CN107044835B - 一种发动机叶尖间隙微波测试的温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种发动机叶尖间隙微波测试的温度补偿方法，通过在探头端面加装环，采用线缆变温分离环形器泄露信号和加环探头的反射信号，得到较为干净的探头+环的反射信号作为参考信号，利用加环探头反射信号的相位变化补偿叶片信号的相位变化。本发明既能在实际的发动机实时叶尖间隙测量上实现，又能有效补偿线缆温度变化引起的叶片相位变化，有效提高叶尖间隙的测量精度，克服了测试过程中温度变化对测试精度的影响。

Description

一种发动机叶尖间隙微波测试的温度补偿方法

技术领域

本发明涉及一种发动机叶尖间隙微波测试的温度补偿方法。

背景技术

发动机叶尖间隙微波测试系统是通过相位法测试发动机叶尖间隙距离，为了保证测试结果的精度，通常先需要通过静态叶尖间隙标定测试间隙，即在测试前通过对要测叶片进行静态标定产生间隙距离与微波相位信号大小关系表，正式测试过程中，采集实时微波相位信号大小变化（共振频率测量原理），并查表来得到叶尖间隙的距离变化。

例如美国Richard Grzybowski等人研制的燃气涡轮的微波叶尖间隙测量系统。该系统能用作燃气涡轮发动机的叶尖间隙测量、密封装置磨损测量以及主动叶尖间隙控制。

微波测量方法的优点有：

（1）传感器具有内在自校功能，不管温度变化和旋转叶片引起的磨损情况如何，它都能准确工作；

（2）这种新方法不受电缆振动及长度变化的影响；

（3）它不受燃油及其他发动机污染的影响，因为微波技术是基于共振频率测量原理，只有污染造成的适度损失值对它有影响。

微波叶尖间隙测量系统技术的重点，是一个在以TE011方式下激励的装满介质的圆柱形微波空腔谐振器为基础的探头。叶尖信号是通过叶尖离开空腔谐振器环路开口一端，且空腔谐振器正在传输工作时获得的，即只有在谐振时，信号从输入传向输出。接近空腔谐振器暴露端的涡轮叶片，在出现或离开时影响的正是这个谐振频率。在空腔谐振器前面没有叶尖时，产生最低的频率谐振；当叶尖正中对着空腔谐振器前面时，将产生最高的频率谐振。根据最高谐振频率和最低谐振频率的差值，就可得到叶尖和发动机封严件间的间隙。探针中的传感器具有约为24GHz的高频率谐振。该系统在测试时只有陶瓷材料直接暴露在燃气通道中，在有效运行时，设计温度可超过1093℉。

微波叶尖间隙测量系统中，信号采集部分主要包括环形器、线缆和探头，探头为微波探头，信号处理部分微波数据采集系统，具体由计算机及其测试软件构成，环形器和探头通过线缆连接，测试过程为信号源向发动机叶片发送信号，将探头对准发动机叶片尖端以获取其反射信号，反射信号经线缆传输到环形器。信号传输过程中主要的反射信号有环形器泄露、线缆、探头、叶片和叶根，相比其他反射信号，线缆信号比较弱，环形器泄露的信号包括环形器和线缆之间的反射信号，探头反射信号包括探头和线缆之前连接器的反射信号。

由于以往静态标定过程是在恒温（恒温箱）下进行，而微波测试线缆因本身的性能特点，在正式测试过程中，传输微波信号时温度变化对传输信号的相位有较大的影响，最后影响了测试结果的精度。

有鉴于此，本发明提出一种可提高测试精度的发动机叶间隙微波测试的温度补偿方法，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发动机叶尖间隙微波测试的温度补偿方法，通过在探头上加装环，补偿叶片信号的相位变化，以减小线缆的温度剧烈变化对叶尖间隙微波测试结果的影响，提高了测试精度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种发动机叶尖间隙微波测试的温度补偿方法，包括以下步骤：

步骤1、将微波探头安装于静态标定台上，使探头极化方向与叶片弯曲角度一致，在探头端面加装环；

步骤2、调整微动平台使探头安装有环的端面与叶尖之间保持一定的间隙；

步骤3、把线缆中间部分缠好并放置于恒温箱，线缆两端从恒温箱两侧的窗口引出，且线缆两端分别连接于微波数据采集系统和加环探头，而后启动微波数据采集系统；

步骤4、设定恒温箱温度及其变化规则，并启动恒温箱；

步骤5、在设定的不同温度下采集原始的矢量信号，原始的矢量信号包括加环探头分别对准空气、叶根及叶片的三种测试信号；

步骤6、采用同一温度下测试的加环探头对准叶片的反射信号减去加环探头对准空气的反射信号得到叶片反射信号，采用同一温度下的加环探头对准叶根的信号减去加环探头对准空气的反射信号得到叶根的反射信号；

步骤7、对比叶片反射信号和加环探头对准空气反射信号计算环形器泄露信号；

步骤8、忽略叶根反射信号，将加环探头对准叶根作为探头对准空气的状态，以加环探头对准叶根的信号再次计算叶片反射信号、加环探头+叶根的反射信号，该加环探头+叶根的反射信号即为加环探头对准叶根的反射信号减去环形器泄露的信号；

步骤9、重复步骤6-8，直到对各温度下采集的矢量信号均完成处理，获得不同温度下再次计算的加环探头+叶根的反射信号以及叶片反射信号，比较两种信号的相位变化，对所有叶片反射信号进行补偿。

所述设定的恒温箱温度变化规则为：从30℃连续变化到140℃，每10℃变化一个温度，每个温度下保持10分钟。

采用上述方案后，本发明的有益效果是：通过采用线缆变温分离环形器泄露信号和探头+环的反射信号，得到较为干净的探头+环的反射信号（加环探头反射信号）作为参考信号，利用探头+环反射信号的相位变化补偿叶片信号的相位变化，通过理论分析和实验验证，该方法既能在实际的发动机实时叶尖间隙测量上实现，又能有效补偿线缆温度变化引起的叶片相位变化，有效提高叶尖间隙的测量精度，克服了测试过程中温度变化对测试精度的影响。

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1是本发明简化后的信号传输模型图；

图2是本发明采集的原始矢量信号；

图3是分离叶根和叶片反射信号；

图4是考虑反射信号时的叶片反射信号和加环探头+叶根发射信号；

图5是各个温度下相位信号变化趋势图。

具体实施方式

如图1所示，信号传输过程中，主要的反射信号有：环形器泄露、线缆、探头、环、叶片和叶根。相比其它信号，线缆本身的反射信号比较弱，本发明先不做考虑及分析。其中，环形器泄露信号包括环形器和线缆之间连接器的反射信号，探头反射信号包括探头和线缆之前连接器的反射信号。由于探头和环做成一个整体，各自的反射信号可以作为一个信号一起分析，定位为加环探头反射信号。

本发明揭示的一种发动机叶尖间隙微波测试的温度补偿方法，其包括一下步骤：

步骤1、将微波探头安装于静态标定台上，使探头极化方向与叶片弯曲角度一致，在探头端面加装环；

步骤2、调整微动平台使探头安装有环的端面与叶尖之间保持一定的间隙，间隙为2mm；

步骤3、把线缆中间部分缠好并放置于恒温箱，线缆两端从恒温箱两侧的窗口引出，且线缆两端分别连接于微波数据采集系统和加环探头，恒温箱窗口用塞子塞紧；而后启动微波数据采集系统；

步骤4、设定恒温箱温度及其变化规则，并启动恒温箱；设定的恒温箱温度变化规则为：从30℃连续变化到140℃，每10℃变化一个温度，每个温度下保持10分钟；

步骤5、在设定的不同温度下采集原始的矢量信号，如图2所示，原始的矢量信号包括加环探头分别对准空气、叶根及叶片的三种测试信号；

步骤6、采用同一温度下测试的加环探头对准叶片的反射信号减去加环探头对准空气的信号得到叶片反射信号，采用同一温度下的加环探头对准叶根的反射信号减去加环探头对准空气的信号得到叶根反射信号；分离的各个信号如图3所示。从图上可以看出，相对加环探头的对准空气信号和叶片反射信号来说，叶根反射信号的强度要小非常多，基本可以忽略叶根反射信号对测量的影响；

步骤7、对比叶片反射信号和加环探头对准空气反射信号计算环形器泄露信号，如图4所示；

步骤8、由于实际发动机测量中不能得到准确的对准空气信号，而且叶根反射信号的能量比较小，因此可忽略叶根反射信号，将加环探头对准叶根作为探头对准空气的状态，以加环探头对准叶根的反射信号为基础再次计算叶片反射信号、加环探头+叶根的反射信号，该加环探头+叶根的反射信号即为加环探头对准叶根减去环形器泄露的信号；计算后的各个信号如图4 所示。其中，叶片反射1为探头对准叶片减去探头对准叶根的信号。探头+环+叶根的反射信号为探头对准叶根减去环形器泄露的信号。两者的相位变化趋势如图5 所示，相位变化范围基本都在230度左右，由于两个信号的反射位置不一样，因此两条曲线有一个固定偏差。根据测量结果，温度从30度变化到140，叶片相位从-198.3度变化到34.2度，变化范围为232.5度；

步骤9、重复步骤6-8，直到对各温度下采集的矢量信号均完成处理，获得不同温度下再次计算的加环探头+叶根的反射信号以及叶片反射信号，由于叶片反射信号的中心即为坐标轴的零点，而且叶片反射信号在相位上的变化趋势与加环探头反射信号的相位变化趋势是一致的，因此对比叶片反射信号和加环探头对准空气信号，对所有叶片反射信号进行补偿；利用本方法只要能够在实时测量中分别提取加环探头环的反射信号和叶片的反射信号就可以利用加环探头反射信号的相位变化对叶片的相位变化做出补偿，经过加环探头信号补偿后，叶片信号相位变化范围为7.3度，补偿后相位变化范围为没补偿之前的3.1%，因此，经过补偿后可以大大降低测量误差。

以上仅为本发明的具体实施例，并非对本发明的保护范围的限定。凡依本案的设计思路所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims (2)

1.一种发动机叶尖间隙微波测试的温度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将微波探头安装于静态标定台上，使探头极化方向与叶片弯曲角度一致，在探头端面加装环；

步骤2、调整微动平台使探头安装有环的端面与叶尖之间保持一定的间隙；

步骤3、把线缆中间部分缠好并放置于恒温箱，线缆两端从恒温箱两侧的窗口引出，且线缆两端分别连接于微波数据采集系统和加环探头，而后启动微波数据采集系统；

步骤4、设定恒温箱温度及其变化规则，并启动恒温箱；

步骤5、在设定的不同温度下采集原始的矢量信号，原始的矢量信号包括加环探头分别对准空气、叶根及叶片的三种测试信号；

步骤6、采用同一温度下测试的加环探头对准叶片的反射信号减去加环探头对准空气的反射信号得到叶片反射信号，采用同一温度下的加环探头对准叶根的反射信号减去加环探头对准空气的反射信号得到叶根的反射信号；

步骤7、对比叶片反射信号和加环探头对准空气反射信号计算环形器泄露信号；

步骤8、忽略叶根反射信号，将加环探头对准叶根作为探头对准空气的状态，以加环探头对准叶根的信号再次计算叶片反射信号、加环探头+叶根的反射信号，该加环探头+叶根的反射信号即为加环探头对准叶根的反射信号减去环形器泄露的信号；

步骤9、重复步骤6-8，直到对各温度下采集的矢量信号均完成处理，获得不同温度下再次计算的加环探头+叶根的反射信号以及叶片反射信号，比较两种信号的相位变化，对所有叶片反射信号进行补偿。

2.如权利要求1所述的一种发动机叶尖间隙微波测试的温度补偿方法，其特征在于：所述设定的恒温箱温度变化规则为：从30℃连续变化到140℃，每10℃变化一个温度，每个温度下保持10分钟。