本文摘要：摘要：叶尖间隙是航空发动机设计和试验的关键参数，直接影响发动机的工作效率和运行安全。航空发动机叶尖间隙的实时在线监测已成为测试大纲中的必备项目。随着新型航空发动机的发展，叶尖间隙测量技术进一步成熟和深入。介绍了叶尖间隙在线测量原理，阐述了
摘要：叶尖间隙是航空发动机设计和试验的关键参数，直接影响发动机的工作效率和运行安全。航空发动机叶尖间隙的实时在线监测已成为测试大纲中的必备项目。随着新型航空发动机的发展，叶尖间隙测量技术进一步成熟和深入。介绍了叶尖间隙在线测量原理，阐述了系统典型结构及常用测量流程，归纳了叶尖间隙在线测量的六大关键技术，详细分析了放电探针法、光纤法、电容法、电涡流法和微波法等叶尖间隙测量方法的工作原理、性能特征、关键技术发展历程及未来发展方向，对比总结了各种方法的研究成果和最新产品，提出了叶尖间隙测量领域的发展趋势与展望，从六个方面总结了叶尖间隙测量领域的未来重点研究方向，为后续研究提供了参考。
关键词：叶尖间隙;在线测量;航空发动机;旋转叶片;传感器
航空发动机被称为工业皇冠上的明珠，是飞机的“心脏”，也是制约我国国防工业发展的重要瓶颈之一[12]。旋转叶片作为发动机的核心做功部件，其自身运行状态参数直接影响整个发动机系统的运转状态、工作效率和安全性能。其中，旋转叶片尖端与发动机机匣内壁之间的叶尖间隙参数与发动机的效率、压比、燃油消耗率、稳定性等直接相关，是提升发动机性能的关键。
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研究表明，在涡轮级中，大约1/3以上气动损失是由叶尖间隙流造成的，并且叶尖间隙参数每增加涡轮叶片长度的1%，涡轮气动效率将下降0.8%~1.2%。美国通用电气公司针对CF550型发动机的测试发现，叶尖间隙引起的耗油率损失约占叶型与间隙密封总损失的67%，并且叶尖间隙每减小0.0254mm，燃油消耗率降低0.1%，排气温度下降℃。此外，过大的叶尖间隙将导致喘振的发生，影响发动机的稳定性。美国普惠公司研究发现，PW400094系列发动机高压压气机后段叶尖间隙的不均匀，引起了喘振裕度的不足，直接诱发了第三类喘振10。
叶尖间隙对叶片表面非定常压力响应及气动阻尼的影响也十分显著。叶尖间隙流和主流掺混，形成了泄露涡，易引发发动机失速，形成涡波干涉，并影响边界层分离11。在旋转失速频率状态下，1%弦长的涡动量会导致失速质量流增加10%，峰值压力减小5%[1。然而，叶尖间隙设计过小，将增加叶片与机匣碰撞摩擦的概率，导致零部件损坏，降低安全裕度[1。因此，叶尖间隙存在最优量值保证发动机处在高效、安全、稳定的运行状态。航空发动机叶尖间隙通常设计为叶片长度的1%2%[1，在mm以内[1;其变化范围主要由装配和工作时的静子变形、转子变形等因素决定，受发动机负载和飞行负载的影响，叶尖间隙呈现对称的和非对称的变化[1。
最小的叶尖间隙常发生在飞机起飞和再加速的飞行状态下，而飞机处于巡航状态时，叶尖间隙相对平稳，变化不大20，因此，叶尖间隙值的设计和装配常遵循巡航状态下效率较高、起飞和再加速状态下安全性好的原则。随着现代航空发动机对高机动性能要求的不断提高，发动机效率的提升成为关注的焦点，主动间隙控制技术成为保证发动机工作效率的重要手段21，传统的在发动机装配过程中的叶尖间隙测量方法，如人工塞尺测量法、光学影像检测法22等不能为主动间隙控制提供实时的数据来源，叶尖间隙参数实时在线测量具有重要的工程意义。
2000年，欧洲国家启动了HEATTOP计划，重点突破航空发动机高温部件叶尖间隙测量的传感材料及工艺，而中国也在“十三五”期间全面启动实施了航空发动机和燃气轮机重大专项，开展叶尖间隙在线非接触测量系统的研发。航空发动机叶尖间隙的实时在线监测已成为测试大纲中的必备项目。
航空发动机叶尖间隙参数的高精度在线测量，可以保障我国航空发动机装备工作性能的完好，为主动间隙控制提供数据支撑，当叶尖间隙参数异常时，快速使其恢复到规定状态，从而避免叶片磨损、蠕变、伸长、转子不平衡等故障的发生，减少航空发动机装备非计划性维修，延长装备使用寿命。
本文针对航空发动机叶尖间隙在线测量技术的研究情况进行了综述，第一部分介绍了叶尖间隙在线测量原理;第二部分分析了测量的关键技术;第三部分分别介绍了每种叶尖间隙在线测量方法的研究进展;第四部分提出了发展趋势与展望;最后，在第五部分给出了结论。
1测量原理
1.1叶尖间隙的基本概念
现代涡扇式航空发动机主要由风扇、高低压压气机、燃烧室、高低压涡轮、尾喷管、附件传动装置与附属系统等组成，其中，压气机和涡轮的转子主要由叶片、轮盘及轴三部分组成，转子通常以很高的转速工作，通过与空气流或燃气流相互作用，为航空发动机提供动力能源[2。发动机中转子与静子之间的间隙参数可分为径向间隙和轴向间隙，其中，旋转叶片尖端与静子机匣内壁之间的微小径向间隙称为叶尖间隙。
1.2叶尖间隙的测量流程
发动机叶片工作在高温、高速、复杂介质等极端条件下，并且处于旋转机械内部复杂的流场环境中，叶片与绕流存在着多种机制的流固耦合作用。基于叶端传感的叶尖间隙测量方法具备不影响旋转叶片的正常工作环境，不破坏流场的正常运行条件且适应极端环境测试场合等特点，能够实现叶尖间隙的实时在线测量，并进一步实现叶片的故障诊断、寿命预测与智能运维，受到了欧美国家及我国的高度重视和大力发展。虽然叶尖间隙在线测量方法的原理多样，用于航空发动机地面台架试验的测量系统可归纳为统一的结构。
目前典型的叶尖间隙测量系统主要包括四个部分：传感器、驱动及调理模块、采集及预处理模块和计算机。其中，叶尖间隙测量传感器固定在旋转机械机匣上的安装孔内，端面正对转子叶片顶端;驱动及调理模块放置在航空发动机试验现场;采集及预处理模块和计算机放置在设备间。部分公司的叶尖间隙测量系统将驱动及调理模块、采集及预处理模块集成为测量系统主机，一并放置在了设备间。
2关键技术
航空发动机叶尖间隙在线测量方法发展至今，其测量手段丰富多样，但根本目的均是为了能够更高精度、更可靠地获取叶尖间隙参数。本章按照叶尖间隙测量系统的典型结构及常用的测量流程，从总体上归纳了系统的关键技术;下一章将展开论述每种测量方法的具体关键技术。
3研究进展
从20世纪50、60年代开始，伴随着喷气式发动机的发展，通用电气、普拉特惠特尼集团、罗尔斯罗伊斯等航空发动机制造企业以及美国国家航空航天局、美国联邦航空管理局、美国海军空中作战中心等研究机构都在投入大量资源致力于航空发动机旋转叶片叶尖间隙测量方法的研究，尤其是在第五代航空发动机应用后，叶尖间隙测量方法经历了从“盘车”、“动态”、“在线”到“在机”的几个发展阶段，以及从零部件测试到整机测试的发展趋势。研究人员常按照测量原理的不同对叶尖间隙在线测量方法进行分类，目前主要包括放电探针法、光纤法、电容法、电涡流法和微波法等。本章将详细介绍每种测量方法的基本原理、性能特征、关键技术发展历程及未来发展方向，并在最后进行总结。
4基于叶尖间隙信号的发动机健康管理
航空发动机转子长期工作在高温、高压等恶劣环境下，受气动、机械、热等多种载荷作用，容易发生不平衡、不对中、转静碰摩、弯扭变形、轴向窜动等典型故障，严重影响航空发动机的效率和安全。叶尖间隙信号包含丰富的转子系统运行状态信息，是实现发动机健康管理的有效途径。未来可以建立航空发动机机匣叶片轮盘转轴耦合数学模型，探索融合叶尖间隙、定时信号等多源数据的转子动力学特性提取方法，开发基于支持向量机、神经网络等机器学习算法的转子故障诊断方法，实现对转子系统典型故障的准确识别，保障航空发动机的健康运行。
结论
1)旋转叶片尖端与机匣内壁之间的叶尖间隙参数是保障航空发动机工作效率和运行安全的关键，实时在线的叶尖间隙测量为主动间隙控制提供重要数据支撑。
2)叶尖间隙在线测量方法采用叶端传感工作原理，典型的叶尖间隙测量系统主要包括传感器、驱动及调理模块、采集及预处理模块和计算机四个部分。叶尖间隙的常用测量流程可简要总结为传感器发射电磁波信号并获取原始叶尖间隙信号，驱动及调理模块完成原始信号到模拟信号的转化，采集及预处理模块完成模拟信号到数字信号的转化并进行预处理，计算机软件完成叶尖间隙值的计算。3)叶尖间隙在线测量的关键技术可归纳为：耐高温、体积小巧的叶尖间隙传感器研制技术，叶尖间隙信号高信噪比、宽带宽调理技术，多通道叶尖间隙信号高速采集与预处理技术，叶尖间隙信号实时、高精度处理技术，叶尖间隙测量系统标定技术和叶尖间隙测量系统试验验证技术，共六个方面。
4)航空发动机叶尖间隙在线测量方法，按照测量原理的不同，可分为放电探针法、光纤法、电容法、电涡流法和微波法等，详细分析了各种测量方法的工作原理、性能特征、关键技术发展历程及未来发展方向，并对各种方法的最新研究成果和产品情况进行了对比和总结。5)叶尖间隙在线测量技术的未来重点研究方向主要包括：适应更恶劣的工作环境，更高的测量精度，更大数据量的信号采集与处理，基于传感信号复用的功能拓展，系统的机载应用和基于叶尖间隙信号的发动机健康管理，共六个方向。测量技术的发展趋势与展望对后续的方法研究、系统研发及工程应用具有指导意义。
参考文献
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作者：段发阶，牛广越，周琦，傅骁，蒋佳佳
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