[發明專利]低壓渦輪帶冠葉片篦齒的徑向和軸向間隙測量系統及方法

有效

• 申請號: 202210238665.0
• 申請日: 2022-03-10
• 公開（公告）號: CN114608435B
• 公開（公告）日: 2023-09-26
• 發明（設計）人: 段發階;李發富;牛廣越;蔣佳佳;傅驍;劉昊
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01B7/14
• 分類號: G01B7/14;H03H21/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉子文

本發明公開一種低壓渦輪帶冠葉片篦齒的徑向間隙和軸向間隙測量系統及方法，測量系統包括篦齒、V型芯極電容傳感器、調幅式電容調理模塊、高速采集處理模塊和上位機，V型芯極電容傳感器由V型芯極、外墊環和外殼體構成，外墊環嵌入外殼體內，外墊環端面設有與V型芯極的芯極端面形狀契合的通孔，V型芯極的芯極端面從通孔穿出；V型芯極電容傳感器放置于篦齒的一側且V型芯極的端面與篦齒的半徑方向垂直，V型芯極的對稱軸與篦齒轉軸平行；V型芯極電容傳感器通過連接線依次與調幅式電容調理模塊、高速采集處理模塊和上位機連接。實現變工況條件下的低壓渦輪帶冠葉片篦齒軸向間隙參數和徑向間隙參數的融合高精度測量。

技術領域

本發明涉及非接觸式位移和距離測量領域，尤其是涉及一種對低壓渦輪帶冠葉片篦齒徑向間隙和軸向間隙的測量系統及方法。

背景技術

低壓渦輪帶冠葉片作為發動機核心做功部件之一，它的結構參數和運轉狀態參數關乎整個發動機系統的高效性、安全性和穩定性。與自由動葉片相比，低壓渦輪帶冠葉片常常伴有密封篦齒。其中，篦齒和機匣內壁的徑向間隙以及旋轉帶冠葉片和靜子葉片間的軸向間隙與發動機泄漏量、氣動性能、運轉效率、安全穩定以及喘振安全裕度等直接關聯。間隙過小，低壓渦輪葉片和靜子間容易發生碰磨，降低運轉安全性；間隙過大，泄漏量增大，將造成發動機效率下降和能源浪費。對嚴封篦齒的徑向間隙和軸向間隙進行合理設計和主動控制是低壓渦輪帶冠葉片設計的重要原則。因此高精度、在線間隙測量技術是實現間隙最優值確定和間隙主動控制的關鍵。但是，目前研究者們對發動機低壓渦輪帶冠葉片篦齒更多的關注點在于尺寸結構的改進，主要通過數值計算、仿真等手段確定篦齒的最優化尺寸、結構參數，以達到降低泄露量和改善渦輪的氣動性能的目的，而對篦齒間隙參數測量的研究很少。現有報道中針對篦齒軸向間隙或竄動進行測量的只有MTU航空發動機公司(見專利[1]Gerbl?F,Gruendmayer?J,Stadlbauer?M,et?al.TURBOMACHINE?STAGE?AND?METHOD?FORDETERMINING?A?SEAL?GAP?AND/OR?AN?AXIAL?POSITION?OF?SUCH?A?TURBOMACHINE?STAGE,US20140348631[P].)，他們設計了一種V型電容傳感器，通過檢測篦齒竄動引起傳感器輸出信號的時間差值來實現篦齒竄動量的測量。這種方法需要對信號的時間差精確測量，高采樣率和高信噪比的需求使得硬件電路設計困難且測量精度難以保證。因此，我們基于V型電容傳感器和篦齒的結構特征，提出了一種基于幅度譜估計的篦齒徑向間隙和軸向間隙測量方法，通過轉速和信號特征頻率估計、頻域濾波、整周期等角度采樣、幅度譜估計、二元多項式曲面擬合相融合的手段，在不要求高采樣率和信號高信噪比的條件下，實現了篦齒軸向間隙和徑向間隙參數的高精度動態測量，具有實際的工程應用意義。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術中的不足，提供一種低壓渦輪帶冠葉片篦齒的徑向和軸向間隙測量系統及方法。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種低壓渦輪帶冠葉片篦齒的徑向間隙和軸向間隙測量系統，包括篦齒、V型芯極電容傳感器、調幅式電容調理模塊、高速采集處理模塊和上位機，所述V型芯極電容傳感器由V型芯極、外墊環和外殼體構成，外墊環嵌入外殼體內，外墊環端面設有與V型芯極的芯極端面形狀契合的通孔，V型芯極的芯極端面從所述通孔穿出；V型芯極電容傳感器放置于篦齒的一側且V型芯極的端面與篦齒的半徑方向垂直，V型芯極的對稱軸與篦齒轉軸平行；所述V型芯極電容傳感器通過連接線依次與調幅式電容調理模塊、高速采集處理模塊和上位機連接；測量時，篦齒端面與V型芯極電容傳感器的V型芯極構成雙平行極板電容器；徑向間隙和軸向間隙參數信息包含在V型芯極電容傳感器的電容信號中；調幅式電容調理模塊將電容信號以確定的放大系數轉換為電壓信號；接著高速采集處理模塊將該電壓信號采樣為數字信號并送入上位機進行算法處理，最終得到徑向間隙和軸向間隙參數。

進一步的，篦齒繞帶冠葉片的圓周分布，在圓周等分位置上的相鄰兩個篦齒上的相同部位進行徑向挖槽改裝，稱為“W”型凹槽。