对于飞机发动机制造公司来说，对推进系统诸如旋转轮盘和涡轮叶片组件的运行监测，是增加其操作安全性、降低维护成本的重要手段。由于存在各种操作条件，如非均匀载荷、裂纹扩展的不可预知性、组件几何形状的复杂性和各组件材质的不同，所以对推进系统运行监测是相当有挑战性的。监测的终极目标是，通过应用无损技术，来检测和评估材料的缺陷和不连续性，如裂缝和其他故障。如果这些材料中的异常现象没有被及时发现，那么最终故障带来的就很可能是灾难性和毁灭性的破坏。通常来说，运行监测主要依靠传感器系统，该系统能够在各种复杂的发动机环境下运行。这些传感器必须具备基于发送信号对预定裂纹长度进行监测的能力，同时本身扮演的是不会影响发动机系统整体性能的中立角色。

美国国家航空航天局（NASA）航空安全计划（AVSP）非常重视现场燃气涡轮发动机运行监测设备的发展。通常情况下，现代燃气涡轮发动机的转动部件是在极端的环境条件下运行的，且能够承受高温负荷和高机械负荷。这些负荷随着时间的累积将导致高应力、结构变形及最终的组件故障。当前的风险缓解策略主要为对发动机组件进行定期检查及维护，从而保证发动机的使用寿命。这些技术都有其局限性，常常会发生计划外的故障致使发动机停止运行，从而必须进行临时的非计划性维护。为了避免这些故障，加强航空安全，AVSP积极参与诸如传感器技术的发展事宜，以支持这些研究项目和其他相关应用。传感器技术的发展专注于开发耐高温、具备无线功能、成本低廉且耐用的产品。本文提供传感器技术应用的实例，同时描述在真实涡轮发动的操作条件下，使用电容传感器（图1a）以及微波叶尖间隙传感器（图1b）监测转动部件结构异常和故障的适用性。  
因此，本文旨在对电容和微波叶尖间隙传感器技术，及它们在燃气涡轮发动机中作为一种非接触结构运行监测的手段进行整体概述(Bently, 1982; Geisheimer等人., 2004; Haase and Drumm, 2002)。叶尖间隙传感器技术是未来最有可能应用于商业发动机中的传感器技术类型，这是因为该类传感器安装后的影响小且成本较低，同时将其应用于实际的叶尖间隙控制中，还能带来提高发动机性能的并行效益。这些传感器重点应用于高压涡轮机（HPT）和高压压缩机（HPC），以监测转动部件的结构运行状况。约12%的飞行中引擎突然熄火事故是由HPT和HPC中叶片损坏造成的，约32%的伤害事故是由于为了进行计划外维护的引擎拆卸造成的（Geisheimer等人， 2004）。传感器主要是通过叶尖间隙来监测叶片的磨损，同时使用叶片定时法来监测叶片的振动和偏转。图2所示为NASA格伦研究中心（GRC）风洞设施中安装的具有代表性的发动机和翼式轴流风扇，其中这些类型的传感器出于安全监测的目的正接受检测。
 
在该应用中所使用的微波传感器是一个新兴的概念，因此，这种技术本身的使用及其校准仍有待于进一步提高（Geisheimer等人，2004）。为了评估传感器在航空引擎应用中的性能，研究员进行了一系列的试验。下文就两种传感器及其应用试验做出简要描述。
 
传感器技术
 
想要利用仪器来监测燃气涡轮发动机的运行状况和耐用性功能，那么就必须利用先进的以传感器为基础的技术手段。这些技术必须高度精确，同时也必须能够在高温环境下运行。微波和电容传感器技术就是这些应用的一部分。该技术非常有潜力，能够做到高度精确，也能够在高温环境下（适用于微波技术）操作，而同时又不会受发动机中污染物的影响。下文会对两种传感器技术的概况进行介绍。
 
电容传感器
 
出于测量叶尖间隙的目的，安装电容传感器系统，如图1a所示。这些类型的传感器基于直流偏移技术，直流偏移是从零信号处的位移，这不同于以前使用的调制技术。调制是改变一个或多个周期波形特征的过程，就是对信号源的信息进行处理加到载波上，使载波随信号改变的技术。

电容传感器的主要功能就是监测电容的电特性。电容可以定义为两个导电表面之间存在的合理距离的场。表面距离之间的距离则导致电容的变化。电容传感器的这种电容改变，就能够指示目标位置的变化。而传感器电容率的变化，可以指示目标物位置的差异，例如叶片的尖端。高性能位移传感器的感应面较小，因此能够对目标物进行更精确的定位，通常范围在0.25至2 mm（0.01至0.08 in.）。
 
微波传感器的背景及理论
 
微波叶尖间隙传感器基本上是一种对场形成干扰的传感器（Holst，2005; Soeder ，1993; Soeder等人，2004; Woike等人，2009; Woike等人，2010 ）。叶尖间隙探针既是发射器也是接收天线。传感器发出连续的微波信号，同时也对转动叶片反射的信号进行测量。传感器测量叶片穿过场时造成微波场的变化。叶片相的运动调制反射信号，而该反射信号就和内反射信号形成了对比。幅度和相位的变化与叶片距离直接对应。当叶片穿过场时测量其时间间隔，为叶尖定时提供数据。该系统由两个主要部分组成。第一个组成部分是探针，见图1b。第二个组成部分是传感器电子组件。探针包含发射和接收天线，安装在发动机的外壳，在这个位置探针可以测量传感器表面和涡轮机叶片尖端之间的径向间隙。探针由耐高温材料制成，其最高承受温度高达900 ℃（1652 °F）。目前使用的探测器主要有两代。第一代探测器的运行频率为5.8 GHz，可以测量的间隙距离约为25 mm（1 in.），即辐射波长的二分之一。第二代探测器的运行频率为24 GHz，其理论上可以测量的间隙距离约为6 mm（0.2 in.）。关于外形尺寸，第一代探针直径大约为14 mm(0.6 in.)，长26 mm（1 in.）。第二代探针直径约为9 mm（0.4 in.），长19 mm（0.7 in.）。该技术的最终目标是获取25μm的测量精度。在实验室测试期间，研究员确实实现了精度（ Geisheimer等人，2004）。5 MHz的频率响应是比较典型的，而通过这种技术，能够使频率响应达到25 MHz。
 
传感器应用
 
飞机发动机有效的运行监测，对于早期故障预测及设备管理是必不可少的手段。举例来说，叶尖传感器通常用于监测火箭、燃气发动机以及蒸汽涡轮发动机中的叶盘系统。通常来说，工作人员一般是通过光学、电容和涡流传感器来对叶片参数（时间、间隙、振动、俯仰角等）进行直接或间接的测量（ Ma等人，2011年）。然而，检测工具正在不断更新和发展，而这些新工具的批量生产与现有技术进行互为补充（Woike等人，2010年）。
 
电容传感器应用
 
通过在一个转子轮盘上，以不同的旋转速度级别，在有/无人工诱导的条件下进行自旋实验，从而对电容性传感器技术的可行性进行检查。测试包括在不同的模拟发动机任务剖面下转动转子，最小转速为3000 rpm，最大转速为10000 rpm。在测试期间，速度控制执行的加/减速率为60 rpm/s。这确保了2610 rpm的临界通过速度，快速进入后临界状态（ Woike等人，2009）。当某一物体自身的转速相当于其自然频率的转速时，就可以说达到了临界速度。在转子动力学应用如涡轮盘应用中，研究员非常重视临界速度。另外，在临界速度运行时，这些对象以高振幅振动，这可能会造成损坏。在转子动力学应用中，这种共振是不利的，因为这会使转动部件发生强振动，而这可能会损坏系统。当对象的转动运动或称为角速度，引起共振时，那么它就处在临界速度。因此在设计上，转动机械对象必须能快速地通过这些临界速度，那么在该速率下扩大的振动就不会造成损坏。

图3显示为波特图，包括相位和振幅响应任务剖面图和振动轨迹矢量图。通过波特图可以看出系统的频率响应，是一种非常有效的显示振动振幅和相位的方法。通过检测未损坏转子和由现有故障导致的损坏转子之间的差异，绘制出振动振幅和相位图形。基于波特图数据可以证明损坏的转子裂纹正在扩大，图形中振幅幅度起始处a, w2（w是角速度）在设置过去的临界频率或固有频率后开始上升。根据先前研究所得到的类似结论，幅度的增长是裂缝扩大或发生其他故障的明显信号 (Haase和 Drumm, 2002)。微波和电容传感器在大多数转子轮盘系统中所传递的数据都是极为相似的，可能在某些测量中会产生差异，但这些都是无关紧要的，其主要归因于诸如设备校准和微调参数的差异。但必须指出的是，微波和电容式传感器的设计和测量方法是不同的。我们基本可以预计两者所取得的结果是非常接近的，但是两者之间的测量方法是完全不同的：如前文所述，微波传感器的测量主要依赖的是一种信号类型的方法，而电容传感器则依赖的电力电容。
 
图像中包含电容传感器数据，发动机在5至10 krpm转速时循环功率轮廓图。测试期间，叶片到达时间（每个图像的左下方）绘制出单个叶片的移动轨迹。
 
此外，通过对未损坏和已损坏转子轮盘的进一步观察发现，在未损坏轮盘中，表示振动矢量轨迹的循环回路是完整的，而在有裂纹的轮盘中，其回路存在缺口。这种现象显示了两种结构振动响应的差异，说明其中存在某些类型的不规则，如存在裂缝或其它相关的故障。在户外研究中也能观察到类似结论，转子轮盘的裂缝都可以通过扭曲的振动轨迹来确定 (Abdul-Aziz等人，2009a； Abdul-Aziz等人，2009b；Sekhar和Prabhu，2008)。
 
微波传感器应用
 
图4显示的是微波传感器针对一台振幅恒定的发动机，进行测试所输出的数据。图4a仅仅显示了起飞部分的转速。这是一个针对缺口圆盘，时长1500 s，100 rpm的角加速/减速速率进行的测试。通过微波传感器得到的反馈与电容式传感器非常相似，同时在测试方案中引进微波传感器，研究其对发动机运行监控应用程序的适用性及性能。并且正如前文所提到的，微波叶尖间隙传感器系统的工作原理，类似于一个近程的雷达系统，和电容传感器的原理明显不同。其探头既是发射天线也是接收天线，它发出连续的微波信号，同时又对转动叶片反射的信号进行测量。

图4b所示为一个放大的相位振幅输出图，其数据来源于微波传感器针对一个缺口轮盘，以10000 rpm转速为条件，所进行的旋转试验。我们可以观察到，在7000至10000 rpm范围内，可以看到w2有小幅上升。这支持先前电容传感器转子存在裂缝的结论，同时也说明了微波传感器与电容传感器性能之间的相似性。研究员将会不断完善在结构运行监测技术中，对微波叶尖间隙传感器的使用。这是一项日趋成熟的新兴技术。
   
叶尖挠度实验（微波感应器）
 
研究员进行了叶尖挠度实验，以检查微波传感器在转子叶片运行监测中的适用性。实验的主要目的是探究在叶尖偏转测量中，探头的性能。将24 GHz，第二代的探头安装在模拟引擎轮盘的内部。在这个概念验证的测试中，最初选择的是较大的偏差值，因此在开始阶段检测相对会容易一些，然后逐渐缩小偏差值，从而寻找其测量下限。在该实验中使用的是一个32叶片的轮盘，其中的6片叶片分别被预先弯曲为±2°、±4°和±8°。图5所示为发动机轮盘内部。该铝盘的外部直径为254 mm（10 in.），厚度均匀，为19 mm（0.8 in.）。轮盘本身有32片叶片，厚3.18 mm（0.13 in.），长19 mm（0.8 in.）。如图5所示，其中的六片叶片被弯曲成预定的角度。在这个实验中模拟发动机轮盘的转速可达200 rpm，叶尖间隙和叶尖偏转数据在进行一系列测试运行后获取。
   
第二个目的是评估微波传感器在极低的范围内对间隙测量的能力。NASA对该传感器技术的计划指标是使测量间隙达到0.10 mm（0.004 in.）的绝对值。该试验提供了比较理想的环境，因为使用校准装置的线性定位平台，可以将间隙控制到该标准之下。该设置也允许传感器能够同时进行间隙和挠度测量，而这正是完整的推进系统运行监测管理应用中所需的性能。

图6示出了验证试验中，相应传感器的叶尖挠度测量结果。挠度测量以0.10 mm（0.004 in.）的标称叶尖间隙进行。图中的X轴表示轮盘的叶片数目。Y轴表示微波传感器测量的叶片尖端偏转。实际的叶尖挠度也叠加在图像中，其是通过对轮盘进行的物理检测测量得到的。根据图片中所提供的数据我们可以看出，微波传感器能够检测和测量到预弯曲的叶片挠度。此外，根据所观察到的噪声基底，传感器在轮盘叶片挠度为2°(~0.70 mm [0.03 in.])以下时具备足够的灵敏度。
   
结论
 
本文着重展望了叶尖间隙传感器技术未来的前景，同时也对其转动部件做出了相应介绍。实验研究也表明使用微波和电容叶尖间隙传感器的非接触传感器技术，在推进系统运行监测应用中是可行的。这些传感器也已经成功地应用至旋转机械和其他航空发动机机件中。实验结果数据来自旋转测试实验，该实验是由NASA GRC进行的，目的是为了使用这些高质量的传感器来监测涡轮发动机的旋转部件，以及对内部自旋系统的性能进行测试。近期的研究目标是使传感器处于较为恶劣的环境中，以进一步测试其性能。同时未来仍将持续进行叶尖挠度实验，以优化传感器的挠度测量性能。
 
作者：Mark R. Woike，Ali Abdul-Aziz
原文出处及参考文献请参阅：《Materials Evaluation》2014年，第72卷，第10期：1198-1203
来源：材料与测试
译者：兔子小光

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