[發明專利]航空發動機葉尖間隙三維表征與光纖動態檢測系統及方法

有效

• 申請號: 201510098381.6
• 申請日: 2015-03-05
• 公開（公告）號: CN104697798B
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 張小棟;謝思瑩;牛杭;董曉妮;郭琦;趙欣丹
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01M15/00
• 分類號: G01M15/00;G01B11/14
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

本發明屬于航空發動機領域，涉及一種檢測系統及方法，具體設計一種航空發動機葉尖間隙三維表征與光纖動態檢測系統及方法。

背景技術

航空發動機是飛機中最重要的部件，而其中的壓氣機和渦輪可以將空氣動能和高溫內能轉換為飛行動能，又是發動機中的關鍵結構。在飛機飛行過程中的發動機全工況環境下，壓氣機和渦輪部件承受著較高的離心負載、氣動負載、高溫熱載荷和轉子振動交變負載等多種形式載荷的耦合作用，增加了壓氣機和渦輪的故障幾率。據統計，壓氣機和渦輪的故障占航空發動機總故障的42％以上。由不平衡負載、外物損傷(環境損傷)、強度不足、高周疲勞損傷、低周疲勞損傷、熱疲勞損傷導致的葉片和轉子撓曲、變形、裂紋、斷裂是壓氣機和渦輪故障的主要表現形式。這些故障會使發動機狀態偏離正常工作點、性能惡化、工作效率降低，嚴重時會使發動機結構損壞、造成重大飛行事故。

此外，壓氣機和渦輪的葉尖間隙是否在一定健康范圍之內，對航空發動機的飛行安全及運輸效率也至關重要。葉尖間隙過小，壓氣機和渦輪葉片會與機匣發生碰磨，造成葉片損壞或折斷，引起發動機故障，嚴重時導致飛行事故；葉尖間隙過大，也會使航空發動機工作效率降低，燃油消耗率增加。工作間隙的減小能大大降低排放和耗油率，根據工業經驗估計，葉尖間隙每減小0.25mm可使排氣溫度降低10℃，渦輪效率 增加1％，飛機總的尾氣排放及其產生的噪音也將明顯降低，給社會帶來很大的經濟和環境效益。

因此，對航空發動機壓氣機以及渦輪的健康監測，是對整個發動機進行健康監測的重要環節。航空發動機壓氣機以及渦輪健康監測的重點是對其葉片工作狀態的識別，實現的過程一般是通過檢測壓氣機和渦輪部件的形變、振動等動態特征來逆向識別出葉片的故障模式和健康狀態。

為了分析壓氣機和渦輪部件在發動機全工況下的動態特性以及葉尖間隙變化規律，國內外學者提出了多種力學模型和理論分析方法，并進行了大量三維有限元仿真研究，但其分析模型都是在一些假設和簡化的基礎上建立的，缺乏有效的實驗手段驗證。為了彌補理論分析的缺陷，更有效地對航空發動機壓氣機和渦輪部件進行狀態監測和故障診斷，在發動機全工況下對葉片特征進行動態全場測量就具有重要意義。又由于航空發動機壓氣機和渦輪葉片工作環境惡劣、結構復雜，不能直接采用在壓氣機和渦輪葉片上安裝應變片，或是利用光學成像技術對發動機壓氣機和渦輪部件的形變動態特征進行在線檢測。因此，研究在發動機全工況下對葉片變形及葉尖間隙情況進行非接觸檢測的技術就顯得尤為重要。

目前，發動機壓氣機和渦輪部件的動態測量方法主要有葉尖間隙徑向值測量法，以及葉尖定時測量法。葉尖間隙徑向值測量法主要是利用電容傳感器、光纖多普勒傳感器對葉片到機匣的徑向間距進行動態測量，反映葉片以及轉子的振動特性；葉尖定時測量法主要是利用電容傳感器、光強調制式光纖位移傳感器對通過傳感器探頭的葉尖信號時刻進行測 量，反映的是沿壓氣機轉子和渦輪轉動圓周方向的異常信號。當壓氣機和渦輪發生故障時，轉子動力學行為表現為高度的非線性，葉尖定時檢測方法、葉尖徑向間隙檢測方法都不能準確提取全部的故障特征，也存在檢測信號容易發生混淆的缺陷，造成誤診斷。此外，現有的檢測技術中，電容傳感器等電磁式傳感器因為壓氣機和渦輪高壓高溫環境中的氣體電離現象存在，檢測結果極易受到干擾；已有的光學測量手段如多普勒光纖位移傳感器的空間分辨率低，只能測得葉尖間隙的平均徑向間隙值，而光強調制式位移傳感器易受到發動機全工況下的折射率波動影響，檢測結果非線性干擾較高，現有的環繞式光纖傳感器(如雙圈同軸式光纖)僅能補償由于光源波動、光纖制造工藝和反射面反射率變化等共模干擾的影響，無法消除發動機全工況下的非線性環境干擾對檢測結果的影響。此外，從目前已能檢索到的葉尖間隙檢測相關專利主題來看，有從葉尖間隙檢測結果的跳動值分析轉子和靜子同心度的研究內容、也有從葉尖間隙檢測結果通過峰值檢測提取葉尖表面凹腔信息的研究內容，其主要發明內容多集中在對徑向葉尖間隙檢測信號的處理和識別方法上，未涉及到葉尖間隙全場三維動態描述以及對葉尖間隙三維空間特征進行全場測量，也并未涉及到對航空發動機全工況下檢測環境的補償方法研究。

因此，找到一種具備優良的抗電磁干擾、抗高溫高壓性能的葉片三維特征參量動態檢測方法、能夠在發動機全工況環境下實現測量功能的氣動補償方法、并且設計出相應的動態檢測裝置，對于航空發動機壓氣機和渦輪部件健康監測有著重要的意義。

發明內容