航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)研究所，沈陽110015)

航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)研究所，沈陽110015)

航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙及同心度是影響發(fā)動機(jī)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(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)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(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉尖間隙及同心度隨轉(zhuǎn)速和時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)果表明：慢車以下狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)子葉尖間隙減小，轉(zhuǎn)子向下偏移；慢車以上狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)子葉尖間隙減小，轉(zhuǎn)子向上偏移；最大狀態(tài)時(shí)，部分測點(diǎn)存在較大葉尖間隙，同心度均不為零。

航空發(fā)動機(jī)；轉(zhuǎn)子；葉尖間隙；同心度；電容法；測試系統(tǒng)

1 引言

隨著氣動設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法的不斷改進(jìn)，航空發(fā)動機(jī)已發(fā)展到一個很高的技術(shù)水平，壓氣機(jī)和渦輪效率可分別達(dá)到86%、90%以上[1]。要進(jìn)一步提高壓氣機(jī)和渦輪效率，除注重氣流參數(shù)選擇外，還應(yīng)提高發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，在保證安全的前提下盡可能減小轉(zhuǎn)子葉尖間隙及同心度。

國外在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙測試技術(shù)的應(yīng)用，及如何減小轉(zhuǎn)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(jī)時(shí)，就努力縮小轉(zhuǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)條件下測量高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉尖間隙及同心度。目前，美、歐主要發(fā)動機(jī)公司已逐步將葉尖間隙傳感器作為發(fā)動機(jī)的一部分，以便給葉尖間隙主動控制提供更經(jīng)濟(jì)、便捷、準(zhǔn)確的數(shù)值基礎(chǔ)[3]。國內(nèi)在轉(zhuǎn)子葉尖間隙及同心度對發(fā)動機(jī)性能影響計(jì)算方面的研究十分廣泛[4-8]，但轉(zhuǎn)子葉尖間隙測試技術(shù)的應(yīng)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(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉尖間隙，但該方法不能完成對轉(zhuǎn)子同心度及轉(zhuǎn)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(guān)注發(fā)動機(jī)冷態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子葉尖間隙、同心度，以及最大狀態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)子葉尖間隙，而忽視了過渡態(tài)的轉(zhuǎn)子葉尖間隙、同心度的變化規(guī)律，以及最大狀態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子葉尖間隙的同時(shí)還可檢測葉片到達(dá)時(shí)間信息的特點(diǎn)，測量得到某型發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙及同心度隨轉(zhuǎn)速、時(shí)間的變化規(guī)律，為進(jìn)一步指導(dǎo)和驗(yàn)證該型發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)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(zhuǎn)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(jī)的部分選用三層雙屏蔽鎧裝電纜，以提高電纜的強(qiáng)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(dāng)增加電纜長度，便于試驗(yàn)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(jìn)行調(diào)理，其輸出設(shè)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(zhuǎn)子葉尖間隙測試與回放軟件，對轉(zhuǎn)子的葉尖間隙和同心度進(jìn)行分析計(jì)算。同時(shí)在電容法測試系統(tǒng)的組件過程中，還專門設(shè)計(jì)一套電容傳感器校準(zhǔn)設(shè)備和葉片定位設(shè)備。

3 測試系統(tǒng)安裝

某型發(fā)動機(jī)風(fēng)扇一級、二級轉(zhuǎn)子各設(shè)置2個測點(diǎn)，一級定義為A、B測點(diǎn)，二級定義為C、D測點(diǎn)。測點(diǎn)軸向位置選在葉片集結(jié)線處，周向位置為發(fā)動機(jī)順航向順時(shí)針0°和180°，見圖1。圖中以正上方位置為0°起點(diǎn)，發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫樅较蝽槙r(shí)針。

傳感器安裝在機(jī)匣上，其端面回縮到機(jī)匣內(nèi)部，以避免與葉片碰撞，保證試驗(yàn)安全。用壓片將傳感器探頭固定在機(jī)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(zhuǎn)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(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)定轉(zhuǎn)子直徑、葉片數(shù)及葉尖厚度等參數(shù)，采集頻率設(shè)定為1 MHz，最低采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)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(jī)試驗(yàn)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(zhuǎn)速信號同時(shí)接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)處理過程中，每隔固定時(shí)間，以固定采樣頻率采集轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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(jì)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(diǎn)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(jī)慢車穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，在一級轉(zhuǎn)子A測點(diǎn)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(shí)都會形成一個電壓峰值信號，峰值點(diǎn)電壓與葉尖間隙大小相關(guān)，間隙越小峰值電壓越大。通過信號峰值點(diǎn)提取方法，可得到每個葉片產(chǎn)生的電壓峰值點(diǎn)，如圖中方格點(diǎn)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(shè)計(jì)時(shí)輸出電壓與輸入葉尖間隙成非線性關(guān)系。模塊研制人員給出了一個標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)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(diǎn)電壓(V)，a0、a1、a2、a3為葉尖間隙與峰值點(diǎn)電壓的校準(zhǔn)系數(shù)。

在每個葉片葉尖間隙的基礎(chǔ)上，通過公式(3)計(jì)算得到轉(zhuǎn)子平均葉尖間隙。

式中：D為轉(zhuǎn)子平均葉尖間隙(mm)，n為轉(zhuǎn)子葉片數(shù)。

利用上述方法，可得到A、B、C、D測點(diǎn)的平均葉尖間隙。

4.2 轉(zhuǎn)子葉尖間隙變化規(guī)律

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

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

4.3 轉(zhuǎn)子同心度變化規(guī)律

轉(zhuǎn)子同心度計(jì)算中，假設(shè)A(C)、B(D)兩點(diǎn)機(jī)匣變形量一致，用A(C)點(diǎn)與B(D)點(diǎn)分別測得的平均葉尖間隙值差值的1/2倍，近似代替轉(zhuǎn)子軸心與機(jī)匣幾何中心的同心程度。該值的絕對值越大，表明轉(zhuǎn)子軸心與機(jī)匣幾何中心的同心程度越差；該值為正值時(shí)，表明轉(zhuǎn)子軸心向B(D)點(diǎn)偏心；該值為負(fù)值時(shí)，則表明轉(zhuǎn)子軸心向A(C)點(diǎn)偏心。

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

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

5 結(jié)論

(1)隨著轉(zhuǎn)速的升高，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的葉尖間隙逐漸減小，反之則增大；發(fā)動機(jī)某一轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，葉尖間隙呈現(xiàn)波動增大的趨勢；發(fā)動機(jī)最大狀態(tài)時(shí)，四個測點(diǎn)中只有一個測點(diǎn)達(dá)到了零葉尖間隙，另外三個測點(diǎn)均存在較大葉尖間隙。

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

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

(4)最大狀態(tài)時(shí)，部分測點(diǎn)仍存在較大葉尖間隙，因此需要綜合考慮各測點(diǎn)的葉尖間隙值、同心度值，反復(fù)優(yōu)化發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)與裝配，通過多次測量驗(yàn)證，使發(fā)動機(jī)達(dá)到性能最佳。

(5)測點(diǎn)布置過少導(dǎo)致只能分析轉(zhuǎn)子縱向軸心同心度，后續(xù)應(yīng)用過程中應(yīng)適當(dāng)增加測點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子縱向、橫向同心度的同時(shí)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(jī)測試研究。