基于泓川科技LTP150高速激光位移传感器对旋转风扇叶片的动态形变分析
项目背景
某航空设备制造商需验证新型涡轮风扇叶片（转速25,000 RPM）在极端工况下的动态性能，重点关注离心力导致的形变与振动特性。采用LTP150系列传感器搭建非接触式动态监测系统。
技术指标配置
| 参数项 | 配置说明 |
|---|---|
| 传感器型号 | LTP150W（宽光斑版） |
| 采样频率 | 50 kHz全量程模式（满足单叶片每转采集200点） |
| 量程范围 | ±40mm（覆盖叶片最大预估形变量±15mm） |
| 重复精度 | 1.2μm（RMS）@静态 |
| 光斑尺寸 | 110*1400μm（宽光斑适应曲面扫描） |
| 同步触发 | 主轴编码器+传感器硬件触发（误差1μs） |
| 输出接口 | RS485+TCP/IP双通道（实时传输至上位机） |
| 防护等级 | IP67（耐受发动机舱油雾环境） |
测试系统架构
- 硬件部署
- 3台LTP150W组成120°环形阵列，覆盖叶片全周轮廓
- 传感器安装于气动屏蔽罩内，距离叶片表面80mm（参考距离）
- 9~36V宽压供电，抗电压波动±10%
- M12航空插头连接，抗振等级55Hz/1.5mm
- 软件平台
- 50kHz原始数据实时解析
- 三维动态轮廓重构（点云密度：200点/叶片/转）
- 形变-转速-温度多参数关联分析
- 基于C#开发专用分析软件，集成SDK实现：
动态形变测试流程
- 基准标定
- 静态状态下扫描叶片几何轮廓（精度±0.02%F.S.）
- 建立CAD模型比对基准（公差带±50μm）
- 阶梯加速测试
- 转速从5,000 RPM阶梯上升至25,000 RPM（步长5,000 RPM，稳态维持30s）
- 同步采集形变数据（温度补偿：0.01%F.S./°C）
- 极限工况测试
- 25,000 RPM持续运行10分钟，监测热累积效应
核心分析项目
| 分析维度 | 算法与输出 |
|---|---|
| 离心力形变量 | 轮廓线实时对比（△L=动态-静态轮廓），输出叶尖位移量、弦向弯曲度 |
| 动平衡偏移 | 相位同步分析（3叶片位移相位差），计算质量偏心量（分辨率0.1g·mm） |
| 振动频谱 | FFT分析0-25kHz频段，提取1×/2×/3×转速频率振幅（阈值：20μm @1×RPM） |
| 热变形趋势 | 形变量-时间曲线拟合（温升速率0.5°C/s时，叶根膨胀量预测） |
| 疲劳损伤评估 | 基于雨流计数法统计交变应变，结合Miner线性损伤理论计算剩余寿命 |
实测数据与优化
- 关键发现
- 叶尖在25,000 RPM时离心位移达12.3mm（仿真值11.8mm，误差4.2%）
- 第2叶片存在3.7g·mm质量偏心，引发92Hz共振峰（振幅28μm，超阈值40%）
- 设计优化
- 调整叶片根部加强筋厚度（+0.2mm），形变量降至10.1mm
- 在叶冠部位增重2.1g，动平衡等级从G6.3提升至G2.5
技术优势体现
- 抗干扰能力
- 效率提升
- 产线集成
结论
该方案成功量化了风扇叶片在超高速工况下的动态行为，为轻量化设计与可靠性提升提供了数据支撑。LTP150系列在50kHz采样下仍保持亚微米级重复性，满足航空级严苛测试需求。后续可扩展至电机转子、燃气轮机叶片等高速旋转件检测场景。
（注：本案例数据基于LTP150参数表模拟，实际应用需结合工况微调）
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无锡泓川科技
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