CN105588509A - 一种叶尖间隙动态测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶尖间隙动态测量系统，涉及发动机技术领域。所述叶尖间隙动态测量系统包含电容式传感器及电容式传感器信号处理结构，其中，所述电容式传感器安装在所述发动机的机匣上，所述电容式传感器的感应端低于所述发动机机匣的内表面，所述发动机机匣内表面与所述叶片的叶尖之间形成被测叶尖间隙，发动机转子正常运行中，所述被测叶尖间隙是动态变化的；所述电容式传感器将感应到的信号传输到电容式传感器信号处理结构，所述电容式传感器信号处理结构用于处理所述电容式传感器传输的信号。本发明的有益效果：本发明所采用的结构简单紧凑，所用测量方式为非接触式，可减少对发动机流场的干扰，满足发动机叶尖间隙的在线动态测量。

Description

一种叶尖间隙动态测量系统

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种叶尖间隙动态测量系统。

背景技术

航空发动机叶尖间隙是指转子叶片叶尖与机匣内壁或涂层内表面之间的径向距离。叶尖间隙的最佳设计对压气机和涡轮的工作效率和结构安全性影响很大，尤其是高压压气机后几级和高压涡轮。目前随着压气机和涡轮设计技术的日趋成熟，最佳叶尖间隙的设计、主动间隙控制和叶片健康状况监测成为了国内外研究人员的工作重点，而上述研究过程中都离不开转子叶片叶尖间隙动态测试技术。

针对航空发动机叶尖间隙动态测试方法，自20世纪80年代以来国内外工程师提出了多种解决方案。德国Davidson等人发明的放电探针法，又称火花放电法，依靠电机驱动探针沿径向移动，探针外加直流电压，当探针移近叶尖并发生放电现象后迅速退回，探针的行程与初始安装间隙(静态时探针到机匣内表面的距离)之差即叶尖间隙值。该种接触式测试方法局限性大，只适用于温度600℃以下﹑转速稳定在6000r/min以上的环境。由于驱动电机的反应速度低，一旦发动机负载突变，探针来不及退回，极易发生撞针等严重事故。国内张娜等人在《航空制造技术》上发表题为《航空发动机叶尖间隙测量技术》的论文中介绍了一种利用光学三角测量法测试叶尖间隙；国外J.P.Barromger等人使用激光三角测试法进行了试验并取得了较为满意的结果。虽然光学测试为非接触式，但是由于光学传感器极容易受油污、灰尘干扰，叶片烧灼后反射率下降，系统使用寿命低等影响因素，光学测量方法在实际使用中受到了极大限制。

以上航空发动机叶尖间隙测试方法的共性不足为：测试方法不能满足发动机恶劣的工况，耐温或抗异物干扰能力差；再者测试装置可靠性低，例如：探针法容易发生撞针事故；叶片表面反射参数发生变化后，光学测量的精度就会下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种叶尖间隙动态测量系统，以解决背景技术中所存在的至少一处的问题。

本发明的技术方案是：提供一种叶尖间隙动态测量系统，用于在线检测发动机转子叶尖间隙的动态变化，发动机转子在机匣上安装完成后，叶片的叶尖与所述机匣的内表面之间形成被测叶尖间隙，所述叶尖间隙动态测量系统包含电容式传感器及电容式传感器信号处理结构，其中，所述电容式传感器安装在所述发动机的机匣上，所述电容式传感器的感应端低于所述机匣的内表面，所述机匣的内表面与所述叶片的叶尖之间形成被测叶尖间隙，发动机转子正常运行中，所述被测叶尖间隙是动态变化的；所述电容式传感器将感应到的信号传输到电容式传感器信号处理结构，所述电容式传感器信号处理结构用于处理所述电容式传感器传输的信号。

优选地，所述电容式传感器信号处理结构包含信号处理模块、采集卡及计算机控制软件，其中，所述信号处理模块的输入端连接所述电容式传感器，用于处理所述电容式传感器传输的信号；所述采集卡的输入端与所述信号处理模块的输出端连接，所述采集卡安装在计算机相应插槽内，所述采集卡采集所述信号处理模块输出的模拟电压信号，经过A/D转换为计算机可识别的信号；所述计算机控制软件用于控制所述采集卡并分析处理所述采集卡采集到的信号，并进行储存和显示。

优选地，所述电容式传感器感应到的信号为变化的电容值。

优选地，所述信号处理模块用于将所述电容值转变为电压值。

优选地，所述叶尖间隙动态测量系统进一步包含前调整垫片，所述前调整垫片用于调整电容式传感器的感应端低于机匣内表面的回缩量C值。

优选地，所述叶尖间隙动态测量系统进一步包含后调整垫片及压盖，所述后调整垫片用于配合所述压盖固定所述电容式传感器。

本发明的有益效果：本发明的叶尖间隙动态测量系统包含电容式传感器及电容式传感器信号处理结构，其中，电容式传感器为非接触式传感器，可减少了对发动机流场的干扰，且抗干扰能力较强，满足发动机转子叶尖间隙在线动态测量；电容式传感器信号处理结构包含信号处理模块、采集卡及计算机控制软件，整体结构紧凑，集成程度高，非常适用发动机台架试验工作环境；电容式传感器的安装采用前调整垫片、后调整垫片和压盖结构，装配和更换非常方便，可提高试验效率。

附图说明

图1是本发明一实施例的电容式传感器的安装示意图；

图2是图1所示实施例的电容式传感器处理结构的示意图；

图3是按照本实施例得到的某型航空发动机叶尖间隙动态测试数据图。

其中：1-前调整垫片，2-后调整垫片，3-电容式传感器，4-螺钉，5-压板，6-机匣，7-叶片，9-信号处理模块，10-采集卡，11-计算机控制软件。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1至图3所示，一种叶尖间隙动态测量系统，包含前调整垫片1、后调整垫片2、电容式传感器3、螺钉4、压板5、机匣6、叶片7、信号处理模块9、采集卡10及计算机控制软件11。其中，图1是本实施例的电容式传感器的安装示意图；图2是图1所示实施例的电容式传感器处理信号结构图；图3是按照本实施例得到的某型航空发动机叶尖间隙动态测试数据图。

本发明的叶尖间隙动态测量系统，用于在线检测发动机转子叶尖间隙的动态变化，发动机转子在机匣6上安装完成后，叶片7的叶尖与所述机匣6的内表面之间形成被测叶尖间隙。

电容式传感器3是依据变极距型平板电容器原理工作的，即电容式传感器3的感应端与发动机金属转子叶片7的叶尖形成平板电容器。安装在机匣6上的电容式传感器3的感应端可认为是平行板电容器的一个极板，而转子叶片7的叶尖是电容器的另一个极板，转子叶片7和电容式传感器3的外壳分别接地。忽略边缘效应影响，电容式传感器3的感应端与发动机金属转子叶片7的叶尖之间的电容值是两极板几何尺寸、距离、介质(材料)的函数，如公式(1)所示：

$C={\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r\frac{S}{d}---\left(1\right)$

式(1)中：

C——两极板间的电容值；

ε₀——真空介电常数；

ε_r——极板间介质的相对介电常数；

S——两极板的重叠面积；

d——两极板的间隙；

在测试过程中，ε₀、ε_r和S保持不变，则两极板之间的间隙值和电容值成反比关系。

电容式传感器3连接到信号处理模块9，调理电路将电容变化转换为电压变化，则公式(1)也可表达为：

$d=k\·{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\·S\·\frac{1}{U}---\left(2\right)$

式(2)中：

k——电容与电压之间的转换系数；

U——信号处理模块输出电压值；

从公式(2)可知，信号处理模块9输出的电压值与电容式传感器3的感应端到叶片7的叶尖之间的距离(叶尖间隙值)呈反比关系。

电容式传感器在结构上采用类三同轴封装方式或三同轴结构，外壳为带环形凸台的圆柱形金属，外壳为地极，中间感应端为圆形金属电极，电极与地极之间为耐温绝缘层。感应端连接1～2米耐高温金属铠装电缆，电缆由里到外为电极层、屏蔽层和地极层，构成类三同轴结构。

电容式传感器3安装在发动机的机匣6上，机匣6的内壁上有一层软质涂层，涂层硬度低于叶片7，起到防止叶片磨损的作用，电容式传感器3的感应端低于所述机匣6的内表面，从机匣6的软质涂层内表面到电容式传感器3的感应端形成距离为C值的回缩量，回缩量C值大于软质涂层厚度，这样的优点是：即使软质涂层被叶片7全部磨完，也不会碰到电容式传感器3，发动机运行过程中，叶片7会刮磨到机匣6内壁的软质涂层，形成厚度为B值的刮磨量，一般情况下刮磨量B值小于涂层厚度；叶片7叶尖到机匣6的软质涂层内表面的距离A值称为被测叶尖间隙，在发动机运行过程中，叶片未刮磨到涂层时被测间隙为正值，叶片刮磨到涂层时被测间隙为负值；叶片7叶尖到电容式传感器3的感应端的距离为实测叶尖间隙(数值上为A值和C值的和)，实测间隙均为正值；被刮磨的涂层内表面到叶片7叶尖的距离为工作叶尖间隙(数值上为A值和B值的和)，发动机转子正常运行过程中，所述被测间隙是动态变化的。

电容式传感器3将感应到的电容信号传输到电容式传感器信号处理结构，电容式传感器信号处理结构用于处理电容式传感器3传输的信号。

电容式传感器信号处理结构包含信号处理模块9、采集卡10及计算机控制软件11，其中，所述信号处理模块9的输入端连接电容式传感器3，用于处理电容式传感器3传输的信号；采集卡10安装在计算机相应插槽内，采集卡采集信号处理模块9输出的信号并传输给计算机；计算机控制软件11用于控制采集卡10、分析处理采集卡10采集到的信号，并进行储存和显示。

电容式传感器3感应到的信号为变化的电容值。

信号处理模块9用于将电容值转变为模拟电压值。

采集卡10采集信号处理模块9输出的模拟电压信号，经过A/D转换为计算机可识别的信号。

叶尖间隙动态测量系统进一步包含前调整垫片1，前调整垫片1用于调整回缩量C值。通过改变前调整垫片1的厚度，可以使电容式传感器3的感应端低于机匣6的内表面，并控制在合理的范围内。

叶尖间隙动态测量系统进一步包含后调整垫片2及压盖5，后调整垫片2套设在电容式传感器的外壳上，且一端与外壳的环形凸台接触，另一端高出机匣6的外表面，高于外表面的目的在于：后调整垫片2配合压盖5固定电容式传感器3。

在实际使用时，电容式传感器3安装完成后，将传感器连接到信号处理模块9的输入端，开启信号处理模块9背后面板上的开关，并预热一个小时。充分预热后，将信号处理模块9的电压输出端线接到采集卡10的接线盒上，启动计算机控制软件11，配置相应的采集参数，分配适当的数据存储空间，到此前期准备工作完成。

当发动机起动后，开启控制软件的数据采集和保存，显示器上将实时显示叶尖间隙动态变化情况，并保存试验数据。

如附图3所示，横州代表时间轴，纵轴代表电压值，某型航空发动机叶尖间隙动态测试数据。附图3为发动机转子某级在0.85换算转速下对应前三片转子叶片扫过电容式传感器感应端时信号处理模块输出电压变化曲线；从附图3可以清晰看出，发动机转子叶片叶尖间隙信号为单峰值，这与叶片的设计外形轮廓相符。经过分析计算，各个叶片的叶尖间隙分布在0.40～0.65mm范围内，这也与该型发动机转子叶片理论设计接近。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种叶尖间隙动态测量系统，用于在线检测发动机转子叶尖间隙的动态变化，发动机转子在机匣(6)上安装完成后，叶片(7)的叶尖与所述机匣(6)的内表面之间形成被测叶尖间隙，其特征在于：包含电容式传感器(3)及电容式传感器信号处理结构，其中，

所述电容式传感器(3)安装在所述发动机的机匣(6)上，所述电容式传感器(3)的感应端低于所述机匣(6)的内表面，所述机匣(6)的内表面与所述叶片(7)的叶尖之间形成被测叶尖间隙，发动机转子正常运行中，所述被测叶尖间隙是动态变化的；

所述电容式传感器(3)将感应到的信号传输到电容式传感器信号处理结构，所述电容式传感器信号处理结构用于处理所述电容式传感器(3)传输的信号。

2.如权利要求1所述的叶尖间隙动态测量系统，其特征在于：所述电容式传感器信号处理结构包含信号处理模块(9)、采集卡(10)及计算机控制软件(11)，其中，

所述信号处理模块(9)的输入端连接所述电容式传感器(3)，用于处理所述电容式传感器(3)传输的信号；

所述采集卡(10)的输入端与所述信号处理模块(9)的输出端连接，所述采集卡(10)安装在计算机相应插槽内，所述采集卡(10)采集所述信号处理模块(9)输出的模拟电压信号，经过A/D转换为计算机可识别的信号；

所述计算机控制软件(11)用于控制所述采集卡(10)并分析处理所述采集卡(10)采集到的信号，并进行储存和显示。

3.根据权利要求2所述的叶尖间隙动态测量系统，其特征在于：所述电容式传感器(3)感应到的信号为变化的电容值。

4.根据权利要求3所述的叶尖间隙动态测量系统，其特征在于：所述信号处理模块(9)用于将所述电容值转变为电压值。

5.如权利要求1所述的叶尖间隙动态测量系统，其特征在于：所述叶尖间隙动态测量系统进一步包含前调整垫片(1)，所述前调整垫片(1)用于调整电容式传感器(3)的感应端低于机匣(6)内表面的回缩量C值。

6.如权利要求1所述的叶尖间隙动态测量系统，其特征在于：所述叶尖间隙动态测量系统进一步包含后调整垫片(2)及压盖(5)，所述后调整垫片(2)用于配合所述压盖(5)固定所述电容式传感器(3)。