航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試技術(shù)研究

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試技術(shù)研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試技術(shù)研究顧寶龍趙振平何泳閆旭陳浩遠(yuǎn)（中航工業(yè)上海航空測(cè)控技術(shù)研究所故障診斷與健康管理技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201601）摘要綜述了航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量的必要性及發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了國(guó)內(nèi)外正在發(fā)展中的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量技術(shù)方法，并對(duì)它們的測(cè)量原理、特點(diǎn)和應(yīng)用進(jìn)行了闡述。關(guān)鍵詞發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試ResearchonaeroenginevibrationtestingtechnologyGuBaol

2、ongZhaoZhenpingHeYongYanXuChenHaoyuan(AviationIndustryCpationofChinaShanghaiAeroMeasurement&ControlTechnologyResearchInstituteKeyLabatyofAviationTechnologyfFaultDiagnosisHealthManagementResearchShanghai201601)AbstractThi

3、spaperreviewsthecurrentstatusofdevelopmentthenecessityofaeroenginevibrationtestingintroducesthedevelopmentofthedomesticfeignadvancedtechnologyaviationenginevibrationtestmethods.Theirtestingprinciples，acteristicsapplicati

4、onsaredescribed.Keywdsaeroenginevibrationtesting0引言引言航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟，是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高速旋轉(zhuǎn)的流體機(jī)械，其可靠性直接影響到飛機(jī)的飛行安全。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推力、轉(zhuǎn)速、動(dòng)強(qiáng)度等在不斷的提高，由轉(zhuǎn)子不平和和氣體流動(dòng)等原因引起的振動(dòng)問(wèn)題日益突出，在新機(jī)研制試驗(yàn)過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)考慮不足或制造的工藝和裝配問(wèn)題，都會(huì)致使發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中產(chǎn)生振動(dòng)；對(duì)于定型使用的發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)因?yàn)?/p>

5、運(yùn)輸途中的磕碰，使用中的磨損、損傷及腐蝕使得其振動(dòng)品質(zhì)不斷惡化。同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)不同于一般的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，處在高溫、油霧和電磁干擾嚴(yán)重的惡劣環(huán)境中，對(duì)檢測(cè)其振動(dòng)特性的技術(shù)方法要求非?？量?。如何以合理的方法選擇合適的振動(dòng)傳感器和振動(dòng)測(cè)量?jī)x迅速準(zhǔn)確地測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)值對(duì)提高試驗(yàn)安全性和發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性具有重要意義。轉(zhuǎn)子葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件它承受離心力、流體動(dòng)力、振動(dòng)、熱應(yīng)力等的綜合作用，葉片的損壞故障絕大多數(shù)是由振動(dòng)引起的，因此葉片振動(dòng)測(cè)

6、量已經(jīng)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的測(cè)量方法是接觸式電阻應(yīng)變片法，其最大缺點(diǎn)是所測(cè)量的數(shù)目有限，且測(cè)試成本高、測(cè)試周期長(zhǎng)、使用壽命有限及信號(hào)引出困難等，很難做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)同級(jí)的所有葉片的振動(dòng)情況。前蘇聯(lián)科學(xué)家在上世紀(jì)六十年代提出了間斷相位法對(duì)葉片振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，得到葉輪上所有葉片見應(yīng)力分布的整個(gè)圖片，為轉(zhuǎn)子葉片的振動(dòng)測(cè)量開創(chuàng)了一條新的途徑。隨著光電子學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，國(guó)外已經(jīng)研制出了基于光纖傳感器的葉尖定時(shí)測(cè)量法。最近，國(guó)外先進(jìn)

7、國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室又研制出了葉間動(dòng)態(tài)壓力診斷法，更適合于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。1發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)測(cè)量方法發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)測(cè)量方法發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量可分為整機(jī)振動(dòng)測(cè)量和部件（轉(zhuǎn)子葉片）振動(dòng)測(cè)量，其振動(dòng)測(cè)量設(shè)備包括傳感器、二次儀表、記錄和分析設(shè)備。通常利用加速度計(jì)和振動(dòng)測(cè)量?jī)x來(lái)測(cè)量并獲取振幅、振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度等參數(shù)；在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片貼應(yīng)變片測(cè)量轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)。在整機(jī)振動(dòng)測(cè)量中常采用電阻應(yīng)變片法、磁電式速度傳感器和壓電式加速度傳感器。電阻應(yīng)變片法是在整機(jī)機(jī)身

8、或者葉片上粘貼電阻應(yīng)變片，利用集流器裝置或電流探針能測(cè)量的間隙距離達(dá)到25mm（即12輻射波長(zhǎng)）。該項(xiàng)技術(shù)的終極目標(biāo)是要精確到25μm，目的是評(píng)估傳感器對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)葉尖間隙測(cè)量和定時(shí)測(cè)量的能力。2.2葉尖定時(shí)振動(dòng)測(cè)量葉尖定時(shí)振動(dòng)測(cè)量葉尖定時(shí)測(cè)量是在葉片旋轉(zhuǎn)平面的機(jī)匣上安裝葉尖定時(shí)傳感器，葉片掠過(guò)傳感器得到葉片振動(dòng)幅值、頻率、相位等信息，通過(guò)葉尖到達(dá)時(shí)間的測(cè)量來(lái)獲取運(yùn)行中發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)(風(fēng)扇)級(jí)的振動(dòng)位移量(偏離特性)，對(duì)葉片振幅序列的時(shí)間序

9、列進(jìn)行FFT變換，從而分析整級(jí)葉片振動(dòng)。該方法原理實(shí)質(zhì)上是對(duì)葉片的頂部相對(duì)位移進(jìn)行間斷測(cè)量，根據(jù)所測(cè)量的斷續(xù)的數(shù)值“還原”為葉片的原始振動(dòng)過(guò)程，并且對(duì)葉片整個(gè)振動(dòng)過(guò)程的參數(shù)進(jìn)行分析，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、適用于高轉(zhuǎn)速等優(yōu)點(diǎn)。它是實(shí)現(xiàn)葉片振動(dòng)應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在國(guó)外極其重視。葉尖定時(shí)旋轉(zhuǎn)葉片測(cè)振技術(shù)始于20世紀(jì)60年代，已經(jīng)歷了從單探頭異步測(cè)葉尖振幅到多探頭同步測(cè)葉片振型的3個(gè)發(fā)展階段。英國(guó)R。R公司、美國(guó)GE公司、德國(guó)MTU公司等都投

10、入了大量的人力、物力開展研究，現(xiàn)在的研究的關(guān)鍵包括以下兩個(gè)方面。一是高速、高精度、抗干擾能力強(qiáng)的葉尖定時(shí)脈沖傳感器。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般采用電感、電容脈沖傳感器，電感傳感器要求葉尖磁化，而電容傳感器的抗干擾能力差。目前的發(fā)展趨勢(shì)是采用光纖傳光的光電測(cè)頭，抗干擾能力強(qiáng)，但是光電測(cè)頭對(duì)空氣污染較敏感，這是所必須克服的問(wèn)題。一是葉尖定時(shí)信號(hào)的處理方法。目前已有單傳感器、雙傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，發(fā)展方向是用多個(gè)葉片定時(shí)傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)振動(dòng)參數(shù)全面監(jiān)測(cè)

11、的數(shù)據(jù)處理方法，據(jù)預(yù)測(cè)國(guó)外在近年內(nèi)可能形成產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)只做過(guò)一個(gè)測(cè)頭的異步測(cè)振試驗(yàn)，而未見同步響應(yīng)葉尖定時(shí)測(cè)振技術(shù)的報(bào)道。2.3超聲波測(cè)量法超聲波測(cè)量法超聲波傳感器測(cè)量法是即時(shí)葉尖間隙測(cè)量的最佳選擇。該方法有很多優(yōu)點(diǎn)：它適應(yīng)于金屬和非金屬葉片；允許非接觸測(cè)量；能在惡劣環(huán)境下工作；安裝便捷；它屬于數(shù)字測(cè)量，適用于先進(jìn)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(gè)大功率脈沖發(fā)生器接收器和一個(gè)高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，因

12、此超聲波傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)即時(shí)間隙測(cè)量。超聲波傳感器的操作原理非常簡(jiǎn)單，如圖所示，被傳感器激勵(lì)的超聲波通過(guò)葉尖間隙并在葉尖被反射回來(lái)，反射回來(lái)的聲波被傳感器探測(cè)到。2.4渦電流位移傳感器渦電流位移傳感器渦電流法依據(jù)葉片掃過(guò)渦流線圈引起的渦流損耗的變化進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。測(cè)量裝置主要由探頭和檢測(cè)電路兩部分構(gòu)成。檢測(cè)電路由振蕩器、檢波器及放大器等組成。它具有良好的低頻特性，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，對(duì)環(huán)境影響不敏感，線性度好，

13、對(duì)材料性質(zhì)較敏感；在傳感器與葉尖之間有障礙和無(wú)障礙時(shí)都可以使用，特別適用于旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)監(jiān)測(cè)及小型構(gòu)件在振動(dòng)測(cè)量，便于觀察軸心軌跡，主要用于測(cè)量位移、振動(dòng)振幅、轉(zhuǎn)速及偏心率。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℃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(guò)磁場(chǎng)時(shí)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

14、校準(zhǔn)，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。2.5激光振動(dòng)測(cè)量激光振動(dòng)測(cè)量激光光學(xué)測(cè)量法按測(cè)量原理的不同，有激光全息和激光多普勒測(cè)振等多種方法。激光全息干涉測(cè)量、電子散斑干涉測(cè)量、電子散斑剪切干涉測(cè)量可以統(tǒng)稱為全場(chǎng)測(cè)量或全息測(cè)量?；诙嗥绽招?yīng)的鍘振技術(shù)，利用多普勒頻移正比于速度的原理測(cè)量振動(dòng)，目前已獲得快速發(fā)展與應(yīng)用。根據(jù)邁克爾遜干涉原理，光波經(jīng)振動(dòng)體表面反射后與參考光的頻差會(huì)對(duì)光強(qiáng)產(chǎn)生調(diào)制作用，