探析国外航空发动机叶片叶尖间隙检测技术

杨翠波

（中航工业沈阳黎明航空发动机集团有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

1 微波法

在NASA Glenn研究中心正在研究应用微波传感器来获取叶尖间隙和进行叶尖定时测量。微波叶尖间隙传感器的工作原理与短程雷达系统极其相似。传感器向目标发送连续微波信号并测量反射信号。反射信号的相差与传感器和待测目标之间的距离成正比。这种传感器很有优势，其能够在极高温下工作，而且不受可能存在于涡轮发动机中的杂质所影响。其测量原理如图1。

图1 微波叶尖间隙系统测量原理示意图

微波叶尖间隙传感器系统配有两个传感器通道以及四个高温探针。微波叶尖间隙传感器系统工作原理与短程雷达系统相似。叶尖间隙探针装有发射和接收天线。传感器能发射出连续微波信号并能测量金属目标反射回来的信号，这里即指转子叶片。通过叶片运动的相位来调整反射信号。将反射信号与内反射信号作对比，相差则对应于与叶片之间的间距。

图2微波叶尖间隙探针

图2 所示的高温叶尖间隙探针直径约14mm，长约26mm。该探针装有发射和接收天线，安装于发动机机匣上，在此位置上可以测出机匣与涡轮叶尖之间的径向间隙。探针用高温材料制成，需要承受高达900℃的未冷却温度以及1200℃冷却空气。

目前的微波系统以5.8GHZ运行，并且电流探针能测量的间隙距离达到25mm（即1/2辐射波长）。该项技术的终极目标是要精确到25μm，目的是评估传感器对旋转机构叶尖间隙测量和定时测量的能力。

2 超声波法

超声波传感器测量法是即时叶尖间隙测量的最佳选择。该方法有很多优点：它适应于金属和非金属叶片；允许非接触测量；能在恶劣环境下工作；安装便捷；它属于数字测量，适用于先进的数字控制系统。超声波传感器能够生成兆赫兹超声波，能在高温条件下工作，包括一个大功率脉冲发生器/接收器和一个高速数据处理系统，因此超声波传感器能够实现即时间隙测量。

超声波传感器的操作原理非常简单，如图3所示：被传感器激励的超声波通过叶尖间隙并在叶尖被反射回来，反射回来的声波被传感器探测到。

图3 测量原理2.2测量系统

3 涡电流法

涡电流法依据叶片扫过涡流线圈引起的涡流损耗的变化进行测量，其结构如图4所示。测量装置主要由探头和检测电路两部分构成。检测电路由振荡器、检波器及放大器等组成。

图4 涡电流法原理图

涡电流传感器的特点：体积小，重量轻，结构简单，不必做复杂的调整；频率响应范围宽，灵敏度高，测量范围大，抗干扰能力强，在传感器与叶尖之间有障碍和无障碍时都可以使用。目前，HOOD公司已近研制出商业化的涡流式传感器，可以在最高537℃（1000℉）的温度下可靠工作。但是，此方法受叶片材料的影响较大，叶片的导电性必须足够，叶尖端面还需要有一定的厚度，以便在经过磁场时能够产生涡流。传感器的输出是随着叶尖形状、安装状态和环境温度等变化，因此，事先需要校准，使其适合使用环境。此外，传感器的耐热性能较差，目前用于涡轮高温部件尚有困难。

4 激光法

激光光学测量法的特点是：不受转子叶片本身材料的限制，各种转子叶片都可测量，适用于精度高、频响快、高温涡轮叶尖间隙测量；能在恶劣的环境下工作，适用于静态和动态的实时检测；成本低、光纤探头体积较小、易安装等。但由于端面窄小,同时炭黑、油垢、灰尘等污损光学系统和叶尖反射面等原因，光学镜头易污染，导致精度下降，测量寿命缩短；它适宜用于试验机中的测量而不宜于长期运转的实际燃气轮机，宜测叶尖最大间隙值而不宜于单个叶尖间隙值或平均值。因此，激光光学测量法的主要技术工作是设法解决反射光量减小的问题。此外,由于运转时的高温、高压和振动，应对光学系统和仪器采取保护措施，这对防止仪器破坏和测量精度下降颇有意义。

结语

为了推动发动机测试技术的发展，美国和欧洲一方面组建由政府、军方和工业部门构成的联合研究团队，设立有专门的发动机测试技术科研计划，针对发动机测试技术中的共同难点，进行有序地投资；另一方面，随着IHPTET、VAATE计划的实施，针对两项计划所亟需的测试技术，通过小企业创新计划等途径进行有重点地投资，有选择地推动测试技术的发展；再次，在实际发动机型号中开展大量的试验验证，推动测试技术的成熟，最终促使传感器和测试仪器产品从实验室走向工程化和产业化。这些发展策略是值得国内借鉴和大力推广的有效途径。

[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.