航空發(fā)動機轉子葉尖間隙及同心度變化規(guī)律研究

張龍，韓鵬卓，劉忠奎，周笑陽

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015)

航空發(fā)動機轉子葉尖間隙及同心度變化規(guī)律研究

張龍，韓鵬卓，劉忠奎，周笑陽

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015)

航空發(fā)動機轉子葉尖間隙及同心度是影響發(fā)動機性能和安全的重要參數(shù)。組建了一套電容法測試系統(tǒng)，并成功用于發(fā)動機風扇轉子葉尖間隙及同心度測量。通過分析測量數(shù)據(jù)，得到了發(fā)動機風扇轉子葉尖間隙及同心度隨轉速和時間的變化規(guī)律。結果表明：慢車以下狀態(tài)時，轉速升高，轉子葉尖間隙減小，轉子向下偏移；慢車以上狀態(tài)時，轉速升高，轉子葉尖間隙減小，轉子向上偏移；最大狀態(tài)時，部分測點存在較大葉尖間隙，同心度均不為零。

航空發(fā)動機；轉子；葉尖間隙；同心度；電容法；測試系統(tǒng)

1 引言

隨著氣動設計與試驗方法的不斷改進，航空發(fā)動機已發(fā)展到一個很高的技術水平，壓氣機和渦輪效率可分別達到86%、90%以上[1]。要進一步提高壓氣機和渦輪效率，除注重氣流參數(shù)選擇外，還應提高發(fā)動機結構設計水平，在保證安全的前提下盡可能減小轉子葉尖間隙及同心度。

國外在發(fā)動機轉子葉尖間隙測試技術的應用，及如何減小轉子葉尖間隙方面做了大量研究。CFM國際公司在開始研制CFM56發(fā)動機時，就努力縮小轉子的葉尖間隙及同心度而又使其摩擦最小[2]。美國GE公司研制了一種小型不冷卻測試裝置，可在運轉條件下測量高壓渦輪轉子葉尖間隙及同心度。目前，美、歐主要發(fā)動機公司已逐步將葉尖間隙傳感器作為發(fā)動機的一部分，以便給葉尖間隙主動控制提供更經(jīng)濟、便捷、準確的數(shù)值基礎[3]。國內(nèi)在轉子葉尖間隙及同心度對發(fā)動機性能影響計算方面的研究十分廣泛[4-8]，但轉子葉尖間隙測試技術的應用方面研究卻很少[9-11]。熊宇飛等[12-13]利用探針法獲得了發(fā)動機風扇轉子葉尖間隙，但該方法不能完成對轉子同心度及轉速6 000 r/min以下葉尖間隙的測量。

縱觀上述研究發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)容多是關注發(fā)動機冷態(tài)時轉子葉尖間隙、同心度，以及最大狀態(tài)時的轉子葉尖間隙，而忽視了過渡態(tài)的轉子葉尖間隙、同心度的變化規(guī)律，以及最大狀態(tài)時的轉子同心度。本文借助電容法測試系統(tǒng)，充分利用其靈敏度高、頻帶寬、動態(tài)特性好、功率小，以及在測量轉子葉尖間隙的同時還可檢測葉片到達時間信息的特點，測量得到某型發(fā)動機轉子葉尖間隙及同心度隨轉速、時間的變化規(guī)律，為進一步指導和驗證該型發(fā)動機的結構設計提供了基礎數(shù)據(jù)支持。

2 電容法測試系統(tǒng)

電容式傳感器是將被測量轉換為電容量的傳感器，其基本原理參考平板電容器原理，如公式(1)：

式中：C為電容值(F)；ε0為真空介電常數(shù)，且ε0=8.85× 10-12F/m；εr為極板間介質(zhì)的相對介電系數(shù)(無量綱)；A為極板間的重疊面積(m2)；d為極板間距離(m)。

電容法測試系統(tǒng)傳感器部分選取了高溫類三同軸電容傳感器；傳感器探頭后端接近發(fā)動機的部分選用三層雙屏蔽鎧裝電纜，以提高電纜的強度特性和耐溫性；鎧裝電纜后端配合柔性電纜，改裝柔性電纜便可以適當增加電纜長度，便于試驗現(xiàn)場走線、安裝；傳感器輸出信號采用專用電容測量模塊進行調(diào)理，其輸出設定為0～10 V電壓信號；電容模塊輸出的電壓信號通過兩芯屏蔽電纜連接到NI-PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；系統(tǒng)軟件是基于LabVIEW自主開發(fā)的轉子葉尖間隙測試與回放軟件，對轉子的葉尖間隙和同心度進行分析計算。同時在電容法測試系統(tǒng)的組件過程中，還專門設計一套電容傳感器校準設備和葉片定位設備。

3 測試系統(tǒng)安裝

某型發(fā)動機風扇一級、二級轉子各設置2個測點，一級定義為A、B測點，二級定義為C、D測點。測點軸向位置選在葉片集結線處，周向位置為發(fā)動機順航向順時針0°和180°，見圖1。圖中以正上方位置為0°起點，發(fā)動機旋轉方向為順航向順時針。

傳感器安裝在機匣上，其端面回縮到機匣內(nèi)部，以避免與葉片碰撞，保證試驗安全。用壓片將傳感器探頭固定在機匣上，用支架固定傳感器鎧裝電纜。傳感器電纜與電容測量模塊連接，其輸出用兩芯屏蔽電纜連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。轉速為同步的TTL頻率信號。數(shù)據(jù)采集軟件根據(jù)發(fā)動機結構設定轉子直徑、葉片數(shù)及葉尖厚度等參數(shù)，采集頻率設定為1 MHz，最低采樣點數(shù)設定為10 000個，定位方式選取為TTL信號上升沿定位。

4 數(shù)據(jù)分析

發(fā)動機試驗中，四路傳感器的電容信號經(jīng)電容測量模塊后形成原始電壓信號，將電壓信號及轉速信號同時接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)處理過程中，每隔固定時間，以固定采樣頻率采集轉子旋轉數(shù)據(jù)(至少一周)用于葉尖間隙分析。通過峰值提取方法，計算出每個葉片的葉尖間隙值，最后算出單級所有葉片葉尖間隙的平均值作為該測試點的平均葉尖間隙值。

4.1 原始電壓信號處理

圖2為發(fā)動機慢車穩(wěn)定運行時，在一級轉子A測點采集的葉片原始電壓信號。由圖可知：每個葉片掃過電容傳感器時都會形成一個電壓峰值信號，峰值點電壓與葉尖間隙大小相關，間隙越小峰值電壓越大。通過信號峰值點提取方法，可得到每個葉片產(chǎn)生的電壓峰值點，如圖中方格點所示。

由公式(1)可知，葉尖間隙與電容成反比，因此電容處理模塊在設計時輸出電壓與輸入葉尖間隙成非線性關系。模塊研制人員給出了一個標準的計算公式：

式中：Di為第i個葉片的葉尖間隙(mm)，Ui為第i個葉片產(chǎn)生的峰值點電壓(V)，a0、a1、a2、a3為葉尖間隙與峰值點電壓的校準系數(shù)。

在每個葉片葉尖間隙的基礎上，通過公式(3)計算得到轉子平均葉尖間隙。

式中：D為轉子平均葉尖間隙(mm)，n為轉子葉片數(shù)。

利用上述方法，可得到A、B、C、D測點的平均葉尖間隙。

4.2 轉子葉尖間隙變化規(guī)律

圖3給出了四個測點平均葉尖間隙隨轉速的變化。由圖中可知：A、B兩個測點葉尖間隙的整體變化趨勢是隨轉速的升高而減小，隨轉速的降低而增大。將A、B、C、D測點發(fā)動機冷態(tài)的相對葉尖間隙分別設置為1。A測點發(fā)動機最大狀態(tài)時的葉尖間隙為冷態(tài)時的0.06倍，葉尖間隙相對變化量為94%。B測點發(fā)動機最大狀態(tài)時的葉尖間隙為冷態(tài)時的0.45倍，葉尖間隙相對變化量為55%。C、D兩個測點葉尖間隙的整體變化趨勢與A、B測點的相同。其中C測點發(fā)動機最大狀態(tài)時的葉尖間隙為冷態(tài)時的0.22倍，葉尖間隙相對變化量為78%。D測點發(fā)動機最大狀態(tài)時的葉尖間隙為冷態(tài)時的0.54倍，葉尖間隙相對變化量為46%。

綜上所述，發(fā)動機風扇轉子葉尖間隙的整體變化規(guī)律為隨轉速的升高而減小，隨轉速的降低而增大。同時，當發(fā)動機某一狀態(tài)穩(wěn)定時，葉尖間隙呈現(xiàn)波動增大的趨勢。發(fā)動機從冷態(tài)到最大狀態(tài)，二級轉子的葉尖間隙相對變化量比一級轉子的小。發(fā)動機最大狀態(tài)時，實際測量結果顯示，只有一級轉子部分葉片在A點處接近零葉尖間隙，其他測點還存在較大的葉尖間隙。

4.3 轉子同心度變化規(guī)律

轉子同心度計算中，假設A(C)、B(D)兩點機匣變形量一致，用A(C)點與B(D)點分別測得的平均葉尖間隙值差值的1/2倍，近似代替轉子軸心與機匣幾何中心的同心程度。該值的絕對值越大，表明轉子軸心與機匣幾何中心的同心程度越差；該值為正值時，表明轉子軸心向B(D)點偏心；該值為負值時，則表明轉子軸心向A(C)點偏心。

圖4示出了一、二級轉子同心度隨轉速的變化。將A(C)測點發(fā)動機冷態(tài)的平均葉尖間隙設置為1，B(D)點平均葉尖間隙采用相對于A(C)測點的相對值。由圖4(a)可知：發(fā)動機冷態(tài)時一級轉子同心度為-0.14，表明一級轉子向A測點方向偏心0.14。隨著轉速的升高，轉子向B測點方向偏移。當發(fā)動機慢車穩(wěn)定運行時同心度為-0.07，表明轉子向A測點方向偏心0.07，這一過程中轉子向B測點方向偏移了0.07。隨著轉速的繼續(xù)升高，轉子掉轉偏移方向逐漸向A測點方向偏移。發(fā)動機最大狀態(tài)時同心度為-0.23，表明轉子向A測點方向偏心0.23，這一過程中轉子向A測點方向偏移了0.16。從圖4(b)可看出：發(fā)動機冷態(tài)時，二級轉子同心度為-0.05，表明二級轉子向C測點方向偏心0.05。隨著轉速的升高，轉子向D測點方向偏移。當發(fā)動機慢車穩(wěn)定運行時同心度幾乎為0，表明轉子軸心已回到機匣幾何中心，這一過程中轉子向D測點方向偏移了0.05。隨著轉速的繼續(xù)升高，轉子掉轉偏移方向逐漸向C測點方向偏移。發(fā)動機最大狀態(tài)時同心度為-0.18，表明這一過程中轉子向C測點方向偏移了0.18。發(fā)動機降轉過程中，一、二級轉子同心度的變化趨勢與升轉過程的趨勢相反。

綜上所述，發(fā)動機風扇轉子同心度的整體變化趨勢為：慢車以下轉速時，轉速升高轉子向下方偏移，轉速降低轉子向上方偏移；慢車以上轉速時，轉速升高轉子向上方偏移，轉速降低轉子向下方偏移。發(fā)動機工作過程中，同心度始終為負值，表明轉子一直處于向上方偏心的狀態(tài)。發(fā)動機停車與冷態(tài)時的同心度并不一致。

5 結論

(1)隨著轉速的升高，風扇轉子的葉尖間隙逐漸減小，反之則增大；發(fā)動機某一轉速穩(wěn)定運行時，葉尖間隙呈現(xiàn)波動增大的趨勢；發(fā)動機最大狀態(tài)時，四個測點中只有一個測點達到了零葉尖間隙，另外三個測點均存在較大葉尖間隙。

(2)慢車以下轉速時，轉速升高轉子向下方偏移，反之則向上方偏移；慢車以上轉速時，轉速升高轉子向上方偏移，反之則向下方偏移；發(fā)動機工作過程中，風扇轉子一直處于向上方偏心的狀態(tài)；發(fā)動機停車與冷態(tài)時的同心度并不一致。

(3)葉尖間隙值及同心度值都是以機匣本體作為參考零點，而試驗過程中機匣的周向變形量并不均勻，后續(xù)應用中應考慮周向變形的不均勻度。

(4)最大狀態(tài)時，部分測點仍存在較大葉尖間隙，因此需要綜合考慮各測點的葉尖間隙值、同心度值，反復優(yōu)化發(fā)動機設計與裝配，通過多次測量驗證，使發(fā)動機達到性能最佳。

(5)測點布置過少導致只能分析轉子縱向軸心同心度，后續(xù)應用過程中應適當增加測點，實現(xiàn)轉子縱向、橫向同心度的同時測量。

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Research on the variation of rotor blade tip clearance and concentricity for aero-engine

ZHANG Long，HAN Peng-zhuo，LIU Zhong-kui，ZHOU Xiao-yang
(AECC Shenyang Engine Research Institute，Shengyang 110015，China)

Aero-engine rotor blade tip clearance and concentricity are the important parameters which af?fect engine performance and safety.The capacitance method was applied in a certain type of engine test.By analyzing the fan rotor blade tip clearance and concentricity measurement data,the variation of the engine fan rotor blade tip clearance and concentricity with the speed and time were obtained.The results show that when the state is under the idle,the rotor blade tip clearance reduces and the rotor offsets down with the speed increasing;when the state is up the idle,the rotor blade tip clearance reduces and the rotor offsets up with the speed increasing;when the state is maximum,there is a big tip clearance in part of the measuring points and concentricity is not zero.

aero-engine；rotor；tip clearance；concentricity；capacitance method；test system

V231.3

：A

：1672-2620(2017)01-0044-04

2016-04-16；

：2016-08-01

張龍(1986-)，男，遼寧鐵嶺人，工程師，碩士，主要從事發(fā)動機測試研究。