[摘要]基于光譜共焦測量技術(shù)搭建了葉尖間隙模擬測試平臺，將模擬葉盤安裝在氣浮主軸上，并應(yīng)用光譜共焦位移傳感器實現(xiàn)了葉尖端面的位移變化量的測量，以表征葉尖間隙的變化，分別模擬了葉尖間隙的單次測量和連續(xù)測量過程。實驗結(jié)果表明，應(yīng)用光譜共焦位移傳感器可以完成發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙的測量，而且能夠達(dá)到很高的測量效率和精度，可以應(yīng)用于實際的測量現(xiàn)場。

[關(guān)鍵詞]葉尖間隙；非接觸；光譜共焦；測量

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的長足進(jìn)步，世界航空工業(yè)進(jìn)入了全新的發(fā)展時代。在航空領(lǐng)域中，發(fā)動機(jī)是推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分，為飛機(jī)提供持續(xù)飛行的拉力或推力。作為飛機(jī)的核心部件，發(fā)動機(jī)對于飛行的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等都有著重要影響。當(dāng)前，航空推進(jìn)系統(tǒng)日益向著高轉(zhuǎn)速、高效率、高推重比、高可靠性和高渦輪前溫度的方向發(fā)展，這就對發(fā)動機(jī)的整體性能提出了更高要求，迫切需要壓氣機(jī)、渦輪等關(guān)鍵部件具備更高的工作效率和更寬的穩(wěn)定工作范圍。而要達(dá)到這一目標(biāo)，就需要著力加強(qiáng)在發(fā)動機(jī)性能測試方面的研究工作。

一般說來，航空發(fā)動機(jī)是一種高速旋轉(zhuǎn)的熱力機(jī)械，能夠?qū)⑷剂系幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為飛機(jī)的動能，其各級轉(zhuǎn)子主要由葉片、輪盤和轉(zhuǎn)軸等部分組成。在發(fā)動機(jī)的運(yùn)行過程中，壓氣機(jī)和渦輪中的轉(zhuǎn)子以很高的轉(zhuǎn)速做定軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動，其中，各級轉(zhuǎn)子葉片的頂端（葉尖）與機(jī)匣內(nèi)壁之間的徑向間距被稱為葉尖間隙（Tip Clearance）。葉尖間隙是關(guān)系到發(fā)動機(jī)性能的重要參數(shù)之一，間隙過大，會使葉尖泄露增大，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)效率下降，甚至造成發(fā)動機(jī)喘振；而間隙過小，則有可能導(dǎo)致葉片頂端與機(jī)匣內(nèi)壁之間發(fā)生碰撞和摩擦，影響發(fā)動機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至造成發(fā)動機(jī)損壞，給飛行帶來巨大的安全隱患。

因此，采取必要的測試手段對發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子葉尖間隙進(jìn)行實時有效測量，從而掌握葉尖間隙的變化規(guī)律，對于監(jiān)測發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，進(jìn)而實現(xiàn)發(fā)動機(jī)整個運(yùn)行過程的直接監(jiān)測和故障診斷，都具有著重要而深遠(yuǎn)的意義。目前，葉尖間隙的測量方法主要有放電探針測量法、電渦流測量法和電容測量法等。放電探針法適用于導(dǎo)電材質(zhì)的葉片，而且只能測量旋轉(zhuǎn)葉片的最小葉尖間隙；電渦流法要求葉片材質(zhì)具有導(dǎo)電性，并且葉尖端面要具有一定的厚度；電容法的頻率響應(yīng)性能較差，而且要求葉片材料必須是鐵性材料，應(yīng)用范圍受到一定限制?？梢?，傳統(tǒng)的測量方法存在著諸多局限性，不利于葉尖間隙測量任務(wù)的完成。

隨著光學(xué)、電子學(xué)和傳感技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展與進(jìn)步，許多光電傳感器和測量方法被引入到航空領(lǐng)域中，成功地解決了許多傳統(tǒng)測量技術(shù)難以或者無法解決的問題。其中，光譜共焦位移傳感器是近年來新出現(xiàn)的一種非接觸式的高精度光電位移傳感器，基于光譜色散原理，能夠?qū)⑽灰菩畔⒕幋a到波長信息中，再通過光譜分析技術(shù)得出被測位移，系統(tǒng)的分辨率可以達(dá)到微納米量級，響應(yīng)頻率能夠達(dá)到千赫茲量級。與傳統(tǒng)的激光三角反射式位移傳感器相比，光譜共焦位移傳感器對被測表面的要求更低，允許被測表面有較大的傾斜角度。此外，它還具有精度高、絕對式測量、便于小型化以及對雜散光有較強(qiáng)的魯棒性等特點，應(yīng)用前景十分廣闊。國內(nèi)的馬小軍等提出了基于光譜共焦傳感器的金屬薄膜厚度測量技術(shù)，利用相向?qū)敯惭b的傳感器組、精密位移平臺等實現(xiàn)了對厚度為10~100μm的自支撐金屬薄膜的厚度及厚度分布的精確測量。朱萬彬等研究了將光譜共焦位移傳感器用于測量透明材料平板厚度的可行性，并對其產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了詳細(xì)分析，給出了相應(yīng)的補(bǔ)償方法。陳挺等在論述光譜共焦技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，列舉了光譜共焦傳感器在幾何量計量測試中的典型應(yīng)用，探討了共焦技術(shù)在未來精密測量領(lǐng)域中的進(jìn)一步應(yīng)用。

為了實現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙的實時精確測量，本文提出了一種基于光譜共焦技術(shù)的葉尖間隙測量方法。搭建了葉尖間隙模擬測試系統(tǒng)，將模擬葉盤零件安裝在氣浮主軸上，以模擬發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子，并將光譜共焦位移傳感器固定在剛性支架上，通過支架的調(diào)整使傳感器處于正確的工作位置。在實驗過程中，首先進(jìn)行單次測試，完成了單個葉片頂端位移變化量的測量；然后進(jìn)行連續(xù)測試，旋轉(zhuǎn)模擬葉盤，完成了該葉盤周向上36個葉片頂端位移變化量的連續(xù)測量，從而模擬了在發(fā)動機(jī)環(huán)境中的實際應(yīng)用效果。實驗結(jié)果表明，本文選用的光譜共焦位移傳感器具有很高的測量精度和響應(yīng)頻率，并且體積小、便于安裝，能夠滿足發(fā)動機(jī)葉尖間隙的測量需求。

1光譜共焦位移傳感器的基本原理

光譜共焦測量技術(shù)最早由Molesini等人提出，并成功應(yīng)用于表面輪廓儀。隨后，許多科研人員都對基于光譜共焦原理的測量技術(shù)開展了深入研究，并在宏觀和微觀測量領(lǐng)域衍生出了許多應(yīng)用實例。目前，國外的工業(yè)級光譜共焦位移傳感器的測量精度已達(dá)到亞微米級，響應(yīng)頻率已達(dá)到幾千赫茲。

圖1光譜共焦位移傳感器的工作原理

光譜共焦位移傳感器是在共焦顯微鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其原理類似于共焦顯微鏡，但又有所不同。如圖1所示，傳感器主要由探頭和光譜分析儀兩部分組成，二者可通過光纖連接進(jìn)行信號傳輸。其中，探頭主要由光源和光學(xué)透鏡組等構(gòu)成。光源采用寬光譜的復(fù)色點光源（呈白光），其出射光束經(jīng)過前置透鏡組后變?yōu)槎嗌叫泄猓蝗缓笸ㄟ^后面的色散透鏡組進(jìn)行光譜分光，形成一系列波長不同的單色光，并將其進(jìn)行同軸聚焦。由此產(chǎn)生光譜色散，將不同波長的光的焦點分散在光軸上的不同位置，從而在有效量程范圍內(nèi)形成了一系列焦點，每個焦點處的單色光波長都對應(yīng)一個軸向位置，由此將位移信息轉(zhuǎn)換為波長信息。最后，聚焦于被測物體表面的單色光被反射回來，通過分光鏡進(jìn)入成像透鏡組并最終成像在針孔像面上。在此過程中，對應(yīng)被測表面位置并滿足共焦條件的單色光將進(jìn)入針孔到達(dá)光譜分析儀，以進(jìn)行后續(xù)處理；而離焦反射的其它光譜則被針孔遮擋，不能進(jìn)入光譜分析儀。

進(jìn)入針孔的單色光到達(dá)光譜分析儀后，可以根據(jù)光信號確定出此單色光的波長。由于每個波長都對應(yīng)著一個距離值，因而根據(jù)波長就可以推算出相應(yīng)的位移量，實現(xiàn)位移的精確分辨。光譜分析儀得到的光譜響應(yīng)曲線如圖2所示，橫坐標(biāo)表示波長λ，縱坐標(biāo)表示對比度I。對于得到的光譜響應(yīng)曲線，其峰值波長在555nm處，如果被測物體發(fā)生微小位移，那么在光譜分析儀上就可以得到另外一條光譜響應(yīng)曲線，從而獲得另一個峰值，這兩個峰值之差所代表的位移可以根據(jù)色散和波長的關(guān)系得出。

圖2光譜響應(yīng)曲線（長波/nm）

正是基于這種獨特原理，使得光譜共焦位移傳感器在位移測量上能夠達(dá)到很高的分辨率和精度。對于單層和多層的透明物體，除了能準(zhǔn)確測量該物體位移之外，還可以對其厚度進(jìn)行單方向測量。如在測量薄玻璃片時，其前后表面都會反射特定波長的光，在光譜分析儀上能夠獲得具有兩個峰值的光譜曲線，通過這兩個峰值就可以推算出玻璃的厚度，這在檢測一些很薄的物體時非常有效，如檢測玻璃紙的厚度等。如果將光譜共焦位移傳感器配置在二維掃描裝置上，還可以用于測量物體的表面形貌，而普通的共焦顯微鏡則需要三維掃描裝置才能夠?qū)崿F(xiàn)物體形貌的測量。

2葉尖間隙模擬測試系統(tǒng)

由于壓氣機(jī)的工作溫度不是很高，而且光學(xué)環(huán)境較好，因此特別適合采用光電傳感器對葉尖間隙進(jìn)行測量。在測量過程中，將傳感器固定在靜子機(jī)匣的內(nèi)壁上，通過傳感器可以獲得葉尖與傳感器之間徑向距離d₁，再與傳感器到機(jī)匣內(nèi)壁之間的距離d₂相加，即可得到待測的葉尖間隙d的值，即d=d₁+d₂，如圖3所示。而在實際使用過程中，由于傳感器與靜子機(jī)匣的相對位置固定，因而d₂的數(shù)值不會發(fā)生變化，因此葉尖間隙的變化量可以通過d₁來表征。

圖3葉尖間隙的計算示意圖

為模擬實際的測量現(xiàn)場，本文搭建了葉尖間隙模擬測試系統(tǒng)，如圖4所示，主要包括光譜共焦位移傳感器、剛性支架、模擬葉盤、氣浮主軸、減振底座以及工控機(jī)等。首先，將剛性支架和氣浮主軸固定在減振底座上，并調(diào)整它們之間的相互位置。其次，應(yīng)用工裝夾具將光譜共焦傳感器安裝在剛性支架上，由于該傳感器采用側(cè)向出光方式，其位移測量的方向與自身軸線垂直，因此應(yīng)通過微調(diào)機(jī)構(gòu)調(diào)整其空間方位，使傳感器的軸線與氣浮主軸的軸線平行。然后，將模擬葉盤安裝在氣浮主軸上，由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速很高，因而整個氣浮主軸系統(tǒng)在使用前需要經(jīng)過動平衡調(diào)節(jié)，以使其在高速狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，不發(fā)生危險。最后，調(diào)整光譜共焦傳感器的軸向位置，使其測量光束能夠照射到模擬葉盤零件的葉尖上，在葉尖端面上形成測量點，并處于量程范圍內(nèi)。另外，在氣浮主軸上還安裝有轉(zhuǎn)速同步器，以用于監(jiān)測主軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角位置，并將其作為光譜共焦傳感器的同步信號。

圖4葉尖間隙模擬測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖

在間隙傳感器方面，如圖5所示，主要由控制器和探頭組成，它們由一根光纖連接，控制器通過光纖向探頭提供光源，探頭再通過光纖將光信號傳輸?shù)娇刂破髦羞M(jìn)行光譜分析。該測量系統(tǒng)可以對漫反射或鏡面反射物體進(jìn)行高精度的位移測量，還可以對透明物體的厚度進(jìn)行測量。

圖5光譜共焦測量系統(tǒng)

控制器具有優(yōu)異的信噪比，能夠滿足高精度測量的需求，測量速率可以達(dá)到10kHz，并且具有快速表面補(bǔ)光功能，可以通過控制曝光時間來達(dá)到較高的信號穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)輸出可以通過Ethernet、EtherCAT、RS422或模擬量輸出來實現(xiàn)。探頭為光譜共焦式復(fù)合探頭，采用無磨損透鏡系統(tǒng)設(shè)計，可以進(jìn)行徑向測量，還能用于有防爆要求的工作領(lǐng)域與真空環(huán)境。該探頭應(yīng)用梯度指數(shù)透鏡與光纖的復(fù)合技術(shù)，具有更大的數(shù)值孔徑，因此可有效增大安全距離并加大安裝傾斜角度。

3? ? ?實驗驗證

本文選取的光譜共焦位移傳感器具有較小的尺寸結(jié)構(gòu)和較高的響應(yīng)頻率，非常適合于航空發(fā)動機(jī)內(nèi)狹小而惡劣的工作環(huán)境，因此在葉尖間隙測量方面具有很大的應(yīng)用潛力。為了驗證該型傳感器在發(fā)動機(jī)葉尖間隙測量中的應(yīng)用效果，本文在所搭建的葉尖間隙模擬測試系統(tǒng)上進(jìn)行了單次和連續(xù)的測試實驗，完成了傳感器應(yīng)用效果的綜合驗證。

3.1? ?單次測試

在本文搭建的模擬測試系統(tǒng)中，沒有設(shè)計發(fā)動機(jī)機(jī)匣的模擬零件，因此間隙傳感器通過剛性支架來模擬在機(jī)匣內(nèi)壁上的安裝狀態(tài)。在葉片劃過測量區(qū)域的過程中，傳感器的輸出為葉尖端面與傳感器之間位移值，即d₁。由于葉尖端面的厚度很小，因而葉尖間隙值可通過單個葉片劃過時傳感器的輸出量的平均值來表征，實驗現(xiàn)場如圖6所示。

圖6單次測量實驗現(xiàn)場

通過變頻器控制氣浮主軸的轉(zhuǎn)速，使其以緩慢速度帶動模擬葉盤勻速轉(zhuǎn)動。當(dāng)葉片頂端進(jìn)入光譜共焦傳感器的測量范圍內(nèi)時，觸發(fā)傳感器開始數(shù)據(jù)采集；當(dāng)葉片頂端轉(zhuǎn)出傳感器的測量范圍時，傳感器停止數(shù)據(jù)采集。在葉片頂端劃過傳感器測量范圍的過程中，傳感器采集到的測量數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7單個葉尖間隙的測量數(shù)據(jù)

從圖7中可以看出，傳感器在被測葉片頂端劃過的過程中共采集到580個數(shù)據(jù)點，被測葉片頂端的位移變化量的范圍為0.8311~0.8411mm，變化量的均值為0.8374mm，方差為0.0020mm。實驗結(jié)果表明，應(yīng)用光譜共焦位移傳感器能夠滿足單個葉片葉尖間隙的測量，可以達(dá)到較高的測量精度。

3.2? ?連續(xù)測試

通過控制變頻器調(diào)節(jié)氣浮主軸的轉(zhuǎn)速，使其帶動模擬葉盤以1000r/min的速度回轉(zhuǎn)。應(yīng)用光譜共焦位移傳感器進(jìn)行模擬葉盤周向上的36個葉片的葉片頂端位移變化量的數(shù)據(jù)采集，并以平均值作為每個葉片最終的葉尖間隙值，動態(tài)測試的實驗現(xiàn)場如圖8所示。

圖8連續(xù)測量實驗現(xiàn)場

計算得到的模擬葉盤周向上的36個葉片的葉尖間隙的實驗數(shù)據(jù)如表1所示，同時為了便于觀察葉尖間隙的變化趨勢，將這些數(shù)據(jù)顯示在同一坐標(biāo)系中，如圖9所示?？梢钥闯?，在本文所搭建的葉尖間隙模擬測試系統(tǒng)中，應(yīng)用光譜共焦位移傳感器可以完成對模擬葉盤全部葉片的葉尖間隙的測量。傳感器能夠達(dá)到很高的測量精度和響應(yīng)頻率。從表1和圖9中可以看出，該模擬葉盤上36個葉片的葉尖間隙值的變化范圍為0.7137~0.8438mm，并且呈現(xiàn)為近似正弦曲線的形狀，這主要是由于在將模擬葉盤安裝在氣浮主軸上時，存在一定的偏心誤差造成的。由此可以看出，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子不同軸會對葉尖間隙造成影響，因而在發(fā)動機(jī)的裝配過程中，應(yīng)控制轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不同軸誤差在允許的范圍內(nèi)。

圖9連線測量的實驗數(shù)據(jù)（葉片序號）

表136個葉片的葉尖間隙的實驗數(shù)據(jù)

4? ? ?結(jié)論

針對航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙的測量問題，本文探索了光譜共焦位移傳感器在此方面的應(yīng)用效果。光譜共焦位移傳感器基于光譜色散原理，探頭體積小、安裝方便，并且能夠達(dá)到很高的測量精度和響應(yīng)頻率，能夠滿足葉尖間隙的測量需求。本文搭建了葉尖間隙模擬測試系統(tǒng)，應(yīng)用光譜共焦位移傳感器對安裝在氣浮主軸上的模擬葉盤進(jìn)行測量，采集葉片頂端位移變化量的數(shù)據(jù)。在實驗驗證過程中，本文既通過單次測量完成了單個葉片逐個檢測，又通過連續(xù)測量完成了旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的每個葉片葉尖間隙的數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用性能。實驗結(jié)果表明，光譜共焦位移傳感器可以用于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙的測量，從而為我國航空發(fā)動機(jī)技術(shù)的進(jìn)步提供了一項測試技術(shù)支持。