航空发动机高压涡轮转子轴向位移径向测量技术研究

张 龙, 赵天驰, 周笑阳

(中国航发沈阳发动机研究所,辽宁 沈阳 110015)

作为飞机的心脏,航空发动机被称为工业皇冠上的明珠,其工作条件极为苛刻[1-2]。发动机使用过程中,转子不平衡、转静件碰磨、转子热弯曲、转子突加不平衡、转子裂纹、转子两向刚性差别过大、转子失稳、转子支承不同心、转子支承结构间隙松动等都会带来转子轴向位移,进而引起转子的振动,带来巨大的安全隐患。高压涡轮转子处于高温、高压、高离心负荷和狭小环境中,对轴向位移的要求更加苛刻。随着现代航空工业的迅猛发展,要求发动机指标不断提高。由于高压涡轮转子轴向位移过大导致振动进而引起的事故较多,造成了巨大的经济损失,严重制约了发动机技术的发展,因此如何将高压涡轮转子轴向位移控制在一定范围内,提高转子系统稳定性已经成为一项关键技术[3]。针对航空涡喷/涡扇发动机高压涡轮转子轴向位移设计不合理导致转子振动的问题,可以通过优化发动机结构设计解决,然而发动机结构设计过程往往参考理论计算数据,严重缺少真实测量数据。

目前,发动机转子位移测量研究主要关注叶尖径向位移,对轴向位移测量的关注度并不高[4]。发动机高压涡轮转子轴向位移径向测量方法的提出与实施,将为设计合理的转静子轴向间隙以避免出现碰磨、控制和调节转子轴向力和验证工作过程中轴向理论计算结果的正确性提供数据支持。通过多次数据测量,可建立转静子轴向位移变化的数据库,为发动机总体方案设计打下基础。

国内方面,赵雷团队一直致力于电磁轴承转子轴向位移测量研究[5];杨启超等[6]进行了电涡流法测量涡旋压缩机轴向位移的可行性研究;张丽红等[7]开展了光纤传感器在涡轮轴向位移检测中的应用研究。在这些理论研究中,研究的对象并不是真正的发动机,不适用于航空发动机高压涡轮转子轴向位移测量。沈阳发动机研究所针对航空发动机开展了一些研究,目前部件试验器配备了轴向位移测试系统,该套测试系统应用了电涡流传感器的工作原理测量试验件转子轴向位移,但该方法并不适用于整机测试。

国外对转子轴向测试的研究起步较早,测试系统比较成熟,使用经验丰富[8-9]。相比之下,国内在转子轴向位移测试与控制技术方面尚处于起步阶段,距离国外现有水平有一定的差距。但是无论是国外发动机测试技术先进的国家,还是国内的有关集团、院校,所提出的轴向位移测试方法都不适用于航空发动机涡轮转子轴向位移的测量[10-11]。在航空发动机高压涡轮转子轴向位移测量方面,国内外还没有开展相关的技术研究。

本文针对航空发动机高压涡轮转子轴向位移测量难题,提出了一种轴向位移径向测量的方法。该方法采用耐高温电容传感器作为测量探头,满足航空发动机整机测试环境和结构特点。

1 工作原理

1.1 径向位移测量原理

使用电容传感器进行高压涡轮转子径向位移的测量,该测量方法利用了平行板电容器的工作原理,固定在机匣中的传感器探头构成电容的一个电极,而高压涡轮转子的叶尖构成电容的另一个电极。电容传感器探头与叶尖之间产生感应电容,该电容的电容值是探头几何形状、叶尖几何形状、两极间距离和两极间介质的函数,由于电容探头和转子叶尖的几何形状以及两者之间的介质为常数,因此电容的大小只是两极间距离的函数,即电容值变化与高压涡轮转子叶尖径向位移的变化存在对应关系。根据这一函数关系,即可根据传感器输出的电容值计算出转子径向位移。

1.2 叶尖形貌测量原理

叶尖扫过电容传感器探头端面时,会产生变化的电容值,为方便数据的采集与分析,将变化的电容值解调后转换为变化的电压值。根据平行板电容器的工作原理,在叶尖扫过探头端面的过程中,当叶尖由远及近时,电容值越来越大,电压值递增;当叶尖由近及远时,电容值越来越小,电压值递减。由此可知,在叶尖扫过探头时,传感器的输出电压呈现出先增大再减小的趋势,即输出电压存在峰值。通常情况下,发动机压气机转子叶片为单个叶尖结构,当一个压气机转子叶片扫过电容传感器探头时便会产生一个峰值电压。而高压涡轮转子的叶尖结构特殊,为双侧叶尖结构,如图1所示。图1中包含3片高压涡轮转子叶片,黑色边框部分为叶尖,Y向为高压涡轮转子周向旋转方向,X向为发动机轴向方向,且X正方向对应发动机轴向后方向。传感器安装于高压涡轮机匣上,位于转子叶尖正上方,与X、Y向垂直。由此可推断,当高压涡轮转子周向旋转且一个转子叶片扫过传感器探头端面时,会产生2个峰值电压。对于一个转子叶片所产生的2个峰值电压,这2个峰值电压之间的距离可以反映该叶片两侧叶尖的距离,而两侧叶尖的距离会随着转子发生轴向运动而改变,因此要想实现轴向位移的测量必须知道2个峰值电压之间的距离。通过计算,由2个峰值电压之间的距离可以得到两侧叶尖之间的相对距离。为方便表述,将高压涡轮转子叶片两侧叶尖之间的相对距离定义为“叶尖形貌”。

图1 高压涡轮转子叶尖示意图

2 关系模型

通过径向测量的方式实现高压涡轮转子轴向位移测量的模型如图2所示。电容传感器安装于高压涡轮机匣上,空间位置相对静止。当发动机处于某一状态稳定运行时,高压涡轮转子叶尖位于图2中标号2的位置,此时电容传感器测量得到一个“叶尖形貌”。当发动机状态发生改变时,高压涡轮转子负载发生变化,进而导致高压涡轮转子整体沿轴向向后移动,高压涡轮转子叶尖运动到图2中标号3的位置,此时电容传感器测量得到另一个“叶尖形貌”。以此类推,在一定的轴向位移范围内,高压涡轮转子轴向位移与“叶尖形貌”存在一一对应关系。试验前,通过校准试验建立起“叶尖形貌”与轴向位移的对应关系;试验时,根据建立的对应关系,即可通过测量“叶尖形貌”计算出真实的轴向位移量。对于图2中的叶尖,“叶尖形貌”增大表明转子向后移动,“叶尖形貌”减小表明转子向前移动。

1—电容传感器;2—高压涡轮转子发生轴向移动前的叶尖位置;3—高压涡轮转子发生轴向移动后的叶尖位置。

3 校准试验

3.1 校准平台功能及技术指标

图3为轴向位移校准平台方案图,该平台定位精度为0.01 mm,校准精度为0.002 mm,为了保证校准精度,整个平台固定在隔振基座上。校准平台具备传感器安装座和转子叶尖夹具,能够固定电容传感器和高压涡轮转子叶尖;能够进行多个方向的运动,使传感器和被测转子叶尖可获得空间中七自由度的调节,从而模拟电容传感器和高压涡轮转子叶尖在航空发动机上真实的安装姿态。校准平台具备程序控制功能,通过编程可控制各自由度调整机构进行自动调节,以此动态调整被测转子叶尖与传感器的相对位置,从而实现模拟发动机试验过程中高压涡轮转子轴向位移,并配备了光栅尺能够测量轴向位移大小。

1—隔振基座;2—精密径向位移平台;3—支撑板;4—被测转子叶尖;5—轴向位移传感器;6—传感器安装座;7—B向角度调整平台;8—Z向位移调整平台;9—X向位移调整平台;10—Y向往复式直线电机;11—C向旋转平台;12—调“零”设备;13—微米级传感器;14—A向旋转平台;15—转子叶尖夹具;16—轴向对准设备。

在进行校准试验时,编写程序使校准平台利用直线电机带动高压涡轮转子叶尖沿图3中的Y向往复运动,以此模拟高压涡轮转子周向旋转,实现叶尖扫过电容传感器探头的过程。经计算,该模拟方法带来的轴向位移测量差异约为0.000 1 mm,对测量精度造成的影响可忽略不计。校准平台配备了高速采集系统,并在上位机中内置了专用的电压峰值检测软件,从而能够采集到转子叶尖扫过传感器探头过程中电容传感器输出的电压信号,并计算出“叶尖形貌”。

此外,校准平台还可通过编程来动态调节电容传感器与被测转子叶尖的径向相对运动(图3中的X向),能够利用精密径向位移运动机构实现径向位移的精细变化,并通过微米级传感器测量出径向位移的大小。

3.2 校准试验及校准数据矩阵

如图4所示,高压涡轮转子叶尖扫过电容传感器电极端面时会产生双峰电压波形,通过该波形双峰之间的距离值可以计算得到“叶尖形貌”。校准试验的目的是建立起轴向位移和“叶尖形貌”的关系,然而通过校准试验发现测量得到的“叶尖形貌”与真实的“叶尖形貌”并不完全一致,“叶尖形貌”除了受到轴向位移影响外,还会受到径向位移的影响。也就是说,轴向位移与“叶尖形貌”的一一对应关系需要建立在同一径向位移的条件下。因此,为了获得轴向位移与“叶尖形貌”更全面的对应关系,需要建立不同径向位移条件下的轴向位移与“叶尖形貌”的关系表达形式。

图4 转子叶片扫过电容传感器产生的双峰波形

为了更简洁地呈现出径向位移、“叶尖形貌”和轴向位移三者之间的对应关系,在校准试验中,采用矩阵的表达形式。某型发动机高压涡轮转子轴向位移校准数据矩阵如表1所示。其中,径向位移与轴向位移的交叉点为“叶尖形貌”。

表1 校准数据矩阵 单位：mm

航空发动机地面试验过程中,当某一状态稳定运行一段时间后,高压涡轮转子径向位移也会稳定在某一值,这时可以测量得到“叶尖形貌”值和径向位移值,然后通过该校准数据矩阵找到对应的轴向位移值,从而实现航空发动机高压涡轮转子轴向位移的测量。

4 测试系统及试验结果解析

轴向位移径向测量系统原理框图如图5所示。该系统包括耐高温电容传感器、信号处理模块、NI PXIe-6378型数采系统和计算机。其中,电容传感器耐温上限为1 400 ℃、测量精度为0.01 mm,用于测量径向位移和“叶尖形貌”,径向位移测量精度受到多种因素影响,可通过软硬件设计、装配过程控制和试验过程控制的措施保障测试精度[12]。轴向位移测量精度优于0.1 mm,该结果通过反复试验验证得出。转子叶尖最高通过频率为200 Hz,信号处理模块频响范围为5 Hz～200 kHz,数采系统单通道采集频率为3.5 MS/s,满足测量要求。计算机内安装了基于LabVIEW平台自主编制的监视测试软件,在测量径向位移和“叶尖形貌”的基础上,通过校准数据矩阵实时计算高压涡轮转子轴向位移值。

图5 轴向位移径向测量系统原理框图

在某型航空发动机整机试验中开展了高压涡轮转子轴向位移径向测量研究。由于航空发动机高压涡轮结构复杂,空间狭小,流道内环境恶劣,在试验中开展测量系统应用时还解决了以下难题：多层机匣传感器安装问题、狭小空间走线问题、传感器耐高温冷却问题和结构变形导致的应力过大问题。试验中发动机经历了从启动、慢车到最大状态,然后中间停留多个状态,之后慢车、停车的过程。

发动机高压涡轮转子轴向位移与转速的变化曲线如图6所示。通过数据分析可知,该型发动机转子轴向位移的整体变化趋势为：在发动机升转速过程中,高压涡轮转子负载逐渐增加,轴向位移逐渐增大,转子会沿轴向向后移动;在发动机降转速过程中,高压涡轮转子负载逐渐减小,轴向位移逐渐减小,转子会沿轴向向前移动。该型发动机转子轴向位移在局部状态呈现出转速增加、轴向位移减小和转速降低、轴向位移增大的变化趋势,即轴向位移存在波动。整个试验涉及升转速、降转速过程的2个慢车状态,分别为图6中750～3 000 s、24 750～25 500 s,此时发动机状态稳定,转速不变,但发动机转子轴向位移呈现先减小后增大和先增大后减小的变化规律。该现象主要是由于温度、压力对转子轴向位移的影响滞后于转速的影响。发动机在停车时转子存在轴向位移,并没有完全回到初始位置,这与温度带来的滞后性有关。综上所述,发动机转子轴向位移测量值的变化趋势与理论分析结果基本一致,部分稳态、过渡态转子轴向位移的变化规律对进一步优化发动机设计具有重要意义。

图6 某型发动机高压涡轮转子轴向位移与转速的变化曲线

5 结束语

本文提出了一种发动机高压涡轮转子轴向位移径向测量方法,采用该测量方法完成了某型发动机试验测试,结果表明该方法能够实现高压涡轮转子的轴向位移测量。本方法的主要优点包括：① 提出了轴向位移径向测量的思想,实现了发动机整机状态下高压涡轮转子轴向位移测量;② 通过校准方法的研究和校准数据矩阵的建立,解决了“叶尖形貌”与轴向位移关系模型问题,实现了轴向位移测量,且发动机测试改装工程量小,技术风险低,测量效率高;③ 测量方式为非接触式测量,探头尺寸小,耐温可达1 400 ℃,无须配备外部冷却系统,成本低;④ 基于成熟的电容法进行研制设计,测试系统稳定性高、可靠性强、应用范围广。