一种涡轮凹腔叶片叶尖间隙测量方法
【专利摘要】本发明属于叶片间隙测量技术，具体涉及一种涡轮凹腔叶片的叶尖间隙测量方法。本发明是一种涡轮凹腔叶片的叶尖间隙测量方法，其先采集原始叶尖信号，通过滤波和平滑处理，然后根据凹腔叶片形状，设置高低门限电平，使得高电平在原始叶尖间隙信号的波峰与凹腔波谷之间，低电平在叶片间波谷信号与凹腔波谷信号之间，根据低电平区分不同叶片，根据高电平识别两个波峰，提取波峰电平，再根据间隙与电压的拟合关系确定叶背侧和叶盆侧叶尖间隙值。本发明基于整周期采样技术的叶尖间隙测量算法能够识别并提取涡轮凹腔叶片的叶背和叶盆叶尖信号，实时直观的监测叶背叶盆叶尖间隙变化，可以精确地判断叶尖是否与机匣发生碰磨。
【专利说明】一种涡轮凹腔叶片叶尖间隙测量方法
【技术领域】
[0001]本发明属于叶片间隙测量技术，具体涉及一种涡轮凹腔叶片叶尖间隙测量方法，应用于涡轮凹腔叶片的叶尖间隙测量。
【背景技术】
[0002]叶尖间隙是指发动机各级转子叶片与机匣涂层之间的距离，它是发动机设计中一个非常关键的参数，对流场结构、能量传递、旋转失速先兆及损失的生成有着决定性影响，对效率、耗油率和可靠性有很大影响。研究表明，叶尖间隙减小0.0254mm,效率能够提高I %。这就要求叶尖间隙设计得尽可能小，但要保证在发动机全包线内转子叶尖与机匣不发生碰磨，以免危及发动机的安全。
[0003]英、美、俄等航空技术发达国家对航空发动机间隙测试技术十分重视，国家和各大航空企业投入了大量的人力物力用于开发和完善间隙测试新技术新仪器，并有充足的发动机资源可供试验验证。这些国家多年来相继开发和完善了放电探针法、电涡流法、高能X射线照相法、超声波测量方法、微波测量方法、电容法、光学法(光学内窥原理法和光学三角法)等发动机叶尖间隙测试方法，测试人员可以根据不同情况选择适合的测试手段对压气机、涡轮叶尖间隙实施准确测量，在发动机研制试验过程中得到广泛应用并发挥重要作用。
[0004]我国开展航空发动机转子叶尖间隙测试技术研究较晚，投入有限，叶尖间隙测试技术水平较低，没有自主研发的先进叶尖间隙测试装置。从国外引进的先进设备，对风扇、压气机试验件开展过叶尖间隙测量，但在涡轮叶尖间隙测量方面，尤其是目前处于主流设计的涡轮凹腔叶片叶尖间隙测量方面处于空白，难以满足发动机的研制需求。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是:为了解决涡轮凹腔叶片的叶尖间隙测量问题，本发明根据涡轮凹腔叶片特点，利用整周期采样技术，设计叶片采集和叶尖信号提取算法，提供一种能够成功测量涡轮凹腔叶片的叶尖间隙的方法。
[0006]本发明的技术方案是:
[0007]—种涡轮凹腔叶片叶尖间隙测量方法，其特征在于，先采集原始叶尖间隙信号，该原始叶尖间隙信号由周期排列的叶片叶尖信号组成，其中，每个叶片叶尖信号还具有凹腔波谷，然后根据凹腔叶片形状，设置高低门限电平，使得高电平在原始叶尖间隙信号的两个波峰与凹腔波谷之间，低电平在叶片间波谷信号与凹腔波谷信号之间，根据低电平区分不同叶片，根据高电平识别叶片叶尖凹腔和两个波峰，提取叶尖波峰和叶片间波谷的差值电压，再根据间隙与电压的拟合关系确定叶尖间隙值。
[0008]所述的涡轮凹腔叶片的叶尖间隙测量方法，其包括如下步骤:
[0009]步骤1:采集原始叶尖间隙信号
[0010]以整周期采样的方式采集涡轮凹腔叶片间隙信号，该信号为周期排列的叶片叶尖间隙信号组成，其中，每个叶片叶尖间隙信号中间具有凹陷，该凹陷为叶尖凹腔波谷信号；
[0011]步骤2:高低电平设置
[0012]首先对采集的原始叶尖间隙信号进行滤波和平滑处理，并进行数据对齐，使每一个叶片叶尖的数据都位于截取出的叶片数据的中部；然后统计信号幅值，分成代表叶尖波峰的高电压信号、代表叶尖凹腔的中电压信号，代表叶片间的低电压信号，再设置高电平和低电平，使得高电平在叶尖信号的波峰与凹腔波谷之间，低电平在叶片间波谷信号与凹腔波谷信号之间；
[0013]步骤3:叶尖信号提取
[0014]先根据低电平，分割叶尖信号，从而提取单个叶片叶尖信号；然后根据高电平信号，将单个叶片叶尖信号的两个波峰信号分割开，并提取两个波峰和一个波谷的信号，实现叶尖波峰信号和叶尖凹腔波谷信号的提取；
[0015]步骤4:间隙计算
[0016]叶尖波峰信号与叶片间的波谷信号差值与叶尖间隙成函数关系，提取叶尖波峰信号和叶片间波谷信号并计算得到电压差值后，代入高次多项式拟合公式(I)和(2)计算得到叶尖间隙值。
[0017]Dr-a0+ + CC2V1^2 + a3V^3 + U4V1^4 + asV^s + CC6V1^6 + αην[?............(I)
[0018]?χ=β(?+β'ν’ ' +P1V2 2+βΛ\ λ+/?4Κ 4+/?,Κ "+β(Υ2 + β?ν2?............(2)
[0019]其中，DpD2分别为叶背和叶盆间隙测量值，V1J2分别为叶背和叶盆电压值，a ^?α 7为叶背校准系数，β (I?β 7为叶盆校准系数。
[0020]步骤I原始叶尖间隙信号采集时，设定满足分析需要的理论整周期采样点数，将实际采样点数与整周期采样点数相除获得重采样的采样间隔，每次实际采样点数多于理论的整周期采样点数，通过对采样后的数据进行叶尖信号分离，只提取与叶片数相同个数的叶尖信号，舍去多余的信号。
[0021]步骤2中进行信号对齐时，首先从起始处取一个槽道的数据点，同时设定一区间范围，当叶片位于左边时，低电平与间隙曲线的2个交点的索引只有第一个在区间范围内；当叶片位于右边时，2个交点的索引只有第二个在区间范围内；当叶片叶尖信号被分割开来时，2个交点的索引都不在区间范围内；当叶尖信号位于中间时，2个交点的索引都位于区间范围内，因此通过判定交点是否都位于区间内，即能判断叶尖信号是否位于提取的叶片信号的中部，同时还判断出了偏左，偏右还是两边，对于不在中部的情况下，通过设定合理的偏移量，依照偏移方向，对所有采集的数据进行偏移，即从起始位置起舍去若干采样点，即实现数据对齐。
[0022]步骤3中进行叶片分离时，主要依据是通过采样率、叶片数和采样点数计算的叶片通道采样点数，从对齐后的数据起始处开始，依次以叶片通道采样点数为长度截取数据，截取次数与叶片数相同，这样叶片被依次提取分离。进行叶尖波峰信号和叶尖凹腔波谷信号的提取时，首先提取处高电平与叶片信号的4个交点，前2个交点之间的数据为第一个波峰，中间2个交点的数据为凹腔波谷，后2个交点的数据为第2个波峰。
[0023]本发明的有益效果是:本发明根据涡轮凹腔叶片特点，利用整周期采样技术，设计叶片采集和叶尖信号提取算法，成功实现涡轮凹腔叶片的叶尖间隙测量，实时直观的监测叶尖间隙变化，通过设定报警值可及时预警，能够及时发现并进行初步故障诊断。获得的叶尖间隙数据为转静子碰磨、蓖齿碰磨以及转子偏心等故障诊断提供支持，促进发动机及部件设计的改进，缩短型号研发周期，可逐步作为发动机试验中的常规测试技术。该技术可在行业内推广应用，具有良好的经济效益和极大的实际工程应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是涡轮凹腔叶片叶尖间隙原始信号；
[0025]图2是涡轮凹腔叶片叶尖间隙原始信号幅值统计分布图；
[0026]图3是高低电平设置示意图；
[0027]图4是叶尖信号位于叶片槽道信号不同位置时的示意图；
[0028]图5是叶尖间隙校准拟合曲线示意图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图对本发明进行详细说明:
[0030]本发明提供的测量方法包括信号采集、叶尖信号提取和叶尖间隙计算。
[0031]1.信号采集:
[0032]对于旋转机械信号测量，采用整周期采样，是最有利于信号分析的。对于叶尖间隙测量，采用外部同步触发信号，以整周期采样方法采样，则可以保证在任何一周的采样数据中，任何一个采样点与叶片的位置关系都是确定的，只要知道一周的总采样数和叶片数，就可以很方便的分离出每个叶片的信号，且计算量小。而整周期采样的难点在于如何获得一个频率相当高的采样时钟。对于一般应用，采用同轴的齿轮或编码器可以获得转子频率几十倍到上千倍的采样时钟，而对于间隙测量，为精确获得叶尖的信号，以一叶尖直径为500mm的试验件来说，要求采样率为转子频率的15000倍以上，这是很难解决的技术问题。因此我们先后设计和改进了 3种采样算法。
[0033]I)每转采样点数不变，实时采集和计算转子转速，并以测量的转子频率为参考，实时计算需要的采样率，以转子同步触发信号为开始采集信号，实现类整周期采样。该采样方式从整周期采样发展而来，具有采样点数一定，叶片易定位，计算量小的优点。最先依此原理设计的间隙测量软件在实际中获得了应用。然而由于:①转速测量有误差；②加减速时会导致计算的采样率误差加大；③采集卡内部采样时钟不能连续可变，导致在某些转速和状态下，末尾几个叶片信号采集错误。
[0034]2)从三个采样误差源分析，设计了定采样率、变采样点数的算法，消除了采样率误差。仍以同步触发信号为开始采集信号，并实时计算转子频率，以转子频率和设定采样率计算出实际需要采样的点数。该方法消除了采集卡自身产生的采样率误差，但在低转速时采样点数较多，计算量大，数据更新慢。
[0035]3)对方法2中采样的数据进行重采样，降低转速时的计算数据量。设定满足分析需要的理论整周期采样点数，将实际采样点数与整周期采样点数相除获得重采样的采样间隔。该方法是目前最新应用版本软件采用的采样方法，总体性能优于前两种。
[0036]可以看到，方法1，2，3都存在转速测量误差引起的采样误差，为此设计了采样冗余量，即每次的实际采样点数多于理论的整周期采样点数。通过对采样后的数据进行叶尖信号分离，只提取与叶片数相同个数的叶尖信号，舍去多余的信号，即可消除转速测量误差的影响。
[0037]2.叶尖信号提取:
[0038]不同于实心叶尖信号，涡轮凹腔叶片原始信号见图1。每个叶片经过探针后会出现两个波峰，两个波峰分别对应叶盆间隙和叶背间隙。算法的核心是分析每个叶片信号，提取两个波峰的峰值。
[0039]现场测得的原始信号，干扰较大，直接提取间隙电压必然导致误差大。因此首先需要对采集的原始信号进行滤波和平滑处理，对于实时计算，采用了逐点中值滤波算法和逐点平均滤波算法相结合的方式，消除信号的干扰。
[0040]接下来需要对数据进行对齐。由于外部同步触发信号的安装是现场安装，触发信号不可能每次都恰好位于槽道中(对于单级试验件或可以通过事先定位，将触发信号放于槽道中，而对于多级试验件，这显然是不可能的)，此时采集的信号见图1。由于采集的第一个叶片信号不完整，不能进行叶片数据分离，所以需要进行数据对齐，使每一个叶片叶尖的数据都位于截取出的叶片数据的中部。
[0041]图2是对信号波形进行幅值统计分布图，发现信号幅值分布最大值即标记I为原始信号的低点电平，标记2为波峰区域的幅值统计，标记3为两个波峰之间的波谷处的幅值统计。
[0042]所以通过合理设定比例关系，即可获得两个门限电平，如图3所示，其中I和2分别代表了区分两个波峰的门限值和区分各个叶片的门限值。
[0043]针对数据对齐，首先从起始处取一个槽道的数据点，见图4，以2标记的电平门限值为参考，同时合理设定一区间范围(图中方框)。如图4中A所示，当叶片位于左边时，黄线与间隙曲线的两个交点的索引只有第一个在区间范围内。如图4中B所示，当叶片位于右边时，两个交点的索引只有第二个在区间范围内。如图4中C所示，当叶片叶尖信号被分割开来时，两个交点的索引都不在区间范围内。如图4中D所示，当叶尖信号位于中间时，两个交点的索引都位于区间范围内。因此通过判定交点是否都位于区间内，即可以判断叶尖信号是否位于提取的叶片信号的中部，同时还判断出了偏左，偏右还是两边。对于不在中部的情况下，通过设定合理的偏移量，依照偏移种类，对所有采集的数据进行向左偏移，即从起始位置起舍去若干采样点，实现数据对齐。数据对齐后开始进行叶片数据分离，叶片分离的主要依据是通过采样率，叶片数和采样点数计算的叶片通道采样点数，对齐后的数据从起始处开始，依次以叶片通道采样点数为长度截取数据，截取次数与叶片数相同。
[0044]接下来进行两个波峰电平的提取。在此前已经确定了区分两个波峰的门限值。以高电平门限值为参考，将两个波峰分割开来。首先提取出红色直线与叶片信号的四个交点，前两个焦点之间的数据即为第一个波峰，后两的焦点即为第二个波峰，然后提取每个波峰的最大值即可。
[0045]3.叶尖间隙计算:
[0046]实际间隙值与叶尖波峰与低点电平的差值成函数关系，波峰电平提取后，在提取低点电平，然后计算两个间隙的电压差。图5是涡轮凹腔叶片叶尖间隙校准拟合曲线，其中I是叶背校准曲线，2是叶盆校准曲线。再将电压时代入校准时拟合的高次多项式中计算实际间隙值。间隙计算多项式如下:
[0047]D1 =α?+ CC1Ff1 + a2V^2 + a3V^ + α4ν^ + a5Vf5 + a6V.^ + a7V^7............(I)
[0048]D2 = β{) +β.ν2 '+ P1V1 2+/?,K _<+ β4ν2 4 + β,ν2 "十 β(ν2 ? 十 /iF2 '.........U)
[0049]其中，D1、D2分别为叶背和叶盆间隙测量值，V1、V2分别为叶背和叶盆电压值，cα 7为叶背校准系数，β (I?β 7为叶盆校准系数。
[0050]综上所述，本发明根据涡轮凹腔叶片特点，利用整周期采样技术，设计叶片采集和叶尖信号提取算法，成功实现涡轮凹腔叶片的叶尖间隙测量，实时直观的监测叶尖间隙变化，通过设定报警值可及时预警，能够及时发现并进行初步故障诊断。获得的叶尖间隙数据为转静子碰磨、蓖齿碰磨以及转子偏心等故障诊断提供支持，促进发动机及部件设计的改进，缩短型号研发周期，可逐步作为发动机试验中的常规测试技术。该技术可在行业内推广应用，具有良好的经济效益和极大的实际工程应用价值。
【权利要求】
1.一种涡轮凹腔叶片叶尖间隙测量方法，其特征在于，先采集原始叶尖间隙信号，该原始叶尖间隙信号由周期排列的叶片叶尖信号组成，其中，每个叶片叶尖信号还具有凹腔波谷，然后根据凹腔叶片形状，设置高低门限电平，使得高电平在原始叶尖间隙信号的两个波峰与凹腔波谷之间，低电平在叶片间波谷信号与凹腔波谷信号之间，根据低电平区分不同叶片，根据高电平识别叶片叶尖凹腔和两个波峰，提取叶尖波峰和叶片间波谷的差值电压，再根据间隙与电压的拟合关系确定叶尖间隙值。
2.根据权利要求1所述的涡轮凹腔叶片叶尖间隙测量方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤1:采集原始叶尖间隙信号 以整周期采样的方式采集涡轮凹腔叶片间隙信号，该信号为周期排列的叶片叶尖间隙信号组成，其中，每个叶片叶尖间隙信号中间具有凹陷，该凹陷为叶尖凹腔波谷信号； 步骤2:高低电平设置 首先对采集的原始叶尖间隙信号进行滤波和平滑处理，并进行数据对齐，使每一个叶片叶尖的数据都位于截取出的叶片数据的中部；然后统计信号幅值，分成代表叶尖波峰的高电压信号、代表叶尖凹腔的中电压信号，代表叶片间的低电压信号，再设置高电平和低电平，使得高电平在叶尖信号的波峰与凹腔波谷之间，低电平在叶片间波谷信号与凹腔波谷信号之间； 步骤3:叶尖信号提取 先根据低电平，分割叶尖信号，从而提取单个叶片叶尖信号；然后根据高电平信号，将单个叶片叶尖信号的两个波峰信号分割开，并提取两个波峰和一个波谷的信号，实现叶尖波峰信号和叶尖凹腔波谷信号的提取； 步骤4:间隙计算 叶尖波峰信号与叶片间的波谷信号差值与叶尖间隙成函数关系，提取叶尖波峰信号和叶片间波谷信号并计算得到电压差值后，代入高次多项式拟合公式(I)和(2)计算得到叶尖间隙值，
D^a0+ axV；1 + a2V；2 + a3V；3 +a4V^+ a5V；5 + a6V；6 + α?￥；?............(I)
D1= β?+ β' V2 1 + β2ν2 2 + β,Υ2 + β4ν；Α + β,ν；5 + β(ν2 6 + β?ν2?............(2) 其中，D1J2分别为叶背和叶盆间隙测量值，VV2分别为叶背和叶盆电压值，a C1- Ci7为叶背校准系数，?β7为叶盆校准系数。
3.根据权利要求2所述的涡轮凹腔叶片叶尖间隙测量方法，其特征在于，步骤I原始叶尖间隙信号采集时，设定满足分析需要的理论整周期采样点数，将实际采样点数与整周期采样点数相除获得重采样的采样间隔，每次实际采样点数多于理论的整周期采样点数，通过对采样后的数据进行叶尖信号分离，只提取与叶片数相同个数的叶尖信号，舍去多余的信号。
4.根据权利要求2所述的涡轮凹腔叶片叶尖间隙测量方法，其特征在于，步骤2中进行信号对齐时，首先从起始处取一个槽道的数据点，同时设定一区间范围，当叶片位于左边时，低电平与间隙曲线的2个交点的索引只有第一个在区间范围内；当叶片位于右边时，2个交点的索引只有第二个在区间范围内；当叶片叶尖信号被分割开来时，2个交点的索引都不在区间范围内；当叶尖信号位于中间时，2个交点的索引都位于区间范围内，因此通过判定交点是否都位于区间内，即能判断叶尖信号是否位于提取的叶片信号的中部，同时还判断出了偏左，偏右还是两边，对于不在中部的情况下，通过设定合理的偏移量，依照偏移方向，对所有采集的数据进行偏移，即从起始位置起舍去若干采样点，即实现数据对齐。
5.根据权利要求2所述的涡轮凹腔叶片叶尖间隙测量方法，其特征在于，步骤3中进行叶片分离时，主要依据是通过采样率、叶片数和采样点数计算的叶片通道采样点数，从对齐后的数据起始处开始，依次以叶片通道采样点数为长度截取数据，截取次数与叶片数相同，这样叶片被依次提取分离。进行叶尖波峰信号和叶尖凹腔波谷信号的提取时，首先提取处高电平与叶片信号的4个交点，前2个交点之间的数据为第一个波峰，中间2个交点的数据为凹腔波谷，后2个交点的数据为第2个波峰。
【文档编号】G01B21/16GK104296714SQ201410357627
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】郭光辉, 韩伟, 李 杰, 熊兵, 魏之平, 李杨, 刘先富, 殷光明 申请人:中国燃气涡轮研究院