張 龍, 趙天馳, 周笑陽(yáng)
(中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所,遼寧 沈陽(yáng) 110015)
作為飛機(jī)的心臟,航空發(fā)動(dòng)機(jī)被稱為工業(yè)皇冠上的明珠,其工作條件極為苛刻[1-2]。發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中,轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)靜件碰磨、轉(zhuǎn)子熱彎曲、轉(zhuǎn)子突加不平衡、轉(zhuǎn)子裂紋、轉(zhuǎn)子兩向剛性差別過(guò)大、轉(zhuǎn)子失穩(wěn)、轉(zhuǎn)子支承不同心、轉(zhuǎn)子支承結(jié)構(gòu)間隙松動(dòng)等都會(huì)帶來(lái)轉(zhuǎn)子軸向位移,進(jìn)而引起轉(zhuǎn)子的振動(dòng),帶來(lái)巨大的安全隱患。高壓渦輪轉(zhuǎn)子處于高溫、高壓、高離心負(fù)荷和狹小環(huán)境中,對(duì)軸向位移的要求更加苛刻。隨著現(xiàn)代航空工業(yè)的迅猛發(fā)展,要求發(fā)動(dòng)機(jī)指標(biāo)不斷提高。由于高壓渦輪轉(zhuǎn)子軸向位移過(guò)大導(dǎo)致振動(dòng)進(jìn)而引起的事故較多,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,嚴(yán)重制約了發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展,因此如何將高壓渦輪轉(zhuǎn)子軸向位移控制在一定范圍內(nèi),提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性已經(jīng)成為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[3]。針對(duì)航空渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子軸向位移設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)的問(wèn)題,可以通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決,然而發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程往往參考理論計(jì)算數(shù)據(jù),嚴(yán)重缺少真實(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。
目前,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位移測(cè)量研究主要關(guān)注葉尖徑向位移,對(duì)軸向位移測(cè)量的關(guān)注度并不高[4]。發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子軸向位移徑向測(cè)量方法的提出與實(shí)施,將為設(shè)計(jì)合理的轉(zhuǎn)靜子軸向間隙以避免出現(xiàn)碰磨、控制和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子軸向力和驗(yàn)證工作過(guò)程中軸向理論計(jì)算結(jié)果的正確性提供數(shù)據(jù)支持。通過(guò)多次數(shù)據(jù)測(cè)量,可建立轉(zhuǎn)靜子軸向位移變化的數(shù)據(jù)庫(kù),為發(fā)動(dòng)機(jī)總體方案設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。
國(guó)內(nèi)方面,趙雷團(tuán)隊(duì)一直致力于電磁軸承轉(zhuǎn)子軸向位移測(cè)量研究[5];楊啟超等[6]進(jìn)行了電渦流法測(cè)量渦旋壓縮機(jī)軸向位移的可行性研究;張麗紅等[7]開展了光纖傳感器在渦輪軸向位移檢測(cè)中的應(yīng)用研究。在這些理論研究中,研究的對(duì)象并不是真正的發(fā)動(dòng)機(jī),不適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子軸向位移測(cè)量。沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)開展了一些研究,目前部件試驗(yàn)器配備了軸向位移測(cè)試系統(tǒng),該套測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用了電渦流傳感器的工作原理測(cè)量試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子軸向位移,但該方法并不適用于整機(jī)測(cè)試。
國(guó)外對(duì)轉(zhuǎn)子軸向測(cè)試的研究起步較早,測(cè)試系統(tǒng)比較成熟,使用經(jīng)驗(yàn)豐富[8-9]。相比之下,國(guó)內(nèi)在轉(zhuǎn)子軸向位移測(cè)試與控制技術(shù)方面尚處于起步階段,距離國(guó)外現(xiàn)有水平有一定的差距。但是無(wú)論是國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家,還是國(guó)內(nèi)的有關(guān)集團(tuán)、院校,所提出的軸向位移測(cè)試方法都不適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子軸向位移的測(cè)量[10-11]。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子軸向位移測(cè)量方面,國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有開展相關(guān)的技術(shù)研究。
本文針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子軸向位移測(cè)量難題,提出了一種軸向位移徑向測(cè)量的方法。該方法采用耐高溫電容傳感器作為測(cè)量探頭,滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)測(cè)試環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
使用電容傳感器進(jìn)行高壓渦輪轉(zhuǎn)子徑向位移的測(cè)量,該測(cè)量方法利用了平行板電容器的工作原理,固定在機(jī)匣中的傳感器探頭構(gòu)成電容的一個(gè)電極,而高壓渦輪轉(zhuǎn)子的葉尖構(gòu)成電容的另一個(gè)電極。電容傳感器探頭與葉尖之間產(chǎn)生感應(yīng)電容,該電容的電容值是探頭幾何形狀、葉尖幾何形狀、兩極間距離和兩極間介質(zhì)的函數(shù),由于電容探頭和轉(zhuǎn)子葉尖的幾何形狀以及兩者之間的介質(zhì)為常數(shù),因此電容的大小只是兩極間距離的函數(shù),即電容值變化與高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉尖徑向位移的變化存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)這一函數(shù)關(guān)系,即可根據(jù)傳感器輸出的電容值計(jì)算出轉(zhuǎn)子徑向位移。
葉尖掃過(guò)電容傳感器探頭端面時(shí),會(huì)產(chǎn)生變化的電容值,為方便數(shù)據(jù)的采集與分析,將變化的電容值解調(diào)后轉(zhuǎn)換為變化的電壓值。根據(jù)平行板電容器的工作原理,在葉尖掃過(guò)探頭端面的過(guò)程中,當(dāng)葉尖由遠(yuǎn)及近時(shí),電容值越來(lái)越大,電壓值遞增;當(dāng)葉尖由近及遠(yuǎn)時(shí),電容值越來(lái)越小,電壓值遞減。由此可知,在葉尖掃過(guò)探頭時(shí),傳感器的輸出電壓呈現(xiàn)出先增大再減小的趨勢(shì),即輸出電壓存在峰值。通常情況下,發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片為單個(gè)葉尖結(jié)構(gòu),當(dāng)一個(gè)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片掃過(guò)電容傳感器探頭時(shí)便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)峰值電壓。而高壓渦輪轉(zhuǎn)子的葉尖結(jié)構(gòu)特殊,為雙側(cè)葉尖結(jié)構(gòu),如圖1所示。圖1中包含3片高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片,黑色邊框部分為葉尖,Y向?yàn)楦邏簻u輪轉(zhuǎn)子周向旋轉(zhuǎn)方向,X向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)軸向方向,且X正方向?qū)?yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)軸向后方向。傳感器安裝于高壓渦輪機(jī)匣上,位于轉(zhuǎn)子葉尖正上方,與X、Y向垂直。由此可推斷,當(dāng)高壓渦輪轉(zhuǎn)子周向旋轉(zhuǎn)且一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片掃過(guò)傳感器探頭端面時(shí),會(huì)產(chǎn)生2個(gè)峰值電壓。對(duì)于一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片所產(chǎn)生的2個(gè)峰值電壓,這2個(gè)峰值電壓之間的距離可以反映該葉片兩側(cè)葉尖的距離,而兩側(cè)葉尖的距離會(huì)隨著轉(zhuǎn)子發(fā)生軸向運(yùn)動(dòng)而改變,因此要想實(shí)現(xiàn)軸向位移的測(cè)量必須知道2個(gè)峰值電壓之間的距離。通過(guò)計(jì)算,由2個(gè)峰值電壓之間的距離可以得到兩側(cè)葉尖之間的相對(duì)距離。為方便表述,將高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片兩側(cè)葉尖之間的相對(duì)距離定義為“葉尖形貌”。
圖1 高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉尖示意圖
通過(guò)徑向測(cè)量的方式實(shí)現(xiàn)高壓渦輪轉(zhuǎn)子軸向位移測(cè)量的模型如圖2所示。電容傳感器安裝于高壓渦輪機(jī)匣上,空間位置相對(duì)靜止。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于某一狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉尖位于圖2中標(biāo)號(hào)2的位置,此時(shí)電容傳感器測(cè)量得到一個(gè)“葉尖形貌”。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí),高壓渦輪轉(zhuǎn)子負(fù)載發(fā)生變化,進(jìn)而導(dǎo)致高壓渦輪轉(zhuǎn)子整體沿軸向向后移動(dòng),高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉尖運(yùn)動(dòng)到圖2中標(biāo)號(hào)3的位置,此時(shí)電容傳感器測(cè)量得到另一個(gè)“葉尖形貌”。以此類推,在一定的軸向位移范圍內(nèi),高壓渦輪轉(zhuǎn)子軸向位移與“葉尖形貌”存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。試驗(yàn)前,通過(guò)校準(zhǔn)試驗(yàn)建立起“葉尖形貌”與軸向位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系;試驗(yàn)時(shí),根據(jù)建立的對(duì)應(yīng)關(guān)系,即可通過(guò)測(cè)量“葉尖形貌”計(jì)算出真實(shí)的軸向位移量。對(duì)于圖2中的葉尖,“葉尖形貌”增大表明轉(zhuǎn)子向后移動(dòng),“葉尖形貌”減小表明轉(zhuǎn)子向前移動(dòng)。
1—電容傳感器;2—高壓渦輪轉(zhuǎn)子發(fā)生軸向移動(dòng)前的葉尖位置;3—高壓渦輪轉(zhuǎn)子發(fā)生軸向移動(dòng)后的葉尖位置。
圖3為軸向位移校準(zhǔn)平臺(tái)方案圖,該平臺(tái)定位精度為0.01 mm,校準(zhǔn)精度為0.002 mm,為了保證校準(zhǔn)精度,整個(gè)平臺(tái)固定在隔振基座上。校準(zhǔn)平臺(tái)具備傳感器安裝座和轉(zhuǎn)子葉尖夾具,能夠固定電容傳感器和高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉尖;能夠進(jìn)行多個(gè)方向的運(yùn)動(dòng),使傳感器和被測(cè)轉(zhuǎn)子葉尖可獲得空間中七自由度的調(diào)節(jié),從而模擬電容傳感器和高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉尖在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上真實(shí)的安裝姿態(tài)。校準(zhǔn)平臺(tái)具備程序控制功能,通過(guò)編程可控制各自由度調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),以此動(dòng)態(tài)調(diào)整被測(cè)轉(zhuǎn)子葉尖與傳感器的相對(duì)位置,從而實(shí)現(xiàn)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中高壓渦輪轉(zhuǎn)子軸向位移,并配備了光柵尺能夠測(cè)量軸向位移大小。
1—隔振基座;2—精密徑向位移平臺(tái);3—支撐板;4—被測(cè)轉(zhuǎn)子葉尖;5—軸向位移傳感器;6—傳感器安裝座;7—B向角度調(diào)整平臺(tái);8—Z向位移調(diào)整平臺(tái);9—X向位移調(diào)整平臺(tái);10—Y向往復(fù)式直線電機(jī);11—C向旋轉(zhuǎn)平臺(tái);12—調(diào)“零”設(shè)備;13—微米級(jí)傳感器;14—A向旋轉(zhuǎn)平臺(tái);15—轉(zhuǎn)子葉尖夾具;16—軸向?qū)?zhǔn)設(shè)備。
在進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí),編寫程序使校準(zhǔn)平臺(tái)利用直線電機(jī)帶動(dòng)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉尖沿圖3中的Y向往復(fù)運(yùn)動(dòng),以此模擬高壓渦輪轉(zhuǎn)子周向旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)葉尖掃過(guò)電容傳感器探頭的過(guò)程。經(jīng)計(jì)算,該模擬方法帶來(lái)的軸向位移測(cè)量差異約為0.000 1 mm,對(duì)測(cè)量精度造成的影響可忽略不計(jì)。校準(zhǔn)平臺(tái)配備了高速采集系統(tǒng),并在上位機(jī)中內(nèi)置了專用的電壓峰值檢測(cè)軟件,從而能夠采集到轉(zhuǎn)子葉尖掃過(guò)傳感器探頭過(guò)程中電容傳感器輸出的電壓信號(hào),并計(jì)算出“葉尖形貌”。
此外,校準(zhǔn)平臺(tái)還可通過(guò)編程來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電容傳感器與被測(cè)轉(zhuǎn)子葉尖的徑向相對(duì)運(yùn)動(dòng)(圖3中的X向),能夠利用精密徑向位移運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)徑向位移的精細(xì)變化,并通過(guò)微米級(jí)傳感器測(cè)量出徑向位移的大小。
如圖4所示,高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉尖掃過(guò)電容傳感器電極端面時(shí)會(huì)產(chǎn)生雙峰電壓波形,通過(guò)該波形雙峰之間的距離值可以計(jì)算得到“葉尖形貌”。校準(zhǔn)試驗(yàn)的目的是建立起軸向位移和“葉尖形貌”的關(guān)系,然而通過(guò)校準(zhǔn)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)測(cè)量得到的“葉尖形貌”與真實(shí)的“葉尖形貌”并不完全一致,“葉尖形貌”除了受到軸向位移影響外,還會(huì)受到徑向位移的影響。也就是說(shuō),軸向位移與“葉尖形貌”的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系需要建立在同一徑向位移的條件下。因此,為了獲得軸向位移與“葉尖形貌”更全面的對(duì)應(yīng)關(guān)系,需要建立不同徑向位移條件下的軸向位移與“葉尖形貌”的關(guān)系表達(dá)形式。
圖4 轉(zhuǎn)子葉片掃過(guò)電容傳感器產(chǎn)生的雙峰波形
為了更簡(jiǎn)潔地呈現(xiàn)出徑向位移、“葉尖形貌”和軸向位移三者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在校準(zhǔn)試驗(yàn)中,采用矩陣的表達(dá)形式。某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子軸向位移校準(zhǔn)數(shù)據(jù)矩陣如表1所示。其中,徑向位移與軸向位移的交叉點(diǎn)為“葉尖形貌”。
表1 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)矩陣 單位:mm
航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)過(guò)程中,當(dāng)某一狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后,高壓渦輪轉(zhuǎn)子徑向位移也會(huì)穩(wěn)定在某一值,這時(shí)可以測(cè)量得到“葉尖形貌”值和徑向位移值,然后通過(guò)該校準(zhǔn)數(shù)據(jù)矩陣找到對(duì)應(yīng)的軸向位移值,從而實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子軸向位移的測(cè)量。
軸向位移徑向測(cè)量系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。該系統(tǒng)包括耐高溫電容傳感器、信號(hào)處理模塊、NI PXIe-6378型數(shù)采系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)。其中,電容傳感器耐溫上限為1 400 ℃、測(cè)量精度為0.01 mm,用于測(cè)量徑向位移和“葉尖形貌”,徑向位移測(cè)量精度受到多種因素影響,可通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)、裝配過(guò)程控制和試驗(yàn)過(guò)程控制的措施保障測(cè)試精度[12]。軸向位移測(cè)量精度優(yōu)于0.1 mm,該結(jié)果通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證得出。轉(zhuǎn)子葉尖最高通過(guò)頻率為200 Hz,信號(hào)處理模塊頻響范圍為5 Hz~200 kHz,數(shù)采系統(tǒng)單通道采集頻率為3.5 MS/s,滿足測(cè)量要求。計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝了基于LabVIEW平臺(tái)自主編制的監(jiān)視測(cè)試軟件,在測(cè)量徑向位移和“葉尖形貌”的基礎(chǔ)上,通過(guò)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)矩陣實(shí)時(shí)計(jì)算高壓渦輪轉(zhuǎn)子軸向位移值。
圖5 軸向位移徑向測(cè)量系統(tǒng)原理框圖
在某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)中開展了高壓渦輪轉(zhuǎn)子軸向位移徑向測(cè)量研究。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜,空間狹小,流道內(nèi)環(huán)境惡劣,在試驗(yàn)中開展測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)還解決了以下難題:多層機(jī)匣傳感器安裝問(wèn)題、狹小空間走線問(wèn)題、傳感器耐高溫冷卻問(wèn)題和結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致的應(yīng)力過(guò)大問(wèn)題。試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)歷了從啟動(dòng)、慢車到最大狀態(tài),然后中間停留多個(gè)狀態(tài),之后慢車、停車的過(guò)程。
發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子軸向位移與轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖6所示。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知,該型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸向位移的整體變化趨勢(shì)為:在發(fā)動(dòng)機(jī)升轉(zhuǎn)速過(guò)程中,高壓渦輪轉(zhuǎn)子負(fù)載逐漸增加,軸向位移逐漸增大,轉(zhuǎn)子會(huì)沿軸向向后移動(dòng);在發(fā)動(dòng)機(jī)降轉(zhuǎn)速過(guò)程中,高壓渦輪轉(zhuǎn)子負(fù)載逐漸減小,軸向位移逐漸減小,轉(zhuǎn)子會(huì)沿軸向向前移動(dòng)。該型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸向位移在局部狀態(tài)呈現(xiàn)出轉(zhuǎn)速增加、軸向位移減小和轉(zhuǎn)速降低、軸向位移增大的變化趨勢(shì),即軸向位移存在波動(dòng)。整個(gè)試驗(yàn)涉及升轉(zhuǎn)速、降轉(zhuǎn)速過(guò)程的2個(gè)慢車狀態(tài),分別為圖6中750~3 000 s、24 750~25 500 s,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)穩(wěn)定,轉(zhuǎn)速不變,但發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸向位移呈現(xiàn)先減小后增大和先增大后減小的變化規(guī)律。該現(xiàn)象主要是由于溫度、壓力對(duì)轉(zhuǎn)子軸向位移的影響滯后于轉(zhuǎn)速的影響。發(fā)動(dòng)機(jī)在停車時(shí)轉(zhuǎn)子存在軸向位移,并沒(méi)有完全回到初始位置,這與溫度帶來(lái)的滯后性有關(guān)。綜上所述,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸向位移測(cè)量值的變化趨勢(shì)與理論分析結(jié)果基本一致,部分穩(wěn)態(tài)、過(guò)渡態(tài)轉(zhuǎn)子軸向位移的變化規(guī)律對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)具有重要意義。
圖6 某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子軸向位移與轉(zhuǎn)速的變化曲線
本文提出了一種發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子軸向位移徑向測(cè)量方法,采用該測(cè)量方法完成了某型發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試,結(jié)果表明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)高壓渦輪轉(zhuǎn)子的軸向位移測(cè)量。本方法的主要優(yōu)點(diǎn)包括:① 提出了軸向位移徑向測(cè)量的思想,實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)狀態(tài)下高壓渦輪轉(zhuǎn)子軸向位移測(cè)量;② 通過(guò)校準(zhǔn)方法的研究和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)矩陣的建立,解決了“葉尖形貌”與軸向位移關(guān)系模型問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了軸向位移測(cè)量,且發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試改裝工程量小,技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)低,測(cè)量效率高;③ 測(cè)量方式為非接觸式測(cè)量,探頭尺寸小,耐溫可達(dá)1 400 ℃,無(wú)須配備外部冷卻系統(tǒng),成本低;④ 基于成熟的電容法進(jìn)行研制設(shè)計(jì),測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定性高、可靠性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣。