旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下微波葉尖間隙傳感器校準(zhǔn)影響因素分析

孫浩琳，吳婭輝，謝興娟

(航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所 計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095)

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙的測(cè)量是發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試的關(guān)鍵。我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)研制到現(xiàn)在，急需解決的主要問題就是提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。由于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)葉尖間隙的變化情況缺乏具體的分析和驗(yàn)證，在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)葉尖間隙存在過大或過小的情況，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子間隙的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行深入研究，不僅可為葉尖間隙的選定提供設(shè)計(jì)依據(jù)，而且可以正確估算在各工作狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)各部件性能的變化情況。

當(dāng)前，國(guó)外用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙測(cè)量系統(tǒng)的傳感器有放電探針傳感器、電渦流傳感器、電容傳感器、光纖傳感器等幾種，但是在發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)的高溫、高污染等特殊工作環(huán)境的影響下，這些傳感器在測(cè)量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性等方面都存在一定缺陷[2-4]。

采用微波法進(jìn)行間隙測(cè)量技術(shù)屬于新型非接觸式測(cè)量，測(cè)試設(shè)備對(duì)流道不產(chǎn)生影響，具有無(wú)破壞性、數(shù)據(jù)獲取速度快、分辨率高、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，特別適合在航空發(fā)動(dòng)機(jī)這種高溫、強(qiáng)腐蝕性、強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中工作。但是，由于校準(zhǔn)技術(shù)的限制，微波葉尖間隙傳感器應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙測(cè)量存在一定的局限性。一方面，在間隙測(cè)量的過程中，即使在相同的葉尖間隙下，也會(huì)因發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖的形狀、面積等參數(shù)不同直接導(dǎo)致間隙測(cè)量結(jié)果有很大的差異。另一方面，不同間隙與對(duì)應(yīng)測(cè)量的結(jié)果并非線性關(guān)系，相同的傳感器對(duì)應(yīng)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及不同的葉尖位置時(shí)具有不同的校準(zhǔn)曲線，因此，為確保發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，要求微波葉尖間隙傳感器在使用前必須依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用環(huán)境，采用專用校準(zhǔn)設(shè)備對(duì)其校準(zhǔn)，建立相應(yīng)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)不同傳感器應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙測(cè)量的研究處于起步階段，對(duì)微波葉尖間隙傳感器校準(zhǔn)方面的研究和分析也很少，因此，本文將主要對(duì)在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，微波葉尖間隙傳感器的校準(zhǔn)原理、方法及對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果影響較大的轉(zhuǎn)速、回縮值等影響因素進(jìn)行分析。

1 微波測(cè)量法原理

微波葉尖間隙傳感器是基于相位法原理實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙的測(cè)量，該原理與雷達(dá)測(cè)試系統(tǒng)原理相似，即發(fā)射機(jī)產(chǎn)生微波信號(hào)，由天線輻射到目標(biāo)。發(fā)射的信號(hào)達(dá)到目標(biāo)表面時(shí)向各個(gè)方向反射，采集器將反射回來(lái)的信號(hào)送到接收機(jī)。通過測(cè)量信號(hào)從發(fā)射到返回的時(shí)間，可以得到相應(yīng)的距離。

微波法應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙測(cè)量的原理過程為：微波葉尖間隙傳感器發(fā)出連續(xù)微波信號(hào)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)葉片經(jīng)過傳感器端口時(shí)，將微波信號(hào)反射回來(lái)，反射信號(hào)與內(nèi)部參考信號(hào)進(jìn)行比較，將產(chǎn)生相位差。當(dāng)葉尖間隙變化時(shí)，此相位差也會(huì)隨之發(fā)生變化。根據(jù)此相位差的變化值即可得出葉尖間隙的實(shí)時(shí)變化值。

在實(shí)際測(cè)試中，只要選定微波工作頻率，參考信號(hào)的初相位和波長(zhǎng)已知，則根據(jù)硬件電路采集計(jì)算回波信號(hào)與參考信號(hào)的相位差，即可求出測(cè)量間隙L。

式中:L為測(cè)量間隙；φ為回波信號(hào)相位；φ0為參考信號(hào)初相位；λ為波長(zhǎng)。

2 微波葉尖間隙傳感器校準(zhǔn)原理

微波葉尖間隙傳感器校準(zhǔn)原理如圖1所示，用一個(gè)葉盤來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)某級(jí)葉片的葉尖外形及尺寸，葉片高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過改變微波葉尖間隙傳感器與葉盤葉尖的距離，依據(jù)微波相位差關(guān)系通過曲線擬合得到間隙值得校準(zhǔn)曲線，完成校準(zhǔn)的過程。在實(shí)際葉尖間隙測(cè)量中，就可以根據(jù)傳感器的校準(zhǔn)曲線求出對(duì)應(yīng)的葉尖間隙值。

圖1 校準(zhǔn)系統(tǒng)原理圖

3 微波葉尖間隙傳感器校準(zhǔn)

利用葉盤上20個(gè)葉片葉尖間隙不同的變化規(guī)律來(lái)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)中不同葉片進(jìn)行識(shí)別，測(cè)量的每組數(shù)據(jù)處理得到的間隙值呈現(xiàn)以20個(gè)數(shù)為周期變化的規(guī)律。通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀記錄下每只傳感器在每個(gè)被校準(zhǔn)點(diǎn)一次測(cè)量的所有I，Q數(shù)值，共15000個(gè)點(diǎn)。利用程序軟件對(duì)其進(jìn)行處理，可以得到所有被檢測(cè)到的葉片葉尖的測(cè)量相位值，再代入傳感器的工作頻率值將相位值換算為距離值。

圖2為標(biāo)準(zhǔn)間隙2.5 mm時(shí)，對(duì)葉盤上的20個(gè)葉片進(jìn)行測(cè)試得到的不同標(biāo)準(zhǔn)間隙距離下的測(cè)試相位波形圖。

圖2 2.5 mm標(biāo)準(zhǔn)間隙值下的測(cè)試相位波形圖

當(dāng)葉盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，除了葉尖會(huì)反射微波信號(hào)外，非葉尖位置(如盤面)也會(huì)反射微波信號(hào)得到相位值。葉尖靠近傳感器時(shí)，非葉尖位置相對(duì)靠后，遠(yuǎn)離傳感器，因此非葉尖位置反射回來(lái)的幅值要比葉尖反射幅值小很多，傳感器在葉尖測(cè)得的相位值會(huì)與非葉尖位置的相位值明顯區(qū)分開來(lái)，如上圖2所示。

在0.1～5 mm范圍內(nèi)，微波葉尖間隙傳感器在不同標(biāo)準(zhǔn)間隙值下的測(cè)量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)間隙值進(jìn)行曲線擬合，得到的校準(zhǔn)曲線如圖3所示，其中，實(shí)際間隙距離x與測(cè)試距離y之間的關(guān)系為：y=0.001018x5-0.015382x4+0.077157x5-0.128193x2+0.90882x+0.854220。

圖3 微波葉尖間隙傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)曲線

4 校準(zhǔn)影響因素分析

4.1 轉(zhuǎn)速影響

葉片在不同轉(zhuǎn)速時(shí)經(jīng)過微波葉尖間隙傳感器時(shí)，傳感器與葉片正對(duì)部分面積會(huì)發(fā)生變化，且轉(zhuǎn)速不同時(shí)，傳感器在葉片上的采樣點(diǎn)數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，微波葉尖間隙傳感器在不同轉(zhuǎn)速下的校準(zhǔn)曲線可能不一樣。

實(shí)驗(yàn)中，間隙值分別為1.5，2.5，4.5 mm三種情況下，改變?nèi)~盤轉(zhuǎn)速，通過獲取并比較不同轉(zhuǎn)速下的測(cè)試數(shù)據(jù)，研究不同轉(zhuǎn)速對(duì)傳感測(cè)試準(zhǔn)結(jié)果的影響。

將校準(zhǔn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速分別設(shè)到1000，1400，1800，2500 r/min共4種轉(zhuǎn)速狀態(tài)，在每個(gè)轉(zhuǎn)速下對(duì)葉盤上的標(biāo)記葉片進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，得到三種間隙值在不同轉(zhuǎn)速下的測(cè)試相位波形圖，如圖4所示。

圖4 不同間隙下的轉(zhuǎn)速測(cè)試相位圖

由測(cè)試相位圖可以看出，在1800 r/min前，傳感器測(cè)試相位值變化很小，說(shuō)明在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速變化對(duì)傳感器的測(cè)試結(jié)果影響很小，由于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀本身測(cè)試的不穩(wěn)定性，相位值的變化主要是由示值誤差引起的。而在2500 r/min時(shí)，傳感器的測(cè)試相位明顯減小，分析原因是傳感器在高轉(zhuǎn)速時(shí)，傳感器在葉片的采樣點(diǎn)數(shù)減小的原因造成的，采樣點(diǎn)數(shù)的不足或改變會(huì)影響每個(gè)葉尖實(shí)際測(cè)量的點(diǎn)數(shù)和位置。如果實(shí)際測(cè)量點(diǎn)偏離葉片葉尖中心位置，則會(huì)帶來(lái)測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差。

圖5 間隙值2.5 mm時(shí)不同轉(zhuǎn)速下采樣點(diǎn)相位圖

針對(duì)該問題，進(jìn)一步進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖5選取了在2.5 mm間隙值時(shí)，在不同轉(zhuǎn)速情況下，傳感器在葉片的采樣點(diǎn)分布相位圖。

由不同轉(zhuǎn)速下的葉片采樣相位圖可以看出，在2500 r/min時(shí)傳感器在葉片上的采樣點(diǎn)數(shù)明顯減少，在低轉(zhuǎn)速時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)較多，傳感器能采集到葉片上最大相位處的采樣點(diǎn)，而在高轉(zhuǎn)速時(shí)，采樣點(diǎn)減少，使得傳感器在葉片上的的采樣點(diǎn)分布在相位最大點(diǎn)的附近，傳感器的測(cè)試相位變小，將相位換算為間隙值之后，導(dǎo)致測(cè)得葉尖間隙值變大。

由以上分析可知，轉(zhuǎn)速大小對(duì)微波葉尖間隙傳感器的測(cè)量結(jié)果有一定的相關(guān)性，轉(zhuǎn)速升高，傳感器采樣點(diǎn)減小，葉尖間隙測(cè)量值增大。同時(shí)，在不同轉(zhuǎn)速下葉片的振動(dòng)方向也是影響測(cè)量結(jié)果的因素之一，為保證傳感器校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，微波葉尖間隙傳感器在不同的轉(zhuǎn)速下測(cè)量時(shí)，需要重新獲得相應(yīng)的校準(zhǔn)曲線。

4.2 回縮值影響

微波葉尖間隙傳感器在用于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際測(cè)試時(shí)，需在機(jī)匣壁里回縮一定值。為了進(jìn)一步分析回縮值對(duì)葉尖間隙測(cè)量值的影響，其他條件不變的情況下，改變傳感器探頭在模擬機(jī)匣壁中的回縮值大小進(jìn)行測(cè)試，為保證測(cè)試數(shù)據(jù)的可比性，設(shè)定某個(gè)回縮值為基準(zhǔn)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，找出間隙值誤差與回縮值之間的關(guān)系。

圖6 微波葉尖間隙傳感器在機(jī)匣壁回縮示意圖

通過調(diào)節(jié)微波葉尖間隙傳感器在機(jī)匣壁中的安裝墊片，使傳感器探頭在機(jī)匣壁中的回縮值在0～1 mm范圍內(nèi)，每0.1 mm間隔變化，在每種回縮值下的，測(cè)試傳感器在實(shí)際間隙0.1 mm，0.5～5 mm范圍內(nèi)間隔0.5 mm變化的相位值，得到測(cè)試曲線。

圖7 傳感器在機(jī)匣壁中不同回縮值下的相位測(cè)試曲線

圖7中只選取了回縮值在0.1，0.3，0.5，0.8 mm時(shí)的四條測(cè)試曲線進(jìn)行對(duì)比，其它測(cè)試曲線變化規(guī)律相同，分別介于這四條曲線之間。從圖7中可見，測(cè)試曲線變化趨勢(shì)基本一致，隨回縮值的增大，測(cè)試曲線向下移動(dòng)，這是由于回縮值的增大使得傳感器探頭端口與葉片葉尖的實(shí)際距離也相應(yīng)增大，對(duì)應(yīng)的測(cè)試相位減小。此外可見，四條曲線不完全平行，特別是回縮值0.1，0.3 mm的兩條曲線，在大間隙位置基本重合。這是由于裝配在機(jī)匣壁中后，傳感器探頭與機(jī)匣壁組成了一個(gè)新的輻射天線結(jié)構(gòu)，與原來(lái)不加機(jī)匣壁的結(jié)構(gòu)相比，尺寸較大的機(jī)匣壁金屬面將端口輻射場(chǎng)向兩邊拉伸，降低了面向葉片的輻射能量，隨著回縮值的增大，零間隙位置的場(chǎng)強(qiáng)減弱，測(cè)試相位值對(duì)實(shí)際間隙距離的變化不敏感，使得測(cè)試曲線的整體斜率降低。

雖然不同回縮值下的測(cè)試曲線略有差異，但是4條曲線都能夠滿足傳感器進(jìn)行葉尖間隙測(cè)試，只是針對(duì)每一種確定的回縮值需要重新獲得相應(yīng)的校準(zhǔn)曲線。

5 總結(jié)

綜合上面的分析結(jié)果可以看出，微波葉尖間隙測(cè)量傳感器在應(yīng)用與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際測(cè)試時(shí)，容易受到轉(zhuǎn)速、回縮值等因素的影響。采用微波法進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙測(cè)量技術(shù)研究，不僅需要研制適合發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的耐高溫、高精度的高性能微波葉尖間隙測(cè)量傳感器，而且更需要針對(duì)微波葉尖間隙傳感器的校準(zhǔn)方法開展分析和研究，特別是需要結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際高轉(zhuǎn)速的測(cè)試環(huán)境和測(cè)試條件，設(shè)計(jì)和研制完整的間隙測(cè)量的校準(zhǔn)標(biāo)定系統(tǒng)，得到準(zhǔn)確的校準(zhǔn)結(jié)果，保證間隙測(cè)量系統(tǒng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中葉尖間隙的準(zhǔn)確測(cè)量。