CN214843037U - 一种用于涡轮发动机叶尖间隙测量的光纤探头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于涡轮发动机叶尖间隙测量的光纤探头，包括：气流引流件、光纤插芯组件、光纤组件和LC光纤转接头，光纤插芯组件设置在气流引流件内，光纤组件的第一端与光纤插芯组件固定连接，光纤组件的第二端与LC光纤转接头固定连接；设定气流引流件相对于光纤组件所在的一侧为光纤探头的前端；气流引流件内设置有引流通孔，光纤插芯组件设置在引流通孔内且与引流通孔的后端密封连接；光纤插芯组件的外侧面与引流通孔的内侧面之间设置有气体引流腔，气体引流件的外侧面设置有连通引流通孔与气体引流件外部的引流孔，气体引流件的前端面设置有连通引流通孔与气体引流件外部的喷嘴。

Description

一种用于涡轮发动机叶尖间隙测量的光纤探头

技术领域

本实用新型涉及航空发动机测试领域，具体涉及一种用于涡轮发动机叶尖间隙测量的光纤探头。

背景技术

航空发动机在工作状态下，涡轮叶片和机匣在发动机内部较高温度和较强载荷的作用下，长时间运行将会出现变形，导致发动机叶尖间隙变化，这直接影响发动机的安全性能和工作效率。因此，对发动机在工作状态下的涡轮叶尖间隙进行测量和分析，是发动机研究过程中的重要内容。

发动机在高转速运行过程中，内部会形成一个温度较高、气流压强较大、油污染严重的环境，这对发动机的叶尖间隙测量带来一定难度。

目前，用于发动机涡轮叶尖间隙测量的较成熟的方法主要有探针放电测量法和电容测量法等，名称为《航空发动机叶尖间隙测量研究》的文献(邱立新等，航空发动机2001年第4期)和名称为《航空发动机叶尖间隙测量技术》的文献(张娜等，未来测量2010年第13期航空制造技术)，介绍了多种叶尖间隙的测量方法。

其中，探针放电法是利用施加高压的探针移动到距叶尖微米量级的距离时对叶片放电的原理进行测量，此方法性能稳定、测量精度高，但只适用于低温环境(＜600℃)的涡轮发动机，只能测量最小间隙，并且存在一定的安全风险；

电容测量法采用探头电极和叶尖电极之间距离的变化导致两者之间电容发生变化，最终将其转化为电路中电压信号变化的测量原理，此方法的时间响应和频响高、最大工作温度可达1300℃，但其测量精度受环境和校准的影响较大，并且对绝缘要求较高。

采用激光信号对叶尖间隙测量是一种相对较新的测量技术，它利用叶尖对激光的反射光信号，或通过反射光强度、位置、与入射光干涉频率的变化等多种原理，获取叶尖间隙信息。此方法在时间响应、测量精度、抗电磁干扰等方面具有较大优势，但存在易受污染而导致灵敏度下降的不足，另外，由于原材料特性和制作工艺上的限制，目前最高工作温度为700℃左右。

由此可见，发动机内部的复杂结构，和工作状态下内部部件变形、油污、振动、尤其是高温(＞1000℃)等特有的环境，对叶间间隙实时、准确的测量构成了巨大的挑战。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决光纤探头无法适应高温的情况，而提供一种用于涡轮发动机叶尖间隙测量的光纤探头。

一种用于涡轮发动机叶尖间隙测量的光纤探头，包括：气流引流件、光纤插芯组件、光纤组件和LC光纤转接头，所述光纤插芯组件设置在所述气流引流件内，所述光纤组件的第一端与所述光纤插芯组件固定连接，所述光纤组件的第二端与所述LC光纤转接头固定连接；

设定所述气流引流件相对于所述光纤组件所在的一侧为所述光纤探头的前端；

所述气流引流件内设置有引流通孔，所述光纤插芯组件设置在所述引流通孔内且与所述引流通孔的后端密封连接；

所述光纤插芯组件的外侧面与所述引流通孔的内侧面之间设置有气体引流腔，所述气体引流件的外侧面设置有连通所述引流通孔与所述气体引流件外部的引流孔，所述气体引流件的前端面设置有连通所述引流通孔与所述气体引流件外部的喷嘴。

具体地，所述喷嘴为与所述引流通孔同轴设置的锥形孔，所述喷嘴的前端直径小于所述喷嘴的后端直径，所述喷嘴的后端直径等于所述引流通孔的直径。

具体地，所述光纤插芯组件包括同轴设置的圆锥段、中间圆柱段和后端圆柱段，所述圆锥段的后端面与所述中间圆柱段的前端面固定连接，所述中间圆柱段的后端面与所述后端圆柱段的前端固定连接，所述中间圆柱段与所述引流通孔的后端密封连接，所述圆柱段设置在所述气体引流腔内；

所述圆锥段的前端直径小于所述圆锥段的后端直径；

所述光纤插芯组件内从前至后依次设置有同轴且连通的第一通孔、第二通孔和第三通孔；

所述光纤组件包括光纤和石英透镜，所述光纤的前端依次穿过所述第三通孔、所述第二通孔和所述第一通孔与所述石英透镜熔接耦合连接，所述石英透镜设置在所述圆锥段的前端。

具体地，所述第一通孔的直径与所述光纤的直径匹配，所述第一通孔的直径小于所述第二通孔的直径，所述第二通孔的直径小于所述第三通孔的直径，所述第三通孔内灌注有用于将所述光纤固定于所述第三通孔内的无机胶。

优选地，所述石英透镜在所述光纤探头的中轴线上投影位于所述喷嘴在所述光纤探头的中轴线上的投影与所述引流孔在所述光纤探头的中轴线上的投影之间。

可选地，所述气体引流件包括第一空心圆柱和第二空心圆柱，所述第一空心圆柱和所述第二空心圆柱同轴设置，且所述第一空心圆柱的后端面与所述第二空心圆柱的前端面密封固定连接；

所述引流孔设置在所述第二空心圆柱上，且所述引流孔的中轴线与所述第二空心圆柱的半径重合；

所述喷嘴与所述第一空心圆柱同轴设置，所述喷嘴的后端直径等于所述第一空心圆柱的内径。

可选地，所述引流孔的数量为多个，相邻的两个所述引流孔的中轴线的夹角相等。

可选地，所述第一空心圆柱的外径小于所述第二空心圆柱的外径。

可选地，所述中间圆柱段的外侧面通过螺纹与所述第二空心圆柱的后半段螺纹连接，所述中间圆柱段的外侧面和所述第二空心圆柱的内侧面之间填充有密封胶。

进一步地，所述光纤的外侧面设置有光纤保护套，所述光纤保护套的前端设置在所述第三通孔内，所述光纤保护套的后端设置在所述LC光纤转接头内。

本实用新型与现有技术相比，本实用新型通过光纤探头将激光信号引入发动机内部，并收集涡轮叶片的叶冠尖端对激光的反射光，将反射光信号引出发动机，同时利用发动机内部的气流对光纤探头自身降温，从而达到适应发动机内部高温工作环境。

附图说明

附图示出了本实用新型的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本实用新型的原理，其中包括了这些附图以提供对本实用新型的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。

图1是根据本实用新型所述的一种用于涡轮发动机叶尖间隙测量的光纤探头的结构示意图。

图2是根据本实用新型所述的一种用于涡轮发动机叶尖间隙测量的光纤探头的剖视图。

图3是根据本实用新型所述的光纤插芯组件的剖视图。

附图标记：1-气流引流件，2-光纤插芯组件，3-光纤保护套，4-石英透镜，5-光纤，6-无机胶，7-喷嘴，8引流孔，9-LC光纤转接头，11-第一空心圆柱，12-第二空心圆，21-第一通孔，22-第二通孔，23-第三通孔。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本实用新型的限定。

另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分。

在不冲突的情况下，本实用新型中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本实用新型。

一种用于涡轮发动机叶尖间隙测量的光纤探头，包括：气流引流件1、光纤插芯组件2、光纤组件和LC光纤转接头9，光纤插芯组件2设置在气流引流件1内，光纤组件的第一端与光纤插芯组件2固定连接，光纤组件的第二端与LC光纤转接头9固定连接；

光纤组件包括光纤5和石英透镜4，石英透镜4熔接耦合在光纤5的前端。

气体引流件和光纤插芯组件2共同组成了光纤探头的测试端，在使用中，光纤探头的测试端被固定在发动机的涡轮机匣腔壁上，光纤探头的LC光纤转接头9与激光器采用快接方式连接并将激光引入机匣内部，同时接收涡轮叶片叶尖的反射光并将反射光通过光纤探头引出发动机，进而对叶尖间隙进行测量。

其中本实施例中的光纤5采用镀金石英光纤5，且为了对光纤5进行保护，在光纤5的外侧面设置光纤保护套3，且光纤保护套3的后端需一直设置至LC光纤转接头9内。

光纤探头的测试端能够通过特制的压环固定在机匣腔壁上并正对涡轮叶片的叶冠方向，光纤探头的镀金石英光纤5可以随发动机内部的测试线缆通道排布并最终引出发动机，光纤探头的LC光纤转接头9能够与激光器、信号记录和处理设备快速连接，从而得到发动机叶尖间隙的测量数据。

为了便于描述，将光纤探头的测试端所在的一端设定为整个光纤探头的前端，即设定气流引流件1相对于光纤5所在的一侧为光纤探头的前端，需要注意的时，这里的前后只是为了便于对光纤探头的结构进行描述，并不对其实际使用中的前后左右进行限制。

气流引流件1内设置有引流通孔，光纤插芯组件2设置在引流通孔内且与引流通孔的后端密封连接；

光纤插芯组件2的外侧面与引流通孔的内侧面之间设置有气体引流腔，气体引流件的外侧面设置有连通引流通孔与气体引流件外部的引流孔8，气体引流件的前端面设置有连通引流通孔与气体引流件外部的喷嘴7。

光纤插芯组件2与引流通孔的内侧面之间设置有气体引流腔，且该气体引流腔通过引流孔8和喷嘴7与发动机的内部连通。

本实用新型利用了发动机涵道内部的低温气流以及气流压力大于涡轮机匣内气压的特点，通过设置引流孔8、气体引流腔和喷嘴7，将涵道气流从引流孔8引入气体引流腔，然后从喷嘴7引出到机匣内，形成一个气体流动结构，从而对位于气体引流腔内的光纤插芯组件2进行降温，提高了光纤探头的耐温性能。并且喷嘴7的出气气流阻止了机匣内的油污进入引流通孔，又提升了光纤探头的抗油气污染能力。

喷嘴7为与引流通孔同轴设置的双锥形孔，喷嘴7的前端直径大于喷嘴 7的中端直径，喷嘴7的中端直径小于喷嘴7的后端直径，喷嘴7的后端直径等于引流通孔的直径。

如图，将喷嘴7设置成为双锥形结构，便于与引流通孔进行连通，同时将喷嘴7的中端的孔径范围限定在1.5～2.5mm，可以避免油污从喷嘴7出进入到引流通孔内，对光纤5造成污染。

光纤插芯组件2包括同轴设置的圆锥段、中间圆柱段、后端圆柱段，圆锥段的后端面与中间圆柱段的前端面固定连接，中间圆柱段的后端面与后端圆柱段的前端固定连接，中间圆柱段与引流通孔的后端密封连接，圆柱段设置在气体引流腔内；

圆锥段的前端直径小于圆锥段的后端直径；

圆锥段、中间圆柱段、后端圆柱段可以为一体成型结构，也可以根据实际情况进行拼接。

将其同轴设置，且需要注意，中间圆柱段的直径应远远小于引流通孔的内径，中间圆柱段与引流通孔之间即为气流引流腔。

光纤插芯组件2内从前至后依次设置有同轴且连通的第一通孔21、第二通孔22和第三通孔23；

光纤5的前端依次穿过第三通孔23、第二通孔22和第一通孔21与石英透镜4熔接耦合连接，石英透镜4设置在圆锥段的前端。

石英透镜4熔接在镀金石英光纤5的端面，使光纤探头发射出的激光束具有聚光性的特点，并提高了光纤探头接收叶尖反射光的面积。

石英透镜4熔接耦合连接在光纤5的端面的连接和固定方式，既提高了光纤探头的耐温性能，又改善了光纤探头射出激光束的聚光性和接收叶尖反射光的效率，进而提升了光纤探头的测试灵敏度。

第一通孔21的直径与光纤5的直径匹配，第一通孔21的直径小于第二通孔22的直径，第二通孔22的直径小于第三通孔23的直径，第三通孔23 内灌注有用于将光纤5固定于第三通孔23内的无机胶6。

光纤保护套3的前端设置在第三通孔23内，因此通过无机胶6将光纤保护套3与第三通孔23粘接，实现对光纤5前端的固定。

并且，通过将第一通孔21的直径设置为与光纤5的直径相等的，可以实现对光纤5前端的固定，熔接了石英透镜4的镀金石英光纤5和第一通孔21 采用紧配合固定方式。第二通孔22为缓冲段。

石英透镜4在光纤探头的中轴线上投影位于喷嘴7在光纤探头的中轴线上的投影与引流孔8在光纤探头的中轴线上的投影之间。

工作过程中，发动机涵道中的低温、高压气流从引流孔8流入气体引流腔内，然后从喷嘴7流出，因此为了对光纤插芯组件2(石英透镜4圆锥段、中间圆柱段)和镀金石英光纤5进行降温，需要对石英透镜4的位置进行限定，使其在气体引流腔内的气流流经路径上。

从喷嘴7流出的气体进入发动机的机匣内，既保证了光纤探头的测试端内部的镀金石英光纤5及其附近区域温度低于光纤5的最高使用温度，同时使光纤探头的测试端内部的气压大于光纤探头的测试端外部的气流压强，保证了喷嘴7外部(即机匣腔内)的油污气体无法进入光纤探头测试端(即气体引流件)内部，使光纤探头具备抗机匣内部油污气体的抗污染能力。

本实用新型的光纤探头在发动机上进行了实际测试，最高耐温温度大于 1400℃。

气体引流件包括第一空心圆柱11和第二空心圆柱12，第一空心圆柱11 和第二空心圆柱12同轴设置，且第一空心圆柱11的后端面与第二空心圆柱 12的前端面密封固定连接；

在实际中，第一空心圆柱11和第二空心圆柱12可以采用一体成型的方式生产，此处只是为了便于描述，将气体引流件分为两个部件。

引流孔8设置在第二空心圆柱12上，且引流孔8的中轴线与第二空心圆柱12的半径重合；

喷嘴7与第一空心圆柱11同轴设置，喷嘴7的后端直径等于第一空心圆柱11的内径。

中间圆柱段的外侧面通过螺纹与第二空心圆柱12的后半段螺纹连接，中间圆柱段的外侧面和第二空心圆柱12的内侧面之间填充有密封胶，用于避免气体从中间圆柱段与第二空心圆柱12之间泄漏。

第一空心圆柱11的外径小于第二空心圆柱12的外径。

第二空心圆柱12上需要设置引流孔8，且需要提供对光纤插芯组件2的支撑力，因此需要增加其强度，所以在设计中可以将其外径设定为大于第一空心圆柱11。

引流孔8的数量为多个，相邻的两个引流孔8的中轴线的夹角相等。

可以根据具体的情况对引流孔8的数量进行设定，一般情况下，引流孔8 的数量为4～8个之间，不同数量的引流孔8，进入气体引流腔内的空气体积不同，需要适配不同尺寸的喷嘴7，提供两个实施例。

实施例一

引流孔8的数目为6个，喷嘴7的中端孔径为1.5毫米，第一通孔21的孔径为0.165毫米，第二通孔22的孔径为0.5毫米，第三通孔23的孔径为1.8 毫米。

实施例二

引流孔8的数目为8个，喷嘴7的中端孔径为2.5毫米，第一通孔21的孔径为0.165毫米，第二通孔22的孔径为0.5毫米，第三通孔23的孔径为1.8 毫米。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本实用新型，而并非是对本实用新型的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述实用新型的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本实用新型的范围内。

Claims (10)

1.一种用于涡轮发动机叶尖间隙测量的光纤探头，其特征在于，包括：气流引流件、光纤插芯组件、光纤组件和LC光纤转接头，所述光纤插芯组件设置在所述气流引流件内，所述光纤组件的第一端与所述光纤插芯组件固定连接，所述光纤组件的第二端与所述LC光纤转接头固定连接；

设定所述气流引流件相对于所述光纤组件所在的一侧为所述光纤探头的前端；

所述气流引流件内设置有引流通孔，所述光纤插芯组件设置在所述引流通孔内且与所述引流通孔的后端密封连接；

所述光纤插芯组件的外侧面与所述引流通孔的内侧面之间设置有气体引流腔，所述气体引流件的外侧面设置有连通所述引流通孔与所述气体引流件外部的引流孔，所述气体引流件的前端面设置有连通所述引流通孔与所述气体引流件外部的喷嘴。

2.根据权利要求1所述的一种用于涡轮发动机叶尖间隙测量的光纤探头，其特征在于，所述喷嘴为与所述引流通孔同轴设置的双锥形孔，所述喷嘴的前端直径大于所述喷嘴的中端直径，所述喷嘴的中端直径小于所述喷嘴的后端直径，所述喷嘴的后端直径等于所述引流通孔的直径。

3.根据权利要求2所述的一种用于涡轮发动机叶尖间隙测量的光纤探头，其特征在于，所述光纤插芯组件包括同轴设置的圆锥段、中间圆柱段和后端圆柱段，所述圆锥段的后端面与所述中间圆柱段的前端面固定连接，所述中间圆柱段的后端面与所述后端圆柱段的前端固定连接，所述中间圆柱段与所述引流通孔的后端密封连接，所述圆柱段设置在所述气体引流腔内；

所述圆锥段的前端直径小于所述圆锥段的后端直径；

所述光纤插芯组件内从前至后依次设置有同轴且连通的第一通孔、第二通孔和第三通孔；

所述光纤组件包括光纤和石英透镜，所述光纤的前端依次穿过所述第三通孔、所述第二通孔和所述第一通孔与所述石英透镜熔接耦合连接，所述石英透镜设置在所述圆锥段的前端。

4.根据权利要求3所述的一种用于涡轮发动机叶尖间隙测量的光纤探头，其特征在于，所述第一通孔的直径与所述光纤的直径匹配，所述第一通孔的直径小于所述第二通孔的直径，所述第二通孔的直径小于所述第三通孔的直径，所述第三通孔内灌注有用于将所述光纤固定于所述第三通孔内的无机胶。

5.根据权利要求3所述的一种用于涡轮发动机叶尖间隙测量的光纤探头，其特征在于，所述石英透镜在所述光纤探头的中轴线上投影位于所述喷嘴在所述光纤探头的中轴线上的投影与所述引流孔在所述光纤探头的中轴线上的投影之间。

6.根据权利要求3所述的一种用于涡轮发动机叶尖间隙测量的光纤探头，其特征在于，所述气体引流件包括第一空心圆柱和第二空心圆柱，所述第一空心圆柱和所述第二空心圆柱同轴设置，且所述第一空心圆柱的后端面与所述第二空心圆柱的前端面密封固定连接；

所述引流孔设置在所述第二空心圆柱上，且所述引流孔的中轴线与所述第二空心圆柱的半径重合；

所述喷嘴与所述第一空心圆柱同轴设置，所述喷嘴的后端直径等于所述第一空心圆柱的内径。

7.根据权利要求6所述的一种用于涡轮发动机叶尖间隙测量的光纤探头，其特征在于，所述引流孔的数量为多个，相邻的两个所述引流孔的中轴线的夹角相等。

8.根据权利要求6所述的一种用于涡轮发动机叶尖间隙测量的光纤探头，其特征在于，所述第一空心圆柱的外径小于所述第二空心圆柱的外径。

9.根据权利要求6所述的一种用于涡轮发动机叶尖间隙测量的光纤探头，其特征在于，所述中间圆柱段的外侧面通过螺纹与所述第二空心圆柱的后半段螺纹连接，所述中间圆柱段的外侧面和所述第二空心圆柱的内侧面之间填充有密封胶。

10.根据权利要求3所述的一种用于涡轮发动机叶尖间隙测量的光纤探头，其特征在于，所述光纤的外侧面设置有光纤保护套，所述光纤保护套的前端设置在所述第三通孔内，所述光纤保护套的后端设置在所述LC光纤转接头内。

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