旋轉狀態下微波葉尖間隙傳感器校準影響因素分析

孫浩琳，吳婭輝，謝興娟

(航空工業北京長城計量測試技術研究所 計量與校準技術重點實驗室，北京100095)

0 引言

發動機轉子葉尖間隙的測量是發動機測試的關鍵。我國發動機研制到現在，急需解決的主要問題就是提高發動機效率。由于對發動機工作時葉尖間隙的變化情況缺乏具體的分析和驗證，在發動機設計時葉尖間隙存在過大或過小的情況，從而降低發動機的性能。因此，對發動機轉子間隙的動態變化進行深入研究，不僅可為葉尖間隙的選定提供設計依據，而且可以正確估算在各工作狀態下發動機各部件性能的變化情況。

當前，國外用于航空發動機轉子葉尖間隙測量系統的傳感器有放電探針傳感器、電渦流傳感器、電容傳感器、光纖傳感器等幾種，但是在發動機真實的高溫、高污染等特殊工作環境的影響下，這些傳感器在測量準確性和穩定性等方面都存在一定缺陷[2-4]。

采用微波法進行間隙測量技術屬于新型非接觸式測量，測試設備對流道不產生影響，具有無破壞性、數據獲取速度快、分辨率高、測量精度高等優點，特別適合在航空發動機這種高溫、強腐蝕性、強電磁干擾的環境中工作。但是，由于校準技術的限制，微波葉尖間隙傳感器應用于發動機葉尖間隙測量存在一定的局限性。一方面，在間隙測量的過程中，即使在相同的葉尖間隙下，也會因發動機葉尖的形狀、面積等參數不同直接導致間隙測量結果有很大的差異。另一方面，不同間隙與對應測量的結果并非線性關系，相同的傳感器對應不同的發動機葉片及不同的葉尖位置時具有不同的校準曲線，因此，為確保發動機葉尖間隙測量結果的準確性，要求微波葉尖間隙傳感器在使用前必須依據現場實際使用環境，采用專用校準設備對其校準，建立相應的校準數據庫。

目前，國內對不同傳感器應用于發動機葉尖間隙測量的研究處于起步階段，對微波葉尖間隙傳感器校準方面的研究和分析也很少，因此，本文將主要對在旋轉狀態下，微波葉尖間隙傳感器的校準原理、方法及對校準結果影響較大的轉速、回縮值等影響因素進行分析。

1 微波測量法原理

微波葉尖間隙傳感器是基于相位法原理實現發動機葉尖間隙的測量，該原理與雷達測試系統原理相似，即發射機產生微波信號，由天線輻射到目標。發射的信號達到目標表面時向各個方向反射，采集器將反射回來的信號送到接收機。通過測量信號從發射到返回的時間，可以得到相應的距離。

微波法應用于發動機葉尖間隙測量的原理過程為：微波葉尖間隙傳感器發出連續微波信號，當旋轉葉片經過傳感器端口時，將微波信號反射回來，反射信號與內部參考信號進行比較，將產生相位差。當葉尖間隙變化時，此相位差也會隨之發生變化。根據此相位差的變化值即可得出葉尖間隙的實時變化值。

在實際測試中，只要選定微波工作頻率，參考信號的初相位和波長已知，則根據硬件電路采集計算回波信號與參考信號的相位差，即可求出測量間隙L。

式中:L為測量間隙；φ為回波信號相位；φ0為參考信號初相位；λ為波長。

2 微波葉尖間隙傳感器校準原理

微波葉尖間隙傳感器校準原理如圖1所示，用一個葉盤來模擬發動機某級葉片的葉尖外形及尺寸，葉片高速旋轉時，通過改變微波葉尖間隙傳感器與葉盤葉尖的距離，依據微波相位差關系通過曲線擬合得到間隙值得校準曲線，完成校準的過程。在實際葉尖間隙測量中，就可以根據傳感器的校準曲線求出對應的葉尖間隙值。

圖1 校準系統原理圖

3 微波葉尖間隙傳感器校準

利用葉盤上20個葉片葉尖間隙不同的變化規律來對測試數據中不同葉片進行識別，測量的每組數據處理得到的間隙值呈現以20個數為周期變化的規律。通過矢量網絡分析儀記錄下每只傳感器在每個被校準點一次測量的所有I，Q數值，共15000個點。利用程序軟件對其進行處理，可以得到所有被檢測到的葉片葉尖的測量相位值，再代入傳感器的工作頻率值將相位值換算為距離值。

圖2為標準間隙2.5 mm時，對葉盤上的20個葉片進行測試得到的不同標準間隙距離下的測試相位波形圖。

圖2 2.5 mm標準間隙值下的測試相位波形圖

當葉盤旋轉時，除了葉尖會反射微波信號外，非葉尖位置(如盤面)也會反射微波信號得到相位值。葉尖靠近傳感器時，非葉尖位置相對靠后，遠離傳感器，因此非葉尖位置反射回來的幅值要比葉尖反射幅值小很多，傳感器在葉尖測得的相位值會與非葉尖位置的相位值明顯區分開來，如上圖2所示。

在0.1～5 mm范圍內，微波葉尖間隙傳感器在不同標準間隙值下的測量數據與標準間隙值進行曲線擬合，得到的校準曲線如圖3所示，其中，實際間隙距離x與測試距離y之間的關系為：y=0.001018x5-0.015382x4+0.077157x5-0.128193x2+0.90882x+0.854220。

圖3 微波葉尖間隙傳感器動態校準曲線

4 校準影響因素分析

4.1 轉速影響

葉片在不同轉速時經過微波葉尖間隙傳感器時，傳感器與葉片正對部分面積會發生變化，且轉速不同時，傳感器在葉片上的采樣點數也會發生變化，微波葉尖間隙傳感器在不同轉速下的校準曲線可能不一樣。

實驗中，間隙值分別為1.5，2.5，4.5 mm三種情況下，改變葉盤轉速，通過獲取并比較不同轉速下的測試數據，研究不同轉速對傳感測試準結果的影響。

將校準系統轉速分別設到1000，1400，1800，2500 r/min共4種轉速狀態，在每個轉速下對葉盤上的標記葉片進行動態測試，得到三種間隙值在不同轉速下的測試相位波形圖，如圖4所示。

圖4 不同間隙下的轉速測試相位圖

由測試相位圖可以看出，在1800 r/min前，傳感器測試相位值變化很小，說明在該轉速范圍內，轉速變化對傳感器的測試結果影響很小，由于矢量網絡分析儀本身測試的不穩定性，相位值的變化主要是由示值誤差引起的。而在2500 r/min時，傳感器的測試相位明顯減小，分析原因是傳感器在高轉速時，傳感器在葉片的采樣點數減小的原因造成的，采樣點數的不足或改變會影響每個葉尖實際測量的點數和位置。如果實際測量點偏離葉片葉尖中心位置，則會帶來測量數據的誤差。

圖5 間隙值2.5 mm時不同轉速下采樣點相位圖

針對該問題，進一步進行了實驗驗證。圖5選取了在2.5 mm間隙值時，在不同轉速情況下，傳感器在葉片的采樣點分布相位圖。

由不同轉速下的葉片采樣相位圖可以看出，在2500 r/min時傳感器在葉片上的采樣點數明顯減少，在低轉速時，采樣點數較多，傳感器能采集到葉片上最大相位處的采樣點，而在高轉速時，采樣點減少，使得傳感器在葉片上的的采樣點分布在相位最大點的附近，傳感器的測試相位變小，將相位換算為間隙值之后，導致測得葉尖間隙值變大。

由以上分析可知，轉速大小對微波葉尖間隙傳感器的測量結果有一定的相關性，轉速升高，傳感器采樣點減小，葉尖間隙測量值增大。同時，在不同轉速下葉片的振動方向也是影響測量結果的因素之一，為保證傳感器校準結果的準確性，微波葉尖間隙傳感器在不同的轉速下測量時，需要重新獲得相應的校準曲線。

4.2 回縮值影響

微波葉尖間隙傳感器在用于發動機實際測試時，需在機匣壁里回縮一定值。為了進一步分析回縮值對葉尖間隙測量值的影響，其他條件不變的情況下，改變傳感器探頭在模擬機匣壁中的回縮值大小進行測試，為保證測試數據的可比性，設定某個回縮值為基準狀態進行測試，找出間隙值誤差與回縮值之間的關系。

圖6 微波葉尖間隙傳感器在機匣壁回縮示意圖

通過調節微波葉尖間隙傳感器在機匣壁中的安裝墊片，使傳感器探頭在機匣壁中的回縮值在0～1 mm范圍內，每0.1 mm間隔變化，在每種回縮值下的，測試傳感器在實際間隙0.1 mm，0.5～5 mm范圍內間隔0.5 mm變化的相位值，得到測試曲線。

圖7 傳感器在機匣壁中不同回縮值下的相位測試曲線

圖7中只選取了回縮值在0.1，0.3，0.5，0.8 mm時的四條測試曲線進行對比，其它測試曲線變化規律相同，分別介于這四條曲線之間。從圖7中可見，測試曲線變化趨勢基本一致，隨回縮值的增大，測試曲線向下移動，這是由于回縮值的增大使得傳感器探頭端口與葉片葉尖的實際距離也相應增大，對應的測試相位減小。此外可見，四條曲線不完全平行，特別是回縮值0.1，0.3 mm的兩條曲線，在大間隙位置基本重合。這是由于裝配在機匣壁中后，傳感器探頭與機匣壁組成了一個新的輻射天線結構，與原來不加機匣壁的結構相比，尺寸較大的機匣壁金屬面將端口輻射場向兩邊拉伸，降低了面向葉片的輻射能量，隨著回縮值的增大，零間隙位置的場強減弱，測試相位值對實際間隙距離的變化不敏感，使得測試曲線的整體斜率降低。

雖然不同回縮值下的測試曲線略有差異，但是4條曲線都能夠滿足傳感器進行葉尖間隙測試，只是針對每一種確定的回縮值需要重新獲得相應的校準曲線。

5 總結

綜合上面的分析結果可以看出，微波葉尖間隙測量傳感器在應用與發動機實際測試時，容易受到轉速、回縮值等因素的影響。采用微波法進行發動機葉尖間隙測量技術研究，不僅需要研制適合發動機現場應用的耐高溫、高精度的高性能微波葉尖間隙測量傳感器，而且更需要針對微波葉尖間隙傳感器的校準方法開展分析和研究，特別是需要結合發動機實際高轉速的測試環境和測試條件，設計和研制完整的間隙測量的校準標定系統，得到準確的校準結果，保證間隙測量系統用于發動機測試中葉尖間隙的準確測量。