CN112129213B - 基于脉冲介质阻挡放电的叶尖间隙测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲介质阻挡放电的叶尖间隙测量系统及测量方法，所述系统包括模拟叶片、金属探针、高压放电电源模块、数据处理模块、数据采集模块、脉冲电压产生模块和等离子体激励器；系统在工作时，由脉冲电压产生模块激发等离子体激励器工作，产生等离子体团，之后在气流的推动作用下，等离子体团向后移动至放电区域，通过高压放电电源模块和金属探针的作用，实现等离子体放电，信号通过数据采集模块的采集，输送至数据处理模块，进而获取叶尖间隙的实际数值。本发明安装方便，测量应用范围广，操作简单，实用性强。

Description

基于脉冲介质阻挡放电的叶尖间隙测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于叶片间隙测量领域。

背景技术

对于航空发动机而言，其转子叶片与机匣间需要保证一定的间隙，以防止运行过程中的失效，但另一方面，高效率的要求又导致其需要保证在很小的范围，因此，近年来，针对叶尖间隙的主被动控制技术发展成为热点，作为控制的前提，进行叶尖间隙的测量，也是亟待发展的技术。目前，国内外研究人员开发和设计了多种测量方法，目前应用较为广泛的方法有光纤法、探针法、电容法、电涡流法等，这些方法都有其独特的优点和缺点。

公开号为CN106403803A的专利申请公布了一种基于恒压式交流放电的叶尖间隙实时测量系统及方法，其通过恒压交流放电的方式，实现了测量范围内每一个叶片的实际叶尖间隙的测量，但是该系统受限于常温常压这一使用场景，且缺乏对流动状态的探寻，这些都限制了其在实际发动机叶尖间隙测量上的应用。

发明内容

发明目的：为解决以上的技术问题，使叶尖间隙测量技术达到真正实用的水准与水平，本发明提出一种基于脉冲介质阻挡放电的叶尖间隙测量系统及测量方法。

技术方案：基于脉冲介质阻挡放电的叶尖间隙测量系统，该系统包括：金属探针，绝缘层，高压放电电源模块，数据处理模块，数据采集模块，脉冲电压产生模块和等离子体激励器；所述等离子体激励器和金属探针均嵌入航空发动机的机闸内，且金属探针与发动机的叶片相对；

根据来流气体的流速大小与气压大小，数据处理模块控制脉冲电压产生模块产生脉冲电压信号，所述脉冲电压产模块将产生的脉冲电压施加在等离子体激励器上，从而使得等离子体激励器在机匣与叶片之间的流道中产生稳定的等离子体，并通过气流的流动作用使得该等离子体覆盖叶片与金属探针之间的间隙；数据处理模块通过高压放电电源模块将电压信号施加在发动机的叶片上；所述数据采集模块实时采集金属探针上的电信号和高压放电电源模块的电信号，并将采集的信号传送至数据处理模块，所述数据处理模块根据金属探针上的电信号判断是否发生辉光放电，若发生辉光放电，则数据采集模块将采集到的辉光放电时的电信号传送至数据处理模块，该数据处理模块根据收到的电信号计算出发电机的叶尖间隙；若未发生辉光放电，则数据处理模块控制高压放电电源模块的输出电压逐步提高，从而在叶片与金属探针之间产生高强度的电场环境，当金属探针与叶片之间的电压大于等离子体的击穿电压时，叶片与金属探针之间的等离子体被击穿，辉光放电发生。

进一步的，所述金属探针与机匣接触处采用绝缘材料包裹。

进一步的，所述绝缘材料采用耐高温高压的绝缘材料。

进一步的，所述等离子体激励器包括暴露电极，等离子体和覆盖电极；所述暴露电极和等离子体置于机匣表面，所述覆盖电极设置在机匣内部，且覆盖电极与机匣接触处用绝缘材料包裹，在暴露电极与覆盖电极之间的气隙空间中设有一块绝缘介质，且该绝缘介质形成介质阻挡层。

进一步的，所述脉冲电压产模块采用介质阻挡放电的方式放电。

进一步的，所述数据处理模块计算叶尖间隙具体为：数据处理模块计算根据等离子体被击穿时数据采集模块采集的电信号的时域特征和频域特征，确定该信号具有的物理特征，之后选择小波变换或S变换抽取相关的特征量，从中进行分析总结，并通过制定评价指标的方法，将抽取的特征量组合成一个表征量，并将该表征量确定为叶尖间隙的表征。

基于脉冲介质阻挡放电的叶尖间隙测量系统的测量方法，具体包括如下步骤：

步骤1：在发动机叶片和发动机机匣之间产生稳定的等离子体；

步骤2：在叶片上施加电压，判断金属探针与叶片之间是否发生辉光放电，若是则转步骤3，否则增大施加在叶片上的电压，直至金属探针与叶片之间发生辉光放电；

步骤3：采集辉光放电时的电信号，根据该电信号计算出发动机叶片的叶尖间隙。

有益效果：本发明通过将等离子体制取与辉光发电分开，从而大大增加了放电的稳定性，以及放电发生的物理范围能够在大气压变化、大温度变化以及气体流动的情况下进行叶尖间隙测量，更加贴近实际的叶尖间隙测量使用场景。

附图说明

图1是本发明的结构图；

图2是等离子体激励器的结构图。

附图标号说明：1、发动机叶片；2、机匣；3、等离子体激励器；4、金属探针；5、高压放电电源模块；6、数据处理模块；7、数据采集模块；8、脉冲电压产生模块。

具体实施方式

构成本发明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。

如图1所示，本发明提供一种基于脉冲介质阻挡放电等离子体的叶尖间隙测量系统，系统组成包括，模拟叶片1、机匣2、等离子体激励器模块3、金属探针4、高压放电电源模块5、数据处理模块6、数据采集模块7和脉冲电压产生模块8。

针对之前技术方案中存在的应用范围窄，大气压大气温变化下等离体子辉光放电难以稳定实现的问题，其根本原因在于系统中高压能量输入只有一处，致使放电能量分散为激发等离子体和击穿等离子体两部分，进而导致测量中受外界条件波动影响剧烈。针对这一问题，本发明提出，可将过程分为两部分，利用两个电源进行供电的方式，进而实现稳定的等离子体制取与稳定的辉光放电，从而实现大范围下叶尖间隙的测量。

下面，可根据来流方向，将系统分为前端的等离子体产生区以及后端的放电区。等离子体产生区主要由数据处理模块6、脉冲电压产生模块8和等离子体激励器模块3组成，根据来流气体的流速大小与气压大小，在数据处理模块6存储的经验公式数据指令作用下，输出脉冲频率与脉冲电压大小至脉冲电压产生模块8，进而使得脉冲电压产生模块8发出合适的脉冲电压信号，推动等离子体激励器3工作，在不同的来流条件下产生稳定的等离子体；而放电区则主要由数据处理模块6、模拟叶片1、金属探针4、高压放电电源模块5和数据采集模块7组成，在数据处理模块6的指令作用下，高压放电电源模块5提供合适的电压信号，使得由前文等离子体产生区产生的等离子体能够在模拟叶片1和金属探针4之间的电场作用下被击穿，形成稳定的辉光放电现象，而此时的电信号被数据采集模块7记录并传输至数据处理模块6，在经过数据处理之后，反映此时的叶尖间隙大小。

下面就其中的几个构成部件进行详细说明。

1、叶片

本发明是对航空发动机的叶尖间隙进行测量，需要进行相关环境的测试及校准，需要使用标准叶片来代替实际的旋转叶片。

2、机匣

本发明是对航空发动机的叶尖间隙进行测量，需要进行相关环境的测试及校准，需要使用机匣与标准叶片进行相互配合，形成叶尖间隙。

3、等离子体激励器模块

基于介质阻挡放电的等离子体激励器具有质量轻、无运动部件、能够平齐的安装在表面上从而无需增加腔或孔的优点，将其运用在发动机压气机部分，能够最大程度的减弱装置对发动机内部气流流动的影响。据此，本发明利用介质阻挡放电的等离子激发器作为实验环境中提供放电等离子体团的发生源。其组成形式为介质阻挡等离子体激励器，具体图如附图2所示。采用平板电极的结构，两个电极分别置于机匣中以及机匣表面，并在覆盖电极与机匣接触处用绝缘材料包裹，而在暴露电极与覆盖电极之间的气隙空间中，插入一块绝缘介质。此时，通过外加电压的作用下，电子在电场作用下获得能量，在加速的同时与原子碰撞，发生能量转移，进而导致原子分子激发电离，产生等离子体团。

4、金属探针

高频交流放电电压源的输出电压足够大时，高压端金属探针与转子叶尖之间的气体被击穿产生放电。为了防止电极烧蚀，需要选择熔点高且导电性能好的金属材料制作高压端放电探针。隔开探针与机匣的绝缘层不但与高压端金属探针接触，同时还有一部分处于机匣内壁，因此需要使用耐高温高压的绝缘材料进行制作。绝缘层一方面能够防止发动机工作时金属探针发生移动，另一方面则是为了防止机匣导电，避免对发动机造成危害。

5、高压放电电源模块

使用交流放电电压源作为电压输出源，能够输出频率大小与电压大小可调的电压，其能够在数据处理模块的控制下，实现模拟叶片与放电探针之间气隙的等离子体团的稳定击穿，以提高测量系统的稳定性，减小干扰。

6、数据处理模块

本发明的数据处理模块，不仅能够控制控制脉冲电压产生模块输出的脉冲电压，使得其能够保证不同来流条件下等离子体激励器的稳定工作，产生等离子体团，为后面的放电区域提供稳定的等离子体环境，也能够高压放电电源模块所输出电压的输出频率与大小，使得其能够实现不同来流条件下的等离子体团的稳定击穿，更能够对数据采集模块采集到的信号进行汇总与处理。当放电发生时，高压放电电路中的一系列宏观电信号，如电压电流等，会发生一个类似突变的变化，且其能够被数据采集模块采集到，在进入数据处理模块后，会对其进行特征量提取。本发明结合测量信号的时域和频域特征，然后确定其具有区别性、稳定性和明确物理意义的特征，之后选择合适的信号处理技术抽取相关的特征量，从中进行分析总结，并通过制定评价指标的方法，将之确定为叶尖间隙的表征。

7、数据采集模块

本发明中，数据采集模块主要发挥的功能是在放电发生时，一系列宏观电信号的采集工作，其性能应满足高频变化下高精度信号的采集工作，因此，其应具有较高的采样频率。

8、脉冲电压产生模块

对于本发明采用的等离子体激励器模块而言，其采用的是DBD介质阻挡放电方式，对于其的供电激励方式主要有正弦电压激励和脉冲电压激励。相较于正弦电压激励的介质阻挡放电，利用脉冲电压进行激励，具有明显的优势，主要包含：能够较容易的实现大体积均匀的等离子体制取，提高放电的稳定性；脉冲电压具备的陡峭上升沿与下降沿能够有效的提高激发与电离过程，提高稳定性；具有更高的能量转换效率。据此，本发明使用脉冲电压对等离子体激励器进行供电操作，而作为电压提供源，脉冲电压产生模块应具备电压大小，电压脉宽可调的特性。

基于以上测量系统，本发明还提供一种基于脉冲介质阻挡放电等离子体的叶尖间隙测量方法，包括如下内容：

在数据处理模块的控制下，系统在工作时，根据来流条件(气流速度与气压大小)，控制脉冲电压产生模块提供合适的脉冲电压，使得前段的等离子体激励模块工作，在流体中产生稳定的等离子体团。之后，在气体的流动作用下，等离子体团移动至后端的放电区，并填充模拟叶片与放电探针之间的气隙。然后，在高压放电模块的作用下，发生稳定的辉光放电现象，此时，系统中的电信号被数据采集模块记录并传输至数据处理模块，之后，结合测量信号的时域和频域特征，然后确定其具有区别性、稳定性和明确物理意义的特征，之后选择合适的信号处理技术抽取相关的特征量，从中进行分析总结，并通过制定评价指标的方法，将抽取的特征量组合成一个表征量，将之确定为叶尖间隙的表征。得到叶尖间隙与电信号之间的对应关系，进而实现两者的对应，实现叶尖间隙测量的目的。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.基于脉冲介质阻挡放电的叶尖间隙测量系统，其特征在于，该系统包括：金属探针，绝缘层，高压放电电源模块，数据处理模块，数据采集模块，脉冲电压产生模块和等离子体激励器；所述等离子体激励器和金属探针均嵌入航空发动机的机闸内，且金属探针与发动机的叶片相对；

根据来流气体的流速大小与气压大小，数据处理模块控制脉冲电压产生模块产生脉冲电压信号，所述脉冲电压产模块将产生的脉冲电压施加在等离子体激励器上，从而使得等离子体激励器在机匣与叶片之间的流道中产生稳定的等离子体，并通过气流的流动作用使得该等离子体覆盖叶片与金属探针之间的间隙；数据处理模块通过高压放电电源模块将电压信号施加在发动机的叶片上；所述数据采集模块实时采集金属探针上的电信号和高压放电电源模块的电信号，并将采集的信号传送至数据处理模块，所述数据处理模块根据金属探针上的电信号判断是否发生辉光放电，若发生辉光放电，则数据采集模块将采集到的辉光放电时的电信号传送至数据处理模块，该数据处理模块根据收到的电信号计算出发电机的叶尖间隙；若未发生辉光放电，则数据处理模块控制高压放电电源模块的输出电压逐步提高，从而在叶片与金属探针之间产生高强度的电场环境，当金属探针与叶片之间的电压大于等离子体的击穿电压时，叶片与金属探针之间的等离子体被击穿，辉光放电发生。

2.根据权利要求1所述的基于脉冲介质阻挡放电的叶尖间隙测量系统，其特征在于，所述金属探针与机匣接触处采用绝缘材料包裹。

3.根据权利要求2所述的基于脉冲介质阻挡放电的叶尖间隙测量系统，其特征在于，所述绝缘材料采用耐高温高压的绝缘材料。

4.根据权利要求1所述的基于脉冲介质阻挡放电的叶尖间隙测量系统，其特征在于，所述等离子体激励器包括暴露电极，等离子体和覆盖电极；所述暴露电极和等离子体置于机匣表面，所述覆盖电极设置在机匣内部，且覆盖电极与机匣接触处用绝缘材料包裹，在暴露电极与覆盖电极之间的气隙空间中设有一块绝缘介质，且该绝缘介质形成介质阻挡层。

5.根据权利要求1所述的基于脉冲介质阻挡放电的叶尖间隙测量系统，其特征在于，所述脉冲电压产生 模块采用介质阻挡放电的方式放电。

6.根据权利要求1所述的基于脉冲介质阻挡放电的叶尖间隙测量系统，其特征在于，所述数据处理模块计算叶尖间隙具体为：数据处理模块计算根据等离子体被击穿时数据采集模块采集的电信号的时域特征和频域特征，确定该信号具有的物理特征，之后选择小波变换或S变换抽取相关的特征量，从中进行分析总结，并通过制定评价指标的方法，将抽取的特征量组合成一个表征量，并将该表征量确定为叶尖间隙的表征。

7.基于权利要求1所述的基于脉冲介质阻挡放电的叶尖间隙测量系统的测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1：在发动机叶片和发动机机匣之间产生稳定的等离子体；

步骤2：在叶片上施加电压，判断金属探针与叶片之间是否发生辉光放电，若是则转步骤3，否则增大施加在叶片上的电压，直至金属探针与叶片之间发生辉光放电；

步骤3：采集辉光放电时的电信号，根据该电信号计算出发动机叶片的叶尖间隙。

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