一種基于交流放電的葉尖間隙測量系統及測量方法
【專利摘要】本發明公開一種基于交流放電的葉尖間隙測量系統，包括交流數控可調激勵、放電探針、電流測量轉換模塊和數據處理模塊，放電探針的一端與機匣的內壁相平齊，另一端露在機匣的外部，且放電探針插入機匣的部分包裹絕緣層；交流數控可調激勵的高壓端連接放電探針，陰極通過電流測量轉換模塊連接轉子葉片的中心，電流測量轉換模塊經由數據處理模塊連接交流數控可調激勵的控制端，用以控制交流數控可調激勵的輸出電壓大小和有無。測量方法是首先繪制放電起始電壓與葉尖間隙的關系曲線，然后測量待測轉子葉片的放電起始電壓，根據關系曲線找到對應的葉尖間隙數值，即為待測轉子葉片的葉尖間隙。其實用性強，安裝使用方便，操作簡單，調壓時間短且效率高。
【專利說明】
一種基于交流放電的葉尖間隙測量系統及測量方法
技術領域
[0001]本發明屬于葉片間隙測量領域，特別涉及一種基于交流放電的葉尖間隙測量系統及方法。
【背景技術】
[0002]航空發動機徑向間隙測量，特別是高壓渦輪間隙測量，一直以來屬于世界性的測試難題。航空發動機葉尖徑向間隙是指發動機各級轉子葉片葉尖與發動機機匣之間的距離，是影響航空發動機性能的重要參數之一。發動機轉子葉尖與機匣內壁之間的徑向間隙過大時，壓氣機的壓比下降，耗油量增加，發動機的效率也會大大降低。英國R.R公司對現代燃氣渦輪發動機研究表明，葉尖間隙每增加葉片長度的1%，效率約降低1.5%;而效率每降低I %，耗油率約增加2%。然而葉尖間隙過小時，由于葉片在高溫環境下受熱發生膨脹，可能會導致葉尖與機匣內壁之間產生摩擦，造成零部件的損壞，影響發動機的安全。因此葉尖間隙過大或過小都會對發動機產生不利的影響，合理的設計和監測發動機的葉尖間隙，對于提高發動機性能具有重要意義。
[0003]為測量和控制航空發動機壓氣機葉片和渦輪葉尖與機匣內壁之間的間隙，國內外航空研究機構開發了多種間隙的測量方法，現在常使的有光纖法、探針法、電容法、電渦流法等，這些方法都有其不同的特點。為了使葉尖間隙測量技術達到實用高效的水平，本案提出一種基于交流放電的新型葉尖間隙測量方法。
【發明內容】
[0004]本發明的目的，在于提供一種基于交流放電的葉尖間隙測量系統及測量方法，其實用性強，安裝使用方便，操作簡單，調壓時間短且效率高。
[0005]為了達成上述目的，本發明的解決方案是:
[0006]—種基于交流放電的葉尖間隙測量系統，包括交流數控可調激勵、放電探針、電流測量轉換模塊和數據處理模塊，其中，放電探針的一端與機匣的內壁相平齊，而另一端露在機匣的外部，且在放電探針插入機匣的部分包裹絕緣層，將放電探針與機匣完全隔離;所述交流數控可調激勵的高壓端連接放電探針，交流數控可調激勵的陰極通過電流測量轉換模塊連接轉子葉片的中心，電流測量轉換模塊的輸出端連接數據處理模塊的輸入端，而數據處理模塊的輸出端連接交流數控可調激勵的控制端，用以控制交流數控可調激勵的輸出電壓大小和有無。
[0007]上述電流測量轉換模塊包括檢測電阻、電壓傳感器和模數轉換器，其中，檢測電阻的一端連接交流數控可調激勵的陰極，檢測電阻的另一端連接轉子葉片的中心；電壓傳感器連接在檢測電阻的兩端，所述電壓傳感器的輸出端經模數轉換器連接數據處理模塊的輸入端。
[0008]上述放電探針由金屬材料制成。
[0009]上述檢測電阻選用50Ω電阻。
[0010]—種基于交流放電的葉尖間隙測量方法，包括如下步驟:
[0011]步驟I，準備階段，基于已知葉尖間隙的轉子葉片，得到放電起始電壓與葉尖間隙的對應關系；
[0012]步驟2，實際測量階段，測量待測轉子葉片的放電起始電壓，在步驟I得到的對應關系中找到對應該放電起始電壓的葉尖間隙數值，即為待測轉子葉片的葉尖間隙。
[0013]上述步驟I的詳細內容是:
[0014](11)以現有方法測量轉子葉片的葉尖間隙，在電源頻率恒定的前提下，數據處理模塊調節交流數控可調激勵的輸出電壓由零逐漸增大，直至放電產生，記錄此刻的放電起始電壓及對應的葉尖間隙；
[0015](12)更換轉子葉片，重復步驟(11)，記錄多組放電起始電壓及葉尖間隙數據，得到放電起始電壓與葉尖間隙的對應關系。
[0016]上述步驟I中，將放電起始電壓與葉尖間隙的對應關系采用關系曲線的形式表示。
[0017]上述步驟2的詳細內容是:
[0018](21)在電源頻率恒定的前提下，通過數據處理模塊調節交流數控可調激勵的輸出電壓由零逐漸增大，直至放電探針與待測轉子葉片的葉尖之間的空氣被擊穿，放電產生，記錄此刻的放電起始電壓；
[0019](22)重復步驟(21)，共記錄η組放電起始電壓，對這η組數據進行處理，得到放電起始電壓均值，然后在步驟I得到的對應關系中找到對應該放電起始電壓均值的葉尖間隙數值，即為待測轉子葉片的葉尖間隙，其中，η為自然數，且η多2。
[0020]上述步驟(22)中，對η組數據采用中值法進行處理，得到放電起始電壓均值。
[0021]采用上述方案后，本發明首先在電壓頻率恒定時，使用交流數控可調激勵在高壓端放電探針與轉子葉尖之間施加持續可調的電壓，高壓端放電探針選擇導電性較好且耐高溫的金屬探針，使用耐高溫高壓的絕緣材料用以固定高壓端放電探針，同時防止機匣導電。當空氣擊穿放電發生，回路中電流發生突變，電流測量轉換模塊通過電壓傳感器測量檢測電阻上電壓的變化，接著通過模數轉換器，將電信號轉化為數字信號，將電壓以數值的形式發送給數據處理模塊進行分析和處理。數據處理模塊能夠控制交流數控可調激勵持續輸出電壓，一旦放電產生，則停止增大電壓，記錄下此刻的放電電壓大小。降低電壓至放電消失，重復以上過程，測量多組放電起始電壓值，對這些電壓值進行處理;最后通過事先標定好的放電起始電壓與放電間隙之間的對應關系，推測出葉尖間隙的大小。本發明具有如下特點:測量方式新穎，實用性強;放電探針體積小，安裝使用方便;數控調壓，操作簡單，調壓時間短且效率高;允許不接觸測量;能夠在惡劣的環境下工作等。
【附圖說明】
[0022]圖1是機匣上安裝放電探針的結構示意圖；
[0023]圖2是圖1中圓形虛線框的放大結構示意圖；
[0024]圖3是本發明測量系統的結構圖；
[0025]圖4是大氣壓下尖端放電起始放電電壓和間距關系曲線圖。
【具體實施方式】
[0026]以下將結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細說明。
[0027]如圖3所示，本發明提供一種基于交流放電的葉尖間隙測量系統，包括交流數控可調激勵1、放電探針2、檢測電阻6、電壓傳感器7、模數轉換器8和數據處理模塊9，其中，放電探針2由機匣4的外部插進機匣4，配合圖1和圖2所示，并使得放電探針2的一端與機匣4的內壁相平齊，而另一端露在機匣4的外部，且在放電探針2插入機匣4的部分包裹絕緣層5，將放電探針2與機匣4完全隔離;所述交流數控可調激勵I的高壓端連接放電探針2，而檢測電阻6的一端連接交流數控可調激勵I的陰極，檢測電阻6的另一端連接轉子葉片3的中心，其中，檢測電阻6可選用常見的50 Ω電阻；電壓傳感器7連接在檢測電阻6的兩端，所述電壓傳感器7的輸出端經模數轉換器8連接數據處理模塊9的輸入端，而數據處理模塊9的輸出端連接交流數控可調激勵I的控制端，用以控制交流數控可調激勵I的輸出電壓大小和有無。
[0028]下面就其中的幾個構成部件進行詳細說明。
[0029]1、交流數控可調激勵
[0030]本發明使用交流數控可調激勵作為電壓輸出源，數控調壓能夠持續準確地輸出電壓，操作簡單方便，調壓時間短且效率高，對于提高測量結果的精度具有重要作用。采用交流激勵進行放電是因為在交流電場作用下，與直流放電相比較，氣體電離能力有了顯著提高，擊穿電壓明顯降低。
[0031]2、放電探針
[0032]輸出電壓足夠大時，高壓端放電探針與轉子葉尖之間的氣體被擊穿產生放電，高壓端放電探針尖端溫度會迅速升高，因此需要選擇熔點高且導電性能好的金屬材料制作高壓端放電探針。絕緣層不但與高壓端放電探針接觸，同時還有一部分處于機匣內壁，因此需要使用耐高溫高壓的絕緣材料進行制作。絕緣層一方面能夠防止發動機工作時放電探針發生移動，另一方面則是為了防止機匣導電，避免對發動機造成危害。
[0033]3、電流測量轉換模塊
[0034]電流測量轉換模塊由檢測電阻、電壓傳感器以及模數轉換器三個部分組成。交流數控可調激勵在高壓端放電探針與轉子葉尖之間施加的電壓足夠高時，放電探針與轉子葉尖之間的空氣被電離成帶電粒子，由于離子間的作用力以及場強的作用，帶電粒子不斷迀移的同時發生碰撞，產生新的帶電粒子，放電探針與轉子葉尖之間的氣體最終擊穿產生放電。放電一旦產生，回路中的電流也會發生突變，電壓傳感器通過測量檢測電阻上電壓的突然變化，間接檢測回路電流的變化，再經過模數轉換器，將電壓電信號轉化為數字信號，以數值的形式傳遞給數據處理模塊進行分析處理。
[0035]4、數據處理模塊
[0036]數據處理模塊能夠調節交流數控可調激勵從零開始逐漸增大輸出電壓，模數轉換器將轉換的電壓信號以數值形式傳送到數據處理模塊，數據處理模塊通過分析數值變化情況，判斷放電是否產生，若數值發生突變，則說明轉子葉尖與放電探針之間的氣體在高電壓的作用下擊穿，并產生放電，此時數據處理模塊調節交流數控可調激勵，停止輸出電壓，并及時記錄下此刻放電電壓的大小。
[0037]基于以上測量系統，本發明還提供一種基于交流放電的葉尖間隙測量方法，包括如下步驟:
[0038]步驟I，準備階段，繪制放電起始電壓與葉尖間隙的關系曲線；
[0039](11)首先以現有方法測量轉子葉片的葉尖間隙，然后將放電探針2插進該轉子葉片對應的機匣，交流數控可調激勵I的陰極經由檢測電阻6連接該轉子葉片的中心，在電源頻率恒定的前提下，數據處理模塊9調節交流數控可調激勵I的輸出電壓由零逐漸增大，當輸出電壓增大到一定值時，放電探針2與轉子葉片3的葉尖之間的空氣被擊穿，放電產生，此時交流數控可調激勵1、檢測電阻6與轉子葉片3的中心形成的回路電流發生激增；電壓傳感器7測量檢測電阻6上的電壓變化，經過模數轉換器8將測量到的電壓信號轉換為數字信號，以數值的形式發送給數據處理模塊9進行分析和處理，此時數據處理模塊9控制交流數控可調激勵I停止電壓輸出，并記錄此刻的放電起始電壓及對應的葉尖間隙；
[0040](12)更換轉子葉片，重復步驟(11)，記錄多組放電起始電壓及葉尖間隙數據，以葉尖間隙為橫軸，以放電起始電壓為縱軸，繪制放電起始電壓與葉尖間隙之間的關系曲線；
[0041]步驟2，實際測量階段；
[0042](21)將放電探針2插進待測轉子葉片的機匣，將交流數控可調激勵I的陰極經由檢測電阻6連接該待測轉子葉片的中心，按照準備階段相同的測量方式，在電源頻率恒定的前提下，通過數據處理模塊9調節交流數控可調激勵I的輸出電壓由零逐漸增大，當輸出電壓增大到一定值時，放電探針2與待測轉子葉片的葉尖之間的空氣被擊穿，放電產生，此時交流數控可調激勵1、檢測電阻6與待測轉子葉片的中心形成的回路電流發生激增；電壓傳感器7測量檢測電阻6上的電壓變化，經過模數轉換器8將測量到的電壓信號轉換為數字信號，以數值的形式發送給數據處理模塊9進行分析和處理，此時數據處理模塊9控制交流數控可調激勵I停止電壓輸出，并記錄此刻的放電起始電壓；
[0043](22)重復步驟(21)，共記錄η組放電起始電壓(η可取大于等于2的自然數，在本實施例中取為10)，通過中值法對這十組數據進行處理，得到比較準確的放電起始電壓均值，然后在步驟I得到的關系曲線中找到對應該放電起始電壓均值的葉尖間隙數值，即為待測轉子葉片的葉尖間隙。
[0044]可以利用尖端放電的方式驗證本發明測量方法的原理正確性，驗證時，將交流數控可調激勵的高壓端連接放電探針，其陰極經由檢測電阻再連接至放電探針，由于發動機葉尖間隙大概在之間，在電源頻率恒定的情況下，使用示波器記錄放電間隙在Omm-5mm的1組放電間隙對應的放電起始電壓，最后可以標定一組放電起始電壓與放電間隙之間的關系曲線，曲線圖如圖4所示，結果表明放電起始電壓與放電間距存在對應關系，測量原理具有合理性，只需標定一組類似圖4的關系曲線，即可通過測量發動機工作時的放電起始電壓，推算出葉尖間隙的大小。
[0045]以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護范圍，凡是按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護范圍之內。
【主權項】
1.一種基于交流放電的葉尖間隙測量系統，其特征在于:包括交流數控可調激勵、放電探針、電流測量轉換模塊和數據處理模塊，其中，放電探針的一端與機匣的內壁相平齊，而另一端露在機匣的外部，且在放電探針插入機匣的部分包裹絕緣層，將放電探針與機匣完全隔離;所述交流數控可調激勵的高壓端連接放電探針，交流數控可調激勵的陰極通過電流測量轉換模塊連接轉子葉片的中心，電流測量轉換模塊的輸出端連接數據處理模塊的輸入端，而數據處理模塊的輸出端連接交流數控可調激勵的控制端，用以控制交流數控可調激勵的輸出電壓大小和有無。2.如權利要求1所述的一種基于交流放電的葉尖間隙測量系統，其特征在于:所述電流測量轉換模塊包括檢測電阻、電壓傳感器和模數轉換器，其中，檢測電阻的一端連接交流數控可調激勵的陰極，檢測電阻的另一端連接轉子葉片的中心；電壓傳感器連接在檢測電阻的兩端，所述電壓傳感器的輸出端經模數轉換器連接數據處理模塊的輸入端。3.如權利要求1所述的一種基于交流放電的葉尖間隙測量系統，其特征在于:所述放電探針由金屬材料制成。4.如權利要求1所述的一種基于交流放電的葉尖間隙測量系統，其特征在于:所述檢測電阻選用50 Ω電阻。5.—種基于交流放電的葉尖間隙測量方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟I，準備階段，基于已知葉尖間隙的轉子葉片，得到放電起始電壓與葉尖間隙的對應關系； 步驟2，實際測量階段，測量待測轉子葉片的放電起始電壓，在步驟I得到的對應關系中找到對應該放電起始電壓的葉尖間隙數值，即為待測轉子葉片的葉尖間隙。6.如權利要求5所述的一種基于交流放電的葉尖間隙測量方法，其特征在于:所述步驟I的詳細內容是: (11)以現有方法測量轉子葉片的葉尖間隙，在電源頻率恒定的前提下，數據處理模塊調節交流數控可調激勵的輸出電壓由零逐漸增大，直至放電產生，記錄此刻的放電起始電壓及對應的葉尖間隙； (12)更換轉子葉片，重復步驟(11)，記錄多組放電起始電壓及葉尖間隙數據，得到放電起始電壓與葉尖間隙的對應關系。7.如權利要求5所述的一種基于交流放電的葉尖間隙測量方法，其特征在于:所述步驟I中，將放電起始電壓與葉尖間隙的對應關系采用關系曲線的形式表示。8.如權利要求5所述的一種基于交流放電的葉尖間隙測量方法，其特征在于:所述步驟2的詳細內容是: (21)在電源頻率恒定的前提下，通過數據處理模塊調節交流數控可調激勵的輸出電壓由零逐漸增大，直至放電探針與待測轉子葉片的葉尖之間的空氣被擊穿，放電產生，記錄此刻的放電起始電壓； (22)重復步驟(21)，共記錄η組放電起始電壓，對這η組數據進行處理，得到放電起始電壓均值，然后在步驟I得到的對應關系中找到對應該放電起始電壓均值的葉尖間隙數值，即為待測轉子葉片的葉尖間隙，其中，η為自然數，且η多2。9.如權利要求8所述的一種基于交流放電的葉尖間隙測量方法，其特征在于:所述步驟(22)中，對η組數據采用中值法進行處理，得到放電起始電壓均值。
【文檔編號】G01B7/14GK106091914SQ201610373403
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月31日
【發明人】于兵, 王繼強, 申恩玉, 胡宗志, 袁培
【申請人】南京航空航天大學