航空發(fā)動機葉片振動測量技術(shù)綜述

航空發(fā)動機葉片振動測量技術(shù)綜述

0轉(zhuǎn)子振動測量fran機槍是一項復(fù)雜的動力，具有復(fù)雜的氣動力、熱量和結(jié)構(gòu)。航空發(fā)動機高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子在工作時,葉片會與空氣流或燃?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使葉片振動。葉片的振動將會導(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,通過監(jiān)測葉片振動,可以盡早檢測到降級現(xiàn)象,從而避免造成系統(tǒng)低效或失效。轉(zhuǎn)子葉片振動測量技術(shù)分為接觸式測量和非接觸式測量兩種。在接觸式振動測量中,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。但接觸式振動測量方法存在許多缺點,它要求必須把傳感器安裝到待測葉片上,要安裝昂貴的引出器,且只能監(jiān)測有限數(shù)量的葉片。非接觸式測振系統(tǒng)相較而言具有很大的優(yōu)勢。用于葉片非接觸振動測量的方法包括激光多普勒測振、間斷相位法、葉尖定時法等多種方法,而葉尖定時方法是目前國內(nèi)外研究的熱點領(lǐng)域。1振動測量原理葉尖定時測量的原理實質(zhì)上是對葉片的端部相對位移進行間斷測量,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)進行分析。因此,葉尖定時測量法又稱為間斷測量法。在整個測量過程中,葉尖定時傳感器是測量系統(tǒng)的關(guān)鍵。用葉尖定時傳感器對葉片振動進行非接觸式測量是將一個或多個傳感器探頭沿徑向安裝在渦輪機械相對靜止的殼體上,利用傳感器感受在它前面通過的旋轉(zhuǎn)葉片所產(chǎn)生的脈沖信號。如果葉片發(fā)生振動,葉片的端部相對于轉(zhuǎn)動方向?qū)蚯盎蛳蚝笃?這樣就引起脈沖到達(dá)時間的改變,從而計算出葉片振動的振幅,對葉片振幅序列的時間序列進行變換,并進行一些必要的數(shù)據(jù)處理即可確定葉片的實際振動頻率。測量原理和信號處理示意圖分別如圖1和2所示。2u3000葉片振動測量和數(shù)據(jù)處理國外對葉尖定時方法的研究始于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測量系統(tǒng)有著不同的名稱,如美國空軍阿諾德工程研發(fā)中心(AEDC)稱為非介入式應(yīng)力測量系統(tǒng)(NSMS,Non-IntrusiveStressMeasurementSystem),德國MIU公司稱為非接觸葉片振動測量系統(tǒng)(BSSM,BerührungsloseSchaufelschwingungsmessung,NoncontactBladeVibrationMeasurement),或泛稱為葉尖定時系統(tǒng)。由于這些機構(gòu)和公司獨立開展研究,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)開發(fā)的NSMS已經(jīng)有20年研制歷史,主要用于擴充標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片、評價旋轉(zhuǎn)部件的振動和周期應(yīng)力,其目的是為了實現(xiàn)先進的發(fā)動機試驗?zāi)芰?開發(fā)了一組健壯的測量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及仿真工具,實現(xiàn)發(fā)動機子系統(tǒng)的獨立工程評估、性能驗證和數(shù)據(jù)確認(rèn)以及專業(yè)的數(shù)據(jù)分析能力。NSMS系統(tǒng)測量所有葉片上的應(yīng)力,并得到有關(guān)葉片振動模式的數(shù)據(jù),與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片相比,需要更少的設(shè)備和更低的維護成本。NSMS系統(tǒng)的通用性已經(jīng)在2006年初夏得到證實,AEDC的工程師驗證了在線NSMS數(shù)據(jù)分析的實時診斷能力,經(jīng)證實NSMS能夠通過在失效前檢測渦輪葉片的損害,從而降低研制項目的總體成本。目前的第4代NSMS包括三個截然不同的子系統(tǒng):第4代前端(G4F)、第4代監(jiān)測器(G4M)和第4代處理器(G4P)。其中,G4F包括光電部件(EO)、葉片定時發(fā)生器(BTG)和葉片缺陷信號處理器(BDSP)。EO主要用來從發(fā)動機接收探針信號,這些探針可以是光學(xué)或電子學(xué)原理。EO實施不同的觸發(fā)技術(shù),提供低壓晶體管到晶體管邏輯(LVTTL)觸發(fā)輸出,提供有效信號指示葉片何時通過探針。BTG從EO系統(tǒng)接收LVTTL觸發(fā)輸出,該觸發(fā)用于鎖住BTG中的計數(shù)器,測量葉片到達(dá)時間,BTG的輸出是在時鐘周期計數(shù)內(nèi)的每個探針的葉片到達(dá)時間(TOA)。BDSP從BTG采集每個探針的葉片到達(dá)時間,糾正數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)變?yōu)槿毕菪畔?。BDSP能夠近實時地顯示數(shù)據(jù),并在硬盤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光纖激光多普勒測振儀ldds非接觸式葉片葉尖定時測量系統(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)動機葉片葉尖速率大約為400m/s,葉片葉尖振幅約為0.3mm(壓氣機系統(tǒng)內(nèi)),這意味著測量振動的時間間隔只有1μs。為了獲得最大的探針敏感性,應(yīng)該將檢測傳感器安裝在靠近葉片葉尖的位置,同時為了保證不受污染,傳感器與機匣內(nèi)壁之間必須有一定的間隙,這對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測振系統(tǒng)。1)光學(xué)葉尖定時測振系統(tǒng)為了保證整個葉尖定時測振系統(tǒng)的測量準(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,根據(jù)對國內(nèi)外文獻的統(tǒng)計,光學(xué)傳感器在葉尖定時測振系統(tǒng)中占得比重很大。光學(xué)系統(tǒng)的原理是將一個窄激光束射向通過的葉片葉尖,當(dāng)葉片葉尖進入光束路徑時,光線被反射到一個成像傳感器。當(dāng)葉片通過時,反射光強會迅速提高;當(dāng)不存在結(jié)構(gòu)振動時,某個特定葉片葉尖到達(dá)光纖探頭的時間(即“葉片到達(dá)時間”)僅僅取決于轉(zhuǎn)速。但是,當(dāng)葉片存在振動時,其到達(dá)時間就取決于轉(zhuǎn)速和振動帶來的位移,由此可以計算葉片的振動。這種測振系統(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提出用于葉尖定時測量的激光多普勒方法,光學(xué)中的多普勒現(xiàn)象是指由于觀測者和運動目標(biāo)的相對運動,使觀測者接收到的光波頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。而激光多普勒測振原理就是基于測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,進而確定該測點的振動速度。該系統(tǒng)將幾個光學(xué)探針等間距地安裝在機匣上,利用傅里葉變化分析獲得振動幅值和頻率信息。同類研究表明,光學(xué)在2008年激光技術(shù)應(yīng)用會議上,德國的工程師們又提出了一種用于渦輪葉尖間隙和振動測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(LDV)基礎(chǔ)上進行了擴展。激光多普勒測速儀(LDV)是利用激光多普勒效應(yīng)來測量流體固體運動速度的一種儀器,它利用運動微粒散射光的多普勒頻移來獲得速度信息。其研究表明,與其他光學(xué)傳感器相比,LDDS同時具備較高的時間和空間分辨率。另外,可以實現(xiàn)對快速通過物體的實時測量,因此,LDDS適用于對葉片振動和葉尖間隙的測量。如圖3為該測試系統(tǒng)示意圖。其中,光源裝置包括兩個單端面模式激光二極管(波長分別為660nm和830nm),通過一個2×1光纖耦合器,耦合到一個單模光纖中。光纖測頭產(chǎn)生兩個扇形干涉條紋系統(tǒng),光纖測頭是被動式的,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。在回路方向被測物體返回的散射光,并通過一個平面鏡和一個透鏡耦合到一個多模光纖中。檢測裝置利用一個分光鏡將接收到的來自被測物體的散射光分成兩個不同的波長,并將其聚焦到兩個高帶寬圖像檢測器上。之后,檢測信號通過一個14位A/D轉(zhuǎn)換卡輸入到一個臺標(biāo)準(zhǔn)PC計算機進行后續(xù)處理。該系統(tǒng)在德國宇航中心(DAC)的壓氣機試驗臺上進行了驗證(見圖4),對開車和關(guān)車以及最高轉(zhuǎn)速50000r/min(833Hz)(對應(yīng)葉片頻率21.7kHz,葉尖速度586m/s)時分別進行了葉尖間隙和振動測量。所有的測量結(jié)果都與電容傳感器相符合。LDDS的測量不確定度平均僅約為22μm,與傳統(tǒng)探針(一般為50~100μm)相比具有絕對優(yōu)勢。另外,LDDS具有較高的時間分辨率,在最大轉(zhuǎn)速時也可以測到單個的轉(zhuǎn)子葉片,因此可以測到軸向轉(zhuǎn)子振動。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測量中具有很大潛力。此外,美國HOOD技術(shù)公司在葉片振動測量領(lǐng)域也有較長的研究歷史,該公司從1999年開始設(shè)計并研制葉片葉尖定時系統(tǒng),并支持開展了200多次試驗(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)公司的振動測量系統(tǒng)如圖5所示,當(dāng)葉片通過時,傳感器產(chǎn)生模擬脈沖,一個前置放大器放置在靠近被測轉(zhuǎn)子的地方并同傳感器相連(對于光學(xué)傳感器而言,前置放大器中還包括一個激光器和光電二極管)。前置放大器將緩沖信號經(jīng)過一個很長的電纜傳送到該公司的葉片振動傳感器接口(BVSI)裝置,BVSI觸發(fā)每個葉片脈沖,生成一個精確定時的數(shù)字信號。HOOD技術(shù)公司的“葉片數(shù)據(jù)采集軟件”使用戶能夠簡便地配置每個傳感器信號的狀態(tài)和觸發(fā)參數(shù),查看葉片振動、間隙,并設(shè)置可視和聲音告警。利用葉片振動分析軟件可以進行更為詳細(xì)的離線分析并生成報告。HOOD技術(shù)公司葉片測振系統(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)電渦流葉尖定時測振系統(tǒng)渦流傳感器的工作原理是,對傳感器施加一個時變磁場,當(dāng)葉片經(jīng)過時,葉片表面會產(chǎn)生一個渦流及誘生磁場,這個誘生磁場會削弱傳感器的原磁場。通過檢測這種變化,可以監(jiān)測葉片振動、葉尖間隙、彎曲葉片、葉尖碰損、顫振等各種參數(shù)。用于測振系統(tǒng)的電渦流傳感器通常有兩種原理,一種是被動式,一種是主動式。被動式渦流傳感器采用一個永久磁鐵產(chǎn)生磁通量,并利用一個線圈測量渦流產(chǎn)生的電壓。主動探針可以包括一個或多個線圈,最簡單的形式是利用一個線圈產(chǎn)生磁通量并測量渦流產(chǎn)生的電壓。目前有多種形狀、尺寸的貨架渦流傳感器產(chǎn)品用于位置測量。渦流傳感器用于葉片測量,與其他類型探針相比,最大優(yōu)勢是能夠通過機匣獲得葉片通過數(shù)據(jù),Roeseler和Flotow兩位工程師已經(jīng)利用一個被動渦流傳感器對此已經(jīng)進行了驗證,但其測量結(jié)果與機匣厚度和材料有很大關(guān)系。圖6所示,奎奈蒂克公司(QinetiQ)在一臺斯貝(Spey)RB168-101發(fā)動機上驗證了其渦流傳感器,并與光學(xué)探針進行了對比,在實驗過程中,該公司將7個渦輪傳感器和4個光學(xué)傳感器安裝在第一級和第二級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子上,獲得葉片通過數(shù)據(jù)(到達(dá)時間)。試驗結(jié)果表明,渦流傳感器可以通過1.5mm厚的機匣獲得葉片通過數(shù)據(jù),并且其測試結(jié)果與光學(xué)傳感器的數(shù)據(jù)相同?？蔚倏斯镜臏u流傳感器還在AE3007和JSFLiftFan?系統(tǒng)中做過全尺寸驗證,能夠檢測振幅小于0.1mm的葉尖振動。3)電容葉尖定時測量系統(tǒng)目前,國外許多制造商開始熱衷于電容葉尖定時測量系統(tǒng)的研究,如德國MTU的非接觸葉片振動測量系統(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較高,目前該公司已經(jīng)轉(zhuǎn)向采用電容傳感器實現(xiàn)測量。圖7所示,利用電容傳感器同時實現(xiàn)葉尖間隙和葉片振動的測量無疑是節(jié)約成本的一個好辦法。BSSM系統(tǒng)一般將4~6個傳感器安裝在機匣上,其信號輸入到觸發(fā)模塊(TSG),產(chǎn)生精確的定時觸發(fā)脈沖,并輸送到時間測量系統(tǒng)(TDC),TDC的數(shù)字時間數(shù)據(jù)通過一個數(shù)字接口傳送給PC機分析。由于直流電荷放大器對傳感器區(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)動模塊,并利用軟件觸發(fā)和定時取代硬件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)子周圍排列傳感器時,需要考慮幾個方面的因素。對于振動測量而言,傳感器的圓周位置將影響振動頻率的確定,而徑向位置則對于能夠捕獲到的振動模式數(shù)至關(guān)重要。此外,還要考慮機匣空間情況等。目前,MTU公司還在探索將BSSM系統(tǒng)用于轉(zhuǎn)子葉片的裂紋檢測中,預(yù)防葉片裂開以及產(chǎn)生嚴(yán)重的二級損傷。此外,英國克蘭菲爾德大學(xué)工程學(xué)院的教授們也通過試驗驗證了將商用電容葉尖間隙傳感器用于葉片振動測量的可行性。他們試驗中所采用的為英國Rotadata公司制造的RotaCap測量系統(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,后者能夠為整個系統(tǒng)提供10MHz頻率,并通過一個內(nèi)接電纜連接解調(diào)裝置。在試驗的過程中對電容傳感器測量的結(jié)果與應(yīng)變片和光學(xué)傳感器進行了對比,取得了較好的效果。4傳感器的種類總的來說,就葉片振動測量系統(tǒng)而言,葉尖定時方