[发明专利]低压涡轮带冠叶片篦齿的径向和轴向间隙测量系统及方法

说明书

本发明公开一种低压涡轮带冠叶片篦齿的径向间隙和轴向间隙测量系统及方法，测量系统包括篦齿、V型芯极电容传感器、调幅式电容调理模块、高速采集处理模块和上位机，V型芯极电容传感器由V型芯极、外垫环和外壳体构成，外垫环嵌入外壳体内，外垫环端面设有与V型芯极的芯极端面形状契合的通孔，V型芯极的芯极端面从通孔穿出；V型芯极电容传感器放置于篦齿的一侧且V型芯极的端面与篦齿的半径方向垂直，V型芯极的对称轴与篦齿转轴平行；V型芯极电容传感器通过连接线依次与调幅式电容调理模块、高速采集处理模块和上位机连接。实现变工况条件下的低压涡轮带冠叶片篦齿轴向间隙参数和径向间隙参数的融合高精度测量。

技术领域

本发明涉及非接触式位移和距离测量领域，尤其是涉及一种对低压涡轮带冠叶片篦齿径向间隙和轴向间隙的测量系统及方法。

背景技术

低压涡轮带冠叶片作为发动机核心做功部件之一，它的结构参数和运转状态参数关乎整个发动机系统的高效性、安全性和稳定性。与自由动叶片相比，低压涡轮带冠叶片常常伴有密封篦齿。其中，篦齿和机匣内壁的径向间隙以及旋转带冠叶片和静子叶片间的轴向间隙与发动机泄漏量、气动性能、运转效率、安全稳定以及喘振安全裕度等直接关联。间隙过小，低压涡轮叶片和静子间容易发生碰磨，降低运转安全性；间隙过大，泄漏量增大，将造成发动机效率下降和能源浪费。对严封篦齿的径向间隙和轴向间隙进行合理设计和主动控制是低压涡轮带冠叶片设计的重要原则。因此高精度、在线间隙测量技术是实现间隙最优值确定和间隙主动控制的关键。但是，目前研究者们对发动机低压涡轮带冠叶片篦齿更多的关注点在于尺寸结构的改进，主要通过数值计算、仿真等手段确定篦齿的最优化尺寸、结构参数，以达到降低泄露量和改善涡轮的气动性能的目的，而对篦齿间隙参数测量的研究很少。现有报道中针对篦齿轴向间隙或窜动进行测量的只有MTU航空发动机公司(见专利[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].)，他们设计了一种V型电容传感器，通过检测篦齿窜动引起传感器输出信号的时间差值来实现篦齿窜动量的测量。这种方法需要对信号的时间差精确测量，高采样率和高信噪比的需求使得硬件电路设计困难且测量精度难以保证。因此，我们基于V型电容传感器和篦齿的结构特征，提出了一种基于幅度谱估计的篦齿径向间隙和轴向间隙测量方法，通过转速和信号特征频率估计、频域滤波、整周期等角度采样、幅度谱估计、二元多项式曲面拟合相融合的手段，在不要求高采样率和信号高信噪比的条件下，实现了篦齿轴向间隙和径向间隙参数的高精度动态测量，具有实际的工程应用意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种低压涡轮带冠叶片篦齿的径向和轴向间隙测量系统及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种低压涡轮带冠叶片篦齿的径向间隙和轴向间隙测量系统，包括篦齿、V型芯极电容传感器、调幅式电容调理模块、高速采集处理模块和上位机，所述V型芯极电容传感器由V型芯极、外垫环和外壳体构成，外垫环嵌入外壳体内，外垫环端面设有与V型芯极的芯极端面形状契合的通孔，V型芯极的芯极端面从所述通孔穿出；V型芯极电容传感器放置于篦齿的一侧且V型芯极的端面与篦齿的半径方向垂直，V型芯极的对称轴与篦齿转轴平行；所述V型芯极电容传感器通过连接线依次与调幅式电容调理模块、高速采集处理模块和上位机连接；测量时，篦齿端面与V型芯极电容传感器的V型芯极构成双平行极板电容器；径向间隙和轴向间隙参数信息包含在V型芯极电容传感器的电容信号中；调幅式电容调理模块将电容信号以确定的放大系数转换为电压信号；接着高速采集处理模块将该电压信号采样为数字信号并送入上位机进行算法处理，最终得到径向间隙和轴向间隙参数。

进一步的，篦齿绕带冠叶片的圆周分布，在圆周等分位置上的相邻两个篦齿上的相同部位进行径向挖槽改装，称为“W”型凹槽。