CN111043949A - 一种用于涡轮叶片叶尖间隙检测的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于涡轮叶片叶尖间隙检测的装置，属于发动机在线检测技术领域，应用于涡轮发动机叶片形变的测量。该系统采用的是一种基于电容技术原理的检测技术，主要用于测量涡轮发动机涡轮转子叶尖与发动机机匣之间的间距，主要包括用于叶片间隙测量的电容传感器上极板、下极板、用于数据采集的AD采集模块、用于数据分析的数据处理系统和用于显示叶尖情况的显示模块，结合叶片经过相关位置传感器时刻，电容的变化值判断叶片叶尖与机匣之间的距离，实现对叶尖间隙的实时监测，进而保证发动机的正常工作状态。

Description

一种用于涡轮叶片叶尖间隙检测的装置

技术领域

该发明属于电磁检测领域,特别是距离间隙的测量。

背景技术

在传统的涡轮燃气机中，转子叶片叶尖距离发动机机匣的距离对于发动机的效率具有重要的影响，这是因为叶尖与机匣间隙过大会降低发动机效率，而叶尖与机匣接触则会对发动机造成损伤。研究表明，若叶尖间隙每增加1％，发动机的效率会相应降低3％，同时发动机的燃油消耗会增大10％，因此将叶尖间隙维持在一个较小的最佳状态对于提高发动机的工作效率具有重要的作用。现有技术已存在多种维护燃气轮机叶尖间隙的解决方案。其中一种解决方案是采用机械系统来调整转子叶片周围机匣的径向位置，以提高发动机效率。另一种解决方案是相对于发动机机匣移动转子盘的机械系统，如美国的专利公司就曾公布了一种用于控制叶尖间隙的主动控制系统，通过控制执行器保证叶片尖端与发动机机匣之间的最小设计间隙，然而以上解决叶尖间隙方法良好使用的前提是实现对叶尖间隙的精确测量，研制一种可以实现对叶尖间隙精确测量的技术也是提高发动机效率的关键所在。

涡轮叶片作为航空发动机内部的重要热端部件，保证叶尖间隙始终处于最佳设计状态具有重要的实际意义。由于发动机转子叶片一般工作在高温、高压、高负荷、高转速的环境下，同时测量环境现场还存在如重油污染、异物干扰等复杂情况，复杂的干扰因素对叶尖间隙的准确检测存在较大的挑战。目前主要的叶尖间隙测量方法可以分为两大类：一种是接触式测量方法，另一种是非接触式测量方法。接触式测量技术发展较为成熟，放电探针测量叶尖间距技术作为一种常用的接触式测量技术得到广泛的应用。放电探针测量技术一般用于测量金属叶片的检测，通过利用电火花放电原理，但外界环境的影响，诸如电压波动、探针与叶尖端面因污染磨损造成的形变和阻塞等因素，会改变放电的起始距离，从而导致产生测量误差，采用该方法只能测量叶尖间隙的最小值，不能实时监测每一片叶片对应的叶尖间隙。同时若发生发动机的紧急制动，探针不能及时缩回安全位置，较容易导致发生故障，甚至出现测量事故，导致叶片磨损与损坏。

而非接触式测量技术，拥有众多接触式测量技术所不具有的优点：不与被测物体直接接触，不会对被测物体表面的造成干扰，避免了叶片与探测器直接接触，进一步保证了测量安全，同时非接触式测量技术还具有测量灵敏度高，响应速度较快的特点。激光三角测量技术作为一种常用的非接触式测量技术，通过光路的变化实现间隙的测量，采用激光照射到叶片顶部，当叶尖间隙大小发生变化时，反射光的路径以及路径的长短会发生对应的变化，通过采集检测位置上的反射光点以及相应的光路计算，既可以得到叶尖间隙值的大小。但是基于光学测量技术的检测方法，结构相对较复杂，要求对应的光学传感器长时间工作在高温、振动的恶劣环境，故必须对对应的系统进行保护；同时由于叶片表面经过高温烧蚀，反射系数会发生不同程度的降低，炭黑、油污、灰尘等会严重污染光学镜头及叶尖反射面，最终会导致测量精度下降，测量寿命缩短。因此综合国内外技术发展情况，非接触式测量技术具有较高的应用前景，探究一种性能更高的非接触式测量技术，是未来技术的必然方向。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足与缺陷，通过对现有技术的改进，提供一种结构简单、体积小、分辨率高、非接触式的测量方法，提高在高温、高压、辐射度强、强振动环境下对航空发动机涡轮叶片叶尖间隙的测量精度，提高航空发动机的工作效率。

本发明技术方案为一种用于涡轮叶片叶尖间隙检测的装置，该装置包括：检测探头本体、距离检测系统、位置检测系统、数据处理系统；所述检测探头本体包括：头部和连接部，所述连接部为圆柱形内部设有气体通道，所述头部内部设置有气腔，该气腔与连接部内的气体通道连通，所述头部的顶端设置有气体喷口，气体喷口与气腔连通；所述距离检测系统包括：依次阵列间隔设置于涡轮叶片尖端的五段参照电容、设置于检测探头本体头部顶端的五段收集电容、连接五段收集电容的屏蔽式金属电缆、BNC接头；所述涡轮叶片尖端与五段参照电容之间、检测探头本体头部顶端与五段收集电容之间设置有一层氧化锆陶瓷涂层，所述五段参照电容与五段收集电容间隔方式完全相同且一一对应设置，屏蔽式金属电缆设置于检测探头本体头部的表面凹槽内并与BNC接头连接，BNC接头设置于检测探头本体头部的尾端；所述位置检测系统包括：位于涡轮叶片尖端的键相标记和位于检测探头本体上的键相传感器；键相传感器连接BNC接头,BNC接头连接数据处理系统；数据处理系统通过键相传感器的信号计算出键相标记从而获取涡轮叶片的位置，通过距离检测系统获取涡轮叶片尖端与检测探头本体之间的距离，再根据涡轮叶片的数量计算涡轮叶片叶尖间隙。

进一步的，在一片或均匀间隔的多片涡轮叶片尖端设置五段参照电容，在一片或均匀间隔的多片涡轮叶片尖端设置键相标记；键相标记与五段参照电容设置在同一涡轮叶片尖端；所述气体喷口为4个，形状为长条状，设置于五段收集电容之间。

进一步的，采用物理气相沉积法在涡轮叶片尖端和检测探头本体头部顶端沉积一层氧化锆陶瓷涂层，采用刻蚀技术刻蚀出凹槽，该凹槽深度大于2mm作为键相标记，在其余未刻蚀处采用沉积法沉积出五段金属电容。

进一步的，在探头表面刻蚀凹槽用于埋置屏蔽式金属电缆，埋置屏蔽式金属电缆后采用改性环氧填充胶填充和密封。

本发明采用该技术可以有效克服传统接触式测量技术需要与被测目标接触的缺点，在高温、高压、复杂环境下对发动机叶尖间隙进行监测，通过对电容监测系统的校准，以及电容极板表面的处理，可以有效保证测量结果的准确性，提高系统的测试精度。通过该电容式探测器的应用，可以提高叶尖间隙的检测效率，保证发动机正常工作的同时提高整机的工作效率。

附图说明

图1为电容法叶尖间隙测量原理示意图。

图2为电容法叶尖间隙测量系统结构示意图。

图3为分布电容传感器与键相传感器示意图。

图4为使用键相传感器所得到的位置检测脉冲信号示意图。

图5为电容传感器检测叶尖间隙所得检测信号示意图。

图6为位置脉冲信号与叶尖间隙检测信号对比示意图。

图7为冷气吹扫系统的结构示意图

图中：101.叶尖间隙测量探头，102.信号放大模块，103.数据处理模块，104.叶尖间隙显示模块，105.总体控制系统，106.PID反馈算法，107.冷气吹扫系统，301.高精度位置检测传感器，303.参考电容极板，302.电容极板，303.参考电容极板，304.氧化锆陶瓷涂层，701.气腔，702.气管，703.气体喷口，704.螺纹，705.BNC接头；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例1

该发明所述的一种涡轮叶片叶尖间隙在线检测系统，针对叶尖间隙的检测原理主要在于：当发动机叶片发生热胀冷缩现象时，对应的各个叶片叶尖间隙将会发生一定变化，而电容与极板正对面积以及电极距离之间满足以下要求：

其中ε₀表示真空中的介电常数，ε_r板间介质的介电常数，S表示极板正对面积，d表示极板之间的距离。当叶尖间隙发生变化时，表现在上述表达式中即为极板间距d发生变化，通过检测电容的变化情况，可以反演得到叶片间隙情况。

如图2所示，该发明是一种涡轮叶片叶尖间隙在线检测系统，主要包括：分布式测试探头101、高精度屏蔽式金属电缆、高精度位置检测模块、电容校准系统、数据采集系统102、数据处理系统103、叶尖间隙实时显示系统104、控制系统105、叶尖间隙反馈调节系统106以及纯净气体吹扫设备107；所述的分布式电容式测试探头包括：用于电荷收集的电容极板，用于信号传输的高精度屏蔽式金属电缆以及用于准确定位的高精度位置检测设备，当叶片发生膨胀或者收缩时，电容探测器输出信号发生相应的变化，经过AD采集模块，将采集到的电压信号经由数据处理系统处理后，通过叶尖间隙实时显示系统显示给用户。

如图3所示，一种涡轮叶片叶尖间隙在线检测系统，包含一个高精度电容检测系统，该电容监测系统采用分布式电容结构，将五段电容极板302均匀分布在叶片尖端，同时在机匣的对应位置分布相同数量的电容上极板303。在叶片的尖端及电容探头的尖端采用电子束物理气相沉积形成钇稳定氧化锆陶瓷涂层304，利用物理气相淀积在氧化锆陶瓷涂层上淀积具有良好导电性的高温合金形成电容极板，当叶尖间隙发生变化时，会引起相应的电容变化。电容检测模块的信号通过数据总线的形式传出，每一段电容均连接有数据传输线，通过位于传感器探针上的BNC接头705输出给外部数据检测装置。

如图3所示，一种涡轮叶片叶尖间隙在线检测系统，包含一个高精度位置检测模块301，该位置检测模块包括一个位于叶片尖端的键相标记，以及一个安装于机匣键相传感器，每旋转周期内会产生一次脉冲信号，通过对应脉冲信号与检测到的电容传感器信号可以对整个涡轮叶片进行精确定位，以便于检测到的各电压值与涡轮叶片精确对应，实现对个叶片叶尖间隙的实时监测。在涡轮盘中选择一片叶片，在该叶片尖端设置一个键相标记，并将该叶片设置为叶片1号，当该叶片旋转一周时，会产生一个对应的脉冲信号，对应图4中脉冲信号，此时监测到的电容信号如图5中1号信号，通过对比位置信号与叶尖间隙检测信号，如图6所示，可以将叶尖间隙电容信号与涡轮叶片位置一一对应，如果系统出现故障，可以快速准确定位对应叶片信息。

一种涡轮叶片叶尖间隙在线检测系统，包含一个电容校准系统，由于实际情况中叶片不能直接与发动机机匣保持紧密接触，故上述电容传感器必然可以检测到电容信号，考虑到测量过程中，叶尖间隙引起的电容信号的变化是微小的，故需要消除电路中的分布电容及杂散电容等，利用锁相环载频跟踪系统，对检测到的电容信号进行调制解调，将发动机工作前的板间电容进行测量，此时所检测到的结果记为C1，该测试结果包含叶尖间隙电容及系统中的分布电容及杂散电容，当发动机正常工作状态时，记录板间电容C2，此时由于叶尖间隙变化而引起的电容误差ΔC＝C2-C1，通过电容校准系统可以有效消除分布电容对叶尖间隙测量的误差。

一种涡轮叶片叶尖间隙在线检测系统，包含一个纯净气体吹扫系统，如图7所示，该冷气吹扫系统主要通过螺旋结构704与外部气源连接，所示的螺栓结构采用直径为16mm，螺间距为0.5mm的细牙螺纹，实际安装过程中采用螺纹胶涂敷，保证安装的气密性。该冷气吹扫系统具有均匀分布于电容传感器周围的气管702，设计直径尺寸为1mm，保证吹扫气体具有足够大的流速，同时在该毛细管的前端设置有效引导气流的导流板，保证吹扫气体的正确吹扫方向。在发动机实际工作过程中，往往会存在一些未充分燃烧的粒子，以及极板之间可能会存在一些燃烧副产物，当这些物质附着于电容极板表面时，必然会导致板间介电常数发生变化，进而影响电容信号的准确性，该冷气吹扫系统的存在一方面可以将未充分燃烧的分子吹离电容极板表面，保证测量的准确性，另一方面，该吹扫系统可以充当整个传感器系统的冷却保护气体，保证系统不会因为环境温度过高而损坏。

Claims (4)

1.一种用于涡轮叶片叶尖间隙检测的装置，该装置包括：检测探头本体、距离检测系统、位置检测系统、数据处理系统；所述检测探头本体包括：头部和连接部，所述连接部为圆柱形内部设有气体通道，所述头部内部设置有气腔，该气腔与连接部内的气体通道连通，所述头部的顶端设置有气体喷口，气体喷口与气腔连通；所述距离检测系统包括：依次阵列间隔设置于涡轮叶片尖端的五段参照电容、设置于检测探头本体头部顶端的五段收集电容、连接五段收集电容的屏蔽式金属电缆、BNC接头；所述涡轮叶片尖端与五段参照电容之间、检测探头本体头部顶端与五段收集电容之间设置有一层氧化锆陶瓷涂层，所述五段参照电容与五段收集电容间隔方式完全相同且一一对应设置，屏蔽式金属电缆设置于检测探头本体头部的表面凹槽内并与BNC接头连接，BNC接头设置于检测探头本体头部的尾端；所述位置检测系统包括：位于涡轮叶片尖端的键相标记和位于检测探头本体上的键相传感器；键相传感器连接BNC接头,BNC接头连接数据处理系统；数据处理系统通过键相传感器的信号计算出键相标记从而获取涡轮叶片的位置，通过距离检测系统获取涡轮叶片尖端与检测探头本体之间的距离，再根据涡轮叶片的数量计算涡轮叶片叶尖间隙。

2.如权利要求1所述的一种用于涡轮叶片叶尖间隙检测的装置,其特征在于在一片或均匀间隔的多片涡轮叶片尖端设置五段参照电容，在一片或均匀间隔的多片涡轮叶片尖端设置键相标记；键相标记与五段参照电容设置在同一涡轮叶片尖端；所述气体喷口为4个，形状为长条状，设置于五段收集电容之间。

3.如权利要求1所述的一种用于涡轮叶片叶尖间隙检测的装置,其特征在于采用物理气相沉积法在涡轮叶片尖端和检测探头本体头部顶端沉积一层氧化锆陶瓷涂层，采用刻蚀技术刻蚀出凹槽，该凹槽深度大于2mm作为键相标记，在其余未刻蚀处采用沉积法沉积出五段金属电容。

4.如权利要求1所述的一种用于涡轮叶片叶尖间隙检测的装置,其特征在于在探头表面刻蚀凹槽用于埋置屏蔽式金属电缆，埋置屏蔽式金属电缆后采用改性环氧填充胶填充和密封。

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