（测试计量技术及仪器专业论文）发动机叶片叶尖间隙非接触检测技术研究.pdf

中文摘要叶尖间隙是影响发动机性能的重要参数，旋转叶片叶尖间隙在线实时检测系统对航空发动机的高效、安全运行至关重要，也是近几年国内外研究的热点。基于对国内外现状的分析，本文对光纤法和电容法进行了详细研究和论证。光纤法用于测量环境较好，温度较低的压气机；电容法用于测量温度较高的涡轮机高压级。本文的目标主要是解决光纤式叶尖间隙测量系统中光纤束传感器的数学建模和结构优化问题，以提高传感器性能；探索电容式叶尖间隙测量法的整体方案，为研制实用的电容式叶尖间隙测量样机奠定基础。本文建立了基于光线跟踪理论的光纤传感器的三维数学模型，结合实际工艺，设计出具有补偿功能的四叉型光纤束传感器；探索出一套适于测量环境的调频电容式叶尖间隙测量的整体方案，采用混频下变频来提高测量系统灵敏度的方法。本文的研究内容主要有以下几个方面：( 1 ) 建立了基于光线跟踪理论的三维数学模型，用于分析光纤传感器的受光特性以指导传感器设计。( 2 ) 设计了适于高转速、高精度测量的四叉型光纤束式叶尖间隙传感器，该传感器对光源波动、叶尖表面反射特性，光纤传光损耗，叶尖表面微倾斜引起的与传感器端面夹角等影响因素有补偿功能。经过静态实验，证明了其工作的可靠性。( 3 ) 根据涡轮机高压级的测量环境，设计了长电缆单屏蔽的耐高温电容传感器，以及配套的调频用高稳定度的l c 振荡电路。( 4 ) 电容传感器长电缆引入的大空载电容，影响测量灵敏度和精度，设计了混频下变频电路，用于增大调频信号的相对频偏，以提高测量系统的灵敏度。( 5 ) 设计了基于锁相环的鉴频系统，完成了对f m 信号的解调。经过静态实验，验证了电容传感器及接口电路工作的可靠性。关键词：叶尖间隙光纤位移光线跟踪电容传感器l c 振荡锁相鉴频a b s t r a c tb l a d et i pc l e a r a n c ei sa l li m p o r t a n tp a r a m e t e rt h a ti n f l u e n c e st h ep e r f o r m a n c eo fa e r o 。e n g i n e o n - l i n ea n dr e a lt i m em e a s u r e m e n ts y s t e mo fr o t a t i n gb l a d et i pc l e a r a n c ei nag a st u r b i n ei se s s e n t i a lt ot h es a f ea n de f f i c i e n to p e r a t i o no fa e r o - e n g i n e b a s e do na n a l y s i so fr e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d ，o p t i c a lf i b e rm e a s u r i n gm e t h o da n dc a p a c i t i v em e a s u r i n gm e t h o di sd e v e l o p e da n dd e m o n s t r a t e d t h ef i r s tm e t h o di sa p p l i e dt oc o m p r e s s o rs t a g eu n d e rt h ea p p r o p r i a t ec i r c u m s t a n c eo fl o wt e m p e r a t u r e t h el a t t e ro n ei ss u i t e dt oh i g h p r e s s u r es t a g eo fg a st u r b i n ew i t hh i g ht e m p e r a t u r e o n eo fo u rr e s e a r c ho b j e c t i v e si st ob u il du pam a t h e m a t i cm o d e lo fo p t i c a lf i b e rb u n d l es e n s o ra n dt oo p t i m i z ei t ss e n s o rc o n f i g u r a t i o n t h eo t h e ri st oe x p l o r et h ew h o l es c h e m eo fc a p a c i t i v ep r o b et i pc l e a r a n c em e a s u r e m e n ts y s t e m a c c o r d i n gt om e a s u r e de n v i r o n m e n t ，w h i c hb u i l du pas o l i df o u n d a t i o nt od e v e l o pap r a c t i c a lb l a d et i pc l e a r a n c em e a s u r e m e n tp r o t o t y p e i n n o v a t i o np o i n t sa l ea sf o l l o w i n g s t h r e e - d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i cm o d e lb a s e do i lr a yt r a c i n gt h e o r yi sp r o p o s e da n dd e m o n s t r a t e d ，a n df o u r - f u r c a t e do p t i c a lf i b e rb u n d l es e n s o rw i t hc o m p e n s a t e dc a p a b i l i t yi sd e v e l o p e dc o m b i n e dw i t ha r t sa n dc r a f t s t h ew h o l es c h e m eo fc a p a c i t i v ep r o b et i pc l e a r a n c em e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e v e l o p e da n dm i x e rm e t h o di se m p l o y e dt oi m p r o v es e n s i t i v i t yo fm e a s u r e m e n ts y s t e m t h er e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gs e v e r a lp a n s ( 1 ) t h r e e - d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i cm o d e lb a s e do nr a yt r a c i n gt h e o r yi sb u i l tu pa n da p p l i e dt oa n a l y z er e c e i v i n gl i g h tc h a r a c t e r i s t i ca n dd e s i g n a t i o no fo p t i c a lf i b e rb u n d l es e n s o r ( 2 ) f o u r - f u r e a t e do p t i c a lf i b e rb u n d l es e n s o ri sd e s i g n e d i t si n d e p e n d e n to fl i g h ts o u r c ef l u c t u a t i o n ，t a r g e ts u r f a c er e f l e c t i v i t ya n do p t i c a lf i b e rl o s sd u r i n gt r a n s m i t t i n gl i g h t , b u td e p e n d e n to ft i pc l e a r a n c ea n ds m a l li n c l i n e da n g l eb e t w e e nt i pp l a n ea n ds e n s o rp l a n e b ym e a n so fs t a t i ca n dd y n a m i cs t i m u l a n te x p e r i m e n t ,i ti sp r o v e dt ob er e l i a b l e ( 3 ) a c c o r d i n gt om e a s u r e de n v i r o n m e n to fh i g h p r e s s u r es t a g eo fg a st u r b i n e ，c a p a c i t i v es e n s o rt h a tc a nr e s i s th e a tw i t hl o n gc a b l ei sd e s i g n e da n dc o n n e c t e dt ol co s c i l l a t o r ye l e c t r i cu n i tw i t hh i g hs t a b i l i t y ( 4 ) l a r g ec a p a c i t a n c ei si n t r o d u c e db yl o n gc a b l eo fc a p a c i t i v es e n s o lw h i c hi n f l u e n c e ss e n s i t i v i v i t ya n dp r e c i s i o no ft h es e n s o r m i x e rc i r c u i t r yi se m p l o y e dt oe n h a n c es e n s i t i v i t yo fm e a s u r e m e n ts y s t e mb yi n c r e a s i n gr e l a t i v ef r e q u e n c yo f f s e to ff ms i g n a l ( 5 ) d e m o d u l a t e ds y s t e mo ff ms i g n a lb a s e dr e l i a b i l i t yo fc a p a c i t i v es e n s o ra n di n t e r f a c es t a t i ce x p e r i m e n t o np l li sd e v e l o p e d t h ew o r k i n gc i r c u i t r yi sd e m o n s t r a t e db ym e a n so fk e yw o r d s ：b l a d et i pc l e a r a n c eo p t i c a lf i b e rd i s p l a c e m e n tr a yt r a c i n gf mc a p a c i t i v es e n s o rl co s c i l l a t o rd i s c r i m i n a t i n gf r e q u e n c yp l l独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁垄盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了访j - 意。学位论文作者签名：学学受签字日期：力1 7 年，月劫日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解叁连盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特授权丕注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：学旁乏导师签名：取笈而签字f | 期：j 叼年月劫日签字日期：2 口吵年月一2 口同第一章绪论i i 课题意义第一章绪论发动机是航空、航海、能源j 二业系统广泛应用的动力装置，由高速旋转的转子、静于、机匣和轴承组成。发动机转子叶片顶端与机匣内壁之问的距离称为叶尖间隙，是影响发动机性能的重要参数之9 ”如图1 - i 所示。1 9 8 0 年m e h a l i e i 叫等人研究指出：叶尖间隙增大是商用高涵道比涡扇发动机性能恶化的重要原因。1 9 8 2 年p r z e d p e l s k i i m 等人在有关直升机发动机的研究中指出：磨蚀和叶尖问隙的改变是级叶片性能恶化的主要原因。另据有关文献报道：叶尖间隙每增加叶片长度的1 ，效率约降低15 ，耗油率约增加3 。耗油率增加1 ，可使全寿命费用增加07 嗍。为提高发动机的性能和效率，就要使转子叶尖径向间隙尽可能小，以减少工作介质泄漏而造成的损失然而间隙过小，会使叶尖与机厘碰磨，影响发动机的安全m l 。图i - l涡轮叶片间隙示意闰如何设计控制间隙使其最为合适，对提高发动机性能保证安全非常重要。而合理地设计间隙，或进行主动问隙控制，关键在于搞清间隙的实际变化，掌握它的变化规律。航空发动机在工作时，由于各个部件承受的温度和受力变形情况不同，转、静子间的运动是很复杂的。不同部位的零件在径向、轴向的位移大小和方向存在很大的差异这种差异还随发动机不同而改变，日前单靠理论方法准确计算还有一定困难，因此对间隙进行实测，给抖 间隙随不同转速及状态的变化规律，验证理论计算的合理性，在发动机研制过程中对优化设计、保证试车试验第一章绪论安全，具有实际的工程应用价值。从2 0 世纪3 0 年代，国外一些先进的航空企业开始致力于航空发动机间隙测量的应用研究，并将间隙测量得出的研究成果广泛应用于航空发动机研制中，还部分的实现了主动间隙控制。我国开展间隙测量研究较晚，与世界先进国家相比，还有相当大的差距，国内叶尖间隙测量的应用研究亟待加强。1 2 叶尖间隙测量技术的研究现状和发展趋势发动机在工作过程中，转子叶尖问隙不是一个常数，它随工作过程和飞行状态而变化。影响间隙变化的主要原因有：( 1 ) 各种载荷的影响；其中，机械载荷引起发动机机匣的弯曲和椭圆变形，机动载倚可使机匣挠曲、转子陀螺力矩可使局部间隙变小；气动载荷主要有进气道升力及阵风引起的载荷。( 2 ) 温度与过渡态转速的变化，主要原因是在离心力与温度负荷作用下，转、静子之间的径向位移不同。发动机使用时间和飞机的起落架次，也对径向间隙的变化起影响作用。而急速的过渡过程，特别是猛改油门过程会使发动机处于径向间隙最小的工作状态，也是设计时考虑的不安全工作状态。发动机出现故障时，通常引起的叶尖间隙的变化情况如表1 1 。表1 1 发动机故障引起的叶尖间隙变化情况实际故障叶尖径向间隙叶片折断变大叶片裂纹变小盘蠕变变小机匣变形变大或变小轴承磨损变大或变小转子应变变大或变小转予共振变大或变小从分析来看，影响叶尖间隙的因素较多且比较复杂，单靠理论计算很难准确预测实际间隙值，因此对叶尖间隙进行在线测量足实时获取间隙值的最佳途径。进而验证发动机的参数，并能预测可能的故障，减少不必要的损失。1 2 1 叶尖间隙的测量方法【0 5 枷】目前主要的叶尖间隙测量技术主要有放电探针测量法、超声波测量法、x 射线测量法、光导探针测量法、光纤测量法、电涡流测量法、电容测量法等。第一章绪论1 放电探针法探针法采用的是叶尖放电方式，即依靠电机使外加直流电压的探针沿径向移动，当探针移向叶尖至发生放电为止，探针的行程与初始安装间隙( 静态时探针到机匣内表面的距离) 之差即叶尖间隙。探针法最初由德国的d a v i d s o n 等人发明，目前中国航空工业沈阳发动机设计研究所使用的英国r c m s 4 的间隙测量系统属探针类，主要由探针、执行机构、控制器组成。其间隙测量系统在探针上施加高压，在执行机构的驱动下，以连续的步进逐渐靠近被测物体，当探针距被测物体只有微米量级时，发生电弧放电，控制器感受到放电后，在探针与叶尖物理接触之前，停止探针步进，并将其收缩回安全位置，同时显示叶尖间隙的测量结果。探针法的特点：原理比较简单，只要叶片是导电材料，无论叶尖端面形状如何都可以用探针法测量叶尖间隙，并且高温高压环境下测量稳定、可靠，但是该方法只能测量转子的最小叶尖问隙。此外，外加电压波动，工作流体的温度和压力变化，探针和叶尖端面的污损，都会改变放电的起始距离，产生测量误差。而且探针容易受到异物及油的污染造成的阻塞，另外控制探针进退的执行机构比较复杂，由于是接触式测量，一旦发动机紧急停车，探针缩回不到安全位置，就容易发生故障。探针法适用于温度6 0 0 以下，转速在6 0 0 0 r m i n 的测量环境，不适宜作为固定设备装在定型的发动机上，适用于试验研究，可以测量各稳态状态下最长叶片与机匣的间隙值，也可用作校准其他测量方法的基准。2 电涡流测量法1 0 9 1电涡流法依据叶片扫过涡流线圈引起的涡流损耗的变化进行测量，测量装置主要由探头和检测电路两部分构成。检测电路由振荡器、检波器及放大器等组成。当振荡器产生的高频电压施加给靠近转子叶片叶尖一侧的传感器线圈l 时，l 产生磁束，金属板受此磁束感应产生环行电流，此电流在线圈上产生反向磁束，导致传感器线圈l 的电感及等效阻抗发生变化，传感器线圈l 受涡流影响时的等效阻抗z 的函数表达式为：z = f ( x ，j u ，p ，们( 1 - 1 )p 一被测导体的电阻率；j u 一被测导体的磁导率；w 一线圈激磁电压的频率：，一线圈与被测导体的尺寸引子；x 一线圈与被测导体之间的距离；第一章绪论当被测物体与传感器探头确定后，影响传感器线圈l 的阻抗z 的一些参数是不变的，此时只有线圈与被测导体之间的距离x 的变化量与阻抗有关。如果通过检测电路测出阻抗z 的变化量，即得出叶尖的问隙值。电涡流传感器的特点：体积小，重量轻，结构简单，不必做复杂的调整；频率响应范围宽，灵敏度高，测量范围大，抗干扰能力强。此方法受叶片材料的影响较大，叶尖端面还需要由一定的厚度。由于传感器输出是随着叶尖形状、安装状态和环境温度等变化，因此，事先需要校准，使其适合使用环境。此外，传感器的耐热性能较差( 4 0 0 * ( 2 左右) ，目前用于涡轮高温部件尚有困难。而且探头直径大于2 5 m m 。机匣开孔尺寸过大，不便安装。从文献报道来看，美国n a s al e r c 研究中心研制出的电涡流式叶尖问隙测量装置已经在气动力涡轮旋转试验机上进行了实验；另外德国米铱精密测量技术公司也有相关产品研制。3 超声波测量法日本国立航空航天实验室的t t a g h a s h i r a 等人报道了使用超声波传感器来测量叶尖间隙的方法【1 7 1 。该测量系统主要有：超声波传感器、脉冲发生器接收器、角位置传感器、数据处理系统。被传感器激励的超声波通过叶尖间隙空间并在叶尖表面被反射回来，传回的声波被传感器接收，经过处理传感器输出数据可得到激励和接收信号之间的时间间隔，再依据一定的关系式便可得出叶尖间隙。该测量系统可用于叶尖间隙主动控制的动态间隙测量，用它测量旋转叶片叶尖间隙精度在0 0 5 m m 。主要优点：( 1 ) 它适用于金属和非金属叶片；( 2 ) 非接触测量；( 3 ) 可以在恶劣环境下工作；( 4 ) 安装和使用方便。对于燃气涡轮发动机的直接测量来说，超声波是一种很有前途的技术。4x 射线测量法据文献报道，国外科学家在载荷模拟试验器上采用x 射线装置测量叶尖间隙。它能够观察机匣或部件的变形和位移，能够精确测量发动机承受2 1 9 过载时内部部件的间隙，但系统复杂。测量系统主要包括：高能量、高密度的x 射线源；与x 射线源相连接的高速、高分辨率的检测器；精确确定x 射线源、检测器相对于发动机的周向和纵向位置的定位装置。该系统用于测量无叶冠片径向间隙，但该系统中校准x 射线源相对检测器的位置较难，系统太昂贵以及x 射线需要处理等问题还没有得到很好的解决，这影响了其在发动机测试中的应用。5 光导探针测量法早在2 0 世纪5 0 年代初期，由英国f e n l o w 公司制造的探针测量系统首次在涡轮机研制中用于连续检测叶尖间隙，它是用机电装置来测量接地目标位移的，第一章绪论当时此项技术进一步发展受到了限制。到了2 0 世纪8 0 年代中期，一种光学三角测量技术问世了，它被应用到燃气涡沦发动机上，并实现了在线测量。近几年来，由于不断采用新技术，光纤的成功应用，给这项测量技术赋予了新的生命。光导探针法是通过光导纤维将一激光束投射到转子叶片的叶尖上，当叶尖间隙发生变化时，由于反射的光返回路径不同，在光电接收器上的光点的位置发生变化，其变化量经过计算即得出转子叶尖的问隙。叶片叶尖位置图1 - 2测量涡轮间隙的激光近程探针系统光导探针测量系统图1 2 ，包括激光器、探头、光纤、光电转换装置、摄像机、信号记录和监视器。它的测量原理是：激光器发出的光通过透镜耦合进光纤，再经聚焦透镜和三角棱镜把光束投射到叶尖上，如a 点和b 点，由叶尖间隙变化而改变相应位置。再通过棱镜和聚焦透镜作用到输出端的光纤上，通过对应的反射光点a 和b ，再把反射回来的光线输送到另一端对应的显示屏上，如a ”和b ”。最后用对准显示屏的摄像机记录下光点的位置信号输送到记录器或监视器上，从而获得不同间隙时数据。该方法的特点是不受转子叶片本身材料的限制，各种转子叶片都可测量：适用于精度高、频响快、高温涡沦叶尖间隙测鼍；能在恶劣环境下工作，适用于静态和动态的实时检测；成本低，光纤探头体积较小，易安装等。由于传感器运行在高温高压和大振动的情况下，因此需要对光学系统第一章绪论进行保护，防止污染和仪器损坏。6 光纤位移测量法 1 0 - 1 4 】近年来随着光纤技术的发展，人们开始使用光纤传感器对叶片叶尖间隙进行非接触测量。光纤束传感器安装在对着旋转叶片的机匣上的，当叶片扫过测头时，调制光强度，这样利用光电二极管感测光强的变化，并将其转换为电信号，通过后续处理电路，把光强的变化检测出来，从而达到间隙测量的目的。常用的几种反射式光纤束位移传感器结构如表1 - 2 。表1 2 几种光纤束传感器结构比较发射光纤m m 一多模光纤位移灵敏度曲线和特点接收光纤os m 一单模光纤jl灵敏度最高测量范围最小( 1 )m m m m-jl( 2 )s m m m灵敏度最小m m m m测量范围最大i( 3 )m m m m入灵敏度高测量范围小j叭灵敏度较高( 4 )s m m mm m m m测量范围较小( 1 ) 单根双向y 型光纤传感器，发射和接收光纤由同一根光纤实现。具有高的位移灵敏度，但测量范围很小；( 2 ) 并行排列单向分离型光纤传感器，反射和接收光纤分开，成左右对称排列形式，具有大的测量范围和较低的位移灵敏度；( 3 ) 随机排列单向分离型光纤传感器，多根发射和接收光纤混合随机排列，具有较高的位移灵敏度和较小的测量范围；( 4 ) 同心圆排列单向分离型光纤传感器，一根或多根发射光纤位于中心，周围是接收光纤，具有较大的测量范围和较高的位移灵敏度。其最大的优点是减小了倾斜和转动的影响。要根据不同的应用场合设计光纤传感器的结构，其位移灵敏度特性曲线与传第一章绪论感器中光纤的数值孔径和发射光纤和接收光纤的排列情况密切相关。光纤法的特点：具有高灵敏度，高分辨率，抗电磁干扰，超高电绝缘，结构简单，性能稳定，设计灵活，能在恶劣环境下工作，适应于静态和动态的实时检测。探头可以做的很小，频带宽，有优良的动态响应性能。但由于采用的是光强调制，易受测量环境的油污等的影响。由于叶片表面经过高温烧蚀，它的反射系数降低，反射损失会造成灵敏度下降，假定反射面与光纤轴垂直，如果反射面稍有倾斜，对灵敏度也会产生影响，甚至给测量带来误差，因此传感器的设计需多加注意。7 电容测量法0 5 - 1 6 1电容法依据的基本原理是安装在机匣上的测头中心电极构成可变电容器的一个极板，转子叶尖构成可变电容器的另一个极板。可变电容器的电容值随着叶尖间隙变化而变化。叶尖必须通过轴承、密封装置、齿轮系统与试验件壳体接地。传感器头部安装对着转子叶尖的机匣上。据有关资料报道，国外常把电容法分为两类：调频式，主要用于压气机( 或涡沦) 与机匣的间隙测量；调幅式，主要用于连续变化的情况。调频式的工作原理是：叶尖与探头电极之间的间隙发生变化引起电容变化，进而引起振荡频率的变化，这一变化信号对原载波信号进行频率调制，调频后的信号由振荡器输出，通过电缆送到信号处理器，最后将间隙的变化变成阶梯信号输出。d m u l l e r l 4 1 等人开发了一套以调频式电容技术为基础的叶尖间隙测量系统。探针的开发、系统集成和校准由t ec h n i c h eg r o u pl t d 完成，模拟电路部分由f y l d e 电气实验室完成，矿物绝缘电缆和柔性电缆由b i e et h e r m o h e a tl a t 公司开发。校准技术的开发、测试方案、系统在燃气涡轮发动机上的测试以及数据评价由b m wr o l l s r o y c eg m b h 完成。经过多台发动机上的试验得出：发动机测量间隙不确定度优于0 0 6m m ，涡轮探针经过1 0 0 小时严格试验后没有表现出明显的机械疲劳迹象，可用于发动机的压气机和涡轮叶尖间隙测量。电容法的特点：灵敏度高，固有频率高，频带宽，动态响应性能好，能在数兆赫的频率下正常工作，功率小，阻抗高等。它的精度受多方面因素的影响，如测量时介质的介电常数的变化、环境干扰( 磁场、电火花) 、探头及机匣受热变形、校准误差等。绝缘是电容法的特殊问题，由于电容本身的内阻很高，因而对绝缘提出了更高的要求。另外，当材料性能不好时，其绝缘电阻将随温度和湿度变化，从而引起传感器输出产生缓慢的零位漂移。第一章绪论以电容为基础的间隙测量系统结构简单，电容传感器具有高温工作能力，但系统及电缆分布电容的影响制约了该技术的广泛应用。因此基于电容法的叶尖间隙测量系统的设计需要重点考虑电缆分布电容的影响。1 2 2 间隙测量方法比较上述基本代表了国内外叶尖间隙测量的主导技术和研究方向。为使叶尖间隙测量达到实用水平，不论采用那种测量方法，提高高温高压条件下传感器的耐久性和可靠性以及缩小体积都是技术的关键。纵观各种测量方法，探针法是早期较流行的叶尖间隙测量方法，但由于只能测量导电叶片和叶尖最小间隙，执行机构也比较复杂等原因，逐步被其它技术手段取代。超声波可以在恶劣环境下进行非接触测量，但是整个系统造价昂贵，制约了现阶段的发展，不过是较有前途的测量方法。光学测量法中，光导探针法系统复杂，早期较流行，光纤位移测量法结构简单，不受电磁干扰的影响，是近几年研究的热点。在国外，电涡流法，电容法是目前在工程上得到广泛应用且比较成熟的间隙测量方法。电涡流法要求叶尖端面必须有某种程度的厚度，其传感器的输出随叶尖形状、安装状态、环境温度等变化，因此需事先校准。这种间隙测量方法传感器体积小，重量轻，响应速度快，价格较低，并可测出每片叶片的叶尖间隙，较适用于定型机和试验机的风扇和压气机的间隙测量。但是电涡流法也有其不足，如传感器耐热性较差( 无冷却，2 0 0 - - 4 0 0 左右) ，使用环境受到了很大限制。电容法弥补了电涡流法在使用温度上的不足，除具有与电涡流相似的特点外，电容传感器具有高温工作能力，探头使用温度可达1 3 5 0 ，成为目前间隙测量的一种有效手段。目前已被r r 、g e 、p w 、b m w - r r 、a b b 、n a s a等大量用于航空发动机涡沦间隙测量。但是电容法使用通道的可比造价较高，并且目前只能从国外引进。因此在国内开展此领域的自主研发，对提高叶尖间隙测量水平，降低成本等有很大意义。我们结合国内外研究现状，对叶尖间隙测量的光纤法和电容法展开研究。1 3 课题来源和主要研究内容本课题为国家教育部“新世纪优秀人才支持计划资助”( s u p p o r t e db yp r o g r a mf o rn e wc e n t u r ye x c e l l e n tt a l e n t si nu n i v e r s i t y ，) 项目。围绕高速旋转叶片的叶尖间隙的实时测量展开研究。第一章绪论从叶尖间隙测量的国外研究现状来看，光纤传感法是近几年研究的热点。光纤叶尖间隙测量系统的关键和难点在于；适于高转速、高精度测量的叶尖间隙传感器设计：对光源波动、叶尖表面反射率的变化、光纤传光损耗、叶尖表面与传感器间夹角变化进行补偿的技术；高速叶尖间隙信号的预处理系统。本文在实验室已有工作的基础上，主要针对前两个关键点进行了详细研究。间隙信号的光电转换预处理电路采用已有方案，具体设计可参考孙宇扬论文n 。电容法在国外是一种比较实用成熟的叶尖间隙测量技术。我们根据测量环境的要求，初步开发了一套基于f m 电容测头的叶尖间隙测量系统。根据测量条件，设计了长电缆单屏蔽f m 电容测头。电容间隙信号转换电路设计，单屏蔽电容测头和长电缆附加的大空载电容，使间隙引起的电容相对变化很小，针对这个问题，设计了基于通信原理的调频接收方案，间隙信号引起测头电容值的变化调制载波( 西勒振荡电路) 产生频偏较小的f m 信号，再通过四象限乘法器混频，使其下变频到中频4 6 5 k ，利用陶瓷滤波器选出中频信号，再送至锁相环( p l l ) 的鉴频系统解调输出电压信号。叶尖间隙信号i s a 采集接口卡的设计，利用a l t e r r a 的e p m 7 1 2 8 s 来配置i s a 接口的时序逻辑，用v c 编写接口采集软件，实现了对叶尖间隙信号的动态采集和分析。1 4 本章小结本章主要介绍了叶尖间隙对发动机性能的影响，论述了叶尖间隙测量的重要意义。对国内外叶尖间隙测量的研究现状和发展趋势做了详细介绍，并对各种测量方法进行了对比分析，确定了本文研究的方向。最后结合实验室已作工作，确定了本文的主要研究内容，对光纤束传感器进行改进设计；探索电容间隙测量法的整体方案。第二章光 f 式叶尖问隙测量原理和系统组成第二章光纤式叶尖间隙测量原理和系统组成用光纤法进行涡轮材l n l - 门叶尖问隙的测量，是八十年代以来随着光纤的发展而兴起的项重要新技术，它有一系列的优点。这种方法对叶片的材质没有要求，也不容易受到电磁干扰的影响具有良好的动态响应性能，可以实时在线检测涡轮机所有叶片的间隙。2 i 光纤式叶尖间隙测量法的基本原理测量示意图如2 - l ，主要由传感器模块( 1 个转速同步传感器，1 个叶尖间隙传感器) 、转速同步信号处理模块、叶尖间隙信号前置放大模块、叶尖间隙模拟信号处理模块、叶尖间隙信号高速同步采集模块，计算机及软件实时处理系统组成。如图2 - l ，反射式光纤位移传感器安装在机匣上，当叶片扫过光纤测头时会引起反射光强的变化。如图2 - 2 。某型涡轮机光纤叶尖间隙测量波形，叶片扫过测头，光强先变大后减小峰值光强信息反应叶尖间隙的大小。圈2 - i 光纤式叶尖间隙测量系统框图图2 - 2 叶片扫过测头形成的间隙波形图2 - 3 光纤束传感器系统示意图；_|鳝? 山一一一圳一_ _ l 一图第二章光纤式叶尖间隙测量原理和系统组成光纤束传感器系统，如图2 3 ，主要包括激光光源l d 、光纤束式测头、光隔离器和光电探测器( p d l 、p d 2 、p d 3 ) 组成。激光器发出的光耦合进发射光纤，经被测表面散射后由接收光纤接收，再经光电探测器探测。利用接收光功率的强弱反映位移的大小。在激光器与发射光纤之间加入光隔离器，是因为激光器对光反馈极其敏感，很容易破坏系统的稳定性，加入光隔离器后可以大大改善系统的性能。2 2 光纤式叶尖间隙测量的关键技术非接触式高速实时旋转叶片叶尖间隙监测系统关键技术主要包括传感器系统、信号采集系统及信号分析处理三部分。2 2 1 传感器安装在转轴上的转速同步传感器用于监测压气机转速和作为间隙信号的参考信号。只要求每转发出1 个脉冲，考虑到最高转速为1 5 0 0 0 r m i n = 2 5 0 r s ，脉冲频率最高为2 5 0 h z ，且传感器所处环境较好，受干扰较小，一般采用磁电式传感器即可满足要求，采用r s - 4 8 5 差分传输，送至叶尖间隙信号采集板，与间隙信号一起送入计算机。光纤传感器是获取间隙信息的源头，其性能至关重要。要求传感器有较强的抗干扰能力，对光源波动、光纤传光损耗、待测表面散射特性和被测表面与传感端面间夹角引入的测量误差有补偿功能。通过文献查阅来看，哈工大博士论文“光纤式复杂轮廓表面检测与三维重构技术的研究，【3 3 l1 7 6 1 采用了轮辐式光纤测头结构对角度进行测量补偿，示意图2 4 。眍= 圆匮= 圆l _ 眍= 圆眍= 圆e m i t t i n gt i b e r图2 4 轮辐式光纤测头结构!该传感器能够应用于逆向工程中对微小内轮廓表面进行检测与重构，采用尺寸和数值孔径很小的单模光纤照明，八根多模接收光纤构成八通道光纤补偿网络，沿圆周以一定的距离对称排列成轮辐状二维阵列，由于单模发射光纤位于中心，其端部出光处粘结一自聚焦透镜，这种特殊结构排列的全光纤传感头第二章光纤式叶尖间隙测量原理和系统组成具有结构紧凑、体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀等特点。实际测量时，首先获取被测点处微小面元的倾斜信息，以便对传感器测量值进行实时误差修正，来解决被测表面倾斜对坐标测量带来的影响。i图2 - 5 被测面沿y 向倾斜时示意图以圆光斑的中心为原点，水平方向为x 轴，垂直方向为y 轴，当表面与传感器端面平行时，x 轴、y 轴上对应位置的光纤接收的光强相同，只与间隙大小有关；当表面与传感器端面倾斜时，x 轴、y 轴上对应位置的光纤接收的光强不再相同，其差值与倾斜的角度有关，如图2 - 5 为y 轴倾斜时的测量示意图，可见，光斑呈椭圆状，中心向上平移，那么，a 卜a 4 四根光纤的接收光强不再对称相同，其差值大小随角度变化。那么随角度变化的归一化特性函数和随位移变化的归一化输出特性函数分别为：w ，= 等等等岩，j 。( 所：! 垦! 垒2 亟垦! !( 2 2 )”( b 。+ 名2 + b 3 + b 4 )、d ( 们：! 竺! 刍! 墨! 堡! ! 二! 幺! 刍! 垦! 垦! !( 2 3 )( 只l + 巴2 + 只3 + 只4 + 兄l + 乓2 + b 3 + b 4 )、7当得到两个方向角与位移的函数后，根据事先标定出的传感器在各个斜率下的位移输出特性曲线和测佩的被测微面元处的倾角，就可以利用查表法得到去除倾角影响后的位移信息，进行测量误差的补偿。文中报道传感器在2 5 0 0 u r n - - - -4 5 0 0 u m 的测量范围内，不同倾角的输出曲线最大偏差为1 8 3 u m ，不修正的测量结果偏差达几百微米。该方法虽然可以对倾角进行补偿，但是用单个光纤接收信号一般很弱，这无疑增加了后续电路处理的难度，且每根接收光纤的信号都独立测量，需要八路信号处理装置和多通道采集与处理系统，整个系统比较庞大。考虑到叶片叶尖问隙测量的实际情况，与以上测量有几点不同：叶片叶尖与传感器端面的倾斜角度一般不大于6 。，属于小角度；叶尖间隙不需要考虑叶片倾角的方向，只需测出间隙的大小；与静态的轮廓测量不同，叶片在工作状态时处于高速旋转状态，传感器以及信号处理装置需要安装在机匣上，不便于采取过于复杂的处理电路；与轮廓测量的精度相比，叶片叶尖间隙的第二章光纤式叶尖间隙测最原理和系统组成测量精度要求为2 5 u m ，精度不太高。因此本文基于前人已有工作1 1 7 】，结合实际测最条件，设计的几种光纤束传感器的结构如下，y 型、三叉型和四叉型，如表2 1 。最终光纤式叶尖间隙测量系统中，我们采用了具有多补偿功能的四叉型光纤束传感器结构。表2 1设计的几种光纤束传感器名称端而光纤排列特点y 型：勉，在测量环境较好的条件下，结构简单，灵敏度高利用测量通道和参考通道对三叉型菇三物体位移表面敏感的不同性，附加干扰因素敏感的相同性，让两路信号经过光电转换作除法运算，以改善系统的精度与稳定性。饿黧与上类似，进一步补偿敏感不同性的附加干扰因素，如叶尖四叉型扭动引起的端面与传感器端面的夹角等。2 2 2 传感器信号处理与高速同步采集【1 7 】1 2 6 - 2 8 由于光纤束接收到的光强比较微弱，且要求高频带，光电接收放大电路应该具有无失真地检测和恢复微弱信号的能力，这首先要求其前端应有低噪声，高灵敏度和快速的上升时间。我们采用p i n 光电二极管作为光电转换器件，专用弱光前置放大处理电路进行光电流高速放大，并制作能实现多路信号同步( 与转速同步传感器的信号同步) 、高速采集的叶尖间隙数据采集系统。由于测量是在涡轮机高速旋转的条件下进行，要得到动态的测量数据必须通过高速数据采集卡实时采集进计算机进行处理得到间隙信号。因此叶尖间隙信号高速采集系统也是电路设计的重要部分，为简化设计，以上光纤法和电容法采用同一套间隙采集电路。高速数据采集系统必须满足以下功能要求第二章光纤式叶尖间隙测量原理和系统组成1 ) 允许软件启动采集，软件复位；2 ) 板上有外部时钟，可以利用拨码开关选择不同的时钟频率；3 ) 选用1 0 位以上的a d 转换器；4 ) 转速同步传感器必须锁存进f i f o ，以便于数据处理时，测量的数据与实际叶片对应。图2 - 6叶尖间隙采集系统整体方案图根据功能要求设计的叶尖间隙信号采集系统如图2 - 6 ，将鉴频输出的电压信号送至a d 转换器的模拟信号输入端，由于a d 为l o 位输出，再加一位转速同步信号，实际需要采集1 1 位数据信息，因此利用两片f i f o ( i d t 7 2 0 5 ，深度8 k , 宽度9 位) 使字宽扩展到1 8 位，足以符合采集系统的要求。对于转速同步脉冲，我们把它直接连入第二片f i f o 的最高位，与采集到的间隙数据一起送入计算机进行处理，这样可以将测得的数据与实际叶片对应。表2 2 设计的i s a 接口地址译码表译码地址i o wi o r实际电路信号3 0 2 ( 状态口)0l状态口写( 给f i f o 复位，软件控制采集位置1 )3 0 2 ( 状态口)l0状态口读( 读f i f o 状态位，h f , e f , h f )3 0 0 ( 数据口)10数据口读( f i f o 数据读入p c )2 3 本章小结本章主要介绍了光纤式叶尖间隙测量法的基本原理和系统组成，简要阐述了本系统的关键技术，光纤传感器是获取间隙信息的源头，其性能至关重要；光电预处理系统将光信号最终转换为可供计算机采集的模拟电压信号，因此光纤传感器和光电预处理电路是本系统的关键。在实验室已有工作的基础上，光电预处理第二章光纤式叶尖问隙测量原理和系统组成系统采用已有方案；本文将重点放在光纤传感器的数学模型构建和结构优化方面，在原来y 型光纤传感器的基础上，提出了三叉型( 差动补偿型) 和四义型光纤束传感器模型，比较分析了几种传感器的特点，最终确立了四叉型光纤束传感器的模型结构。第三章光纤束传感器的数学建模和优化设计第三章光纤束传感器的数学建模和优化设计光纤束传感器是光纤叶尖间隙测量系统的关键。传感器的结构设计和光纤束的特征参数直接决定传感器的精度和测量范围。光纤的数值孔径和发射光纤与接收光纤的排列情况影响位移灵敏度特性曲线的上升沿和最大值点的位置。因此，要根据实际的应用场合，设计光纤传感器的结构。为此，本文对光纤传感器的数学模型进行了详细研究，给出了仿真和实验对比结果。为了扩大测量范围，实现补偿功能，传感器采用单根光纤发射，周围均布的三组光纤接收的同心圆排列方式，这种特殊结构排列的全光纤传感头，具有结构紧凑，体积小，抗电磁干扰，耐腐蚀等特点。3 1 理论分析3 1 1 三叉型三叉型光纤束传感器的结构如表2 - 1 所示，是由中心单根发射光纤和周围均布的两圈接收光纤构成，一路作为测量通道，另一路作为参考通道，利用两路信号对道对物体位移表面敏感的不同性，附加干扰因素敏感的相同性，让两路信号经过光电转换作除法运算，可以降低敏感相同性的附加干扰对测量结果的影响，以改善系统的精度与稳定性。综合考虑光源波动，光纤传光损耗，被测表面反射率，每一组接收光纤接收到的光功率可由下式表示：p l = p o 成肛风z ( d )( 3 - 1 )p 2 = p o p o p 2 p 尺 ( 回( 3 2 )式中，p 。一发射光纤出射光功率；胨一被测表面反射率不同对测量结果的影响系数；胁一光源的漂移对测量结果的影响系数：所一接收光纤组k 产生的损耗对测量结果的影响系数；石( d ) 一是间隙d 的函数。对测量表达式作以下处理：第三章光纤束传感器的数学建模和优化设计詈p = 锱( c o 坩翮( 3 3 )。岛z、7对于同一只光纤传感器，第一组光纤损耗的影响因子岛和第二组光纤损耗的影响因子伤是常数，所以两组光纤的损耗之比是常数。由式( 3 3 ) 可以看出，两组接收光纤的光功率之比同光源波动和被测表面的反射率无关，而只跟间隙d有关。两组接收光纤接收到的光强p 。、p 2 经光电预处理电路最终转换为模拟电压信号v 。、v ：，这样间隙的变化反应为两电压比值的变化。我们采用最d - - 乘法对测量曲线进行拟和，它对测量曲线有很好的平滑作用，能在很大程度上消除测量过程中的随机误差。设有n 组数据点f ( 吃) ，z 】( 1 - - 1 ，2 ，3 - - - n ) ，则可以构造多项式如下：厂( d ) = a o + a l d + a 2 d 2 + + 口。d ”( 聊 ”)( 3 _ 4 )当满足孝= 【( 谚) 一( ，：v 。) ，】2 为最小时，可以求得一组口o ，口。a 。，此时的厂( d ) 即为拟和函数。3 1 2 四叉型除光源波动，光纤传光损耗，被测表面反射率对测量结果的影响外，待测叶尖端面和光纤测头端面的夹角，或在测量过程中叶片有轻微扭动等也会对测量结果产生影响，综合考虑这些因素，每一组接收光纤接收到的光功率可由下式表示：p l = p o p o p l p s a ( d ，口) ( 3 - 5 )p 2 = p o 岛仍风五( 面叻( 3 6 )p ，=