关于航空发动机的有关研究

第一章绪论

1.1 课题背景及研究意义

航空发动机作为航空飞行器的动力装置，通过典型的压缩、燃烧加热、膨胀做功和排气放热热力循环过程，将航空燃油燃烧产生的化学能转换为发动机的机械能，为航空飞行器提供所需推力。航空发动机作为飞行器的心脏，因结构复杂、可靠性要求高、生产加工工艺复杂而被誉为现代工业皇冠上的明珠。随着科学技术以及航空工业的不断发展，飞机的动力装置的性能不断提高，自装备了燃气涡轮喷气式发动机的飞机在德国于1939年9月27日首次成功试飞以来，航空燃气涡轮发动机开始得到广泛应用和迅猛发展。而涡轮是燃气轮机的主要部件，其性能直接影响到整机的工作质量。

某型航空发动机大修时发现涡轮机匣由于工作环境问题造成轻微变形，导致涡轮机匣外环与转子装配后同心度降低，造成涡轮机匣外环与转子间叶尖间隙不符合设计要求。从而导致航空发动机效率下降，甚至转子叶片叶尖与机匣外环碰磨等不良现象时有发生。进行维护修理前，不仅要对涡轮机匣外环中心与转子中心的同心度进行检测，而且要对涡轮机匣外环内各点相对转子中心的准确半径进行检测，确定碰磨发生位置。通过作者参与设计的“同轴回转式测量机构”能够对涡轮机匣外环块内轮廓参数进行精确测量，获得其形位误差数据，经过数学计算后获得涡轮机匣外环块圆心相对于转子圆心的准确空间位置与涡轮机匣外环块内各点相对转子中心的准确半径，确定需要维修的加工点位置，为进一步对机匣进行修理提供了数据支持。

1.2 回转体测量仪发展概述

随着工业、农业以及国防建设等领域地不断发展，回转体工件被广泛应用：大到汽车、飞机、火箭的发动机零部件，大型轮船的部件以及各种工业生产设备的部件，小到惯性元件的框架结构、转子结构等都是回转体结构的工件，其在国防和国民经济中占有较大的比例。回转体工件被定义为由一条母线绕回转轴旋转而得到的结构体，这条母线可以是直线，也可以是圆弧或者曲线，得到的工件表面形状可以是圆柱面或圆锥面等。在坐标测量机出现以前，已有一些方法用来测量回转体的空间尺寸，如采用高度尺和量

规等通用量具在平板上测量内外直径、高度等，以及采用专用的量规、验棒、心轴等量具测量孔的同轴度及位置度，但这些方法效率低、精度不易保证、劳动强度大，人为因素对于测量结果的影响较大[1]。常见的回转体工件包括气缸套、陀螺转子、陀螺框架等，其具体结构会因其具体用途不同而有很大差异[2]。经典的三坐标测量机拥有X、Y、Z 三个方向的运动导轨，可在空间范围内测出各个被测点的坐标值，根据这些点的空间坐标值，经过科学运算，即可求出被测工件的几何尺寸、形状和空间位置，但对于回转体的测量，通用的三坐标测量机的效率相对低下，无法达到生产检测的需求，需要研制出针对回转体工件的专用坐标测量技术[3]。

国外对于回转体测量仪的研究较早，发达国家如美国、德国、英国、日本等都投入了大量资金用来发展基于空间坐标的回转体测量技术，坐标测量巨头蔡司(Zeiss)、三丰(Mitutoyo) 、海克斯康(Hexagon)、雷尼绍(Renishaw)等全球知名品牌都研制了基于坐标测量的回转体测量仪[4]。L.S. Wang和D.L.Lee开创性地在薄壁件内外径进行测量时使用了激光扫描的方法，使之成为了一种新的非接触测量回转体内外径的方法[5]。日本的Keiji Kataka设计了一种位移变化传感器，其利用激光三角法，通过在待测回转体内、外表面进行扫描，从而获得回转体的轮廓变化，得到内外径的尺寸以及圆度、粗糙度等形位误差数据[6]。M.Asada等采用激光对放置于精密转台上的回转体进行扫描，同时用双目摄像机系统采集信息，最终实现对回转体的三维重构[7]。

我国自70年代开始便开始引进并研制坐标测量机，到现在已经有了很大发展，主要的生产厂家有中国航空精密机械研究所、上海机床厂、北京机床研究所等。国内对回转体测量仪的研究起步虽然较晚，但也取得了一定的成果。大连理工大学研制了一台能够对旋转体类工件在一次安装的条件下对其内、外轮廓的全部几何参数及轮廓度误差进行检测的精密仪器。该仪器的传感器沿其法线方向对旋转的工件进行极坐标测量，实现了对组合型复杂旋转体类工件的高精度测量[8]。长春理工大学的徐熙平教授利用线阵CCD-TCD2901D搭建了能够精确测量回转体直径尺寸的测量系统[9]。中国工程物理研究院电子工程研究所的蒲竞秋将谐波分析技术应用于回转体测量当中，得到了精确的回转体轮廓数据[10]。

1.3 主要研究内容

本课题的主要研究内容为设计一台可以在装配车间对航空发动机涡轮机匣外环真实圆心位置与外环块上个点到真实转子旋转中心半径进行测量的检测系统——同轴回转式测量机构，如图1.1所示。

图1.1 同轴回转式测量机构简图

图1.2 线性测微计542系列细长型

测量机构通过定心标准件保证立柱与被测工件基准回转轴线同轴，通过磁力吸盘固定在工作平台之上，传感器采用日本三丰MITUTOYO制造的线性测微计542系列细长型，其不但外观小巧，而且精度能达到0.5µm，如图1.2所示。传感器沿L型标尺滑动到与被测工件接触后锁死。开始测量时，由低速电机带动L型标尺与传感器测头围绕立柱做回转运动，电机内有角度传感器，采集到的数据通过传感器传入电脑之中，经数据处理后获得测量结果。

研制该测量机构在软件方面主要面临两大难题，一是如何取得准确的测量结果，二

是如何对测量结果进行分析处理获得需要的最终数据。本文从测量数据采集环节开始到数据处理得到最终数据给出了完备的全套解决方案。

本文主要研究内容为：

使用先进的小波分析方法，对标定后的数据进行高效，合理的滤波降噪。在保证不影响有效数据的前提下滤除噪声信号。获得较纯净的涡轮机匣外环形位误差信号。

根据工程实际对圆度误差评定方法进行改进，使其能够在小圆弧条件下进行较精确的圆心拟合。最终获得涡轮机匣外环圆心相对于转子圆心的偏心度与偏心角，与涡轮机匣外环内各点相对转子中心的准确半径，确定碰磨发生位置。

对测量机构在数据采集环节可能掺杂的无效数据进行分析归类，对各类误差的产生原理进行分析，建立数学模型，给出对应的标定方法，确保收集到的数据的真实性与有效性。

1.4 对应研究重点的国内外发展概况

1.4.1 小波变换理论及其在机械工件精度检测的应用

小波分析是由数学理论中调和分析技术发展而来的一门新兴学科。它的提出不仅拥有坚实的数学理论基础，并且具有广阔的应用前景。一名从事石油信号处理的法国工程师J.Morlet，在1984年首先提出小波变换的概念。在这之后于1986年，构建基本小波的统一方法以及多尺度分析方法被数学家Y.Meyer与S.Mallat合作解决。从此以后，大量的学者涌入这一兴新学科之中，并获得了大量的研究成果。

小波变换是一种在时域和频域上进行伸缩和平移等运算的局域变换，在多尺度上对函数或信号进行精细化分析。它可以有效地从信号中提取出特征信息。因其在低频部分，其具有高的频率分辨率和低的时间分辨率，而在高频部分，其具有高时间分辨率和低的频率分辨率。

近30年来，小波分析理论经过不断发展，已开始与复分析、算子理论、偏微分方程、混沌问题、分形理论、逼近论等其他数学分支相互融合，并在信号处理、量子场论、图像处理、机械故障诊断、语音识别与合成以及通信等技术领域得到了广泛应用。

在现实生活中，大多数信号并不是平稳信号，而小波分析相比与其他方法更适用于处理非平稳信号。对各类非平稳信号利用小波分析的方法进行滤波处理，就是将由不同