CN109870099A - 一种耐高温转子连续表面径向间隙测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于发动机转子性能测试领域，特别涉及一种耐高温转子连续表面径向间隙测量系统及方法；径向间隙测量系统包括：待测叶片；横台，设置在待测叶片的叶顶处；电容传感器，横台的顶面与其对应位置处的测试机匣内环面之间；信号处理模块，用于接收电容值，并转化为测量电压值；校准系统，用于获取径向间隙与测量电压值的关系式；处理模块，用于计算得到径向间隙。本申请的耐高温转子连续表面径向间隙测量系统及方法，采用非接触测量，安全系数高，几乎不受污染的影响；采用动态测量方式，技术指标高、耐高温、测量量程大、测量精度高以及频响范围更宽。

Description

一种耐高温转子连续表面径向间隙测量系统及方法

技术领域

本申请属于发动机转子性能测试领域，特别涉及一种耐高温转子连续表面径向间隙测量系统及方法。

背景技术

发动机转子径向间隙对发动机安全和性能影响很大。为了保障发动机安全，转子结构设计时通常需要保证转子叶片和机匣间预留足够大的安全空间。然而径向间隙并不是越大越好，间隙过大的会使效率减低，涡轮前温度升高。相关研究标明，径向间隙每增加叶片高度的1.0％，效率约降低1.5％，耗油率也会相应增加。总之，间隙过大或过小对发动机都不利，需要合理设计和控制径向间隙，而设计和控制的前提是要准确测量径向间隙。

发动机转子工作环境恶劣，具有高温、高压和高转速的特点，同时很多转子叶片叶顶为连续表面结构，径向间隙测量困难。

目前已知的转子连续表面径向间隙测量方法有火花放电法、电涡流法和光学法。其中火花放电法要求叶片叶顶平面高度不受轴向串动影响，而大部分转子叶片叶顶并非完全平面结构，因此无法应用该方法进行测量；并且该方法安全系数低，一般只能在部件试验中应用。电涡流法频响高，尤其适用于转子连续表面的径向间隙测量，但电涡流传感器通常尺寸比较大，机匣结构紧张，传感器安装困难，同时电涡流法耐温能力为600℃以下，不适用于整机测量。光学法目前还停留在理论阶段，尚无成型的测量系统，同时该方法容易受污染影响，无冷却情况耐温能力也不高，不适用于整机测量。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种耐高温转子连续表面径向间隙测量系统及方法。

第一方面，本申请公开了一种耐高温转子连续表面径向间隙测量系统，所述耐高温转子设置在发动机的待测机匣内，包括至少两个对称分布的待测叶片，且所述待测叶片数量为偶数个，径向间隙测量系统还包括：

呈长方体形的横台，一个所述横台设置在一个所述待测叶片的叶顶处；

电容传感器，所述电容传感器设置在所述测试机匣内环面上，且当所述横台跟随所述测试叶片转动至预定位置处时，所述电容传感器位于所述横台的顶面与其对应位置处的所述测试机匣内环面之间；

信号处理模块，所述信号处理模块接收所述电容传感器测量的电容值，并将所述电容值转化为测量电压值；

校准系统，所述校准系统用于通过实验获取径向间隙与测量电压值的关系式；

处理模块，所述处理模块根据数采系统接收所述信号处理模块发送的测量电压值以及所述校准系统发送的径向间隙与测量电压值的关系式，并根据所述径向间隙与测量电压值的关系式得到径向间隙。

根据本申请的至少一个实施方式，所述横台的高度大于或等于电容法测量量程；所述横台的宽度大于或等于所述电容传感器的电极直径；所述横台的长度大于或等于所述耐高温转子的轴向串动值，且小于或等于所述待测叶片上两侧蓖齿之间的距离。

根据本申请的至少一个实施方式，所述横台的高度等于电容法测量量程，所述横台的长度等于所述待测叶片上两侧蓖齿之间的距离。

根据本申请的至少一个实施方式，所述径向间隙与测量电压值的关系式如下：

y＝ax³+b4x²-cx+d；

其中，x为测量电压值；a、b、c、d为系数。

根据本申请的至少一个实施方式，所述系数a、b、c、d分别为0.0243、 0.0354、0.7864、1.7305。

根据本申请的至少一个实施方式，所述横台的数量为两个。

第二方面，本申请公开了一种耐高温转子连续表面径向间隙测量方法，包括如下步骤：

在耐高温转子上的两个对称的待测叶片的叶顶处，分别设置一个呈长方体形的横台；

在所述横台的顶面正对的所述测试机匣内环面上设置电容传感器，用于测量电容值；

通过信号处理模块接收所述电容传感器测量的电容值，并将所述电容值转化为测量电压值；

通过校准系统获取径向间隙与测量电压值的关系式；

处理模块通过数采系统接收所述信号处理模块发送的测量电压值以及所述校准系统发送的径向间隙与测量电压值的关系式，并根据所述径向间隙与测量电压值的关系式得到径向间隙。

根据本申请的至少一个实施方式，所述横台的高度大于或等于电容法测量量程；所述横台的宽度大于或等于所述电容传感器的电极直径；所述横台的长度大于或等于所述耐高温转子的轴向串动值，且小于或等于所述待测叶片上两侧蓖齿之间的距离。

根据本申请的至少一个实施方式，所述径向间隙与测量电压值的关系式如下：

y＝ax³+b4x²-cx+d；

其中，x为测量电压值；a、b、c、d为系数。

根据本申请的至少一个实施方式，所述系数a、b、c、d分别为0.0243、 0.0354、0.7864、1.7305。

本申请至少存在以下有益技术效果：

本申请的耐高温转子连续表面径向间隙测量系统及方法，采用非接触测量，安全系数高，几乎不受污染的影响；另外，电容传感器尺寸相对小，涉及发动机测试改装工程量小，装配难度小；进一步，采用动态测量方式，技术指标高、耐高温、测量量程大、测量精度高以及频响范围更宽；进一步，基于成熟的电容法进行改进设计，无需研制新方法、新系统，同时无需配备冷却结构，成本低。

附图说明

图1是本申请耐高温转子连续表面径向间隙测量系统的框架图；

图2是本申请耐高温转子连续表面径向间隙测量系统中待测叶片的设置横台的位置处的结构示意图；

图3是某型发动机转子径向间隙变化曲线图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，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，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，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申请和简化描述，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申请保护范围的限制。

下面结合附图1至图3对本申请耐高温转子连续表面径向间隙测量系统及方法做进一步详细说明。

本申请的耐高温转子连续表面径向间隙测量系统的测量方法原理如下：

电容法分为静态电容法和动态电容法，其中静态电容法适用于转子连续表面径向间隙测量，但耐温能力为600℃，不适用于整机测试；动态电容法耐温能力可达1400℃，同时具有非接触、尺寸小、频响高、抗污染、灵敏度高等特点，满足整机测试的要求。动态电容法本身无法进行转子连续表面径向间隙测量，需要对测试对象进行适应性改装。

本申请的耐高温转子连续表面径向间隙测量系统采用三同轴电容传感器，利用电容原理，固定在发动机机匣中的探头构成电容的一个极，而待测叶片3叶尖构成电容的另一电极。该电容的电容值是电极几何形状、两极间距离及两极间介质的函数，假设电极的几何形状和介质为常数，则电容的大小只是两极间距离的函数，即电容值变化与发动机径向间隙的变化存在对应关系。

需要说明的是，电容传感器4是设置在测试机匣内环面上，并且，与其他现有类似的径向间隙测量方法一样，可以在测试机匣内环面上开设凹槽，电容传感器4设置在凹槽内，使得电容传感器4外侧基本上与测试机匣内环面齐平，从而不影响待测叶片3的转动；进一步，当横台1 跟随测试叶片3转动至预定位置处时，电容传感器4位于横台1的顶面与其对应位置处的测试机匣内环面之间。

如图1所示，本申请的耐高温转子连续表面径向间隙测量系统包括电容传感器4、信号处理模块5、数采系统7、校准系统6及处理模块计算机8。其中电容传感器4耐温可达1400℃，测量量程0.3-3mm，测量精度0.01mm。信号处理模块5频响范围为5Hz-200kHz，输出电压0-10V。

为了满足测量温度不小于1400℃的要求，测量系统采用动态测量方式。待测叶片3叶顶31为连续表面，无法进行动态测量。根据测量要求，如图2，在待测叶片3叶顶31部分加工一个横台1，可以是焊接或其他固定方式。

需要说明的是，首先，为了尽可能地减少叶顶3对横台1信号的影响，横台1高度不能低于电容法测量量程；其次，为了保证当叶片扫过电容传感器4时会产生一个最大重叠面积，横台1宽度不能低于电容传感器4电极直径；最后，转子在工作过程中会产生轴向串动，为了保证测试，同时考虑实际情况，横台1长度不能低于轴向串动值，但不能高于待测叶片3叶顶3两侧蓖齿2之间的距离。

进一步地，待测叶片3叶顶3的改装会对强度带来较大影响，因此必须进行强度分析，以使得待测叶片3满足强度要求。这里首先选取了一种极限情况，横台1的高度为电容法测量量程、宽度为电容传感器4 电极直径、长度为电容传感器4电极直径(假设转子串动量为零)，经计算，这种极限情况强度满足要求。由于横台1高度受到蓖齿2高度限制，为了避免高度过高导致转静子碰磨，将其设计为极限情况蓖齿2的高度；转子轴向串动量没有准确数据，因此为了保证轴向串动时传感器对应的横台1形貌不发生变化，将横台1长度设计为两侧蓖齿2之间的距离；横台1的高度、长度一定的情况下，则可以计算得到满足强度要求的横台1的宽度值，此处不再举例赘述。最终选取横台1的高度为电容法测量量程、宽度为某一预定值、长度为两侧蓖齿2之间的距离。

进一步，本申请的耐高温转子连续表面径向间隙测量系统中，待测叶片3的数量为至少两个，且为偶数个；本实施例中，可以设计周向均匀布置四个待测叶片3和周向均匀布置两个待测叶片3两种方案；进一步，优选周向均匀布置两个待测叶片3的方案以进一步满足实际装配过程中动平衡的要求。

本申请的耐高温转子连续表面径向间隙测量系统中还包括一套独立的校准系统及校准试验，校准系统可以采用已知的多种适合的系统；其中，校准系统中可以包括与上述结构、尺寸、功能完全相同部件，例如叶片(此处叫校准叶片)、横台、电容传感器以及信号处理模块等；还需要说明的是，校准系统还具备测量径向间隙的功能。

试验过程中，应用校准叶片叶顶的横台产生的峰值电压换算转子径向间隙；需要说明的是，校准试验时采用的是静态校准方式，而叶片固有结构会对校准叶片叶顶的横台产生的输出电压造成影响，使得转子径向间隙不准确，因此需要通过试验将这个影响消除掉。

综上所述，校准试验需要解决两个问题，一是要解出输出电压与径向间隙之间的关系方程，二是要解出叶片固有结构对输出电压的影响关系。

具体校准试验过程中，采用标准位移机构测量校准叶片叶顶的横台与电容传感器之间的径向间隙，可以得到如下表1校准数据中第一列数值；采用标准数字电压表测量信号处理模块的输出电压，可以得到如下表1校准数据中第二列数值。采用同样方式，换成不带横台的校准叶片进行校准，从而得到一组叶片固有结构对校准叶片叶顶的横台产生输出电压影响的输出电压修正值，即如下表1校准数据中第三列所示。表1 校准数据中第四列修正后输出电压值为第二列与第三列的差值。

表1校准数据

采用校准试验测量得到的径向间隙与修正后输出电压值两列数据进行关系拟合，可以得到如下关系方程式(1)，其中y为径向间隙，x为修正后输出电压值的自然对数(也即是径向间隙测量系统中的测量电压值)：

y＝ax³+b4x²-cx+d；

其中，a、b、c、d为系数，与待测叶片的结构尺寸以及电容传感器类型等相关；具体地，本实施例中，根据上述表1校准数据看得，系数a、 b、c、d分别为0.0243、0.0354、0.7864、1.7305。

最后，对试验与数据结果解析如下：

以某型发动机试验中开展了转子连续表面径向间隙测量。发动机从启动、慢车到最大状态，然后中间停留两个状态，慢车后停车。发动机转速如图3中实线所示，转子径向间隙如图3中虚线所示。

第二方面，本申请公开了一种耐高温转子连续表面径向间隙测量方法，包括如下步骤：

步骤S101、在耐高温转子上的两个对称的待测叶片3的叶顶31处，分别设置一个呈长方体形的横台1；

步骤S102、在横台1的顶面正对的所述测试机匣内环面上设置电容传感器4，用于测量电容值；

步骤S103、通过信号处理模块5接收电容传感器4测量的电容值，并将电容值转化为测量电压值；

步骤S104、通过校准系统6获取径向间隙与测量电压值的关系式；

步骤S105、处理模块8通过数采系统7接收信号处理模块5发送的测量电压值以及校准系统6发送的径向间隙与测量电压值的关系式，并根据径向间隙与测量电压值的关系式得到径向间隙。

其中，横台1的具体尺寸以及径向间隙与测量电压值的关系式等于上述耐高温转子连续表面径向间隙测量系统相同，此处不再赘述。

综上所述，本申请的耐高温转子连续表面径向间隙测量系统及方法，采用非接触测量，安全系数高，几乎不受污染的影响；另外，电容传感器尺寸相对小，涉及发动机测试改装工程量小，装配难度小；进一步，采用动态测量方式，技术指标高，耐温可达1400℃(通过构建的电容式动态径向间隙测量系统实现)，测量量程0.3-3mm，测量精度0.01mm，频响范围为5Hz-200kHz；进一步，基于成熟的电容法进行改进设计，无需研制新方法、新系统，同时无需配备冷却结构，成本低。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种耐高温转子连续表面径向间隙测量系统，所述耐高温转子设置在发动机的待测机匣内，包括至少两个对称分布的待测叶片(3)，且所述待测叶片(3)数量为偶数个，其特征在于，所述径向间隙测量系统还包括：

呈长方体形的横台(1)，一个所述横台(1)设置在一个所述待测叶片(3)的叶顶(31)处；

电容传感器(4)，所述电容传感器(4)设置在所述测试机匣内环面上，且当所述横台(1)跟随所述测试叶片(3)转动至预定位置处时，所述电容传感器(4)位于所述横台(1)的顶面与其对应位置处的所述测试机匣内环面之间；

信号处理模块(5)，所述信号处理模块(5)接收所述电容传感器(4)测量的电容值，并将所述电容值转化为测量电压值；

校准系统(6)，所述校准系统(6)用于通过实验获取径向间隙与测量电压值的关系式；

处理模块(8)，所述处理模块(8)根据数采系统(7)接收所述信号处理模块(5)发送的测量电压值以及所述校准系统(6)发送的径向间隙与测量电压值的关系式，并根据所述径向间隙与测量电压值的关系式得到径向间隙。

2.根据权利要求1所述的耐高温转子连续表面径向间隙测量系统，其特征在于，所述横台(1)的高度大于或等于电容法测量量程；所述横台(1)的宽度大于或等于所述电容传感器(4)的电极直径；所述横台(1)的长度大于或等于所述耐高温转子的轴向串动值，且小于或等于所述待测叶片(3)上两侧蓖齿(2)之间的距离。

3.根据权利要求2所述的耐高温转子连续表面径向间隙测量系统，其特征在于，所述横台(1)的高度等于电容法测量量程，所述横台(1)的长度等于所述待测叶片(3)上两侧蓖齿(2)之间的距离。

4.根据权利要求1所述的耐高温转子连续表面径向间隙测量系统，其特征在于，所述径向间隙与测量电压值的关系式如下：

y＝ax³+b4x²-cx+d；

其中，x为测量电压值；a、b、c、d为系数。

5.根据权利要求4所述的耐高温转子连续表面径向间隙测量系统，其特征在于，所述系数a、b、c、d分别为0.0243、0.0354、0.7864、1.7305。

6.根据权利要求1所述的耐高温转子连续表面径向间隙测量系统，其特征在于，所述待测叶片(3)的数量为两个。

7.一种耐高温转子连续表面径向间隙测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

在耐高温转子上的两个对称的待测叶片(3)的叶顶(31)处，分别设置一个呈长方体形的横台(1)；

在所述横台(1)的顶面正对的所述测试机匣内环面上设置电容传感器(4)，用于测量电容值；

通过信号处理模块(5)接收所述电容传感器(4)测量的电容值，并将所述电容值转化为测量电压值；

通过校准系统(6)获取径向间隙与测量电压值的关系式；

处理模块(8)通过数采系统(7)接收所述信号处理模块(5)发送的测量电压值以及所述校准系统(6)发送的径向间隙与测量电压值的关系式，并根据所述径向间隙与测量电压值的关系式得到径向间隙。

8.根据权利要求7所述的耐高温转子连续表面径向间隙测量方法，其特征在于，所述横台(1)的高度大于或等于电容法测量量程；所述横台(1)的宽度大于或等于所述电容传感器(4)的电极直径；所述横台(1)的长度大于或等于所述耐高温转子的轴向串动值，且小于或等于所述待测叶片(3)上两侧蓖齿(2)之间的距离。

9.根据权利要求7所述的耐高温转子连续表面径向间隙测量方法，其特征在于，所述径向间隙与测量电压值的关系式如下：

y＝ax³+b4x²-cx+d；

其中，x为测量电压值；a、b、c、d为系数。

10.根据权利要求4所述的耐高温转子连续表面径向间隙测量系统，其特征在于，所述系数a、b、c、d分别为0.0243、0.0354、0.7864、1.7305。