航空发动机振动测试技术研究.doc

航空发动机振动测试技术研究
顾宝龙 赵振平 何 泳 闫旭 陈浩远
（中航工业上海航空测控技术研究所 故障诊断与健康管理技术航空科技重点实验室，上海 201601）
摘要 综述了航空发动机振动测量的必要性及发展现状，介绍了国内外正在发展中的先进航空发动机振动测量技术方法，并对它们的测量原理、特点和应用进行了阐述。
关键词 发动机 振动 测试
Research on aero-engine vibration testing technology
Gu Baolong Zhao Zhenping He Yong Y an Xu Chen Haoyuan
(Aviation Industry Corporation of China Shanghai Aero Measurement & Control Technology Research Institute
Key Laboratory of Aviation Technology for Fault Diagnosis and Health Management Research, Shanghai ,201601)
Abstract This paper reviews the current status of development and the necessity of aero-engine vibration testing, introduces the development of the domestic and foreign advanced technology aviation engine vibration test methods. Their testing principles，characteristics and applications are described.
Key words aero-engine vibration testing

0 引言
航空发动机是飞机的心脏，是一种结构复杂、高速旋转的流体机械，其可靠性直接影响到飞机的飞行安全。随着科学技术的发展，航空发动机的推力、转速、动强度等在不断的提高，由转子不平和和气体流动等原因引起的振动问题日益突出，在新机研制试验过程中，由于设计考虑不足或制造的工艺和装配问题，都会致使发动机在运行中产生振动；对于定型使用的发动机也会因为运输途中的磕碰，使用中的磨损、损伤及腐蚀使得其振动品质不断恶化。同时,发动机的工作状态不同于一般的旋转机械，处在高温、油雾和电磁干扰严重的恶劣环境中，对检测其振动特性的技术方法要求非常苛刻。如何以合理的方法,选择合适的振动传感器和振动测量仪,迅速准确地测量发动机的振动值对提高试验安全性和发动机可靠性具有重要意义。
转子叶片是航空发动机的关键零件, 它承受离心力、流体动力、振动、热应力等的综合作用，叶片的损坏故障绝大多数是由振动引起的，因此叶片振动测量已经成为航空发动机可靠性试验的重要内容。传统的测量方法是接触式电阻应变片法，其最大缺点是所测量的数目有限，且测试成本高、测试周期长、使用寿命有限及信号引出困难等，很难做到实时监测同级的所有叶片的振动情况。前苏联科学家在上世纪六十年代提出了间断相位法对叶片振动进行测量，得到叶轮上所有叶片见应力分布的整个图片，为转子叶片的振动测量开创了一条新的途径。随着光电子学技术的迅猛发展，国外已经研制出了基于光纤传感器的叶尖定时测量法。最近，国外先进国家重点试验室又研制出了叶间动态压力诊断法，更适合于工业现场的应用。
1发动机整机振动测量方法
发动机振动测量可分为整机振动测量和部件（转子叶片）振动测量，其振动测量设备包括传感器、二次仪表、记录和分析设备。通常利用加速度计和振动测量仪来测量并获取振幅、振动速度和振动加速度等参数；在发动机转子叶片贴应变片测量转子叶片振动。
在整机振动测量中常采用电阻应变片法、磁电式速度传感器和压电式加速度传感器。电阻应变片法是在整机机身或者叶片上粘贴电阻应变片，利用集流器装置或安装在轴上的无线发射装置将应变信号传送到叶轮机械外部，经过前置放大处理，进行相关分析记录。该技术的测量精度较高，但整个粘贴过程较繁琐，布线复杂，可靠性差。而且应变式传感器的工作寿命较短，环境适应性差，自身的荷重和体积也会影响待测件的特性。
磁电式速度传感器检测方法是利用电磁感应原理，通过振动产生磁电信号，其信号与振动速度成正比，经过信号解调获得振动信息。该方法特别适用于高稳定速度式振动检测，但由于其结构复杂、内部有活动部件、响应频率低、体积大等缺点，不适用于高频范围的测量，其地位正逐步由压电式加速度传感器所代替。
在发动机振动测试中，使用最多的是压电加速度传感器。该传感器选用高居里温度的压电晶体元件，最高使用温度可以达到650℃，具有较高的稳定性和可靠性。压电式加速度传感器的工作原理是依据压电材料的压电效应，输出的信号与振动加速度成正比，通过积分电路及二次放大，用示波器显示振动加速度的总和。与其他传感器相比，压电式加速度传感器具有体积小、寿命长、耐高温、灵敏度好、频响高、动态范围宽、抗外磁干扰能力强等优点，频率测试范围达到0.1～5000Hz，振动加速度可测范围为-5～105g，特别适用于发动机整机和部件的宽频带振动测量和分析。传感器在发动机恶劣环境条件下工作，必须配制专用的低噪声、抗干扰、耐高温电缆，将传感器输出的电荷信号稳定可靠地传输到电荷放大器，保证信号调理的准确性、可靠性，真正发挥压电式加速度传感器的优越性。
2 转子叶片振动测量方法
转子叶片振动测量能够适应高转速、实时、全面监测的要求，提高旋转机械测量系统的性能。按其工作原理的不同，可分为微波法、超声波法、激光扫描式等多种形式。其中微波传感器在转子叶片测量方面具有不可比拟的优势，其特点是抗于扰能力强，适合高速、高精度的非接触式测量，尤其是微弱信号的拾取。
2. 1 微波法
在NASA研究中心正在研究应用微波传感器来获取叶尖间隙和进行叶尖定时测量。微波叶尖间隙传感器的工作原理与短程雷达系统极其相似。传感器向目标发送连续微波信号并测量反射信号。反射信号的相差与传感器和待测目标之间的距离成正比。这种传感器很有优势，其能够在极高温下工作，而且不受可能存在于涡轮发动机中的杂质所影响，其测量原理如图1所示。

图1 微波振动检测原理
微波叶尖间隙传感器系统配有两个传感器通道以及四个高温探针。微波叶尖间隙传感器系统工作原理与短程雷达系统相似。叶尖间隙探针装有发射和接收天线，传感器能发射出连续微波信号并能测量金属目标反射回来的信号，这里即指转子叶片。通过叶片运动的相位来调整反射信号。将反射信号与内反射信号做对比，相差则对应于与叶片之间的间距。

图2 高温叶尖间隙探针
图2所示的高温叶尖间隙探针直径约为14mm，长约26mm。该探针装有发射和接收天线，安装于发动机机匣上，在此位置上可以测出机匣与涡轮叶尖之间的径向间隙。探针用高温材料制成，需要承受高达900℃的未冷却温度以及1200℃冷却空气。
目前的微波系统以5.8GHz运行，并且电流探针能测量的间隙距离达到25mm（即1/2辐射波长）。该项技术的终极目标是要精确到25μm，目的是评估传感器对旋转机构叶尖间隙测量和定时测量的能力。
2.2 叶尖定时振动测量
叶尖定时测量是在叶片旋转平面的机匣上安装叶尖定时传感器，叶片掠过传感器得到叶片振动幅值、频率、相位等信息，通过叶尖到达时间的测量来获取运行中发动机压气机(风扇)级的振动位移量(偏离特性)，对叶片振幅序列的时间序列进行FFT变换，从而分析整级叶片振动。该方法原理实质上是对叶片的顶部相对位移进行间断测量，根据所测量的断续的数值“还原”为叶片的原始振动过程，并且对叶片整个振动过程的参数进行分析，具有实时性强、精度高、适用于高转速等优点。它是实现叶片振动应力测量系统的基础，在国外极其重视。
叶尖定时旋转叶片测振技术始于20世纪60年代，已经历了从单探头异步测叶尖振幅到多探头同步测叶片振型的3个发展阶段。英国R。R公司、美国GE公司、德国MTU公司等都投入了大量的人力、物力开展研究，现在的研究的关键包括以下两个方面。一是高速、高精度、抗干扰能力强的叶尖定时脉冲传感器。传统结构一般采用电感、电容脉冲传感器，电感传感器要求叶尖磁化，而电容传感器的抗干扰能力差。目前的发展趋势是采用光纤传光的光电测头，抗干扰能力强，但是．光电测头对空气污染较敏感，这是所必须克服的问题。一是叶尖定时信号的处理方法。目前已有单传感器、双传感器系统的数据处理方法，发展方向是用多个叶片定时传感器实现实时振动参数全面监测的数据处理方法，据预测国外在近年内可能形成产品。国内只做过一个测头的异步测振试验，而未见同步响应叶尖定时测振技术的报道。
2.3 超声波测量法
超声波传感器测量法是即时叶尖间隙测量的最佳选择。该方法有很多优点：它适应于金属和非金属叶片；允许非接触测量；能在恶劣环境下工作；安装便捷；它属于数字测量，适用于先进的数字控制系统。超声波传感器能够生成兆赫兹超声波，能在高温条件下工作，包括一个大功率脉冲发生器/接收器和一个高速数据处理系统，因此超声波传感器能够实现即时间隙测量。
超声波传感器的操作原理非常简单，如图所示，被传感器激励的超声波通过叶尖间隙并在叶尖被反射回来，反射回来的声波被传感器探测到。
2.4 涡电流位移传感器
涡电流法依据叶片扫过涡流线圈引起的涡流损耗的变化进行测量，其结构如图4 所示。测量装置主要由探头和检测电路两部分构成。检测电路由振荡器、检波器及放大器等组成。它具有良好的低频特性，体积小，重量轻，结构简单，灵敏度高，对环境影响不敏感，线性度好，对材料性质较敏感；在传感器与叶尖之间有障碍和无障碍时都可以使用，特别适用于旋转轴的振动监测及小型构件在振动测量，便于观察轴心轨迹，主要用于测量位移、振动振幅、转速及偏心率。
目前，HOOD 公司已近研制出商业化的涡流式传感器，可以在最高537℃的温度下可靠工作。但是，此方法受叶片材料的影响较大，叶片的导电性必须足够，叶尖端面还需要有一定的厚度，以便在经过磁场时能够产生涡流。传感器的输出是随着叶尖形状、安装状态和环境温度等变化，因此，事先需要校准，使其适合使用环境。此外，传感器的耐热性能较差，目前用于涡轮高温部件尚有困难。
2.5 激光振动测量
激光光学测量法按测量原理的不同，有激光全息和激光多普勒测振等多种方法。激光全息干涉测量、电子散斑干涉测量、电子散斑剪切干涉测量可以统称为全场测量或全息测量。基于多普勒效应的铡振技术，利用多普勒频移正比于速度的原理测量振动，目前已获得快速发展与应用。根据迈克尔逊干涉原理，光波经振动体表面反射后与参考光的频差会对光强产生调制作用，调制频率与反射面振动速度成比例，调制频率信号经过90°相移，由正、余弦波信号进行频率调制，即可得到原模拟量的速度信号，该技术精度高，一只光学探头能测量叶轮上同一级的所有叶片振动。
该方法检测振动的特点是：不受转子叶片本身材料的限制，各种转子叶片都可测量，适用于精度高、频响快、高温涡轮叶尖间隙测量；能在恶劣的环境下工作，适用于静态和动态的实时检测；成本低、光纤探头体积较小、易安装等。但由于端面窄小,同时炭黑、油垢、灰尘等污损光学系统和叶尖反射面等原因，光学镜头易污染，导致精度下降，测量寿命缩短；它适宜用于试验机中的测量而不宜于长期运转的实际燃气轮机，宜测叶尖最大间隙值而不宜于单个叶尖间隙值或平均值。因此，激光光学测量法的主要技术工作是设法解决反射光量减小的问题。此外,由于运转时的高温、高压和振动，应对光学系统和仪器采取保护措施，这对防止仪器破坏和测量精度下降颇有意义。
2.6 间断相位法
间断相位法在测试中当叶片不振动时, 示波器上出现规则的波形。当叶片振动时, 传感器输出的信号将出现相位差,反映到示波器上的射线长度就会改变, 由此可以判断叶片振动的大小。在国内已经有采用这种技术的叶片故障监测仪器, 并且投入了生产实践中。该技术测量方法简单根据传感器接受到的扫描宽度确定叶片振幅大小, 沿旋转方向叶片为最大位移时叶片进人传感器扫描区, 同时沿旋转反方向达到最大位移时离开传感器扫描区, 这时会产生最大扫描宽度。可见产生最大扫描宽度的几率是非常低的。
3 总结
航空发动机转子叶片振动测量技术正快速发展，很多先进的技术广泛应用于新机的研制、定型机的生产和使用；国内相对落后，且限于新机的研制及定型机的生产，对外场使用的发动机应该说还难以有效地测试。借助国外的先进经验，发展国内振动测试技术，提高特种条件下传感器的耐久性和可靠性，为我国的航空发动机事业作出贡献。
参考文献
[1] 黄春峰, 侯敏杰, 石小江. 航空发动机振动测量技术方法研究[J]. 测控技术, 2009(28): 21-33.
[2] 艾延廷, 张凤玲. 航空发动机转子叶片振动测量技术研究[J]. 仪器仪表学报, 2006(6): 1242-1244.
[3] 王志. 航空发动机整机振动故障诊断技术研究[D]. 沈阳: 沈阳航空工业学院, 2007.
[4] 杨蔚华. 航空发动机建模及故障诊断[D]..南京:南京航空航天大学,2000.
[5] 张元周. 压电式振动传感器在航空发动机整机振动测试中的性能评价[J]. 航空发动机,1994(2): 35-40.
[6] 张永峰. 飞行试验中航空发动机振动监测[D]. 西安: 西北工业大学,2003.
[7] 段发阶. 非接触式旋转叶片振动测量与压气机叶片振动诊断新技术[D], 天津: 天津大学精密仪器学院, 2008.
[8] 张鹏, 倪世宏, 谢川. 航空发动机振动监控新方法的研究[J], 计算机工程与设计, 2012(33): 2027-2030.