CN110672055A - 测量涡轮发动机中的叶片间隙的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量涡轮发动机的移动和静止部件之间的间隔的系统。该系统包括涡轮发动机，该涡轮发动机具有芯，芯具有以轴向流动布置的压缩机，燃烧器和涡轮区段，其中至少一个旋转叶片安装到压缩机和涡轮区段中的轴上，并且静止壳体围绕至少一个叶片。至少一个表面声波传感器安装在至少一个叶片或壳体中的一个上并产生电磁信号。与表面声波传感器通信的天线用于接收电磁信号；并且计算机系统被构造成从天线接收电磁信号并将电磁信号转换为间隙值。

Description

测量涡轮发动机中的叶片间隙的系统和方法

技术领域

本说明书涉及一种用于测量涡轮发动机中的间隙(尤其是发动机的叶片和壳体之间的间隙)的系统/方法。

背景技术

涡轮发动机，特别是燃气涡轮发动机，是从通过发动机的燃烧气体流中提取能量到多个旋转涡轮叶片上的旋转发动机。需要实时测量涡轮发动机的物理方面，例如涡轮发动机叶片的尖端与其周围壳体之间的叶片间隙。

发明内容

在一个方面，本公开涉及一种用于测量涡轮发动机的移动和静止部件之间的间隔的系统。该系统包括涡轮发动机，该涡轮发动机具有芯，该芯具有以轴向流动布置的压缩机，燃烧器和涡轮区段，其中至少一个旋转叶片安装到压缩机和涡轮区段中的轴上，并且静止壳体围绕至少一个叶片。至少一个表面声波传感器安装在至少一个叶片或壳体中的一个上并产生电磁信号。与表面声波传感器通信的天线用于接收电磁信号；并且计算机系统被构造成从天线接收电磁信号并将电磁信号转换为间隙值。

在另一方面，本公开涉及一种测量涡轮发动机的移动部件和静止壳体之间的间隙的方法。该方法包括将至少一个表面声波传感器附接到移动部件或静止壳体中的一个，使部件旋转，在表面声波传感器处测量信号；将来自表面声波传感器的信号发送到与计算机系统通信的接收器；在计算机系统处接收信号；以及将信号转换成表示移动部件和静止壳体之间的间隙的间隙值。

附图说明

在附图中：

图1是用于飞行器的燃气涡轮发动机的示意性横截面图。

图2a和2b分别是包括无线延迟SAW传感器和无线谐振器SAW传感器的表面声波(SAW)传感器的示意图。

图3是应用于图1的涡轮发动机的叶片的SAW传感器的示例性实施例的图示。

图4是利用SAW传感器测量图3的叶片的间隔或间隙的系统。

具体实施方式

本文描述的本公开的方面涉及使用能够测量涡轮发动机的压缩机或涡轮区段中的叶片与涡轮发动机壳体之间的间隙的自驱动间隙测量系统。当叶片和壳体之间的间隔变窄或变宽时，系统可以通过测量压力的变化来测量间隙。该差压信号可以转换成电子波，然后可以由计算机系统处理以获得间隙值形式的数据或值。

出于说明的目的，将关于用于飞行器燃气涡轮发动机的涡轮描述本公开。然而，应该理解的是，本文描述的本公开的方面不限于此并且可以在包括压缩机的发动机内以及在非飞行器应用(诸如其他移动应用和非移动工业，商业和住宅应用)中具有普遍适用性。

如本文所用，术语“前”或“上游”是指在朝向发动机入口的方向上移动，或者部件与另一个部件相比相对更靠近发动机入口。与“前”或“上游”结合使用的术语“后”或“下游”是指朝向发动机后部或出口的方向，或与另一个部件相比相对更靠近发动机出口。另外，如本文所用，术语“径向”或“径向地”是指在发动机的中心纵向轴线和外部发动机圆周之间延伸的尺寸。此外，如这里所使用的，术语“组”或一“组”元件可以是任何数量的元件，包括仅一个元件。

所有方向参考(例如，径向，轴向，近侧，远侧，上，下，向上，向下，左，右，侧向，前，后，顶部，底部，上方，下方，竖直，水平，顺时针，逆时针，上游，下游，向前，向后等)仅用于识别目的以帮助读者理解本公开，并且不产生限制，特别是关于本文所描述的本公开的方面的位置，取向或用途。连接参考(例如，附接，联接，连接和连结)将被广义地解释，并且除非另有指示，否则可包括元件的集合之间的中间构件和元件之间的相对移动。因此，连接参考不必推断两个元件直接连接并且处于彼此固定关系。示例性附图仅用于说明的目的，并且附图中反映的尺寸，位置，顺序和相对大小可以变化。

参考图1，发动机10具有大致纵向延伸的轴线或中心线12，其从前部14延伸至后部16。发动机10以下游串行流动关系包括：风扇区段18，其包括风扇20；压缩机区段22，其包括增压器或低压(LP)压缩机24和高压(HP)压缩机26；燃烧区段28，其包括燃烧器30；涡轮区段32，其包括HP涡轮34，LP涡轮36；和排气区段38。

风扇区段18包括围绕风扇20的风扇壳体40。风扇20包括绕中心线12径向设置的多个风扇叶片42。HP压缩机26，燃烧器30和HP涡轮34形成发动机10的芯44，其产生燃烧气体。芯44由芯壳体46围绕，芯壳体46可与风扇壳体40联接。

绕发动机10的中心线12同轴布置的HP轴或线轴48将HP涡轮34驱动地连接到HP压缩机26。在较大直径的环形HP线轴48内绕发动机10的中心线12同轴设置的LP轴或线轴50将LP涡轮36驱动地连接到LP压缩机24和风扇20。线轴48,50可绕发动机中心线旋转并联接到多个可旋转元件，多个可旋转元件可共同限定转子51。

LP压缩机24和HP压缩机26分别包括多个压缩机级52,54，其中一组压缩机叶片56,58相对于相应的一组静态压缩机轮叶60,62(也称为喷嘴)旋转，以压缩或加压通过该级的流体流。在单个压缩机级52,54中，多个压缩机叶片56,58可以设置成环，并且可以相对于中心线12从叶片平台径向向外延伸到叶片尖端，而相应的静态压缩机轮叶60,62定位在旋转叶片56,58的上游并与旋转叶片56,58相邻。应注意，图1中所示的叶片，轮叶和压缩机级的数量仅被选择用于说明目的，并且其他数量是可能的。

用于压缩机级的叶片56,58安装到盘61，盘61安装到HP和LP线轴48,50中的相应一个，其中每个级具有其自己的盘61。用于压缩机级的轮叶60,62以周向布置安装到芯壳体46。

HP涡轮34和LP涡轮36分别包括多个涡轮级64,66，其中一组涡轮叶片68,70相对于相应的一组静态涡轮轮叶72,74(也称为喷嘴)旋转，以从通过该级的流体流中提取能量。在单个涡轮级64,66中，多个涡轮叶片68,70可以设置成环，并且可以相对于中心线12从叶片平台径向向外延伸到叶片尖端，而相应的静态涡轮轮叶72,74定位在旋转叶片68,70的上游并与旋转叶片68,70相邻。应注意，图1中所示的叶片，轮叶和涡轮级的数量仅被选择用于说明目的，并且其他数量也是可能的。

用于涡轮级的叶片68,70可以安装到盘71，盘71安装到HP和LP线轴48,50中的相应一个，其中每个级具有专用盘71。用于压缩机级的轮叶72,74可以以周向布置安装到芯壳体46。

与转子部分互补，发动机10的静止部分(例如压缩机区段22和涡轮区段32中的静态轮叶60,62,72,74)也单独地或共同地称为定子63。这样，定子63可以指整个发动机10中的非旋转元件的组合。

在操作中，离开风扇区段18的气流分开，使得一部分气流被引导到LP压缩机24中，然后LP压缩机24将加压空气76供应到HP压缩机26，HP压缩机26进一步加压空气。来自HP压缩机26的加压空气76与燃烧器30中的燃料混合，在燃烧器30中燃料燃烧，从而产生燃烧气体。HP涡轮34从这些气体中提取一些功，其驱动HP压缩机26。HP涡轮机34将燃烧气体排放到LP涡轮36中，LP涡轮36提取额外的功以驱动LP压缩机24，并且排气最终经由排气区段38从发动机10排出。LP涡轮36的驱动对LP线轴50进行驱动，以使风扇20和LP压缩机24旋转。

一部分加压气流76可以从压缩机区段22中抽出作为引气77。引气77可以从加压气流76中抽出并提供给需要冷却的发动机部件。进入燃烧器30的加压气流76的温度显著增加。因此，由引气77提供的冷却对于在升高的温度环境中操作这种发动机部件是必要的。

剩余部分的气流78绕过LP压缩机24和发动机芯44，并通过静止的轮叶排(更具体地，出口导向轮叶组件73)离开发动机组件10，出口导向轮叶组件73包括风扇排气侧79处的多个翼型件导向轮叶75。更具体地，在风扇区段18附近使用周向的一排径向延伸的翼型导向轮叶75，以对气流78施加一些方向控制。

由风扇20供应的一些空气可绕过发动机芯44并用于冷却发动机10的部分(尤其是热部分)，和/或用于冷却或驱动飞行器的其他方面。在涡轮发动机的情况下，发动机的热部分通常在燃烧器30(尤其是涡轮区段32)的下游，其中HP涡轮34是最热部分，因为它直接位于燃烧区段28的下游。其他冷却流体源可以是但不限于从LP压缩机24或HP压缩机26排出的流体。

图2a和2b描绘了无线无源声波传感器的示例性实施例，也称为SAW传感器80。SAW传感器80可以具有不同的架构，例如无线延迟SAW传感器81或无线谐振器SAW传感器83。在任何一种情况下，SAW传感器80都构建在压电基片92上，压电基片92的工作原理是压电效应。SAW传感器80转换可容易受物理现象影响的输入电磁波。然后，该设备将该波转换回电磁信号。输入和输出电磁信号(相位，频率或幅度)之间的变化可用于测量所需现象的变化，例如压力的变化。

在图2a和2b所示的特定实施例中，SAW传感器80可包括传感元件84和传输元件86，其可用作收发器以向SAW传感器80发送信号和从SAW传感器80接收信号。SAW传感器80还可以包括形成在压电基片92上的输入叉指式换能器88和/或输出叉指式换能器90。例如，典型的延迟线SAW传感器81包括输入叉指式换能器88和输出叉指式换能器90，而典型的谐振器SAW传感器83包含用作输入和输出换能器的叉指式换能器91与反射器93。如在典型的延迟SAW传感器中，线性延迟94或间隔在换能器88,90之间。SAW传感器80的重要特征是传感器存储能量的能力。然后，SAW传感器80可以在没有任何有源部件(即，没有任何电源)的情况下隔离操作。连接到输入换能器88的传输元件86接收信号，输入换能器88,91将它们转换成压电基片92上的表面声波，并将使SAW传感器80“存储”能量。基片上的输出换能器90,91或反射器93将更改的表面声波反射到输入换能器88，然后输入换能器88将这些更改的表面声波转换成由传输元件86发射的电磁响应信号。

一个或多个电引线96提供输出换能器90,91和传输元件86之间的电连通。压电基片92可以由压电材料构成，该压电材料可以在高达约1500℃的温度下起作用。一些示例性压电基片包括硅酸镓镧(La3Ga5SiO14)，铌酸锂(LiNbO3)，磷酸铝(AlPO4)，四硼酸锂(Li2B4O7)和磷酸镓(GaPO4)。另外，输入和输出叉指式换能器88,90,91可以由沉积在压电基片92上的金属膜制成的一系列交错电极组成。SAW传感器的其他架构也可以用于符合本发明的要求。

图3描绘了SAW传感器80在涡轮发动机10的叶片56上的使用。在典型情况下，涡轮发动机10的壳体46被组装，并且SAW传感器80可以通过用于检查涡轮发动机10的部件的管道镜孔附接到叶片56。SAW传感器80可以位于靠近壳体46的附近的点处的任何给定叶片56的端部或尖端处。SAW传感器80用于测量叶片56的尖端和壳体46之间的间隔G。SAW传感器80可以用胶水，蜡或其他粘性或粘附物质附接到叶片56上。在示例性实施例中，预期SAW传感器80可以可移除地附接到叶片56，因此其可以在测试或测量完成之后重复使用。SAW传感器80可以通过其插入的管道镜孔移除，或者其可以留在叶片56上，在那里它将在性能测试期间被烧掉。

还如图3中所示，接收器100可以附接在传感器80附近，在壳体46的内部或外部。与SAW传感器80类似，预期用胶水，蜡或其他粘性物质将接收器100附接到壳体46。接收器100可以与SAW传感器80无线通信，用于向SAW传感器80发送电磁信号126和从SAW传感器80接收电磁信号126。

图4描绘了用于测量如图3所示的叶片56和壳体46之间的间隙或间隔G的示例性系统110。系统110可包括一个或多个SAW传感器80，一个或多个接收器100，以及用于处理电磁信号126的计算机系统120。接收器100可以包括天线122，用于向SAW传感器80和计算机系统120发送电磁信号以及从SAW传感器80和计算机系统120发送电磁信号。计算机系统120可以是例如Windows计算设备，Unix计算设备，Linux计算设备，AppleOSX计算设备，Apple iOS计算设备或Android计算设备。计算机系统120可包括逻辑，电路，接口和/或代码，其可操作以接收，转换和操纵来自SAW传感器80的电磁信号126。在示例性实施例中，计算机系统120可以被构造为以SAW传感器80读取的压力值的形式从SAW传感器80接收电磁信号126，并且具有可执行代码，其被构造成将压力值转换为间隙值，用于确定叶片56和壳体46之间的间隙或间隔G。计算机系统120可以设置有图形用户界面128，用于显示传感器电信号126和相关间隙值的实时监控。

在操作中，远程间隙感测可以在涡轮发动机10使用的所有阶段期间由系统110完成。在旋转使叶片56相对于静止壳体46转动的转子51时，计算机系统120可以使电磁信号126经由天线122发送到SAW传感器80。电磁信号126可以由输入叉指式换能器88,91接收并转换成机械或表面声波。表面声波沿着压电基片92的表面传播，其中波可以通过其物理环境的变化而被更改。声波的更改或变化意味着波特性(例如，频率或延迟)的变化。输出叉指式换能器90,91接收更改的声波，并将更改的声波转换回更改的电磁信号。更改的电信号126反映了当波为机械波形式时对波的改变。更改的电磁信号126可以传输回天线122，并传输到计算机系统120上以进行处理。计算机系统120将电磁信号126转换成反映间隔G的间隙值。转换的间隙间隔G的精度通常在约千分之一英寸内。

应当理解，所公开的设计的应用不限于具有风扇和增压器区段的涡轮发动机，而是也适用于涡轮喷气发动机和涡轮发动机。

在未描述的范围内，各个实施例的不同特征和结构可以组合使用，或者根据需要彼此替代。在所有实施例中未示出的一个特征并不意味着被解释为不能如此示出，而是为了描述的简洁而这样做。因此，可以根据需要混合和匹配不同实施例的各种特征以形成新的实施例，无论是否明确地描述了新的实施例。本公开内容涵盖本文描述的特征的所有组合或置换。

本公开的各种特征，方面和优点还可以体现在本公开的方面的任何置换中，包括但不限于在列举的方面中限定的以下技术方案：

1.一种用于测量涡轮发动机的移动和静止部件之间的间隔的系统，包括：

涡轮发动机，涡轮发动机具有芯，芯具有以轴向流动布置的压缩机，燃烧器和涡轮区段，其中至少一个旋转叶片安装到压缩机和涡轮区段中的转子，并且静止壳体包围至少一个叶片；

至少一个表面声波传感器，至少一个表面声波传感器安装在至少一个叶片或壳体中的一个上，并产生电磁信号；

天线，天线与表面声波传感器通信，用于接收电磁信号；和

计算机系统，计算机系统被构造成从天线接收电磁信号，并将电磁信号转换为间隙值。

2.根据方面1所述的系统，其中表面声波传感器具有压电基片，该压电基片由硅酸镓镧(La3Ga5SiO14)，铌酸锂(LiNbO3)，磷酸铝(AlPO4)，四硼酸锂(Li2B4O7)和磷酸镓(GaPO4)中的一种组成。

3.根据方面1-2所述的系统，其中计算机系统具有实时监控图形用户界面。

4.根据方面1-3所述的系统，其中至少一个表面声波传感器可拆卸地安装在至少一个叶片的尖端处。

5.根据方面4所述的系统，其中至少一个表面声波传感器胶合在至少一个叶片的尖端上。

6.根据方面5所述的系统，进一步包括接收器，用于向至少一个表面声波传感器发送和接收电磁信号。

7.根据方面6所述的系统，其中接收器安装在壳体的内部，靠近至少一个叶片的尖端。

8.根据方面7所述的系统，其中接收器安装在壳体的外部。

9.根据方面7所述的系统，其中接收器胶合到壳体的内部。

10.根据方面1-9所述的系统，其中声波传感器接收电磁信号，并将电磁信号转换为机械波信号。

11.根据方面10所述的系统，其中表面声波信号测量叶片的尖端和壳体之间的压力变化。

12.根据方面11所述的系统，其中表面声波传感器将机械波信号转换为第二电磁波信号。

13.一种用于测量涡轮发动机中的移动部件和静止壳体之间的间隔的方法，包括：

将至少一个表面声波传感器附接到移动部件或静止壳体中的一个上；

使部件旋转；

在表面声波传感器处测量信号；

将来自表面声波传感器的信号发送到与计算机系统通信的接收器；

在计算机系统处接收信号；和

将信号转换为指示移动部件和静止壳体之间的间隙的间隙值。

14.根据方面13所述的方法，其中至少一个表面声波传感器可拆卸地附接在叶片的尖端处。

15.根据方面14所述的方法，其中通过涡轮发动机中的管道镜孔来接近叶片的尖端。

16.根据方面14所述的方法，其中至少一个表面声波传感器胶合在叶片的尖端上。

17.根据方面15所述的方法，进一步包括在完成之后，通过管道镜孔移除至少一个表面声波传感器。

18.根据方面13-17所述的方法，进一步包括将接收器可拆卸地附接到移动部件或静止壳体中的另一个，用于向至少一个表面声波传感器发送和接收电磁信号。

19.根据方面18所述的方法，其中接收器安装在壳体的内部，靠近至少一个叶片的尖端。

20.根据方面19所述的方法，其中接收器胶合到壳体的内部。

本书面描述使用示例来描述本文描述的本公开的各方面，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本公开的各方面，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何合并的方法。本公开的各方面的可获得专利的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于测量涡轮发动机的移动和静止部件之间的间隔的系统，其特征在于，包括：

涡轮发动机，所述涡轮发动机具有芯，所述芯具有以轴向流动布置的压缩机、燃烧器和涡轮区段，其中至少一个旋转叶片安装到所述压缩机和所述涡轮区段中的转子，并且静止壳体包围所述至少一个叶片；

至少一个表面声波传感器，所述至少一个表面声波传感器安装在所述至少一个叶片或壳体中的一个上，并产生电磁信号；

天线，所述天线与所述表面声波传感器通信，用于接收所述电磁信号；和

计算机系统，所述计算机系统被构造成从所述天线接收所述电磁信号，并且将所述电磁信号转换为间隙值。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述表面声波传感器具有压电基片，所述压电基片由硅酸镓镧(La3Ga5SiO14)、铌酸锂(LiNbO3)、磷酸铝(AlPO4)、四硼酸锂(Li2B4O7)和磷酸镓(GaPO4)中的一种组成。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述计算机系统具有实时监控图形用户界面。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述至少一个表面声波传感器可拆卸地安装在所述至少一个叶片的尖端处。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，进一步包括接收器，所述接收器用于向所述至少一个表面声波传感器发送和接收电磁信号。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述接收器安装在所述壳体的内部，靠近所述至少一个叶片的所述尖端。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述接收器安装在所述壳体的外部。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述声波传感器接收电磁信号，并且将所述电磁信号转换成机械波信号。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述表面声波信号测量所述叶片的尖端和所述壳体之间的压力变化。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，其中所述表面声波传感器将所述机械波信号转换成第二电磁波信号。

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