CN110361087B - 一种反馈式主动冷却的高温光纤叶尖定时传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种反馈式主动冷却的高温光纤叶尖定时传感器，包括传感器探头、温度数据采集模块、反馈控制模块和冷却气源，传感器探头由探头外壳、密封进气盖、光纤固定件、头部热电偶、中部热电偶、尾部热电偶及光纤束组成；光纤束由发射光纤和接收光纤组成，光纤束的一端安装于传感器探头顶部，另一端通过分岔转接头分为两路，发射光纤与接收光纤通过发射耦合器与接收耦合器接入叶尖定时测振系统；光纤束孔上固定有不锈钢软管，不锈钢软管通过分岔转接头与所述冷却气源连通；头部热电偶、中部热电偶、尾部热电偶分别设置于传感器探头的头部、中部以及尾部；所有热电偶的尾端通过连接线依次与温度数据采集模块、反馈控制模块和冷却气源连接。

Description

一种反馈式主动冷却的高温光纤叶尖定时传感器

技术领域

本发明属于旋转叶片非接触振动测量领域。具体是一种反馈式主动冷却的高温光纤叶尖定时传感器。

背景技术

航空发动机、汽轮机、压缩机、燃气轮机等大型旋转机械非接触叶片振动测量的应用日益广泛，基本测量原理是叶尖定时测振技术。为了满足发动机旋转叶片工作环境的需求，国内外学者研究开发了光纤式、电容式、电涡流式、微波式等不同类别传感器。其中光纤式叶尖定时传感器具有结构小巧、响应快、分辨力高、抗电磁兼容等优点，是目前应用最广的叶尖定时传感器。特别是在航空发动机高压级叶片监测领域，由于对传感器的响应时间、安装尺寸、分辨力等要求更高，光纤式叶尖定时传感器是最符合需求的，因而成为非接触叶片测振传感器的首选。光纤式叶尖定时传感器在工作过程中，测振系统发射光信号至传感器发射端，叶片扫过传感器探头，探头内的接收光纤(一般六根以上，组成接收光纤束)将反射光信号传输至传感器接收端，并送入测振系统进行光电转换。

要实现装机长期监测，光纤传感器需安装于静止的机匣上，当发动机工作时，机匣内部会充满高温高速的强烈气流，传感器探头内部的光纤暴露在高温气体环境中。由于发动机的旋转叶片工作在高温环境下，因此对非接触式测量所使用的光纤叶尖定时传感器提出了苛刻的要求。光纤叶尖定时传感器的探头直接安装在被测设备的静止机匣上，在高温高速气流的作用下，要求探头前端10mm长的范围内应具有与被测叶片相同的耐温性能，而普通的光纤传感器无法耐受如此高的温度，目前市面上采用普通塑料作为涂覆层材料的光纤耐热温度仅为650℃左右，即使采用聚酰亚胺作为涂覆层材料的光纤耐热温度也不超过650℃。此外，由于发动机工作时机匣内部的气压与温度是实时变化的，不同工况下的气压与温度有着较大的差距，光纤叶尖定时传感器必须适应各种工况下的气压与温度。因此，需要克服现有技术中的不足，提供一种能在高温环境下工作的高温光纤叶尖定时传感器。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种反馈式主动冷却的高温光纤叶尖定时传感器，采用主动冷却的方式，保证其可在最高1200℃的外部温度下长时间工作，引入闭环反馈控制技术，保证其可在各种不同工况下的气压与温度下始终保持在耐温范围内，同时使用最小的气流量，以避免影响发动机的正常运行。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种反馈式主动冷却的高温光纤叶尖定时传感器，包括设置有发射耦合器和接收耦合器的叶尖定时测振系统，还包括传感器探头、温度数据采集模块、反馈控制模块和冷却气源，所述传感器探头由探头外壳、密封进气盖、光纤固定件、头部热电偶、中部热电偶、尾部热电偶及光纤束组成；所述光纤束由发射光纤和接收光纤组成，所述探头外壳为中空的圆柱体结构，所述光纤固定件通过激光焊接方式固定于探头外壳的内顶部，所述光纤固定件上一体设置有用于固定所述光纤束的空心圆柱体，光纤固定件上还设置有凹槽，所述密封进气盖设置于探头外壳的底部，所述光纤束的一端通过设置于密封进气盖上的光纤束孔伸入所述空心圆柱体内，光纤束的另一端通过分岔转接头分为两路，其中发射光纤连接至发射耦合器，接收光纤连接至接收耦合器转换为电信号进入叶尖定时测振系统；所述光纤束孔上固定有不锈钢软管，所述不锈钢软管通过分岔转接头与所述冷却气源连通，以供外部冷空气通过不锈钢软管流入传感器探头内部；所述头部热电偶、中部热电偶、尾部热电偶通过开设在密封进气盖上的连接孔依次设置于光纤束的一侧，所述头部热电偶的顶端伸入探头外壳内部并通过所述凹槽固定，中部热电偶的顶端位于探头外壳内的中部，尾部热电偶的顶端位于探头外壳内的尾部；所述头部热电偶、中部热电偶、尾部热电偶的尾端通过连接线依次与温度数据采集模块、反馈控制模块和冷却气源连接。

进一步的，所述光纤固定件为长方体形状且与探头外壳之间形成有两个半月形空间结构，用以供气体通过。

进一步的，所述不锈钢软管的内径大于光纤束的外径。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明的反馈式主动冷却的高温光纤叶尖定时传感器最高使用温度可至1200℃，通过冷空气对传感器探头进行降温，保证最易被高温损坏的光纤束处于耐温范围内，适用于大部分高温场合，使非接触叶片振动测量的应用更加广泛，防止了高温气流等损坏光纤叶尖定时传感器。

(2)本发明通过多温度测点的方式，对传感器探头内部的多点进行实时温度监测，通过温度数据对冷却气源进行实时控制，确保整个光纤叶尖定时传感器均能工作在耐温范围内，防止高温气流损坏光纤叶尖定时传感器，同时避免由于机匣导热造成的传感器中部及根部的过热。

(3)本发明具有闭环反馈控制功能，通过对传感器探头内部的多点进行实时温度监测，保证光纤叶尖定时传感器在不同工况下均能工作在耐温范围内，同时使用闭环反馈控制冷却气源，在不同的温度情况下反馈控制模块对冷却气源发送不同的控制命令，保证光纤叶尖定时传感器处于耐温范围内的同时使用最小的供气量，以避免影响发动机的正常运行。

附图说明

图1是本发明传感器反馈控制的内部原理示意图。

图2是传感器探头的内部剖视结构示意图。

图3是传感器探头的外部三维结构示意图。

图4是传感器探头的外部结构示意图。

图5是光纤固定件的结构示意图。

图6是本发明传感器反馈控制的流程示意图。

附图标记：1-探头外壳，2-密封进气盖，3-光纤固定件，4-尾部热电偶，5-中部热电偶，6-头部热电偶，7-光纤束，8-不锈钢软管，9-空心圆柱体，10-凹槽

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图5所示，本发明提供了一种反馈式主动冷却的高温光纤叶尖定时传感器，包括传感器探头、温度数据采集模块、反馈控制模块以及冷却气源。

其中传感器探头主要由探头外壳1、密封进气盖2、光纤固定件3、尾部热电偶4、中部热电偶5、头部热电偶6以及内部设置有发射光纤和接收光纤的光纤束7组成。探头外壳1的主要作用是保护传感器探头的内部器件。它的主体是内部中空的圆柱体结构，内部用于容纳其它核心零部件，并可通过中空的结构将外界的冷空气通入其中使之处于一个较低温度的环境中。光纤固定件3通过激光焊接的方式固定在探头外壳的内顶部，光纤固定件3为长方体形状且与探头外壳1之间形成有两个半月形空间结构，用以供气体通过。

光纤固定件3上的空心圆柱体9可以将光纤束7固定住，使其不会在高速气流的作用下发生晃动。密封进气盖2有四个开孔，其中三个开孔为供热电偶穿过的连接孔，头部热电偶6靠近光纤束7且顶端穿过传感器探头内部固定于凹槽10内，中部热电偶5顶端穿过连接孔固定于传感器探头中部，尾部热电偶4顶端穿过连接孔固定于传感器探头尾部，三根热电偶的尾端连接温度数据采集模块；密封进气盖2上的另一个开孔为光纤束孔，光纤束的顶端穿过光纤束孔与空心圆柱体9连接，光纤束孔内焊接一根不锈钢软管8，不锈钢软管8通过分岔转接头接入冷却气源供外部冷空气通过不锈钢软管8流入传感器探头内，外部冷空气穿过传感器探头内部并从光纤固定件3与探头外壳1之间形成的两个半月形空间结构流出，排出传感器探头内部的热量，达到对整个传感器探头进行冷却的作用。光纤束7尾端则通过分岔转接头分为两路，其中发射光纤连接至发射耦合器，所有的接收光纤连接至接收耦合器转换为电信号进入叶尖定时测振系统。

由于光纤叶尖定时传感器是通过在发动机机匣上打孔并将传感器装于发动机机匣的孔内，因而传感器探头整体均处于发动机机匣中，其中传感器探头的顶部裸露在发动机机匣的内部并对旋转叶片进行监测。发动机运作时，除裸露在发动机机匣内部的部分直接与机匣内部的高温气流接触外，由于机匣自身的导热，机匣的最高温度也可达600℃以上，进一步传热到传感器探头。因此，传感器探头的中部与尾部也可能受到机匣传热的影响进而超出传感器的耐温范围，因此安排三根热电偶分别位于光纤束7头部附近、传感器探头中部以及传感器探头尾部，三根热电偶对传感器探头的三个部分进行实时的温度监测，以保证发动机运行时传感器探头整体均在耐温范围内。

由能量守恒可知，传感器探头的冷却效果与其内部流过的冷空气流量相关，由于冷却气源输出的气体流速有限，不考虑气体压缩的情况下，可以采用伯努利方程：

其中g为重力加速度，ρ₀为冷却气源输气口的气体质量密度，v₀为冷却气源输气口的气体流速，h₀为冷却气源输气口气体的高度，p₀为冷却气源输气口气体所受的压力强度。ρ₁为传感器探头任意截面的气体质量密度，v₁为传感器探头任意截面的气体流速，h₁为传感器探头任意截面气体的高度，p₁为传感器探头任意截面气体所受的压力强度。由于气体流速较低且高度变化很小，气体在冷却气源输气口与传感器探头任意截面的质量密度变化与高度变化忽略不计，可得：

且有流速与流量的关系：

Q＝Sv

其中，Q为单位时间流过某截面的气体流量，S为该截面的横截面积，v为该截面的气体流速。即当横截面积一定时，该单位时间流过该横截面的气体流量与气体流速成正比。由上述可知，当冷却气源输入的气体流量与传感器探头任意截面流过的气体流量一致时，冷却气源输气口的压强与传感器探头任意截面的压强成正比关系，而传感器探头出口的压强与机匣内部的气压有着密切的关系。因此，当冷却气源的供气压力一定时，流过传感器内部的气体流量会随机匣内部的气压产生变化，在发动机运作时，机匣内部的气压与温度并非定值而是实时变化的。不同工况下机匣内部的气压与温度有着较大的差距，光纤叶尖定时传感器必须适应各种工况下的气压与温度，在缺乏传感器实时温度状态信息的情况下，需要冷却气源始终保持高压高流速才能确保传感器始终保持在耐温范围内，但是大量的气体长时间进入发动机机匣内部会造成发动机机匣内部的气流紊乱，进而影响到发动机的正常运行，甚至造成发动机的运行事故。因此，需要引入闭环反馈控制对冷却气源进行控制，确保传感器始终保持在耐温范围内的同时使用最小的气流量，以避免影响发动机的正常运行。

本发明使用的光纤最高耐温650℃，为了保证其长时间正常运行，应保证光纤所受温度在650℃以下。传感器探头内的三根热电偶分别测量光纤束头部、传感器探头中部以及传感器探头尾部的温度。温度数据采集模块采集三个测点的温度信号，并对采集到的温度信号进行解调、模数转换以及相应处理后输出到反馈控制模块，温度数据采集模块与反馈控制模块之间通过RS485接口或SPI接口或电平匹配直连的方式进行数据通信。反馈控制模块处理接受到的温度数据，并根据温度数据满足的不同条件选择对应的控制命令，冷却气源从反馈控制模块中接收控制命令，根据不同的控制命令改变供气压力以及供气量。

见图6，反馈控制模块对接受到的温度信号进行处理分析。当所有测点温度均低于200℃时，发送命令至冷却气源控制其不进行工作。当任意测点温度高于200℃低于450℃时，发送命令至冷却气源控制其以固定压力进行工作。当任意测点的温度高于450℃时，发送命令至冷却气源控制其加大供气压力，直至所有测点温度下降至450℃以下。当任意测点温度高于650℃时，发送命令至反馈控制模块控制冷却气源满负荷运转并发出报警信息。

具体的，冷却气源可以使用空气压缩机或者罗茨风机等，冷却气源从反馈控制模块接收控制命令，改变自身的工作状态，根据控制命令的不同，调节供气压力以及供气量。本实施例中涉及的叶尖定时测振系统采用善测(天津)科技有限公司生产的BVMS4000叶片振动测量系统，发射光纤连接至发射耦合器，接收光纤连接至接收耦合器，发射耦合器发射激光，经发射光纤传输，经机匣内部的叶片反射，发射光信号再经接收光纤传递至接收耦合器，接收耦合器接收光信号并将其转换为电信号，进一步实现对旋转叶片进行实时振动监测。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种反馈式主动冷却的高温光纤叶尖定时传感器，包括设置有发射耦合器和接收耦合器的叶尖定时测振系统，其特征在于，还包括传感器探头、温度数据采集模块、反馈控制模块和冷却气源，所述传感器探头由探头外壳、密封进气盖、光纤固定件、头部热电偶、中部热电偶、尾部热电偶及光纤束组成；所述光纤束由发射光纤和接收光纤组成，所述探头外壳为中空的圆柱体结构，所述光纤固定件通过激光焊接方式固定于探头外壳的内顶部，所述光纤固定件上一体设置有用于固定所述光纤束的空心圆柱体，光纤固定件上还设置有凹槽，所述密封进气盖设置于探头外壳的底部，所述光纤束的一端通过设置于密封进气盖上的光纤束孔伸入所述空心圆柱体内，光纤束的另一端通过分岔转接头分为两路，其中发射光纤连接至发射耦合器，接收光纤连接至接收耦合器转换为电信号进入叶尖定时测振系统；所述光纤束孔上固定有不锈钢软管，所述不锈钢软管通过分岔转接头与所述冷却气源连通，以供外部冷空气通过不锈钢软管流入传感器探头内部；所述头部热电偶、中部热电偶、尾部热电偶通过开设在密封进气盖上的连接孔依次设置于光纤束的一侧，所述头部热电偶的顶端伸入探头外壳内部并通过所述凹槽固定，中部热电偶的顶端位于探头外壳内的中部，尾部热电偶的顶端位于探头外壳内的尾部；所述头部热电偶、中部热电偶、尾部热电偶的尾端通过连接线依次与温度数据采集模块、反馈控制模块和冷却气源连接。

2.根据权利要求1所述一种反馈式主动冷却的高温光纤叶尖定时传感器，其特征在于，所述光纤固定件为长方体形状且与探头外壳之间形成有两个半月形空间结构，用以供气体通过。

3.根据权利要求1所述一种反馈式主动冷却的高温光纤叶尖定时传感器，其特征在于，所述不锈钢软管的内径大于光纤束的外径。