港城大联手哈工大Nano Energy：能量采集技术首次用于航空发动机转子领域

【研究背景】

作为世界上最安全的交通工具，飞机自问世以来已有100年的历史。如今，用于监测航空发动机工作状态的信息传感技术早已遍布其静子结构（不旋转结构），然而对于在其转子结构（旋转结构）中的应用却尚未出现。发动机转子与静子的不可交互性限制了有线状态监测系统的可能性，而基于电池供能的无线状态监测系统又受到了电池耐用性和可靠性的影响，无法长时间在发动机中稳定工作。虽然，对发动机进行频繁的检修与维护的确可以很大程度上减小故障发生，但这样不仅会增加成本，而且也无法应对发动机在工作过程中出现的故障。

有鉴于此，香港城市大学杨征保课题组携手哈尔滨工业大学曹登庆课题组在各自领域发挥专长，开发了一种能直接用于航空发动机转子系统的能量采集技术，在结合无线传感技术的基础上，提出了一种能直接监测发动机转子实时状态的自供电无线传感器技术。该技术主要利用一种名为“High-efficiency Compressive-mode Piezoelectric Energy Harvester（HC-PEH）”的能量采集器作为电能供给，其在高转速下不仅具备极高的产电功率，工作带宽和可靠性也非常优秀。该论文以“Energy Harvesting for Jet Engine Monitoring”为题，发表在《纳米能源》期刊上（NANOEN, 2020, 104853）。该文通讯作者为香港城市大学杨征保助理教授、哈尔滨工业大学曹登庆教授以及密西立大学国际著名学者Daniel J. Inman 教授，香港城市大学博士生王逸龙为第一作者，其他作者包括香港城市大学研究助理李鹏宇和哈尔滨工业大学中国工程院院士黄文虎教授。

【核心亮点】

1.一种全新的传感器架构，将能量采集技术与无线传感器集成在一起，可实现对航空发动机转子系统的无源无线实时状态监控；
2.对提出的压电能量采集器（HC-PEH）在振动激励和旋转环境下的性能进行了全面地理论和实验研究；
3.分别在振动激励和旋转环境下，对以压缩模式和以弯曲模式为机理的压电能量采集器进行了性能的比较研究；
4.制造的轻质能量采集器样机（22.52 g的总质量），具有78.87 mW的最大输出功率，220.92 mW / cm³的功率密度和36.43％的能量转化效率，并能够轻松点亮112个LED灯并保持常亮。
5.首次在航空发动机组件中演示了提出的自供电无线传感器系统。

【图文解析】

这项研究提出的自供能无线传感器系统主要由供能模块和无线传感器模块组成（如图1）。传感器模块可由任意类型传感器和集成的无线通信模组构成。供能模块是一种基于拉压模式和机械振动的压电能量采集器，它是一个完全对称的结构，两端由固定在转子上的弹性梁组成，中间是一个附带质量块的弓形梁和压电片的组合结构。该结构的质心被安置在转子系统的旋转中心，以防止巨大的离心力带来负面影响。一般来说，航空发动机转子的转速非常高，其中的任何附加结构都会受到巨大离心力的考验，即使是1毫米的偏心，也能受到超过27倍的重力加速度影响。这种考验往往是毁灭性的，会使大多数设备发生破坏，或者导致其丧失本来的性能。因此，在这样的高转速环境中，如何避免此类情况的出现，包括附加系统的偏心和大质量，一直是工程领域的难题。

当航空发动机转子系统转动时，重力与能量采集器振动方向的夹角会随转动而周期性变化，导致作用在能量采集器振动方向上的重力分量变成周期力，从而激起能量采集器振动，于是中间的压电片就会因为受到周期性拉压应力而产生交流电。产生的电能将存储在电容器中，然后被转化成直流电供给无线传感器。通过与发动机的无线通讯，在飞机中的终端将对收到的数据进行分析，监测发动机转子的工作状态，为可能发生的故障提供最直接和精准的预警。与基于电池的无线传感器相比，该系统能永久地为传感器提供能源，无需维护，且稳定可靠。

图1 自供电无线实时状态监测系统在航空发动机中的工作示意图

图2 能量采集器的幅频响应曲线

HC-PEH 是一种非线性的能量采集器，也是一个典型的Duffing振子。因此，在振动的过程中，它的响应会出现硬化现象，即幅频曲线会朝着频率增大的方向倾斜（图2左），从而促使其能在很大范围内发生共振，产生剧烈的振动，带来较大的电能输出。这种特性使能量采集器能够在很大的转速范围内产生足够多的电能为无线传感器供电，这也是非线性能量采集器在最大输出和工作带宽上都优于线性能量采集器的主要因素之一。该研究表明，跟用于一般振动环境时相比，当HC-PEH用于旋转系统时，这种非线性优势不但能保持，还会因受到离心力的影响而得到改善。在旋转环境中，HC-PEH的幅频响曲线会因为离心力带来的软化效应（线性刚度软化），朝着转速减小的方向发生平移现象，而这种现象会使其产电的最大值和工作带宽都得到改善（图2右）。

图3 与传统的悬臂梁弯曲能量采集器的性能进行实验对比

目前主流的能量采集器都是以弯曲振动为主要工作模式，较多为线性系统，而这样的能量采集器不但产能效率低、工作带宽窄，而且结构的可靠性也远远不如以纯压缩模式为主的能量采集器。通过与传统的悬臂梁（弯曲）能量采集器进行实验对比（图3a和3b），无论是在振动环境下还是旋转环境下，HC-PEH在工作带宽和承载能力方面都显示出了强大优势（图3c~3f）。该研究表明，悬臂梁能量采集器在旋转环境下很难承受巨大离心力的作用，即使在较低转速下也容易发生破环（图3e和3f）。此外，在最大输出功率方面，HC-PEH也展现出了比当前大多数弯曲能量采集器大几倍甚至10倍以上的性能 (78.87 mW, 电阻为100 KΩ，图4a和4d)。

图4 能量采集器的性能展示与自供电无线传感器系统的可行性展示

根据这项研究的实验结果可知，以目前1 mW功率消耗的无线传感器为标准来衡量能量采集器工作带宽， HC-PEH样机就有高达22.5 Hz的带宽，而其振动范围是0~35 Hz（0~2100转/分）。即使以10 mW 作为标准，该样机也有11.17 Hz的工作带宽，大约占总转速范围的1/3。从产电性能展示中也可以看出，HC-PEH在1100转/分的转速下便能点亮112个LED灯，在1300 转/分的时候便能使这些LED灯常亮。然而，从图4a可以看出，这还远远不及其最高性能。此外，这项研究还对所提出的自供电无线传感器进行了实机测试（图4e），将其放在了实际的航空发动机设备中进行了无线传感演示。发动机在1000转/分的转速时，机外的无线信号接收器便能在十米以上的地方，以每隔3秒的频率接收到来自发动机转子传出的信号（电路未优化的前提下），这进一步证实了所提出的能量采集器的性能，同时也验证了所开发技术的可行性（如图4e）。

演示动图1

能量采集器在1300 转/分时点亮112个LED灯

演示动图2

自供电无线传感器在航空发动机设备中的无线传输演示

【总结与展望】

以实现低成本、高可靠性、更广泛的覆盖范围和简单的连接性为主要目标，越来越多先进的无线传感器正在被运用于航空发动机系统。它们本来将被集成在发动机的旋转部件中，但是受到电池供电寿命和有线供电的限制，无法满足长期使用的要求。为了弥补这一技术空缺，这项工作寻求了一种新的电源机制，该机制具有非常强大的发电能力和可靠性，并且还能被扩展到各种转速范围的旋转应用中去，例如风力发电机和机车滚轮系统。此外，该研究成果很好地符合了航空发动机领域内，需要体积小、强度高、重量轻和结构对称等要求，以适应有限的空间和避免动态不平衡等问题。这项工作为未来开发先进的航空发动机和用于其他旋转机械应用的状态监控系统开辟了一条全新的途径，同时也为微能源技术的应用提供了一个新思路。

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

香港城市大学STV实验室主页链接：

http://www.cityu.edu.hk/mne/stvl/