雷曉波， 董彥非， 王 茜

(1.西安航空學(xué)院飛行器學(xué)院， 西安, 710077； 2.中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院， 西安, 710089)

沙塵、石塊、飛鳥、金屬碎片、冰塊等物體吸入發(fā)動(dòng)機(jī)流道，會(huì)對(duì)風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片產(chǎn)生各類損傷，外物損傷(簡(jiǎn)稱FOD)會(huì)造成葉片產(chǎn)生不同程度的結(jié)構(gòu)損傷，或者造成發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰退，極端情況下可造成災(zāi)難性飛行事故。據(jù)美軍統(tǒng)計(jì)，1991—2004年間鳥撞事件多達(dá)517起，鳥撞是運(yùn)輸類飛機(jī)的第一大事故癥候[1-2]，我國(guó)空軍對(duì)1 135臺(tái)次發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)研表明：30%左右的翻修壓氣機(jī)葉片屬于打傷性質(zhì)[3]。外物撞擊風(fēng)扇葉片愈發(fā)頻繁，如何能夠及時(shí)識(shí)別外物撞擊事件，對(duì)于飛行員采取合理的處置措施，避免或減輕飛行事故，為維修維護(hù)人員快速定位被撞擊葉片編號(hào)，提高維修效率都具有重要的作戰(zhàn)意義[4-5]。近些年，由于非接觸葉尖振動(dòng)測(cè)量技術(shù)的成熟化，英美兩國(guó)在發(fā)動(dòng)機(jī)上加裝葉尖振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)開展葉片結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)分析[6-7]。風(fēng)扇葉片外物撞擊監(jiān)測(cè)識(shí)別技術(shù)是將非接觸葉尖定時(shí)傳感器布置在發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣上，實(shí)時(shí)測(cè)量葉尖振動(dòng)離散波形。當(dāng)風(fēng)扇葉片遭遇外物撞擊時(shí)，撞擊強(qiáng)迫高速旋轉(zhuǎn)的葉片產(chǎn)生瞬態(tài)振動(dòng)，造成葉片瞬時(shí)角速度發(fā)生波動(dòng)，從而使被撞擊葉片轉(zhuǎn)到傳感器位置的時(shí)刻出現(xiàn)偏差，通過對(duì)比到達(dá)時(shí)刻偏差或葉尖振動(dòng)變化，從而識(shí)別出葉片是否遭遇外物撞擊事件。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)外物撞擊的研究主要集中在風(fēng)扇葉片鳥撞瞬態(tài)響應(yīng)研究、鳥撞靜止葉片的模擬試驗(yàn)研究上[3-4]，關(guān)于葉片外物撞擊監(jiān)測(cè)識(shí)別技術(shù)的研究較少。文獻(xiàn)[6]表明：英國(guó)QinetiQ公司開展了大量的葉片外物撞擊理論及試驗(yàn)研究，研制了一套葉片外物撞擊監(jiān)測(cè)識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)，并于2008年在RB168-101發(fā)動(dòng)機(jī)上驗(yàn)證了系統(tǒng)功能，結(jié)果表明該監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)滿轉(zhuǎn)速下監(jiān)測(cè)出1 g外物撞擊事件。我國(guó)在葉片外物撞擊監(jiān)測(cè)識(shí)別技術(shù)研究還處在空白階段。由于葉片外物撞擊監(jiān)測(cè)識(shí)別技術(shù)在保障飛行安全以及葉輪機(jī)械健康運(yùn)轉(zhuǎn)方面具有重要的價(jià)值，因此有必要開展葉片外物撞擊監(jiān)測(cè)識(shí)別試驗(yàn)，通過大量試驗(yàn)分析建立葉片外物撞擊監(jiān)測(cè)識(shí)別方法。

1 風(fēng)扇葉片外物撞擊試驗(yàn)平臺(tái)

1.1 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子試驗(yàn)平臺(tái)

如圖1所示，風(fēng)扇葉片外物撞擊試驗(yàn)平臺(tái)由風(fēng)扇轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器、外物發(fā)射裝置、轉(zhuǎn)子狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、試驗(yàn)安全防護(hù)裝置等部分組成。從試驗(yàn)安全角度考慮，采用“試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)與操作控制現(xiàn)場(chǎng)隔離”的空間布局，即撞擊試驗(yàn)過程中所有人員、監(jiān)控終端、測(cè)試系統(tǒng)工控機(jī)位于安全系數(shù)足夠高的封閉區(qū)域，而轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器位于另一隔離區(qū)，試驗(yàn)平臺(tái)布局見圖2。

圖1 風(fēng)扇葉片外物撞擊試驗(yàn)平臺(tái)

圖2 試驗(yàn)設(shè)備總體布局示意圖

以某發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子為設(shè)計(jì)參考，采用動(dòng)力學(xué)相似原理模擬低壓轉(zhuǎn)子部件的動(dòng)力學(xué)特性，采用整體葉盤設(shè)計(jì)理念，風(fēng)扇葉片數(shù)量為12，葉高10 cm，葉輪旋轉(zhuǎn)直徑為600 mm，葉盤厚度50 mm；設(shè)計(jì)壓比1.06，設(shè)計(jì)效率0.84，設(shè)計(jì)流量9.5 kg/s，實(shí)際最高轉(zhuǎn)速為4 400 r/min；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)采用“雙支撐+盤懸臂”布局，考慮到風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)過程對(duì)軸系產(chǎn)生向前的推力，前軸承選用深溝球軸承，后軸承選取圓柱滾子軸承；采用獨(dú)立滑油泵對(duì)軸承進(jìn)行噴射潤(rùn)滑，采用“封嚴(yán)篦齒結(jié)構(gòu)+回油槽”對(duì)軸承座軸向端面進(jìn)行封嚴(yán)。

1.2 葉片外物撞擊識(shí)別系統(tǒng)

為驗(yàn)證葉片外物撞擊監(jiān)測(cè)識(shí)別技術(shù)的準(zhǔn)確性，采用高速攝像拍攝撞擊畫面，分析外物撞擊事件是否發(fā)生、撞擊葉片編號(hào)及撞擊位置等撞擊信息。葉片外物撞擊識(shí)別系統(tǒng)由1個(gè)安裝在轉(zhuǎn)軸光滑段的轉(zhuǎn)速傳感器，見圖3(a)；4個(gè)安裝在風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的葉尖定時(shí)傳感器，見圖3(b)；葉尖定時(shí)數(shù)據(jù)采集處理器組成。其中轉(zhuǎn)速傳感器采集的轉(zhuǎn)速相位信號(hào)為識(shí)別葉片編號(hào)提供了基準(zhǔn)參考。根據(jù)葉尖定時(shí)傳感器布置算法，確定葉尖定時(shí)傳感器的周向角度，其中將任一傳感器定義為S0，沿著旋轉(zhuǎn)方向4個(gè)葉尖定時(shí)傳感器S0、S1、S2、S3與S0的夾角分別為0°、127°、238°和319°。

圖3 葉片外物撞擊識(shí)別系統(tǒng)傳感器

2 風(fēng)扇葉片外物撞擊試驗(yàn)

由于葉尖振動(dòng)受轉(zhuǎn)速波動(dòng)、氣流激振等因素影響較大，為較全面研究風(fēng)扇葉片外物撞擊監(jiān)測(cè)識(shí)別技術(shù)的準(zhǔn)確性，研究團(tuán)隊(duì)在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定狀態(tài)、加減速狀態(tài)和轉(zhuǎn)速波動(dòng)狀態(tài)下開展了近千次的外物撞擊試驗(yàn)。鑒于篇幅限制，本文只介紹轉(zhuǎn)速穩(wěn)定狀態(tài)下的外物撞擊識(shí)別試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，首先采集轉(zhuǎn)速穩(wěn)定狀態(tài)下未撞擊時(shí)葉尖振動(dòng)波形，然后從圖1中白色導(dǎo)管釋放不同質(zhì)量、速度的塑料彈體撞擊葉片，其中彈體質(zhì)量參考文獻(xiàn)[6]中的試驗(yàn)分組，再根據(jù)前期平板葉片靜態(tài)撞擊試驗(yàn)結(jié)果來確定。同時(shí)拍攝撞擊畫面，采集葉尖振動(dòng)波形，在外物撞擊過程中需密切關(guān)注轉(zhuǎn)子支座振動(dòng)以及視頻監(jiān)控畫面，如出現(xiàn)異常則采取應(yīng)急處置措施。

2.1 葉片外物撞擊判定準(zhǔn)則

由于葉尖振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的不穩(wěn)定性、不同角度處葉尖定時(shí)傳感器的靈敏度差異大，外物撞擊葉片過程中葉尖振動(dòng)波形呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化規(guī)律[6]，不同傳感器之間的響應(yīng)差異很大，為此需要綜合多個(gè)傳感器的結(jié)果以提高識(shí)別準(zhǔn)確率。通過分析大量的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，基于單只傳感器信號(hào)的外物撞擊判定準(zhǔn)則如下：轉(zhuǎn)速穩(wěn)定狀態(tài)下葉尖振動(dòng)幅值變化量≥0.6 mm(由于監(jiān)控需要，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定狀態(tài)下真實(shí)葉尖振動(dòng)幅值為監(jiān)控畫面上振動(dòng)幅值的1/2，下文如無特殊說明，則振動(dòng)幅值指監(jiān)控畫面上的振動(dòng)幅值)，則判定該葉片遭遇撞擊；另一方面，為避免誤判，需要將4個(gè)傳感器的判別結(jié)果綜合，最終給出某葉片遭遇撞擊的準(zhǔn)則為：至少2個(gè)傳感器證明該葉片遭遇撞擊，才可最終認(rèn)定該葉片遭遇撞擊。

2.2 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)的外物撞擊試驗(yàn)

圖4為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)，發(fā)射5顆質(zhì)量2.90 g的塑料球撞擊風(fēng)扇葉片過程中，傳感器S0采集的實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，S0傳感器捕捉到了5次明顯的葉片振動(dòng)異常，第1次振動(dòng)異常發(fā)生在B9葉片，第2次振動(dòng)異常發(fā)生在B7葉片，第3次振動(dòng)異常發(fā)生在B9葉片，第4次振動(dòng)異常發(fā)生在B10、B122個(gè)葉片，第5次振動(dòng)異常發(fā)生在B7葉片。

圖4 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速3 000 r/min、2.90 g彈體撞擊葉片時(shí)S0傳感器監(jiān)測(cè)畫面

圖5為同一試驗(yàn)條件下S1采集的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，對(duì)比S0傳感器采集的葉尖振動(dòng)，可以看出撞擊時(shí)葉尖振動(dòng)的幅值變化要小于S0傳感器，由于第4次撞擊過程中B10葉尖振動(dòng)變化很小，故第4次撞擊過程中S1只識(shí)別出了B12遭遇外物撞擊，而B10被判定為未遭遇外物撞擊。

圖5 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速3 000 r/min、2.90 g彈體撞擊葉片時(shí)S1傳感器監(jiān)測(cè)畫面

同理，圖6為該轉(zhuǎn)速下S2傳感器采集的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，由于第4次撞擊過程中B12葉尖振動(dòng)幅值變化未達(dá)到0.6 mm，因此第4次撞擊過程中S1只能判定B10遭遇外物撞擊。同理，圖7為該轉(zhuǎn)速下S3傳感器采集的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，容易看出，該傳感器未識(shí)別出第2次撞擊，且在第4次撞擊過程中只有B10葉片振動(dòng)出現(xiàn)異常增大，只能判定B10葉片遭遇外物撞擊。

圖6 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速3 000 r/min、2.90 g彈體撞擊葉片時(shí)S2傳感器監(jiān)測(cè)畫面

圖7 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速3 000 r/min、2.90 g彈體撞擊葉片時(shí)S3傳感器監(jiān)測(cè)畫面

將4個(gè)傳感器的識(shí)別結(jié)果整理成表1，從表1可以看出S3未識(shí)別出第2次撞擊事件，這說明了不同傳感器對(duì)不同的撞擊事件識(shí)別結(jié)果不一致。從最終的撞擊判定結(jié)果可以看出，第1、2、3、5葉片振動(dòng)異常發(fā)生在單個(gè)葉片上，而第4次葉片異常振動(dòng)則發(fā)生在2個(gè)葉片上。

表1 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)外物撞擊識(shí)別結(jié)果

以前2次撞擊為例，圖8、圖9分別給出了第1、2次外物撞擊風(fēng)扇葉片的高速攝像機(jī)畫面，撞擊時(shí)間見左下角標(biāo)注，時(shí)間格式為分:秒:毫秒:幀序列。

圖8 高速攝像機(jī)拍攝的第1次外物撞擊畫面

圖9 高速攝像機(jī)拍攝的第2次外物撞擊畫面

在圖8中白色塑料彈體撞擊到B9葉片的尾緣處，彈體隨即被撞碎后彈出，在圖4中只有B9葉片葉尖振動(dòng)出現(xiàn)很大峰值，B7葉片、B8葉片也出現(xiàn)較小的振動(dòng)突尖，但由于增大的幅度與未撞擊比沒有明顯差異，故排除這2個(gè)葉片被撞擊的可能，這也是后續(xù)需要開展識(shí)別算法研究的必要性。在圖9中白色塑料彈體撞擊到B7葉片，可以看出葉片瞬間有較大的彎曲變形，塑料彈體被撞碎后彈出。系統(tǒng)識(shí)別的第1、2次葉片撞擊結(jié)果與高速相機(jī)捕捉到的葉片撞擊編號(hào)完全吻合。

2.3 外物撞擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

轉(zhuǎn)速穩(wěn)定狀態(tài)下共完成了582次外物撞擊試驗(yàn)，其中有高速攝像機(jī)拍攝的外物撞擊事件統(tǒng)計(jì)見表2。分析表2發(fā)現(xiàn)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速分別為1 800 r/min、2 400 r/min、3 000 r/min、3 600 r/min時(shí)，葉片外物撞擊識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別的1.25 g以及2.90 g的彈體撞擊次數(shù)與高速相機(jī)捕捉的次數(shù)完全吻合。在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)，開展了4次1.25 g的外物撞擊試驗(yàn)，系統(tǒng)只能監(jiān)測(cè)到2次葉片振動(dòng)異常，其他2次撞擊事件未被識(shí)別出，即在該工況下系統(tǒng)識(shí)別準(zhǔn)確率僅為50%。初步分析的原因可能為：風(fēng)扇轉(zhuǎn)速4 000 r/min時(shí)葉片基礎(chǔ)振動(dòng)增大，且其葉片動(dòng)剛度增大，葉片的振動(dòng)狀態(tài)難以改變，質(zhì)量1.25 g的外物與葉片相撞產(chǎn)生的動(dòng)勢(shì)能不足以使葉片產(chǎn)生較大的振動(dòng)異常，加之受限于葉尖振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度以及噪聲干擾，故對(duì)于1.25 g的外物撞擊事件的識(shí)別準(zhǔn)確率僅為50%。

表2 外物撞擊識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別/高速相機(jī)捕捉的統(tǒng)計(jì)

從表2可知，轉(zhuǎn)速跨度為1 800～4 000 r/min時(shí)，總共發(fā)射86顆2.90 g彈體，系統(tǒng)均能夠識(shí)別出外物撞擊事件，識(shí)別成功率達(dá)到了100%。進(jìn)一步分析得出，當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子處在特定轉(zhuǎn)速下，對(duì)于材質(zhì)和形狀確定的彈體，葉片外物撞擊識(shí)別系統(tǒng)存在一可識(shí)別的最小質(zhì)量。

3 不同撞擊因素對(duì)葉尖振動(dòng)的影響分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在轉(zhuǎn)速、彈體質(zhì)量、發(fā)射速度都相同的條件下，由于彈體撞擊葉片編號(hào)、位置是一隨機(jī)過程。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，撞擊葉片的位置不同，會(huì)造成撞擊后葉尖振動(dòng)的響應(yīng)出現(xiàn)很大差異。為盡可能消除撞擊位置對(duì)其他撞擊因素的干擾，下文采用平均值來評(píng)估撞擊因素對(duì)葉尖振動(dòng)的影響(下文圖表、文中的葉尖振動(dòng)數(shù)據(jù)都是實(shí)際數(shù)值的2倍)。

3.1 不同質(zhì)量對(duì)葉尖振動(dòng)的影響

在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為4 000 r/min的狀態(tài)下，發(fā)射1.25 g、2.90 g以及4.12 g三種質(zhì)量的彈體撞擊葉片，統(tǒng)計(jì)的葉尖振動(dòng)位移的均值見圖10，可以看出隨著彈體質(zhì)量的增加，葉尖位移的增大呈快速增大趨勢(shì)。

圖10 4 000 r/min不同質(zhì)量彈體引起的葉尖振動(dòng)位移曲線

3.2 不同撞擊速度對(duì)葉尖振動(dòng)的影響

在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為3 600 r/min的狀態(tài)下，發(fā)射2.90 g的塑料彈體以3～5 m/s、8～10 m/s的發(fā)射速度撞擊葉片，多次撞擊造成的葉尖振動(dòng)位移幅值曲線見圖11，可以看出即使所有變量相同，不同撞擊序列之間葉尖振動(dòng)幅值也存在很大差異，其中大速度撞擊造成的葉尖振動(dòng)位移均值為1.93 mm，小速度撞擊造成的葉尖振動(dòng)位移均值為1.18 mm，總體來看，大速度撞擊造成的葉尖振動(dòng)幅值大于小速度撞擊造成的振動(dòng)位移幅值。

圖11 不同發(fā)射速度對(duì)應(yīng)的葉尖振動(dòng)位移曲線

3.3 不同轉(zhuǎn)速對(duì)葉尖振動(dòng)的影響

圖12給出了在1 800～4 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)射2.90 g塑料彈體，撞擊葉片瞬間葉尖振動(dòng)幅值的變化曲線。從圖12可以看出，即使相同條件下不同撞擊序列引起的葉尖振動(dòng)幅值也相差很大。為盡可能消除撞擊位置這個(gè)不可控的因素，將同一轉(zhuǎn)速下的撞擊幅值進(jìn)行均化，得出圖13曲線圖，可以看出，當(dāng)彈體材質(zhì)、質(zhì)量和發(fā)射速度等撞擊因素確定后，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過某一值后，葉尖振動(dòng)幅值將會(huì)出現(xiàn)明顯的減小。

圖12 不同轉(zhuǎn)速下葉尖振動(dòng)位移變化曲線

圖13 葉尖振動(dòng)位移均值隨風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的變化曲線

4 結(jié)論

在風(fēng)扇葉片外物撞擊監(jiān)測(cè)識(shí)別試驗(yàn)平臺(tái)上，開展了轉(zhuǎn)速穩(wěn)定下的外物撞擊試驗(yàn)，分析了外物撞擊識(shí)別試驗(yàn)結(jié)果以及各撞擊因素與葉尖振動(dòng)之間的定性規(guī)律，得出：

1)對(duì)于一風(fēng)扇轉(zhuǎn)子而言，外物撞擊識(shí)別系統(tǒng)存在一可識(shí)別的最小質(zhì)量。

2)對(duì)于該風(fēng)扇轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速在1800～4000 r/min范圍內(nèi)，當(dāng)彈體質(zhì)量大于2.90 g時(shí)，外物撞擊識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到100%。

3)不同角度位置的葉尖定時(shí)傳感器對(duì)于外物撞擊的響應(yīng)具有較大差異，因此為提高系統(tǒng)識(shí)別準(zhǔn)確率，需要綜合多個(gè)傳感器的識(shí)別結(jié)果進(jìn)行判定。

4)外物撞擊位置對(duì)葉尖振動(dòng)有很大影響，這是造成相同撞擊條件下，不同撞擊序列對(duì)應(yīng)的葉尖振動(dòng)幅值差異明顯的主要原因。

本文中判定葉片是否撞擊的準(zhǔn)則較為粗略，為進(jìn)一步提高識(shí)別準(zhǔn)確率，后續(xù)需對(duì)不同轉(zhuǎn)速下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而給出未撞擊與撞擊之間的判別門限值，以滿足智能監(jiān)測(cè)識(shí)別的需求。