[发明专利]航空发动机叶尖间隙三维表征与光纤动态检测系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于航空发动机领域，涉及一种检测系统及方法，具体设计一种航空发动机叶尖间隙三维表征与光纤动态检测系统及方法。

背景技术

航空发动机是飞机中最重要的部件，而其中的压气机和涡轮可以将空气动能和高温内能转换为飞行动能，又是发动机中的关键结构。在飞机飞行过程中的发动机全工况环境下，压气机和涡轮部件承受着较高的离心负载、气动负载、高温热载荷和转子振动交变负载等多种形式载荷的耦合作用，增加了压气机和涡轮的故障几率。据统计，压气机和涡轮的故障占航空发动机总故障的42％以上。由不平衡负载、外物损伤(环境损伤)、强度不足、高周疲劳损伤、低周疲劳损伤、热疲劳损伤导致的叶片和转子挠曲、变形、裂纹、断裂是压气机和涡轮故障的主要表现形式。这些故障会使发动机状态偏离正常工作点、性能恶化、工作效率降低，严重时会使发动机结构损坏、造成重大飞行事故。

此外，压气机和涡轮的叶尖间隙是否在一定健康范围之内，对航空发动机的飞行安全及运输效率也至关重要。叶尖间隙过小，压气机和涡轮叶片会与机匣发生碰磨，造成叶片损坏或折断，引起发动机故障，严重时导致飞行事故；叶尖间隙过大，也会使航空发动机工作效率降低，燃油消耗率增加。工作间隙的减小能大大降低排放和耗油率，根据工业经验估计，叶尖间隙每减小0.25mm可使排气温度降低10℃，涡轮效率 增加1％，飞机总的尾气排放及其产生的噪音也将明显降低，给社会带来很大的经济和环境效益。

因此，对航空发动机压气机以及涡轮的健康监测，是对整个发动机进行健康监测的重要环节。航空发动机压气机以及涡轮健康监测的重点是对其叶片工作状态的识别，实现的过程一般是通过检测压气机和涡轮部件的形变、振动等动态特征来逆向识别出叶片的故障模式和健康状态。

为了分析压气机和涡轮部件在发动机全工况下的动态特性以及叶尖间隙变化规律，国内外学者提出了多种力学模型和理论分析方法，并进行了大量三维有限元仿真研究，但其分析模型都是在一些假设和简化的基础上建立的，缺乏有效的实验手段验证。为了弥补理论分析的缺陷，更有效地对航空发动机压气机和涡轮部件进行状态监测和故障诊断，在发动机全工况下对叶片特征进行动态全场测量就具有重要意义。又由于航空发动机压气机和涡轮叶片工作环境恶劣、结构复杂，不能直接采用在压气机和涡轮叶片上安装应变片，或是利用光学成像技术对发动机压气机和涡轮部件的形变动态特征进行在线检测。因此，研究在发动机全工况下对叶片变形及叶尖间隙情况进行非接触检测的技术就显得尤为重要。

目前，发动机压气机和涡轮部件的动态测量方法主要有叶尖间隙径向值测量法，以及叶尖定时测量法。叶尖间隙径向值测量法主要是利用电容传感器、光纤多普勒传感器对叶片到机匣的径向间距进行动态测量，反映叶片以及转子的振动特性；叶尖定时测量法主要是利用电容传感器、光强调制式光纤位移传感器对通过传感器探头的叶尖信号时刻进行测 量，反映的是沿压气机转子和涡轮转动圆周方向的异常信号。当压气机和涡轮发生故障时，转子动力学行为表现为高度的非线性，叶尖定时检测方法、叶尖径向间隙检测方法都不能准确提取全部的故障特征，也存在检测信号容易发生混淆的缺陷，造成误诊断。此外，现有的检测技术中，电容传感器等电磁式传感器因为压气机和涡轮高压高温环境中的气体电离现象存在，检测结果极易受到干扰；已有的光学测量手段如多普勒光纤位移传感器的空间分辨率低，只能测得叶尖间隙的平均径向间隙值，而光强调制式位移传感器易受到发动机全工况下的折射率波动影响，检测结果非线性干扰较高，现有的环绕式光纤传感器(如双圈同轴式光纤)仅能补偿由于光源波动、光纤制造工艺和反射面反射率变化等共模干扰的影响，无法消除发动机全工况下的非线性环境干扰对检测结果的影响。此外，从目前已能检索到的叶尖间隙检测相关专利主题来看，有从叶尖间隙检测结果的跳动值分析转子和静子同心度的研究内容、也有从叶尖间隙检测结果通过峰值检测提取叶尖表面凹腔信息的研究内容，其主要发明内容多集中在对径向叶尖间隙检测信号的处理和识别方法上，未涉及到叶尖间隙全场三维动态描述以及对叶尖间隙三维空间特征进行全场测量，也并未涉及到对航空发动机全工况下检测环境的补偿方法研究。

因此，找到一种具备优良的抗电磁干扰、抗高温高压性能的叶片三维特征参量动态检测方法、能够在发动机全工况环境下实现测量功能的气动补偿方法、并且设计出相应的动态检测装置，对于航空发动机压气机和涡轮部件健康监测有着重要的意义。

发明内容