航空發動機葉片振動微波測量技術研究

(廈門乃爾電子有限公司，福建 廈門 361000)

發動機是所有航空裝備的“心臟”,對飛機而言，發動機決定著其飛行速度、機動性、航程、有效載重、可靠性、經濟性和環境適應能力。在我國航空發動機以往所發生的各類重大斷裂失效事件中，轉動部件的斷裂失效高達80%以上，其中主要是轉子系統中的葉片、盤、軸及軸承以及轉動系統中的齒輪等[1-3]。

由于航空發動機轉子葉片數量多，工作條件惡劣，因而其失效概率相對較高。據統計，在發動機零部件的失效事件中，轉子葉片占70%以上。其中葉片斷裂失效出現的概率最高，其危害性也最大，除因外物撞擊造成的葉片瞬時過載斷裂外，絕大多數是由各種原因引起的不同類型的疲勞斷裂失效，它的主要原因是離心力疊加彎曲應力引起的疲勞斷裂、由振動環境引起的顫振、扭振共振、彎曲振動疲勞斷裂以及高溫疲勞、腐蝕損傷導致的疲勞斷裂。

葉片的損壞絕大多數與振動有關，更確切地說，葉片損壞多屬于振動強度問題，即在穩態載荷產生的穩態應力之外，還有振動產生的動應力，葉片材料在這種負荷應力作用下，耐振強度會因腐蝕、應力集中等因素的影響而顯著下降，當葉片經受多次應力循環的作用，耗盡了材料的抗力，就導致葉片失效。同時葉片調頻不準與結構上存在應力集中等使得葉片振動嚴重，加速葉片的疲勞失效[4-5]。

目前國內外航空發動機葉片振動測量分為接觸式和非接觸式兩種方式，包括應變片式、電容式、電渦流式、激光式、超聲波式和聲響應式等。整體上逐漸從早前的接觸式轉變為非接觸式測量。

1 葉片振動微波測量方法

本方法是對準葉片發射連續波24 GHz微波信號，信號遇到葉尖后發生反射，后端通過處理反射信號與發射信號之間的關系，確定葉片葉尖位置，測量葉片振動幅值大小。

葉片振動參數測試的基本原理是采用4個微波傳感器按照一定角度間隔安裝，并且與指示傳感器之間成一定角度，采用葉尖定時方法測量葉片到達每個探頭時的振動位移，再結合4個探頭測到的振動位移和它們之間的夾角采用數據擬合的方法擬合出葉片振動的正弦曲線，由擬合的正弦振動曲線可知葉片的振幅、振動頻率和相位等信息[6-7]。

1.1 振動位移測量原理

振動位移是指葉片正對微波探頭時，由于葉片振動葉尖偏離平衡點的位移值，是葉片振動的瞬時值，因此振動位移具有正負符號。

圖1為葉片振動位移測量示意圖。以葉片經過微波探頭1時的振動位移測量方法進行說明。

圖1 葉片振動位移測量方法示意圖

已知指示傳感器AN和微波探頭1之間的夾角為α1，因此指示傳感器AN和微波探頭1之間的弧長d1=2πRα1/360,其中R為葉片旋轉時的旋轉半徑。

以銷釘在葉片根部為例說明，指示傳感器正對銷釘采集到一個脈沖信號，每轉產生一個脈沖信號。指示傳感器AN和微波探頭1同步采集的信號如圖2所示。其中T為指示傳感器采集到脈沖信號的周期，因此葉尖線速度為v=2πR/T。t1為銷釘正對指示傳感器到葉片正對微波探頭1所經歷的時間。因此，指示傳感器AN和此時葉片平衡位置之間的弧長d2=t1v=2πRt1/T。

圖2 指示傳感器和微波探頭1信號時序示意圖

葉片在微波探頭1位置的振動位移Δd=d2-d1。

每個葉片在每個微波探頭位置時的振動位移均可按照此方法計算，由于每個微波探頭相對指示傳感器的安裝角度不一樣，因此葉片在不同微波探頭位置的振動位移也一樣。

1.2 葉片振動參數計算

當葉片同步振動時，葉片的振動頻率與轉速頻率成整數倍關系，因此同一葉片每轉經過同一個微波探頭時的振動相位是相同的，振動位移也不變，葉片經過微波探頭的振動位移如圖3所示。

圖3 葉片在4個微波探頭位置的振動位移

實際測試時存在信號噪聲和測量誤差，一般取一段時間內的振動位移的平均值作為這段時間的平均振動位移。

由于葉片振動時按照正弦規律振動，已知每個探頭的安裝角度和前面測量的葉片振動位移，可按照正弦規律擬合葉片的振動曲線。由圖3的振動位移擬合的正弦曲線如圖4所示。根據擬合的正弦曲線可知葉片的振幅、振動頻率和振動相位等曲線。

圖4 振動位移擬合的葉片振動曲線

每個葉片可根據獨立測量的4個微波探頭振動位移擬合出新的葉片振動波形，從而得到葉片的振動參數。

2 葉片應力與振幅仿真分析

目的：模擬結構承受不同頻率的正弦體載荷(運行于不同速度)的模態響應。

約束：將定位孔的內圓柱面固定。

激勵：加入葉頂處的外部諧波載荷f(t)=Fsinωt,其中ω為激振頻率，范圍為 310～338 Hz，均分成 100 個點做分析，如圖5所示。

阻尼設為 0.02；mode supersition 法求解。

圖5 邊界條件

2.1 頻率-位移曲線

葉片在324.07 Hz，95.866°時達到共振，取此刻數值考察貼片中心應力和葉尖處位移的關系，如圖6所示。

圖6 頻率-位移曲線

2.2 激勵-應力關系

通過調節諧波激勵，得到仿真共振點正弦激勵-應力關系，如圖7所示。

圖7 葉片應力和諧波激勵變化關系

由圖7可知，諧波載荷與貼片中心應力成線性關系。取 0.1 N 的貼片中心考察結果如圖8和圖9所示。

2.3 微波-仿真結果對比

對比方法如下：

① 因為葉片組的位移與應力成比例關系，將仿真應力調至與應變片應力相等，即可得到對應的仿真位移。

圖8 貼片中心主應力

圖9 葉尖位移

② 仿真得到的僅是單方向的位移值，而應變片是取共振過程的峰峰值，應將仿真位移值乘以2后再與微波實測的峰峰值做對比。

③ 取一次試驗中波峰左右固定時間內，每次取同一2 s內的時間段數據，應變片電壓與微波峰峰值對比如圖10所示。

圖10 微波-仿真位移對比圖

由上可知，6次微波測試結果和應變片電壓仿真結果一致性較好，微波振幅曲與仿真曲線基本吻合，偏差比較小。

3 應變片測試葉片振動原理

應變片的電阻阻值會隨著應變片的形變而發生變化。把應變片貼在葉片振動形變量相對變化較明顯的位置，應變片的電阻阻值隨著葉片振動而變化。應變片的信號采集過程如圖11所示。在電橋應變片上的兩端加上12 V電源，另外兩端輸出應變片阻值變化產生的差分電壓信號，該信號經過調理器放大和調零輸出到數據采集卡，數據采集卡和微波采集系統同步采集應變片的信號。

圖11 應變片信號采集過程

由于應變片直接貼在葉片上，可實時采集葉片整個振動過程的信號。采集的應變片和指示傳感器信號如圖12所示。根據指示傳感器的位置，可測量葉片在探頭附近時葉片的峰峰值電壓。

圖12 應變片和指示傳感器信號

根據應變片貼在葉片上振動的模型仿真，可知葉尖的振幅和應變片峰峰值電壓之間的對應關系。實驗過程中，實時采集應變片信號，計算葉片在探頭附近的峰峰值電壓，再乘上之間的比例系數即可得到葉尖的振幅。

4 葉片振動微波測試與應變片測試對

比系統

實驗系統結構設計如圖13所示。4個微波傳感器間隔36°角分布，用于測試每個葉片到達每個微波探頭的時間點。銷釘安裝與葉片根部位置，指示傳感器經過其上方時產生脈沖信號，用于作為每轉的起始時刻點，同時用于測量每一轉的轉速。應變片貼于被測葉片的靠近根部位置，信號線通過引電滑環引出接到信號調理器，調試器輸出接到機箱采集。機箱實現對4個微波傳感器信號，1路指示傳感器信號和1路應變片信號同步采集。機箱采集信號經過千兆交換機傳輸到服務器上，服務器上的應用軟件實時分別獨立采用微波信號測量葉片振幅和應變片測量葉片振幅，對比兩種測量方法的葉片振幅變化趨勢，同時實現結果顯示、保存等功能。

5 實時測試結果

整個測試過程的轉速變化趨勢如圖14所示。測試的轉速比較平穩，整個變化過程基本成線性變化。轉速變化范圍從4700～5100 r/min勻速上升。測試時間在135 s左右。

圖13 實驗測試系統結構

圖14 轉速變化趨勢

5.1 微波測試葉片振幅

微波測試葉片在4個微波探頭位置的振動位移的變化趨勢如圖15所示。4條曲線分別對應4個探頭測試到的葉片振動位移。探頭1最靠近指示傳感器。曲線上每個點為2 s內的平均振動位移。

圖15 葉片振動位移變化趨勢

把每2 s內4個探頭測試的葉片平均振動位移做數據擬合得到葉片的振動波形，取葉片振動波形的峰峰值即為葉片的振幅。葉片振幅的變化趨勢如圖16所示。圖中每個時刻的振幅與圖9的振動位移相對應，即由同一時刻的振動位移擬合得到。

圖16 微波信號葉片振幅變化趨勢

圖17為第68 s處振動位移擬合的葉片振動波形。4個微波探頭位置的振動位移與擬合后振動曲線在同樣位置處的振動位移值很接近，4個振動位移點基本都落在振動曲線上。擬合的葉片振動效果與實際的比較接近，通過振動位移的擬合能夠比較準確地測量葉片振幅。

圖17 葉片振動波形擬合

5.2 應變片測試葉片振幅

同步采集的應變片和指示傳感器原始信號如圖18所示，圖中為共振點的振動信號。應變片的信號比較穩定，不同轉的重復性比較好，每次經過指示傳感器附近葉片振幅產生波動，有明顯受到作用力的作用使振幅產生波動。在4個微波傳感器附近信號波形比較穩定，比較容易識別葉片振幅。

取4個微波探頭附近應變片振動電壓的峰峰值作為葉片振動電壓，同微波測試一樣取2 s內振動電壓平均值作為葉片平均振動電壓。振動電壓的變化趨勢如圖19所示。圖中電壓值為信號調理器內部放大100倍后的電壓值。

圖18 應變片與指示傳感器原始信號

圖19 葉片振動電壓變化趨勢圖

根據葉片振動模型仿真，葉片振幅大概是應變片采集電壓的1.58倍，即把前面計算的應變片峰峰值電壓乘以1.58即可得到葉片的振幅。轉換后的葉片振幅變化趨勢如圖20所示。

圖20 應變片測量葉片振幅

5.3 微波葉片振幅和應變片葉片振幅對比

微波和應變片分別測試的葉片振幅變化趨勢如圖21所示。在整體趨勢上兩者一致性很好。振幅計算數值上，在測試過程的中間共振點兩者的偏差比兩邊小。

圖22為微波測試葉片振幅和應變片測試葉片振幅的偏差。在共振點，兩者的偏差小于0.025 mm，在非共振點兩者偏差小于0.05 mm。從相對偏差看，在共振點，兩者偏差小于2.5%，在非共振點兩者偏差小于25%。

圖21 微波葉片振幅和應變片葉片振幅對比

圖22 微波和應變片葉片振幅測量偏差

6 結束語

綜上所述，本文通過微波和應變片振幅測量兩種方式的葉片振動測試結果對比，驗證了微波葉片振動測量技術的可行性和準確性，實現了非接觸測量條件下，發動機葉片振動的實時監測和信號分析保存。該方法還可用于任何旋轉葉片的振動測量和分析。針對發動機葉片可能的工作環境惡劣、高溫高壓的條件，葉片振動測試的研究工作已經在進行中，從目前結果看，整個系統的測試方法不會有大的變化，主要在微波探頭的材料與結構方面需要做一些改進。