葉尖定時及葉尖間隙測量技術(shù)研究綜述

張亮 王啟迪 李欣 王苑

摘 要：渦輪葉片在高速旋轉(zhuǎn)時會因振動產(chǎn)生疲勞斷裂失效，造成旋轉(zhuǎn)機械的損壞。葉尖定時測量技術(shù)是目前最有前途的非接觸式葉片振動實時監(jiān)測方法，葉尖間隙變化與葉片的振動狀態(tài)密切相關(guān)。因此，實時監(jiān)測葉片的振動狀態(tài)和葉尖間隙是保證旋轉(zhuǎn)機械安全、穩(wěn)定、可靠運行的關(guān)鍵。系統(tǒng)綜述了葉尖定時及葉尖間隙測量技術(shù)的原理和國內(nèi)外研究成果，認(rèn)為目前研究仍處于仿真模擬和實驗測量的不完全成熟階段，今后可在以下方面展開研究：1）將葉尖定時和葉尖間隙測量技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)葉片的振動測量;2）進(jìn)行無鍵相法的葉片異步振動測量，并投入到工程應(yīng)用中;3）制定有效的動態(tài)標(biāo)定方案，測量葉片在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時輸出電壓與葉尖間隙之間的關(guān)系;4）研制能夠在惡劣環(huán)境下進(jìn)行高精度、長周期測量的傳感器。

關(guān)鍵詞：機械動力學(xué)與振動;葉尖定時;葉片振動;葉尖間隙;實時監(jiān)測

中圖分類號：O329? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.7535/hbkd.2021yx05001

收稿日期：2021-05-13;修回日期：2021-08-20;責(zé)任編輯：馮 民

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51505206）;遼寧省自然科學(xué)基金（2019-ZD-0694）

第一作者簡介：張 亮（1983—），男，遼寧葫蘆島人，副教授，博士，主要從事失諧葉盤結(jié)構(gòu)減振方面的研究。

E-mail：zhangliang545238@163.com

Review of research on tip-timing and tip clearance measurement technology

ZHANG Liang，WANG Qidi，LI Xin，WANG Yuan

（Faculty of Mechanical Engineering and Automation，Liaoning University of Technology，Jinzhou，Liaoning 121001，China）

Abstract：Turbine blades will fail due to fatigue fracture caused by vibration at high-speed rotation，resulting in damage of rotating machinery.Blade tip-timing measurement technology is the most promising non-contact blade vibration real-time monitoring method at present，and the change of the blade tip clearance is closely related to the vibration state of the blade.Therefore，real-time monitoring of blade vibration state and blade tip clearance is the key to ensure the safe，stable，and reliable operation of rotating machinery.The principles and research results of blade tip-timing and blade tip clearance measurement technology in domestic and international were summarized.It was clarified that the current research is still in the incomplete maturity stage of simulation and experimental measurement，and the research prospects of blade tip-timing and blade tip clearance measurement technology were provided.It was pointed out that future research can be carried out in the following aspects： 1） combining blade tip-timing and tip clearance measurement technology to achieve blade vibration measurement;2） conducting asynchronous blade vibration measurement without the once per revolution （OPR） sensor method and putting it into engineering application;3） developing an effective dynamic calibration scheme to measure the relationship between the output voltage and the blade tip clearance when the blade is rotating;4） developing the sensors capable of high-precision and long-period measurements in harsh environments.

Keywords：

mechanical dynamics and vibration;blade tip-timing;blade vibration;blade tip clearance;real-time monitoring

渦輪葉片作為航空發(fā)動機的核心部件，高速旋轉(zhuǎn)時除了受到自身轉(zhuǎn)子不平衡的離心力外，還會與空氣流產(chǎn)生相互作用，形成不平均、不穩(wěn)定的氣流力，使葉片發(fā)生振動，隨著轉(zhuǎn)速的提高，葉片還可能受到多種復(fù)雜的作用力，加劇葉片振動，嚴(yán)重時產(chǎn)生疲勞裂紋甚至斷裂。若未能及時發(fā)現(xiàn)葉片產(chǎn)生疲勞斷裂失效，將會造成旋轉(zhuǎn)機械的損壞[1-2]。因此，對葉片的振動狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，獲取葉片旋轉(zhuǎn)過程中的振動參數(shù)，可以對葉片故障進(jìn)行提前預(yù)警，有效預(yù)防葉片發(fā)生疲勞斷裂失效，保證大型旋轉(zhuǎn)機械安全、穩(wěn)定、可靠的工作。目前，葉尖定時（blade tip-timing，BTT）技術(shù)僅需沿靜止的機匣上安裝幾個傳感器就能夠?qū)崿F(xiàn)全周期監(jiān)測葉片振動的目的，是最有效的葉片振動實時監(jiān)測手段[3]。

1 葉尖定時測量技術(shù)

葉尖定時測振技術(shù)的基本原理如圖1所示，在轉(zhuǎn)軸處安裝鍵相傳感器記錄轉(zhuǎn)速信號，并由安裝在機匣上的葉尖定時傳感器TIP0～TIP3記錄旋轉(zhuǎn)葉片掃過傳感器探頭時產(chǎn)生的葉尖定時信號。由于葉片的實際到達(dá)時間與不振動時的理論到達(dá)時間不相等，將產(chǎn)生時間差Δt，基于時間差序列{Δt}，再借助相應(yīng)的葉片振動參數(shù)辨識算法就能夠辨識出葉片的振動幅值等參數(shù)[4-6]。葉片在實際旋轉(zhuǎn)過程中受離心變形和熱變形的影響，會使葉片與機匣之間的葉尖間隙發(fā)生改變。傳統(tǒng)的葉尖定時信號處理方法沒有考慮葉尖間隙變化對其定時精度的影響，以某一固定閾值的切割電平與脈沖信號前沿的交點時刻作為葉片的到達(dá)時間，導(dǎo)致在提取時間差序列{Δt}時引入了較大的定時誤差，最終使葉片的振動參數(shù)辨識精度下降。葉片旋轉(zhuǎn)時，其振動可分為切向振動和徑向振動。葉尖定時測量技術(shù)主要用于測量葉片的切向振動，而葉片的徑向振動會影響葉片尖端與殼體之間的距離，由葉尖間隙測量技術(shù)進(jìn)行測量。葉尖間隙的變化與葉片的振動狀態(tài)密切相關(guān)，因此實現(xiàn)葉尖定時和葉尖間隙的準(zhǔn)確測量在葉片健康監(jiān)測領(lǐng)域是非常有必要的。

1.1 提高葉尖定時系統(tǒng)精度的方法

為了減小因葉尖間隙變化引入的定時誤差，科研人員相繼提出了幾種葉尖定時時刻鑒別方法（包括恒定比值時刻鑒別、零點時刻鑒別、雙閾值前沿時刻鑒別等），并在一定程度上提高了葉尖定時系統(tǒng)的精度。

1）恒定比值時刻鑒別方法

該方法的閾值隨著脈沖信號幅值的改變而改變，通常將閾值取在脈沖信號的50%處，以脈沖信號上升沿幅值高度的一半作為葉片到達(dá)葉尖定時傳感器的時間[7]。該方法能夠在一定程度上減小因葉尖間隙變化引入的定時誤差，但該方法的定時精度會隨著葉尖間隙的增大而下降，并且需要較高的信號處理精度。

2）零點時刻鑒別方法

葉尖定時傳感器采集到的脈沖信號經(jīng)過高通容阻濾波電路、零點檢測電路后會變成一個雙極性信號。此時，輸出電壓的零點就是原脈沖信號的峰值點，而電壓零點的橫坐標(biāo)即為葉片的到達(dá)時間[8]。零點時刻鑒別方法是一種以脈沖信號的峰值時刻作為葉片到達(dá)時間的方法，理論上脈沖信號的峰值是葉片尖端正對傳感器探頭中心的時刻，并不會受到葉尖間隙變化的影響，但傳感器測得的脈沖信號峰值部分較為平緩，確定電壓的零點時刻較為困難。

3）雙閾值前沿時刻鑒別方法

雙閾值前沿時刻鑒別方法的原理如下：參考信號到達(dá)閾值Vth時開始計時，葉尖定時傳感器采集到的脈沖信號到達(dá)閾值Vth1和Vth2（Vth1

近幾年，國內(nèi)在提高葉尖定時系統(tǒng)精度的方法上又取得了一些成果。汪猛[7，10]基于光纖式傳感器，提出了一種以脈沖信號的中間時刻作為葉片到達(dá)時間的定時方法，提取切割電平與脈沖信號上升沿和下降交點所對應(yīng)的時間，并將獲取的2個時間相加取平均值，再以此平均值作為葉片的到達(dá)時間，該方法在傳統(tǒng)的上升沿定時方法基礎(chǔ)上減少了70%以上的定時誤差?？紤]到葉片端部的前后沿并不完全平行，其又提出了一種以脈沖信號兩邊沿線性部分延長線的交點作為葉片到達(dá)時間的方法，通過標(biāo)定出合適的上升時間與下降時間的比值，可以更大程度地減小葉尖間隙變化對葉尖定時系統(tǒng)精度的影響。鐘龍等[11]基于電渦流式傳感器在測量范圍內(nèi)具有良好線性特性的特點，提出一種葉尖定時補償法，通過標(biāo)定葉尖間隙與測量誤差之間的關(guān)系，再對測量誤差進(jìn)行補償來提高葉尖定時系統(tǒng)的精度。

4）二次曲線擬合方法

二次曲線擬合求脈沖信號峰值時刻的方法，以求解的峰值時刻點作為葉片的到達(dá)時間，將峰值時刻點對應(yīng)的輸出電壓經(jīng)過相關(guān)算法，可以求出動態(tài)的實際葉尖間隙。采用二次曲線擬合方法對脈沖信號的峰值時刻進(jìn)行計算，可解決復(fù)雜多項式需要定階和求解才能確定峰值時刻的問題，其僅僅將脈沖信號中與二次曲線差異較大的部分舍去，對剩余部分的采樣點進(jìn)行二次曲線擬合即可獲得脈沖信號的峰值時刻和峰值電壓。采用該方法時，范圍截取的太小或太大均不利于二次曲線擬合的準(zhǔn)確性。因此，可將截取范圍定在峰值電壓向下的20%～50%之間，在其中尋找到一個最優(yōu)的截取范圍，最大限度地提高葉尖定時系統(tǒng)的精度。

1.2 無鍵相法葉片振動測量

傳統(tǒng)的葉尖定時測量系統(tǒng)中除了葉尖定時傳感器外還包括一個鍵相傳感器，該傳感器具有測量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、提供時間基準(zhǔn)和確定葉片編號的作用。鍵相傳感器通常安裝在旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)軸處，在轉(zhuǎn)軸對應(yīng)位置做好反光標(biāo)記。轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)動一圈鍵相傳感器接收到一次轉(zhuǎn)速同步信號，根據(jù)兩次接收到的信號時間間隔可以確定轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速;根據(jù)反光標(biāo)記與葉片之間的角度關(guān)系，可以確定葉片在不振動時的理論到達(dá)時間，再根據(jù)葉片的實際到達(dá)時間可以確定葉片的振動位移;根據(jù)反光標(biāo)記的安裝位置，可以確定葉尖定時傳感器測得脈沖信號的葉片編號。

在實驗室的葉片振動測量階段，鍵相傳感器可以使葉片的振動測量更加簡單。但在航空發(fā)動機等旋轉(zhuǎn)機械實際運行過程中，鍵相傳感器往往難以安裝在轉(zhuǎn)軸附近的最佳位置，同時鍵相傳感器需采用光學(xué)傳感器，其精度受限于復(fù)雜且惡劣的發(fā)動機內(nèi)部環(huán)境，在長期工作過程中會因故障使整個測量系統(tǒng)失效，甚至?xí)蛎撀涠鴵魝D(zhuǎn)子，給發(fā)動機的穩(wěn)定運行造成隱患。在雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機的內(nèi)部，受發(fā)動機結(jié)構(gòu)和內(nèi)部空間的影響，鍵相傳感器更加難以安裝[12]。因此，無鍵相法葉尖定時測量技術(shù)逐漸引起了研究人員的關(guān)注，也是未來葉片振動非接觸測量技術(shù)的發(fā)展趨勢。

為了克服鍵相傳感器在葉片振動測量中的局限性，近幾年，國內(nèi)外逐漸展開了無鍵相法的葉片振動非接觸測量研究，目前已經(jīng)取得了部分研究成果。胡偉等[13]基于單自由度理論對無鍵相的非接觸式葉片振動測量原理進(jìn)行分析，運用公式推導(dǎo)了機匣熱變形、葉尖定時傳感器軸向安裝誤差和定位葉片振動引起的測量誤差。RUSSHARD[14]提出一種直線擬合的方法，利用多個葉尖定時傳感器的數(shù)據(jù)組合替代鍵相傳感器的作用。GUO等[15-16]在變速掃頻下使用三個葉尖定時傳感器并在恒轉(zhuǎn)速下再增加兩個葉尖定時傳感器實現(xiàn)了無鍵相法的葉片同步振動參數(shù)辨識。研究發(fā)現(xiàn)，采用無鍵相的葉尖定時信號處理方法時，可以有效減小采用鍵相傳感器時引入的轉(zhuǎn)速測量誤差，為后續(xù)的葉片振動參數(shù)辨識提供了更高的測量精度[17]。王維民等[18]以某一旋轉(zhuǎn)葉片作為“參考鍵相”，對葉片的同步振動展開研究，基于單參數(shù)法推導(dǎo)了葉片振動幅值、共振中心頻率公式，基于自回歸法推導(dǎo)了振動倍頻值公式，通過實驗與有鍵相法的參數(shù)辨識結(jié)果進(jìn)行對比，得到2種方法的相對誤差小于0.06%，驗證了無鍵相法振動監(jiān)測的準(zhǔn)確性。周暢祎等[19]在雙參數(shù)法的基礎(chǔ)上增加一個葉尖定時傳感器作為鍵相傳感器，通過對葉片的振動位移差值進(jìn)行處理辨識出了葉片的同步振動幅值和倍頻。趙展鵬[20]基于無鍵相法在恒轉(zhuǎn)速和變速掃頻下分別對基本扇區(qū)單自由度與雙自由度測振系統(tǒng)進(jìn)行了葉片同步振動參數(shù)辨識，辨識結(jié)果與仿真結(jié)果相比誤差極小，驗證了無鍵相法葉片同步振動參數(shù)辨識的準(zhǔn)確性。

目前，無鍵相法葉片振動非接觸測量主要采用增加一個葉尖定時傳感器的方式來替代鍵相傳感器的作用，以其中一個葉尖定時傳感器為基準(zhǔn)，計算其余葉尖定時傳感器與該傳感器的振動位移差值，通過對振動位移差值進(jìn)行分析，求得葉片的振動參數(shù)。另外，還有采用數(shù)據(jù)擬合生成虛擬鍵相傳感器來替代鍵相傳感器作用的方法。

2 葉尖間隙測量

葉尖間隙（blade tip clearance，BTC）的大小直接影響著發(fā)動機的性能和安全性，根據(jù)文獻(xiàn)可知，發(fā)動機葉片的葉尖間隙每增加葉片長度的1%，發(fā)動機的效率就會降低1.5%;效率每降低1%，耗油率就會增加2%，但是，如果葉片尖端與機匣之間的間隙太小，葉片在旋轉(zhuǎn)過程中就會因與機匣發(fā)生摩擦而損壞發(fā)動機[21-22]。因此，實時監(jiān)測葉片的葉尖間隙，對葉片的故障進(jìn)行提前預(yù)警，保證發(fā)動機的平穩(wěn)運行十分重要。

經(jīng)過多年的發(fā)展，研究人員提出了放電探針法、電容法、電渦流法、微波法和光纖法等多種方法實現(xiàn)對葉尖間隙的測量。

2.1 放電探針法

放電探針法利用火花放電原理，在探針上施加直流高壓，控制器控制執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動探針逐漸靠近旋轉(zhuǎn)葉片，當(dāng)探針與葉片尖端之間的間隙足夠小時發(fā)生電弧放電，再由控制器控制放電后的探針停止并退回安全位置，根據(jù)探針的移動距離計算出葉片尖端與機匣之間的間隙。

近年來， 國內(nèi)外基于放電探針法對葉尖間隙進(jìn)行了測量。1983年，DAVIDSON等[23]設(shè)計的第1代放電探針葉尖間隙測量系統(tǒng)實現(xiàn)了定子葉片與轉(zhuǎn)鼓之間的間隙測量。1992年，SHEARD等[24]在此基礎(chǔ)上發(fā)明了第2代放電探針葉尖間隙測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)在6 mm的測量范圍內(nèi)精度可達(dá)±0.025 mm。英國ROTADATA公司研發(fā)的RATATIP葉尖間隙測量系統(tǒng)最大工作轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到5 000 r/min，測量分辨率為0.01 mm，重復(fù)性誤差為±0.05 mm[25]。2004年，熊宇飛[26]利用放電探針技術(shù)對4個試驗件進(jìn)行了葉尖間隙測量，給出了轉(zhuǎn)子葉尖間隙隨轉(zhuǎn)速變化的一般規(guī)律。

放點探針法只能測量出轉(zhuǎn)子的最小葉尖間隙，其測量精度受高污染環(huán)境影響較大，而且驅(qū)動探針的執(zhí)行機構(gòu)十分復(fù)雜，一旦探針無法退回安全位置就會發(fā)生故障，甚至引起發(fā)動機的損壞，因此該方法并沒有投入到工程應(yīng)用當(dāng)中，并逐漸被其他方法所取代。

2.2 電容法

電容法是基于電容測距原理，以電容式傳感器的探頭與葉片端面作為電容器的2個極板，葉尖間隙改變將引起電容量的變化，再以電信號的形式將電容量的變化進(jìn)行輸出，經(jīng)過相關(guān)計算就可以獲得此時的葉尖間隙值，電容量與葉尖間隙的函數(shù)表達(dá)式為

C=εε0Sd，（1）

式中：C為電容量;ε為介質(zhì)介電常數(shù);ε0為真空介電常數(shù);S為電容極板面積;d為葉尖間隙。

近年來， 國內(nèi)外對基于電容法的葉尖間隙測量進(jìn)行了廣泛研究。1992年，SARMA等[27]基于電容法應(yīng)用2種類型的輸入（斜坡和直流）和1個雙放大器電路測量渦輪發(fā)動機的葉尖間隙。1997年，MULLER等[28]基于調(diào)頻式電容法的測量原理開發(fā)了一套葉尖間隙測量系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的測試中。2000年，STEINER[29]研制的電容式傳感器測量范圍在0.3～1.8 mm之間，在高溫等惡劣環(huán)境中測量精度達(dá)到了0.015 mm。2002年，F(xiàn)ABIAN等[30]介紹了一套基于電容式測量的微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機葉尖間隙測量系統(tǒng)，能夠測量出整個渦輪轉(zhuǎn)子葉片與殼體之間的平均葉尖間隙，測量范圍達(dá)到100 μm，分辨率為0.8 μm。2005年，LAWSON等[31]將電容式葉尖間隙測量系統(tǒng)應(yīng)用到葉尖定時測量當(dāng)中，采用曲線擬合的方法測量出了葉片的振幅。2011年，段發(fā)階等[32]基于PLL載頻跟蹤原理研究了雜散電容對電容調(diào)頻法葉尖間隙測量精度的影響。李飛行等[33]設(shè)計了一種電容式葉尖間隙靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)來建立電容與葉尖間隙之間的關(guān)系。2012年，魏之平[34]對正負(fù)階次多項式擬合公式進(jìn)行推導(dǎo)，并利用Matlab對標(biāo)定數(shù)據(jù)構(gòu)建了5組28種擬合公式，最終得到±3階是RCAPII葉尖間隙測量系統(tǒng)標(biāo)定曲線的最佳擬合方式。2014年，李翔等[35]基于電容法的測量原理研制了一套完整的電容式葉尖間隙標(biāo)定系統(tǒng)。張龍等[36-37]對電容法葉尖間隙測量的誤差影響因素進(jìn)行了分析，制定了消除誤差的解決方案，并得到了轉(zhuǎn)子葉尖間隙與同心度隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。2018年，張旭等[38]通過多項式擬合試驗數(shù)據(jù)驗證了電容法測量的輸出電壓U與葉尖間隙d成反比例關(guān)系，并確定階次為-7時其試驗的擬合效果最佳。

電容法的輸出電壓會隨葉片形狀、材料和環(huán)境溫度的不同而改變，因此該方法在測量前需要進(jìn)行標(biāo)定。當(dāng)電容法的絕緣性不好時，絕緣電阻隨溫度、濕度的變化而改變，產(chǎn)生零位漂移。受雜散電容的影響，在惡劣環(huán)境下電容法的測量精度也受到限制。而且電容法中電容量與葉尖間隙的函數(shù)表達(dá)式是一種忽略邊緣效應(yīng)的關(guān)系式，函數(shù)本身存在誤差。因此，電容法的難點主要是解決絕緣性、雜散電容和邊緣效應(yīng)對測量系統(tǒng)的影響。

2.3 電渦流法

電渦流法基于渦流效應(yīng)原理，通以交變電流的線圈周圍會形成1個正弦交變磁場，葉片在磁場中切割磁感線就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，并生成與原磁場方向相反的交變磁場，生成的交變磁場對原磁場進(jìn)行抵消，線圈的等效阻抗Z就會發(fā)生改變，此時，等效阻抗Z的函數(shù)表達(dá)式可表示為

Z=σ，μ，ω，r，d，（2）

式中：σ為葉片的電導(dǎo)率;μ為葉片的磁導(dǎo)率;ω為通過頻率;r為尺寸因子;d為葉尖間隙。

對于已知的電渦流式傳感器和葉片，r，σ，μ和ω均是固定不變的。因此，線圈阻抗值Z與葉尖間隙d呈單值函數(shù)關(guān)系，再通過電渦流式傳感器的轉(zhuǎn)換電路，最終將線圈阻抗值Z的變化轉(zhuǎn)化為輸出電壓U的變化。

近年來，電渦流法在葉尖間隙測量中得到了廣泛應(yīng)用。美國HOOD公司研制的裝有空冷裝置的電渦流式傳感器可耐1 000 ℃以上的高溫[25]。美國NASA的LERC在氣動渦輪旋轉(zhuǎn)試驗機上完成了電渦流法的葉尖間隙測量試驗[39]。王維民等[40-41]提出了觸發(fā)脈沖法，借助靜態(tài)周向標(biāo)定數(shù)據(jù)，解決了高速旋轉(zhuǎn)葉片由于欠采樣而無法獲取動態(tài)葉尖間隙值的問題，準(zhǔn)確地計算出了葉片在高速旋轉(zhuǎn)情況下的實際葉尖間隙值。2020年，周琦等[42]對電渦流法進(jìn)行改進(jìn)，在轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時，完成了對整圈葉片個數(shù)達(dá)60個自鎖葉片的葉尖間隙測量。

電渦流法在測量前同樣需要進(jìn)行標(biāo)定，目前該方法面對的問題主要是耐熱性不足，測量時的環(huán)境溫度不能高于400 ℃，因此，研制出耐高溫的電渦流式傳感器或研究出可靠的冷卻方法，會促使電渦流法的應(yīng)用范圍更加廣泛。

2.4 微波法

微波法由微波式傳感器發(fā)射連續(xù)微波信號，并對葉片端面反射的微波信號進(jìn)行接收，通過對比2個信號的相位差來計算葉尖間隙。

近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者基于微波法對葉尖間隙進(jìn)行了測量。GRZYBOWSKI等[43]開發(fā)了一套應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的微波式葉尖間隙測量系統(tǒng)。2009年，美國的Gleen研究所研制出能夠耐900 ℃的高溫的微波式葉尖間隙探針，可測量葉尖間隙為25 mm，目標(biāo)精度為25 μm[44]。2014年，WOIKE等[45]將微波式傳感器技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)廨啓C的高溫非接觸式葉尖間隙、葉尖定時和葉片振動測量，在對2種不同類型的微波式傳感器評估時發(fā)現(xiàn)，其均可用于發(fā)動機的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。2015年，DUTTA等[46]研制出了一種基于短程雷達(dá)原理的微波傳感系統(tǒng)，可承受高溫和高壓環(huán)境。2016年，吳婭輝等[47]對微波式葉尖間隙測量系統(tǒng)的組成和原理進(jìn)行了詳細(xì)說明，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對影響微波法測量精度的因素進(jìn)行了分析。謝興娟等[48]通過建立基于微波相位法的傳感器模型，模擬計算出了該微波傳感器在0～6 mm范圍內(nèi)的高溫環(huán)境中能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的葉尖間隙測量。2018年，孫浩琳等[49]基于微波式傳感器的校準(zhǔn)原理，分析了轉(zhuǎn)速和回縮值對校準(zhǔn)精度的影響。楊季三等[50]提出了一種基于頻率域的微波式傳感器誤差模型，提高了傳感器的線性度，有效減小了測距誤差。2019年，張濟(jì)龍等[51]研制了一種微波式傳感器，在葉尖間隙的改變范圍為0.5～2 mm時，測量精度可達(dá)±35 μm。2021年，牛廣越等[52]提出了一種基于微波相位差測距原理的葉尖間隙動態(tài)測量方法，以相位區(qū)域自適應(yīng)截取、尺度調(diào)整、相關(guān)匹配運算、峰值區(qū)域擬合運算等手段解決了微波相位信號的測距模糊問題，預(yù)估出了相位信號的峰值位置。通過搭建葉尖間隙動態(tài)測量實驗臺，在葉尖間隙為0.5～3 mm、實驗轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時，得到不同厚度以及H形凹腔葉片的葉尖間隙動態(tài)測量精度優(yōu)于40 μm，并以2 mm厚度的葉片為例，通過增加采集模塊分頻數(shù)的方式模擬出葉片轉(zhuǎn)速為24 000 r/min時，其測量精度仍優(yōu)于60 μm，為后續(xù)的葉尖間隙動態(tài)測量提供了堅實基礎(chǔ)。

微波法受空間濾波效應(yīng)的影響，測量精度有所降低，并且電路設(shè)計、處理算法難度大，系統(tǒng)造價昂貴，限制了其應(yīng)用。未來隨著技術(shù)的提高，降低微波法的成本將會使該方法的應(yīng)用更為普遍。

2.5 光纖法

光纖法的基本原理是光纖式傳感器的探頭將激光發(fā)射到葉片端面，并對葉片端面反射的光進(jìn)行接收，傳感器探頭與葉片端面的距離決定接收到的光強信號大小，經(jīng)后續(xù)處理獲得葉尖間隙值。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對基于光纖法的葉尖間隙測量開展了廣泛研究。1999年，DHADWAL等[53]利用2只傳感器測得葉片掃過時的時間差推算出葉片的葉尖間隙，減小了環(huán)境因素對測量系統(tǒng)的影響，使測量系統(tǒng)的可靠性和精度得到提高。2013年，GARCA等[54]基于2個接收光纖束輸出電壓的比值來減小誤差，在葉尖間隙測量中相對于商用的傳感器減小了3%的誤差，在葉尖定時測量中通過行波譜獲得了葉片在特定節(jié)點直徑下的平均振動幅度，并發(fā)現(xiàn)該種方法可同時用于葉尖定時和葉尖間隙測量。2015年，GIL-GARCA[55]介紹了一種使用光纖式傳感器的葉尖間隙和葉片到達(dá)時間測量方法，該方法能夠獲取旋轉(zhuǎn)葉片的最大和最小葉尖間隙以及葉片的到達(dá)時間。馬玉真等[56-58]分析了強度調(diào)制型光纖式傳感器的誤差影響因素，討論了不同組數(shù)接收光纖對光纖式葉尖間隙測量系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)至少采用3組及以上的接收光纖能夠消除光源波動、葉片端面反射率變化和不平度引起的測量誤差。2011年，葉德超等[59]提出了基于多光束葉尖定時的間隙測量方法，減小了反射光強弱變化等環(huán)境因素對測量精度的影響，在0.5～3.5 mm的測量范圍內(nèi)，發(fā)射光纖的光斑直徑縮小至100 μm以下，使系統(tǒng)的測量精度小于15 μm，達(dá)到了高精度的測量要求。2012年，張燦等[60]采用補償法消除了光源波動、被測物體反射率不同和光線彎曲損耗對雙圈同軸式光纖傳感器的影響。2013年，王凱等[61]基于大頻差雙頻激光設(shè)計了光纖式葉尖間隙測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)的測量精度僅受系統(tǒng)本身影響，在實驗中系統(tǒng)的測距精度達(dá)到34.26 μm，相位差標(biāo)準(zhǔn)差為0.257 2°。JIA等[62-64]設(shè)計了一種用于主動間隙控制的光纖式傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣率約為100 kHz，分辨率優(yōu)于0.01 mm，分析了透鏡透射率、光的干涉和葉片端面傾斜度對反射式光纖傳感器的影響，設(shè)計了雙圈同軸式間隙測量系統(tǒng)，并分別通過靜態(tài)、動態(tài)實驗測量驗證了該系統(tǒng)具有較好的抗煙霧干擾能力。

光纖法具備其他方法的大部分優(yōu)點，但在重污染環(huán)境中由于葉片反射損失嚴(yán)重影響了測量系統(tǒng)的精度，甚至?xí)瓜到y(tǒng)失效，這也限制了該方法用于旋轉(zhuǎn)機械中的長周期監(jiān)測。

3 測量方法述評

近年來，研究人員在葉尖定時測量技術(shù)的改進(jìn)工作中，提出了一些減小葉尖間隙變化對葉尖定時測量系統(tǒng)精度影響的方法，并致力于無鍵相法葉片振動非接觸測量研究。其中，葉尖定時精度、無鍵相葉尖定時、傳感器探頭選擇是提高系統(tǒng)精度和可靠性的重要因素。

3.1 葉尖定時精度

葉尖定時精度是基于葉尖定時的葉片振動參數(shù)測量系統(tǒng)關(guān)鍵性能之一。恒定比值時刻法能在一定程度上減小葉尖間隙變化引入的定時誤差，但定時精度隨著葉尖間隙的增大而下降，且需要較高的信號處理精度。零點時刻法是以脈沖信號的峰值時刻作為葉片到達(dá)時間的方法，理論上不會存在誤差，但傳感器測得的脈沖信號峰值部分比較平緩，確定電壓的零點時刻較為困難。雙閾值前沿時刻法能夠提高葉尖定時系統(tǒng)的整體精度，但在矯正定時誤差過程中也會引入新的誤差。上述方法在減小葉尖間隙變化對定時精度影響上均起到了一定的效果，但在信號處理難度或定時精度上還存在不足。二次曲線擬合法簡化了信號峰值時刻的求解難度，以峰值時刻點作為葉片的到達(dá)時間，并可以求出動態(tài)的實際葉尖間隙，力爭最大限度地提高葉尖定時系統(tǒng)的精度。

3.2 無鍵相葉尖定時

無鍵相葉尖定時是基于葉尖定時的葉片振動非接觸測量的研究熱點之一。目前，無鍵相葉尖定時方法主要分為2大類。一是對已有的葉尖定時測量和數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行改進(jìn)，通過增加葉尖定時傳感器數(shù)目來替代鍵相傳感器的作用。該方法選取一個葉尖定時傳感器測量的位移為參考，將其他葉尖定時傳感器測量的位移分別與其作差，得到葉片振動位移差，再對葉片振動位移差進(jìn)行分析，完成葉片振動參數(shù)的辨識。該類方法不能辨識出葉片的恒偏量和振動初相位，且有嚴(yán)格的前提條件，如葉片振幅很小、葉片安裝誤差已知。二是采用數(shù)據(jù)擬合處理的方法，利用不同葉尖定時傳感器測量數(shù)據(jù)與葉片轉(zhuǎn)動角度的關(guān)系，產(chǎn)生虛擬鍵相信號來代替轉(zhuǎn)速鍵相傳感器的作用。此類方法不能實現(xiàn)葉尖定時數(shù)據(jù)的定位。目前，無鍵相傳感器葉尖定時測量技術(shù)主要研究葉片的同步振動測量及參數(shù)辨識方法，缺乏對葉片異步振動測量與參數(shù)辨識的報道。此外，上述方法均要滿足嚴(yán)格的條件，即葉片振幅很小，葉片安裝誤差已知，或葉尖定時數(shù)據(jù)與葉片編號的對應(yīng)關(guān)系已知。當(dāng)條件不滿足時，相關(guān)辨識算法可能失效。這些問題限制了上述方法在工程實際中的推廣和應(yīng)用。

3.3 傳感器探頭選擇

傳感器探頭的選擇是決定葉尖定時和葉尖間隙測量系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。電容法的成本低，具有良好的耐熱性，且可以實現(xiàn)葉尖定時和葉尖間隙的同時測量，但絕緣性、雜散電容和邊緣效應(yīng)的問題限制了其應(yīng)用;電渦流法具有抗污染能力強、長期工作可靠性高、測量精度高等優(yōu)點，但其只能對金屬導(dǎo)體進(jìn)行測量，其靈敏度受葉片厚度的影響下降嚴(yán)重，且不耐高溫的特點也限制了其廣泛應(yīng)用;微波法具有耐高溫、抗污染能力強等優(yōu)點，但空間濾波效應(yīng)對其測量精度的影響和昂貴的成本問題還有待解決;光纖法滿足測量系統(tǒng)的高帶寬要求，且具有測量精度高、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點，但光纖法需要保持探頭的清潔，在復(fù)雜的發(fā)動機工作環(huán)境中防止探頭被污染是一項艱難的工作。因此，基于光纖法的測量系統(tǒng)需要解決光的反射損失問題。

綜上可見，這些方法在具有眾多優(yōu)點的同時均存在一些局限性，在未來技術(shù)的發(fā)展中突破其性能的缺陷，將會使這些方法在葉尖定時和葉尖間隙測量技術(shù)中得到更廣泛的應(yīng)用。

4 研究展望

當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時，其振動可分為切向振動和徑向振動。葉尖定時測量技術(shù)主要用于測量葉片的切向振動，而葉片的徑向振動會影響葉片尖端與殼體之間的距離，由葉尖間隙測量技術(shù)進(jìn)行測量。葉尖間隙的變化與葉片的振動狀態(tài)密切相關(guān)，因此，實現(xiàn)葉尖定時和葉尖間隙的同時測量在葉片的健康監(jiān)測領(lǐng)域有較好的前景。

迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者在葉尖定時和葉尖間隙測量技術(shù)的研究與應(yīng)用方面進(jìn)行了大量工作，在理論與實驗研究中均取得了一定的成果，但研究仍處于一個不完全成熟的階段。根據(jù)已知的文獻(xiàn)，目前的研究成果主要是通過仿真模擬和實驗設(shè)備得到的，只能獲取相對理想狀態(tài)下的結(jié)果與數(shù)據(jù)，但渦輪機械工作在十分復(fù)雜的環(huán)境當(dāng)中，仿真與實驗數(shù)據(jù)與實際的發(fā)動機葉片測量數(shù)據(jù)存在一定的差別，使得這些方法與結(jié)論在實際應(yīng)用中是否有效成為一個不可忽視的問題。因此，葉尖定時和葉尖間隙測量技術(shù)還需要通過更進(jìn)一步的研究來證實方法和結(jié)論的有效性。綜合已有文獻(xiàn)，本文認(rèn)為目前還需要對以下幾個方面進(jìn)行更深入的研究。

1）在提高葉尖定時系統(tǒng)精度方面，研究人員多集中于對脈沖信號進(jìn)行研究來減小葉尖間隙變化引入的定時誤差，而能否根據(jù)變化的葉尖間隙更準(zhǔn)確地確定葉片的振動參數(shù)還有待研究。因此，將葉尖定時和葉尖間隙測量技術(shù)結(jié)合在一起或許是未來葉片振動測量的研究熱點。

2）目前，無鍵相法的葉片振動測量和參數(shù)辨識僅針對葉片的同步振動，且只能在葉片振幅小、葉片安裝誤差已知等條件下使用，仍處于實驗室研究階段。因此，對葉片的異步振動進(jìn)行測量，并將該方法投入到工程應(yīng)用當(dāng)中是未來的研究方向。

3）以靜態(tài)標(biāo)定的方式求解出輸出電壓與葉尖間隙之間的關(guān)系仍是現(xiàn)階段進(jìn)行葉尖間隙測量的主要方案，但葉片在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時輸出電壓與葉尖間隙之間的關(guān)系與靜態(tài)時存在較大偏差，而對高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)動機葉片進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定難以實現(xiàn)。因此，研究出有效的動態(tài)標(biāo)定方案是未來的難點。

4）旋轉(zhuǎn)機械的工作溫度在0～1 300 ℃之間變化，在葉尖間隙0～3 mm的測量范圍內(nèi)，測量系統(tǒng)的精度需達(dá)到30 μm，在間隙較小時需達(dá)到10 μm。因此，研制出能夠在惡劣環(huán)境下進(jìn)行高精度、長周期測量的傳感器仍是目前的難點。

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