楊翠波

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機集團有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

1 微波法

在NASA Glenn研究中心正在研究應用微波傳感器來獲取葉尖間隙和進行葉尖定時測量。微波葉尖間隙傳感器的工作原理與短程雷達系統(tǒng)極其相似。傳感器向目標發(fā)送連續(xù)微波信號并測量反射信號。反射信號的相差與傳感器和待測目標之間的距離成正比。這種傳感器很有優(yōu)勢，其能夠在極高溫下工作，而且不受可能存在于渦輪發(fā)動機中的雜質(zhì)所影響。其測量原理如圖1。

圖1 微波葉尖間隙系統(tǒng)測量原理示意圖

微波葉尖間隙傳感器系統(tǒng)配有兩個傳感器通道以及四個高溫探針。微波葉尖間隙傳感器系統(tǒng)工作原理與短程雷達系統(tǒng)相似。葉尖間隙探針裝有發(fā)射和接收天線。傳感器能發(fā)射出連續(xù)微波信號并能測量金屬目標反射回來的信號，這里即指轉(zhuǎn)子葉片。通過葉片運動的相位來調(diào)整反射信號。將反射信號與內(nèi)反射信號作對比，相差則對應于與葉片之間的間距。

圖2微波葉尖間隙探針

圖2 所示的高溫葉尖間隙探針直徑約14mm，長約26mm。該探針裝有發(fā)射和接收天線，安裝于發(fā)動機機匣上，在此位置上可以測出機匣與渦輪葉尖之間的徑向間隙。探針用高溫材料制成，需要承受高達900℃的未冷卻溫度以及1200℃冷卻空氣。

目前的微波系統(tǒng)以5.8GHZ運行，并且電流探針能測量的間隙距離達到25mm（即1/2輻射波長）。該項技術的終極目標是要精確到25μm，目的是評估傳感器對旋轉(zhuǎn)機構葉尖間隙測量和定時測量的能力。

2 超聲波法

超聲波傳感器測量法是即時葉尖間隙測量的最佳選擇。該方法有很多優(yōu)點：它適應于金屬和非金屬葉片；允許非接觸測量；能在惡劣環(huán)境下工作；安裝便捷；它屬于數(shù)字測量，適用于先進的數(shù)字控制系統(tǒng)。超聲波傳感器能夠生成兆赫茲超聲波，能在高溫條件下工作，包括一個大功率脈沖發(fā)生器/接收器和一個高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，因此超聲波傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)即時間隙測量。

超聲波傳感器的操作原理非常簡單，如圖3所示：被傳感器激勵的超聲波通過葉尖間隙并在葉尖被反射回來，反射回來的聲波被傳感器探測到。

圖3 測量原理2.2測量系統(tǒng)

3 渦電流法

渦電流法依據(jù)葉片掃過渦流線圈引起的渦流損耗的變化進行測量，其結構如圖4所示。測量裝置主要由探頭和檢測電路兩部分構成。檢測電路由振蕩器、檢波器及放大器等組成。

圖4 渦電流法原理圖

渦電流傳感器的特點：體積小，重量輕，結構簡單，不必做復雜的調(diào)整；頻率響應范圍寬，靈敏度高，測量范圍大，抗干擾能力強，在傳感器與葉尖之間有障礙和無障礙時都可以使用。目前，HOOD公司已近研制出商業(yè)化的渦流式傳感器，可以在最高537℃（1000℉）的溫度下可靠工作。但是，此方法受葉片材料的影響較大，葉片的導電性必須足夠，葉尖端面還需要有一定的厚度，以便在經(jīng)過磁場時能夠產(chǎn)生渦流。傳感器的輸出是隨著葉尖形狀、安裝狀態(tài)和環(huán)境溫度等變化，因此，事先需要校準，使其適合使用環(huán)境。此外，傳感器的耐熱性能較差，目前用于渦輪高溫部件尚有困難。

4 激光法

激光光學測量法的特點是：不受轉(zhuǎn)子葉片本身材料的限制，各種轉(zhuǎn)子葉片都可測量，適用于精度高、頻響快、高溫渦輪葉尖間隙測量；能在惡劣的環(huán)境下工作，適用于靜態(tài)和動態(tài)的實時檢測；成本低、光纖探頭體積較小、易安裝等。但由于端面窄小,同時炭黑、油垢、灰塵等污損光學系統(tǒng)和葉尖反射面等原因，光學鏡頭易污染，導致精度下降，測量壽命縮短；它適宜用于試驗機中的測量而不宜于長期運轉(zhuǎn)的實際燃氣輪機，宜測葉尖最大間隙值而不宜于單個葉尖間隙值或平均值。因此，激光光學測量法的主要技術工作是設法解決反射光量減小的問題。此外,由于運轉(zhuǎn)時的高溫、高壓和振動，應對光學系統(tǒng)和儀器采取保護措施，這對防止儀器破壞和測量精度下降頗有意義。

結語

為了推動發(fā)動機測試技術的發(fā)展，美國和歐洲一方面組建由政府、軍方和工業(yè)部門構成的聯(lián)合研究團隊，設立有專門的發(fā)動機測試技術科研計劃，針對發(fā)動機測試技術中的共同難點，進行有序地投資；另一方面，隨著IHPTET、VAATE計劃的實施，針對兩項計劃所亟需的測試技術，通過小企業(yè)創(chuàng)新計劃等途徑進行有重點地投資，有選擇地推動測試技術的發(fā)展；再次，在實際發(fā)動機型號中開展大量的試驗驗證，推動測試技術的成熟，最終促使傳感器和測試儀器產(chǎn)品從實驗室走向工程化和產(chǎn)業(yè)化。這些發(fā)展策略是值得國內(nèi)借鑒和大力推廣的有效途徑。

[1]Testing of a Microwave Blade Tip Clearance Sensor at the NASA Glenn Research Center，Mark R.Woike，James W.Roeder，Christopher E.Hughes，and Timothy J.Bencic，AIAA-2009-1452.