[发明专利]基于相位式激光测距转静子轴向间隙动态测量装置和方法

说明书

本发明提供了一种基于相位式激光测距的转静子轴向间隙动态测量装置，所述测量装置包括射频信号产生模块、信号功率放大模块、光学模块、信号接收和混频模块、信号采集模块和上位机；其中，所述光学模块为基于双波长激光调制共光路的测量方法进行设计的。本发明将相位式激光测距法用于测量航空发动机微小间隙，相比于其他方法具有精度高、抗干扰能力强等优点，并且光纤探头的外径可以做到5mm以内，更适合测量环境狭小的航空发动机内部微小轴向间隙测量。

技术领域

本发明涉及非接触距离测量领域，尤其涉及一种基于相位式激光测距转静子轴向间隙在线测量装置和方法。

背景技术

航空发动机核心部件工作在极限状态时，其中转静子间的轴向窜动是影响航空发动机性能和安全的重要因素之一。一方面，航空发动机在运行状态过渡态中，承受着许多非线性激励源的作用，直接致使其转静子部件间发生变形和轴向窜动，导致机匣与转子、密封篦齿与叶片以及动静叶栅之间的轴向间隙发生变化。另一方面，发动机内部的温度分布不均匀，而高速旋转的转静子系统会产生非均匀温度应力和非均匀热膨胀，导致转子和静子之间发生轴向窜动。以上两方面因素的共同耦合，直接导致航空发动机转静子间的轴向间隙发生较大变化，极端情况下甚至超过10mm，严重情况下会导致发动机损坏，造成巨大的经济损失，甚至威胁到人身安全。

另外，研究表明，航空发动机压气机内部的轴向间隙由大变小时，叶列间势流干扰增强，扩压能力提高，这可使发动机效率显著提升；有数据表明，叶片间轴向间隙由0.66倍叶片轴向弦长减小到0.23倍叶片轴向弦长时，压气机阶段效率可从1％增加到1.4％。与此同时，现代航空发动机正朝着级间紧凑排列的方向发展，轴向间隙的优化设计能有效提升发动机效率和性能。

由于转静子工作环境恶劣，到目前为止，还无有效的转静子轴向间隙测量手段，航空发动机转静子间轴向间隙的动态变化规律尚不明确，由此造成的数据损失已成为制约航空发动机优化设计及运行安全监测的瓶颈之一。航空发动机转静子轴向间隙已被列为现代航空发动机设计的重要优化和控制参量。

因此，航空发动机转静子轴向间隙的非接触实时在线精确测量，不仅对航空发动机转静子运行状态的健康监测至关重要，而且还能对现代先进航空发动机转静子轴向间隙的最佳设计和控制提供重要的基础性数据来源。

在传统的航空发动机微小间隙测量方法中，电容法在测量量程10mm时探头端面直径达到60mm，传感器尺寸过大，不适用于航空发动机内部空间十分有限的测量环境；电涡流法仅适用于常温低速的发动机工作环境，不适用于高温下的间隙测量；微波法使用的微波传感器外径同样要达到10mm，并且传感器的波束宽度大，存在空间滤波效应，精度较差。相位式激光测距法是激光测距法的一种，将相位式激光测距法用于测量航空发动机微小间隙，相比于其他方法具有精度高、抗干扰能力强等优点。

结合航空发动机转静子轴向间隙测量环境，现有技术存在以下两个技术问题：

(1)航空发动机内部测量空间狭小和信号引出路径复杂；

(2)在相位式激光测距法中存在信号在电路和光路中传输所产生的附加相位差，同时，在航空发动机这种复杂的测量环境中，使用光纤和光纤器件搭建测量系统，而光纤的长度和纤芯折射率都会随着温度的变化而受到影响，导致调制激光信号在光纤中传输的光程会随着温度变化而发生变化，从而信号在电路和光路中传输所产生的附加相位差会随着温度的变化而发生动态变化，尤其是在温度变化范围比较大的航空发动机内部，其测量环境温度最高达450℃，这种影响显得不可忽略。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于相位式激光测距转静子轴向间隙在线测量装置和方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。