CN102967270A - 测量发动机叶尖间隙的方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量发动机叶尖间隙的方法及其系统，包括：用于拍摄机匣和叶尖图像的图像采集器；用于测量发动机叶尖的角度信号的角度传感器；用于进行数据分析，从图片中获取发动机叶尖的间隙，并记录角度传感器输出的角度信号的上位机；上位机根据所测量序列（R-L₁，θ₁），（R-L₂，θ₂），以此类推为（R-L_n，θ_n），根据数值计算方法拟合出发动机叶尖在径向的轮廓曲线f(x)。根据前面测量的取值范围，计算出f(x)在区间之间的极值。通过以上技术方案可以快速准确的测量航空发动机装配过程中各级叶片叶尖的间隙极值。

Description

测量发动机叶尖间隙的方法及其系统

技术领域

根据本发明的一个实施例涉及航空发动机装配技术领域，具体涉及一种测量发动机叶尖间隙的方法及其系统。

背景技术

航空发动机的叶尖间隙一般是指发动机转子叶片与机匣之间的径向间隙。叶尖间隙是发动机研制过程中的一项基本的测量参数。在现代航空发动机中，叶尖间隙对压气机和涡轮的效率、发动机的油耗以及稳定性的影响相当显著，特别对高压涡轮和高压压气机的后几级的效率影响更为突出。

为了有效提高发动机的可靠性和经济性，国内外的研究机构和高等院校都先后开展了航空发动机叶尖间隙问题的研究。航空发动机装配过程中的叶尖间隙的高精度、准确检测，对后期整机实验的参数有很大的影响。

对于发动机的叶尖间隙的研究和测量，目前国内外研究的大都是集中于发动机在运行情况下的检测与控制，又主要集中在主动间隙控制方法上，即根据发动机的工作状态，人为地控制机匣或转子的膨胀量，以便转子和静子的热响应达到较好的匹配，在高空巡航状态间隙尽可能小，而在其它状态又不致发生干扰摩擦。研究表明，在不发生零部件碰撞的前提下，间隙越小，发动机的效率越高，耗油率越低。国内的航空发动机叶尖间隙测量的研究起步相对较晚，距离美、英、日等国的研究水平还需要大量相关科技人员的不懈努力。

对于装配过程中的叶尖间隙检测和控制的研究和报道很少。国内更是采用相对原始的塞尺测量装配过程中的叶尖间隙，塞尺测量方法很大程度上依赖于测量人员的操作水平和经验，同时也容易将叶片的石墨图层刮伤，这种方法的测量精度不高、费时费力、工作效率很低。

发明内容

对于装配过程中的间隙测量，目前主要采用塞尺进行测量。这种传统的测量方式费时费力，测量准确度也不高，工作效率低，而且还容易出现将机匣的石墨图层刮伤。本发明的测量发动机叶尖间隙的方法及其系统，可以方便快捷准确的测量出各级叶片的间隙极值。

考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：

一种测量发动机叶尖间隙的方法，

通过图形采集器拍摄机匣和叶尖的图像，并通过上位机进行数据分析获取该发动机各叶片叶尖同机匣之间的间隙。如开始对某一叶片开始进行拍照测量，测得叶片的第一个间隙值为L₁，测得的第二个间隙值为L₂，以此类推，测得的第n个间隙值为L_n；

根据安装在转轴上的角度传感器，也适时测出相关间隙值对应的角度信息。第一个间隙值L1对应的角度信息为θ₁，相应的，第二个间隙值L2对应的角度为θ₂，第三个间隙值为L₃对应的角度为θ₃，以此类推，测得的第n个间隙值为L_n对应的角度为θ_n。

以上测得的值表示成序列（L₁，θ₁），（L₂，θ₂），以此类推为（L_n，θ_n）；序列值被传输至上位机保存，用以进行后续的处理；

以发动机的转轴中心为原点，以第一个测量值L1为x轴，构建直角坐标系，设定转轴与机匣之间的距离为R；

根据以上的测量序列（R-L₁，θ₁），（R-L₂，θ₂），以此类推为（R-L_n，θ_n），采用最小二乘法归纳拟合出发动机叶尖在径向的轮廓曲线f(x)。经验表明：f(x)至少为三元一次方程，应将其相关系数R应≥0.99。根据前面测量的取值范围，计算出f(x)在区间[(R-L₁)cosθ₁,(R-L_n)cosθ_n]之间的极值。需要注意的是：目前，一般情况下上位机根据图像测出每一个所需的时间为20mS，为了保证测量的精度，测量过程中转轴转动的角速度不能超过2_rad/s。

为了更好地实现本发明，进一步的技术方案是：

在本发明的一个实施例中，测量之前，安装好角度传感器和图形采集器，进行相关初始参数的设置，确保图形采集器能够获得清晰的图片，角度传感器能够输出准确的角度信号。

在本发明的一个实施例中，在现场光线不能满足图像分析处理的要求的情况下，需要对图形采集器进行补光处理。

在本发明的一个实施例中，对图形采集器进行标定，完成所拍摄物体与像素点之间的坐标转换。

为了更好的实现上述的方法，一种实现上述方法的测量发动机叶尖间隙的系统，包括：

图形采集器，所述图形采集器用于拍摄机匣和叶尖的图像；

角度传感器，所述角度传感器用于测量发动机叶尖的角度信号；

上位机，所述上位机用于进行数据分析，从图片中获取发动机叶尖的间隙，并记录角度传感器输出的角度信号；

上位机根据权利要求1中的测量序列（R-L₁，θ₁），（R-L₂，θ₂），以此类推为（R-L_n，θ_n），根据数值计算方法拟合出发动机叶尖在径向的轮廓曲线f(x)。根据前面测量的取值范围，计算出f(x)在区间[(R-L₁)cosθ₁,(R-L_n)cosθ_n]之间的极值。

本发明还可以是：

在本发明的一个实施例中，所述图形采集器为CCD摄像头。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：

在进行发动机间隙测量的过程中，叶尖间隙的极值作为重要参数之一。本发明的技术方案比利用塞尺进行测量的传统方法往往事倍功半，利用发明中所介绍的测量方法，可以快速准确的测量航空发动机装配过程中各级叶片叶尖的间隙极值。

附图说明

为了更清楚的说明本申请文件实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是对本申请文件中一些实施例的参考，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图得到其它的附图。

图1示出了根据本发明一个实施例的测量发动机叶尖间隙的系统示意图。

图2示出了根据本发明一个实施例的测量发动机叶尖间隙的方法示意图。

其中，附图中的附图标记所对应的名称为：

1－角度传感器，2－机匣，3－叶片，4－图形采集器，5－上位机。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

本专利提出了一种发动机叶尖间隙影像测量系统的设计方案。此方案正是基于先进光学影像检测技术及自动变焦测头技术的发展基础上，对发动机装配过程中叶尖间隙进行准确快速测量，为加工及装配精度提供依据，主要是转子的同心度、机匣、轮盘、动静叶尖的椭圆度等，同时为发动机装配后的运转试验提供依据。以下作进一步的介绍。

图1示出了根据本发明一个实施例的测量发动机叶尖间隙的系统示意图。参考图1所示一种测量发动机叶尖间隙的系统的一个实施例，包括：

图形采集器4，所述图形采集器4用于拍摄机匣2和发动机叶片3叶尖的图像；

角度传感器1，所述角度传感器1用于测量发动机叶尖的角度信号，如图1所示，该角度传感器1可以安装在发动机轴上；

上位机5，所述上位机5用于进行数据分析，从图片中获取发动机叶尖的间隙，并记录角度传感器输出的角度信号，以及进行其它数据处理。

所述图形采集器可以为CCD摄像头，也可以为其它类型的图形采集器。

图2示出了根据本发明一个实施例的测量发动机叶尖间隙的方法示意图。图2中表示对叶片的一组测量序列值，其中直角坐标系系以发动机转轴为原点，以第一次测量值为x轴。转轴相对于机匣的距离为R，每次测量值有间隙值和角度值两个参数构成，若干个测量点构成测量序列。参考图2所示一种测量发动机叶尖间隙的方法的实施例，满足对叶尖间隙的测量要求。

安装好角度传感器和图形采集器，进行相关初始参数的设置，确保图形采集器能够获得清晰的图片，角度传感器能够输出准确的角度信号。在现场光线不能满足图像分析处理的要求的情况下，需要对图形采集器进行补光处理。

对图形采集器进行标定，完成所拍摄物体与像素点之间的坐标转换。

通过图形采集器拍摄发动机叶尖的图片，并通过上位机进行数据分析获取该发动机叶尖的间隙，测得的第一个间隙值为L₀，测得的第二个间隙值为L₁，以此类推，测得的第n+1个间隙值为L_n；

一种测量发动机叶尖间隙的方法，

通过图形采集器拍摄机匣和叶尖的图像，并通过上位机进行数据分析获取该发动机各叶片叶尖同机匣之间的间隙。如开始对某一叶片开始进行拍照测量，测得叶片的第一个间隙值为L₁，测得的第二个间隙值为L₂，以此类推，测得的第n个间隙值为L_n；

根据安装在转轴上的角度传感器，也适时测出相关间隙值对应的角度信息。第一个间隙值L1对应的角度信息为θ₁，相应的，第二个间隙值L2对应的角度为θ₂，第三个间隙值为L₃对应的角度为θ₃，以此类推，测得的第n个间隙值为L_n对应的角度为θ_n。

以上测得的值表示成序列（L₁，θ₁），（L₂，θ₂），以此类推为（L_n，θ_n）；序列值被传输至上位机保存，用以进行后续的处理；

以发动机的转轴中心为原点，以第一个测量值L1为x轴，构建直角坐标系，设定转轴与机匣之间的距离为R；

根据以上的测量序列（R-L₁，θ₁），（R-L₂，θ₂），以此类推为（R-L_n，θ_n），采用最小二乘法归纳拟合出发动机叶尖在径向的轮廓曲线f(x)。根据前面测量的取值范围，计算出f(x)在区间[(R-L₁)cosθ₁,(R-L_n)cosθ_n]之间的极值。

输出计算出的间隙极值，准备测量下一叶片的间隙值。

参见图2所示测量发动机叶尖间隙的方法另一个实施例：

(1)测量平台的搭建。将角度传感器固定在发动机的转轴中心上；将CCD摄像机安装在合适的位置，并为摄像头配置合适的镜头。对于角度传感器和CCD摄像头经过相关的接口，能够将数据实时传输至上位机，方便进行下一步的处理。

(2)调整CCD摄像头的初始位置、光照和对焦调节，获取满足测量要求的图像数据。

(3)进行部分叶尖间隙测量。转动发动机转轴，测量垂直于机匣出的叶尖间隙，并实时记录测量值和角度值。

(4)进行数据处理。对先前测量的若干间隙值和角度值进行换算，拟合出叶尖相对于机匣的轮廓曲线，进而计算出叶尖间隙的极值点。

(5)输出测量的叶尖间隙极值。

以上实施例公开的技术方案，可用于航空发动机装配过程中叶尖间隙的准确快速测量，对于保证发动机安全运行、降低油耗、提高发动机的机械效率和发动机的寿命具有重要意义。但并不限于此。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (6)

1.一种测量发动机叶尖间隙的方法，其特征在于，

通过图形采集器拍摄机匣和叶尖的图像，并通过上位机进行数据分析获取该发动机各叶片叶尖同机匣之间的间隙，测得叶片的第一个间隙值为L₁，测得的第二个间隙值为L₂，以此类推，测得的第n个间隙值为L_n；根据安装在转轴上的角度传感器，也适时测出相关间隙值对应的角度信息。第一个间隙值L1对应的角度信息为θ₁，相应的，第二个间隙值L2对应的角度为θ₂，第三个间隙值为L₃对应的角度为θ₃，以此类推，测得的第n个间隙值为L_n对应的角度为θ_n；

以上测得的值表示成序列（L1，θ1），（L2，θ2），以此类推为（Ln，θn）；序列值被传输至上位机保存，用以进行后续的处理；

以发动机的转轴中心为原点，以第一个测量值L₀为x轴，构建直角坐标系，设定转轴与机匣之间的距离为R；

根据以上的测量序列（R-L₁，θ₁），（R-L₂，θ₂），以此类推为（R-L_n，θ_n），根据数值计算方法拟合出发动机叶尖在径向的轮廓曲线f(x)，根据前面测量的取值范围，计算出f(x)在区间[(R-L₁)cosθ₁,(R-L_n)cosθ_n]之间的极值。

2.根据权利要求1所述的测量发动机叶尖间隙的方法，其特征在于，测量之前，安装好角度传感器和图形采集器，进行相关初始参数的设置，确保图形采集器能够获得清晰的图片，角度传感器能够输出准确的角度信号。

3.根据权利要求2所述的测量发动机叶尖间隙的方法，其特征在于，在现场光线不能满足图像分析处理的要求的情况下，需要对图形采集器进行补光处理。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的测量发动机叶尖间隙的方法，其特征在于，对图形采集器进行标定，完成所拍摄物体与像素点之间的坐标转换。

5.一种实现如权利要求1所述方法的测量发动机叶尖间隙的系统，其特征在于，包括：

图形采集器，所述图形采集器用于拍摄机匣和叶尖的图像；

角度传感器，所述角度传感器用于测量发动机叶尖的角度信号；

上位机，所述上位机用于进行数据分析，从图片中获取发动机叶尖的间隙，并记录角度传感器输出的角度信号；

上位机根据权利要求1中的测量序列（R-L₁，θ1），（R-L₂，θ₂），以此类推为（R-L_n，θ_n），根据数值计算方法拟合出发动机叶尖在径向的轮廓曲线f(x)，根据前面测量的取值范围，计算出f(x)在区间[(R-L₁)cosθ₁,(R-L_n)cosθ_n]之间的极值。

6.根据权利要求5所述的测量发动机叶尖间隙的系统，其特征在于，所述图形采集器为CCD摄像头。

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