叶尖间隙测量系统

基于多光束叶尖定时原理的叶尖间隙测量技术

针对发动机叶尖间隙测量的复杂应用环境，设计了基于多光束叶尖定时原理的叶尖间隙测量方案，通过提取叶片到达按一定夹角排布的不同光束时间差计算间隙值。模型分析表明，其测量精度主要取决于定时精度，受转子转速、反射光强弱变化、光源不稳和漂移等环境因素影响小。采用超小型光纤准直器，在0.5~3.5mm工作距离内将光束直径缩小至100μm以下，使系统具备了小于15μm高精度测量能力。三棱锥布局的测头改进设计提供了在线参数校正功能，且便于现场安装和检测。

 

 

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有效、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，叶尖间隙测量系统，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LC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FM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。

 

 

基于大频差双频激光的旋转叶片叶尖间隙测量技术

旋转叶片叶尖与机匣间的间隙是影响航空发动机、汽轮机、烟气轮机、鼓风机等重大装备安全工作性能、能量转换效率的重要参数。叶尖间隙的动态、在线测量是大型旋转机械实现健康监测、故障诊断、主动间隙控制的关键技术和制约瓶颈之一。本文通过对苛刻工业现场环境下叶尖间隙测量的特殊应用技术需求进行分析，提出了一种基于大频差双频激光的叶尖间隙测量新方法。通过设计完整的基于大频差双频激光的叶尖间隙测量系统结构，并对系统测量模型、误差模型进行推导，通过详细的系统软、硬件模块设计和调试，本文最终完成了初步系统联调实验。主要包括以下几个部分:

(1)研究采用光纤光路结构的拍波(双频激光的合成波)信号传输技术，提出了基于大频差双频激光的叶尖间隙测量新方法。双路拍波信号的相位差只与包含叶尖间隙信息的光程差有关，而与叶片特性、电磁环境干扰等无关，从而提高测量精度，并可实现自标定(标定的基准单位是自身的拍波波长)。

 (2)深入分析了基于大频差双频激光的叶尖间隙测量系统的误差源并经理论推导建立了误差模型和影响机制。使用matlab工具验证了误差模型的正确性，指出影响系统测量精度的主要误差因素，较系统地探索了该方法的测量精度潜力。

 (3)详细设计并制作了整个测量系统的软、硬件，形成较完整的系统样机。具体包括:1)双路拍波光纤化、微型化光路系统搭建和光纤传感器设计;2)电路系统设计、制板和调试，如APD高压偏置电源电路、低噪声微波级联放大电路、本振电路、混频电路;3)基于全相位FFT的高精度数字相位检测算法实现，上位机程序及应用软件编写等。

 (4)设计并完成了系统各子模块调试实验和样机联调实验，主要包括空间双路比相实验和单路光纤传输的双路比相测距实验。

 

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