航空發(fā)動機葉片動態(tài)監(jiān)測技術(shù)

林俊明，李寒林2，戴永紅

(1.愛德森(廈門)電子有限公司，廈門 361008；2.集美大學(xué) 輪機工程學(xué)院，廈門 361021)

航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜精密，其大量零件在十分惡劣的環(huán)境下工作，承受著高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速的工作負(fù)荷。發(fā)動機工作狀態(tài)能否滿足高性能要求，直接影響飛機的安全性和可靠性。葉片作為發(fā)動機的重要部件之一，在氣動、傳熱、結(jié)構(gòu)強度、振動及疲勞等性能設(shè)計方面都面臨許多挑戰(zhàn)。一旦葉盤系統(tǒng)發(fā)生故障，引起的事故是災(zāi)難性的。

航空發(fā)動機檢測技術(shù)是國家科技實力的重要標(biāo)志，是衡量一個國家動力研發(fā)、綜合制造水平的關(guān)鍵。通過各種狀態(tài)監(jiān)測手段診斷出航空發(fā)動機葉片的早期失效及潛在故障，對于降低故障損失及事故發(fā)生率具有重要意義。因此，迫切需要航空發(fā)動機葉片動態(tài)監(jiān)測手段的全面革新，充分考慮氣動、傳熱、結(jié)構(gòu)作用的影響，避免重大惡性事故的發(fā)生，以適應(yīng)航空發(fā)動機大幅度提升性能的要求。

筆者提出鐵磁性發(fā)動機殼體內(nèi)葉片動態(tài)原位監(jiān)測的方法，采用渦流檢測方法，結(jié)合U型磁鐵，在鐵磁性發(fā)動機殼體內(nèi)表面附近生成渦流場，通過葉片葉尖劃過渦流場時產(chǎn)生的電磁感應(yīng)信號，監(jiān)測鐵磁性發(fā)動機殼體內(nèi)的葉片個數(shù)、轉(zhuǎn)速、損傷狀態(tài)等信息，進一步通過制作監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線，監(jiān)測發(fā)動機葉片的健康狀態(tài)，可以解決鐵磁性發(fā)動機殼體內(nèi)葉片安全監(jiān)測的難題。

1 航空發(fā)動機葉片動態(tài)監(jiān)測技術(shù)

1.1 葉片振動在線監(jiān)測原理

航空發(fā)動機風(fēng)扇葉片的展弦比大、應(yīng)力水平高、工作條件惡劣，以及高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和氣流沖擊引起的氣動力易使葉片發(fā)生振動。發(fā)動機由振動引起的故障占總故障的60%以上，其中葉片振動故障占總振動故障的 70% 以上。葉片振動尤其是共振將產(chǎn)生較大的振動應(yīng)力，易導(dǎo)致葉片疲勞失效。因此，振動特性分析是研究發(fā)動機葉片減振、抗疲勞問題的關(guān)鍵。

現(xiàn)今研究較多的發(fā)動機轉(zhuǎn)子部件的故障監(jiān)測，是通過對處于運行中的部件進行振動信號測量，或者采用人工激勵進行振動信號測量，并對所測到的信號進行分析處理，將其特征參數(shù)與事先通過統(tǒng)計或預(yù)先測量、計算所得的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進行比較，再根據(jù)參數(shù)間的關(guān)系，判斷部件的故障。

SRINIVASIN[1]根據(jù)多年的研究成果和工作經(jīng)驗，總結(jié)了嚴(yán)重影響燃?xì)廨啓C結(jié)構(gòu)發(fā)展的葉片振動問題。POURSAEIDI等[2]分析了固有頻率對壓氣機R1級葉片失效的影響，同時考慮了離心載荷和氣動載荷，但對氣動載荷進行了簡化。XU等[3]通過有限元分析和試驗測量的方法對軸流式風(fēng)機葉片中由離心和氣動載荷引起的振動和應(yīng)力進行了分析研究。

航空發(fā)動機健康監(jiān)測中，應(yīng)測量運行時葉片端部的振動，由振幅測量結(jié)果來評價發(fā)動機是否可以長期運行。對于經(jīng)靜態(tài)試驗確認(rèn)端部振型存在嚴(yán)重問題的發(fā)動機，為了確保不在運行中突發(fā)由端部振動引發(fā)的事故，應(yīng)當(dāng)加裝在線監(jiān)測振動的裝置。在線監(jiān)測能夠?qū)崟r監(jiān)測運行中端部振動的幅值，并根據(jù)其變化情況確定是否需要停機檢修，能夠起到對事故提前預(yù)警的作用。

1.2 葉片電磁在線監(jiān)測原理

隨著飛機向高速、重載、經(jīng)濟、舒適、節(jié)能和輕量化方向的快速發(fā)展，對航空發(fā)動機性能的要求越來越高。一方面是發(fā)動機的推重比達(dá)到20，耗油率降低50%，渦輪進氣溫度已接近1 800 ℃；另一方面，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速達(dá)到數(shù)萬轉(zhuǎn)。隨著推重比、渦輪進氣溫度和轉(zhuǎn)速的不斷提高，單級負(fù)荷不斷增大，工況更加惡劣，葉片、輪盤的熱應(yīng)力水平越來越高，葉片的氣彈耦合效應(yīng)更為顯著，由此引發(fā)振動、疲勞損傷等問題甚至導(dǎo)致葉片斷裂、脫榫等重大惡性事故的發(fā)生[4]。

當(dāng)前，對于非鐵磁性發(fā)動機殼體內(nèi)的葉片監(jiān)測，通常采用無源監(jiān)測的方法，即將磁鐵與無源感應(yīng)線圈一起固定在非鐵磁性發(fā)動機殼體外表面，葉片通過磁鐵附近的磁場時會產(chǎn)生磁擾動[5]，固定在非鐵磁性發(fā)動機殼體外表面的無源感應(yīng)線圈內(nèi)的磁場則發(fā)生變化，無源感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過這個感應(yīng)電流的參數(shù)，來間接判斷葉片的狀態(tài)。但對于鐵磁性殼體的發(fā)動機，由于鐵磁性殼體的磁屏蔽作用[6]，上述方法無效，至今，鐵磁性發(fā)動機殼體的葉片監(jiān)測問題一直沒有得到有效解決。

2 葉片動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的組成

航空發(fā)動機葉片動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：振動信號傳感部分、渦流信號傳感部分、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和信號分析系統(tǒng)等。振動信號傳感部分主要包括加速度傳感器和信號調(diào)理器(包括電荷放大器)，用來測量測點的響應(yīng)信號，以及調(diào)理轉(zhuǎn)換電荷信號為電壓信號。渦流信號傳感部分主要包括永久磁鐵和渦流探頭，可以在發(fā)動機殼體內(nèi)表面附近形成渦流場，并通過葉片感應(yīng)生成相應(yīng)的渦流檢測信號。以上兩類信號傳送至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)放大處理得到信號，并將處理后的信號送至信號分析系統(tǒng)。信號分析系統(tǒng)進行信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、計算機通訊，并將測量的信號與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行對比，判斷葉片是否正常。

2.1 振動在線監(jiān)測傳感部分

航空發(fā)動機的一個完整的飛行循環(huán)主要包括6種典型工況：最大、最大連續(xù)、90%最大連續(xù)、70%最大連續(xù)、飛行慢車和地面慢車等。無論何種工況，葉片在工作時一般受到以下3類載荷：自身運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的離心載荷，穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)氣流作用下的氣動載荷，機械結(jié)構(gòu)的自激及外部吸入物的激勵等。如果外部作用力和機械振動之間是相互削弱的，則葉片穩(wěn)定，否則會發(fā)生振動，由此引起的振動應(yīng)力可能導(dǎo)致葉片疲勞。

航空發(fā)動機在運行過程中，不同類型的傳感器分布在發(fā)動機機身及其周圍部件上。采集傳感器得到發(fā)動機在不同工況下的數(shù)據(jù)以便分析處理。振動傳感器配置有12個，葉片端和自由端各6個。在每端按120°在末端繞組分布一對徑向和切向安裝的傳感器。壓電式傳感器電纜布置于發(fā)動機內(nèi)部的受保護位置，以避免發(fā)生損壞。

2.2 葉片電磁檢測傳感部分

采用電磁檢測的渦流檢測方法，可以有效地監(jiān)測鐵磁性發(fā)動機殼體內(nèi)葉片個數(shù)、轉(zhuǎn)速、損傷狀態(tài)等參數(shù)。葉片電磁檢測原理示意如圖1所示，將U型永久磁鐵或電磁鐵的兩個磁極緊貼固定在鐵磁性發(fā)動機殼體外表面，再將渦流檢測探頭固定在U型磁鐵的兩個磁極之間的鐵磁性發(fā)動機殼體外表面，渦流檢測探頭的探測面與發(fā)動機殼體外表面緊貼，渦流檢測探頭與渦流信號處理單元連接。

圖1 葉片電磁檢測原理示意

渦流信號處理單元激勵渦流檢測探頭，由于U型磁鐵的兩個磁極之間的鐵磁性發(fā)動機殼體被U型磁鐵磁化，處于U型磁鐵的兩個磁極之間的渦流檢測探頭所激發(fā)的渦流場穿透鐵磁性發(fā)動機殼體，在鐵磁性發(fā)動機殼體內(nèi)表面附近形成渦流場。

啟動發(fā)動機，在發(fā)動機內(nèi)葉片的轉(zhuǎn)動過程中，每個葉片的葉尖部位將劃過鐵磁性發(fā)動機殼體內(nèi)表面附近形成渦流場，渦流檢測探頭感應(yīng)生成相應(yīng)的渦流檢測信號，并將其傳輸至渦流信號處理單元。

2.3 數(shù)據(jù)采集和信號分析系統(tǒng)組成

數(shù)據(jù)采集和信號分析系統(tǒng)包含A/D(模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、計算機通訊等模塊和計算機、包含動態(tài)信號測試所需的信號調(diào)理器、直流電壓放大器、濾波器、A/D 轉(zhuǎn)換器、緩沖存儲器以及采樣控制和計算機通訊的全部硬件等，是以計算機為基礎(chǔ)、智能化的動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)。

系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理器(DSP)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)聯(lián)合控制，一方面可以利用DSP運算速度快、支持復(fù)雜算法的優(yōu)勢；另一方面可以通過FPGA實現(xiàn)地址譯碼和邏輯控制，具有高集成性、高可靠性、高擴展性等特點，總體設(shè)計方案如圖2所示(其中SRAM為靜態(tài)隨機存儲器)。系統(tǒng)中的DSP負(fù)責(zé)與報警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及其他控制系統(tǒng)進行通訊以及信號處理。通過網(wǎng)口可以連接普通的計算機通訊，負(fù)責(zé)處理或顯示系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)或設(shè)置系統(tǒng)運行參數(shù)。

圖2 數(shù)據(jù)采集和信號分析系統(tǒng)框架圖

采集系統(tǒng)由傳感器與FPGA共同組成。傳感器將電信號傳遞到以FPGA為核心的數(shù)字信號處理系統(tǒng)中，進行信號的預(yù)處理;其后再上傳給DSP處理器，進行更高層次的處理。報警系統(tǒng)是獨立系統(tǒng)，根據(jù)輸入的信號不同，產(chǎn)生不同的動作。其他控制系統(tǒng)通過RS 485串行總線與系統(tǒng)相連，接收或發(fā)出必要的控制信息。系統(tǒng)可實現(xiàn)調(diào)試演示模式和在線運行模式兩種工作模式：調(diào)試演示模式通過網(wǎng)口連接普通計算機，顯示原始數(shù)據(jù)信號以及經(jīng)過處理過的統(tǒng)計數(shù)值；而在線運行模式只有系統(tǒng)獨立運行，進行數(shù)據(jù)保存、分析判斷，向報警系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)。如有需要可以通過串口、網(wǎng)絡(luò)模塊輸出數(shù)據(jù)，作進一步的分析與后處理。

圖3 硬件電路框圖

2.4 信號分析與處理

(1) 振動信號處理：在航空發(fā)動機正常運行中，如果經(jīng)過一段時間的穩(wěn)定振動，振幅突然增加，然后保持在較高水平，可以結(jié)合以往設(shè)備運行經(jīng)驗，通過對數(shù)據(jù)的分析來推斷問題，安排修復(fù)設(shè)備，控制振動信號下降到預(yù)期水平。

(2) 渦流信號處理：系統(tǒng)保存每個葉片葉尖擾動渦流場產(chǎn)生的渦流檢測信號參數(shù)。由于發(fā)動機葉片在完好情況下，葉尖與葉尖之間的間距相同，每個葉片葉尖擾動渦流場產(chǎn)生的渦流檢測信號的幅度也相同。

計算出每分鐘產(chǎn)生的渦流檢測信號個數(shù)，即為每分鐘劃過渦流場的葉片個數(shù)，從而計算出發(fā)動機葉片當(dāng)前的轉(zhuǎn)速，同時，根據(jù)渦流檢測信號的幅度參數(shù)，間接測算出每個葉片與鐵磁性發(fā)動機殼體內(nèi)表面之間的間隙。

系統(tǒng)定期激勵渦流檢測探頭，采集保存每個葉片葉尖擾動渦流場產(chǎn)生的渦流檢測信號參數(shù)；當(dāng)采集到的渦流檢測信號中，出現(xiàn)一個或多個幅度參數(shù)與其他渦流檢測信號不同的渦流檢測信號時，則可間接判斷出發(fā)動機葉片中有一個或多個葉片的葉尖表面存在缺損；當(dāng)采集到的渦流檢測信號出現(xiàn)間隔時間不均勻的渦流檢測信號時，則可間接判斷出發(fā)動機葉片中有葉片已彎曲或斷裂。

發(fā)動機葉片渦流檢測信號示意如圖4所示，渦流檢測信號A、D、E為正常信號，表明其所對應(yīng)的葉片正常，渦流檢測信號B表明其所對應(yīng)的葉片有異常跳動或缺損，渦流檢測信號C表明其所對應(yīng)的葉片有異常跳動。

圖4 發(fā)動機葉片渦流檢測信號示意

采用數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)將采集的渦流檢測信號參數(shù)，按照監(jiān)測時間制作監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線監(jiān)控發(fā)動機葉片的健康狀態(tài)。

2.5 系統(tǒng)抗干擾處理

為了保證板卡能夠在惡劣的電磁環(huán)境下使用，并且不影響其他電子設(shè)備的正常工作，電磁兼容性(EMC)和防靜電(ESD)的設(shè)計在整個印刷電路板(PCB)的設(shè)計中顯得尤為重要。板卡在元器件選型時主要選取軍品級元器件，從根源上消除了不穩(wěn)定因素，保證了板卡的可靠性。

(1) 電源線和地線設(shè)計：根據(jù)電流大小盡量加寬電源線寬度，同時接地線也盡量加粗，減少線路阻抗和來自電源的干擾，并將接地電路做成閉環(huán)環(huán)路。

(2) 電路去耦：在直流電源回路中，負(fù)載的變化會引起電源噪聲，有效的高低頻去耦電路很重要。

(3) 數(shù)字地和模擬地分離：模擬地和數(shù)字地共用會產(chǎn)生嚴(yán)重的公共阻抗耦合，造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。設(shè)計時將數(shù)字地和模擬地分開，各有各的電源和地線回路，能有效抑制干擾。

2.6 系統(tǒng)云擴展

筆者在2011年首次提出無損云檢測(CNDT)概念，是基于云計算技術(shù)和檢測集成技術(shù)的全新理念。無損云檢測通過云計算技術(shù)和無損檢測集成技術(shù)的結(jié)合，利用互聯(lián)網(wǎng)將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M行分析、存儲和處理。云端的功能包括信號比對、處理、存儲、評估、預(yù)測、信息反饋等一系列軟硬件共享資源，用戶能夠共享軟、硬件資源，享受云檢測帶來的便捷服務(wù)和高效率。

3 結(jié)語

航空發(fā)動機葉片易發(fā)生損傷并導(dǎo)致重大安全事故，提出了結(jié)合振動和渦流檢測方法的航空發(fā)動機葉片動態(tài)監(jiān)測技術(shù)，其原理是將兩個磁極固定于鐵磁性發(fā)動機殼體外表面，將渦流檢測探頭固定在磁極之間，利用渦流檢測方法監(jiān)測鐵磁性發(fā)動機葉片個數(shù)、轉(zhuǎn)速、損傷狀態(tài)等信息。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了相應(yīng)的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對航空發(fā)動機葉片運行狀態(tài)可以進行實時監(jiān)控，能進行長期運行有效性趨勢的預(yù)測，以及使用年限的預(yù)警。同時，系統(tǒng)裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、小巧、安裝方便等特點，不僅可運用在發(fā)動機葉片的保護領(lǐng)域，還可以結(jié)合云檢測技術(shù)運用到其他高速旋轉(zhuǎn)機械部件的保養(yǎng)與維護領(lǐng)域。