探析國外航空發(fā)動機葉片葉尖間隙檢測技術(shù)

楊翠波

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機集團有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

1 微波法

在NASA Glenn研究中心正在研究應(yīng)用微波傳感器來獲取葉尖間隙和進行葉尖定時測量。微波葉尖間隙傳感器的工作原理與短程雷達系統(tǒng)極其相似。傳感器向目標發(fā)送連續(xù)微波信號并測量反射信號。反射信號的相差與傳感器和待測目標之間的距離成正比。這種傳感器很有優(yōu)勢，其能夠在極高溫下工作，而且不受可能存在于渦輪發(fā)動機中的雜質(zhì)所影響。其測量原理如圖1。

圖1 微波葉尖間隙系統(tǒng)測量原理示意圖

微波葉尖間隙傳感器系統(tǒng)配有兩個傳感器通道以及四個高溫探針。微波葉尖間隙傳感器系統(tǒng)工作原理與短程雷達系統(tǒng)相似。葉尖間隙探針裝有發(fā)射和接收天線。傳感器能發(fā)射出連續(xù)微波信號并能測量金屬目標反射回來的信號，這里即指轉(zhuǎn)子葉片。通過葉片運動的相位來調(diào)整反射信號。將反射信號與內(nèi)反射信號作對比，相差則對應(yīng)于與葉片之間的間距。

圖2微波葉尖間隙探針

圖2 所示的高溫葉尖間隙探針直徑約14mm，長約26mm。該探針裝有發(fā)射和接收天線，安裝于發(fā)動機機匣上，在此位置上可以測出機匣與渦輪葉尖之間的徑向間隙。探針用高溫材料制成，需要承受高達900℃的未冷卻溫度以及1200℃冷卻空氣。

目前的微波系統(tǒng)以5.8GHZ運行，并且電流探針能測量的間隙距離達到25mm（即1/2輻射波長）。該項技術(shù)的終極目標是要精確到25μm，目的是評估傳感器對旋轉(zhuǎn)機構(gòu)葉尖間隙測量和定時測量的能力。

2 超聲波法

超聲波傳感器測量法是即時葉尖間隙測量的最佳選擇。該方法有很多優(yōu)點：它適應(yīng)于金屬和非金屬葉片；允許非接觸測量；能在惡劣環(huán)境下工作；安裝便捷；它屬于數(shù)字測量，適用于先進的數(shù)字控制系統(tǒng)。超聲波傳感器能夠生成兆赫茲超聲波，能在高溫條件下工作，包括一個大功率脈沖發(fā)生器/接收器和一個高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，因此超聲波傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)即時間隙測量。

超聲波傳感器的操作原理非常簡單，如圖3所示：被傳感器激勵的超聲波通過葉尖間隙并在葉尖被反射回來，反射回來的聲波被傳感器探測到。

圖3 測量原理2.2測量系統(tǒng)

3 渦電流法

渦電流法依據(jù)葉片掃過渦流線圈引起的渦流損耗的變化進行測量，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。測量裝置主要由探頭和檢測電路兩部分構(gòu)成。檢測電路由振蕩器、檢波器及放大器等組成。

圖4 渦電流法原理圖

渦電流傳感器的特點：體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，不必做復(fù)雜的調(diào)整；頻率響應(yīng)范圍寬，靈敏度高，測量范圍大，抗干擾能力強，在傳感器與葉尖之間有障礙和無障礙時都可以使用。目前，HOOD公司已近研制出商業(yè)化的渦流式傳感器，可以在最高537℃（1000℉）的溫度下可靠工作。但是，此方法受葉片材料的影響較大，葉片的導(dǎo)電性必須足夠，葉尖端面還需要有一定的厚度，以便在經(jīng)過磁場時能夠產(chǎn)生渦流。傳感器的輸出是隨著葉尖形狀、安裝狀態(tài)和環(huán)境溫度等變化，因此，事先需要校準，使其適合使用環(huán)境。此外，傳感器的耐熱性能較差，目前用于渦輪高溫部件尚有困難。

4 激光法

激光光學測量法的特點是：不受轉(zhuǎn)子葉片本身材料的限制，各種轉(zhuǎn)子葉片都可測量，適用于精度高、頻響快、高溫渦輪葉尖間隙測量；能在惡劣的環(huán)境下工作，適用于靜態(tài)和動態(tài)的實時檢測；成本低、光纖探頭體積較小、易安裝等。但由于端面窄小,同時炭黑、油垢、灰塵等污損光學系統(tǒng)和葉尖反射面等原因，光學鏡頭易污染，導(dǎo)致精度下降，測量壽命縮短；它適宜用于試驗機中的測量而不宜于長期運轉(zhuǎn)的實際燃氣輪機，宜測葉尖最大間隙值而不宜于單個葉尖間隙值或平均值。因此，激光光學測量法的主要技術(shù)工作是設(shè)法解決反射光量減小的問題。此外,由于運轉(zhuǎn)時的高溫、高壓和振動，應(yīng)對光學系統(tǒng)和儀器采取保護措施，這對防止儀器破壞和測量精度下降頗有意義。

結(jié)語

為了推動發(fā)動機測試技術(shù)的發(fā)展，美國和歐洲一方面組建由政府、軍方和工業(yè)部門構(gòu)成的聯(lián)合研究團隊，設(shè)立有專門的發(fā)動機測試技術(shù)科研計劃，針對發(fā)動機測試技術(shù)中的共同難點，進行有序地投資；另一方面，隨著IHPTET、VAATE計劃的實施，針對兩項計劃所亟需的測試技術(shù)，通過小企業(yè)創(chuàng)新計劃等途徑進行有重點地投資，有選擇地推動測試技術(shù)的發(fā)展；再次，在實際發(fā)動機型號中開展大量的試驗驗證，推動測試技術(shù)的成熟，最終促使傳感器和測試儀器產(chǎn)品從實驗室走向工程化和產(chǎn)業(yè)化。這些發(fā)展策略是值得國內(nèi)借鑒和大力推廣的有效途徑。

[1]Testing of a Microwave Blade Tip Clearance Sensor at the NASA Glenn Research Center，Mark R.Woike，James W.Roeder，Christopher E.Hughes，and Timothy J.Bencic，AIAA-2009-1452.