一种基于恒压式交流放电的叶尖间隙实时测量系统及方法与流程

本发明属于叶片间隙测量领域，特别涉及一种基于恒压式交流放电的叶尖间隙实时测量系统及方法，可在测量范围内测量每一个叶片的实际叶尖间隙。

背景技术：

航空发动机叶片的叶尖间隙一般是指发动机转子叶片与机匣间的径向间隙。叶尖间隙是发动机研制过程中的一项基本的测量参数，同时，也是发动机在运转过程中主动叶尖间隙控制、健康管理以及故障诊断等的重要组成部分。

作为燃气涡轮发动机的重要参数，涡轮、压气机叶片叶尖间隙的大小对于发动机的效率具有极大的影响，发动机转子叶尖与机匣内壁之间的径向间隙过大时，压气机的压比下降，耗油量增加，发动机的效率也会大大降低。据资料介绍，叶尖间隙每增加叶片长度的1％，效率约降低1.5％，耗油率约增加3％，耗油率增加1％，可使全寿命费用增加0.7％。然而叶尖间隙过小时，由于叶片在高温环境下受热发生膨胀，可能会导致叶尖与机匣内壁之间产生摩擦，造成零部件的损坏，影响发动机的安全。因此叶尖间隙过大或过小都会对发动机产生不利的影响，合理地设计和监测发动机的叶尖间隙，对于提高发动机性能具有重要意义。

为了使叶尖间隙测量技术达到实用高效的水平，本案提出一种基于恒压式交流放电的叶尖间隙实时测量系统及方法。

技术实现要素：

本发明的目的，在于提供一种基于恒压式交流放电的叶尖间隙实时测量系统及方法，其能够实时获取叶片情况，在测量范围内测量每一个叶片的实际叶尖间隙，实用性强，安装使用方便，操作简单。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种基于恒压式交流放电的叶尖间隙实时测量系统，包括高频交流放电电压源、负反馈式放电耦合电路模块、金属探针、磁铁、霍尔传感器、电流大小测量转换模块、信号采集转换电路和数据处理模块，其中，高频交流放电电压源的高压端与金属探针之间串联一个负反馈式放电耦合电路模块，高频交流放电电压源的阴极通过电流大小测量转换模块连接另一个负反馈式放电耦合电路模块的一端，而该负反馈式放电耦合电路模块的另一端连接转子叶片的中心；金属探针的一端与机匣的内壁相平齐，而另一端露在机匣的外部，且在金属探针插入机匣的部分包裹绝缘层，将金属探针与机匣完全隔离；电流大小测量转换模块的输出端连接数据处理模块的输入端，磁铁设于转轴偏离中心的某点上，而霍尔传感器固定于转轴一侧，且霍尔传感器通过信号采集转换电路连接数据处理模块的输入端，而数据处理模块的输出端连接高频交流放电电压源的控制端，用以控制高频交流放电电压源的输出电压大小和有无。

上述电流大小测量转换模块包括检测电阻、电压传感器和模数转换器，其中，检测电阻的一端连接交流数控可调激励的阴极，检测电阻的另一端连接另一个负反馈式放电耦合电路模块的一端，电压传感器连接在检测电阻的两端，所述电压传感器的输出端经模数转换器连接数据处理模块的输入端。

上述检测电阻选用50Ω电阻。

基于如前所述的一种基于恒压式交流放电的叶尖间隙实时测量系统的实时测量方法，电压频率以及输出电压恒定时，在高频交流放电情况下，转子叶片与金属探针之间的气体导通发生放电，测量放电电流峰值，通过标定好的放电电流与放电间隙之间的对应关系，得到叶尖间隙大小。

上述实时测量方法的详细内容是：在电源频率恒定不变时，数据处理模块控制高频交流放电电压源输出幅值恒定的电压，发动机工作过程中，转子叶片旋转使其和金属探针之间的间隙变化，当某一转子叶尖与固定在机匣内壁上的金属探针之间的距离小至某个特定值时，二者之间的气体被电离从而发生放电，放电电流随之产生，放电电流的大小和叶尖间隙直接相关；测量放电电流，记录峰值的大小，同时使用霍尔传感器根据放电电流波形对转子叶片进行相位定位，利用事先标定好的放电电流与放电间隙之间的对应关系，实现在测量范围内测量每一个转子叶片的实际叶尖间隙。

采用上述方案后，本发明的有益效果是：

(1)使用霍尔传感器根据放电电流波形变化对转子叶片进行相位定位，实时获取叶片位置的情况，可在测量范围内测量每一个转子叶片的实际叶尖间隙，测量方法新颖，实用性强；

(2)金属探针体积小，安装使用方便，对原系统无改变；

(3)高频交流放电、负反馈式放电耦合电路模块，提高系统稳定性；

(4)允许不接触测量；能够在恶劣的环境下工作。

附图说明

图1是机匣上安装放电探针、磁铁及霍尔传感器的结构示意图；

图2是图1中圆形虚线框的放大结构示意图；

图3是霍尔传感器的脉冲信号与放电电流波形示意图；

其中，(a)表示霍尔传感器的脉冲信号，(b)表示放电电流波形；

图4是本发明测量系统的结构图；

图5是大气压下尖端放电放电电流和间距关系曲线图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图4所示，本发明提供一种基于恒压式交流放电的叶尖间隙实时测量系统，包括高频交流放电电压源1、负反馈式放电耦合电路模块2、金属探针3、磁铁6、霍尔传感器7、检测电阻9、电压传感器10、模数转换器11、信号采集转换电路12和数据处理模块13，下面分别介绍。

高频交流放电电压源1的高压端与金属探针3之间串联负反馈式放电耦合电路模块2，高频交流放电电压源1的阴极通过检测电阻9连接另一个负反馈式放电耦合电路模块2的一端，而该负反馈式放电耦合电路模块2的另一端连接转子叶片4的中心，检测电阻9可选用常见的50Ω电阻；配合图1和图2所示，金属探针3的一端与机匣5的内壁相平齐，而另一端露在机匣5的外部，且在金属探针3插入机匣5的部分包裹绝缘层8，从而将金属探针3与机匣5完全隔离；电压传感器10连接在检测电阻9的两端，所述电压传感器10的输出端经模数转换器11连接数据处理模块13的输入端，磁铁6设于转轴偏离中心的某点上，而霍尔传感器7固定于转轴一侧，且霍尔传感器7通过信号采集转换电路12连接数据处理模块13的输入端，而数据处理模块13的输出端连接高频交流放电电压源1的控制端，用以控制高频交流放电电压源1的输出电压大小和有无。

下面就其中的几个构成部件进行详细说明。

1、高频交流放电电压源

本发明使用高频交流放电电压源作为电压输出源，能够输出恒定幅值及频率的电压，使用高频交流放电电压源进行放电是由于在高频交流电场作用下，与直流放电相比较，气体电离能力有了显著提高，击穿电压明显降低，同时转子叶片与金属探针之间的气体导通时能够在高频的作用下产生较为稳定的放电，对于提高测量系统的稳定性，减小干扰有着重要的作用。

2、负反馈式放电耦合电路模块

等离子放电是一个正反馈的过程，当电极间隙电压达到气体击穿电压后，电子在行进过程中频繁产生碰撞现象，即电子雪崩现象，电子数目迅速增长，放电电流增加，产生大量的带电粒子和热量，引起电极间隙电阻下降，导致电流进一步增加，从而形成正反馈过程，放电变得不稳定。在高频交流放电电压源与金属探针以及检测电阻与转轴之间串联负反馈式放电耦合电路模块，负反馈式放电耦合电路模块中的电容作用相当于介质阻挡放电中的介质，用于产生反向电场，限制放电电流，增强放电的稳定性，大阻值的电阻则意味着更强的负反馈。串联负反馈式放电耦合电路模块能够提供一个有效的控制放电发展过程的负反馈，阻止放电向火花放电过渡，得到较为稳定的放电。

3、金属探针

高频交流放电电压源的输出电压足够大时，高压端金属探针与转子叶尖之间的气体被击穿产生放电。为了防止电极烧蚀，需要选择熔点高且导电性能好的金属材料制作高压端放电探针。绝缘层不但与高压端金属探针接触，同时还有一部分处于机匣内壁，因此需要使用耐高温高压的绝缘材料进行制作。用于包裹金属探针的绝缘层一方面能够防止发动机工作时金属探针发生移动，另一方面则是为了防止机匣导电，避免对发动机造成危害。

4、电流大小测量转换模块

电流大小测量转换模块由检测电阻、电压传感器以及模数转换器三个部分组成。电源频率以及输出电压为一设定恒定值，当某一转子叶尖与固定在机匣内壁上的金属探针之间的距离小至某个特定值D时，二者之间的气体被电离从而能够发生较为稳定的放电，放电电流随之产生，其电流的大小和叶尖间隙直接相关(D可以根据实际需求通过改变放电系统参数和交流电源的电压和频率修改)。燃气涡轮发动机工作过程中，叶片旋转使其和金属探针之间的间隙变化，能产生放电电流大小也不断变化，电压传感器通过测量检测电阻上电压的变化，间接对放电电流进行测量，再经过模数转换器，将接收到的电压信号转化为数字信号，以数值的形式传递给数据处理模块进行分析处理。

5、霍尔传感器

在转轴偏离中心某点上放置一块磁铁，将霍尔传感器固定在转轴一侧，霍尔传感器通过信号采集转换电路与数据处理模块相连接，信号采集转换电路实时检测霍尔传感器状态信号，并将其转换为数字信号传递给数据处理模块进行分析。当磁铁接近霍尔传感器时，霍尔传感器产生一个相应的脉冲。随着转子旋转，霍尔传感器再一次产生脉冲信号。在两个脉冲之间，每当有转子叶片和金属探针之间的距离小于D时，放电电流都会出现波峰，当转子叶片与金属探针之间的径向距离大于D时，则无放电产生。使用霍尔传感器根据放电电流波形变化对转子叶片进行相位定位，能够实时获取转子叶片位置的情况。

6、数据处理模块

数据处理模块能够控制高频交流放电电压源产生持续可调的输出频率以及电压，以便应对不同测量环境的实际需求。在高频交流电压作用下，转子叶片与金属探针之间的气体被导通产生较为稳定的放电，放电电流随之产生。燃气涡轮发动机工作过程中，转子叶片旋转使其和金属探针之间的间隙变化，能产生放电电流大小也不断变化，转子叶片与金属探针之间的距离减小时，放电电流会逐渐增大，电压传感器测量检测电阻两端电压的变化，间接测量放电电流的大小，经过模数转换器将转换的电压信号以数值形式传送到数据处理模块，一般情况下发动机转速都比较大，因此需要将数据处理模块采样频率设置的足够高，以确保采集数据的精度。当磁铁经过霍尔传感器时，霍尔传感器产生一个相应的脉冲信号，随着转子旋转，霍尔传感器再一次产生脉冲信号。在两个脉冲之间，每当有转子叶片和金属探针之间的距离小于D时，放电电流都会出现波峰，当转子叶片与金属探针之间的径向距离大于D时，则无放电产生。使用霍尔传感器根据放电电流波形变化对转子叶片进行相位定位，能够实时得到转子叶片位置的情况，数据处理模块及时记录下每个峰值的大小，用于推算每个转子叶片的实际叶尖间隙。

基于以上测量系统，本发明还提供一种基于恒压式交流放电的叶尖间隙实时测量方法，包括如下内容：

(1)在电源频率恒定不变时，数据处理模块控制高频交流放电电压源输出幅值恒定的电压，当某一转子叶尖与固定在机匣内壁上的金属探针之间的距离小至某个特定值D时，二者之间的气体被电离从而能够发生较为稳定的放电，放电电流随之产生，其电流的大小和叶尖间隙直接相关(D可以根据实际需求通过改变放电系统参数和交流电源的电压和频率修改)；

(2)燃气涡轮发动机工作过程中，转子叶片旋转使其和金属探针之间的间隙变化，产生大小不断变化的放电电流，随着转子叶片和金属探针之间距离的减小，放电电流呈现增大状态，电压传感器测量检测电阻上的电压变化，间接对回路放电电流进行测量，经过模数转换器，将测量到的电压信号转换为数字信号，以数值的形式发送给数据处理模块进行分析和处理，为确保采集数据的精度足够高，需要将数据处理模块的采样频率设定为一个较大的值。当磁铁经过霍尔传感器时，霍尔传感器会产生一个相应的脉冲信号，信号采集转换电路实时检测霍尔传感器的状态变化，并将采集到的电平信号转化为数字信号传递给数据采集模块进行分析。随着转子旋转，霍尔传感器再次产生脉冲信号，在两个脉冲之间，每当有转子叶片和金属探针之间的距离小于D时，放电电流都会出现波峰，当转子叶片与金属探针之间的径向距离大于D时，则无放电产生，可配合图3所示。使用霍尔传感器根据放电电流波形变化对转子叶片进行相位定位，实时得到转子叶片位置的情况，数据处理模块及时记录下每个峰值的大小，利用事先标定好的放电电流与放电间隙之间的对应关系，即可实现在测量范围内测量每一个转子叶片的实际叶尖间隙。

可以利用尖端放电的方式验证放电间隙和放电电流之间存在对应关系。首先在交流电压源高压端与导电性良好的金属探针之间串联由耦合电阻电容组成的负反馈式放电耦合电路模块，接地极同样通过负反馈式放电耦合电路模块连接金属探针。由于发动机叶尖间隙大概在0mm-5mm之间，在电源频率以及输出电压恒定的情况下，使用示波器记录放电间隙在0mm-5mm的10组放电间隙对应的回路放电电流，检测电阻阻值为50Ω，通过测量检测电阻电压间接测量放电电流。最后可以标定一组放电电流与放电间距之间的关系曲线，曲线图如图5所示。结果表明放电电流与放电间距存在对应关系，随着间距的减小，放电电流逐渐增大，测量方法具有可行性，只需标定一组类似图5的关系曲线，即可通过测量发动机工作时的放电电流，在测量范围内实时测量每一个转子叶片的实际叶尖间隙。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。