涡扇发动机涡轮带冠叶片叶尖间隙测试技术研究

　　涡扇发动机涡轮带冠叶片叶尖间隙测试技术研究

　　作者:小王深挖历史

　　前言：

　　旋转叶片作为航空发动机的重要零部件，其运转参数关乎整个机体的工作性能和运行安全。

　　涡扇发动机的低压涡轮叶片通常为带冠叶片结构，与自由叶片不同，带冠低压涡轮叶片常常带有篦齿，其篦齿与机匣内壁之间的叶尖间隙参数是反映发动机运行状态的关键。

　　间隙过大会降低低压涡轮的气动性能和工作效率，增加发动机燃油量，当航空发动机涡轮叶片叶尖间隙减小0.0254mm时，燃油消耗率降低0.1%，排气温度下降1℃。

　　间隙过小会增加叶尖篦齿与机匣壁碰磨概率，导致叶片发生叶冠错位甚至使整个发动机损坏。篦齿叶尖间隙的在线高精度测量是实现叶尖间隙主动控制，进而提高发动机效能的关键。

　　从上世纪五六十年代开始，如何提高发动机的气动性能和热效率已逐渐成为各国航空业重点关注的问题。

　　叶尖间隙作为影响发动机气动性能和热效率的重要因素之一，被很多发达国家的科研机构和测试公司投入了大量的时间和财力。

　　叶片

　　研究人员提出了多种叶尖间隙测量方法，主要包括放电探针法、激光三角法、光纤束法、电涡流法、电容法、微波法等。

　　其中，电容法具有耐高温、抗燃气腐蚀、精度高、灵敏度高、动态响应性能好、结构简单、易于安装等优势，是目前国内航空发动机研究院所开展叶尖间隙台架试验的标配技术。

　　国外FOGALE、ROTADATA等公司在电容式叶尖间隙测量系统的研发领域处于领先地位，相关系统已经产品化和商业化。

　　国内天津大学的段发阶团队提出了基于锁相环载频跟踪技术的电容调频式叶尖间隙测量方法，并从2010年起开始研究基于长电缆驱动技术和高信噪比、宽带宽调理技术的电容调幅式叶尖间隙测量方法，开发了电容调幅式叶尖间隙工程级测试样机，带宽230kHz，量程3mm，传感器耐温1400℃，各项技术指标已达到世界前列水平。

　　然而，国内外现有的电容式叶尖间隙测量系统主要针对自由叶片开展测试，采用了圆形芯极的传感器结构，在测量带冠涡轮叶片叶尖篦齿与机匣内壁之间的叶尖间隙时，变转速工况下的叶盘极易发生轴向窜动，待测篦齿端面与传感器圆形芯极的相对位置发生变化，影响了叶尖间隙的测量精度。

　　针对现有电容式叶尖间隙传感器的不足，设计了一种矩形芯极的新型电容式叶尖间隙传感器结构。

　　建立了矩形芯极下的电容式叶尖间隙测量模型，通过有限元仿真，分析了轴向窜动对不同结构传感器方案的影响规律，研制了矩形芯极传感器，搭建了叶尖间隙测量系统，完成了传感器标定和校准，实现了轴向窜动条件下带冠涡轮叶片篦齿叶尖间隙的精确测量，具有实际工程意义。

　　叶片

　　1测量模型和仿真

　　1.1原理模型

　　电容式叶尖间隙测量技术利用变间隙的双平板电容原理工作，旋转叶片与电容传感器芯极构成了电容器的两个极板。

　　如图所示，整个测量系统主要由电容传感器、调理电路、间隙信号采集处理系统以及上位机四个部分组成。

　　电容法工作原理

　　采用一种矩形芯极的新型电容式叶尖间隙传感器结构实现篦齿叶尖间隙测量。转子叶片上的篦齿与矩形芯极传感器（四个角都加工倒角）构成了电容器的两个极板。

　　叶顶篦齿部分结构如图所示，厚度以h毫米(称为峰处，下同)和m毫米（称为谷处，下同）为周期沿圆周分布，每四分之一个圆周的相邻两个谷处叶尖半径缩减k毫米（共8个）。

　　篦齿连续扫过传感器时，叶尖间隙值与电容值一一对应，该电容值通过调幅式调理电路转化为图中所示的电压信号，基于信号峰峰值，利用标定曲线计算叶尖间隙大小。

　　该电压峰峰值可以消除温度等环境因素的干扰，且可以用来解算篦齿转速w。由图，峰处对应电压峰值，谷处对应电压谷值。

　　篦齿叶尖间隙测量原理示意图

　　峰处和谷处矩形芯极和篦齿的正对面积S都是长条矩形

　　其中，C是篦齿和芯极间的电容，是篦齿和传感器间的介电常数，a是轴向窜动量，n是篦齿厚度，峰处为h，谷处为m，矩形芯极长宽皆为L，d是待测叶尖间隙。

　　当d<<L,n时，式(1)后两项边缘效应引起的附加电容可以忽略。即

　　同理，对于圆形芯极的电容传感器，当d<<L,n时，窜动值a>0(图所示)下的电容信号。

　　量程范围内，圆形传感器的有效正对面积S随轴向窜动a改变而改变，导致传感器输出偏离标定位置（通常是a=0位置）而影响测量精度。矩形传感器能在轴向窜动a改变时保持芯极和篦齿的正对面积S基本不变，

　　从而保证了篦齿发生轴向窜动时叶尖间隙的测量精度

　　轴向窜动示意（A-矩形芯极，B-圆形芯极）

　　1.2模型仿真

　　以上理论分析都是建立在近似计算或忽略边缘效应所得到的简化模型基础上，且个别电容表达式非常复杂，难以直接看出内在规律。

　　为了更准确、直观地建立矩形芯极传感器和圆形芯极传感器输出电容与篦齿轴向窜动的联系，本文利用MAXWELL软件建立轴向窜动下篦齿扫过两种传感器的三维电场模型。如图所示。

　　传感器矩形芯极边长和圆形芯极直径为4.4mm，篦齿厚度峰处h为1.6mm和谷处m为0.8mm，谷处的缩减量k为1.5mm，篦齿旋转半径150mm。

　　仿真时，轴向窜动-1mm到1mm，步进0.5mm（零位窜动位置为篦齿周向中心线和芯极中心线共线时）。

　　仿真模型

　　篦齿旋转角度以0.08°为步长从0°扫到40°（大约对应6个篦齿周期），叶尖间隙从0.5mm以0.5mm为步长进给至3mm。得到的仿真结果如图所示。

　　图（a）是圆形芯极在不同轴向窜动下叶尖间隙和输出电压峰峰值的关系曲线，图（b）是矩形芯极在不同轴向窜动下叶尖间隙和输出电压峰峰值的关系曲线，图(c)是不同叶尖间隙下最大电容误差曲线，图(d)是对应百分比误差曲线。其中，图所示零位窜动位置为标定位置。

　　仿真结果表明，轴向窜动带来的电容测量误差随叶尖间隙的增大而减小，与原理式（2）、（3）的理论一致，即间隙d增加，降低了相对面积S变化对电容C影响的权值。

　　小叶尖间隙下轴向窜动才对电容测量有较大影响，这时d<<L,n，说明前文近似或忽略边缘效应推导的原理式是合理的。

　　由仿真结果还可看出，大叶尖间隙下，两种传感器的抗轴向窜动能力基本相同。小叶尖间隙下，矩形芯极传感器明显优于圆形芯极传感器的抗轴向窜动能力；叶尖间隙0.5mm时，与圆形芯极传感器相比，矩形芯极传感器的电容测量误差大约减小1.25%。

　　因此，采用矩形芯极的电容传感器能更精确地测量变转速工况引起低压涡轮叶片轴向窜动情形下的叶尖间隙。

　　不同叶尖间隙和轴向窜动下的电容输出曲线

　　2实验和分析

　　为验证设计的矩形芯极电容传感器在叶片发生轴向窜动情形下的叶尖间隙测量精度，搭建了标定平台和实验平台，开展了叶尖间隙测量实验。

　　2.1静态标定实验

　　标定平台如图所示，矩形芯极传感器和标定用篦齿模型分别通过相应的夹具固定在标定位移台①上的间隙显微镜处和扇叶夹具处。

　　其中③是位移台①的电机驱动控制器，能在1m移动精度下控制篦齿扫过传感器探头（模拟叶片旋转），并提供叶尖间隙的基准值。

　　传感器和篦齿间的电容通过信号调理、采集模块②进行采集和处理。其中信号调理、采集模块②采用了主动驱动屏蔽技术、微弱信号低噪放大技术、低噪低电容传输电缆技术，能够实现高精度高速电容信号采集和处理。

　　标定平台

　　图是上位机软件，实现对位移台的驱动控制和对采集数据的处理、显示。

　　标定时，先通过位移台手动调整传感器芯极与篦齿处于零位轴向窜动位置，并将篦齿与传感器芯极相切位置设为叶尖间隙零点。

　　上机位软件

　　然后上位机驱动二维位移台实现间隙进给（间隙1mm-4.5mm,步长0.2mm）和模拟篦齿扫过传感器，最后上位机软件自动采集篦齿扫过时的调理电压信号并将每次扫过时的电压峰峰值作为对应间隙值的标定电压值。

　　按式获得的标定曲线如图所示。图中横轴1/V表示电压峰峰值倒数，纵轴d表示叶尖间隙

　　叶尖间隙标定曲线

　　2.2动态测试实验

　　叶尖间隙动态测量平台如图所示

　　更换或新增的系统部件主要是图中的④待测旋转篦齿盘，⑤控制电机，⑥电机驱动器，⑧手动式二维高精度数显千分尺位移台。

　　两个数显千分尺移动精度1μm，移动行程优于10mm，分别控制叶尖间隙和轴向窜动量并提供叶尖间隙基准值。

　　篦齿盘叶尖间隙动态测量实验台

　　首先对传感器的动态性能进行测试。保持叶尖间隙1mm，轴向无窜动，通过电机控制篦齿盘的起始转速500r/min，以500r/min的步长上升至2500r/min，再回落到500r/min，每变化一次转速保持30s。

　　叶尖间隙测量结果如图所示，结果表明该测量系统具有良好的动态性能，能非常稳定地跟踪篦齿盘转速实现叶尖间隙实时测量。

　　叶尖间隙1mm，转速变化下的测量结果

　　其次，借助数显千分尺的往返进给，在500r/min至2500r/min的多个转速下，开展了叶尖间隙从1mm到4.2mm（以0.2mm为步长）正反向行程的精度考核实验，验证测量系统的重复性。

　　其中，每个叶尖间隙基准值下以连续30s测得的均值作为叶尖间隙测量值。测量误差分布如图所示，实验结果表明，叶尖间隙的测量误差随转速增加呈增大趋势，且在3.2mm到4.2mm的叶尖间隙下，测量误差随转速的增大趋势最为明显。

　　1000r/min以下的低转速下，测量误差基本在30μm内，即使是在转速达到2500r/min时精度仍优于65μm。正反向行程的测量误差曲线基本重合，系统在相同转速及间隙下的测量重复性较高。

　　实验误差来源有篦齿盘抖动、数显千分尺数值误差、千分尺回程误差以及温度漂移误差等。一方面，悬臂梁结构的篦齿盘随着转速的增加而抖动加剧是叶尖间隙测量误差随转速增大而增大的主要因素，未来可将篦齿盘改装成双支撑结构减小该误差。

　　另一方面，千分尺的数值误差以及回程误差是造成正反向测量结果存在一定差异的主要原因。

　　不同转速下的测量误差分布

　　最后，为了评定轴向窜动对叶尖间隙测量精度的影响情况，分别在转速500r/min和1750r/min下，开展了测量实验。

　　设置正反向轴向窜动-1mm到1mm(步长0.5mm)，叶尖间隙1mm到3mm（步长为0.5mm），以零位窜动位置处的叶尖间隙测量值作为误差计算基准值；两种转速下的测量结果和误差曲线如图(a)、(b)所示。

　　实验结果表明，篦齿朝远离电机⑤的方向窜动时对叶尖间隙测量结果影响很大，误差最高达250μm，而朝相反方向窜动时误差基本控制在50μm内。

　　轴向窜动下的叶尖间隙测量结果和误差

　　导致两个方向上误差不一致的原因主要有两个，一是篦齿沿这两个方向的结构不同，一面是呈凹凸周期的而另一面是平面的；篦齿从标定位置沿两个相反的轴向方向窜动时，相同窜动量引起的电容极板的有效面积变化量不同。

　　二是传感器芯极的倒角会影响测量结果，篦齿朝远离电机⑤的方向窜动时，当篦齿正对芯极倒角部分，电容极板的有效面积发生了骤变，降低了测量精度。未来提高测量精度的办法是尽量减小、消除传感器芯极的加工倒角或者增大芯极尺寸，并选择合适的标定位置。

　　轴向窜动下的叶尖间隙测量结果和误差

　　3结束语

　　本文针对低压涡轮叶片在变工况下发生轴向窜动所带来的叶尖间隙测量误差问题，提出了一种矩形芯极的篦齿叶尖间隙电容传感器。

　　首先仿真验证了该传感器的抗轴向窜动能力，结果表明，在1mm叶尖间隙内，±1mm轴向窜动下，与圆形芯极传感器相比，矩形芯极传感器的电容测量误差大约减小1.25%。

　　其次搭建了叶尖间隙测量系统及标定、测试平台，进行了实验室环境下的矩形芯极传感器标定和系统性能测试实验。

　　结果表明，篦齿转速在500~2500r/min范围内，传感测量系统动态响应性能良好，1000r/min以下叶尖间隙测量误差在30μm内，转速高达2500r/min时精度仍优于65μm。在500r/min和1750r/min下，单方向轴向窜动1mm时误差能控制在50μm以内。

　　仿真和实验表明，矩形芯极电容传感器有助于克服传统圆形芯极传感器在篦齿发生轴向窜动时叶尖间隙测量误差变大的难题，能减小对发动机运转健康状况的误判，为航空发动机健康监测和主动间隙控制提供有效数据支撑，具有实际工程意义。

　　飞机

　　作者观点：

　　航空发动机叶尖间隙参数的在线高精度测量是保证发动机运行安全和气动效率的关键。涡扇发动机低压涡轮叶片为叶顶带有篦齿结构的带冠叶片，传统电容式叶尖间隙传感器为圆形芯极结构，其测量精度易受变工况下篦齿轴向窜动影响。

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