航空发动机转子叶尖间隙及同心度变化规律研究

张龙，韩鹏卓，刘忠奎，周笑阳

(中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015)

航空发动机转子叶尖间隙及同心度变化规律研究

张龙，韩鹏卓，刘忠奎，周笑阳

(中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015)

航空发动机转子叶尖间隙及同心度是影响发动机性能和安全的重要参数。组建了一套电容法测试系统，并成功用于发动机风扇转子叶尖间隙及同心度测量。通过分析测量数据，得到了发动机风扇转子叶尖间隙及同心度随转速和时间的变化规律。结果表明：慢车以下状态时，转速升高，转子叶尖间隙减小，转子向下偏移；慢车以上状态时，转速升高，转子叶尖间隙减小，转子向上偏移；最大状态时，部分测点存在较大叶尖间隙，同心度均不为零。

航空发动机；转子；叶尖间隙；同心度；电容法；测试系统

1 引言

随着气动设计与试验方法的不断改进，航空发动机已发展到一个很高的技术水平，压气机和涡轮效率可分别达到86%、90%以上[1]。要进一步提高压气机和涡轮效率，除注重气流参数选择外，还应提高发动机结构设计水平，在保证安全的前提下尽可能减小转子叶尖间隙及同心度。

国外在发动机转子叶尖间隙测试技术的应用，及如何减小转子叶尖间隙方面做了大量研究。CFM国际公司在开始研制CFM56发动机时，就努力缩小转子的叶尖间隙及同心度而又使其摩擦最小[2]。美国GE公司研制了一种小型不冷却测试装置，可在运转条件下测量高压涡轮转子叶尖间隙及同心度。目前，美、欧主要发动机公司已逐步将叶尖间隙传感器作为发动机的一部分，以便给叶尖间隙主动控制提供更经济、便捷、准确的数值基础[3]。国内在转子叶尖间隙及同心度对发动机性能影响计算方面的研究十分广泛[4-8]，但转子叶尖间隙测试技术的应用方面研究却很少[9-11]。熊宇飞等[12-13]利用探针法获得了发动机风扇转子叶尖间隙，但该方法不能完成对转子同心度及转速6 000 r/min以下叶尖间隙的测量。

纵观上述研究发现，其内容多是关注发动机冷态时转子叶尖间隙、同心度，以及最大状态时的转子叶尖间隙，而忽视了过渡态的转子叶尖间隙、同心度的变化规律，以及最大状态时的转子同心度。本文借助电容法测试系统，充分利用其灵敏度高、频带宽、动态特性好、功率小，以及在测量转子叶尖间隙的同时还可检测叶片到达时间信息的特点，测量得到某型发动机转子叶尖间隙及同心度随转速、时间的变化规律，为进一步指导和验证该型发动机的结构设计提供了基础数据支持。

2 电容法测试系统

电容式传感器是将被测量转换为电容量的传感器，其基本原理参考平板电容器原理，如公式(1)：

式中：C为电容值(F)；ε0为真空介电常数，且ε0=8.85× 10-12F/m；εr为极板间介质的相对介电系数(无量纲)；A为极板间的重叠面积(m2)；d为极板间距离(m)。

电容法测试系统传感器部分选取了高温类三同轴电容传感器；传感器探头后端接近发动机的部分选用三层双屏蔽铠装电缆，以提高电缆的强度特性和耐温性；铠装电缆后端配合柔性电缆，改装柔性电缆便可以适当增加电缆长度，便于试验现场走线、安装；传感器输出信号采用专用电容测量模块进行调理，其输出设定为0～10 V电压信号；电容模块输出的电压信号通过两芯屏蔽电缆连接到NI-PXI数据采集系统；系统软件是基于LabVIEW自主开发的转子叶尖间隙测试与回放软件，对转子的叶尖间隙和同心度进行分析计算。同时在电容法测试系统的组件过程中，还专门设计一套电容传感器校准设备和叶片定位设备。

3 测试系统安装

某型发动机风扇一级、二级转子各设置2个测点，一级定义为A、B测点，二级定义为C、D测点。测点轴向位置选在叶片集结线处，周向位置为发动机顺航向顺时针0°和180°，见图1。图中以正上方位置为0°起点，发动机旋转方向为顺航向顺时针。

传感器安装在机匣上，其端面回缩到机匣内部，以避免与叶片碰撞，保证试验安全。用压片将传感器探头固定在机匣上，用支架固定传感器铠装电缆。传感器电缆与电容测量模块连接，其输出用两芯屏蔽电缆连接到数据采集系统。转速为同步的TTL频率信号。数据采集软件根据发动机结构设定转子直径、叶片数及叶尖厚度等参数，采集频率设定为1 MHz，最低采样点数设定为10 000个，定位方式选取为TTL信号上升沿定位。

4 数据分析

发动机试验中，四路传感器的电容信号经电容测量模块后形成原始电压信号，将电压信号及转速信号同时接入数据采集系统。系统处理过程中，每隔固定时间，以固定采样频率采集转子旋转数据(至少一周)用于叶尖间隙分析。通过峰值提取方法，计算出每个叶片的叶尖间隙值，最后算出单级所有叶片叶尖间隙的平均值作为该测试点的平均叶尖间隙值。

4.1 原始电压信号处理

图2为发动机慢车稳定运行时，在一级转子A测点采集的叶片原始电压信号。由图可知：每个叶片扫过电容传感器时都会形成一个电压峰值信号，峰值点电压与叶尖间隙大小相关，间隙越小峰值电压越大。通过信号峰值点提取方法，可得到每个叶片产生的电压峰值点，如图中方格点所示。

由公式(1)可知，叶尖间隙与电容成反比，因此电容处理模块在设计时输出电压与输入叶尖间隙成非线性关系。模块研制人员给出了一个标准的计算公式：

式中：Di为第i个叶片的叶尖间隙(mm)，Ui为第i个叶片产生的峰值点电压(V)，a0、a1、a2、a3为叶尖间隙与峰值点电压的校准系数。

在每个叶片叶尖间隙的基础上，通过公式(3)计算得到转子平均叶尖间隙。

式中：D为转子平均叶尖间隙(mm)，n为转子叶片数。

利用上述方法，可得到A、B、C、D测点的平均叶尖间隙。

4.2 转子叶尖间隙变化规律

图3给出了四个测点平均叶尖间隙随转速的变化。由图中可知：A、B两个测点叶尖间隙的整体变化趋势是随转速的升高而减小，随转速的降低而增大。将A、B、C、D测点发动机冷态的相对叶尖间隙分别设置为1。A测点发动机最大状态时的叶尖间隙为冷态时的0.06倍，叶尖间隙相对变化量为94%。B测点发动机最大状态时的叶尖间隙为冷态时的0.45倍，叶尖间隙相对变化量为55%。C、D两个测点叶尖间隙的整体变化趋势与A、B测点的相同。其中C测点发动机最大状态时的叶尖间隙为冷态时的0.22倍，叶尖间隙相对变化量为78%。D测点发动机最大状态时的叶尖间隙为冷态时的0.54倍，叶尖间隙相对变化量为46%。

综上所述，发动机风扇转子叶尖间隙的整体变化规律为随转速的升高而减小，随转速的降低而增大。同时，当发动机某一状态稳定时，叶尖间隙呈现波动增大的趋势。发动机从冷态到最大状态，二级转子的叶尖间隙相对变化量比一级转子的小。发动机最大状态时，实际测量结果显示，只有一级转子部分叶片在A点处接近零叶尖间隙，其他测点还存在较大的叶尖间隙。

4.3 转子同心度变化规律

转子同心度计算中，假设A(C)、B(D)两点机匣变形量一致，用A(C)点与B(D)点分别测得的平均叶尖间隙值差值的1/2倍，近似代替转子轴心与机匣几何中心的同心程度。该值的绝对值越大，表明转子轴心与机匣几何中心的同心程度越差；该值为正值时，表明转子轴心向B(D)点偏心；该值为负值时，则表明转子轴心向A(C)点偏心。

图4示出了一、二级转子同心度随转速的变化。将A(C)测点发动机冷态的平均叶尖间隙设置为1，B(D)点平均叶尖间隙采用相对于A(C)测点的相对值。由图4(a)可知：发动机冷态时一级转子同心度为-0.14，表明一级转子向A测点方向偏心0.14。随着转速的升高，转子向B测点方向偏移。当发动机慢车稳定运行时同心度为-0.07，表明转子向A测点方向偏心0.07，这一过程中转子向B测点方向偏移了0.07。随着转速的继续升高，转子掉转偏移方向逐渐向A测点方向偏移。发动机最大状态时同心度为-0.23，表明转子向A测点方向偏心0.23，这一过程中转子向A测点方向偏移了0.16。从图4(b)可看出：发动机冷态时，二级转子同心度为-0.05，表明二级转子向C测点方向偏心0.05。随着转速的升高，转子向D测点方向偏移。当发动机慢车稳定运行时同心度几乎为0，表明转子轴心已回到机匣几何中心，这一过程中转子向D测点方向偏移了0.05。随着转速的继续升高，转子掉转偏移方向逐渐向C测点方向偏移。发动机最大状态时同心度为-0.18，表明这一过程中转子向C测点方向偏移了0.18。发动机降转过程中，一、二级转子同心度的变化趋势与升转过程的趋势相反。

综上所述，发动机风扇转子同心度的整体变化趋势为：慢车以下转速时，转速升高转子向下方偏移，转速降低转子向上方偏移；慢车以上转速时，转速升高转子向上方偏移，转速降低转子向下方偏移。发动机工作过程中，同心度始终为负值，表明转子一直处于向上方偏心的状态。发动机停车与冷态时的同心度并不一致。

5 结论

(1)随着转速的升高，风扇转子的叶尖间隙逐渐减小，反之则增大；发动机某一转速稳定运行时，叶尖间隙呈现波动增大的趋势；发动机最大状态时，四个测点中只有一个测点达到了零叶尖间隙，另外三个测点均存在较大叶尖间隙。

(2)慢车以下转速时，转速升高转子向下方偏移，反之则向上方偏移；慢车以上转速时，转速升高转子向上方偏移，反之则向下方偏移；发动机工作过程中，风扇转子一直处于向上方偏心的状态；发动机停车与冷态时的同心度并不一致。

(3)叶尖间隙值及同心度值都是以机匣本体作为参考零点，而试验过程中机匣的周向变形量并不均匀，后续应用中应考虑周向变形的不均匀度。

(4)最大状态时，部分测点仍存在较大叶尖间隙，因此需要综合考虑各测点的叶尖间隙值、同心度值，反复优化发动机设计与装配，通过多次测量验证，使发动机达到性能最佳。

(5)测点布置过少导致只能分析转子纵向轴心同心度，后续应用过程中应适当增加测点，实现转子纵向、横向同心度的同时测量。

[1]陈洪敏.电容式间隙测量系统在叶轮机中的应用研究[D].成都：电子科技大学，2009.

[2]Taylor S C，Steinetz B M，Oswald J J.Further characterization of an active clearance control concept[R].AIAA 2007-5739，2007.

[3]Kypuros J A，Melcher K J.A Reduced model for prediction of thermal and rotational effects on turbine tip clearance[R]. NASA/TM-2003-212226，2003.

[4]贾小权，黄东煜，赵雄飞.不同叶顶结构的间隙流场及对涡轮性能的影响[J].航空发动机，2015，41(6)：70—73.

[5]祁明旭，丰镇平.透平动叶顶部间隙流的表现形式及其对透平性能的影响[J].西安交通大学学报，2005，39(3)：243—246.

[6]丁健.航空发动机叶尖间隙分析系统设计[D].沈阳：东北大学，2012.

[7]邱立新，王振华.航空发动机叶尖间隙测量研究[J].航空发动机，2001，27(4)：26—29.

[8]《航空发动机设计手册》总编委会.航空发动机设计手册：第5册——涡喷及涡扇发动机总体[K].北京：航空工业出版社，2001.

[9]贾丙辉，冯勇，贾文华.双圈同轴式光纤传感器在叶尖间隙测量中的应用[J].激光与光电子学进展，2015，(10)：1—7.

[10]胡天林，谢海鹤，颜黄苹，等.电涡流位移传感器测量模型及其在叶尖间隙测量中的空间滤波效应[J].厦门大学学报(自然科学版)，2014，53(1)：66—70.

[11]李维双.基于电容法的涡轮叶尖间隙测量技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

[12]熊宇飞.航空发动机转子叶尖间隙测量[J].测控技术，2004，23(1)：5—7.

[13]熊宇飞.转子叶尖间隙测量在风扇和压气机性能试验中的应用[J].航空发动机，2002，28(1)：20—25.

Research on the variation of rotor blade tip clearance and concentricity for aero-engine

ZHANG Long，HAN Peng-zhuo，LIU Zhong-kui，ZHOU Xiao-yang
(AECC Shenyang Engine Research Institute，Shengyang 110015，China)

Aero-engine rotor blade tip clearance and concentricity are the important parameters which af⁃fect engine performance and safety.The capacitance method was applied in a certain type of engine test.By analyzing the fan rotor blade tip clearance and concentricity measurement data,the variation of the engine fan rotor blade tip clearance and concentricity with the speed and time were obtained.The results show that when the state is under the idle,the rotor blade tip clearance reduces and the rotor offsets down with the speed increasing;when the state is up the idle,the rotor blade tip clearance reduces and the rotor offsets up with the speed increasing;when the state is maximum,there is a big tip clearance in part of the measuring points and concentricity is not zero.

aero-engine；rotor；tip clearance；concentricity；capacitance method；test system

V231.3

：A

：1672-2620(2017)01-0044-04

2016-04-16；

：2016-08-01

张龙(1986-)，男，辽宁铁岭人，工程师，硕士，主要从事发动机测试研究。