量領(lǐng)域的應(yīng)用。

光纖法由于光束發(fā)散角、光斑直徑可以控制到很小,葉尖間隙測量信號無明顯的空間濾波效應(yīng),空間分辨力較強。該方法的普遍優(yōu)點是測量精度高,傳感器探頭尺寸小巧,測量不受葉片本身材料限制。目前在所有光纖法中,基于葉尖定時的激光三角法抗環(huán)境干擾能力強,測量速度快,是市場上光纖式葉尖間隙測量系統(tǒng)產(chǎn)品的主流方案,比如美國Hood公司的傾斜雙光纖束傳感器,無冷卻裝置時耐溫650 ℃,有冷卻裝置時耐溫1 100 ℃；善測(天津)科技有限公司(以下簡稱“善測”)的雙光束型傳感器,可用于-200 ℃的深冷環(huán)境等。

目前雖然光纖式傳感器最高耐溫1 100 ℃,但炭黑、油垢、灰塵等因素會污損探頭表面,影響測量精度和工作壽命,因此更適用于較為干凈的航空發(fā)動機風(fēng)扇和壓氣機葉片的測試環(huán)境,較少應(yīng)用于渦輪葉片。為推動光纖法在航空發(fā)動機的工程應(yīng)用,未來需要探索傳感器探頭自清潔和外防護技術(shù)、傳感器探頭小型化技術(shù)、高溫輻射噪聲干擾抑制技術(shù)、葉片到達時刻鑒別技術(shù)、干涉條紋質(zhì)量提升技術(shù)、快速線性頻率調(diào)諧技術(shù)、發(fā)射光強提升技術(shù)、光譜快速檢測技術(shù)等,獲得更耐高溫的探頭結(jié)構(gòu)、更高功率的發(fā)射光信號、更簡化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),在適應(yīng)惡劣工程環(huán)境的同時有效保證測量精度。

3.3 電容法

電容法基于雙極板電容器工作原理,導(dǎo)電的待測葉片端面與傳感器探頭芯極構(gòu)成了電容器的兩個極板,極板之間的距離即為葉尖間隙值。通過檢測電容值的變化實現(xiàn)葉尖間隙測量。該方法按照電容值與電信號轉(zhuǎn)換方式的不同,可分為直流法、調(diào)頻法和調(diào)幅法。

3.3.1 直流法

早在1977年,蘇聯(lián)的薩勃洛斯基在研究渦輪機葉片振動參數(shù)非接觸測量方法的過程中,提出了基于直流法的電容式葉片振動測量方法,該方法后來被引入到葉尖間隙測量領(lǐng)域,基本原理如圖9所示。該方法的典型特征是采用了高壓直流電壓源(如電池),將電容器兩端施加恒定電壓,通過檢測電荷量的變化,實現(xiàn)間隙測量。

圖9 基于直流法的電容式葉尖間隙測量系統(tǒng)基本原理[73]Fig.9 Basic principle of capacitance blade tip clearance measurement system based on DC method[73]

葉尖間隙引起的電容變化量極小,通常小于1 pf,工程應(yīng)用中旋轉(zhuǎn)葉片較高的線速度又要求驅(qū)動及調(diào)理模塊具有較大的帶寬,通常大于230 kHz,在此條件下,低頻噪聲對直流法的影響最為顯著。同時,惡劣工況環(huán)境引入的噪聲進一步惡化了信號的信噪比,高溫和強振動環(huán)境下傳輸線纜分布參數(shù)的漂移同樣增加了微弱電容信號的檢測難度。因此,研究人員一直在探索長電纜驅(qū)動技術(shù)和高信噪比、寬帶寬調(diào)理技術(shù)。

1992年,美國AS&M(Analytical Services & Materials)公司的Sarma等基于直流信號和斜坡信號的特點,采用雙運算放大器電路,有效避免了探頭和長電纜分布電容漂移對測量結(jié)果的影響,實現(xiàn)了高信噪比的葉尖間隙靜態(tài)和動態(tài)測量。2013年,美國Aerogage公司的Haase等研究了傳感器驅(qū)動電纜長度和系統(tǒng)帶寬對葉尖間隙測量精度的影響規(guī)律,研制了5 MHz帶寬的系統(tǒng)。2020年,印度燃氣渦輪研究所的Satish等提出了一種基于阻容串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、儀表放大器和直流-直流轉(zhuǎn)換器的新型調(diào)理電路,帶寬700 kHz,完成了航空發(fā)動機第二級風(fēng)扇葉片的葉尖間隙測試,量程0.4～3 mm,分辨力優(yōu)于2.5 μm。

直流法原理簡單,電路簡易,但由于原理缺陷,給微弱電容信號的檢測帶來了極大的技術(shù)挑戰(zhàn)；同時,該方法對電路中運算放大器的增益帶寬積要求極高,常需要利用高壓電池來提高放大增益,降低了系統(tǒng)的可靠性。目前該方法在葉尖間隙測量領(lǐng)域逐漸被調(diào)幅法所取代。

3.3.2 調(diào)頻法

針對傳統(tǒng)直流法易受低頻噪聲干擾,微弱電容信號檢測難度大的問題,1987年,美國宇航局路易斯研究中心的Barranger等提出了調(diào)頻法,其基本原理如圖10所示。調(diào)頻法的典型特征是采用三點式振蕩電路,葉尖間隙引起的電容變化使振蕩器的振蕩頻率發(fā)生改變,從而實現(xiàn)載波信號的頻率調(diào)制,通過檢測振蕩頻率的變化,實現(xiàn)間隙測量。

圖10 基于調(diào)頻法的電容式葉尖間隙測量系統(tǒng)基本原理[77]Fig.10 Basic principle of capacitance blade tip clearance measurement system based on frequency modulation method[77]

調(diào)頻法設(shè)置了載波頻率,通常在1 MHz以上,例如上述美國宇航局的科研團隊采用了42.8 MHz 載波頻率的振蕩器,避免了低頻噪聲影響。因此,調(diào)頻法相比于直流法,有原理性的優(yōu)勢。在調(diào)頻法中,高信噪比、寬帶寬調(diào)理技術(shù)仍然是研究人員最為關(guān)注的核心技術(shù)。

自動頻率控制技術(shù)可有效避免傳感器探頭及傳輸線纜的雜散電容漂移對鑒頻精度的影響。2009—2011年,天津大學(xué)的段發(fā)階團隊提出了超外差調(diào)頻接收技術(shù)和鎖相環(huán)載頻跟蹤技術(shù),實現(xiàn)了自動頻率控制,解決了雜散電容造成的載頻漂移問題,提高了測量精度。2015年,意大利錫耶納大學(xué)的Addabbo等采用調(diào)頻法,將電容間隙信號等效成高斯脈沖信號,建立了系統(tǒng)帶寬和測量精度的關(guān)系模型,提出了精確測量系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的方法。

自20世紀(jì)90年代起,調(diào)頻法開始用于工程測試。英國和德國的羅爾斯-羅伊斯公司分別在1989年和1996年開展了航空發(fā)動機的壓氣機、渦輪機臺架試驗。自1995年至今,英國Rotadata公司的Sheard團隊多年研究調(diào)頻法,開發(fā)了工程級樣機,目前研發(fā)的主動冷卻式電容傳感器耐溫1 400 ℃,非冷卻式傳感器耐溫1 000 ℃。2005年,英國克蘭菲爾德大學(xué)使用Rotadata公司的ROTACAP系統(tǒng),實現(xiàn)了葉尖間隙參數(shù)和振動參數(shù)的同時測量。

調(diào)頻法可有效去除雜散電容漂移的影響,抗干擾能力強,但驅(qū)動及調(diào)理模塊的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,調(diào)試相對困難。此外,試驗現(xiàn)場和設(shè)備間根據(jù)安全規(guī)定常常相隔數(shù)十米,電容傳感器的驅(qū)動電纜很長,較大的線纜分布電容限制了載波頻率的提升,造成了系統(tǒng)帶寬較窄(一般50 kHz,最高100 kHz),難以實現(xiàn)高旋轉(zhuǎn)線速度葉片的葉尖間隙測量。未來需要重點突破高頻信號的長電纜驅(qū)動技術(shù)瓶頸,滿足高速旋轉(zhuǎn)葉片對系統(tǒng)帶寬的要求,推動調(diào)頻法的工程應(yīng)用進程。

3.3.3 調(diào)幅法

早在1978年,美國宇航局路易斯研究中心的Barranger等便提出了基于調(diào)幅法的電容式葉尖間隙測量方法,其基本原理如圖11所示。典型特征是利用固定頻率載波信號,葉尖間隙引起的電容變化使信號的幅值受到了調(diào)制,通過檢測載波信號幅值的變化,實現(xiàn)間隙測量。

圖11 基于調(diào)幅法的電容式葉尖間隙測量系統(tǒng)基本原理[86]Fig.11 Basic principle of capacitance blade tip clearance measurement system based on amplitude modulation method[86]

調(diào)幅法是目前國內(nèi)航空發(fā)動機研究院所開展葉尖間隙測試的標(biāo)配技術(shù),其中,法國Fogale公司開發(fā)的產(chǎn)品應(yīng)用最為廣泛,其MC925型系統(tǒng),帶寬230 kHz,量程3 mm,支持多達12通道,主動冷卻式傳感器耐溫1 400 ℃,非冷卻式傳感器耐溫1 300 ℃,在低溫環(huán)境中應(yīng)用的傳感器耐溫-271 ℃。但該公司較早對核心技術(shù)進行了封鎖,關(guān)鍵技術(shù)公開較少。天津大學(xué)的段發(fā)階團隊自2010年起開始研究調(diào)幅法,旨在突破Fogale公司的技術(shù)壟斷,該團隊成立了善測公司,開發(fā)的BCMS型系統(tǒng),帶寬230 kHz,量程3 mm,可級聯(lián)至32通道,傳感器耐溫1 400 ℃。

調(diào)幅法可有效解決直流法和調(diào)頻法的兩項技術(shù)瓶頸：長電纜驅(qū)動技術(shù)和高信噪比、寬帶寬調(diào)理技術(shù)。通過采用長電纜驅(qū)動、自動匹配及線損自動補償技術(shù),解決了傳感器信號長距離傳輸帶來的線纜分布參數(shù)較大、信號容易自激振蕩的問題；通過利用傳感器分布參數(shù)漂移測量和自動補償技術(shù),避免了高溫環(huán)境中探頭漏電容及漏電導(dǎo)參數(shù)漂移對測量精度的影響。因此,調(diào)幅法與直流法和調(diào)頻法相比,信噪比高,抗雜散電容干擾的能力強,系統(tǒng)帶寬更寬,具有原理性優(yōu)勢。

航空發(fā)動機常常需要多級葉片同時監(jiān)測,數(shù)據(jù)量龐大,同時惡劣的工作環(huán)境引入了較大的噪聲干擾,影響測量精度。多通道葉尖間隙信號高速、高精度在線處理技術(shù)是近年來調(diào)幅法重點關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)。在信號高速在線處理方面,2017—2019年,天津大學(xué)段發(fā)階團隊采用了基于峰峰值和均方根的信號處理方法,實現(xiàn)了多通道葉尖間隙信號的在板處理,提高了信號傳輸和處理的速度。在葉尖間隙高精度測量方面,2021年,該團隊提出了基于自適應(yīng)滑動均值和小波閾值的信號降噪方法,提高了信號信噪比；提出了一種基于小波匹配的葉尖間隙信號自適應(yīng)提取方法,1～3 mm量程內(nèi)葉尖間隙測量誤差優(yōu)于15 μm。

中國已將調(diào)幅法應(yīng)用于航空發(fā)動機風(fēng)扇、壓氣機、渦輪機部件試驗器的臺架試驗,但目前葉尖間隙信號的降噪濾波、間隙值高精度提取等處理多在計算機軟件中離線實現(xiàn),間隙值在板計算功能較為簡略,若未來開展核心機、整機的多級葉片監(jiān)測,龐大的數(shù)據(jù)量會限制計算機的處理效率,影響葉尖間隙監(jiān)測的實時性。因此,未來需要進一步研究具備間隙值在板計算功能的多通道信號高速、高精度處理技術(shù),真正滿足航空發(fā)動機整機全級葉片多通道葉尖間隙信號實時監(jiān)測的需求。

電容法的傳感器探頭結(jié)構(gòu)較為簡單,目前常采用偽三同軸結(jié)構(gòu),在保證測量精度的同時避免了高溫條件下探頭金屬件短路失效的風(fēng)險,通過選用合適的耐高溫材料、封裝工藝及冷卻方案,可使傳感器成功應(yīng)用于航空發(fā)動機熱端部件(如高壓渦輪)的高溫、高壓和燃氣腐蝕環(huán)境中。雖然電容傳感器能承受惡劣的工況環(huán)境,但探頭尺寸會隨量程的增大而急劇增加,并且電容法存在空間濾波效應(yīng),空間分辨力較差,設(shè)計新型的探頭結(jié)構(gòu)對于提高葉尖間隙的測量量程和分辨力具有重要意義。為推動電容法在航空發(fā)動機的工程應(yīng)用,未來需要進一步發(fā)展小體積、耐高溫、高空間分辨力的傳感器研制技術(shù),長電纜驅(qū)動技術(shù),高信噪比、寬帶寬調(diào)理技術(shù),多通道信號高速、高精度在線處理技術(shù)等,實現(xiàn)航空發(fā)動機整機全級葉片的葉尖間隙測量。

3.4 電渦流法

電渦流法基于電磁感應(yīng)工作原理,當(dāng)待測葉片在激勵磁場中作切割磁感線的旋轉(zhuǎn)運動時,葉片發(fā)生電渦流效應(yīng),使傳感器內(nèi)部的感應(yīng)線圈輸出對應(yīng)的電信號,通過檢測電信號的變化實現(xiàn)葉尖間隙測量。該方法按照激勵磁場產(chǎn)生方式的不同,可分為被動法和主動法。

3.4.1 被動法

被動法又稱為感應(yīng)法、磁電法或靜磁法,最早由美國無線電公司的Rickman等在1982年提出,其基本原理如圖12所示。該方法的典型特征是采用了永磁鐵或通以直流的線圈-電磁鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生激勵磁場。待測導(dǎo)電葉片掃過該靜磁場時,磁通量的變化使葉片端面內(nèi)形成電渦流,電渦流激發(fā)出的感應(yīng)磁場改變了感應(yīng)線圈的磁通量,從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,通過檢測信號幅值的變化,實現(xiàn)間隙測量。

圖12 基于被動法電渦流式葉尖間隙測量系統(tǒng)基本原理[93]Fig.12 Basic principle of blade tip clearance measurement system based on passive eddy current method[93]

目前被動法已形成了工程級系統(tǒng)樣機并完成了現(xiàn)場測試。從2002年起,美國Hood公司便開始研發(fā)非侵入式電渦流傳感器,有效穿透非鐵磁性的機匣外殼,目前其非冷卻式傳感器最高耐溫550 ℃,氣體主動冷卻式傳感器最高耐溫1 000 ℃。2013年,美國Aerogage公司的Haase等設(shè)計了一種新型的前置放大電路,消除了感應(yīng)線圈繞組間電容和電纜電容對測量結(jié)果的影響,實現(xiàn)了寬帶寬、高信噪比的信號調(diào)理。2015—2016年,比利時馮-卡門研究所的Tomassini等使用被動式電渦流傳感器同時監(jiān)測葉片振動和葉尖間隙參數(shù),實驗室環(huán)境下,1～1.5 mm量程內(nèi),測量不確定度優(yōu)于±22 μm,在波蘭空軍技術(shù)研究所的SO-3型渦噴航空發(fā)動機以及比利時馮-卡門研究所的R2型壓氣機上完成了現(xiàn)場測試。

被動法采用永磁鐵激發(fā)磁場,磁感應(yīng)強度較強,其最大的優(yōu)勢是傳感器探頭可以安裝在發(fā)動機機匣的外表面,無需打孔便可完成葉尖間隙監(jiān)測,是真正的非侵入、非介入式葉尖間隙測量方法。但該方法的“透殼式”工作對傳感器的安裝及機匣的特性有較高要求,首先,傳感器與機匣必須緊密固定,二者的相對振動會使機匣發(fā)生額外的電渦流效應(yīng),產(chǎn)生干擾信號；其次,機匣的磁導(dǎo)率不可過高,特別是鐵磁性材料會嚴(yán)重削弱激勵磁場的穿透強度,影響葉片的電渦流效應(yīng)；最后,機匣的電導(dǎo)率不可過高,高導(dǎo)電性機匣對傳感器的相對振動更加敏感,并且會抵抗葉片產(chǎn)生的感應(yīng)磁場,削弱葉片電渦流效應(yīng)的作用。

雖然被動法具有“透殼式”工作的優(yōu)勢,傳感器探頭內(nèi)部的永磁鐵元件約束了傳感器耐高溫能力的提升。磁性材料存在居里溫度點,超過這一溫度將導(dǎo)致永磁鐵失磁,使傳感器失效。Hood公司針對這一關(guān)鍵問題,使用鋁鎳鈷磁體代替釤鈷磁體,以減弱激勵磁場強度為代價,提升了傳感器的耐高溫能力。未來隨著材料科學(xué)的發(fā)展,研究人員可探索將居里溫度點更高、磁通密度更大的磁性材料應(yīng)用于被動式電渦流傳感器的設(shè)計方案中,進一步提高傳感器的耐高溫能力。

3.4.2 主動法

主動法又稱為勵磁法或狹義的電渦流法,從2010年起才蓬勃發(fā)展起來,其基本原理如圖13所示。典型特征是采用勵磁線圈產(chǎn)生激勵磁場。在傳感器探頭中,勵磁線圈可以兼顧感應(yīng)線圈的作用,也可以將二者分別繞制成形。測量時,勵磁線圈受交流電作用產(chǎn)生交變激勵磁場,當(dāng)待測葉片到達磁場時,由于磁通量變化,葉片端面內(nèi)產(chǎn)生了電渦流,該電流激發(fā)出的感應(yīng)磁場在感應(yīng)線圈上形成了反向磁通量,改變了線圈的阻抗,通過檢測感應(yīng)線圈阻抗的變化,實現(xiàn)間隙測量。

圖13 基于主動法電渦流式葉尖間隙測量系統(tǒng)基本原理[98]Fig.13 Basic principle of blade tip clearance measurement system based on active eddy current method[98]

電渦流測距原理早在1977年便被英國薩爾福特大學(xué)的Sutcliffe等提出,廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)軸測距、無損探傷等工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。但商用的電渦流測距系統(tǒng)帶寬僅為幾十kHz,嚴(yán)重制約了其應(yīng)用于航空發(fā)動機高轉(zhuǎn)速工況下的葉尖間隙測量,寬帶寬、高信噪比的信號調(diào)理技術(shù)是主動法的關(guān)鍵。2014—2017年,北京化工大學(xué)的王維民團隊利用10 kHz的測量系統(tǒng)完成了實驗室環(huán)境下的葉尖間隙靜態(tài)標(biāo)定實驗,針對系統(tǒng)帶寬較窄帶來的欠采樣問題,提出了一種基于觸發(fā)脈沖法的間隙測量方法,提高了測量精度。2017年,天津大學(xué)的段發(fā)階團隊提出了一種在探頭線圈并聯(lián)高穩(wěn)定諧振電容的傳感器方案,結(jié)合長電纜驅(qū)動技術(shù),將主動法的帶寬提高到幾百kHz,實現(xiàn)了間隙值的高速、準(zhǔn)確及遠距離測量。目前,善測公司開發(fā)的主動式測量系統(tǒng),帶寬230 kHz,傳輸線纜可長達20 m。

主動法已多次在航空發(fā)動機的地面現(xiàn)場試驗中成功應(yīng)用。2013—2017年,英國牛津大學(xué)成功利用耐800 ℃的傳感器完成RB211型號和VIPER型號航空發(fā)動機葉片葉尖間隙參數(shù)的地面測試；利用耐1 400 ℃的傳感器完成發(fā)動機高壓渦輪端葉片葉尖間隙參數(shù)的測試,探頭端面雖然磨損,仍能正常工作。2014年,美國阿克倫大學(xué)利用平面線圈型傳感器完成航空發(fā)動機臺架試驗,8 000 r/min轉(zhuǎn)速下,0～5 mm量程內(nèi),分辨力優(yōu)于10 μm。

近十年來,主動法在現(xiàn)場試驗的推動下不斷優(yōu)化和發(fā)展,研究人員主要針對高溫環(huán)境、葉片材料和形貌、葉片轉(zhuǎn)速等影響因素,提高工程應(yīng)用中葉尖間隙的測量精度。對于高溫環(huán)境影響因素,耐高溫傳感器探頭的設(shè)計是保證測量的關(guān)鍵。2018年,美國阿克倫大學(xué)的Zhe團隊設(shè)計了陶瓷包裹線圈的傳感器耐高溫方案,0.05～2 mm量程內(nèi),426～1 026 ℃下,分辨力優(yōu)于10 μm。同年,西北工業(yè)大學(xué)的劉振俠團隊研制了基于平面線圈的傳感器結(jié)構(gòu),500～1 100 ℃下,量程5 mm,分辨力10 μm,重復(fù)性優(yōu)于0.5%,能夠經(jīng)受多次高溫循環(huán)試驗,且在1 100 ℃下維持2小時以上。2019年,俄羅斯科學(xué)院的Borovik等分析了待測葉片及相鄰葉片的溫度、轉(zhuǎn)子軸向位移等因素對單線圈式測量系統(tǒng)溫度自補償能力的影響規(guī)律,實現(xiàn)了定量計算。對于葉片材料和形貌影響因素,標(biāo)定曲線的獲取及探頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是主要解決途徑。2010年,英國牛津大學(xué)的Chana等設(shè)計了具有細長截面特征線圈結(jié)構(gòu)的電渦流傳感器,提高了測量的空間分辨力。2019年,美國阿克倫大學(xué)的Zhe團隊通過建立感應(yīng)線圈與渦流等效虛擬線圈之間的互感模型,提出了一種適用于不同材料葉片的間隙值標(biāo)定新方法,0.5～5 mm量程內(nèi),測量誤差優(yōu)于3.2%。對于葉片轉(zhuǎn)速影響因素,2019年,北京航空航天大學(xué)的吳江等針對電渦流信號的幅值隨轉(zhuǎn)速增加而衰減的問題,采用非線性回歸方法對提出的速度調(diào)整模型進行訓(xùn)練,獲得了葉尖間隙與電路響應(yīng)時間、轉(zhuǎn)速的定量關(guān)系,完成了微型渦噴發(fā)動機的壓氣機測試,重復(fù)性優(yōu)于10 μm。

主動法的探頭結(jié)構(gòu)較為簡單,僅有線圈及磁芯是其核心工作元件,因此相比于其他方法,其耐高溫傳感器探頭的研制更為容易,但線圈的阻抗易隨環(huán)境溫度的增加而漂移,影響間隙測量精度。未來可以探索主動法的信號溫漂補償方法,在探頭中增加測溫元件監(jiān)測溫度的變化,實時調(diào)整勵磁線圈的激勵電流,補償線圈的阻抗漂移。此外,由于機匣也會在激勵磁場中產(chǎn)生電渦流效應(yīng),主動法通常需要在機匣上打孔以完成測量,但在2012年,加拿大國家研究委員會的Mandache等利用主動法的工作原理,提出了一種基于脈沖法的測量方案,高強度磁場可以穿透6.35 mm厚度的鎳鉻鐵合金機匣測量發(fā)動機內(nèi)部葉片的葉尖間隙。主動法正朝著非侵入、非介入的方向發(fā)展,未來需要更深入地研究傳感器隔機匣測量的工作機理。

電渦流法的普遍優(yōu)點是傳感器探頭結(jié)構(gòu)簡單,制作成本低,抗污染顆粒、油污、水汽的能力強。但由于該方法基于電渦流效應(yīng)工作原理,要求待測葉片具有良好的導(dǎo)電性、厚度不能過薄且磁導(dǎo)率不能過高,以避免磁效應(yīng)對電渦流效應(yīng)的干擾,從而保證傳感器的測量靈敏度。然而工程實際中,待測葉片厚度常常較小(2 mm以內(nèi))而探頭直徑通常較大(在6 mm以上),該方法的靈敏度相對其他方法較低。研究高溫、葉型、轉(zhuǎn)速等因素對葉尖間隙測量精度的影響規(guī)律,優(yōu)化傳感器探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計,具有重要意義。未來需要進一步研究耐高溫傳感器研制技術(shù),寬帶寬、高信噪比的信號調(diào)理技術(shù),信號隨溫度漂移的補償技術(shù),主動法傳感器的隔機匣測量技術(shù)等,推動電渦流法在航空發(fā)動機的工程應(yīng)用。

3.5 微波法

微波法基于短程毫米波測距雷達工作原理,安裝于機匣內(nèi)的傳感器發(fā)射微波信號,同時接收葉片端面的反射信號,通過檢測信號頻率或幅值的變化,實現(xiàn)葉尖間隙測量。該方法按照測量原理的不同,主要包括諧振頻率測距法和相位差測距法。

3.5.1 諧振頻率測距法

諧振頻率測距法最早由德國聯(lián)合技術(shù)公司的Grzybowski等在1996年提出,其基本原理如圖14所示。傳感器探頭與待測葉片構(gòu)成了諧振腔,葉尖間隙變化會引起諧振腔諧振頻率的變化。通過發(fā)射快速線性掃頻的射頻信號,識別接收信號強度最大時的頻率值,實現(xiàn)間隙測量。

圖14 基于諧振頻率測距法的微波式葉尖間隙測量系統(tǒng)基本原理[117]Fig.14 Basic principle of microwave blade tip clearance measurement system based on resonant frequency ranging method[117]

在該方法被提出以來的20年間,隨著射頻器件行業(yè)的發(fā)展以及檢測儀器性能的提升,諧振頻率測距法的工作原理不斷升級優(yōu)化,探頭結(jié)構(gòu)逐步迭代更新。在測量原理方面,1997年,德國戴姆勒-奔馳研究中心的Wegner等采用單片式微波集成電路技術(shù),設(shè)計了一種開口諧振腔式微波傳感器,更清晰地闡述了諧振頻率測距法的工作原理。2019年,伊朗喀山大學(xué)的Aslinezhad等提出一種基于機器學(xué)習(xí)的新型測量方法,采用K波段(18～27 GHz)諧振腔式微波傳感器,利用k-近鄰算法(k-Nearest Neighbor, KNN)分類器,通過測量傳感器的反射系數(shù),實現(xiàn)葉尖間隙測量,但該團隊在實驗室環(huán)境下基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀開展的試驗驗證,測量速度有限。在傳感器研制方面,2017年,北京航天長征飛行器研究所的Tian等利用商用有限元仿真軟件,設(shè)計了工作于15 GHz的圓形開口波導(dǎo)式微波傳感器,分析了探頭尺寸參數(shù)波動對傳感器性能的影響規(guī)律。2020年,中北大學(xué)的路曉設(shè)計了一種基于嵌套式分裂環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)的微波傳感器,通過測試傳感器的反射系數(shù),實現(xiàn)了800 ℃環(huán)境下的葉尖間隙測量。

諧振頻率測距法的系統(tǒng)帶寬較寬,并且因為不存在無模糊測距范圍,測量量程較大。然而目前該方法的研究尚未成熟,國內(nèi)外研究團隊多在實驗室條件下,基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等射頻檢測儀器,直接對最新研發(fā)的傳感器或測量方法進行性能測試,未形成原理樣機,離工程化應(yīng)用的距離很遠。此外,該方法存在原理性的缺陷。諧振頻率的測量精度直接決定了葉尖間隙的測量精度,而傳感器探頭工作在高溫、高壓及燃氣腐蝕的惡劣環(huán)境中,金屬材料的體積會隨溫度增加而膨脹,陶瓷材料的介電常數(shù)會隨溫度變化而漂移,使得傳感器的諧振頻率必然會隨高溫工作環(huán)境漂移,直接影響了測量精度。目前該方法在葉尖間隙測量領(lǐng)域逐漸被相位差測距法所取代。

3.5.2 相位差測距法

相位差測距法最早由德國西門子公司的Wagner等在1998年提出,其基本原理如圖15 所示。微波信號產(chǎn)生單元同時提供單頻連續(xù)波形式的射頻發(fā)射信號和參考信號,兩信號同頻同相且具有較高的頻率穩(wěn)定度。發(fā)射信號經(jīng)路徑傳輸后,投射到待測葉片端面,并原路返回,與參考信號進行正交干涉解調(diào),獲得兩信號的相位差。通過檢測相位差的變化,實現(xiàn)間隙測量。

圖15 基于相位差測距法的微波式葉尖間隙測量系統(tǒng)基本原理[122]Fig.15 Basic principle of microwave blade tip clearance measurement system based on phase difference ranging method[122]

在相位差測距法中,傳感器探頭本質(zhì)上是一種小型微波天線。不同于一般的雷達測距天線,微波探頭需要經(jīng)過特殊設(shè)計才能適應(yīng)微小距離(mm量級)測量。此外,航空發(fā)動機內(nèi)部高溫、高壓、燃氣腐蝕及有限的安裝空間,極大限制了天線的應(yīng)用種類。選用的天線必須具有端射、小尺寸、帶寬合適、輻射近場分布合適等特性,因此,微波天線設(shè)計技術(shù)是該方法一直以來被重點關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)。2003年,美國佐治亞理工學(xué)院的Geisheimer團隊設(shè)計了一種微帶天線結(jié)構(gòu)的微波傳感器,工作頻點5 GHz,能在650 ℃下,1 500～18 000 r/min 轉(zhuǎn)速下,無故障工作超過800 h,該天線方案于2017年被天津大學(xué)段發(fā)階團隊所采用,實現(xiàn)了葉片振動和葉尖間隙參數(shù)的同時測量。2006年,波蘭空軍技術(shù)學(xué)院的Perz等設(shè)計了一種開口波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的微波傳感器,適用于噪聲中微弱信號的測量。2007年,該團隊的Rokicki等設(shè)計了一種高空間分辨率的差分天線,回波信號具有低占空比、快速下降時間的優(yōu)勢。2009年,德國埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)的Schicht等基于開口波導(dǎo)結(jié)構(gòu)方案,加入了耦合器和短路子結(jié)構(gòu),有效消除了泄露信號和天線失配信號的影響,適用于10～50 mm的測量范圍。2012年,瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Violetti等研制了圓柱諧振腔式微波傳感器,工作頻點24 GHz,耐溫20～900 ℃,完成了在航空發(fā)動機上的工程測試。綜上,在微波天線設(shè)計方面,目前研發(fā)較為成熟的微波式葉尖間隙傳感器主要包括兩類：微帶天線型傳感器,研發(fā)團隊以美國為主；諧振腔型傳感器(與開口波導(dǎo)型的原理相同),研發(fā)團隊以歐洲為主。

相位差測距法基于相位差的變化實現(xiàn)間隙測量,系統(tǒng)中硬件模塊的性能直接決定了相位差識別的精度和實時性,從2015年起,間隙信號調(diào)理及預(yù)處理電路的設(shè)計開始成為研究熱點。2015—2017年,北京長城計量測試技術(shù)研究所的謝興娟團隊,采用低通濾波法設(shè)計了數(shù)字下變頻模塊,量程0.5～6 mm。2017年,電子科技大學(xué)的潘躍靜設(shè)計了雷達收發(fā)前端結(jié)構(gòu),利用微波脈沖信號完成了葉尖間隙測量。2018年,北京化工大學(xué)的Dengyue等提出了基于FPGA的信號預(yù)處理方案,利用Vivado HLS型編譯器進行了算法優(yōu)化,加快了信號處理速度。

相位差測距法的系統(tǒng)帶寬較寬,高溫環(huán)境引起的諧振頻率點偏移問題不直接影響被測相位,因此,其測量精度比諧振頻率測距法高。但高溫環(huán)境容易引起傳輸路徑上的相位漂移,影響測量精度。2008年,俄羅斯雷達技術(shù)-2T有限公司的Maslovskiy等研制了基于波導(dǎo)探頭結(jié)構(gòu)的雙路超外差式測量系統(tǒng),通過雙探頭參比測量方法,消除了高溫造成的線纜相位漂移,測量精度優(yōu)于50 μm。

相位差測距法存在無模糊測距范圍,使量程限制在射頻信號的半波長以內(nèi),動態(tài)的葉尖間隙相位信號被折疊到±180°之間,呈現(xiàn)相位包裹的現(xiàn)象。研究信號動態(tài)測量方法和測量量程提高方法具有重要意義。2012年,德國埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)的Schicht等利用自聚焦雷達技術(shù),有效克服了相位識別模糊問題,提高了系統(tǒng)量程。2021年,天津大學(xué)段發(fā)階團隊采用相位區(qū)域自適應(yīng)截取、尺度調(diào)整、相關(guān)匹配、多項式擬合相融合的技術(shù)手段,實現(xiàn)了葉尖間隙值的高精度動態(tài)提取。

在相位差測距法中,相位測量精度易受待測葉片形貌、轉(zhuǎn)子軸向竄動、周圍靜子件的雜散反射等因素影響,測量系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)是又一關(guān)鍵技術(shù)。2005年,美國佐治亞理工學(xué)院的Geisheimer團隊利用數(shù)學(xué)建模及有限元仿真方法,獲得了葉片彎曲角度及葉片寬度對測量精度的影響規(guī)律。2010年,該團隊的Kwapisz等研究了傳感器的標(biāo)定方法,通過選取探頭的最優(yōu)安裝位置,減小了轉(zhuǎn)子軸向竄動引起的測量誤差。2018年,南京航空航天大學(xué)的楊季三等提出了一種基于頻率域誤差模型的信號校準(zhǔn)方法,提高了標(biāo)定曲線的線性度,減小了系統(tǒng)測量誤差。

美國和俄羅斯積極將該方法應(yīng)用于航空發(fā)動機的工程測試中。2003年,美國普惠公司利用該方法,開展了首次上機試驗,獲得了測量重復(fù)性、一致性、耐久性、線性度等實驗數(shù)據(jù)。2014—2019年,美國利用Meggit公司的產(chǎn)品,將系統(tǒng)應(yīng)用于航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和主動間隙控制中,系統(tǒng)典型帶寬5 MHz,探頭無冷卻耐溫900 ℃,有冷卻耐溫1 200 ℃,給出了探頭安裝方案和部件實驗器測試結(jié)果,測量精度達到25 μm。2012年,俄羅斯完成了系統(tǒng)在PS-90A2型發(fā)動機上的臺架試驗,分辨力10 μm,精度50 μm。然而由于該方法的研發(fā)成本較高、技術(shù)難度較大,中國尚未在實際航空發(fā)動機上開展實驗測試,未來可通過突破上述關(guān)鍵技術(shù),推動相位差測距法在中國的應(yīng)用進程。

微波法的系統(tǒng)帶寬較寬,能滿足高葉尖線速度旋轉(zhuǎn)葉片的葉尖間隙測量需求；其傳感器探頭耐高溫和抗燃氣腐蝕的能力強,測量量程較大(可達6 mm),在航空發(fā)動機風(fēng)扇、壓氣機、渦輪機葉片均能得到有效應(yīng)用。但微波法存在空間濾波效應(yīng),傳感器探頭存在半功率波束寬度,葉尖間隙測量結(jié)果是輻射面積內(nèi)所有點到傳感器探頭距離的矢量加權(quán)平均值,因此,該方法與光纖法相比,空間分辨力有限。設(shè)計小型化、高定向性的微波傳感器探頭結(jié)構(gòu)對于提高葉尖間隙的測量分辨力和精度具有重要意義。為推動微波法在航空發(fā)動機的工程應(yīng)用,未來需要進一步研究耐高溫傳感器研制技術(shù)、傳輸路徑的相位漂移補償技術(shù)、葉尖間隙信號動態(tài)測量方法、測量系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)等,實現(xiàn)微波法在中國航空發(fā)動機工程測試中的應(yīng)用。

本節(jié)介紹了各類葉尖間隙測量方法的工作原理、難點問題、關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展歷程及未來發(fā)展方向。為更清晰地展示各類方法的性能特征,將不同葉尖間隙測量方法的性能歸納如表1所示。

表1 不同葉尖間隙測量方法的性能Table 1 Performance of different blade tip clearance measurement methods

目前,電容法的研究最為成熟,相關(guān)產(chǎn)品已應(yīng)用于航空發(fā)動機、燃氣輪機的風(fēng)扇、壓氣機、渦輪等部件的臺架試驗,法國的Snecma公司采用Fogale公司開發(fā)的電容式葉尖間隙測量系統(tǒng),在4萬英尺高空模擬環(huán)境下,對TP400型發(fā)動機進行了連續(xù)20 h的測試。在其他測量方法中,光纖法的測量精度最高,但探頭僅能工作在干凈環(huán)境中,常應(yīng)用于航空發(fā)動機冷端部件；電渦流法抗水汽且可隔較薄的機匣測量,但探頭尺寸大,常應(yīng)用于汽輪機；微波法耐高溫和抗燃氣腐蝕的能力強,但研發(fā)成本高,技術(shù)難度大,歐美國家已將其應(yīng)用于航空發(fā)動機的臺架試驗,而中國尚未開展工程測試；放電探針法只能測量最小間隙值,由于測量原理的缺陷,研究成果較少。

在現(xiàn)有的葉尖間隙測量產(chǎn)品中,法國Fogale公司的MC925型電容式葉尖間隙測量系統(tǒng)占國內(nèi)市場份額最大,其次是中國善測公司的BCMS型電容式葉尖間隙測量系統(tǒng),此外還有英國Rotadata公司的ROTATIP型放電探針式葉尖間隙測量系統(tǒng)、美國Hood公司的雙光纖束型傳感器和基于被動法的電渦流式傳感器、善測公司的雙光纖束型傳感器和基于主動法的電渦流式傳感器、美國Meggit公司的基于相位差測距法的微波傳感器等。

4 發(fā)展趨勢與展望

結(jié)合以上測量原理、關(guān)鍵技術(shù)和研究進展,可以預(yù)測到航空發(fā)動機葉尖間隙在線測量技術(shù)未來重點研究方向主要包括以下6個方面。

4.1 適應(yīng)更惡劣的工作環(huán)境

隨著第五代航空發(fā)動機的應(yīng)用和第六代航空發(fā)動機的研發(fā),現(xiàn)代航空發(fā)動機正朝著高推重比、高增壓比、高渦前溫度及高機動性能方向發(fā)展,葉尖間隙測量系統(tǒng),尤其是傳感器的工作環(huán)境越來越惡劣。首先,需要進一步深入研究耐高溫、體積小巧的葉尖間隙傳感器研制技術(shù),突破傳感器耐高溫封裝工藝瓶頸；其次,發(fā)動機在運行過程中經(jīng)歷啟動、穩(wěn)定和關(guān)停等多種狀態(tài),傳感器探頭材料的選型需要重點關(guān)注抗熱循環(huán)載荷的能力；再次,渦輪部件工作在燃燒室后端,高溫高壓的燃氣混合著水蒸氣以及不完全燃燒的顆粒容易影響著探頭的可靠性及系統(tǒng)的測量精度,未來需要探索傳感器自清潔技術(shù)和外防護技術(shù),提高抗污染能力；最后,發(fā)動機運行過程中機械振動較大,例如,某中等涵道比渦扇發(fā)動機在9 676 r/min轉(zhuǎn)速下,機匣前端振動加速度接近600 m/s,需要開展傳感器探頭及線纜的振動試驗和加速度試驗,保證傳感器的抗振能力。

4.2 更高的測量精度

葉尖間隙的測量精度通常在間隙變化范圍的1%左右,高精度的葉尖間隙測量數(shù)據(jù)是開展發(fā)動機軸心軌跡分析和葉片早期裂紋故障診斷的重要數(shù)據(jù)源,也為航空發(fā)動機主動間隙控制提供了數(shù)據(jù)支撐。測量精度的提升對于間隙數(shù)據(jù)的橫向擴展應(yīng)用意義重大。未來需要針對不同原理的葉尖間隙在線測量方法,開展葉尖間隙測量精度影響因素分析,重點針對包括：數(shù)采、測試軟件誤差；測量時環(huán)境振動；校準(zhǔn)時測量基準(zhǔn)精度；測量時環(huán)境溫度；測量時傳感器安裝位置；測量時傳感器安裝角度；測量時轉(zhuǎn)子軸向竄動等影響因素深入進行理論建模和試驗測試；此外,渦輪葉片常呈現(xiàn)H型凹腔或頂端帶冠的形貌,電容、微波等傳感器存在空間濾波效應(yīng),影響葉端形貌的識別,采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化、波束聚焦等手段研制更高空間分辨力的傳感器,是未來的研究方向之一。

4.3 更大數(shù)據(jù)量的信號采集與處理

隨著新型航空發(fā)動機的研發(fā),整機全級葉片的葉尖間隙參數(shù)在線監(jiān)測愈發(fā)重要,由此產(chǎn)生了更加龐大的測量數(shù)據(jù)量,對測量系統(tǒng)的采集和處理功能提出了更大挑戰(zhàn)。需要進一步深入研究多通道葉尖間隙信號高速采集與預(yù)處理技術(shù),在下位機中選用占用空間更少、處理速度更快、信號失真度更小的降噪濾波算法以及傳輸速率更高的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議；其次,為了滿足葉尖間隙信號全采集和實時分析處理的不同層次需求,可進一步研究具備多通道葉尖間隙信號全采集、感興趣區(qū)域采集和間隙值在板計算功能的采集與預(yù)處理模塊；此外,進一步優(yōu)化計算機軟件中的數(shù)據(jù)高速緩存、間隙波形輪廓截取、間隙值計算等技術(shù),實現(xiàn)更大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)采集與處理。

4.4 基于傳感信號復(fù)用的功能拓展

在航空發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片的運行狀態(tài)參數(shù)中,除了葉尖間隙參數(shù)之外,振動及應(yīng)力參數(shù)也是影響發(fā)動機運行安全的關(guān)鍵?；谌~尖定時原理的葉片振動參數(shù)測量系統(tǒng)已成為航空發(fā)動機臺架試驗的標(biāo)配技術(shù),分為光纖式、電容式、電渦流式和微波式,并且通過動應(yīng)力反演,可有效獲得動葉片應(yīng)力場分布。該系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)同樣可歸納為傳感器、驅(qū)動及調(diào)理模塊、采集及預(yù)處理模塊和計算機四大部分,與葉尖間隙在線測量系統(tǒng)架構(gòu)一致,可以統(tǒng)一?；趥鞲行盘枏?fù)用的功能拓展,實現(xiàn)一支傳感器多種功能,即“一傳多能”,是未來的重要發(fā)展趨勢。將葉尖間隙測量系統(tǒng)中傳感器獲取的原始葉尖間隙信號接入葉片振動參數(shù)測量系統(tǒng)的驅(qū)動及調(diào)理模塊,該信號的脈沖到達時刻可作為葉片振動位移的計算依據(jù),實現(xiàn)振動及應(yīng)力參數(shù)的測量,能有效減少發(fā)動機機匣的鉆孔數(shù)量及傳感器個數(shù),提高發(fā)動機安全裕度。

4.5 系統(tǒng)的機載應(yīng)用

目前典型的葉尖間隙在線測量系統(tǒng)更適用于航空發(fā)動機的地面臺架試驗,并且法國已率先開展了測量系統(tǒng)在高空模擬試車臺上的測試。未來,葉尖間隙在線測量技術(shù)將朝著航空發(fā)動機機載應(yīng)用的方向發(fā)展,而中國也將測量系統(tǒng)的機載應(yīng)用確定為“十四五”規(guī)劃需要重點探索和推進的方向之一。為實現(xiàn)典型測量系統(tǒng)向新型機載系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變,原來的四大組成部分將縮減為傳感器、信號處理機載模塊兩個部分。其中,傳感器安裝在機匣安裝孔內(nèi),與典型測量系統(tǒng)中的一致；信號處理機載模塊放置在航空發(fā)動機的電子倉內(nèi),具有傳感器驅(qū)動、原始葉尖間隙信號調(diào)理、信號的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換、葉尖間隙值的在板計算、間隙脈沖原始數(shù)據(jù)高速存儲、間隙值預(yù)警輸出等功能。信號處理機載模塊的“六性”(可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性)及電磁兼容性設(shè)計是未來實現(xiàn)系統(tǒng)機載應(yīng)用需要重點攻關(guān)的技術(shù)問題。

4.6 基于葉尖間隙信號的發(fā)動機健康管理

航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子長期工作在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下,受氣動、機械、熱等多種載荷作用,容易發(fā)生不平衡、不對中、轉(zhuǎn)靜碰摩、彎扭變形、軸向竄動等典型故障,嚴(yán)重影響航空發(fā)動機的效率和安全。葉尖間隙信號包含豐富的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運行狀態(tài)信息,是實現(xiàn)發(fā)動機健康管理的有效途徑。未來可以建立航空發(fā)動機機匣-葉片-輪盤-轉(zhuǎn)軸耦合數(shù)學(xué)模型,探索融合葉尖間隙、定時信號等多源數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性提取方法,開發(fā)基于支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機器學(xué)習(xí)算法的轉(zhuǎn)子故障診斷方法,實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)典型故障的準(zhǔn)確識別,保障航空發(fā)動機的健康運行。

5 結(jié) 論

1) 旋轉(zhuǎn)葉片尖端與機匣內(nèi)壁之間的葉尖間隙參數(shù)是保障航空發(fā)動機工作效率和運行安全的關(guān)鍵,實時在線的葉尖間隙測量為主動間隙控制提供重要數(shù)據(jù)支撐。

2) 葉尖間隙在線測量方法采用葉端傳感工作原理,典型的葉尖間隙測量系統(tǒng)主要包括傳感器、驅(qū)動及調(diào)理模塊、采集及預(yù)處理模塊和計算機4個部分。葉尖間隙的常用測量流程可簡要總結(jié)為傳感器發(fā)射電磁波信號并獲取原始葉尖間隙信號,驅(qū)動及調(diào)理模塊完成原始信號到模擬信號的轉(zhuǎn)化,采集及預(yù)處理模塊完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化并進行預(yù)處理,計算機軟件完成葉尖間隙值的計算。

3) 葉尖間隙在線測量的關(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),葉尖間隙信號高信噪比、寬帶寬調(diào)理技術(shù),多通道葉尖間隙信號高速采集與預(yù)處理技術(shù),葉尖間隙信號實時、高精度處理技術(shù),葉尖間隙測量系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)和葉尖間隙測量系統(tǒng)試驗驗證技術(shù),共6個方面。

4) 航空發(fā)動機葉尖間隙在線測量方法,按照測量原理的不同,可分為放電探針法、光纖法、電容法、電渦流法和微波法等,詳細分析了各種測量方法的工作原理、性能特征、關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展歷程及未來發(fā)展方向,并對各種方法的最新研究成果和產(chǎn)品情況進行了對比和總結(jié)。

5) 葉尖間隙在線測量技術(shù)的未來重點研究方向主要包括：適應(yīng)更惡劣的工作環(huán)境,更高的測量精度,更大數(shù)據(jù)量的信號采集與處理,基于傳感信號復(fù)用的功能拓展,系統(tǒng)的機載應(yīng)用和基于葉尖間隙信號的發(fā)動機健康管理,共6個方向。測量技術(shù)的發(fā)展趨勢與展望對后續(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。