CN103438814B - 一种叶尖间隙光纤测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种叶尖间隙光纤测量方法，采用多点定位反射补偿型光纤测距，由激光器发射出工作波段激光经过光纤探头发射到被测物表面，经被测物表面反射后回到光纤探头，然后分别进入多路接收光纤，经滤光片对进入接收光纤的光进行滤光，分别获得经被测物表面反射后进入多路接收光纤的工作波段光能量，再经过光电探测后将光能量转换为弱电流信号，经信号放大滤波电路将弱电流信号放大为供采集的电流或电压信号，通过对多路输出的电流信号或电压信号采集后对比处理，获得光纤探头与被测物表面之间的距离。本发明还公开了用于实现上述方法的测量装置。

Description

一种叶尖间隙光纤测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种叶尖间隙光纤测量方法。

本发明还涉及一种用于实现上述方法的测量装置。

背景技术

涡轮动叶叶尖间隙是影响地面燃气轮机或航空发动机性能的一个重要参数，间隙过大则燃气泄漏流量增加，导致燃气轮机或航空发动机效率降低，油耗增加；间隙减小则容易导致叶片与机匣接触，造成叶片磨损甚至损坏。由于叶尖间隙影响因素相当复杂，单靠计算分析很难确定，因此必须在试验中对间隙进行测量，为叶尖间隙控制提供可靠数据，也可在燃气轮机或航空发动机服役过程中，对叶尖间隙进行实时监控，对可能出现的故障进行诊断与提前预警，以免造成严重后果。

目前国内外关于叶尖间隙测量的技术主要为放电探针测量法、超声波测量法、X射线测量法、光导探针测量法、光纤测量法、电涡流测量法、电容法等，其中放电探针测量法仅能获得涡轮动叶叶尖与机匣间的最小间隙，且仅适于低温、低转速条件。

超声波测量法、X射线测量法、光导探针测量法由于结构复杂，价格昂贵，且不易用于高温环境等，限制了其发展。

常用的电容和电涡流测量法抗电磁干扰差，仅能用在金属叶片上，中间介质的介电特性对其测量结果也有一定影响。

光纤测量法结构简单，不受电磁干扰，是近几年来研究的热点。关于光纤位移测量技术，最早采用的是一路光纤发射测量激光，一路光纤接收反射光信号，该测量方法容易受发射光源波动、光纤损耗及被测面反射率的影响，因此测量精度较差。为了解决以上问题，后来发展了反射补偿型光纤位移测试技术，采用了一路信号光纤和一路参考光纤接收反射光能量，经过对比分析获得距离信息，但其对发射光束与被测面的垂直度要求较高，较小的被测面倾角也会引起较大测量误差，且目前采用的发射光波长一般在红外区，在高温环境中容易受叶尖自身辐射光谱干扰，不适用于高温环境下距离测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种涡轮动叶叶尖间隙光纤测量方法。

本发明的又一目的在于提供一种实现上述方法的测量装置。

为实现上述目的，本发明提供的叶尖间隙光纤测量方法，采用多点定位反射补偿型光纤测距，由激光器发射出工作波段激光经过光纤探头发射到被测物表面，经被测物表面反射后回到光纤探头，然后分别进入多路接收光纤，经滤光片对进入接收光纤的光进行滤光，分别获得经被测物表面反射后进入多路接收光纤的工作波段光能量，再经过光电探测后将光能量转换为弱电流信号，经信号放大滤波电路将弱电流信号放大为供采集的电流或电压信号，通过对多路输出的电流信号或电压信号采集后对比处理，获得光纤探头与被测物表面之间的距离。

所述的叶尖间隙光纤测量方法中，多路接收光纤为三路接收光纤。

所述的叶尖间隙光纤测量方法中，光电探测转换的弱电流经过信号放大滤波处理获得供采集的电流或电压信号。

本发明提供的用于实现上述方法的测量装置，其包括：

一光纤探头，包括一路发射光纤和多路接收光纤，多路接收光纤环绕于发射光纤的周围；

发射光纤连接激光器，多路接收光纤分别各自连接一光电探测器；

光纤探头固定在带冷却结构的探头安装座上，探头安装座固定在机匣上；

所述冷却结构是在第一筒壁内安装有第二筒壁，第二筒壁内安装有第三筒壁，光纤探头安装在第三筒壁内，在第一筒壁和第二筒壁之间设有第一环隙通道，在第二筒壁和第三筒壁之间设有第二环隙通道，在光纤探头和第三筒壁之间设有第三环隙通道；

第一筒壁上设有高压气体入口，第二筒壁设有低压冷气出口，第三筒壁设有低压冷气入口；

第二筒壁的顶端开设有玻璃视窗。

所述的叶尖间隙光纤测量装置中，发射光纤自带端面球透镜，以增加测距范围。

所述的叶尖间隙光纤测量装置中，多路接收光纤为等夹角的环绕于发射光纤的周围。

所述的叶尖间隙光纤测量装置中，多路接收光纤与发射光纤之间的距离分别为r1、r2、r3、…、rN，且r1≠r2≠r3…≠rN。

所述的叶尖间隙光纤测量装置中，带有冷却结构的探头安装座是通过安装法兰固定在机匣上。

所述的叶尖间隙光纤测量装置中，多路接收光纤分别各自连接的光电探测器经信号放大滤波电路后连接高频数据采集仪。

所述的叶尖间隙光纤测量装置中，高频数据采集仪通过网络连接至远端监视设备。

本发明具有以下优点：

1）本发明可以用于高温环境下的叶尖间隙测量；

2）本发明可以用于高压环境下的叶尖间隙测量；

3）本发明可以用于高速旋转部件的间隙测量；

4）本发明不易受材料自身发射光谱干扰；

5）本发明不易受光源波动影响；

6）本发明不易受光纤传输损耗影响；

7）本发明不易受被测面材料反射率变化影响；

8）本发明不易受被测面小角度倾斜影响；

9）本发明可以用于其他工业应用中常规距离精确测量；

10）本发明采用了光纤技术，灵敏度高、抗电磁干扰。

附图说明

图1是本发明一个实施例的测量装置的光纤测距光路电路原理图。

图2是本发明一个实施例的测量装置中光纤探头排布示意图。

图3是本发明一个实施例的测量装置的工作原理图。

附图中主要组件符号说明：

被测表面1，光纤探头2，发射光纤3，自控温型激光器4，接收光纤5、6和7，滤光片8，光电探测器9，信号放大滤波电路10，涡轮叶片11，安装法兰13，高压气体入口14，低压冷气入口15，玻璃视窗16，第一筒壁12，第二筒壁17，第三筒壁18，低压冷气出口19，锁紧装置20，光纤束21，电路盒22，数据采集仪23，远端监视设备24。

具体实施方式

本发明可以在高温下对高速旋转动叶叶尖间隙进行测量，具有被测面小倾角补偿功能，为地面燃气轮机或航空发动机叶尖间隙主动控制提供详细可靠数据。

以下结合实施例和附图对本发明的技术方案作详细描述。

请结合图1-图3。

图1为本发明的多点定位反射补偿型光纤测距原理图（本实施例以三个为例），自控温型激光器4发射出工作波段在300-450nm之间的某一工作波长激光，耦合进入发射光纤3，经过光纤探头2发射到被测表面1，经被测表面1反射后回到光纤探头2，然后分别进入三路接收光纤5、6和7，经过滤光片8对进入接收光纤5、6和7的光进行滤光，分别获得经被测表面1反射后进入三路接收光纤5、6和7的工作波段光能量，经过光电探测器9后将光能量转换为弱电流信号，然后经过信号放大滤波电路10后获的三路接收光纤5、6和7内光能量对应的可以采集处理的电压（或电流）信号，通过对三路输出电压（或电流）信号的采集后对比处理及强度调制，最终获得探头与被测面之间的距离。

图2为本发明的光纤探头2的光纤排布原理图，本发明的光纤探2中为一路发出测量光束的发射光纤3和三路接收光纤5、6和7，发射光纤3自带端面球透镜以增加测距范围。接收光纤5、6和7分别环绕于发射光纤3的周围，接收光纤5、6和7与发射光纤3之间的距离分别为r1、r2和r3，接收光纤5、6和7与发射光纤3形成的夹角分别为a1、a2和a3。其中间距r1≠r2≠r3为最优，若其中有两个间距相等也可以，但不能三个间距均相等，夹角a1=a2=a3=120℃为最佳角度，三个夹角不相等也可。

图3是为本发明测量装置的工作原理图，涡轮叶片11工作在高温高压燃气条件下，而光纤探头2耐温较低，因此需要对其进行冷却。光纤探头2通过锁紧装置20固定在带冷却结构的探头安装座上。为了保持光纤探头的清洁，并工作在安全温度下，该冷却结构为多环道冷却结构，其结构是是在第一筒壁12内安装有第二筒壁17，在第二筒壁17内安装有第三筒壁18。光纤探头2安装在第三筒壁18内，在第一筒壁12和第二筒壁17之间设有第一环隙通道，在第二筒壁17和第三筒壁18之间设有第二环隙通道，在光纤探头2和第三筒壁18之间设有第三环隙通道。冷却结构的探头安装座通过安装法兰13连接在机匣上。光纤探头2通过安装在第二筒壁17上的高温玻璃视窗16与高温高压燃气隔绝，为了防止玻璃视窗受高温燃气污染，将从压气机高压级引出的高温高压清洁空气从高压气体入口14引入第一筒壁12与第二筒壁17之间的第一环隙流道，从玻璃窗口16前流出后，阻止高温高压燃气与玻璃窗口16接触，并对其进行冷却。将从压气机低压级引出的低温低压清洁空气通过低压冷气入口15引入光纤探头2与第三筒壁18之间的第三环隙通道，对光纤探头2进行冷却，然后由第二筒壁17与第三筒壁18之间的第二环隙流道返回，经低压冷气出口19流出。光纤探头2通过光纤束21与电路盒22连接，电路盒22内集成了激光器、光电探测器以信号放大滤波电路等，三路接收光纤获得的光能量对应的电压（或电流）信号通过高频数据采集仪23进行采集、存储及数据处理分析，获得光纤探头与被测面之间的距离，然后将数据处理结果通过网络传输至远端监视设备24对测量结果进行显示，数据处理结果也可以通过高频数据采集仪23进行现场显示。

由于测距工作波段选在300-450nm之间，该波段在高温叶片自身热辐射光谱中所占能量非常小，在测试过程中叶片在该波段的自身辐射对测量结果的影响可以忽略。本发明采用了三路接收光路接收被测面反射光强度，经过强度调制后，测量过程中对三路接收光纤获得的光能量对应信号进行对比运算，可精确获得被测面与光纤探头之间的距离，由于采用了三点定位补偿方法，不但可以补偿光源功率波动、光纤损耗以及被测面发射率对测量精度的影响，而且补偿了被测面小角度倾斜对测量精度的影响。光纤探头安装座由于采用了多层冷却结构，可以较好地分配冷却气体，在保证光纤探头安全工作的条件下，尽量减少了引气对系统性能的影响，且易于实现该光纤测量系统的在线维护更换。

Claims (8)

1.一种叶尖间隙光纤测量方法，采用多点定位反射补偿型光纤测距，由激光器发射出工作波段激光经过光纤探头发射到被测物表面，经被测物表面反射后回到光纤探头，然后分别进入多路接收光纤，经滤光片对进入接收光纤的光进行滤光，分别获得经被测物表面反射后进入多路接收光纤的工作波段光能量，再经过光电探测后将光能量转换为弱电流信号，经信号放大滤波电路将弱电流信号放大为供采集的电流或电压信号，通过对多路输出的电流信号或电压信号采集后对比处理，获得光纤探头与被测物表面之间的距离；其中，该多路接收光纤为等夹角的环绕于发射光纤的周围，多路接收光纤与发射光纤之间的距离分别为r1、r2、r3、…、rN，且r1≠r2≠r3…≠rN。

2.根据权利要求1所述的叶尖间隙光纤测量方法，其中，多路接收光纤为三路接收光纤。

3.根据权利要求1所述的叶尖间隙光纤测量方法，其中，光电探测转换的弱电流信号经过信号放大滤波处理获得供采集的电流或电压信号。

4.一种叶尖间隙光纤测量装置，其包括：

一光纤探头，包括一路发射光纤和多路接收光纤，其中，该多路接收光纤为等夹角的环绕于发射光纤的周围，多路接收光纤与发射光纤之间的距离分别为r1、r2、r3、…、rN，且r1≠r2≠r3…≠rN；

发射光纤连接激光器，多路接收光纤分别各自连接一光电探测器；

光纤探头固定在带冷却结构的探头安装座上，探头安装座固定在机匣上；

所述冷却结构是在第一筒壁内安装有第二筒壁，第二筒壁内安装有第三筒壁，光纤探头安装在第三筒壁内，在第一筒壁和第二筒壁之间设有第一环隙通道，在第二筒壁和第三筒壁之间设有第二环隙通道，在光纤探头和第三筒壁之间设有第三环隙通道；

第一筒壁上设有高压气体入口，第二筒壁设有低压冷气出口，第三筒壁设有低压冷气入口；

第二筒壁的顶端开设有玻璃视窗。

5.根据权利要求4所述的叶尖间隙光纤测量装置，其中，发射光纤束自带端面球透镜，以增加测距范围。

6.根据权利要求4所述的叶尖间隙光纤测量装置，其中，带有冷却结构的探头安装座是通过安装法兰固定在机匣上。

7.根据权利要求4所述的叶尖间隙光纤测量装置，其中，多路接收光纤分别各自连接的光电探测器经信号放大滤波电路后连接高频数据采集仪。

8.根据权利要求7所述的叶尖间隙光纤测量装置，其中，高频数据采集仪通过网络连接至远端监视设备。