一种叶尖间隙静态校准方法和装置与流程

1.本发明属于发动机领域，涉及旋转件转子叶片间隙测量校准技术，具体为一种叶尖间隙静态校准方法和装置。


背景技术：

2.叶尖间隙是指发动机/燃气轮机等旋转机械转子叶片与机匣内壁之间的距离，它是发动机/燃气轮机设计中一个非常关键的参数，对流场结构、能量传递、旋转失速先兆及损失的生成有着决定性影响，对效率、耗油率和可靠性有很大影响。经研究表明，叶尖间隙减小能够提高发动机/燃气轮机效率（如当叶尖间隙减小0.0254mm，效率可以提高1%），因此在保证发动机全包线内转子叶尖与机匣不发生碰磨，避免危及发动机的安全的情况下，要求叶尖间隙设计得尽可能小。
3.英﹑美﹑俄等航空技术发达国家对航空发动机间隙测试技术十分重视，国家和各大航空企业投入了大量的人力物力用于开发和完善间隙测试新技术新仪器，并有充足的发动机资源可供试验验证，叶尖间隙测试方法包括放电探针法、电涡流法、高能x射线照相法、超声波测量方法、微波测量方法、电容法、光学法（光学内窥原理法和光学三角法）等，测试人员可以根据不同情况选择适合的测试手段即可实现对压气机﹑涡轮叶尖间隙实施准确测量，在发动机研制试验过程中得到广泛应用并发挥重要作用。
4.叶尖间隙是通过电容式叶尖间隙测量系统获取的，该系统在试验前都需要对每支传感器进行校准，获取传感器端面与叶尖之间间隙与信号调理器输出电压之间的关系，得到校准系数用于实际测量。目前通常采用校准装置进行静态或动态校准，现有的校准装置具有校准叶片及传感器安装不便、校准叶片及传感器空间位置调节繁琐、容易出现人为误差、校准效率低等问题，给工作带来很多不便。


技术实现要素：

5.为了解决现有校准装置的安装不便、校准叶片与传感器空间位置调节繁琐、容易出现人为误差、校准效率低等问题，本发明设计了一种叶尖间隙静态校准方法和装置，能够实现快速拆装校准叶片和传感器，可以进行手动和电动两种校准操作，可以通过最大电压、对零、对中等操作提高校准准确度。
6.实现发明目的的技术方案如下：第一方面，本发明提供了一种叶尖间隙静态校准方法，包括以下步骤：校准叶片与传感器一次对中；获取对中后校准叶片的校准零点位置；对信号调理器校准，完成校准叶片与传感器二次对中；定义校准叶片的初始位置，在初始位置与校准零点位置之间选择多个校准点；基于校准后信号调理器，采集每个校准点的电压；基于多项式拟合公式，对采集的电压进行多项式拟合处理，获得校准系数，完成静
态校准。
7.本发明设计的校准方法，首先，对校准叶片与传感器之间相对位置进行校准（包括对中和校准零点位置）；其次，对信号调理器校准；最后，采集多个校准点的电压，并通过多项式拟合公式进行拟合处理，完成静态校准。
8.进一步的，上述校准叶片与传感器一次对中方法包括：调整校准叶片的位置，使校准叶片上被测位置与传感器的中轴线对齐；调整校准叶片直至校准叶片上被测位置的端面与传感器的端面平行，完成校准叶片与传感器一次对中。
9.进一步的，上述校准零点获取方法为：移动对中后校准叶片直至使其与传感器端面接触，对中后校准叶片与传感器端面接触的位置为校准零点。
10.进一步的，上述信号调理器校准，完成校准叶片与传感器二次对中的方法，包括：移动校准叶片使其达到与传感器相邻的校准点位置，对信号调理器进行增益调节，直至信号调理器在与传感器相邻的校准点位置采集的电压达到预设电压；在校准叶片端面与传感器的端面保持平行的条件下，调整校准叶片的周向位移，直至信号调理器采集的电压达到最大电压。
11.进一步的，上述初始位置与校准零点位置之间的距离大于等于传感器直径的3倍，且小于等于传感器直径的8倍。
12.进一步的，上述多项式拟合公式为，其中n≥5，d为校准点到校准零点之间的距离，ci为拟合公式系数，v为校准点的电压，n为拟合阶次。
13.第二方面，本发明提供了一种叶尖间隙静态校准装置，采用第一方面的叶尖间隙静态校准方法进行校准，获取校准系数，叶尖间隙静态校准装置包括：位移机构，所述位移机构一端与柔性驱动结构连接，另一端与校准叶片夹持结构连接，所述校准叶片夹持结构夹持有校准叶片；传感器，所述传感器与信号调理器电连接；控制系统，所述控制系统包括驱动模块、增益调节模块、采集模块，所述驱动模块与所述柔性驱动结构连接，所述增益调节模块与所述信号调理器和所述驱动模块电连接，所述采集模块与所述信号调理器和所述驱动模块电连接。
14.进一步的，上述叶尖间隙静态校准装置还包括显微镜，所述显微镜位于所述传感器夹持结构上方。
15.第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括存储器及处理器，存储器用于存储在处理器上运行的计算机程序；处理器用于执行计算机程序时实现叶尖间隙静态校准方法的步骤。
16.第四方面，本发明提供了一种计算机存储介质，存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于执行叶尖间隙静态校准方法。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计的叶尖间隙静态校准方法及装置，适用于电容式、电涡流等叶尖间隙测量系统快速静态校准，可以实现校准叶片和传感器的快速拆装、实现校准叶片和传感器之间位置关系的快速便携式调节、实现静态校准中
最大电压和多个校准点的电压的自动获取、校准数据的自动拟合和保存、可在行业内推广应用，具有良好的经济效益和极大的实际工程应用价值。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
19.图1为本发明叶尖间隙静态校准方法的流程图；图2为具体实施方式中校准叶片与传感器一次对中的流程图；图3为具体实施方式中对信号调理器校准，完成校准叶片与传感器二次对中的流程图；图4为具体实施方式中叶尖间隙静态校准装置的结构示意图；图5为具体实施方式中手柄的示意图；图6为具体实施方式中校准叶片夹持结构的示意图；图7为具体实施方式中传感器夹持结构的示意图；其中，1.柔性驱动结构；2.位移机构；3.控制柜；4.校准叶片夹持结构；5.校准叶片；6.显微镜；7.传感器安装座；8.传感器夹持结构；81.缺角；82.空心螺栓；9.传感器；10.信号调理器；11.显示器；12.采集模块；13.手柄；14.选择按钮；15.档位旋钮；16.旋转摇杆；17.夹盘；18.调节螺杆；19.柔性夹具。
具体实施方式
20.下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
21.本具体实施方式的第一个实施例，公开了一种叶尖间隙静态校准方法，如图1所示，包括以下步骤：s1、校准叶片与传感器一次对中。
22.本步骤中，校准叶片与传感器一次对中方法，参见图2所示，包括：s101、调整校准叶片的位置，使校准叶片上被测位置与传感器的中轴线对齐。
23.s102、调整校准叶片直至校准叶片上被测位置的端面与传感器的端面平行，完成校准叶片与传感器一次对中。
24.当校准叶片上被测位置与传感器的中轴线对齐以后，校准叶片上被测位置的端面有可能与传感器的端面不平行，两者的端面可能存在角度，其会引起测定误差，因此需要对两者的端面进行平行处理。本步骤中，通过调整校准叶片与传感器之间距离（也可称之为间隙）使其达到设定值以后，调整校准叶片的角度，使校准叶片上被测位置的端面与传感器的端面平行，其中设定值优选为小于1mm。
25.为了准确调整校准叶片与传感器之间的距离，以及确保校准叶片被测位置端面与传感器的端面之间的平行度，在本步骤的一个改进实施例中，选用显微镜进行辅助调节，其中显微镜可以选择数码液晶显微镜、光学显微镜、电子显微镜中任意一种。
26.在此需要强调的是：在进行平行处理时，需要确保校准叶片上被测位置与传感器的中轴线对齐。
27.s2、获取对中后校准叶片的校准零点位置。
28.本步骤中，校准零点获取方法为：移动对中后校准叶片直至使其与传感器端面接触，对中后校准叶片与传感器端面接触的位置为校准零点，同时，可以记录校准零点当前坐标位置。进一步的，可以选用显微镜对校准叶片与传感器之间的距离进行辅助调节。
29.通过上述步骤s1和s2即可完成校准叶片与传感器直线相对位置的校准，然后对信号调理器进行校准。
30.s3、对信号调理器校准，完成校准叶片与传感器二次对中。
31.本步骤中，上述信号调理器校准，完成校准叶片与传感器二次对中的方法，参见图3所示，包括：s301、移动校准叶片使其达到与传感器相邻的校准点位置，对信号调理器进行增益调节，直至信号调理器在与传感器相邻的校准点位置采集的电压达到预设电压。即当校准叶片移动到最靠近传感器的校准点位置时，对信号调理器进行增益调节，使传感器采集的电压达到较大值，直至完成信号调理器的增益调节。
32.s302、在校准叶片端面与传感器的端面保持平行的条件下，调整校准叶片的周向位移，直至信号调理器采集的电压达到最大电压，完成校准叶片与传感器之间的二次对中。
33.本步骤中，调整校准叶片的周向位移，即在校准叶片端面与传感器的端面保持平行的条件下，将校准叶片相对传感器向上、向下、向左、向右等方向平移，平移过程中用信号调理器实时采集电压信号，直至找到信号调理器采集的电压达到最大电压时停止校准叶片的调整，此时完成了校准叶片与传感器位置的二次对中。
34.在此需要强调的是：寻找最大电压的过程中，需要保证校准叶片上被测位置与传感器的中轴线对齐，保证校准叶片上被测位置与传感器的端面平行。
35.s4、定义校准叶片的初始位置，在初始位置与校准零点位置之间选择多个校准点。
36.校准叶片的初始位置是根据传感器直径设定的，本步骤中校准叶片的初始位置与校准零点位置之间的距离大于等于传感器直径的3倍，且小于等于传感器直径的8倍。
37.本步骤中，校准叶片的初始位置离第1个校准点较远，第1个校准点到最后一个校准点之间可以是均匀分布的，也可以根据校准需求随机设置，例如当校准叶片的第1个校准点与校准叶片的校准零点位置之间的距离为3mm时，在3mm的距离范围内均匀设置校准点，此时设定相邻校准点之间的间隙为0.2mm，如从第1个校准点至校准零点位置之间的校准点依次为校准点1、校准点2、校准点3、
……
、校准点15，共15个校准点。
38.s5、基于校准后信号调理器，采集每个校准点的电压。
39.本步骤中，校准叶片从初始位置向校准零点位置移动，校准叶片在该校准点位置停留一定时间，经校准后信号调理器采集电压，然后再向下一个校准点移动，直至所有校准点的电压均采集完成。
40.在本步骤的一个改进实施例中，还对获取的校准点的电压进行判断，判断方法为：完成所有校准点的电压采集时，需要将校准叶片移动远离传感器至初始位置处；检查此处的电压漂移，如果电压漂移超过20mv，则采集的校准点的电压数据无效，重新进行s5采集；如果电压漂移不超过20mv，则完成校准点的电压采集。
41.s6、基于多项式拟合公式，对采集的电压进行多项式拟合处理，获得校准系数，完成静态校准。
42.本步骤中，上述多项式拟合公式为，其中n≥5，d为相邻校准点之间的距离，ci为拟合公式系数（即校准系数），v为校准点的电压，n为拟合阶次。
43.本发明设计的校准方法，首先，对校准叶片与传感器之间相对位置进行校准（包括一次对中、校准零点位置）；其次，对信号调理器校准（信号调理器与校准叶片之间的二次对中）；最后，采集多个校准点的电压，并通过多项式拟合公式进行拟合处理，完成静态校准。
44.本具体实施方式的第二个实施例，公开了一种叶尖间隙静态校准装置，采用第一个实施例的叶尖间隙静态校准方法对进行校准，获取校准系数，如图4所示，叶尖间隙静态校准装置包括位移机构2、传感器9、控制系统。
45.如图4所示，位移机构2一端与柔性驱动结构1连接，另一端与校准叶片夹持结构4（也可以称之为叶片安装夹具）连接，所述校准叶片夹持结构4夹持有校准叶片5。
46.在本实施例中，位移机构2选用高精度单轴位移机构，柔性驱动结构1可以设置在控制柜3上，且柔性驱动结构1选用柔性机械手臂，柔性机械手臂用来实现高精度单轴位移机构沿任意方向移动，从而调整校准叶片5的空间位置，例如实现对校准叶片5与传感器9之间的对中、校准零点位置的寻找、校准叶片5移动等。具体的，柔性机械手臂既可以由校准程序电动调节，也可以人为手动调节各关节，从而带动高精度单轴位移机构沿各方向移动，改变校准叶片5的空间位置，以保证传感器9端面与校准叶片5端面平行及对中。
47.参见图4所示，高精度单轴位移机构既可以通过校准程序控制，也可通过吸附于控制柜3上的手柄13控制，手柄13可以吸附于控制柜3的各个方向。
48.如图5所示，手柄13上设有选择按钮14、档位旋钮15、旋转摇杆16，选择按钮14用于选择高精度单轴位移机构的初始步进量，档位旋钮15可以在三个档位（x1、x10、x100）调节电动轴的移动速度，旋转摇杆16用于控制电动轴沿给定的速度连续移动。
49.如图6所示，校准叶片夹持结构4包括夹盘17、调节螺杆18、柔性夹具19，调节螺杆18可以实现柔性夹具19的快速开合，不用外部工具即可实现校准叶片5的拆装。
50.如图4所示，传感器9设置在传感器夹持结构8（也可以称之为传感器安装夹具）上，传感器夹持结构8设置在传感器安装座7上，传感器安装座7固定在控制柜3上。具体的，参见图7所示，传感器夹持结构8是带缺角81的空心螺栓82，通过缺角81可以直接将传感器9套进去，然后将传感器9压紧在传感器安装座7内孔中。在本实施例中，传感器9选用叶尖间隙动态测量的电容传感器，所述传感器9与信号调理器10电连接，信号调理器10获取电容传感器的测量结果，并将采集的电压信号输出给采集模块12中。
51.参见图4所示，控制系统包括驱动模块（附图未显示）、增益调节模块（附图未显示）、采集模块12，所述驱动模块与所述柔性驱动结构1连接，驱动模块用于控制柔性驱动结构1实现位移机构2移动，实现校准叶片夹持结构4上校准叶片5空间位置的改变；所述增益调节模块与所述信号调理器10和所述驱动模块电连接，增益调节模块用于根据信号调理器10的电压数据和驱动模块输出的驱动参数（例如移动距离、转动角度等参数）对信号调理器10进行增益调节；采集模块12与信号调理器10和驱动模块电连接，用于采集并记录数据（包
括电压数据、移动距离数据、旋转角度数据、显微镜6图像等）。
52.参见图4所示，上述叶尖间隙静态校准装置还包括显微镜6，所述显微镜6位于所述传感器夹持结构8上方，用于采集传感器9与校准叶片5的图像或观察传感器9与校准叶片5相对位置。
53.参见图4所示，上述叶尖间隙静态校准装置还包括显示器11，显示器11与采集模块12电连接，用于显示电压数据、移动距离数据、旋转角度数据、显微镜6图像等。
54.本具体实施方式的第三个实施例，公开了一种电子设备，包括存储器及处理器，存储器用于存储在处理器上运行的计算机程序；处理器用于执行计算机程序时实现叶尖间隙静态校准方法的步骤。
55.本具体实施方式的第四个实施例，公开了一种计算机存储介质，存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于执行叶尖间隙静态校准方法。
56.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。
57.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。