高温环境下叶尖间隙测量传感器动态校准装置的制作方法

本发明涉及一种高温环境下叶尖间隙测量传感器动态校准装置，属于发动机技术领域。

背景技术：

叶尖间隙是影响发动机性能的重要参数之一，间隙大小对于发动机的效率有很大影响。叶尖间隙越大，转子运转安全性越高，但叶尖泄漏越高，部件效率下降越多。减小发动机转子的径向叶尖间隙，对减少因工作介质的泄漏而造成的效率损失，提高发动机工作的气动稳定性，进一步提高发动机的性能有着十分重要的研究意义。然而如果为了提高发动机性能而一味降低叶尖间隙则可能导致叶尖与机匣的碰摩，影响发动机的安全。如何设计、控制间隙使其最为合适，对提高发动机性能、保证其安全非常重要。而合理地设计间隙，关键在于搞清间隙的实际变化情况，掌握它的变化规律。

发动机一般工作在高温、高压、高转速等恶劣的条件下，由于各部件承受的温度和受力变形情况不同，其运转过程中的叶尖间隙是动态变化的，特别是过渡态时更为复杂。总的来说，影响发动机叶尖间隙变化的主要原因有各种载荷、温度以及过渡状态转速的变化，其中温度与转速的变化对叶尖间隙有很大影响。由于发动机复杂的结构和恶劣的工作环境，叶尖间隙的大小靠理论方法准确计算还有一定的困难，必须在试验中对其进行测量。

要得到准确的间隙测量结果，在叶尖间隙测量传感器使用前必须通过专用设备对其进行校准。这是因为：叶尖间隙测量传感器在测量时，即使在相同的间隙条件下，发动机叶尖的形状、面积等参数不同，将直接导致叶尖间隙测量结果的差异，并且，不同叶尖间隙与对应的测量结果不是线性关系，相同的传感器对应不同的发动机叶片及不同的叶尖位置时具有不同的校准曲线，因此，在发动机装配之前要对传感器进行校准。另外，发动机内部环境复杂，间隙测量结果易受温度、介质、被测面材料等影响，测量数据极其复杂，也要求传感器在使用前必须依据现场实际使用环境，采用专用校准设备对其校准。

目前国内对叶尖间隙测量传感器校准技术的研究刚刚起步，各研究单位也仅搭建了针对各自所用叶尖间隙测量传感器初步的校准系统，而对校准结果影响较大的环境温度、转速等问题都没有解决，存在传感器校准环境与实际测试环境相差较大的问题，这将直接导致间隙测量结果的差异，阻碍了发动机间隙的有效设计和发动机性能的提升。

CN103267503A公开了一种发动机叶片叶尖间隙测量传感器动态标定试验台，发明的试验台主要由驱动装置、位移平台机构和支撑框架机构组成。此发明有效地解决了发动机叶片叶尖间隙测量传感器的动态标定问题，不足之处在于没有解决叶尖间隙测量传感器校准过程中需要的高温环境问题。此外，该专利也没有很好地考虑高速转台中盘轴配合和高速状态下的轴间配合等问题。而本发明在校准装置的设计过程中充分考虑了叶尖间隙测量传感器在实际测试过程中高转速和高温的工作状态，是对现有叶尖间隙测量传感器校准装置的有效的补充和完善。

技术实现要素：

本发明的目的是为了对叶尖间隙测量传感器在高温、高转速条件下进行叶尖间隙测量值的动态校准，而提供一种高温环境下叶尖间隙测量传感器动态校准装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

高温环境下叶尖间隙测量传感器动态校准装置，包括高速校准盘动力装置、标准间隙装置、高温环境模拟装置、安装和保护装置及转速同步系统。其中，高速校准盘动力装置包括变频器、高速电机、弹性联轴器、高速主轴以及校准盘等部件；标准间隙装置由标准位移提供装置及传感器安装座组成；高温环境模拟装置包括高温气体加热装置和高温模拟机匣壁；安装和保护装置包括电机固定座、底板、支撑箱体；转速同步系统包括转速测量传感器和对应的数据采集及处理设备。

连接关系为：叶尖间隙测量传感器通过预紧螺母紧固安装在标准间隙装置中的传感器安装座上，该安装座与高温环境模拟装置上的高温模拟机匣壁通过螺栓相连，叶尖间隙测量传感器与高速校准盘动力装置中的校准盘叶片叶尖位置正对；高温环境模拟装置中的电加热器通过金属软管与高温模拟机匣壁相连，高温气体经高温空气入口管进入高温模拟机匣壁，并对叶尖间隙测量传感器进行加热，然后由高温空气出口管排出；高速校准盘动力装置驱动校准盘转动，同时触发校准盘对应的转速同步系统对叶片位置进行监测；转速测量传感器安装在支撑箱体上侧，同时正对叶片叶尖；安装和保护装置采用整体钢性底座的支撑箱体，两个高速轴承分别安装在箱体左右两侧。

工作过程为：将叶尖间隙测量传感器安装固定好后，调整标准间隙装置使叶尖间隙测量传感器正对校准盘叶片叶尖位置，并设置标准间隙初始值；开启高温环境模拟装置对叶尖间隙测量传感器进行加热，当温度达到校准温度时，启动高速校准盘动力装置，设定相应转速，将校准盘转速保持在校准需要转速，触发转速同步系统，对被测叶片进行定位，然后对叶尖间隙测量传感器进行校准，最后通过标准间隙装置调整不同的标准间隙值，实现叶尖间隙测量传感器在全量程范围内的动态校准。

其中：

1)高速校准盘动力装置：高速校准盘动力装置的功能是为校准盘的稳定旋转提供动力，主要包括提供转速变化的变频器、提供直接动力的高速电机、实施电机与校准盘可靠连接的弹性联轴器、高速主轴以及校准盘等部件。变频器设定频率使高速电机的工作转速保持在某一恒定校准需要的转速，校准盘与高速主轴之间用螺栓紧固连接，与高速电机输出轴紧密连接的弹性联轴器带动校准盘与高速电机同步转动。装置中电机的转速最高可保持在每分钟万转以上，可以满足叶尖间隙测量传感器在不同转速下的校准需求。

2)标准间隙装置：标准间隙装置的主要功能是为叶尖间隙测量传感器校准系统提供标准间隙，由标准位移提供装置及传感器安装座组成。标准位移提供装置采用粗精结合的方式进行设计，以满足不同方向对间隙测量的精度要求。其主要由三个在方向上相互垂直的位移台组合构成，其中间隙测量方向上的位移台要求精度足够高，至少要达到微米量级以上，位移台由步进电机驱动，并事先通过激光干涉仪对位移台精度进行校准。其他两个方向上的位移台主要用于对叶尖间隙测量传感器与叶片叶尖正对位置进行调整，保证传感器校准过程中的安装情况和叶片正对位置与传感器实际测试过程一致。由于这两个位移台只对传感器与叶片叶尖相对位置进行调整，对精度要求相对不高，采用普通位移台实现。叶尖间隙测量传感器安装在设计的传感器安装座中，并由预紧螺母压紧。传感器安装座与高温环境模拟装置中的高温模拟机匣壁相连，安装座通过直角板固定在位移台上，随位移台移动。通过移动位移机构径向位移从而改变叶尖间隙标准值。

3)高温环境模拟装置：实际测试过程中，叶尖间隙测量传感器安装在发动机机匣壁面上，该位置的最高温度可以达到600℃以上。高温环境模拟装置主要模拟叶尖间隙测量传感器在测试过程中的高温工作环境。装置中设计了专门的高温气体加热装置和高温模拟机匣壁。高温气体加热装置由电加热器、金属软管、温度传感器组成。高温模拟机匣壁内部设计为夹层空腔结构，叶尖间隙测量传感器在夹层腔内由高温气流对其进行强制对流换热，从而模拟传感器在发动机高温机匣壁上的实际安装环境。高温气体加热装置将压缩空气温度加热到校准要求的温度范围后，将高温气流通过金属软管导入到高温模拟机匣壁中，将传感器加热到指定温度，在高温模拟机匣壁的上下游分别布置一只温度传感器，用于监视夹层腔内温度，并将其连接至温控仪形成闭环温度控制，保证校准过程中的温度恒定。此外，根据实际间隙测量传感器类型和校准环境温度要求，也可采用电加热或者光加热等方式直接对叶尖间隙测量传感器加热，实现更高温度的控制。

4)安装及保护装置：安装及保护装置主要实现高速电机和校准盘等相关配套装置的安装以及保护，主要由电机固定座、底板、支撑箱体组成。高速电机安装在电机固定座上，支撑箱体固定在底板上。支撑箱体除了支撑轴系、保证校准盘在高速转动时平稳的作用外，还起到防护作用，在校准盘高速转动时保证实验人员安全。

5)转速同步系统：转速同步系统主要实现叶尖间隙测量传感器校准过程中被测叶片的定位，主要包括转速测量传感器和对应的数据采集及处理设备。激光光纤传感器、光电转速传感器等都可以作为转速测量传感器。以光电转速传感器为例，在叶尖间隙测量过程中，根据校准前所做的标记，校准盘每转一圈，光电转速传感器都会给叶尖间隙测量系统提供一个触发脉冲，由于叶片数目是固定的，每一个叶片相对于触发脉冲都有一个固定的夹角，因此各叶片的位置可以通过计算确定，同时通过测量光电转速传感器输出的脉冲频率，可实时监测装置转速变化。

有益效果

本发明采用高速转台模拟发动机实际的高转速工作状态，保证间隙测量传感器的校准环境与发动机实际转动状态类似，通过设计合适的盘轴及其连接结构，保证装置在高速状态下的稳定工作，解决了现有叶尖间隙测量传感器校准装置只能进行静态校准的问题。此外，通过设计高温环境模拟装置更好地模拟了传感器实际测试中的高温工作环境，在校准过程中实现了对高温校准结果的补偿。该套校准装置具有结构简单，功能完善，校准精度高等优势。

附图说明

图1是高温环境下叶尖间隙测量传感器动态校准装置的整体组成示意图；

图2是高温环境下叶尖间隙测量传感器动态校准装置中高速校准盘动力装置的剖视图；

图3是高温环境下叶尖间隙测量传感器动态校准装置中标准间隙装置的侧视图；

图4是高温环境下叶尖间隙测量传感器动态校准装置中高温环境模拟装置的结构示意图。

附图标记：1-高速电机，2-弹性联轴器，3-高速主轴，4-锁紧螺母，5-校准盘，6-转速测量传感器，7-高温空气出口管，8-预紧螺母，9-电加热器，10-高温空气入口管，11-位移台步进电机，12-齿轮齿条移动台，13-直角板，14-高温模拟机匣壁，15-支撑箱体，16-底板，17-电机固定座，18-压板，19-第二高速轴承，20-轴端压盖，21-轴承压盖，22-箱体侧板，23-第一高速轴承，24-位移台步进电机输出轴，25-传感器预紧座，26-推动杆，27、28-温度传感器，29金属软管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的内容进行进一步的说明。

实施例

图1是高温环境下叶尖间隙测量传感器动态校准装置的整体组成示意图，主要包括：高速校准盘动力装置，标准间隙装置，高温环境模拟装置以及安装和保护装置、转速同步系统等部分。其中，高速校准盘动力装置包括变频器、高速电机1、弹性联轴器2、高速主轴3、锁紧螺母4以及校准盘5等部件；标准间隙装置由位移台步进电机11、齿轮齿条移动台12、直角板13及传感器安装座组成；高温环境模拟装置包括高温气体加热装置和高温模拟机匣壁14；安装和保护装置包括电机固定座17、底板16、支撑箱体15；转速同步系统包括转速测量传感器6和对应的数据采集及处理设备。

连接关系：叶尖间隙测量传感器通过预紧螺母8紧固安装在标准间隙装置中的传感器安装座上，该安装座与高温环境模拟装置上的高温模拟机匣壁14通过螺栓相连，叶尖间隙测量传感器与高速校准盘动力装置中的校准盘5叶片叶尖位置正对；高温环境模拟装置中的电加热器9通过金属软管29与高温模拟机匣壁14相连，高温气体经高温空气入口管10进入高温模拟机匣壁14，并对叶尖间隙测量传感器进行加热，然后由高温空气出口管7排出；高速校准盘动力装置驱动校准盘5转动，同时触发校准盘对应的转速同步系统对叶片位置进行监测；转速测量传感器6安装在支撑箱体15上侧，同时正对叶片叶尖；安装和保护装置采用整体钢性底座的支撑箱体15，两个高速轴承19、23分别安装在箱体左右两侧。

高速校准盘动力装置主要包括变频器，高速电机1，高速主轴3和校准盘5等部分，其组成剖视图如图2所示。高速电机1为校准盘5提供动力，最高转速可达12000r/min，可以满足叶尖间隙测量传感器在不同转速范围下的校准需求。校准过程中，通过变频器设定不同频率改变高速电机1的转速。驱动转子采用卧式安装方式，第一高速轴承23和第二高速轴承19安装在高速主轴3的两端，高速主轴3采用整体钢性底座的支撑方式，保证高速电机1的输出轴与高速主轴3的轴线误差不超过0.02mm。校准盘5与高速主轴3之间采用轴向固定方式，并用螺栓紧固连接。装配过程中，高速电机1的输出轴与弹性联轴器2的一端连接，弹性联轴器2的另一端连接高速主轴3。高速主轴3设计为阶梯形状，以确保轴向零件的准确定位及便于拆装。高速主轴3上零件的装配从左到右依次为锁紧螺母4、第一高速轴承23、校准盘5、压板18、第二高速轴承19、轴端压盖20。此外，由于发动机实际叶片形状比较复杂，从叶尖间隙测量传感器的校准角度出发，不考虑叶片型面弯扭的变化，校准盘5对叶片结构进行简化，叶片形状为矩形直叶片，叶片数20个，沿圆周方向等间隔分布，校准盘5通过螺栓连接高速主轴3与压板18紧固。电机固定座17通过螺栓固定连接高速电机1，支撑箱体15一端轴承孔通过锁紧螺母4固定连接第一高速轴承23，箱体侧板22的轴承孔通过轴承压盖21固定连接第二高速轴承19。

标准间隙装置由标准位移提供装置及传感器安装座组成，其侧视图如图3所示。标准位移提供装置由三个方向上相互垂直的位移台组成而成，传感器安装座安装在间隙测量方向的位移台上。位移台步进电机11通过螺栓与上位移板侧面相连，推动杆26由上下压块压紧，并通过螺栓固定在下位移板侧面。位移台步进电机输出轴24与推动杆26一端接触，由位移台步进电机11带动位移平台水平移动，线性光学编码器连接到位移平台上。上位移板上方用螺栓固定齿轮齿条移动台12。叶尖间隙测量传感器伸入传感器预紧座25中，通过预紧螺母8固定。传感器安装座固定在直角板13上，并通过螺栓与齿轮齿条移动台12相连。通过不同厚度垫片调整叶尖间隙测量传感器在高温模拟机匣壁中的回缩值，模拟传感器实际安装状态。

高温环境模拟装置主要包括高温气体加热装置和高温模拟机匣壁等部分，图4为该装置的结构示意图，整套气流加热系统由小型空压机驱动，压缩空气从空压机出来后进入到电加热器9中，电加热器9将气流温度提升到工作要求的范围，然后通过金属软管29和高温空气入口管10进入到高温模拟机匣壁14中，其中间为空腔夹层结构，在高温模拟机匣壁14中，高温气流与叶尖间隙测量传感器进行强制对流换热，将其加热至指定温度，然后通过高温空气出口管7将高温气体排至室外。在高温模拟机匣壁14的上下游布置两只温度传感器27和28，用于监视夹层腔内温度，并将该温度传感器连接至温控仪形成闭环温度控制系统。从电加热器9出口往后各部件需要进行保温处理，以减小温度损失，同时避免烫伤试验人员。

安装及保护装置主要由支撑箱体15、底板16、电机固定座17组成。高速电机1安装在电机固定座17上，支撑箱体15通过螺栓固定在底板16上。支撑箱体除了支撑轴系、保证校准盘在高速转动时平稳的作用外，还起到防护作用，用于校准盘在高速转动时保护实验人员安全。

转速同步系统中的转速测量传感器6安装在支撑箱体15上侧，转速测量传感器6的探头正对叶片叶尖处，另一端连接转速信号采集和处理设备，其与叶尖间隙测量系统进行同步数据采集和处理，提取被测叶片对应位置上的叶尖间隙大小。

以微波叶尖间隙测量传感器的校准为例，采用该装置进行校准的过程为：

1 校准前准备和设置

1)将与微波叶尖间隙测量传感器校准系统相关的电缆、转接头、控制系统电源连接线等按连接要求准确连接。

2)将微波叶尖间隙测量传感器固定在标准间隙装置的传感器安装座上，通过不同厚度垫片调整微波叶尖间隙测量传感器在高温模拟机匣壁中的回缩值。

3)微调标准间隙装置的齿轮齿条移动台，带动传感器安装座移动，使微波叶尖间隙测量传感器探头正对被测叶片叶尖位置。

2 传感器校准，记录数据

1)通过位移平台控制器驱动位移台步进电机转动，带动位移平台水平移动，使微波叶尖间隙测量传感器与叶尖轻轻接触，将此位置记录为零位移。

2)通过控制软件控制标准间隙装置移动到微波叶尖间隙测量传感器与叶尖距离为校准开始的初始值位置，如0.1mm。

3)启动电加热器和温控装置，通过高温环境模拟装置将微波叶尖间隙测量传感器加热到指定的校准温度。

4)启动高速电机，通过变频器设置相应频率，使高速电机带动校准盘稳定在校准需要转速，记录微波叶尖间隙测量传感器在该校准点位置上的动态测试数据。

5)通过控制软件控制标准间隙装置，移动标准间隙值，如以0.5mm为间隔，直到传感器测量范围最远端，如6mm校准位置处，并依次记录微波叶尖间隙测量传感器在不同校准位置上的动态测试数据。

6)通过分析软件和转速同步系统提取某个固定叶片位置上的测量间隙值，将不同校准位置上的微波叶尖间隙测量传感器动态测试结果与标准间隙装置提供的标准间隙值进行对比，得到该温度条件下的传感器动态校准曲线。

7)调整步进电机，带动微波叶尖间隙传感器重新回到初始校准位置，通过电加热器和温控装置改变传感器的环境温度，重复步骤4)～6)，得到不同温度下微波叶尖间隙测量传感器的动态校准曲线。