一種基於恆壓式交流放電的葉尖間隙實時測量系統及方法與流程

2023-07-30 14:20:51 2

本發明屬於葉片間隙測量領域，特別涉及一種基於恆壓式交流放電的葉尖間隙實時測量系統及方法，可在測量範圍內測量每一個葉片的實際葉尖間隙。

背景技術：

航空發動機葉片的葉尖間隙一般是指發動機轉子葉片與機匣間的徑向間隙。葉尖間隙是發動機研製過程中的一項基本的測量參數，同時，也是發動機在運轉過程中主動葉尖間隙控制、健康管理以及故障診斷等的重要組成部分。

作為燃氣渦輪發動機的重要參數，渦輪、壓氣機葉片葉尖間隙的大小對於發動機的效率具有極大的影響，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。據資料介紹，葉尖間隙每增加葉片長度的1％，效率約降低1.5％，耗油率約增加3％，耗油率增加1％，可使全壽命費用增加0.7％。然而葉尖間隙過小時，由於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，合理地設計和監測發動機的葉尖間隙，對於提高發動機性能具有重要意義。

為了使葉尖間隙測量技術達到實用高效的水平，本案提出一種基於恆壓式交流放電的葉尖間隙實時測量系統及方法。

技術實現要素：

本發明的目的，在於提供一種基於恆壓式交流放電的葉尖間隙實時測量系統及方法，其能夠實時獲取葉片情況，在測量範圍內測量每一個葉片的實際葉尖間隙，實用性強，安裝使用方便，操作簡單。

為了達成上述目的，本發明的解決方案是：

一種基於恆壓式交流放電的葉尖間隙實時測量系統，包括高頻交流放電電壓源、負反饋式放電耦合電路模塊、金屬探針、磁鐵、霍爾傳感器、電流大小測量轉換模塊、信號採集轉換電路和數據處理模塊，其中，高頻交流放電電壓源的高壓端與金屬探針之間串聯一個負反饋式放電耦合電路模塊，高頻交流放電電壓源的陰極通過電流大小測量轉換模塊連接另一個負反饋式放電耦合電路模塊的一端，而該負反饋式放電耦合電路模塊的另一端連接轉子葉片的中心；金屬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，且在金屬探針插入機匣的部分包裹絕緣層，將金屬探針與機匣完全隔離；電流大小測量轉換模塊的輸出端連接數據處理模塊的輸入端，磁鐵設於轉軸偏離中心的某點上，而霍爾傳感器固定於轉軸一側，且霍爾傳感器通過信號採集轉換電路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高頻交流放電電壓源的控制端，用以控制高頻交流放電電壓源的輸出電壓大小和有無。

上述電流大小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另一個負反饋式放電耦合電路模塊的一端，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。

上述檢測電阻選用50Ω電阻。

基於如前所述的一種基於恆壓式交流放電的葉尖間隙實時測量系統的實時測量方法，電壓頻率以及輸出電壓恆定時，在高頻交流放電情況下，轉子葉片與金屬探針之間的氣體導通發生放電，測量放電電流峰值，通過標定好的放電電流與放電間隙之間的對應關係，得到葉尖間隙大小。

上述實時測量方法的詳細內容是：在電源頻率恆定不變時，數據處理模塊控制高頻交流放電電壓源輸出幅值恆定的電壓，發動機工作過程中，轉子葉片旋轉使其和金屬探針之間的間隙變化，當某一轉子葉尖與固定在機匣內壁上的金屬探針之間的距離小至某個特定值時，二者之間的氣體被電離從而發生放電，放電電流隨之產生，放電電流的大小和葉尖間隙直接相關；測量放電電流，記錄峰值的大小，同時使用霍爾傳感器根據放電電流波形對轉子葉片進行相位定位，利用事先標定好的放電電流與放電間隙之間的對應關係，實現在測量範圍內測量每一個轉子葉片的實際葉尖間隙。

採用上述方案後，本發明的有益效果是：

(1)使用霍爾傳感器根據放電電流波形變化對轉子葉片進行相位定位，實時獲取葉片位置的情況，可在測量範圍內測量每一個轉子葉片的實際葉尖間隙，測量方法新穎，實用性強；

(2)金屬探針體積小，安裝使用方便，對原系統無改變；

(3)高頻交流放電、負反饋式放電耦合電路模塊，提高系統穩定性；

(4)允許不接觸測量；能夠在惡劣的環境下工作。

附圖說明

圖1是機匣上安裝放電探針、磁鐵及霍爾傳感器的結構示意圖；

圖2是圖1中圓形虛線框的放大結構示意圖；

圖3是霍爾傳感器的脈衝信號與放電電流波形示意圖；

其中，(a)表示霍爾傳感器的脈衝信號，(b)表示放電電流波形；

圖4是本發明測量系統的結構圖；

圖5是大氣壓下尖端放電放電電流和間距關係曲線圖。

具體實施方式

以下將結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細說明。

如圖4所示，本發明提供一種基於恆壓式交流放電的葉尖間隙實時測量系統，包括高頻交流放電電壓源1、負反饋式放電耦合電路模塊2、金屬探針3、磁鐵6、霍爾傳感器7、檢測電阻9、電壓傳感器10、模數轉換器11、信號採集轉換電路12和數據處理模塊13，下面分別介紹。

高頻交流放電電壓源1的高壓端與金屬探針3之間串聯負反饋式放電耦合電路模塊2，高頻交流放電電壓源1的陰極通過檢測電阻9連接另一個負反饋式放電耦合電路模塊2的一端，而該負反饋式放電耦合電路模塊2的另一端連接轉子葉片4的中心，檢測電阻9可選用常見的50Ω電阻；配合圖1和圖2所示，金屬探針3的一端與機匣5的內壁相平齊，而另一端露在機匣5的外部，且在金屬探針3插入機匣5的部分包裹絕緣層8，從而將金屬探針3與機匣5完全隔離；電壓傳感器10連接在檢測電阻9的兩端，所述電壓傳感器10的輸出端經模數轉換器11連接數據處理模塊13的輸入端，磁鐵6設於轉軸偏離中心的某點上，而霍爾傳感器7固定於轉軸一側，且霍爾傳感器7通過信號採集轉換電路12連接數據處理模塊13的輸入端，而數據處理模塊13的輸出端連接高頻交流放電電壓源1的控制端，用以控制高頻交流放電電壓源1的輸出電壓大小和有無。

下面就其中的幾個構成部件進行詳細說明。

1、高頻交流放電電壓源

本發明使用高頻交流放電電壓源作為電壓輸出源，能夠輸出恆定幅值及頻率的電壓，使用高頻交流放電電壓源進行放電是由於在高頻交流電場作用下，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，同時轉子葉片與金屬探針之間的氣體導通時能夠在高頻的作用下產生較為穩定的放電，對於提高測量系統的穩定性，減小幹擾有著重要的作用。

2、負反饋式放電耦合電路模塊

等離子放電是一個正反饋的過程，當電極間隙電壓達到氣體擊穿電壓後，電子在行進過程中頻繁產生碰撞現象，即電子雪崩現象，電子數目迅速增長，放電電流增加，產生大量的帶電粒子和熱量，引起電極間隙電阻下降，導致電流進一步增加，從而形成正反饋過程，放電變得不穩定。在高頻交流放電電壓源與金屬探針以及檢測電阻與轉軸之間串聯負反饋式放電耦合電路模塊，負反饋式放電耦合電路模塊中的電容作用相當於介質阻擋放電中的介質，用於產生反向電場，限制放電電流，增強放電的穩定性，大阻值的電阻則意味著更強的負反饋。串聯負反饋式放電耦合電路模塊能夠提供一個有效的控制放電發展過程的負反饋，阻止放電向火花放電過渡，得到較為穩定的放電。

3、金屬探針

高頻交流放電電壓源的輸出電壓足夠大時，高壓端金屬探針與轉子葉尖之間的氣體被擊穿產生放電。為了防止電極燒蝕，需要選擇熔點高且導電性能好的金屬材料製作高壓端放電探針。絕緣層不但與高壓端金屬探針接觸，同時還有一部分處於機匣內壁，因此需要使用耐高溫高壓的絕緣材料進行製作。用於包裹金屬探針的絕緣層一方面能夠防止發動機工作時金屬探針發生移動，另一方面則是為了防止機匣導電，避免對發動機造成危害。

4、電流大小測量轉換模塊

電流大小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。電源頻率以及輸出電壓為一設定恆定值，當某一轉子葉尖與固定在機匣內壁上的金屬探針之間的距離小至某個特定值D時，二者之間的氣體被電離從而能夠發生較為穩定的放電，放電電流隨之產生，其電流的大小和葉尖間隙直接相關(D可以根據實際需求通過改變放電系統參數和交流電源的電壓和頻率修改)。燃氣渦輪發動機工作過程中，葉片旋轉使其和金屬探針之間的間隙變化，能產生放電電流大小也不斷變化，電壓傳感器通過測量檢測電阻上電壓的變化，間接對放電電流進行測量，再經過模數轉換器，將接收到的電壓信號轉化為數位訊號，以數值的形式傳遞給數據處理模塊進行分析處理。

5、霍爾傳感器

在轉軸偏離中心某點上放置一塊磁鐵，將霍爾傳感器固定在轉軸一側，霍爾傳感器通過信號採集轉換電路與數據處理模塊相連接，信號採集轉換電路實時檢測霍爾傳感器狀態信號，並將其轉換為數位訊號傳遞給數據處理模塊進行分析。當磁鐵接近霍爾傳感器時，霍爾傳感器產生一個相應的脈衝。隨著轉子旋轉，霍爾傳感器再一次產生脈衝信號。在兩個脈衝之間，每當有轉子葉片和金屬探針之間的距離小於D時，放電電流都會出現波峰，當轉子葉片與金屬探針之間的徑向距離大於D時，則無放電產生。使用霍爾傳感器根據放電電流波形變化對轉子葉片進行相位定位，能夠實時獲取轉子葉片位置的情況。

6、數據處理模塊

數據處理模塊能夠控制高頻交流放電電壓源產生持續可調的輸出頻率以及電壓，以便應對不同測量環境的實際需求。在高頻交流電壓作用下，轉子葉片與金屬探針之間的氣體被導通產生較為穩定的放電，放電電流隨之產生。燃氣渦輪發動機工作過程中，轉子葉片旋轉使其和金屬探針之間的間隙變化，能產生放電電流大小也不斷變化，轉子葉片與金屬探針之間的距離減小時，放電電流會逐漸增大，電壓傳感器測量檢測電阻兩端電壓的變化，間接測量放電電流的大小，經過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，一般情況下發動機轉速都比較大，因此需要將數據處理模塊採樣頻率設置的足夠高，以確保採集數據的精度。當磁鐵經過霍爾傳感器時，霍爾傳感器產生一個相應的脈衝信號，隨著轉子旋轉，霍爾傳感器再一次產生脈衝信號。在兩個脈衝之間，每當有轉子葉片和金屬探針之間的距離小於D時，放電電流都會出現波峰，當轉子葉片與金屬探針之間的徑向距離大於D時，則無放電產生。使用霍爾傳感器根據放電電流波形變化對轉子葉片進行相位定位，能夠實時得到轉子葉片位置的情況，數據處理模塊及時記錄下每個峰值的大小，用於推算每個轉子葉片的實際葉尖間隙。

基於以上測量系統，本發明還提供一種基於恆壓式交流放電的葉尖間隙實時測量方法，包括如下內容：

(1)在電源頻率恆定不變時，數據處理模塊控制高頻交流放電電壓源輸出幅值恆定的電壓，當某一轉子葉尖與固定在機匣內壁上的金屬探針之間的距離小至某個特定值D時，二者之間的氣體被電離從而能夠發生較為穩定的放電，放電電流隨之產生，其電流的大小和葉尖間隙直接相關(D可以根據實際需求通過改變放電系統參數和交流電源的電壓和頻率修改)；

(2)燃氣渦輪發動機工作過程中，轉子葉片旋轉使其和金屬探針之間的間隙變化，產生大小不斷變化的放電電流，隨著轉子葉片和金屬探針之間距離的減小，放電電流呈現增大狀態，電壓傳感器測量檢測電阻上的電壓變化，間接對迴路放電電流進行測量，經過模數轉換器，將測量到的電壓信號轉換為數位訊號，以數值的形式發送給數據處理模塊進行分析和處理，為確保採集數據的精度足夠高，需要將數據處理模塊的採樣頻率設定為一個較大的值。當磁鐵經過霍爾傳感器時，霍爾傳感器會產生一個相應的脈衝信號，信號採集轉換電路實時檢測霍爾傳感器的狀態變化，並將採集到的電平信號轉化為數位訊號傳遞給數據採集模塊進行分析。隨著轉子旋轉，霍爾傳感器再次產生脈衝信號，在兩個脈衝之間，每當有轉子葉片和金屬探針之間的距離小於D時，放電電流都會出現波峰，當轉子葉片與金屬探針之間的徑向距離大於D時，則無放電產生，可配合圖3所示。使用霍爾傳感器根據放電電流波形變化對轉子葉片進行相位定位，實時得到轉子葉片位置的情況，數據處理模塊及時記錄下每個峰值的大小，利用事先標定好的放電電流與放電間隙之間的對應關係，即可實現在測量範圍內測量每一個轉子葉片的實際葉尖間隙。

可以利用尖端放電的方式驗證放電間隙和放電電流之間存在對應關係。首先在交流電壓源高壓端與導電性良好的金屬探針之間串聯由耦合電阻電容組成的負反饋式放電耦合電路模塊，接地極同樣通過負反饋式放電耦合電路模塊連接金屬探針。由於發動機葉尖間隙大概在0mm-5mm之間，在電源頻率以及輸出電壓恆定的情況下，使用示波器記錄放電間隙在0mm-5mm的10組放電間隙對應的迴路放電電流，檢測電阻阻值為50Ω，通過測量檢測電阻電壓間接測量放電電流。最後可以標定一組放電電流與放電間距之間的關係曲線，曲線圖如圖5所示。結果表明放電電流與放電間距存在對應關係，隨著間距的減小，放電電流逐漸增大，測量方法具有可行性，只需標定一組類似圖5的關係曲線，即可通過測量發動機工作時的放電電流，在測量範圍內實時測量每一個轉子葉片的實際葉尖間隙。

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範圍，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，均落入本發明保護範圍之內。