航空发动机碳纤维复合材料风扇叶片叶尖间隙测量研究_易亮.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月传 感 技 术 学 报 .项目来源:国家自然科学基金项目(,);中国博士后科学基金项目();精密测试技术及仪器国家重点实验室(天津大学)青年教师科研启动项目();广东省重点研发计划项目()收稿日期:修改日期:,(,;,):,(),:;:航空发动机碳纤维复合材料风扇叶片叶尖间隙测量研究易 亮,薛志飞,郑芳芳,李发富,牛广越,段发阶(中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司,上海;天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津)摘 要:动叶片的叶尖间隙参数直接决定航空发动机的工作效率和运行安全,随着发动机朝着质量更轻、运转效率更高的方向发展,碳纤维复合材料()被广泛应用于大
2、涵道比航空发动机风扇叶片的设计,然而材料导电性会影响间隙测量结果。提出了一种基于电容法的 叶片叶尖间隙测量方法;利用显微观察和元素分析,获取了 叶片导电性规律,建立了仅碳纤维层参与构成电容器极板的叶尖间隙测量模型;开展了金属叶片和 叶片叶尖间隙测量的仿真和实验,结果表明,两种叶片在不同间隙值下的电容输出呈比例关系,叶片的叶尖间隙测量精度优于;完成了某型大涵道比航空发动机的测量试验,验证了航空发动机 风扇叶片叶尖间隙测量方法的可行性和可靠性。关键词:航空发动机;叶尖间隙;非接触测量;风扇叶片;碳纤维复合材料;电容法中图分类号:;文献标识码:文章编号:()动叶片作为航空发动机的核心做功元件,其运行
3、状态参数直接决定飞机的工作性能,其中,动叶片端面与机匣内壁之间的叶尖间隙参数是影响发动机工作效率及运行安全的关键。研究指出,叶尖间隙与叶片高度的比值每增加,发动机耗油率增加约,效率降低约,但叶尖间隙过小将可能导致叶片与机匣发生碰磨,影响发动机的运行安全,同时,大涵道比风扇叶片的最大压升和失速裕度随着叶尖间隙的减小而增大,等指出风扇叶片叶尖间隙带来的叶尖泄漏涡是导致风扇失速的决定性因素之一。因此,叶尖间隙的实时在线测量尤为重要,可为主动间隙控制提供数据支撑,对发动机的高效安全运行具有重大意义。当前大涵道比航空发动机的冷端风扇叶片均采用碳纤维复合材料(,)替代传统的金属,这使得发动机风扇叶片重量大
4、大减轻,让发动机能达到更好的气动效率、燃传 感 技 术 学 报第 卷油效率以及推重比。是以树脂为基体,以碳纤维及其编织物为增强体,并经由一系列热工艺和成形工艺形成的高性能复合材料,与传统钛合金夹芯结构的风扇叶片相比,它具有高比强度、高比模量、刚度大、重量轻、韧性好等优异的综合力学性能,同时其抗鸟撞能力和低噪音指标完全满足适航要求。因此,对 风扇叶片这种新型材料叶片的叶尖间隙进行实时测量是保证航空发动机研制验证试验安全的必要手段,也可为改进优化风扇转静子结构间隙,实现新型复材发动机气动性能最优、效率最高提供数据支撑。针对传统金属叶片的航空发动机转子叶尖间隙测试,研究者们做了大量的研究和实验,提出
5、了电容法、电涡流法、微波法、光纤法、超声波法等叶尖间隙测量方法,其中,电容法是目前我国开展航空发动机叶尖间隙测试的标配技术,发展非常成熟,具有耐高温、抗燃气腐蚀、精度高等特点,但要求被测叶片具有良好的导电性。目前针对大涵道比航空发动机的复合材料风扇叶片叶尖间隙测试方法与技术的报道较少。本文利用大涵道比航空发动机风扇 叶片具有一定导电性的特点,提出了基于电容法的 叶片叶尖间隙测量方法。利用微观观察和元素分析获取了 叶片的结构组成,建立了新型 叶片的电容法等效测量模型;开展了仿真和实验验证,仿真结果和实验结果较好地吻合,证明了该等效模型的合理性;在某型大涵道比航空发动机试验现场应用了电容式测量系统
6、,对其 风扇叶片间隙进行了试验测量,结果验证了电容法测量 叶片叶尖间隙的可行性;本文提出的模型对实现 风扇叶片叶尖间隙测量具有重要的实际工程意义。叶片的叶尖测量模型 电容法测叶尖间隙原理电容法测量叶尖间隙的原理,如图 所示。图 电容法的原理理想状态下电容 与间隙值 的关系为:()式中:是待测容值,是中间介质的介电常数,是叶片端面和传感器芯极的相对有效面积,是待测叶尖间隙。由该式可知 不变情况下电容 与间隙 一一对应。通过测量电容 即可反算出间隙。电容法叶尖间隙测量系统如图 所示。图 叶尖间隙测量系统基本原理 电容传感器和扫过传感器的复材叶片构成电容器,通过主动屏蔽、低噪三同轴电缆接入图 所示的
7、调幅式调理电路把待测容值 转换为电压量,然后经高速采集与处理系统采集和预处理后上传到上位机,对叶尖间隙和采集到的电压信号峰峰值进行标定后即可用标定曲线求取叶尖间隙值。标定表达式可表示为:|()|()式中:是调理电路放大系数,是电压峰峰值,是电容峰峰值,是叶尖间隙值,是传感器标定系数,是标定曲线阶数,取。叶片等效电容模型 叶片主要由碳纤维构成,具有一定的导电性。但是碳纤维的电学特性同传统金属还是有很大差别,电导率比金属要小得多(碳纤维:几百几千 ,金属:几百万 )。本文首先通过仿真探究 叶片的电导率对待测间隙电容的影响规第 期易 亮,薛志飞等:航空发动机碳纤维复合材料风扇叶片叶尖间隙测量研究 律
8、。在 软件中,仅改变叶片的电导率,仿真电容传感器测叶尖间隙的容值大小。其中,电容传感器如图 所示,采用法国 公司及善测(天津)公司研制的叶尖间隙传感器尺寸,即适用于 量程的传感器,芯极为 ,受感部端面为 。此时待测电容量在 量级。这个尺寸能均衡测量量程、探头开孔尺寸、待测电容量等要求。材料主要为陶瓷及高温合金。直板叶片设置为厚 ,长 ,宽 的长方体。图 电容传感器图 不同电导率下仿真结果不同叶片电导率下叶尖间隙电容值的仿真结果如图 所示,图中,叶尖间隙()从 以 为步长遍历到 ,叶片电导率从 以每 倍量级增加到 ,仿真结果表明,改变叶片材料的电导率(几百到几百万 )对仅在零点几个 量级的叶尖间
9、隙待测电容几乎无影响。即电容法测叶尖间隙时,导电性能不是影响待测电容的关键因素。然而,叶片电导率对电容法测量结果基本无影响是在叶片全部由导电的碳纤维构成的前提下得到的。为了得到真实 叶片的构成情况,本文利用扫描电子显微镜对 叶片样品的叶尖端面进行了显微观察,结果如图 所示。由图像可以看出,叶片呈叠层结构,图中“左”、“右”对应的铺层厚度大约是 ,“中”铺层厚度大约为 ,这与预浸树脂的碳纤维板材铺叠成型的复材结构相吻合。为了进一步验证 叶片符合上述叠层结构,本文选取了相邻铺叠层的 个测试点(图 中标出的左中右三点)进行了元素成分分析,结果如表 所示。图 叶尖端面的扫描电子显微图片表 测试点元素分
10、析结果位置元素成分含量 左中右 从元素分析结果上可以看出,中间测试点含预浸树脂特有的氯元素,应为树脂层,而左右测试点成分基本一致,应同为碳纤维层。由此可得,该 叶片是以“碳纤维层树脂碳纤维层”的结构铺叠成型。由于碳纤维具有导电性而树脂不具有导电性,再结合前文电导率对待测微小电容基本无影响的结论,针对 叶片提出了碳纤维层参与构成待测电容而树脂层不参与构成待测电容的等效电容测量模型,极板的有效面积 减小,该模型的测量原理如图 所示。图 电容法测 叶片叶尖间隙模型对应的测量表达式为:()式中:表示 叶片端面的有效面积。模型仿真与验证 模型仿真针对提出的测量模型,使用 软件进行建模和仿真,并将电容仿真
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