楊翠波

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

1 微波法

在NASA Glenn研究中心正在研究應(yīng)用微波傳感器來獲取葉尖間隙和進(jìn)行葉尖定時(shí)測(cè)量。微波葉尖間隙傳感器的工作原理與短程雷達(dá)系統(tǒng)極其相似。傳感器向目標(biāo)發(fā)送連續(xù)微波信號(hào)并測(cè)量反射信號(hào)。反射信號(hào)的相差與傳感器和待測(cè)目標(biāo)之間的距離成正比。這種傳感器很有優(yōu)勢(shì)，其能夠在極高溫下工作，而且不受可能存在于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的雜質(zhì)所影響。其測(cè)量原理如圖1。

圖1 微波葉尖間隙系統(tǒng)測(cè)量原理示意圖

微波葉尖間隙傳感器系統(tǒng)配有兩個(gè)傳感器通道以及四個(gè)高溫探針。微波葉尖間隙傳感器系統(tǒng)工作原理與短程雷達(dá)系統(tǒng)相似。葉尖間隙探針裝有發(fā)射和接收天線。傳感器能發(fā)射出連續(xù)微波信號(hào)并能測(cè)量金屬目標(biāo)反射回來的信號(hào)，這里即指轉(zhuǎn)子葉片。通過葉片運(yùn)動(dòng)的相位來調(diào)整反射信號(hào)。將反射信號(hào)與內(nèi)反射信號(hào)作對(duì)比，相差則對(duì)應(yīng)于與葉片之間的間距。

圖2微波葉尖間隙探針

圖2 所示的高溫葉尖間隙探針直徑約14mm，長約26mm。該探針裝有發(fā)射和接收天線，安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣上，在此位置上可以測(cè)出機(jī)匣與渦輪葉尖之間的徑向間隙。探針用高溫材料制成，需要承受高達(dá)900℃的未冷卻溫度以及1200℃冷卻空氣。

目前的微波系統(tǒng)以5.8GHZ運(yùn)行，并且電流探針能測(cè)量的間隙距離達(dá)到25mm（即1/2輻射波長）。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 超聲波法

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單，如圖3所示：被傳感器激勵(lì)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(cè)到。

圖3 測(cè)量原理2.2測(cè)量系統(tǒng)

3 渦電流法

渦電流法依據(jù)葉片掃過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。

圖4 渦電流法原理圖

渦電流傳感器的特點(diǎn)：體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，不必做復(fù)雜的調(diào)整；頻率響應(yīng)范圍寬，靈敏度高，測(cè)量范圍大，抗干擾能力強(qiáng)，在傳感器與葉尖之間有障礙和無障礙時(shí)都可以使用。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℃（1000℉）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。

4 激光法

激光光學(xué)測(cè)量法的特點(diǎn)是：不受轉(zhuǎn)子葉片本身材料的限制，各種轉(zhuǎn)子葉片都可測(cè)量，適用于精度高、頻響快、高溫渦輪葉尖間隙測(cè)量；能在惡劣的環(huán)境下工作，適用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)；成本低、光纖探頭體積較小、易安裝等。但由于端面窄小,同時(shí)炭黑、油垢、灰塵等污損光學(xué)系統(tǒng)和葉尖反射面等原因，光學(xué)鏡頭易污染，導(dǎo)致精度下降，測(cè)量壽命縮短；它適宜用于試驗(yàn)機(jī)中的測(cè)量而不宜于長期運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)，宜測(cè)葉尖最大間隙值而不宜于單個(gè)葉尖間隙值或平均值。因此，激光光學(xué)測(cè)量法的主要技術(shù)工作是設(shè)法解決反射光量減小的問題。此外,由于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的高溫、高壓和振動(dòng)，應(yīng)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)和儀器采取保護(hù)措施，這對(duì)防止儀器破壞和測(cè)量精度下降頗有意義。

結(jié)語

為了推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，美國和歐洲一方面組建由政府、軍方和工業(yè)部門構(gòu)成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，設(shè)立有專門的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試技術(shù)科研計(jì)劃，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試技術(shù)中的共同難點(diǎn)，進(jìn)行有序地投資；另一方面，隨著IHPTET、VAATE計(jì)劃的實(shí)施，針對(duì)兩項(xiàng)計(jì)劃所亟需的測(cè)試技術(shù)，通過小企業(yè)創(chuàng)新計(jì)劃等途徑進(jìn)行有重點(diǎn)地投資，有選擇地推動(dòng)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展；再次，在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)中開展大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，推動(dòng)測(cè)試技術(shù)的成熟，最終促使傳感器和測(cè)試儀器產(chǎn)品從實(shí)驗(yàn)室走向工程化和產(chǎn)業(yè)化。這些發(fā)展策略是值得國內(nèi)借鑒和大力推廣的有效途徑。

[1]Testing of a Microwave Blade Tip Clearance Sensor at the NASA Glenn Research Center，Mark R.Woike，James W.Roeder，Christopher E.Hughes，and Timothy J.Bencic，AIAA-2009-1452.