一种基于恒压式交流放电的叶尖间隙实时测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于恒压式交流放电的叶尖间隙实时测量系统及方法，系统包括高频交流放电电压源、负反馈式放电耦合电路模块、金属探针、磁铁、霍尔传感器、电流大小测量转换模块、信号采集转换电路和数据处理模块，电压源高压端与金属探针之间串联电路模块，电压源阴极依次通过电流大小测量转换模块、另一个电路模块连接转子叶片中心；金属探针一端与机匣内壁相平齐，另一端露在外部；电流大小测量转换模块连接数据处理模块，磁铁设于转轴偏离中心，霍尔传感器固定于转轴一侧，霍尔传感器通过信号采集转换电路连接数据处理模块，数据处理模块连接电压源控制端。其能够在测量范围内测量每一个叶片的实际叶尖间隙，实用性强，安装使用方便。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于叶片间隙测量领域，特别涉及一种基于恒压式交流放电的叶尖间隙实时测量系统及方法，可在测量范围内测量每一个叶片的实际叶尖间隙。
技术介绍
航空发动机叶片的叶尖间隙一般是指发动机转子叶片与机匣间的径向间隙。叶尖间隙是发动机研制过程中的一项基本的测量参数，同时，也是发动机在运转过程中主动叶尖间隙控制、健康管理以及故障诊断等的重要组成部分。作为燃气涡轮发动机的重要参数，涡轮、压气机叶片叶尖间隙的大小对于发动机的效率具有极大的影响，发动机转子叶尖与机匣内壁之间的径向间隙过大时，压气机的压比下降，耗油量增加，发动机的效率也会大大降低。据资料介绍，叶尖间隙每增加叶片长度的1％，效率约降低1.5％，耗油率约增加3％，耗油率增加1％，可使全寿命费用增加0.7％。然而叶尖间隙过小时，由于叶片在高温环境下受热发生膨胀，可能会导致叶尖与机匣内壁之间产生摩擦，造成零部件的损坏，影响发动机的安全。因此叶尖间隙过大或过小都会对发动机产生不利的影响，合理地设计和监测发动机的叶尖间隙，对于提高发动机性能具有重要意义。为了使叶尖间隙测量技术达到实用高效的水平，本案提出一种基于恒压式交流放电的叶尖间隙实时测量系统及方法。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于提供一种基于恒压式交流放电的叶尖间隙实时测量系统及方法，其能够实时获取叶片情况，在测量范围内测量每一个叶片的实际叶尖间隙，实用性强，安装使用方便，操作简单。为了达成上述目的，本专利技术的解决方案是：一种基于恒压式交流放电的叶尖间隙实时测量系统，包括高频交流放电电压源、负反馈式放电耦合电路模块、金属探针、磁铁、霍尔传感器、电流大小测量转换模块、信号采集转换电路和数据处理模块，其中，高频交流放电电压源的高压端与金属探针之间串联一个负反馈式放电耦合电路模块，高频交流放电电压源的阴极通过电流大小测量转换模块连接另一个负反馈式放电耦合电路模块的一端，而该负反馈式放电耦合电路模块的另一端连接转子叶片的中心；金属探针的一端与机匣的内壁相平齐，而另一端露在机匣的外部，且在金属探针插入机匣的部分包裹绝缘层，将金属探针与机匣完全隔离；电流大小测量转换模块的输出端连接数据处理模块的输入端，磁铁设于转轴偏离中心的某点上，而霍尔传感器固定于转轴一侧，且霍尔传感器通过信号采集转换电路连接数据处理模块的输入端，而数据处理模块的输出端连接高频交流放电电压源的控制端，用以控制高频交流放电电压源的输出电压大小和有无。上述电流大小测量转换模块包括检测电阻、电压传感器和模数转换器，其中，检测电阻的一端连接交流数控可调激励的阴极，检测电阻的另一端连接另一个负反馈式放电耦合电路模块的一端，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数据处理模块的输入端。上述检测电阻选用50Ω电阻。基于如前所述的一种基于恒压式交流放电的叶尖间隙实时测量系统的实时测量方法，电压频率以及输出电压恒定时，在高频交流放电情况下，转子叶片与金属探针之间的气体导通发生放电，测量放电电流峰值，通过标定好的放电电流与放电间隙之间的对应关系，得到叶尖间隙大小。上述实时测量方法的详细内容是：在电源频率恒定不变时，数据处理模块控制高频交流放电电压源输出幅值恒定的电压，发动机工作过程中，转子叶片旋转使其和金属探针之间的间隙变化，当某一转子叶尖与固定在机匣内壁上的金属探针之间的距离小至某个特定值时，二者之间的气体被电离从而发生放电，放电电流随之产生，放电电流的大小和叶尖间隙直接相关；测量放电电流，记录峰值的大小，同时使用霍尔传感器根据放电电流波形对转子叶片进行相位定位，利用事先标定好的放电电流与放电间隙之间的对应关系，实现在测量范围内测量每一个转子叶片的实际叶尖间隙。采用上述方案后，本专利技术的有益效果是：(1)使用霍尔传感器根据放电电流波形变化对转子叶片进行相位定位，实时获取叶片位置的情况，可在测量范围内测量每一个转子叶片的实际叶尖间隙，测量方法新颖，实用性强；(2)金属探针体积小，安装使用方便，对原系统无改变；(3)高频交流放电、负反馈式放电耦合电路模块，提高系统稳定性；(4)允许不接触测量；能够在恶劣的环境下工作。附图说明图1是机匣上安装放电探针、磁铁及霍尔传感器的结构示意图；图2是图1中圆形虚线框的放大结构示意图；图3是霍尔传感器的脉冲信号与放电电流波形示意图；其中，(a)表示霍尔传感器的脉冲信号，(b)表示放电电流波形；图4是本专利技术测量系统的结构图；图5是大气压下尖端放电放电电流和间距关系曲线图。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的技术方案进行详细说明。如图4所示，本专利技术提供一种基于恒压式交流放电的叶尖间隙实时测量系统，包括高频交流放电电压源1、负反馈式放电耦合电路模块2、金属探针3、磁铁6、霍尔传感器7、检测电阻9、电压传感器10、模数转换器11、信号采集转换电路12和数据处理模块13，下面分别介绍。高频交流放电电压源1的高压端与金属探针3之间串联负反馈式放电耦合电路模块2，高频交流放电电压源1的阴极通过检测电阻9连接另一个负反馈式放电耦合电路模块2的一端，而该负反馈式放电耦合电路模块2的另一端连接转子叶片4的中心，检测电阻9可选用常见的50Ω电阻；配合图1和图2所示，金属探针3的一端与机匣5的内壁相平齐，而另一端露在机匣5的外部，且在金属探针3插入机匣5的部分包裹绝缘层8，从而将金属探针3与机匣5完全隔离；电压传感器10连接在检测电阻9的两端，所述电压传感器10的输出端经模数转换器11连接数据处理模块13的输入端，磁铁6设于转轴偏离中心的某点上，而霍尔传感器7固定于转轴一侧，且霍尔传感器7通过信号采集转换电路12连接数据处理模块13的输入端，而数据处理模块13的输出端连接高频交流放电电压源1的控制端，用以控制高频交流放电电压源1的输出电压大小和有无。下面就其中的几个构成部件进行详细说明。1、高频交流放电电压源本专利技术使用高频交流放电电压源作为电压输出源，能够输出恒定幅值及频率的电压，使用高频交流放电电压源进行放电是由于在高频交流电场作用下，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，同时转子叶片与金属探针之间的气体导通时能够在高频的作用下产生较为稳定的放电，对于提高测量系统的稳定性，减小干扰有着重要的作用。2、负反馈式放电耦合电路模块等离子放电是一个正反馈的过程，当电极间隙电压达到气体击穿电压后，电子在行进过程中频繁产生碰撞现象，即电子雪崩现象，电子数目迅速增长，放电电流增加，产生大量的带电粒子和热量，引起电极间隙电阻下降，导致电流进一步增加，从而形成正反馈过程，放电变得不稳定。在高频交流放电电压源与金属探针以及检测电阻与转轴之间串联负反馈式放电耦合电路模块，负反馈式放电耦合电路模块中的电容作用相当于介质阻挡放电中的介质，用于产生反向电场，限制放电电流，增强放电的稳定性，大阻值的电阻则意味着更强的负反馈。串联负反馈式放电耦合电路模块能够提供一个有效的控制放电发展过程的负反馈，阻止放电向火花放电过渡，得到较为稳定的放电。3、金属探针高频交流放电电压源的输出电压足够大时，高压端金属探针与转子叶尖之间的气体被击穿产生放电。为了防止电极烧蚀，需要选择熔点高且导电性能好的金属材料制作高压端放电探针。绝缘层不但与高压端本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于恒压式交流放电的叶尖间隙实时测量系统，其特征在于：包括高频交流放电电压源、负反馈式放电耦合电路模块、金属探针、磁铁、霍尔传感器、电流大小测量转换模块、信号采集转换电路和数据处理模块，其中，高频交流放电电压源的高压端与金属探针之间串联一个负反馈式放电耦合电路模块，高频交流放电电压源的阴极通过电流大小测量转换模块连接另一个负反馈式放电耦合电路模块的一端，而该负反馈式放电耦合电路模块的另一端连接转子叶片的中心；金属探针的一端与机匣的内壁相平齐，而另一端露在机匣的外部，且在金属探针插入机匣的部分包裹绝缘层，将金属探针与机匣完全隔离；电流大小测量转换模块的输出端连接数据处理模块的输入端，磁铁设于转轴偏离中心的某点上，而霍尔传感器固定于转轴一侧，且霍尔传感器通过信号采集转换电路连接数据处理模块的输入端，而数据处理模块的输出端连接高频交流放电电压源的控制端，用以控制高频交流放电电压源的输出电压大小和有无。

【技术特征摘要】
1.一种基于恒压式交流放电的叶尖间隙实时测量系统，其特征在于：包括高频交流放电电压源、负反馈式放电耦合电路模块、金属探针、磁铁、霍尔传感器、电流大小测量转换模块、信号采集转换电路和数据处理模块，其中，高频交流放电电压源的高压端与金属探针之间串联一个负反馈式放电耦合电路模块，高频交流放电电压源的阴极通过电流大小测量转换模块连接另一个负反馈式放电耦合电路模块的一端，而该负反馈式放电耦合电路模块的另一端连接转子叶片的中心；金属探针的一端与机匣的内壁相平齐，而另一端露在机匣的外部，且在金属探针插入机匣的部分包裹绝缘层，将金属探针与机匣完全隔离；电流大小测量转换模块的输出端连接数据处理模块的输入端，磁铁设于转轴偏离中心的某点上，而霍尔传感器固定于转轴一侧，且霍尔传感器通过信号采集转换电路连接数据处理模块的输入端，而数据处理模块的输出端连接高频交流放电电压源的控制端，用以控制高频交流放电电压源的输出电压大小和有无。2.如权利要求1所述的一种基于恒压式交流放电的叶尖间隙实时测量系统，其特征在于：所述电流大小测量转换模块包括检测电阻、电压传感器和模数转换器，其中，检测电阻的一端连接交流数控可调激励的阴极，检测电阻的另一端连接另一个负反馈式放电耦合电路模块的一端，...

【专利技术属性】
技术研发人员：于兵，申恩玉，胡忠志，王继强，袁培，舒文君，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32