光纤传感器技术监测新一代航空发动机风扇健康状态

罗罗公司正在研发制造的超扇发动机,是罗罗未来民用航空发动机的标志性技术,计划于2025年投入使用。其中,在风扇叶尖处,安装有光纤传感器,用于监控风扇的健康状态。

  我们知道,与传统的传感器相比,光纤传感器具有诸多优点,特别是具有不接触工程结构等优点,非常适合运用于飞行器结构健康监测。2014年,世界知名航空发动机公司罗罗公司(Rolls-Royce)发布了他们的下一代航空大型发动机,其中钛合金空心风扇叶片是罗罗的核心技术之一。近日,罗罗官方发布了风扇制造的工艺。其中,在风扇叶尖处,安装有光纤传感器,用于监控风扇的健康状态。据悉,罗罗超扇(UltraFan)发动机是罗罗未来民用航空发动机的标志性技术,计划于2025年投入使用。

在航空发动机风扇叶尖处,安装有光纤传感器。

罗罗超扇(UltraFan)发动机,资料图

  据了解,由于风扇增压比很低,采用变桨距控制以使其在非设计转速不发生失速和颤振。采用倾斜和掠形出口导向叶片并进行吸声处理,能够有效降低噪声。光纤传感器以其零负重、无能耗、易植入等诸多优势,实现了整体风扇的应变、裂纹等物理量在线实时监测。

  光纤传感技术是20世纪70年代发展起来的一种新型的传感技术,当光在光纤中传播时,在外界温度、压力、位移、磁场、电场和转动等因素作用下,通过光的反射、折射和吸收效应,光学多普勒效应、声光、电光、磁光和弹光效应等,可使光波的振幅、相位、偏振态和波长等参量直接或间接地发生变化,因而可将光纤作为敏感元件来探测各种物理量。

在航空发动机风扇叶尖处,安装有光纤传感器。

风扇叶尖处安装有光纤传感器,可监控风扇的健康状态。资料图

  光纤传感器主要由光源、传输光纤、光电探测器和信号处理部分等组成。其基本原理是将来自光源的光经过光纤送入传感头(调制器),使待测量参数与进入调制区的光相互作用后,导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位和偏振态等)发生变化,成为被调制的信号光,再经过光纤送入光电探测器,将光信号转化为电信号,最后经过信号处理后还原出被测物理量。光纤传感器一般可分为功能型(传感型)传感器和非功能型(传光型)传感器两大类。

  目前,在航天领域,航天器在轨运行期间要经历极其复杂严酷的空间环境,包括真空、低温、黑背景等,光纤传感器更符合现代传感技术的需求,特别是在航天领域的极端应用环境下,光纤传感器的独特优势更加凸显,而且其性能上的优化也在日益引起人们的重视。

  例如,光纤陀螺作为光纤传感元件的一种,在航天领域里更是发挥了极其重要的作用,随着光纤陀螺技术水平的提高,其在卫星上的应用越来越广泛,其可靠性状况也愈发值得科研人员的关注。

  光纤传感器以其多方面的优点越来越受到人们的关注,且已广泛应用于国民生活的不同领域。传感器是物联网的核心,随着传感技术及物联网的快速发展,光纤传感器技术与物联网的紧密结合将成为人们关注的焦点,且在人们的生产和生活中将发挥越来越大的作用。

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