[發明專利]一種航空發動機轉子葉片工作狀態檢測裝置和檢測方法

在審

• 申請號: 201710319806.0
• 申請日: 2017-05-09
• 公開（公告）號: CN109406114A
• 公開（公告）日: 2019-03-01
• 發明（設計）人: 鄧瑛;趙大龍;邵杰;李志強
• 申請（專利權）人: 中國航空制造技術研究院
• 主分類號: G01M13/00
• 分類號: G01M13/00;G01D21/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供了一種基于MEMS技術的航空發動機轉子葉片工作狀態檢測裝置和檢測方法，其中裝置包括MEMS傳感器和永磁體，所述MEMS傳感器設置在航空發動機轉子葉片的尖端內，所述MEMS傳感器包括無線通信芯片、電池組、控制芯片、感應線圈和傳感器，所述永磁體設置在機匣上且與所述感應線圈相垂直的位置處。本發明可以實時獲得葉片尖端與機匣之間的間隙數據，提供發動機控制系統進行葉尖間隙主動控制，記錄葉片個性化工作時間歷程數據，提供葉片健康管理系統進行壽命管理，記錄該型發動機葉片工作過程中的隨機振動信號數據，為相似型號葉片結構強度設計提供支撐。

技術領域

本發明涉及測控技術領域，特別是涉及一種航空發動機轉子葉片工作狀態檢測裝置和檢測方法。

背景技術

航空發動機是飛行器主要動力裝置，結構特征如圖4所示，主要由轉動部件，如風扇a，壓氣機葉片b、c，靜子部件，如機匣d等組成。航空發動機工作時，風扇/壓氣機葉片高速旋轉，需要承受較大的離心負荷、氣動負荷以及振動負荷，此外，隨氣流吸入的金屬物、砂石、冰雹等外物也會造成損傷。在復雜應力場以及隨機、偶發損傷因素的耦合作用下，風扇/壓氣機葉片極易發生疲勞、斷裂等事故，嚴重威脅飛行安全。因此，在風扇/壓氣機葉片結構設計階段需要盡可能真實的數據以便進行各類強度評價以及結構優化，此外，在風扇/壓氣機葉片使役過程中進行健康管理，如果能夠要獲得葉片的詳細承載歷程，則在研發設計階段可對葉片壽命進行精確設計。但是，上述載荷多屬于非穩態、隨機載荷，并且不同葉片之間承受的載荷-時間歷程不完全相同，要準確獲得數據難度大。

目前技術主要針對風扇葉片損傷行為的識別，并且停留在模態分析、遺傳算法、神經網絡等理論基礎的研究。隨著電子技術、計算機技術、網絡技術、材料技術等的迅猛發展，航空測控技術得到了很大的發展，關鍵技術主要包括智能與網絡傳感器技術、結構健康檢測與健康管理技術以及智能結構技術等，例如：

模態分析技術。利用結構內部產生損傷及損傷擴展過程中，結構的固有特性會發生變化的特點，如結構自然頻率減小和結構模態振型改變等，通過測試、對比損傷前后模態參數的變化量來表征結構損傷程度。

發動機動測技術。為獲得葉片工作時的應力-時間數據，在實驗室條件下，通過在發動機風扇/壓氣機葉片某些區域安裝傳感器，在地面環境下模擬發動機狀態，通過應變片采集葉片不同部位的受載數據，應變片連接至引線環上，隨后數據被傳遞到采集設備中，經處理后轉化成葉片振動的頻率等數據，進而分析葉片振動狀態。

結構健康檢測（SHM）與健康管理技術。故障預測與健康管理是指利用現有知識來預測飛機部件未來的健康狀態，能夠比較全面、準確、實時地進行故障診斷和預測，有利于減少壽命周期成本、保障飛機飛行安全。結構健康檢測技術主要對結構載荷進行檢測，在損傷發生初期即發現損傷，結構健康檢測系統主要包括四個部分：傳感器系統、數據采集、處理及傳輸系統、損傷識別、模型修正、安全評定與預警系統。如美國NASA 將光纖傳感器網絡埋入碳纖維復合材料飛機蒙皮，使材料具有感知力和判斷力。

智能結構技術。是將傳感器、驅動器、微控制器及相應電路等集成在結構中，使該結構不僅具有傳統的承受載荷、保持形狀等功能，還具有識別、分析、處理及自適應控制等功能，使其自身或其所處環境處于最優狀態。目前智能結構技術在飛機中可能的應用主要包括智能蒙皮、損傷檢測智能結構、強度及形狀自適應智能結構和減振降噪智能結構。

現有技術有以下不足：

1）不能實時檢測葉片狀態，導致不能對發動機工作狀態進行有效控制，如葉片葉尖與機匣之間的間隙是影響發動機效率的主要因素之一，特別是對于風扇和高壓壓氣機，需要將葉尖間隙控制在一個很小的范圍內，目前只能依靠經驗進行調整，容易發生葉片與機匣之間的碰磨。

2）不能采集葉片的振動載荷-時間歷程數據，難以有效進行葉片健康管理，不能為相似型號風扇/壓氣機葉片提供數據支撐。