CN111426262B - 一种高温叶尖间隙传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温叶尖间隙传感器，包括：一壳体，呈空心圆筒状；一受感头，嵌入固定在所述壳体前端的内孔中；一插座，固定连接在所述壳体的后端，由外至内包括相互绝缘设置的外壳，中间层和内芯，外壳与所述壳体导电性固定连接；一连接段，呈空心圆筒状，相隔一定径向间隙地同轴设置在所述壳体的内孔中且与壳体相互绝缘，其前端与受感头相抵接并相互绝缘，后端与所述插座的中间层导电性固定连接；一锥极延长杆，同轴设置在所述连接段的内孔中，其前端与所述受感头导电性固定连接，后端与所述插座的内芯导电性固定连接。本发明减小了线路上的寄生电容、改善了测量结果，优化了结构和尺寸、加工和装配方便，同时还显著增强信号电容的采集量。

Description

一种高温叶尖间隙传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别地，涉及一种高温叶尖间隙传感器。

背景技术

在我国航空发动机研发与试验的过程中，叶尖间隙对压气机和涡轮的效率、发动机的油耗以及稳定性的影响相当显著。在目前国内已有的叶尖间隙测试方案中，500℃以下的工作环境使用的是自行研制生产的电容式传感器，超过500℃则需要从国外定制的专用电容式传感器以满足试验需要。

然而，现有自行研制电容式叶尖间隙传感器受到材料、工艺等因素的影响，只能工作在500℃以下的环境中，无法满足燃气涡轮、动力涡轮等高温部件试验的需求。在航空发动机研制与试验过程中，由于型号众多，对于叶尖间隙测量各有其不同的测试技术要求，通过国外定制传感器供货周期长且涉及保密工作，只能暂时应急，并不能满足研究与试验需求。其次，现有的电容式叶尖间隙传感器结构较复杂，某些零部件之间的装配和焊接难度较大，容易导致绝缘性、牢固性等重要性能不达标，并且由于传感器本体存在较长的电缆，因此在测量端会携带较大的寄生电容，对测量结果产生干扰，影响检测精度。

发明内容

本发明提供了一种高温叶尖间隙传感器，以解决现有电容式叶尖间隙传感器不能适应高温环境、结构复杂、测量结果存在较大误差的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种高温叶尖间隙传感器，包括：

一壳体，呈空心圆筒状；

一受感头，嵌入固定在所述壳体前端的内孔中，用于采集与机匣内叶尖之间的电容值；

一插座，固定连接在所述壳体的后端，由外至内包括相互绝缘设置的外壳，中间层和内芯，与所述壳体导电性固定连接；

一连接段，呈空心圆筒状，相隔一定径向间隙地同轴设置在所述壳体的内孔中且与壳体相互绝缘，其前端与受感头相抵接并相互绝缘，后端与所述插座的中间层导电性固定连接；

一锥极延长杆，相隔一定径向间隙地同轴设置在所述连接段的内孔中且与所述连接段相互绝缘，其前端与所述受感头导电性固定连接，后端与所述插座的内芯导电性固定连接。

进一步地，所述受感头由外至内依次包括同轴设置的圆筒状外环、定心环、锥极，所述外环与所述壳体导电性固定连接，所述锥极的前设置有锥形部，后端延伸至连接段的内孔中与锥极延长杆导电性固定连接，所述定心环的材料为高温陶瓷，所述定心环、锥极的材料为高温金属或合金。

进一步地，所述高温陶为氧化铝陶瓷，所述定心环、锥极的材料为金属铂。

进一步地，所述连接段前端的内周壁与所述锥极之间固定设置有绝缘性的前端固定环。

进一步地，所述连接段后端的外周壁与壳体的内周壁之间固定设置有绝缘性的后端固定环。

进一步地，所述壳体和连接段之间的空隙中、所述连接段与锥极延长杆之间的空隙中均填充设置有绝缘性耐高温填料。

进一步地，所述绝缘性耐高温填料的材料为耐热水泥。

进一步地，还包括插座转接装置，所述插座转接装置的一端与所述壳体的后端导电性固定连接，另一端与所述插座的外壳导电性固定连接；

或者，

所述插座转接装置包括导电性固定连接为一体的尾部环和转接座，所述尾部环的另一端与所述壳体的后端导电性固定连接，所述转接座的内孔与所述插座的外壳导电性固定连接。

进一步地，所述导电性固定连接均采用激光焊接固定，所述壳体、连接段和锥极延长杆的材料为GH3128。

进一步地，所述壳体包括一圆筒状主外壳、一体式设置在主外壳外周壁上的连接部，所述主外壳上还活动套设有与所述连接部相配合将整个壳体固定在叶轮外罩上的垫片。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的叶尖间隙传感器通过在壳体内设置锥极延长杆的方式代替三同轴线和同轴电缆，将插座通过锥极延长杆直接连接受感头，从而减小了线路上的寄生电容，改善了测量结果，缩短了传感器的尺寸，优化了结构、加工和装配方便；同时利用金属连接段进行传感器内部的多层感应设计，提高传感器本体的结构强度的同时，还作为信号增强器件，显著增强信号电容的采集量，满足发动机高温部件试验对于叶尖间隙测量的需求；结构简单紧凑、维修方便，一体式封装还满足了涉及军工科研生产的保密要求。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的剖视示意图；以及

图2是本发明优选实施例的立体示意图。

图3是本发明优选实施例的受感头剖视示意图。

图4是本发明优选实施例的电容式叶尖间隙测量原理示意图。

图中所示：1、受感头；101、外环；102、定心环；103、锥极；2、前端固定环；3、连接段；4、锥极延长杆；5、垫片；6、壳体；61、主外壳；62、连接部；7、填料；8、后端固定环；9、尾部环；10、转接座；11、插座；12、叶尖；13、传感器与叶尖之间的遮盖处；B、C、D、E、F、H、G为焊接点。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1和图2，本发明的优选实施例提供了一种高温叶尖间隙传感器，包括：

一壳体6，呈空心圆筒状；

一受感头1，嵌入固定在所述壳体6前端的内孔中，用于采集与机匣内叶尖之间的电容值；

一插座11，固定连接在所述壳体6的后端，由外至内包括相互绝缘设置的外壳，中间层和内芯，与所述壳体6导电性固定连接；

一连接段3，呈空心圆筒状，相隔一定径向间隙地同轴设置在所述壳体6的内孔中且与壳体6相互绝缘，其前端与受感头1相抵接并相互绝缘，后端与所述插座11的中间层导电性固定连接；

一锥极延长杆4，相隔一定径向间隙地同轴设置在所述连接段3的内孔中且与所述连接段3相互绝缘，其前端与所述受感头1导电性固定连接，后端与所述插座11的内芯导电性固定连接。

本实施例的高温叶尖间隙传感器为电容式传感器，其测量原理是：安装在叶轮外罩上的传感器的电极与旋转叶片的叶尖之间形成电容，该电容值与传感器与叶尖之间的距离(叶尖间隙)成反比，通过测量传感器与叶尖之间的电容即可测量出叶尖间隙。本实施例中，所述插座11为三同轴电连接器，其外壳，中间层和内芯相互绝缘，所述插座11的外壳与壳体6电路连接，形成电容信号的负极板端。所述插座11的内芯通过锥极延长杆4与受感头1电路相联，形成电容信号的正极板端。所述插座11的中间层与连接段3电路相联，为电容信号增强端，可增强信号电容的采集量。本实施例通过将插座11(也即三同轴电连接器)与壳体6进行刚性连接，完成信号输出接口与传感器本体的一体化设计，增加传感器结构强度的同时，还减小了传输线路的寄生电容。

可以理解的是，本实施例提供的叶尖间隙传感器通过在壳体6内设置锥极延长杆4的方式代替现有三同轴线和同轴电缆，将插座11通过锥极延长杆4直接连接受感头1，从而减小了线路上的寄生电容，改善了测量结果，缩短了传感器的尺寸、结构简单紧凑、加工和装配更方便；同时传感器内部采用包含连接段3的多层感应设计，既提高了传感器本体的结构强度，还可作为信号增强器件，显著增强信号电容的采集量，连接段3的设置相当于在两个电容极板之间又增加了一个极板(连接段)，根据电容工作原理，连接段3可感应受感头1得到的电容信号，为电容信号增强端(此为电容传感器的多层感应设计)，从而满足发动机高温部件试验对于叶尖间隙测量的需求。

在本发明的优选实施例中，如图3所示，所述受感头1由外至内依次包括同轴设置的圆筒状外环101、定心环102、锥极103，所述外环101与所述壳体6导电性固定连接，所述锥极103的前设置有锥形部，后端延伸至连接段3的内孔中与锥极延长杆4导电性固定连接，所述定心环102的材料为高温陶瓷，所述高温陶选用99.9％氧化铝陶瓷，所述定心环102、锥极103的材料为高温金属或合金，如金属铂。

本实施例中，所述受感头1采用一体化设计，作用是采集电容信号，其中，本实施例将锥极103、定心环102和外环101加工成一个零件，锥极103的材料为金属铂，由于金属铂在高温下仍然有良好的强度和导电性，同时加工性能良好，因此该受感头1能耐1100℃以内的高温，增强了受感头1的高温耐受能力并且为整个传感器的装配提供便利，满足发动机高温部件试验对于叶尖间隙测量的需求，本实施例的高温叶尖间隙传感器安装于叶轮外罩，能测量2mm以内的叶尖间隙。

在本发明的优选实施例中，所述连接段3前端的内周壁与所述锥极103之间固定设置有绝缘性的前端固定环2，前端固定环2作为连接段3和所述锥极103之间的支撑件，同时保证绝缘，由于靠近热端，所述前端固定环2由耐高温的绝缘材料制成，如高温陶瓷，能够很好的限制所述连接段3与所述锥极103之间的相对位置，确保传感器内部各结构相对位置的稳定性可靠性，有利于显著增强信号电容的采集量，以提升传感器的性能，本实施例中，所述前端固定环2的内外径之差为2mm。

在本发明的优选实施例中，所述连接段3后端的外周壁与壳体6的内周壁之间固定设置有绝缘性的后端固定环8。后端固定环8为连接段3和壳体6之间的支撑件，同时保证绝缘，所述后端固定环8由耐高温的绝缘材料制成，材料同样选用高温陶瓷，能够很好的限制所述连接段3与所述壳体6之间的相对位置，确保传感器内部各结构的相对位置的稳定性可靠性，有利于显著增强信号电容的采集量，以提升传感器的性能，所述后端固定环8的内外径之差为1-2mm。

在本发明的优选实施例中，所述壳体6和连接段3之间的空隙中、所述连接段3与锥极延长杆4之间的空隙中均填充设置有绝缘性耐高温填料7。本实施例中，所述绝缘性耐高温填料7的材料选用绝缘值不小于10MΩ的耐热水泥，既能够增加传感器的整体结构强度，同时能够承受上千度的高温，满足发动机高温环境下的叶尖间隙测量的需求。

本发明的优选实施例中，所述高温叶尖间隙传感器还包括插座转接装置，所述插座转接装置的一端与所述壳体6的后端导电性固定连接，另一端与所述插座11的外壳导电性固定连接。本实施例中，所述插座11的外壳通过插座转接装置与所述壳体6相联，形成电容信号的负极板端，所述插座转接装置一方面起到连接作用，同时对插座11起到一定的保护作用。

在本发明的优选实施例中，所述插座转接装置包括导电性固定连接为一体的尾部环9和转接座10，所述尾部环9的另一端与所述壳体6的后端导电性固定连接，所述转接座10的内孔与所述插座11的外壳导电性固定连接。本实施中，所述插座转接装置包括可分别加工的尾部环9和转接座10，尾部环9和转接座10在分别加工后可以通过焊接的方式连为一体，形成插座转接装置，从而降低加工难度。

如图1所述，上述实施例中，所述导电性固定连接均采用激光焊接固定，如图1中B、C、D、E、F、H、G均为激光焊接处，其中，B处为壳体6与受感头1之间的激光焊接处，C处为锥极103和锥极延长杆4之间的激光焊接处，D处为连接段3与插座11的中间层之间的激光焊接处，E处为壳体6和尾部环9之间的激光焊接处，F处为尾部环9和转接座10之间的激光焊接处，H为锥极延长杆4与插座11的内芯之间的激光焊接处，G为插座11的外壳与转接座10之间的激光焊接处，激光焊接实施方便，有效保障传感器的结构强度。

同时，所述壳体6、连接段3和锥极延长杆4的材料为GH3128，GH3128能耐受900℃以上的高温，满足高温检测环境的需要。

在本发明的优选实施例中，所述壳体6包括一圆筒状主外壳61、一体式设置在主外壳61外周壁上的连接部62，所述主外壳61上还活动套设有与所述连接部62相配合将整个壳体6固定在叶轮外罩上的垫片5，垫片5为安装辅助件，与所述连接部62相配合，保证传感器与叶轮外罩的安装牢固、平整。

上述实施例提供的高温叶尖间隙传感器的使用和工作原理如下：

在发动机叶尖间隙测量时，传感器固定在叶片顶端的机匣中，构成电容的一个极，发动机叶片的叶尖12(被测目标)在经过传感器的受感头1前方时构成电容的另外一极，叶尖12必须通过轴承、密封装置、齿轮系统与试验件壳体接地。其工作原理是基于传感器和叶片顶端间的电容，通过预先校准，建立电容与间隙之间的关系，测量的电容是一个与电极几何形状、电极距离以及极间介质的函数，传感器与叶尖12之间形成电容，测量原理示意图如4所示；该电容值与传感器与叶尖12之间的距离(叶尖间隙)成反比，通过测量传感器与叶尖12之间的电容即可测量出叶尖间隙，其表达式如公式(1)所示：

其中：

C—传感器与叶尖12之间的电容；

ε—传感器与叶尖12之间的介电常数；

S—传感器与叶尖之间的遮盖处13的面积；

δ—传感器与叶尖12之间距离(叶尖间隙)。

综上所述，本发明提供的高温叶尖间隙传感器一方面采用了一体式的设计思路，如设置了由耐高温材料制备的一体式的受感头1，信号输出接口与传感器本体直接通过焊接相联的一体化结构设计等，使传感器更加紧凑可靠，由于金属铂的高温性能良好，因此该传感器的受感头1能耐1100℃以内的高温，满足发动机高温部件试验对于叶尖间隙测量的需求。另一方面，本发明利用金属的连接段3进行传感器内部的多层感应设计，增强了信号电容，同时通过锥极延长杆4直接连接受感头1和插座11，消除了寄生电容对于测量的干扰，提高检测精度，缩短了传感器的尺寸，结构简单紧凑、加工和装配方便。由于本发明所提供的高温叶尖间隙传感器可在本单位加工生产，因此供货周期短，维修方便。

本发明提供的高温叶尖间隙传感器经过小批量生产，已在某型航空发动机的部件和整机试验中投入使用，安装方便，工作稳定，测试数据准确。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高温叶尖间隙传感器，其特征在于，包括：

一壳体(6)，呈空心圆筒状；

一受感头(1)，嵌入固定在所述壳体(6)前端的内孔中，用于采集与机匣内叶尖之间的电容值；

一插座(11)，固定连接在所述壳体(6)的后端，由外至内包括相互绝缘设置的外壳、中间层和内芯，外壳与所述壳体(6)导电性固定连接；

一连接段(3)，呈空心圆筒状，相隔一定径向间隙地同轴设置在所述壳体(6)的内孔中且与壳体(6)相互绝缘，其前端与受感头(1)相抵接并相互绝缘，后端与所述插座(11)的中间层导电性固定连接；

一锥极延长杆(4)，相隔一定径向间隙地同轴设置在所述连接段(3)的内孔中且与所述连接段(3)相互绝缘，其前端与所述受感头(1)导电性固定连接，后端与所述插座(11)的内芯导电性固定连接；

所述受感头(1)由外至内依次包括同轴设置的圆筒状外环(101)、定心环(102)、锥极(103)，所述外环(101)与所述壳体(6)导电性固定连接，所述锥极(103)的前端设置有锥形部，后端延伸至连接段(3)的内孔中与锥极延长杆(4)导电性固定连接。

2.根据权利要求1所述的高温叶尖间隙传感器，其特征在于，所述定心环(102)的材料为高温陶瓷，所述定心环(102)、锥极(103)的材料为高温金属或合金。

3.根据权利要求2所述的高温叶尖间隙传感器，其特征在于，所述高温陶瓷为氧化铝陶瓷，所述定心环(102)、锥极(103)的材料为金属铂。

4.根据权利要求2所述的高温叶尖间隙传感器，其特征在于，所述连接段(3)前端的内周壁与所述锥极(103)之间固定设置有绝缘性的前端固定环(2)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的高温叶尖间隙传感器，其特征在于，所述连接段(3)后端的外周壁与壳体(6)的内周壁之间固定设置有绝缘性的后端固定环(8)。

6.根据权利要求5所述的高温叶尖间隙传感器，其特征在于，

所述壳体(6)和连接段(3)之间的空隙中、所述连接段(3)与锥极延长杆(4)之间的空隙中均填充设置有绝缘性耐高温填料(7)。

7.根据权利要求6所述的高温叶尖间隙传感器，其特征在于，所述绝缘性耐高温填料(7)的材料为耐热水泥。

8.根据权利要求1所述的高温叶尖间隙传感器，其特征在于，还包括插座转接装置，所述插座转接装置的一端与所述壳体(6)的后端导电性固定连接，另一端与所述插座(11)的外壳导电性固定连接；

或者，

所述插座转接装置包括导电性固定连接为一体的尾部环(9)和转接座(10)，所述尾部环(9)的另一端与所述壳体(6)的后端导电性固定连接，所述转接座(10)的内孔与所述插座(11)的外壳导电性固定连接。

9.根据权利要求1所述的高温叶尖间隙传感器，其特征在于，所述导电性固定连接均采用激光焊接固定，所述壳体(6)、连接段(3)和锥极延长杆(4)的材料为GH3128。

10.根据权利要求1所述的高温叶尖间隙传感器，其特征在于，所述壳体(6)包括一圆筒状主外壳(61)、一体式设置在主外壳(61)外周壁上的连接部(62)，所述主外壳(61)上还活动套设有与所述连接部(62)相配合将整个壳体(6)固定在叶轮外罩上的垫片(5)。

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