航空发动机叶尖间隙测量技术研究

在一台航空发动机的研制过程中,叶尖间隙是一个基本的测量参数。同时它也是发动机在运转过程中主动叶尖间隙控制、健康管理和故障诊断的一个重要组成部分。本文介绍了目前航空发动机叶尖间隙测量技术的几种主要方法。     

航空发动机转子叶尖间隙及同心度变化规律研究

航空发动机转子叶尖间隙及同心度是影响发动机性能和安全的重要参数。组建了一套电容法测试系统,并成功用于发动机风扇转子叶尖间隙及同心度测量。通过分析测量数据,得到了发动机风扇转子叶尖间隙及同心度随转速和时间的变化规律。结果表明:慢车以下状态时,转速升高,转子叶尖间隙减小,转子向下偏移;慢车以上状态时,转速升高,转子叶尖间隙减小,转子向上偏移;最大状态时,部分测点存在较大叶尖间隙,同心度均不为零。     

航空发动机叶尖径向间隙研究进展综述

航空发动机叶尖径向间隙是影响其性能和结构安全性的重要因素。简述了航空发动机叶尖间隙研究的国内外发展现状,进而量化间隙对发动机性能的影响,摸清叶尖间隙随飞行里程的变化规律,总结出影响叶尖间隙的主要因素有热负荷、离心负荷、转子不平衡响应、转子热弯曲、机动载荷等,基于各影响因素认为,通过转、静子变形来综合计算分析稳态、瞬态间隙是目前发动机叶尖间隙主要分析方法。为数值分析发动机叶尖间隙打下技术基础。     

航空发动机叶尖间隙测量技术

虽然可用计算机模型来预测压气机和涡轮的叶尖间隙,但这种预测必须由试验数据来验证和细调。所以,在一台航空发动机的研制过程中,叶尖间隙是一个基本的测量参数,同时也是发动机在运转过程中主动叶尖间隙控制、健康管理和故障诊断的一个重要组成部分。     

叶尖粗糙度与倾角对光纤传感器输出特性影响

航空发动机涡轮叶片叶尖间隙变化影响发动机效率也蕴含丰富的发动机健康状态信息。实际叶尖间隙变化表现为3维变化,且叶尖表面受高温气流剥蚀等影响表面粗糙度发生变化。为探究其对光纤传感器测量叶尖间隙精度的影响,利用ZEMAX光学仿真软件分析了双圈同轴式光纤传感器在叶尖表面粗糙度变化和倾角变化影响下的输出特性,并搭建3维叶尖间隙静态标定平台对上述影响进行试验。结果表明:粗糙度和倾角增大均导致传感器灵敏度降低、零点位置后移。该结果为实现叶尖间隙变化的3维精确测量提供理论和试验依据。     

基于航空发动机工况的叶尖间隙智能预测方法

在实际工程中保持航空发动机高效运行的有效措施之一是应用叶尖间隙主动控制技术,其前提是建立精确的叶尖间隙模型以实现叶尖间隙预测。建立叶尖间隙的简化物理模型和数学模型,将叶尖间隙计算转化为热变形与传热问题,通过机器学习模型对发动机工况参数进行特征提取,利用有效特征求解传热问题的边界,从而实现基于发动机工况参数快速预测实时叶尖间隙。机器学习模型的十折交叉验证集的平均准确率为98.9%,叶尖间隙模型的验证误差为4.3%,得到了不同工况下的叶尖间隙计算结果和冷气流量大小变化规律,计算耗时小于0.03 s。     

基于光谱共焦技术的叶尖间隙测量方法研究

基于光谱共焦测量技术搭建了叶尖间隙模拟测试平台,将模拟叶盘安装在气浮主轴上,并应用光谱共焦位移传感器实现了叶尖端面的位移变化量的测量,以表征叶尖间隙的变化,分别模拟了叶尖间隙的单次测量和连续测量过程.实验结果表明,应用光谱共焦位移传感器可以完成发动机转子叶尖间隙的测量,而且能够达到很高的测量效率和精度,可以应用于实际的测量现场.     

涡轮流体介电常数对高压涡轮叶尖间隙测量影响计算分析

为了评价涡轮流体介电常数对电容式高压涡轮叶尖间隙测量精度的影响，通过理论分析获得航空发动机涡轮流体介质 的成分，并计算各成分的体积分数。由于水蒸气的体积分数对涡轮流体介电常数影响较大，仿真计算了不同工况和不同水蒸气体积 分数下涡轮流体介电常数的变化范围，在此基础上计算了涡轮流体介电常数对涡轮叶尖间隙测量误差的影响。计算结果表明：涡轮 流体介电常数对涡轮叶尖间隙测量带来的误差最高为0.3%，在工程应用时可以忽略。     

涡轮3 维叶尖间隙对典型故障特征的响应特性分析

为了有效地克服传统叶尖间隙在航空发动机涡轮叶盘的健康监测中传递信息能力有限的不足,充分考虑了在航空发动机运行过程中涡轮叶片叶尖的3维特征,提出包含径向间隙、叶片叶尖端面轴向偏转角和周向偏转角在内的涡轮3维叶尖间隙的概念,并将3维叶尖间隙特征参量作为叶片故障信号载体,通过有限元方法分析了3维叶尖间隙特征参量对高压涡轮叶片典型裂纹故障的响应特性。结果表明:3维叶尖间隙特征参量对高压涡轮叶片尾缘裂纹的故障特征信息有良好的反映效果。     

航空发动机转子径向振动测试技术研究

建立了航空发动机转子径向振动模型,研制了一套专门用于航空发动机转子径向振动测量的测试系统。通过获取转子叶片叶尖间隙、叶片到达时间的信息,采用离散周期信号频谱分析方法,获得发动机压气机转子径向振动数据。结果表明,随着转速的升高,转子径向振动的幅值、频率及相位角度均增大。该结果对发动机的结构设计起指导作用,为转子径向振动主动抑制技术研究提供了基础数据。     

基于叶尖间隙测量的航空发动机转子振动预测

基于叶尖间隙测量,进行了航空发动机转子振动位移和轴心轨迹的预测方法研究,建立于叶尖间隙变化动态模型,对叶尖间隙变化进行了数值计算以及有限元仿真,并针对带机匣的转子试验器进行了试验研究。采用电涡流传感器对相互垂直的两个测点进行叶尖间隙测试;通过Hilbert-Huang变换对信号进行处理,提取其低频分量;再利用互相关分析方法提取出转频信号,并由转频分量绘制了轴心轨迹;与直接测得同截面转轴上的轴心轨迹相比,两者的吻合度达到90%以上,试验结果充分表明了研究方法的正确有效性,为通过叶尖间隙测试间接获取转子振动位移提供了有效的技术途径。      

航空发动机叶尖径向间隙静电监测方法

提出航空发动机叶尖径向间隙静电监测方法,分别对叶尖荷电在点电荷与电荷分布条件下的静电感应过程建立数学模型,得到感应电荷量与叶尖径向间隙值、叶尖周向位置及叶尖电荷分布的关系。设计并搭建叶尖径向间隙静电监测模拟实验台,提取时域特征参数并分析叶尖径向间隙值及叶尖局部曲率对静电水平的影响。数学模型计算结果表明:①感应电荷量与叶尖径向间隙及叶尖相对传感器的径向位置绝对值呈负相关;②感应电荷量与叶尖所带电荷量呈正相关,且与电荷密度分布有关;③感应电荷量与叶尖尺寸及传感器尺寸有关。实验结果表明静电信号方均根值和整流平均值与叶间径向间隙值呈负相关,与叶尖局部曲率呈正相关,其结果与理论模型相符。      

叶尖间隙测量技术在离心压气机试验件上的应用

主要介绍了电容式叶尖间隙测量系统的各组成部分，间隙测量设备在离心压气机试验件上的安装方式和标定方法。通过对离心压气机试验件的叶尖间隙进行实时监测, 获得了离心叶轮进口、中间和出口截面叶尖间隙随转速增加而减小的关系，保证了试验的安全性和试验件的完整性。分析叶尖间隙和转速关系可以为后续减小叶尖的冷态间隙和优化离心叶轮叶尖流道和叶轮外罩流道提供试验数据支持，叶尖间隙测量技术在离心压气机试验件上的应用为确定最佳的叶轮间隙及以后的型号研制提供了重要的数据支持。      

高压涡轮瞬态叶尖径向运行间隙计算分析

为了改善现代航空发动机整体性能和可靠性,将热分析和结构分析耦合起来,以航空发动机从地面启动到巡航这一过程为研究对象,对涡轮转子进行瞬态叶尖径向运行间隙计算分析。在计算中考虑了材料、温度和离心载荷的非线性,以及惯性力和温度的复杂的边界条件,分别对叶片、轮盘和机匣的变形进行计算和分析,进而得出涡轮叶尖径向运行间隙的变化规律以及与试验相符合的计算结果。该计算分析方法为涡轮叶尖径向运行间隙的概率分析和优化设计奠定了基础。     

航空发动机叶尖间隙数学模型的建立与验证

在航空发动机装配中,保证设计要求的叶尖与机匣间隙,可以减少工作介质泄漏,降低端壁损失,从而保证发动机性能。基于单传感器单步法测得的间隙数据在国内开创性地建立了叶尖间隙数据处理的数学模型,推导出判断转子与机匣装配是否合格的叶尖间隙相关特征参数FIR,IMP以及转静子同心度ECC的求解公式,建立了发动机水平放置时消除下沉量影响的数学模型。并在Lab VIEW平台上开发了相应的数据处理软件验证了所建立的数学模型的正确性。     

大涵道比涡扇发动机低压涡轮间隙分析与设计

航空发动机涡轮叶尖间隙的准确分析与合理设计对改善发动机性能有重要意义。对叶尖间隙的影响因素进行了详细分析,并指出在总体结构初步设计中,涡轮叶尖间隙分析和设计需要重点考虑的载荷因素;给出采用NX-NASTRAN进行间隙计算的求解方法和详细步骤;以某大涵道比发动机低压涡轮的间隙分析为例,给出详细的求解过程,求解得到低压涡轮在地面起飞状态等8个工况下间隙变化值为-0.4~1.1 mm,并指出间隙初始值的确定应当主要考虑设计点状态、起飞状态和地面慢车状态。     

涡轮叶尖热主动间隙控制系统布局分析

涡轮叶尖间隙控制系统是现代军、民用大涵道比航空发动机普遍采用的提高发动机性能的重要系统之一。本文分析研究了现代大涵道比航空发动机典型的涡轮叶尖热主动间隙控制（ACC）系统的结构布局及冷却空气流向，根据各自特点将其总结归纳为双层机匣内置冲击隔板和机匣外部环绕冲击冷却管两种形式。其中，双层机匣内置冲击隔板布局结构简单，采用的引自高压气源的冷气在实现间隙控制功能后可以用于二次冷却其他部件，但从高压压气机中间级引气的性能代价比较高，因此实际应用较少。机匣外部环绕冲击冷却管布局结构件较多，但可以实现冷却管与机匣外壁凸肋的紧密配合，从而实现最优的冲击靶向位置及冲击距，增强机匣热响应效率，而且采用引自风扇后低压气源的冷气的性能代价低。从发动机实际应用来看，机匣外部环绕冲击冷却管布局在现代大涵道比发动机上应用较多，成为涡轮热主动间隙控制系统结构布局的发展趋势。     

变转速工况下叶尖计时信号趋势项解析及验证

非接触叶尖计时法作为监测旋转叶片振动参数的有效手段，近年来在航空发动机叶片振动监测中得到了广泛使用，然而监测结果中还存在如趋势项等难以定量分析的成分。从叶尖计时原理出发，分析了叶尖计时时域信号中存在的成分，研究了转速非线性变化对叶尖计时测量结果的影响规律，提出了有键相叶尖计时信号中误差辨识与修正方法。建立了融合转速变化及气动阻力引起的趋势项的叶尖计时数字模型，通过数值仿真验证了所提方法的准确性，然后利用航空发动机压气机叶片实验台的叶尖计时数据以及动应力数据进行对比验证，结果表明本文方法计算的叶尖位移趋势项与动应变趋势项的相关系数为0.986，具备良好的一致性。对于降低叶尖计时测量结果的不确定性、实现叶片运行状态的全面监测具有重要的工程应用价值。     

机动载荷对核心机叶尖间隙的影响初探

以典型航空发动机核心机为对象,研究模型简化方法,建立完整的计算模型,通过分析机动飞行过程中的主要载荷及作用方式,通过有限元数值模拟,得到机动载荷作用下叶尖径向间隙的变化规律,为研究间隙变化对发动机性能影响提供参考依据。分析发现:陀螺力矩和法向过载均使核心机产生明显的变形,陀螺力矩导致叶尖径向间隙相对变化量的平均值达-2.174,法向过载对叶尖径向间隙变化影响相对较弱,相对变化量的平均值达到-1.572。因此在研究叶尖径向间隙时,不能忽略机动载荷的作用效果。      

CFM56高压涡轮间隙的优化

由法国SNECMA公司和美国GEAE集团组成的CFM国际公司在CFM56发动机研制一开始就努力缩小单级高压涡轮叶片的叶尖间隙而又使其摩擦最小。各型CFM56发动机的验证试验表明,叶尖间隙增大对发动机性能不利。 现在,美国通用电气(GE)公司研制了一种小型不冷却的间隙测量装置,它可以在运转条件下测量高温环境下的高压涡轮叶片的叶尖间隙。该工具与新的分析技术相结合,导致CFM56发动机及其短舱的某些设计更改,通过机匣圆度与转子同心度的改善,发动机性能和性能保持能力得到提高。