港城大聯手哈工大Nano Energy：能量采集技術首次用于航空發動機轉子領域

【研究背景】

作為世界上最安全的交通工具，飛機自問世以來已有100年的歷史。如今，用于監測航空發動機工作狀態的信息傳感技術早已遍布其靜子結構（不旋轉結構），然而對于在其轉子結構（旋轉結構）中的應用卻尚未出現。發動機轉子與靜子的不可交互性限制了有線狀態監測系統的可能性，而基于電池供能的無線狀態監測系統又受到了電池耐用性和可靠性的影響，無法長時間在發動機中穩定工作。雖然，對發動機進行頻繁的檢修與維護的確可以很大程度上減小故障發生，但這樣不僅會增加成本，而且也無法應對發動機在工作過程中出現的故障。

有鑒于此，香港城市大學楊征保課題組攜手哈爾濱工業大學曹登慶課題組在各自領域發揮專長，開發了一種能直接用于航空發動機轉子系統的能量采集技術，在結合無線傳感技術的基礎上，提出了一種能直接監測發動機轉子實時狀態的自供電無線傳感器技術。該技術主要利用一種名為“High-efficiency Compressive-mode Piezoelectric Energy Harvester（HC-PEH）”的能量采集器作為電能供給，其在高轉速下不僅具備極高的產電功率，工作帶寬和可靠性也非常優秀。該論文以“Energy Harvesting for Jet Engine Monitoring”為題，發表在《納米能源》期刊上（NANOEN, 2020, 104853）。該文通訊作者為香港城市大學楊征保助理教授、哈爾濱工業大學曹登慶教授以及密西立大學國際著名學者Daniel J. Inman 教授，香港城市大學博士生王逸龍為第一作者，其他作者包括香港城市大學研究助理李鵬宇和哈爾濱工業大學中國工程院院士黃文虎教授。

【核心亮點】

1.一種全新的傳感器架構，將能量采集技術與無線傳感器集成在一起，可實現對航空發動機轉子系統的無源無線實時狀態監控；
2.對提出的壓電能量采集器（HC-PEH）在振動激勵和旋轉環境下的性能進行了全面地理論和實驗研究；
3.分別在振動激勵和旋轉環境下，對以壓縮模式和以彎曲模式為機理的壓電能量采集器進行了性能的比較研究；
4.制造的輕質能量采集器樣機（22.52 g的總質量），具有78.87 mW的最大輸出功率，220.92 mW / cm³的功率密度和36.43％的能量轉化效率，并能夠輕松點亮112個LED燈并保持常亮。
5.首次在航空發動機組件中演示了提出的自供電無線傳感器系統。

【圖文解析】

這項研究提出的自供能無線傳感器系統主要由供能模塊和無線傳感器模塊組成（如圖1）。傳感器模塊可由任意類型傳感器和集成的無線通信模組構成。供能模塊是一種基于拉壓模式和機械振動的壓電能量采集器，它是一個完全對稱的結構，兩端由固定在轉子上的彈性梁組成，中間是一個附帶質量塊的弓形梁和壓電片的組合結構。該結構的質心被安置在轉子系統的旋轉中心，以防止巨大的離心力帶來負面影響。一般來說，航空發動機轉子的轉速非常高，其中的任何附加結構都會受到巨大離心力的考驗，即使是1毫米的偏心，也能受到超過27倍的重力加速度影響。這種考驗往往是毀滅性的，會使大多數設備發生破壞，或者導致其喪失本來的性能。因此，在這樣的高轉速環境中，如何避免此類情況的出現，包括附加系統的偏心和大質量，一直是工程領域的難題。

當航空發動機轉子系統轉動時，重力與能量采集器振動方向的夾角會隨轉動而周期性變化，導致作用在能量采集器振動方向上的重力分量變成周期力，從而激起能量采集器振動，于是中間的壓電片就會因為受到周期性拉壓應力而產生交流電。產生的電能將存儲在電容器中，然后被轉化成直流電供給無線傳感器。通過與發動機的無線通訊，在飛機中的終端將對收到的數據進行分析，監測發動機轉子的工作狀態，為可能發生的故障提供最直接和精準的預警。與基于電池的無線傳感器相比，該系統能永久地為傳感器提供能源，無需維護，且穩定可靠。

圖1 自供電無線實時狀態監測系統在航空發動機中的工作示意圖

圖2 能量采集器的幅頻響應曲線

HC-PEH 是一種非線性的能量采集器，也是一個典型的Duffing振子。因此，在振動的過程中，它的響應會出現硬化現象，即幅頻曲線會朝著頻率增大的方向傾斜（圖2左），從而促使其能在很大范圍內發生共振，產生劇烈的振動，帶來較大的電能輸出。這種特性使能量采集器能夠在很大的轉速范圍內產生足夠多的電能為無線傳感器供電，這也是非線性能量采集器在最大輸出和工作帶寬上都優于線性能量采集器的主要因素之一。該研究表明，跟用于一般振動環境時相比，當HC-PEH用于旋轉系統時，這種非線性優勢不但能保持，還會因受到離心力的影響而得到改善。在旋轉環境中，HC-PEH的幅頻響曲線會因為離心力帶來的軟化效應（線性剛度軟化），朝著轉速減小的方向發生平移現象，而這種現象會使其產電的最大值和工作帶寬都得到改善（圖2右）。

圖3 與傳統的懸臂梁彎曲能量采集器的性能進行實驗對比

目前主流的能量采集器都是以彎曲振動為主要工作模式，較多為線性系統，而這樣的能量采集器不但產能效率低、工作帶寬窄，而且結構的可靠性也遠遠不如以純壓縮模式為主的能量采集器。通過與傳統的懸臂梁（彎曲）能量采集器進行實驗對比（圖3a和3b），無論是在振動環境下還是旋轉環境下，HC-PEH在工作帶寬和承載能力方面都顯示出了強大優勢（圖3c~3f）。該研究表明，懸臂梁能量采集器在旋轉環境下很難承受巨大離心力的作用，即使在較低轉速下也容易發生破環（圖3e和3f）。此外，在最大輸出功率方面，HC-PEH也展現出了比當前大多數彎曲能量采集器大幾倍甚至10倍以上的性能 (78.87 mW, 電阻為100 KΩ，圖4a和4d)。

圖4 能量采集器的性能展示與自供電無線傳感器系統的可行性展示

根據這項研究的實驗結果可知，以目前1 mW功率消耗的無線傳感器為標準來衡量能量采集器工作帶寬， HC-PEH樣機就有高達22.5 Hz的帶寬，而其振動范圍是0~35 Hz（0~2100轉/分）。即使以10 mW 作為標準，該樣機也有11.17 Hz的工作帶寬，大約占總轉速范圍的1/3。從產電性能展示中也可以看出，HC-PEH在1100轉/分的轉速下便能點亮112個LED燈，在1300 轉/分的時候便能使這些LED燈常亮。然而，從圖4a可以看出，這還遠遠不及其最高性能。此外，這項研究還對所提出的自供電無線傳感器進行了實機測試（圖4e），將其放在了實際的航空發動機設備中進行了無線傳感演示。發動機在1000轉/分的轉速時，機外的無線信號接收器便能在十米以上的地方，以每隔3秒的頻率接收到來自發動機轉子傳出的信號（電路未優化的前提下），這進一步證實了所提出的能量采集器的性能，同時也驗證了所開發技術的可行性（如圖4e）。

演示動圖1

能量采集器在1300 轉/分時點亮112個LED燈

演示動圖2

自供電無線傳感器在航空發動機設備中的無線傳輸演示

【總結與展望】

以實現低成本、高可靠性、更廣泛的覆蓋范圍和簡單的連接性為主要目標，越來越多先進的無線傳感器正在被運用于航空發動機系統。它們本來將被集成在發動機的旋轉部件中，但是受到電池供電壽命和有線供電的限制，無法滿足長期使用的要求。為了彌補這一技術空缺，這項工作尋求了一種新的電源機制，該機制具有非常強大的發電能力和可靠性，并且還能被擴展到各種轉速范圍的旋轉應用中去，例如風力發電機和機車滾輪系統。此外，該研究成果很好地符合了航空發動機領域內，需要體積小、強度高、重量輕和結構對稱等要求，以適應有限的空間和避免動態不平衡等問題。這項工作為未來開發先進的航空發動機和用于其他旋轉機械應用的狀態監控系統開辟了一條全新的途徑，同時也為微能源技術的應用提供了一個新思路。

Yilong Wang, ZhengbaoYang, Pengyu Li, Dengqing Cao, Wenhu Huang, Daniel J.Inman. Energy harvesting for jet engine monitoring. Nano Energy, 2020, 104853. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104853

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