径向间隙和轴向位移的测量系统及测量方法与流程

本发明属于航空发动机试验测试领域，尤其涉及一种径向间隙和轴向位移的测量系统及测量方法。

背景技术：

1、航空发动机及燃气轮机采用的密封类型繁多，篦齿密封是广泛使用的一种有效的、长寿命的具有连续表面特征的密封结构。其中，理论泄漏与篦齿的径向间隙成正比，一般而言，径向间隙越大，转子运转安全性越高，但叶尖泄漏的高能气体损失越大，部件效率下降越多；而过小的径向间隙容易引起转子叶片和叶匣的碰撞，使运转安全性下降。

2、因此，航空发动机及燃气轮机篦齿径向间隙的设计与控制非常重要，如何设计控制径向间隙使其最为合适，对提高发动机性能，保证飞行安全非常需要。而合理的设计径向间隙，关键在于摸清径向间隙的实际变化特性，掌握它的变化规律。因此，对连续性表面结构特征的篦齿径向间隙进行实测，给出径向间隙随着不同转速及状态的变化规律，验证理论计算的合理性，在发动机研制过程中对优化设计，保证试车试验安全，具有实际的安全工程应用价值。

3、在目前现有技术中，对于径向间隙测量方法主要有探针法、电涡流法、光纤法和电容法。探针法易受外界环境和端面污损的影响，同时操作难度高，风险大；电涡流法耐温特性差，不适用于航空发动机高转速、高温环境的测量；光纤法易受反射系数、测量传感器的安装角度、安装位置及外界环境的影响；电容法和上述方法相比，具有灵敏度高、固有频率高、频带宽、动态性能好、功率小、阻抗高等优势，此外电容法具有耐高温性能优良的特点，更适应航空发动机及燃气轮机测试环境应用。

4、然而由于篦齿不仅存在径向间隙变化，还存在轴向位移变化，导致在使用测量传感器进行篦齿径向间隙测量时径向间隙和轴向位移会互相影响从而引入测量误差，影响测量精度。因此，如何克服径向间隙和轴向位移的相互影响，并同时实现径向间隙和转子轴向位移实时测量，成为了满足航空发动机及燃气轮机试验验证需求急需解决的难题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中篦齿径向间隙测量时径向间隙和轴向位移会互相影响导致测量误差大，精度低的缺陷，提供一种径向间隙和轴向位移的测量系统及测量方法。

2、本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

3、一种径向间隙和轴向位移的测量系统，包括：

4、电容传感器，所述电容传感器包括极板，所述极板与被测部件构成平板电容，从而测得旋转过程中极板与被测部件结构之间的距离，并输出电容值c1、c2；

5、信号处理模块，所述信号处理模块接收所述电容传感器测量的电容值c1、c2，并将所述电容值c1、c2转化为电压值v1、v2；

6、数据采集模块，所述数据采集模块接收所述信号处理模块中的电压值v1、v2，并转化得到径向间隙d和轴向位移a与所述电压值v1、v2的关系；

7、处理模块，所述处理模块根据所述数据采集系统得到的径向间隙d和轴向位移a与所述电压值v1、v2的关系并同时得到径向间隙d和轴向位移a。

8、本技术方案中，采用上述测量系统可以同时测量被测部件地径向间隙和轴向位移，避免径向间隙及轴向位移会相互影响引入的互相影响产生的误差，提高测量精度。

9、较佳地，所述电容传感器包括：支撑件、和两个相同的第一三角芯极和第二三角芯极，所述第一三角芯极和第二三角芯极互相呈180°倒置排列并安装在所述支撑件内。

10、所述电容传感器还包括外壳，所述支撑件安装在所述外壳内，所述支撑件为内置固定环，所述内置固定环开设有与所述第一三角芯极和所述第二三角芯极形状相匹配的容纳孔。

11、较佳地，所述电容传感器采用平行板电容器的测量原理为：其中，ε是介电常数，k是静电力常量，s是所述电容传感器中所述第一三角芯极和所述第二三角芯极端面正对所述被测零件的面积，d为所述第一三角芯极的端面和所述第二三角芯极的端面与被测部件之间的距离。

12、本技术方案中，当篦齿随转子轴转动时，由于实际转子的径向间隙d和轴向位移a会同时变化。根据上述公式可得知，输出电容c同时受到径向间隙d和由于轴向位移a变化导致正对面积s变化的影响，因此本发明采用两个相同的三角芯极代替常规圆形结构芯极测量连续性结构特征的篦齿径向间隙可以消除s的影响，从而提高径向间隙d的测量精度。

13、较佳地，径向间隙d所述电压值v1、v2的关系为：径向间隙d的变化仅导致v1+v2的变化。

14、较佳地，轴向位移a与所述电压值v1、v2的关系为：轴向位移a的变化仅导致的变化。

15、本发明还提供一种径向间隙和轴向位移的测量方法采用如上述所述的径向间隙和轴向位移测量系统，包括以下步骤：

16、s1、在航空发动机中的测试机匣上开设测试孔；

17、s2、将电容传感器与被测部件的径向间隙d和轴向位移a进行标定，获取径向间隙和轴向位移与电压的标定曲线；

18、s3、将完成标定的电容传感器安装在所述测试孔内，用于测量实际电容值c1′、c2′；

19、s4、通过信号处理模块接收所述电容传感器测量的电容值c1′、c2′，并将所述实际电容值c1′、c2′转化为实际电压值v1′、v2′；

20、s5、通过数据采集模块接收所述信号处理模块中的实际电压值v1′、v2′，结合s2中所述径向间隙和轴向位移与电压的标定曲线，通过输出模块同时得到实际径向间隙d′和实际轴向位移a′。

21、较佳地，s2中，将电容传感器与被测零件的径向间隙进行标定包括：所述电容传感器产生电容值c1和c2，将所述电容值c1与c2换算得出被测部件径向间隙d与v1+v2的标定曲线，所述标定曲线不会随着被测部件发生轴向位移a而改变。

22、较佳地，s5中，通过数据采集模块接收所述信号处理模块中的实际电压值v1′、v2′，结合s2中所述径向间隙与电压的标定曲线，通过输出模块同时得到实际径向间隙d′和实际轴向位移a′包括：结合s2中径向间隙d与v1+v2的标定曲线，将实际电压值v1′+v2′反向代入计算，可得到实际径向间隙d′。

23、较佳地，s2中，将电容传感器与被测零件的轴向位移进行标定包括：所述电容传感器产生电容值c1和c2，将所述电容值c1与c2换算得出被测部件轴向位移a与的标定曲线，所述标定曲线不会随着被测部件发生径向间隙d而改变。

24、较佳地，s5中，通过数据采集模块接收所述信号处理模块中的实际电压值v1′、v2′，结合s2中所述轴向位移与电压的标定曲线，通过输出模块同时得到实际径向间隙d′和实际轴向位移a′包括：结合s2中径向间隙d与v1+v2的标定曲线，将实际电压值反向代入计算，可得到实际轴向位移a′。

25、本发明的积极进步效果在于：本发明提供了一种包含了两个相同的第一三角芯极和第二三角芯极的电容传感器，可同时测量航空发动机及燃气轮机旋转件的篦齿径向间隙和转子轴向位移变化，并且消除了在航空发动机及燃气轮机运转过程中，转子篦齿径向间隙及转子轴向位移会相互影响引入的互相影响产生的误差，可准确测量篦齿径向间隙和转子轴向位移，提高航空发动机及燃气轮验证试验转静子间隙测量精度。