航空发动机叶片间隙测量方法综述
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飞行试验中的发动机叶尖间隙测量方法
飞行试验中的发动机叶尖间隙测量方法发动机叶尖间隙是指发动机旋转部件（如涡轮、风扇等）与固定部件（如机架、外壳等）之间的距离，该参数是飞行试验中非常重要的一个参数，它的大小直接关系到发动机的性能与寿命。
发动机叶尖间隙的测量方法是飞行试验中不可或缺的一项技术措施，下面将详细介绍该方法。
发动机叶尖间隙测量的原理是利用激光测距仪和相控阵雷达对发动机叶尖进行三维扫描，然后将扫描到的数据传输到计算机中，通过计算机对数据进行处理分析，最终得出发动机叶尖与固定部件的距离。
激光测距仪是发动机叶尖间隙测量的核心设备之一，它的作用是发射一束激光束，然后根据反射回来的光信号来计算叶尖与固定部件的距离。
相控阵雷达则是用来检测激光束的位置，这样就可以确保测量的精度和准确性。
发动机叶尖间隙测量中需要进行一系列的准备工作。
首先要准确的测定发动机叶尖的位置，尤其是在飞行状态下，叶尖随着飞机的加速和转弯而变化。
此外，在测量之前，还需要检查激光测距仪和相控阵雷达的适用性、精度及标定情况，并对测量站点进行维护和校准。
在发动机飞行前，需要安装测量设备并进行初步测试，确认设备的测量范围、精度等等。
在飞行中，发动机主轴转速与飞行速度的改变会导致叶片挠度的变化，因此，需要对测量数据进行实时校准，以确保测量数据的准确性和实时性。
在整个测量过程中，还需要对数据进行处理和分析，以确保测量结果的可靠性。
测量结果需要纳入飞机数据记录器中，通过对数据进行分析和比对，来跟踪并确定发动机维护和调整计划。
总之，发动机叶尖间隙测量方法是飞行试验中不可或缺的一项技术措施，它对于发动机性能的调整和维护起到了至关重要的作用。
通过该测量方法，可以在最大程度上保证发动机在飞行过程中的安全和稳定，提高飞行的安全性和效率。
为了更好地理解发动机叶尖间隙测量的重要性和实际应用，我们可以通过收集相关数据进行分析。
首先，我们可以收集不同飞机型号发动机的叶尖间隙标准要求。
以波音737 MAX为例，其飞行试验手册要求该型号的发动机叶尖间隙应该在0.5mm至1.5mm之间，而其它型号的飞机发动机，要求叶尖间隙的范围也不尽相同。
航空发动机叶片裂纹检测技术及应用分析
航空发动机叶片裂纹检测技术及应用分析航空发动机作为飞机动力的核心，是体现飞机性能的标准之一。
大多采用复杂型面叶片，在运行过程中因为会受到应力、离心力已于弯矩应力的影响，所以容易生成疲劳裂纹、层间分离等损伤。
这种损伤会降低航空发动机的性能，给装备带来安全隐患，甚至会引发灾难。
因此发展、使用高效的检测技术是解决这类问题的关键。
大部分应用于航空发动机叶片检测的方法主要有孔探法以及常规的检测方法如磁粉、射线、涡流电磁法，其中孔探法是发动机外场检测应用最多的一种技术，这种技术检测时间长，对人力的要求很高，并且操作过程较为复杂且必须十分谨慎。
常规的检测方法对复杂曲面结构缺陷的检测存在这一定的局限性。
近年来已出现一些高效的无损检测方法如声波/超声波检测、电磁超声非线性检测、相控阵检测等已经逐步应用于发动机叶片的探伤。
红外热成像技术亦是较为先进的无损检测技术之一，它主要是通过对被测结构件表面的温度变化进行捕捉，利用红外热成像仪采集表面因温度变化而产生的红外信号检测的。
红外热成像技术是用超声波对工件表面积局部进行激励进而进行加热，通过热成像仪捕捉裂纹区域的局部红外图像。
由于在固体器件中超声波传播速度快，所以从发出激励信号到采集到反馈信号是极短时间的过程，又因为深度、裂纹大小不同，红外信号传播到试件表面并得到反馈是随着时间、裂纹规模变化的，最后经过图像处理可以对试件的裂纹进行识别与定位。
1 检测原理及方法概述1.1 检测原理概述超声红外热成像检测技术的原理是先将低频高能的超声波注入被测零件，被测零件会产生小幅的机械振动，如果存在裂纹，那么由于裂纹两侧因震动频率不同（即出现相位差）而出现部分热效应（即摩擦生热），导致局部的温度升高表面产生的热辐射也不同。
之后利用热成像仪对被测件表面温度进行捕捉生成零件表面的温度分布图，最后通过对温度分布图中的异常信号进行分析从而得到裂纹的位置及尺寸。
相比于其他成像技术，超声红外热成像技术可以只对表面或者裂纹区域进行加热，对正常的结构区域不加热，这种方法可以增加裂纹检测的可靠性，更有利于分析与判定，其检测原理如图1所示。
航空发动机叶片检测验收技术
叶片材料性能检测
硬度检测
通过硬度计测量叶片材料的硬度，评估材料的机械性能和耐 磨性。
拉伸检测
通过拉伸试验机测量叶片材料的拉伸强度、延伸率等力学性 能参数，评估材料的力学性能和可靠性。
03
验收标准与流程
叶片外观验收标准
叶片表面应光滑、无 划痕、无裂纹、无气 孔等缺陷。
叶片的涂层应均匀， 无明显色差或剥落现 象。
叶片维修过程中的检测应用
叶片损伤评估
通过目视检查、敲击检测和振动 分析等方法，对叶片的损伤程度 进行评估，确定是否需要维修或
更换。
叶片修复质量检测
对经过修复的叶片，采用与生产过 程中类似的检测方法，对修复质量 进行检测，确保叶片能够恢复到原 始性能。
叶片性能测试
在维修后，对叶片进行性能测试， 包括耐久性、稳定性和冷却性能等 ，确保叶片满足使用要求。
叶片检测的重要性
确保叶片的质量和可靠性，防止因叶 片故障导致的航空事故。
通过检测验收，可及时发现并处理叶 片生产中的质量问题，提高生产效率 和产品质量。
02
叶片检测技术
无损检测技术
超声检测
利用超声波在叶片材料中的传播特性 ，检测叶片内部和表面的缺陷，具有 非破坏性、高精度和灵敏度高的特点 。
磁粉检测
3
叶片材料的机械性能，如抗拉强度、冲击韧性等 应满足使用要求。
叶片功能性验收
叶片在发动机上的安装应牢固，无松 动现象。
叶片的冷却性能、气动性能等应符合 设计要求。
叶片的动平衡性能应良好，无明显振 动或异常声音。
04
叶片检测设备与工具
无损检测设备
超声波检测仪
利用超声波在物体中的传播和反射，检测叶片内 部和表面的缺陷。
航空发动机叶片型面测量方法评述
光学跟踪投影仪分为单面跟踪和双面跟踪两种形 式 。单面光学跟踪投影仪一次只能够检测叶盆或叶背 单侧型面 ; 双面光学跟踪投影仪可同时检测叶盆 、叶 背型面 [ 2 ] 。
光学投影测量法常用于定性观察放大后的实际叶 片与标准叶片之间的符合程度 , 检测效率较高 、操作
图 3 光学投影测量原理
简便 , 但对于定量测量 , 其检测效率非常低 。用该方 法测量时受客观因素影响较多 , 如测量结果受叶片表 面反射能力及叶片弦宽的影响等 。测量精度较低 , 适 合于叶片半成品的型面检测 。 114 电感测量法 [ 1, 3 ]
随着叶片制造技术的发展 , 对叶片型面检测精度 要求不断提高 , 出现了一种机械式叶片截面型线自动 绘图测量法 。
自动绘图测量仪的测量原理如图 2 所示 。该仪器 主要由用于安装被测叶片的转盘 、用于安装绘图纸的 转盘 、测轮 、绘图笔臂 、钢带 、步进电机和转盘组成 。 测量时 , 叶片接电源的地线 , 在步进电机的驱动下 , 测轮与叶片之间保持一相对固定的高压放电间隙 , 使 测轮对叶片作非接触扫描测量 。随着测轮对叶片的扫 描 , 笔臂终端的绘图笔即可在绘图纸上绘出叶片型线 的实际轮廓的放大图 。
图 1 标准样板法测量原理
标准样板法最早是用于叶片成品检测的方法 , 它 具有检测速度快 、操作简单 、便于现场使用等优点 , 在叶片加工过程中得到广泛使用 , 但它只能定性地检 测零件是否合格 , 测量精度低 ; 同时 , 一个样板只对
· 2 · 综 合 评 述
2009年第 29卷第 3期
应于某叶片相应截面的一条型线 , 因此标准样板数量 多 , 成本高 , 在对叶片检测要求越来越高的今天 , 其 仅适用于叶片的工序间型面检测 。 112 自动绘图测量法 [ 1 ]
光学投影测量法常用于定性观察放大后的实际叶 片与标准叶片之间的符合程度 , 检测效率较高 、操作
图 3 光学投影测量原理
简便 , 但对于定量测量 , 其检测效率非常低 。用该方 法测量时受客观因素影响较多 , 如测量结果受叶片表 面反射能力及叶片弦宽的影响等 。测量精度较低 , 适 合于叶片半成品的型面检测 。 114 电感测量法 [ 1, 3 ]
随着叶片制造技术的发展 , 对叶片型面检测精度 要求不断提高 , 出现了一种机械式叶片截面型线自动 绘图测量法 。
自动绘图测量仪的测量原理如图 2 所示 。该仪器 主要由用于安装被测叶片的转盘 、用于安装绘图纸的 转盘 、测轮 、绘图笔臂 、钢带 、步进电机和转盘组成 。 测量时 , 叶片接电源的地线 , 在步进电机的驱动下 , 测轮与叶片之间保持一相对固定的高压放电间隙 , 使 测轮对叶片作非接触扫描测量 。随着测轮对叶片的扫 描 , 笔臂终端的绘图笔即可在绘图纸上绘出叶片型线 的实际轮廓的放大图 。
图 1 标准样板法测量原理
标准样板法最早是用于叶片成品检测的方法 , 它 具有检测速度快 、操作简单 、便于现场使用等优点 , 在叶片加工过程中得到广泛使用 , 但它只能定性地检 测零件是否合格 , 测量精度低 ; 同时 , 一个样板只对
· 2 · 综 合 评 述
2009年第 29卷第 3期
应于某叶片相应截面的一条型线 , 因此标准样板数量 多 , 成本高 , 在对叶片检测要求越来越高的今天 , 其 仅适用于叶片的工序间型面检测 。 112 自动绘图测量法 [ 1 ]
航空发动机压气机叶片型面检测技术
中，控制系统采用上控机，以ＴＲ００８
数控系统平台为基础进行开发，实现
了测量仪的运动控制、数据采集、光
栅准确计数等功能。ＴＲ００８是清华 大学精仪系制造工程研究所正存开 发和完善的普及型数控系统平台，其 软件争郜由ｃ程序设计语言实现。 处理系统采用ＰＣ机，以基于Ｗｉｎ一 ｄｏｗｓ系统的ＭＡＴＬＡＢ作为软件开 发１二具，以实现测量数据的处理、曲 线拟合造型、参数辨识等功能。两台 不同系统计算机之间的数据传输采 用了建立无盘工作站的方法来实现，
３陈凯云，叶佩青，俞学兰，等·航空压
主嚣！盖ｉ雷：：型苎ｉ竺研究·仪器仪表
４张国雄．三坐标测量机．天津：天津 大学出版社，１９９９．１１３～１１７（责编晓霸）
４８航牵翩造技术·２００７年第１ｌ期
万方数据
青海大学机械系 清华大学精仪系
俞学兰 叶佩青
叶片是关系到发动机性能的高负荷零件。严格控制叶 片的制造质量，是叶片制造中的关键问题。因此，叶片的检 测技术非常重要，在叶片制造的总工作量中叶片检测工作 量占相当大的ＥＥ例。
俞学兰 硕士。青海大学机械系讲师，主
要研究方向为数控加工。
叶片是关系到发动机性能的高 负荷零件。严格控制叶片的制造质 量，是叶片制造中的关键问题。因此， 叶片的检测技术：｛｝常重要，在叶片制 造的总工作量中叶片检测工作量占 相当大的比例“１。
即为理想标准叶片； 失真或无法计算的现象，而激光测量
制造误差很小时即 仪ｎ Ｊ以真实地反映叶片边缘的形状。
为样板叶片，此时制 表２从测量的精度、速度以及可靠性
圈３二维图形显示界面
造误差对测量结果 等方面将四坐标激光测量仪与三坐
的影响不明显。在 标测量机两种测量方式进行叶片测
密转台，配合非接触式激光测头进行 试验巾选用某型样板叶片对测量结 量的结果进行了比较。
航空发动机叶片型面测量技术研究现状与趋势
航空发动机叶片型面测量技术研究现状与趋势摘要
关键词：航空发动机；叶片型面测量；技术现状
1引言
航空发动机叶片型面测量技术是保证航空发动机可靠性的关键任务之一、叶片型面测量的精确性直接影响到航空发动机的使用寿命，可靠性和
效率。
传统的叶片型面测量方法有基于模型的方法和基于实物的方法，如
活塞钳、活塞钳和投影仪。
随着技术的发展，有越来越多的新的测量方式
可以替代传统的叶片型面测量方法，从而提高测量的精度和稳定性。
本文
主要对目前航空发动机叶片型面测量技术的现状进行研究，总结现有技术
的特点及发展趋势。
2现有测量技术
2.1活塞钳和投影仪组合
活塞钳和投影仪组合是一种常用的叶片型面检测技术，也是一种非接
触式的测量方式，通过投影仪投射叶片型面的影像，活塞钳可以检测到叶
片型面的参数，从而获得叶片型面的精确度。
其精度可以达到0.001毫米，精度也是十分可靠的。
2.2光学测量系统。
飞行试验中的发动机叶尖间隙测量方法
尖间隙随飞机 飞行状 态和 发动机使 用状态 的实 际变 化情况 ，
对设计 修订安装 间隙 、 叶尖问隙 主动控制技术 的实现 以及保
尖 间隙测量 的试 飞方 法进行 了探 讨 。
关 键词 ： 飞行 试验
叶 尖 间隙测 量
影 响 因素
试飞 方 法
中图分 类号 ：Ｈ ３ ．１ Ｔ Ｉ２４３
文 献标 识码 ： Ａ
文章编 号 ： ０ ６８ （００ｏ ００ ０ １ ２— ８６ ２ １）５－ ０５— ３ ０
Ｔ ｅ Ｍ ｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔｏ ｒ ｅ ｇ ｎ ａ ｅ Ｔｉ ｌａ ａ ｃ ｎ Ｆ ｉ ｈ ｓ ｈ ａ ｕ ｅ ｎ ｆＡｅ ｏ ｎ ｉ ｅ Ｂｌ ｄ ｐ Ｃ ｅ ｒ ｎ ｅ ｉ ｌ ｔＴｅ ｔ ｇ
ｔ ｌａａ ｃ ｉｈ ，ａ ｄｂ ｓｄｏ ｅｆｃｏｓｄｓｕｓｔｅｆｇ ｔｔｓ ｍ ｔｏ ｏ ａｕｉｇｔ ｌａａ ｃ ｆｇ ｂｎ ｎ１ｅｂａ ｅ ｉ ｃｅ ｒ ｅｉ ｆｇ ｔ ｎ ａｅ ｎｔ ａｔｒ ｉｃ ｓ ｉｈ ｅｔ ｅｈ ｄｆｒｍｅｓ ｒ ｉ ｃｅ ｎ ｅｏ ａ ｔ ｉｅｅ ｇ． ｌｄ ． ｐ ｎ ｎｌ ｈ ｈ ｌ ｎ ｐ ｒ ｓ ｕ
Ｋ ｅ ｗｏｒ ： ｉｈ ｅ ｔｍｅ ｓ ｒｍｅ ｔｏ ｉ ｌａ ａ ｅ；ｎ ｕｅ ｅ ｆｃｏ ； ｉｈｔｔｓ ｔ ｄ ｙ ｄｓ ｆ ｇ ｔｔ ｓ； ａ ｕ ｅ ｎ ｆｔ ｃｅ ｒｎｃ ｉｆ ｎｃ ａ ｔｒ ｆ ｇ ｅ ｔｍｅｈｏ ｌ ｐ ｌ ｌ
０ 引言
在现代航空发动机设计 与试 验 中， 持 良好 的叶尖 间隙 保 成为提高发动栅 ｌ 生能的重要 手段之一 。在 发动机工 作 中， 保
・
５・
飞 行 试 验 中 的 发 动 叶 尖 间 隙 测 量 方 法 机
航空发动机叶尖间隙测量研究
航空发动机叶尖间隙测量研究 0708301 邓起春 070830115 研究背景及意义 随着现代飞机对高机动性飞行要求的不断提高,对航空发动机的要求也相应地提高。 为提高航空发动机的性能,人们努力挖掘提高发动机效率的潜力。潜力之一是使转子叶尖与 机匣之间的径向间隙尽可能小,以减少工作介质泄漏而造成的损失。 众所周知,叶尖间隙过大 会降低发动机的性能,然而间隙过小,将产生叶尖与机匣碰磨,影响发动机的安全,这是两个 对立的要求。 如何设计控制间隙使其最为合适,对提高发动机性能、 保证飞行安全非常重要。 而合理地设计间隙,或进行主动间隙控制,关键在于搞清间隙的实际变化情况,掌握它的变化 规律。因此,对间隙进行实测,给出间隙随不同转速及状态的变化规律,验证理论计算的合理 性,在发动机研制过程中对优化设计、保证试车试验安全,具有实际的工程应用价值。 航空发动机在工作时,由于各部件承受的温度和受力变形情况不同,转、 静子间的运动是 很复杂的。不同部位的零件在径向、轴向的位移大小和方向存在很大的差异,这种差异还随 发动机不同而改变,如果此值选取不当,则可能造成径向间隙过大或过小。 综合分析表明, 风 扇、压气机和涡轮的叶尖与机匣之间都存在着一“ 最佳” 间隙, 过大的间隙会使叶尖泄露 磨擦振动等结构问题, 影 响发动机的安全运转。 由于发动机转子叶尖间隙变化的影响因素是多方面的, 相当复杂, 目 前单靠计算分析是很难确定的, 必须在试验中对间隙进行实时测量,找出 最佳”间隙, 为 “ 改进设计提供依据。 径向间隙过大会使效率降低,涡轮前温度增高。 据资料介绍,叶尖间隙每 增加叶片长度的1 % ,效率约降低1. 5 % ,耗油率约增加3 %。耗油率增加1 % ,可使全寿命 费用增加0. 7 %。间隙过大,也将使增压比下降,喘振裕度降低但同时间隙又不能过小,间隙 过小将可能产生碰磨,导致零部件损坏,影响发动机的安全。 间隙过大或过小对发动机都是不 利的,合理地设计、控制间隙,在航空发动机研制、使用全过程具有重大意义。 理论基础 探针法 针所使用的间隙测量仪为探针测量法测量装置。 探针法采用的是叶尖放电方式， 即依靠电 机使外加直流电压的探针沿径向移动， 当探针移向叶尖至发生放电为止， 探针的行程与初始 安装间隙（静态时探针到机匣内表面的距离）之差即叶尖间隙。目前使用的美国RCMS4的间 隙测量系统探针类，它主要由探针、执行机构及控制器组成。其间隙测量系统在探针上施加 高压，在执行机构的驱动下，以连续的步进逐渐伸向被测物体，当探针距被测物体只有微米 量级时， 发生电弧放电， 控制器感受到放电后， 在探针与叶尖物理接触之前， 停止探针步进， 并将其缩回到安全位置，同时显示叶尖间隙测量结果。它只适用于温度600摄氏度以下，转 速在6000r/m以上，而且探针容易受到异物及油的污染造成阻塞。由于它是接触式测量，一 旦发动机紧急停车，探针缩回不到安全位置，就容易发生故障。探针测量法具有原理简单、 不需事先校准、 实用性强等特点,无论叶片端面形状如何都可进行准确的间隙测量,测量精度 为±0. 05 mm。缺点为只能测转子叶尖最小间隙,而不能测每个叶片的间隙,响应慢、传感器 体积大,探针进出的误动作还会给叶片带来安全隐患。 电容法 电容法是靠绝缘电极的机匣和转子叶尖间隙形成的电容进行测量的， 测的的电容是电极 几何形状、两级间距离以及两极间介质的函数，忽略边缘影响，测量电容与间隙的关系。国 外常把电容法分为两类：调频式，主要用于压气机与机匣的间隙测量；调幅式，主要用于连 续变化的情况。 调频式系统工作原理是： 叶尖与探头电极之间的间隙发生变化引起电容变化， 进而引起震荡频率的改变， 这一变化信号对原载波信号进行频率调制， 调频后的信号由震荡 器输出，通过电缆送到信号处理器，最后将间隙的变化变成信号输出。 电容法的特点：灵敏度高，固有频率高，频带宽，动态响应性能好，能在数兆赫的频率 下正常工作，功率小，阻抗性能好等。它的精度受多方面因素的影响，如测量时介质的介电 常数的变化，环境的干扰、探头及机匣受热变形、校准误差等。 电涡流法 电涡流法师采用金属切割磁力线产生磁场变化的方法， 电涡流测量间隙这套装置主要由 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。当振荡器产生的 高频电压施加给靠近金属板一侧的传感器线圈时， 产生磁束， 金属板受此磁束的感应产生环 形电流，此电流在线圈上产生反向变化。传感器线圈受涡流影响时产生阻抗，当被测物体的 传感器探头被确定以后， 影响传感器线圈阻抗的一些参数是不变的、 此时只有线圈与被测导 体之间的距离变化量与阻抗有关。 如果通过检测电路测出阻抗的变化量， 即得出叶尖的间隙 值。 电涡流特点：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，册来那个范围大，抗干扰能力强。此方法受叶片材料的影响较大，叶尖端面还需要有 一定的厚度。由于传感器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。 光纤法 反射式光纤叶尖间隙测量法 当光源发出的光经光纤照射到位移反射体后， 被反射的光又经接受光纤输出， 被光敏器 件接收。 其输出光强决定于反射体距光纤探头的距离， 当位移变化时则输出光强作相应的变 化，通过对光强的检测而得到间隙值。 它的主要特点是：具有高灵敏度、高分辨率，抗电磁干扰，超高电绝缘；结构简单，性 能稳定，设计灵活，能在恶劣的环境下工作，适合于静态和动态的实时监测。由于叶片表面 经过高温烧蚀，它的反射系数降低，发射损失会造成灵敏度降低，假定反射面与光纤垂直， 如果反射端面稍有倾斜，对灵敏度也会产生很大的影响。 光导探针测量法 光导探针法师通过光导纤维将一激光束投射到转子叶片的叶尖上， 当叶尖间隙发生变化 时，由于反射的光返回路径不同，在光电接收器上的光点位置发生变化，其变化量经过计算 即得出转子叶尖的间隙。 该方法的热点是不受转子叶片本身材料的限制， 各种转子叶片都可以测量； 适用于精度 高、频响快、高温涡轮叶尖间隙测量量；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。由于传感器运行在高温高压和大振动的情况 下，因此需对光学系统进行保护，防止污染和仪器损坏。 国内外研究现状/技术发展 航空发动机径向间隙测量,特别是高压涡轮间隙测量,一直以来属于世界性的测试难题。 近半个世纪,英、美、俄一些先进的航空发动机公司和研究机构为了达到测试、控制间隙的 目的,想尽了各种办法,投入了大量的人力物力,不断开发完善间隙测试技术和测试手段,比 较成熟的有探针测量法、电涡流法、电容法、高能X 射线等间隙测量方法,在转子叶尖间隙 测试应用上积累了大量的实测数据,具有相当高的技术水平,建立有发动机间隙数据库及健 全的测试规范。 外国一些先进的航空企业一直致力于航空发动机间隙测量的应用研究, 将间 隙测量得出的研究成果广泛应用于航空发动机研制中, 并部分地实现了主动间隙控制。 我国 开展航空发动机转子叶尖间隙测试应用研究起步较晚,对于实测设备的开发应用还处于研制 阶段。由于有国外可借鉴的技术和经验,以及已商品化的可利用的测试手段，因此研制开发 的投入比较小。目前对于风扇压气机、高压压气机部件,6 000 r/ min 以上转速的稳态间隙 可进行实时监测,而对于低转速、高温涡轮和瞬态间隙测试还缺乏手段。我国在开展间隙测 量的应用研究上也取得了一定的进展, 在一些试验件上实现了转子叶尖间隙的实时测量, 一些间隙测量仪器正在研制中, 并将间隙测量结果用于改进设计。但与世界先进国家相比, 还有相当大的差距, 还需要对间隙测量给予充分的重视, 加强国内间隙测量的应用研究。 几 年来, 通过采用从英国ROTADATA公司引进的探针式间隙测量系统, 对风扇、 压气机等试验件 在各种试验状态下叶尖间隙的实时变化进行了大量测量, 取得了较好的效果。 总结和展望 航空发动机转子叶片径向间隙的测量对发动机在研制使用过程中有重大的意义， 精确的 测量进而能得到有效的控制。 而且航空发动机转子叶片径向间隙控制是改善发动机气动性能、 提高发动机效率的非常重要的环节。 转子叶片径向间隙控制的控制可以使径向间隙尽可能减 少，以减少气流泄露损失，保证发动机获得尽可能高的工作效率，保证有适当的间隙，防止 因叶尖与机匣相碰而影响发动机安全。 近年来， 为了测量和控制航空发动机压气机叶片和涡轮叶尖与机匣之间的间隙， 国外航 空研究机构开发了多种的间隙测量方法，现在常使用的有光纤法、探针法、电容法、电涡法 等等，这些方法都有其不同的特点。这些都代表了国际上间隙测量的最先进技术。为使叶尖 间隙测量达到使用水平， 不论采用哪种测量手段， 提高高温高压条件下传感器的耐久性和可 靠性以及缩小体积都是技术关键。 近些年来研究的接触式探针测高压一级转子内环处轴向间 隙，以及英国RCMS4火花放电式间隙测量仪，同属接触式测量，它们仅限于常温单点的间隙 测量，并只能测量最小的叶尖间隙，对每个叶片的实际长度无法测量，特别是对高压涡轮间 隙测量更是亟待解决的难题。 在现代信息社会过程中，随着相关科学技术的进步和完善，光纤传感器技术，凭借不可 比拟的诸多优点得到了广泛的应用。 型号任务急需适用于发动机的光纤探针测量系统， 以填 补我国该测量领域的空白。 参考文献 丘立新 熊宇飞 熊宇飞 张宝诚 王振华 航空发动机叶尖间隙测量研究 航空发动机转子叶尖间隙的测量 转子叶尖测量在风扇和压气机性能试验中的应用 陈本柱 盛元生 航空发动机试验技术
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田６激光多普勒舅速法测间隙的原理田 擞光多普勒间隙侍感器包括三个部分：光源系统、光学测量探头和探测系统。在光源系 统中有两个辙光二撮管．输出为６６０珊和８３０阻的两个波长的激光。在探头里光纤出射的光束 被一个非球面透镜准直，再被一个衍射透镜聚焦（衍射透镜是针对６６０ｎｅ波长设计的焦距 ２０肌。数值孔径０．２）；这块高散射的衍射透镜使这两种光在聚焦腰处的光轴方向上分离。 由于衍射透镜的焦欧和波长成反比，红外光束的聚焦就落在了光橱的前面．而红光的落在 了光栅的后面．使这两种波长的擞光柬分别产生＋ｌ。一１级衍射。其他的光束用挡板隔离．用 一个消除色差的开昔勒透镜组准直光束井且再一次聚焦，清色差的透镜组确保了这两部分光 在相同的轴向位置分开。用开普勒望远镜系统使光柱聚焦成像．红外光的聚焦腰的位置在交 叉点的前面产生发散的边缘．红光的聚焦腰的位置在交叉点的后面产生汇聚边缘。如图７所
试验应用作了介绍。
关键词：发动机叶片叶尖间隙测量，探针法，电容法，电涡流法，光导（激光近程）探针测
量法，光强度调制法，激光多普勒测速法 １引言
随着现代飞机对高机动性飞行要求的不断提高，对航空发动机的要求也相应地提高。提
高航空发动机的性能的一个重要方面是提高发动机的效率；而提高发动机的效率很大方面要 取决于发动机转子叶尖与机匣之间的径向间隙要尽可能小，以减少工作介质泄露而造成的损 失。
航空发动机叶片间隙测量方法综述
郭伟周权 （一航计测重点实验室北京１０００９５）． 摘要：飞机发动机叶片叶尖间隙是发动机非常重要的一个参数。文章介绍了叶片叶尖间隙测 量的各种方法，包括探针法、电容法、电涡流法、光学法等。光学法又可细分为光导（激光
近程）探针测量法、光强度调制法和激光多普勒测速法；对这些方法的原理、特点以及一些
我国开展航空发动机转子叶尖间隙测试应用研究起步较晚。对于实测设备的开发应用大 多还处于研制阶段。由于有国外可借鉴的技术和经验，以及已商品化的可利用的测试手段，因
此研制开发的投入比较小。
２．１探针法１１Ｉ［ａｌ
探针法采用的是叶尖放电方式，即依靠电机使外加直流电压的探针沿径向移动，当探针 移向叶尖至发生放电为止，探针的行程与初始安装间隙（静态时探针到机匣内表面的距离）
１９芯电缆
控翩嚣
讣》
舔处定位面
必 １亍＝ｉ：安摹支杆
褂甜莲 豢
雀顶
计算机
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图１安装在燃气轮上的放电探针系统图 探针法的特点是原理比较简单，只要叶片是导电材料，无论叶尖面形状如何都可以用探 针法测量叶尖间隙，而且在高温高压环境下测量稳定、可靠，但是该方法只能测量转子的最 小叶尖间隙。此外，外加电压波动，工作流体的温度和压力变化，探针和叶尖端面的污损，
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２．４光学方法（ｏｐ岫ｌｍｇｏｄ）厦特点
前面介绍的几种方法大都是接触式测量，并且测量受环境影响比较大．限制了其应用范 围。光学测量方法属于非接触式测量方法，具有高分辨事，抗干扰强、无破坏性、效据获取 速度快等优点。光纤是非导电体，没有电礁干扰问题，特别适台在发电厂生产车间这类工况 复杂，电磁干扰严重的条件下工作：由石英材料制成的光纤，既耐高温又耐腐蚀。可以在高 温潮湿条件下工作。应用光学方法来测量发动机叶尖问隙主要有以下几种方法：１）光导（激 光近程）探针铡量法；２）利用光强度调制的方｛击；３）利用多普勒涮速的方法．
介质为常数，则电容的大小就只是两极间距离的函数。系统的结构原理框图如图３所示。
图３电容叶尖间隙测量系统原理图
该系统由探头一电缆组件、振荡器、保护放大器。以单片机Ｐ８７Ｌ ＰＣ７６２为核心的系统
处理器和显示电路构成。 电容法的主要特点：灵敏度高．故有频率高，频带宽，动态响应性能好，能在数兆赫的 频率下正常工作；．功率小，阻抗高等。它的精度受多方因素的影响，绝缘是电容法的特殊问 题，由于电容本身的内阻很高，因而对绝缘提出了更高的要求。
之差即叶尖间隙。英国ＲＣＭＳ４的间隙测量系统属探针类，它主要由探针、执行机构及控制 器组成。其间隙测量系统在探针上旌加高压，在执行机构的驱动下，以连续的步进逐渐伸向 被测物体，当探针距被测物体只有微米量级时，发生电弧放电，控制器感受到放电后，在探 针与叶尖物理接触之前，停止探针步进，并将其缩回到安全位置，同时显示叶尖间隙测量结 果。ｌｌ】其原理系统图如图Ｉ所示。
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匿薹茎挛薹鎏 熏薰囊羁慝霉囊
田７两柬光的干涉田，左边为虹外发散光，右田为虹光会聚田． 红外光的边缘系统的条纹间隔函敦是单调递增的，缸光的边缘系统的条纹间隔函数是单
调递硪的。在涮量区域的中问两个边缘系统的条纹阃隔是相等的。这个条纹回硒的比值
口（ｚ）＝匾（：），畦（：）几乎是线性变化的。从涡轮叶片反射回的职色发散光艘后边的探涌器
重４测量滑轮问瞳的蠢光近程探针系统 它的测量原理是：澈光器发出的光通过进镶，然后又由光纤引八探头，再经聚焦透镜十 三角棱镜把光束投射到叶ｊ皂上，如Ａ点和Ｂ点．由叶尖问障大小变化而改变相应的位置． 再通过棱慌和聚焦透啻怍用到输出螭的光纤上，通过对应的反射光点Ａ＋和Ｂ。．在把反射 回来的光线输进到另—埔对应的显示屏上，如Ａ’和Ｂ－．量后用对准显示屏的摄像机摄录
Ｆ光点的位置信号输送到记录器或监视器上，从而获得不同间隙时的数据。 该方法的特点是不受转子叶片本身材料的限制，各种转子叶片都可以测量；使用于精度
高，频响快，高温涡轮叶尖间隙的测量；能在恶劣的环境下工作，适用于静态和动态的实时
测量；成本低，光纤探头体积较小，易安装等。由于传感器运行在高温高压和大震动的情况
态：３）要求测量结果不受压气机和涡轮机叶片叶尖表面状态及温度变化的影响；４）尽量采
用小的几何尺寸：５）可实现在线系统检测。 因此，传统的检测方法已经对这些要求不适应了。而全新的光纤法测量方法可以满足这
些要求。光纤外型小、轻便。特别适合空间狭小的场合，符合燃气轮机动态间隙测量的要求；
光纤本身是非导电体，没有电磁干扰，适合工况复杂、电磁干扰严重的工作条件；由石英材
下，因此需对光学系统进行保护，防止污染和仪器损坏。
２．４．２光强度调制法‘１ｌ
它的基本原理是：当光源发出的光经光纤照射到位移反射体后，被反射的光又经接收光 纤输出，被光敏器件接收。其输出光强决定于反射体距光纤探头的距离，当位移变化时则输 出光强作相应的变化，通过对光强的检测而得到间隙值。
其测量原Ｎ如ｔＮ５所荆５１，
接收．在探测系统中。经多模光纤出射的光被准直．通过一十分色镜按不同波长分成两部分，
分别聚焦到两个探涮器．通过一十１４ｂｉｔ的腓导入计算机井用鼬伽进行处理。为了进一
步分析．用高斯曲线拟合经快速傅里叶变换的每个信号与记录下来的多昔勒攒率点，然后用 多普勒频率幕教计算涡轮机各叶片定点的位置。
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文献［１２］的作者在Ｇｅｒｍａｎ
Ａｅｒｏｓｐａｃｅ
Ｃｅｎｔｅｒ（ＤＬＲ）用此方法做了试验研究。试验在一台
涡轮机上进行，叶片叶尖间隙为１．７ｍｍ，叶片直径为１１２ｍｍ，含有２６个涡轮叶片。涡轮最大转
速为５００００ｒｐｍ，对应于叶片频率２１６６７Ｈｚ。测量位置周边速度５８６ｍ／ｓ。试验所得数据如图８
所示。可以看到应用激光多普勒法和电容法测得的数据有很好的一致性；但激光多普勒法有
料制成的石英光纤，耐高温性能好，可以在燃气轮机内部的高温下工住。
４参考文献
［１］邱立新，王振华，航空发动机叶尖间隙测量研究，航空发动机，２００１年第４期。 ［２］范龙，李超俊，轴流风机叶片项部间隙流动的测量与研究，流体机械，１９９１年，第ｌ期。
［３］杨启超，李连生，赵远扬，束鹏程，电涡流法测量涡旋压缩机轴向间隙的可行性试验研
２．３电容法…（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）
电容叶尖间隙测量系统是基于测量探头和叶片尖端间的电容。把一个按钮式探头固定在
与叶片顶端相对的机匣中，让它构成电容的一个极，而压气机叶尖构成电容的另一个电极。测
得的电容是电极的几何形状，两极尖Байду номын сангаас距离以及两极间介质的函数。如果电极的几何形状和
２．４．３激光多普勒测速（ＬＤＶ）的方法㈣１１４１
电容传感器等通常用来测量金属叶片尖端的间隙只能提供中等速度的频率哺应，精度只
能达Ｎ５０／ｚｍ。有一种新的基于ＬＤＶ的激光多普勒叶间探测器与其他探测器相比具有高的时
间和空间分辨率。这个光纤光学测量探头使这个传感器更柔韧并且不受温度和电磁的干扰。
文献［１２］给出了这种原理的方法介绍及应用。该方法的原理如图６。
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究，中国机械工程，２００７年，第１７期。 ［４］贾智伟，姜涛，李应红，压气机叶片顶端与机匣运动间隙的测量，航空精密制造技术， ２００２年８月，第３８卷，第４期。 ［５］马惠萍，刘丽华，杨乐民，李鹏生，燃气轮机动态间隙检测系统的关键技术研究，光电 子一激光，２００２年３月，第１３卷，第３期。 ［６］马玉真，段发阶，曹素芝，方志强，叶声华，叶片叶尖间隙测量的光纤传感 器，光电工程，２００５年７月，第３２卷，第７期。 ［８］陈炳贻，叶尖间隙对航空发动机性能的影响和测量技术，燃气涡轮试验与研究，１９９６年， 第２期。 ［９］熊宇飞．航空发动机转子叶尖间隙测量，测控技术，２００４年，第２３卷，第ｌ期。 ［１０］李云霞，蒙文，赵尚弘，李应红，飞机发动机叶片变形的非接触光学测量方法，空军工 程大学学报（自然科学版），２００２年１２月，第３卷，第６期。． ［１１］马惠萍，刘丽华，杨乐民，李鹏生，用于燃气轮机动态间隙检测的光纤测量系统（ＩＩ）：
图５光纤光强度调制测量原理图 该方法具有高灵敏度，高分辨率，抗电磁干扰，超高电绝缘；结构简单，性能稳定，设 计灵活，能在恶劣的环境下工作，适用于静态和动态的实时检测。由于叶片表面经过高温烧 蚀，它的反射系数降低，反射损失会造成灵敏度降低，假定反射面与光纤轴垂直，如果反射 端面稍有倾斜，对灵敏度也会产生很大的影响。
２．４，１光导（激光近程）探针测量法Ⅲ