航空发动机振动测试技术研究

航空发动机振动测试技术研究

顾宝龙赵振平何泳闫旭陈浩远

（中航工业上海航空测控技术研究所故障诊断与健康管理技术航空科技重点实验室，上海 201601）

摘要综述了航空发动机振动测量的必要性及发展现状，介绍了国内外正在发展中的先进航空发动机振动测量技术方法，并对它们的测量原理、特点和应用进行了阐述。

关键词发动机振动测试

Research on aero-engine vibration testing technology

Gu Baolong Zhao Zhenping He Yong Y an Xu Chen Haoyuan

(Aviation Industry Corporation of China Shanghai Aero Measurement & Control Technology Research Institute

Key Laboratory of Aviation Technology for Fault Diagnosis and Health Management Research, Shanghai ,201601)

Abstract This paper reviews the current status of development and the necessity of aero-engine vibration testing, introduces the development of the domestic and foreign advanced technology aviation engine vibration test methods. Their testing principles，characteristics and applications are described.

Key words aero-engine vibration testing

0 引言

航空发动机是飞机的心脏，是一种结构复杂、高速旋转的流体机械，其可靠性直接影响到飞机的飞行安全。随着科学技术的发展，航空发动机的推力、转速、动强度等在不断的提高，由转子不平和和气体流动等原因引起的振动问题日益突出，在新机研制试验过程中，由于设计考虑不足或制造的工艺和装配问题，都会致使发动机在运行中产生振动；对于定型使用的发动机也会因为运输途中的磕碰，使用中的磨损、损伤及腐蚀使得其振动品质不断恶化。同时,发动机的工作状态不同于一般的旋转机械，处在高温、油雾和电磁干扰严重的恶劣环境中，对检测其振动特性的技术方法要求非常苛刻。如何以合理的方法,选择合适的振动传感器和振动测量仪,迅速准确地测量发动机的振动值对提高试验安全性和发动机可靠性具有重要意义。

转子叶片是航空发动机的关键零件, 它承受离心力、流体动力、振动、热应力等的综合作用，叶片的损坏故障绝大多数是由振动引起的，因此叶片振动测量已经成为航空发动机可靠性试验的重要内容。传统的测量方法是接触式电阻应变片法，其最大缺点是所测量的数目有限，且测试成本高、测试周期长、使用寿命有限及信号引出困难等，很难做到实时监测同级的所有叶片的振动情况。前苏联科学家在上世纪六十年代提出了间断相位法对叶片振动进行测量，得到叶轮上所有叶片见应力分布的整个图片，为转子叶片的振动测量开创了一条新的途径。随着光电子学技术的迅猛发展，国外已经研制出了基于光纤传感器的叶尖定时测量法。最近，国外先进国家重点试验室又研制出了叶间动态压力诊断法，更适合于工业现场的应用。

1发动机整机振动测量方法

发动机振动测量可分为整机振动测量和部件（转子叶片）振动测量，其振动测量设备包括传感器、二次仪表、记录和分析设备。通常利用加速度计和振动测量仪来测量并获取振幅、振动速度和振动加速度等参数；在发动机转子叶片贴应变片测量转子叶片振动。

在整机振动测量中常采用电阻应变片法、磁电式速度传感器和压电式加速度传感器。电阻应变片法是在整机机身或者叶片上粘贴电阻应变片，利用集流器装置或安装在

轴上的无线发射装置将应变信号传送到叶轮机械外部，经过前置放大处理，进行相关分析记录。该技术的测量精度较高，但整个粘贴过程较繁琐，布线复杂，可靠性差。而且应变式传感器的工作寿命较短，环境适应性差，自身的荷重和体积也会影响待测件的特性。

磁电式速度传感器检测方法是利用电磁感应原理，通过振动产生磁电信号，其信号与振动速度成正比，经过信号解调获得振动信息。该方法特别适用于高稳定速度式振动检测，但由于其结构复杂、内部有活动部件、响应频率低、体积大等缺点，不适用于高频范围的测量，其地位正逐步由压电式加速度传感器所代替。

在发动机振动测试中，使用最多的是压电加速度传感器。该传感器选用高居里温度的压电晶体元件，最高使用温度可以达到650℃，具有较高的稳定性和可靠性。压电式加速度传感器的工作原理是依据压电材料的压电效应，输出的信号与振动加速度成正比，通过积分电路及二次放大，用示波器显示振动加速度的总和。与其他传感器相比，压电式加速度传感器具有体积小、寿命长、耐高温、灵敏度好、频响高、动态范围宽、抗外磁干扰能力强等优点，频率测试范围达到0.1～5000Hz，振动加速度可测范围为-5～105g，特别适用于发动机整机和部件的宽频带振动测量和分析。传感器在发动机恶劣环境条件下工作，必须配制专用的低噪声、抗干扰、耐高温电缆，将传感器输出的电荷信号稳定可靠地传输到电荷放大器，保证信号调理的准确性、可靠性，真正发挥压电式加速度传感器的优越性。

2 转子叶片振动测量方法

转子叶片振动测量能够适应高转速、实时、全面监测的要求，提高旋转机械测量系统的性能。按其工作原理的不同，可分为微波法、超声波法、激光扫描式等多种形式。其中微波传感器在转子叶片测量方面具有不可比拟的优势，其特点是抗于扰能力强，适合高速、高精度的非接触式测量，尤其是微弱信号的拾取。2. 1 微波法

在NASA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所示。

图1 微波振动检测原理

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做对比，相差则对应于与叶片之间的间距。

图2 高温叶尖间隙探针

图2所示的高温叶尖间隙探针直径约为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