一种基于交流放电的叶尖间隙测量系统及测量方法
【专利摘要】本发明公开一种基于交流放电的叶尖间隙测量系统，包括交流数控可调激励、放电探针、电流测量转换模块和数据处理模块，放电探针的一端与机匣的内壁相平齐，另一端露在机匣的外部，且放电探针插入机匣的部分包裹绝缘层；交流数控可调激励的高压端连接放电探针，阴极通过电流测量转换模块连接转子叶片的中心，电流测量转换模块经由数据处理模块连接交流数控可调激励的控制端，用以控制交流数控可调激励的输出电压大小和有无。测量方法是首先绘制放电起始电压与叶尖间隙的关系曲线，然后测量待测转子叶片的放电起始电压，根据关系曲线找到对应的叶尖间隙数值，即为待测转子叶片的叶尖间隙。其实用性强，安装使用方便，操作简单，调压时间短且效率高。
【专利说明】
一种基于交流放电的叶尖间隙测量系统及测量方法
技术领域
[0001]本发明属于叶片间隙测量领域，特别涉及一种基于交流放电的叶尖间隙测量系统及方法。
【背景技术】
[0002]航空发动机径向间隙测量，特别是高压涡轮间隙测量，一直以来属于世界性的测试难题。航空发动机叶尖径向间隙是指发动机各级转子叶片叶尖与发动机机匣之间的距离，是影响航空发动机性能的重要参数之一。发动机转子叶尖与机匣内壁之间的径向间隙过大时，压气机的压比下降，耗油量增加，发动机的效率也会大大降低。英国R.R公司对现代燃气涡轮发动机研究表明，叶尖间隙每增加叶片长度的1%，效率约降低1.5%;而效率每降低I %，耗油率约增加2%。然而叶尖间隙过小时，由于叶片在高温环境下受热发生膨胀，可能会导致叶尖与机匣内壁之间产生摩擦，造成零部件的损坏，影响发动机的安全。因此叶尖间隙过大或过小都会对发动机产生不利的影响，合理的设计和监测发动机的叶尖间隙，对于提高发动机性能具有重要意义。
[0003]为测量和控制航空发动机压气机叶片和涡轮叶尖与机匣内壁之间的间隙，国内外航空研究机构开发了多种间隙的测量方法，现在常使的有光纤法、探针法、电容法、电涡流法等，这些方法都有其不同的特点。为了使叶尖间隙测量技术达到实用高效的水平，本案提出一种基于交流放电的新型叶尖间隙测量方法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的，在于提供一种基于交流放电的叶尖间隙测量系统及测量方法，其实用性强，安装使用方便，操作简单，调压时间短且效率高。
[0005]为了达成上述目的，本发明的解决方案是:
[0006]—种基于交流放电的叶尖间隙测量系统，包括交流数控可调激励、放电探针、电流测量转换模块和数据处理模块，其中，放电探针的一端与机匣的内壁相平齐，而另一端露在机匣的外部，且在放电探针插入机匣的部分包裹绝缘层，将放电探针与机匣完全隔离;所述交流数控可调激励的高压端连接放电探针，交流数控可调激励的阴极通过电流测量转换模块连接转子叶片的中心，电流测量转换模块的输出端连接数据处理模块的输入端，而数据处理模块的输出端连接交流数控可调激励的控制端，用以控制交流数控可调激励的输出电压大小和有无。
[0007]上述电流测量转换模块包括检测电阻、电压传感器和模数转换器，其中，检测电阻的一端连接交流数控可调激励的阴极，检测电阻的另一端连接转子叶片的中心；电压传感器连接在检测电阻的两端，所述电压传感器的输出端经模数转换器连接数据处理模块的输入端。
[0008]上述放电探针由金属材料制成。
[0009]上述检测电阻选用50Ω电阻。
[0010]—种基于交流放电的叶尖间隙测量方法，包括如下步骤:
[0011]步骤I，准备阶段，基于已知叶尖间隙的转子叶片，得到放电起始电压与叶尖间隙的对应关系；
[0012]步骤2，实际测量阶段，测量待测转子叶片的放电起始电压，在步骤I得到的对应关系中找到对应该放电起始电压的叶尖间隙数值，即为待测转子叶片的叶尖间隙。
[0013]上述步骤I的详细内容是:
[0014](11)以现有方法测量转子叶片的叶尖间隙，在电源频率恒定的前提下，数据处理模块调节交流数控可调激励的输出电压由零逐渐增大，直至放电产生，记录此刻的放电起始电压及对应的叶尖间隙；
[0015](12)更换转子叶片，重复步骤(11)，记录多组放电起始电压及叶尖间隙数据，得到放电起始电压与叶尖间隙的对应关系。
[0016]上述步骤I中，将放电起始电压与叶尖间隙的对应关系采用关系曲线的形式表示。
[0017]上述步骤2的详细内容是:
[0018](21)在电源频率恒定的前提下，通过数据处理模块调节交流数控可调激励的输出电压由零逐渐增大，直至放电探针与待测转子叶片的叶尖之间的空气被击穿，放电产生，记录此刻的放电起始电压；
[0019](22)重复步骤(21)，共记录η组放电起始电压，对这η组数据进行处理，得到放电起始电压均值，然后在步骤I得到的对应关系中找到对应该放电起始电压均值的叶尖间隙数值，即为待测转子叶片的叶尖间隙，其中，η为自然数，且η多2。
[0020]上述步骤(22)中，对η组数据采用中值法进行处理，得到放电起始电压均值。
[0021]采用上述方案后，本发明首先在电压频率恒定时，使用交流数控可调激励在高压端放电探针与转子叶尖之间施加持续可调的电压，高压端放电探针选择导电性较好且耐高温的金属探针，使用耐高温高压的绝缘材料用以固定高压端放电探针，同时防止机匣导电。当空气击穿放电发生，回路中电流发生突变，电流测量转换模块通过电压传感器测量检测电阻上电压的变化，接着通过模数转换器，将电信号转化为数字信号，将电压以数值的形式发送给数据处理模块进行分析和处理。数据处理模块能够控制交流数控可调激励持续输出电压，一旦放电产生，则停止增大电压，记录下此刻的放电电压大小。降低电压至放电消失，重复以上过程，测量多组放电起始电压值，对这些电压值进行处理;最后通过事先标定好的放电起始电压与放电间隙之间的对应关系，推测出叶尖间隙的大小。本发明具有如下特点:测量方式新颖，实用性强;放电探针体积小，安装使用方便;数控调压，操作简单，调压时间短且效率高;允许不接触测量;能够在恶劣的环境下工作等。
【附图说明】
[0022]图1是机匣上安装放电探针的结构示意图；
[0023]图2是图1中圆形虚线框的放大结构示意图；
[0024]图3是本发明测量系统的结构图；
[0025]图4是大气压下尖端放电起始放电电压和间距关系曲线图。
【具体实施方式】
[0026]以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0027]如图3所示，本发明提供一种基于交流放电的叶尖间隙测量系统，包括交流数控可调激励1、放电探针2、检测电阻6、电压传感器7、模数转换器8和数据处理模块9，其中，放电探针2由机匣4的外部插进机匣4，配合图1和图2所示，并使得放电探针2的一端与机匣4的内壁相平齐，而另一端露在机匣4的外部，且在放电探针2插入机匣4的部分包裹绝缘层5，将放电探针2与机匣4完全隔离;所述交流数控可调激励I的高压端连接放电探针2，而检测电阻6的一端连接交流数控可调激励I的阴极，检测电阻6的另一端连接转子叶片3的中心，其中，检测电阻6可选用常见的50 Ω电阻；电压传感器7连接在检测电阻6的两端，所述电压传感器7的输出端经模数转换器8连接数据处理模块9的输入端，而数据处理模块9的输出端连接交流数控可调激励I的控制端，用以控制交流数控可调激励I的输出电压大小和有无。
[0028]下面就其中的几个构成部件进行详细说明。
[0029]1、交流数控可调激励
[0030]本发明使用交流数控可调激励作为电压输出源，数控调压能够持续准确地输出电压，操作简单方便，调压时间短且效率高，对于提高测量结果的精度具有重要作用。采用交流激励进行放电是因为在交流电场作用下，与直流放电相比较，气体电离能力有了显著提高，击穿电压明显降低。
[0031]2、放电探针
[0032]输出电压足够大时，高压端放电探针与转子叶尖之间的气体被击穿产生放电，高压端放电探针尖端温度会迅速升高，因此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。绝缘层不但与高压端放电探针接触，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放电探针发生移动，另一方面则是为了防止机匣导电，避免对发动机造成危害。
[0033]3、电流测量转换模块
[0034]电流测量转换模块由检测电阻、电压传感器以及模数转换器三个部分组成。交流数控可调激励在高压端放电探针与转子叶尖之间施加的电压足够高时，放电探针与转子叶尖之间的空气被电离成带电粒子，由于离子间的作用力以及场强的作用，带电粒子不断迀移的同时发生碰撞，产生新的带电粒子，放电探针与转子叶尖之间的气体最终击穿产生放电。放电一旦产生，回路中的电流也会发生突变，电压传感器通过测量检测电阻上电压的突然变化，间接检测回路电流的变化，再经过模数转换器，将电压电信号转化为数字信号，以数值的形式传递给数据处理模块进行分析处理。
[0035]4、数据处理模块
[0036]数据处理模块能够调节交流数控可调激励从零开始逐渐增大输出电压，模数转换器将转换的电压信号以数值形式传送到数据处理模块，数据处理模块通过分析数值变化情况，判断放电是否产生，若数值发生突变，则说明转子叶尖与放电探针之间的气体在高电压的作用下击穿，并产生放电，此时数据处理模块调节交流数控可调激励，停止输出电压，并及时记录下此刻放电电压的大小。
[0037]基于以上测量系统，本发明还提供一种基于交流放电的叶尖间隙测量方法，包括如下步骤:
[0038]步骤I，准备阶段，绘制放电起始电压与叶尖间隙的关系曲线；
[0039](11)首先以现有方法测量转子叶片的叶尖间隙，然后将放电探针2插进该转子叶片对应的机匣，交流数控可调激励I的阴极经由检测电阻6连接该转子叶片的中心，在电源频率恒定的前提下，数据处理模块9调节交流数控可调激励I的输出电压由零逐渐增大，当输出电压增大到一定值时，放电探针2与转子叶片3的叶尖之间的空气被击穿，放电产生，此时交流数控可调激励1、检测电阻6与转子叶片3的中心形成的回路电流发生激增；电压传感器7测量检测电阻6上的电压变化，经过模数转换器8将测量到的电压信号转换为数字信号，以数值的形式发送给数据处理模块9进行分析和处理，此时数据处理模块9控制交流数控可调激励I停止电压输出，并记录此刻的放电起始电压及对应的叶尖间隙；
[0040](12)更换转子叶片，重复步骤(11)，记录多组放电起始电压及叶尖间隙数据，以叶尖间隙为横轴，以放电起始电压为纵轴，绘制放电起始电压与叶尖间隙之间的关系曲线；
[0041]步骤2，实际测量阶段；
[0042](21)将放电探针2插进待测转子叶片的机匣，将交流数控可调激励I的阴极经由检测电阻6连接该待测转子叶片的中心，按照准备阶段相同的测量方式，在电源频率恒定的前提下，通过数据处理模块9调节交流数控可调激励I的输出电压由零逐渐增大，当输出电压增大到一定值时，放电探针2与待测转子叶片的叶尖之间的空气被击穿，放电产生，此时交流数控可调激励1、检测电阻6与待测转子叶片的中心形成的回路电流发生激增；电压传感器7测量检测电阻6上的电压变化，经过模数转换器8将测量到的电压信号转换为数字信号，以数值的形式发送给数据处理模块9进行分析和处理，此时数据处理模块9控制交流数控可调激励I停止电压输出，并记录此刻的放电起始电压；
[0043](22)重复步骤(21)，共记录η组放电起始电压(η可取大于等于2的自然数，在本实施例中取为10)，通过中值法对这十组数据进行处理，得到比较准确的放电起始电压均值，然后在步骤I得到的关系曲线中找到对应该放电起始电压均值的叶尖间隙数值，即为待测转子叶片的叶尖间隙。
[0044]可以利用尖端放电的方式验证本发明测量方法的原理正确性，验证时，将交流数控可调激励的高压端连接放电探针，其阴极经由检测电阻再连接至放电探针，由于发动机叶尖间隙大概在之间，在电源频率恒定的情况下，使用示波器记录放电间隙在Omm-5mm的1组放电间隙对应的放电起始电压，最后可以标定一组放电起始电压与放电间隙之间的关系曲线，曲线图如图4所示，结果表明放电起始电压与放电间距存在对应关系，测量原理具有合理性，只需标定一组类似图4的关系曲线，即可通过测量发动机工作时的放电起始电压，推算出叶尖间隙的大小。
[0045]以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于交流放电的叶尖间隙测量系统，其特征在于:包括交流数控可调激励、放电探针、电流测量转换模块和数据处理模块，其中，放电探针的一端与机匣的内壁相平齐，而另一端露在机匣的外部，且在放电探针插入机匣的部分包裹绝缘层，将放电探针与机匣完全隔离;所述交流数控可调激励的高压端连接放电探针，交流数控可调激励的阴极通过电流测量转换模块连接转子叶片的中心，电流测量转换模块的输出端连接数据处理模块的输入端，而数据处理模块的输出端连接交流数控可调激励的控制端，用以控制交流数控可调激励的输出电压大小和有无。2.如权利要求1所述的一种基于交流放电的叶尖间隙测量系统，其特征在于:所述电流测量转换模块包括检测电阻、电压传感器和模数转换器，其中，检测电阻的一端连接交流数控可调激励的阴极，检测电阻的另一端连接转子叶片的中心；电压传感器连接在检测电阻的两端，所述电压传感器的输出端经模数转换器连接数据处理模块的输入端。3.如权利要求1所述的一种基于交流放电的叶尖间隙测量系统，其特征在于:所述放电探针由金属材料制成。4.如权利要求1所述的一种基于交流放电的叶尖间隙测量系统，其特征在于:所述检测电阻选用50 Ω电阻。5.—种基于交流放电的叶尖间隙测量方法，其特征在于包括如下步骤: 步骤I，准备阶段，基于已知叶尖间隙的转子叶片，得到放电起始电压与叶尖间隙的对应关系； 步骤2，实际测量阶段，测量待测转子叶片的放电起始电压，在步骤I得到的对应关系中找到对应该放电起始电压的叶尖间隙数值，即为待测转子叶片的叶尖间隙。6.如权利要求5所述的一种基于交流放电的叶尖间隙测量方法，其特征在于:所述步骤I的详细内容是: (11)以现有方法测量转子叶片的叶尖间隙，在电源频率恒定的前提下，数据处理模块调节交流数控可调激励的输出电压由零逐渐增大，直至放电产生，记录此刻的放电起始电压及对应的叶尖间隙； (12)更换转子叶片，重复步骤(11)，记录多组放电起始电压及叶尖间隙数据，得到放电起始电压与叶尖间隙的对应关系。7.如权利要求5所述的一种基于交流放电的叶尖间隙测量方法，其特征在于:所述步骤I中，将放电起始电压与叶尖间隙的对应关系采用关系曲线的形式表示。8.如权利要求5所述的一种基于交流放电的叶尖间隙测量方法，其特征在于:所述步骤2的详细内容是: (21)在电源频率恒定的前提下，通过数据处理模块调节交流数控可调激励的输出电压由零逐渐增大，直至放电探针与待测转子叶片的叶尖之间的空气被击穿，放电产生，记录此刻的放电起始电压； (22)重复步骤(21)，共记录η组放电起始电压，对这η组数据进行处理，得到放电起始电压均值，然后在步骤I得到的对应关系中找到对应该放电起始电压均值的叶尖间隙数值，即为待测转子叶片的叶尖间隙，其中，η为自然数，且η多2。9.如权利要求8所述的一种基于交流放电的叶尖间隙测量方法，其特征在于:所述步骤(22)中，对η组数据采用中值法进行处理，得到放电起始电压均值。
【文档编号】G01B7/14GK106091914SQ201610373403
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】于兵, 王继强, 申恩玉, 胡宗志, 袁培
【申请人】南京航空航天大学