基于交流放电的叶尖间隙标定系统及标定方法与流程

本发明属于叶片间隙测量领域，特别涉及一种基于交流放电的叶尖间隙标定系统及标定方法，可用于实际叶尖间隙的测量工作。

背景技术：

航空发动机转子叶片尖端与机匣内壁之间的距离被称为叶尖间隙，是影响发动机性能和效率的一个重要参数。随着现代航空方法发展，对发动机性能要求不断提高，减小发动机叶尖间隙成为提高发动机性能的重要手段之一。减小发动机叶尖间隙可以降低工作介质泄漏，减小端壁损失，从而进一步提高发动机性能。但在减小叶尖间隙、提高效率的同时，过小的叶尖间隙配合在发动机工作状态变化时，很可能因为叶片受载变化、机匣变形、转子叶片与机匣热膨胀不一致等原因导致转静子的碰摩，影响飞行安全。因此，设计控制“最佳”间隙配合，对提高发动机性能和保证飞行安全非常重要。而合理的设计间隙或进行主动间隙控制，关键在于搞清间隙的实际变化情况，掌握其变化规律。在航空发动机实际使用过程中，影响发动机叶尖间隙的因素非常复杂，通过理论计算无法准确估算出间隙值，只能通过间隙实测给出叶尖间隙变化情况，从而进行优化设计。

技术实现要素：

本发明的目的，在于提供一种基于交流放电的叶尖间隙标定系统及标定方法，其操作简单，可用于叶尖间隙的实际测量，实现每个叶片的间隙标定，提高测量精度。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种基于交流放电的叶尖间隙标定系统，包括电压输出模块、探针、执行机构、电流测量转换模块和中央处理控制模块，其中，执行机构包括步进电机控制电路、步进电机和滚珠丝杠，步进电机与滚珠丝杠的驱动端连接，步进电机控制电路控制步进电机的旋转，从而推动滚珠丝杠移动；探针的尖端与机匣的内壁相平齐，且在探针插入机匣的部分包裹绝缘层，探针的底端固定于滚珠丝杠的一侧，随滚珠丝杠一起移动；所述电压输出模块的高压端连接探针，而电压输出模块的低压端通过电流测量转换模块连接叶片的中心；电流测量转换模块的输出端连接中央处理控制模块的输入端，而中央处理控制模块的输出端连接电压输出模块的控制端，用以控制电压输出模块的输出电压大小和有无，所述中央处理控制模块的输出端还连接步进电机控制电路，用以控制步进电机的旋转与否。

上述电流测量转换模块包括检测电阻、电压传感器和模数转换器，电压输出模块的低压端连接检测电阻的一端，检测电阻的另一端连接叶片的中心；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中央处理控制模块的输入端。

上述探针由金属材料制成。

上述标定系统还包括固定架，固定架设于执行机构的底部，并固定于机匣上，从而将执行机构稳定放置于机匣的外壁上。

一种基于交流放电的叶尖间隙标定方法，包括如下步骤：

步骤1，将探针从机匣内壁移动到与叶尖接触的位置，测量机匣与叶尖之间的距离；

步骤2，向外部径直移动探针，调整探针与叶尖之间的径向距离d_i，测量探针与叶尖的放电起始电压U_i，从而完成单个叶片放电起始电压和叶尖间隙的关系标定。

上述步骤1的详细内容是：电压输出模块输出小电压，步进电机控制电路驱动步进电机旋转，进而推动与滚珠丝杠相连接的探针向叶片中心方向缓慢移动，当探针与叶尖发生接触形成闭合回路，中央处理控制模块接收到电流测量转换模块传送的数值时，控制步进电机停止运转，探针停止移动，此时探针移动的距离即为机匣与叶尖之间的距离。

上述步骤2中，测量放电起始电压U_i的具体过程是：将探针向外部移动距离d₁，则探针与叶尖之间的径向距离为d₁，电压输出模块逐渐增大输出电压，中央处理控制模块实时接收数值，当接收到的数值发生突变时，停止电压输出，同时记录此时的放电起始电压U₁；接着控制探针移动，调整探针与叶尖之间的径向距离，重复以上步骤，得到相对应的d_m和U_m，m为大于等于2的自然数。

上述步骤2中，测量放电起始电压U_i时，保持探针与叶尖之间的径向距离d_i不变，重复n次放电起始电压的采集过程，得到n组数据，处理得到均值作为对应径向距离d_i的放电起始电压U_i。

上述对n组数据采用中值法进行处理，得到均值。

上述步骤2后，还包括步骤3：将其余叶片旋转至与探针正对的位置，重复步骤1-2，完成对所有叶片的标定。

采用上述方案后，本发明具有如下特点：放电探针体积小，安装使用方便；数控调压，操作简单，调压时间短且效率高；交流放电，降低击穿电压，延长系统使用寿命；探针位移可控，操控方便，位移精度高；可实现发动机内每个叶片的标定工作；可在恶劣的环境下工作等。

附图说明

图1是机匣上安装执行机构的结构示意图；

图2是图1中圆形虚线框的放大结构示意图；

图3是执行机构的内部结构图；

图4是本发明标定系统的结构图。

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交流放电的叶尖间隙标定系统，包括电压输出模块1、探针6、执行机构2、电流测量转换模块和中央处理控制模块14，其中，执行机构2包括步进电机控制电路3、步进电机4和滚珠丝杠5，步进电机4与滚珠丝杠5的驱动端连接，步进电机控制电路3控制步进电机4的旋转，从而推动滚珠丝杠5移动；探针6的尖端由机匣9的外部插进机匣9，配合图1和图2所示，并使得探针6的尖端与机匣9的内壁相平齐，且在探针6插入机匣9的部分包裹绝缘层10，将探针6与机匣9完全隔离，同时防止探针6发生偏移，探针6的底端固定于滚珠丝杠5的一侧，可随滚珠丝杠5一起移动；所述电压输出模块1的高压端连接探针6，而电压输出模块1的低压端通过电流测量转换模块连接叶片8的中心；电流测量转换模块的输出端连接中央处理控制模块14的输入端，而中央处理控制模块14的输出端连接电压输出模块1的控制端，用以控制电压输出模块1的输出电压大小和有无，所述中央处理控制模块14的输出端还连接步进电机控制电路3，用以控制步进电机4的旋转与否。其中，电流测量转换模块包括检测电阻11、电压传感器12和模数转换器13，电压输出模块1的低压端连接检测电阻11的一端，检测电阻11的另一端连接叶片8的中心，其中，检测电阻11可选用常见的50Ω电阻；电压传感器12连接在检测电阻11的两端，所述电压传感器12的输出端经模数转换器13连接中央处理控制模块14的输入端。

为了将执行机构2能够固定于机匣9，从而使探针6稳定，参考图2和图3所示，执行机构2的底部设有固定架7，在进行标定时，固定架7固定于机匣9上，从而将执行机构2稳定放置于机匣9的外壁上。

下面就其中的几个构成部件进行详细说明。

1、电压输出模块

本发明使用交流数控可调激励作为电压输出模块，数控调压能够在探针与叶尖之间持续输出幅值可调的交流电压，实际操作起来简单方便，调压时间短且效率高，对于提高标定结果的精确性具有重要作用。采用交流激励进行放电是由于在交流电场作用下，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，同时在交流电场作用下探针不容易积聚灰尘，有效地延长了系统使用寿命。

2、探针

当输出频率为一设定恒值，交流数控可调激励输出的交流电压足够大时，高压端探针与转子叶尖之间的气体达到击穿状态产生放电，放电探针尖端温度会迅速升高，因此需要选择熔点高且导电性能好的金属材料制作放电探针。与放电探针直接接触的绝缘层同样需要使用耐高温的材料进行制作。包裹放电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偏移，另一方面则是为了将金属探针与机匣隔开，避免对发动机造成危害。

3、执行机构

执行机构主要由步进电机控制电路、步进电机和滚珠丝杠组成。中央处理控制模块能够通过步进电机控制电路驱动步进电机旋转，进而推动与滚珠丝杠直接接触的探针进行移动。滚珠丝杠是工具机械和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。中央处理控制模块通过步进电机控制电路驱动步进电机旋转，而滚珠丝杠能够将旋转运动转换为直线运动，进而实现探针的前后移动，控制过程时间短且位移精度高，极大地提高了标定系统的精确性。

4、电流测量转换模块

电流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。中央处理控制模块控制交流数控可调激励逐渐增大输出电压，当在高压端探针与叶尖之间施加的交流电压足够大时，探针与叶尖之间的气体最终被击穿产生放电。放电一旦产生，回路中的电流也会发生突变，电压传感器通过测量检测电阻上电压的突然变化，间接测量放电电流的变化，再经过模数转换器，将电压电信号转化为数字信号，以数值的形式传递给中央处理控制模块进行分析和处理。

5、中央处理控制模块

中央处理控制模块能够调节交流数控可调激励从零开始逐渐增大输出电压，在探针尖端处于与机匣内壁平齐的位置时，首先在探针与叶尖之间施加极小的电压，通过步进电机控制探针向内部缓慢移动，一旦探针与叶尖接触，回路中有电流产生，电压传感器测量检测电阻上的电压信号，间接测量电流变化，并通过数模转换器将电压信号转化为数字信号传送给中央处理控制模块。若检测到电流产生，则立即停止移动探针，记录下探针移动的距离，即机匣与叶尖的距离。控制探针向外部移动极短的距离d，逐渐增大输出电压，最终叶尖与探针之间气体被击穿发生放电，此时回路中的电流发生突变，若中央处理控制模块接收到的数值发生突变，此时调节交流数控可调激励，停止输出电压，记录下放电起始电压数值大小。在此电压值附近，测量n组放电起始电压，并通过中值法进行处理，此时记录下经过处理后的电压均值以及叶尖到放电探针的径向距离d。最后不断向外部移动放电探针，重复以上测量过程，最终完成叶片的标定工作。

基于以上标定系统，本发明还提供一种基于交流放电的叶尖间隙标定方法，包括如下步骤：

步骤1，在探针与叶尖之间施加一个较小的电压，通过步进电机控制电路驱动步进电机旋转，进而推动与滚珠丝杠相连接的探针向叶片中心方向缓慢移动，这里施加的电压不能太大，防止在探针与叶尖接触之前，过大的电压将二者之间的气体导通发生放电，进而影响测量结果，一般几十伏电压即可；

步骤2，一旦探针与叶尖接触，则回路中产生电流，通过电压传感器测量检测电阻上的电压，经过模数转换器将电压电信号转化为数字信号，以数值的形式传递给中央处理控制模块进行处理，因此，当中央处理控制模块接收到数值时，控制步进电机停止运转，探针停止移动，此时中央处理控制模块及时记录下探针移动的距离L，即机匣与叶尖之间的距离；

步骤3，控制探针向外部移动极短的距离d₁，0<d₁<L，再控制电压输出模块逐渐增大输出电压，当施加的电压足够大时，转子叶尖与探针之间的气体被击穿产生放电，回路中的电流随之发生突变，若中央处理控制模块接收到的数值发生突变，则说明间隙之间发生放电，记录下此时放电起始电压的大小，同时停止电压输出。

步骤4，保持探针位置不变，将电压输出模块的输出电压从零逐渐增大，重复放电起始电压的采集过程，一共记录n组(n可取大于等于2的自然数，在本实施例中取为10)放电起始电压，利用中值法(这里采用的数据处理方法不唯一，可根据实际需求进行选择)对n组数据进行处理，得到放电起始电压均值U₁以及叶尖到探针的径向距离d₁；

步骤5，控制探针到叶尖的径向距离为d₂，重复步骤3-4，记录n组放电起始电压，并得到放电起始电压均值U₂；

步骤6，通过重复步骤3-5，得到多组放电起始电压均值U_i与叶尖到探针的径向距离d_i之间的对应关系，从而完成单个叶片放电起始电压和叶尖间隙的关系标定，其中，i＝1,2，…，m；

步骤7，由于每个叶片的机械特性存在差异，可以将待测叶片旋转至与探针正对的位置，重复步骤1-6，完成对每个叶片的标定，提高间隙测量的准确性。

综合上述，本发明一种基于交流放电的叶尖间隙标定系统及标定方法，首先测量叶尖与机匣的距离，然后在控制探针向外移动时，限制间隙范围在0到L之间，可以防止探针超出机匣内壁，从而控制探针尖端最终恰好返回到内壁的位置。

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。