夏桂書， 吳虹星， 魏永超， 武興焜

(1. 中國民用航空飛行學(xué)院航空電子電氣學(xué)院，四川 廣漢 618307; 2. 中國民用航空飛行學(xué)院科研處，四川 廣漢 618307)

0 引 言

航空發(fā)動機(jī)通過葉片的高速旋轉(zhuǎn)對氣體進(jìn)行壓縮和膨脹從而產(chǎn)生動力，是航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件之一，其形狀尺寸和質(zhì)量決定著發(fā)動機(jī)的性能與安全[1-3]。實際工況下，葉片受復(fù)雜應(yīng)力作用，其型面會發(fā)生改變，導(dǎo)致葉片性能降低甚至發(fā)生斷裂，造成發(fā)動機(jī)性能衰退影響飛行安全[2-6]。目前針對發(fā)動機(jī)葉片所開展的關(guān)于其應(yīng)力、振動、斷裂、型面性能等研究，大多基于ANSYS/CFX或相關(guān)仿真軟件平臺進(jìn)行仿真分析，步驟為先對實驗葉片進(jìn)行曲面建模后導(dǎo)入仿真軟件，再對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、定義流場邊界并施加約束，設(shè)置好邊界和初始條件后對葉片模型進(jìn)行相應(yīng)的有限元分析[4-9]，而對處于實際旋轉(zhuǎn)狀況下的航空發(fā)動機(jī)葉片缺乏有關(guān)的研究分析。

針對上述問題，本課題組[10]設(shè)計開發(fā)了高速狀態(tài)下光電采集系統(tǒng)，并應(yīng)用于動態(tài)測量發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片三維面型[11]，在高速渦輪風(fēng)機(jī)和實際壓氣機(jī)葉片中展開了測量實驗，完成了高速轉(zhuǎn)動下，葉片的三維型面重建分析，相較于葉片建模仿真分析更具實際意義。

為了研究旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下實際葉片的形變與轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，本文在前期開發(fā)的高速動態(tài)三維測量系統(tǒng)基礎(chǔ)上，利用航空發(fā)動機(jī)葉片仿真實驗平臺，開展了發(fā)動機(jī)葉片和轉(zhuǎn)速的耦合規(guī)律研究。通過采集200～2 500 r/min 轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)發(fā)動機(jī)葉片數(shù)據(jù)，完成三維葉片型面重建，分析了葉片旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下加速和減速過程的形變規(guī)律，并對轉(zhuǎn)速區(qū)間葉片數(shù)據(jù)采樣，進(jìn)一步分析了轉(zhuǎn)速和葉片型面變化規(guī)律。

1 測量系統(tǒng)原理

測量系統(tǒng)工作流程如圖1所示，其測量原理為高速同步采集系統(tǒng)計數(shù)被測葉片數(shù)量并輸出觸發(fā)信號，相機(jī)同步接收觸發(fā)信號進(jìn)行同一葉片形變圖像抓拍[10-11]。

圖1 工作流程圖

測試前先對單片機(jī)程序初始化，激光對射傳感器接收端在發(fā)射端激光被遮擋時輸出低電平，未被遮擋時輸出高電平。葉片轉(zhuǎn)動遮擋激光時，對射激光傳感器輸出低電平觸發(fā)單片機(jī)外部中斷并執(zhí)行程序，此時單片機(jī)通過累加器接收高轉(zhuǎn)速下的脈沖信號數(shù)目，根據(jù)實驗涉及被測發(fā)動機(jī)葉片數(shù)量設(shè)置緩存信號數(shù)目[10-11]，若AVR單片機(jī)接收到激光對射傳感器所傳送的脈沖信號達(dá)到設(shè)定緩沖葉片數(shù)目后，則輸出30 μs寬度的脈沖信號觸發(fā)相機(jī)工作進(jìn)行測量，否則繼續(xù)對脈沖信號計數(shù)。

葉片三維型面測量基于傅里葉變換輪廓術(shù)，其是一種基于空間濾波的單幀光柵投影法，測量時將編碼的條紋結(jié)構(gòu)光投影在葉片表面，只需一幅經(jīng)被測物體調(diào)制的條紋圖像即可解算出相位進(jìn)行三維重建，適用于進(jìn)行動態(tài)過程的三維形貌高速精確測量[11-17]。

2 實驗裝置

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由被測葉片、同步模塊和三維測量系統(tǒng)組成。

圖2 系統(tǒng)整體示意圖

實驗所涉及葉片為某型號航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的第三級葉片，其轉(zhuǎn)速由具有負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)的伺服控制器進(jìn)行精確控制。

同步模塊由激光對射傳感器、單片機(jī)和PWM放大驅(qū)動組成，根據(jù)實驗要求選取某型對射激光傳感器，發(fā)射端光源波長為650 nm，測量距離為200 cm，電信號翻轉(zhuǎn)時間為納秒級，滿足誤差精度要求；AVR單片機(jī)采用16 MHz晶體振蕩器的Arduino UNO作為主控芯片[10-11]；PWM放大驅(qū)動主要由MOS管與三極管構(gòu)成，用于將AVR單片機(jī)輸出的脈沖信號幅值增大，從而驅(qū)動工業(yè)相機(jī)工作實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集[18]。

三維測量系統(tǒng)由工業(yè)相機(jī)和投影光柵組成。其中CCD工業(yè)相機(jī)采用Baumer HGX型千兆網(wǎng)相機(jī)，分辨率為 2 048×1 024 pixel，采集的圖像分辨率設(shè)置為1 024×800 pixel并使葉片位于相機(jī)視場中心；投影光柵選擇LCD投影儀，具有光源穩(wěn)定、色彩飽和度高等特點(diǎn)。

系統(tǒng)精度由多次測量標(biāo)準(zhǔn)陶晶平面并計算均方差近似得到為0.05 mm，測量誤差主要來源于高轉(zhuǎn)速下平臺振動對葉片測量產(chǎn)生影響。實驗平臺實際工作圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)實際工作圖

3 實驗結(jié)果與分析

實驗采集的葉片數(shù)據(jù)是某型發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)第三級葉片，葉片轉(zhuǎn)速經(jīng)伺服驅(qū)動器進(jìn)行控制，在速度控制模式下，通過檢測伺服電機(jī)編碼器信號進(jìn)行負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)。實驗被測葉片轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為 0～2 500 r/min，根據(jù)實驗條件設(shè)置相應(yīng)的采集方案：相機(jī)以自適應(yīng)幀率采集發(fā)動機(jī)葉片從200 r/min到2 500 r/min 加速階段、從 2 500 r/min 到 200 r/min 減速階段的圖像數(shù)據(jù)。

3.1 葉片加速、減速過程形變分析

圖4為葉片在伺服控制器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍內(nèi)三維重構(gòu)后的圖像數(shù)據(jù)，并從葉片的葉寬與葉長方向分別選取三條截線，得到截線數(shù)據(jù)點(diǎn)在2 500 r/min轉(zhuǎn)速相對于200 r/min轉(zhuǎn)速下的形變量分布情況，如圖5所示，其中紅線數(shù)據(jù)為加速階段、藍(lán)線數(shù)據(jù)為減速階段。

圖4 重構(gòu)葉片的葉寬和葉長形變分析截線

由圖5可知，葉片處于加速、減速狀態(tài)時，葉片型面變化曲線趨勢趨近一致且呈現(xiàn)非線性，但葉片加速時形變量更大，形變范圍也更大，說明葉片工作在加速狀態(tài)時型面變化較大。

圖5 加速、減速階段葉片形變量

從圖中可以看出，靠近葉根位置附近葉片形變分布呈現(xiàn)振蕩變化特點(diǎn)，說明葉片此處型面變化規(guī)律出現(xiàn)變化，葉片性能易發(fā)生改變。葉片截線數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表1所示，葉片截線處理結(jié)果顯示，加速階段葉片型面形變量變化范圍為0～0.19 mm，減速階段為0～0.08 mm，葉片加速階段形變量變化范圍大于減速階段，且靠近葉尖部分形變量大，說明葉片處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時有拉伸變長的形變趨勢，加速工作時葉尖易發(fā)生形變造成磨損和碰撞。

表1 葉片截線分析結(jié)果

3.2 葉片加速、減速過程采樣分析

對圖4所選葉寬和葉長截線上的數(shù)據(jù)分別采樣9個點(diǎn)，分析每個采樣點(diǎn)在不同轉(zhuǎn)速時刻下的形變量變化特點(diǎn)。圖6所示為采樣點(diǎn)加速、減速階段形變量變化趨勢曲線，數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，隨著轉(zhuǎn)速增加葉片型面變化增加，轉(zhuǎn)速與葉片形變量呈現(xiàn)非線性關(guān)系，同一采樣點(diǎn)在加速、減速階段型面變化趨勢一致，且在加速時型面變化較平緩，減速時波動較大。

圖6 采樣點(diǎn)加速、減速階段形變量變化趨勢

圖4（a）采樣點(diǎn)5轉(zhuǎn)速與形變分析結(jié)果如表2所示，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示隨著試驗臺轉(zhuǎn)速增加，采樣點(diǎn)5形變量增大；轉(zhuǎn)速降低，形變量減小，說明隨著轉(zhuǎn)速增加葉片中部形變也在增加。因此相較于減速狀態(tài)，葉片加速工作時，型面變化增大從而影響其性能。

表2 采樣點(diǎn)5轉(zhuǎn)速與形變關(guān)系

4 結(jié)束語

本文基于航空發(fā)動機(jī)葉片動態(tài)檢測系統(tǒng)和模擬工況實驗平臺，采集高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)第三級葉片圖像數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)重建技術(shù)，重構(gòu)分析了工況下的發(fā)動機(jī)葉片型面變化，通過比較分析加速、減速階段葉片型面變化，得到葉片型面變化曲線趨勢趨近一致且呈現(xiàn)非線性特點(diǎn)。并對重構(gòu)數(shù)據(jù)抽樣，進(jìn)一步分析了不同轉(zhuǎn)速時刻下，轉(zhuǎn)速和葉片型面形變的耦合規(guī)律，說明葉片形變隨著轉(zhuǎn)速的增加也在增加，葉片在發(fā)動機(jī)處于加速狀態(tài)時更易發(fā)生摩擦磨損情況。