航空發(fā)動機振動測試技術研究

1、航空發(fā)動機振動測試技術研究航空發(fā)動機振動測試技術研究顧寶龍趙振平何泳閆旭陳浩遠（中航工業(yè)上海航空測控技術研究所故障診斷與健康管理技術航空科技重點實驗室，上海201601）摘要綜述了航空發(fā)動機振動測量的必要性及發(fā)展現狀，介紹了國內外正在發(fā)展中的先進航空發(fā)動機振動測量技術方法，并對它們的測量原理、特點和應用進行了闡述。關鍵詞發(fā)動機振動測試ResearchonaeroenginevibrationtestingtechnologyGuBaol

2、ongZhaoZhenpingHeYongYanXuChenHaoyuan(AviationIndustryCpationofChinaShanghaiAeroMeasurement&ControlTechnologyResearchInstituteKeyLabatyofAviationTechnologyfFaultDiagnosisHealthManagementResearchShanghai201601)AbstractThi

3、spaperreviewsthecurrentstatusofdevelopmentthenecessityofaeroenginevibrationtestingintroducesthedevelopmentofthedomesticfeignadvancedtechnologyaviationenginevibrationtestmethods.Theirtestingprinciples，acteristicsapplicati

4、onsaredescribed.Keywdsaeroenginevibrationtesting0引言引言航空發(fā)動機是飛機的心臟，是一種結構復雜、高速旋轉的流體機械，其可靠性直接影響到飛機的飛行安全。隨著科學技術的發(fā)展，航空發(fā)動機的推力、轉速、動強度等在不斷的提高，由轉子不平和和氣體流動等原因引起的振動問題日益突出，在新機研制試驗過程中，由于設計考慮不足或制造的工藝和裝配問題，都會致使發(fā)動機在運行中產生振動；對于定型使用的發(fā)動機也會因為

5、運輸途中的磕碰，使用中的磨損、損傷及腐蝕使得其振動品質不斷惡化。同時發(fā)動機的工作狀態(tài)不同于一般的旋轉機械，處在高溫、油霧和電磁干擾嚴重的惡劣環(huán)境中，對檢測其振動特性的技術方法要求非?？量?。如何以合理的方法選擇合適的振動傳感器和振動測量儀迅速準確地測量發(fā)動機的振動值對提高試驗安全性和發(fā)動機可靠性具有重要意義。轉子葉片是航空發(fā)動機的關鍵零件它承受離心力、流體動力、振動、熱應力等的綜合作用，葉片的損壞故障絕大多數是由振動引起的，因此葉片振動測

6、量已經成為航空發(fā)動機可靠性試驗的重要內容。傳統(tǒng)的測量方法是接觸式電阻應變片法，其最大缺點是所測量的數目有限，且測試成本高、測試周期長、使用壽命有限及信號引出困難等，很難做到實時監(jiān)測同級的所有葉片的振動情況。前蘇聯科學家在上世紀六十年代提出了間斷相位法對葉片振動進行測量，得到葉輪上所有葉片見應力分布的整個圖片，為轉子葉片的振動測量開創(chuàng)了一條新的途徑。隨著光電子學技術的迅猛發(fā)展，國外已經研制出了基于光纖傳感器的葉尖定時測量法。最近，國外先進

7、國家重點試驗室又研制出了葉間動態(tài)壓力診斷法，更適合于工業(yè)現場的應用。1發(fā)動機整機振動測量方法發(fā)動機整機振動測量方法發(fā)動機振動測量可分為整機振動測量和部件（轉子葉片）振動測量，其振動測量設備包括傳感器、二次儀表、記錄和分析設備。通常利用加速度計和振動測量儀來測量并獲取振幅、振動速度和振動加速度等參數；在發(fā)動機轉子葉片貼應變片測量轉子葉片振動。在整機振動測量中常采用電阻應變片法、磁電式速度傳感器和壓電式加速度傳感器。電阻應變片法是在整機機身

8、或者葉片上粘貼電阻應變片，利用集流器裝置或電流探針能測量的間隙距離達到25mm（即12輻射波長）。該項技術的終極目標是要精確到25μm，目的是評估傳感器對旋轉機構葉尖間隙測量和定時測量的能力。2.2葉尖定時振動測量葉尖定時振動測量葉尖定時測量是在葉片旋轉平面的機匣上安裝葉尖定時傳感器，葉片掠過傳感器得到葉片振動幅值、頻率、相位等信息，通過葉尖到達時間的測量來獲取運行中發(fā)動機壓氣機(風扇)級的振動位移量(偏離特性)，對葉片振幅序列的時間序

9、列進行FFT變換，從而分析整級葉片振動。該方法原理實質上是對葉片的頂部相對位移進行間斷測量，根據所測量的斷續(xù)的數值“還原”為葉片的原始振動過程，并且對葉片整個振動過程的參數進行分析，具有實時性強、精度高、適用于高轉速等優(yōu)點。它是實現葉片振動應力測量系統(tǒng)的基礎，在國外極其重視。葉尖定時旋轉葉片測振技術始于20世紀60年代，已經歷了從單探頭異步測葉尖振幅到多探頭同步測葉片振型的3個發(fā)展階段。英國R。R公司、美國GE公司、德國MTU公司等都投

10、入了大量的人力、物力開展研究，現在的研究的關鍵包括以下兩個方面。一是高速、高精度、抗干擾能力強的葉尖定時脈沖傳感器。傳統(tǒng)結構一般采用電感、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)展趨勢是采用光纖傳光的光電測頭，抗干擾能力強，但是光電測頭對空氣污染較敏感，這是所必須克服的問題。一是葉尖定時信號的處理方法。目前已有單傳感器、雙傳感器系統(tǒng)的數據處理方法，發(fā)展方向是用多個葉片定時傳感器實現實時振動參數全面監(jiān)測

11、的數據處理方法，據預測國外在近年內可能形成產品。國內只做過一個測頭的異步測振試驗，而未見同步響應葉尖定時測振技術的報道。2.3超聲波測量法超聲波測量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；它屬于數字測量，適用于先進的數字控制系統(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據處理系統(tǒng)，因

12、此超聲波傳感器能夠實現即時間隙測量。超聲波傳感器的操作原理非常簡單，如圖所示，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。2.4渦電流位移傳感器渦電流位移傳感器渦電流法依據葉片掃過渦流線圈引起的渦流損耗的變化進行測量，其結構如圖4所示。測量裝置主要由探頭和檢測電路兩部分構成。檢測電路由振蕩器、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，結構簡單，靈敏度高，對環(huán)境影響不敏感，線性度好，

13、對材料性質較敏感；在傳感器與葉尖之間有障礙和無障礙時都可以使用，特別適用于旋轉軸的振動監(jiān)測及小型構件在振動測量，便于觀察軸心軌跡，主要用于測量位移、振動振幅、轉速及偏心率。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，葉片的導電性必須足夠，葉尖端面還需要有一定的厚度，以便在經過磁場時能夠產生渦流。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，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激光振動測量激光振動測量激光光學測量法按測量原理的不同，有激光全息和激光多普勒測振等多種方法。激光全息干涉測量、電子散斑干涉測量、電子散斑剪切干涉測量可以統(tǒng)稱為全場測量或全息測量。基于多普勒效應的鍘振技術，利用多普勒頻移正比于速度的原理測量振動，目前已獲得快速發(fā)展與應用。根據邁克爾遜干涉原理，光波經振動體表面反射后與參考光的頻差會對光強產生調制作用，