一种发动机运行状态转子叶片扭转角度测量系统及方法技术方案

本申请属于发动机转子性能测试领域，特别涉及一种发动机运行状态转子叶片扭转角度测量系统及方法；测量系统包括：至少两个第一传感器，设置在机匣的内环面上，且布置在同一个待测转子叶片轴向位置的前缘和尾缘处；信号处理与采集模块，用于接收传感器数据并将数据转换为待测转子叶片的前缘与尾缘的叶尖到达时刻数据；转速传感器，用于检测待测转子叶片的转速；扭转角处理模块，用于计算获得转子叶片扭转角。本申请的发动机运行状态转子叶片扭转角度测量系统及方法，以一阶扭转及其测量为基础，提出了切实可行的测量方法、模型及公式，其测点布置简单，计算相关的参数容易获取，易于在发动机上实施，在扭转角测量中具有指导性意义。

A Measuring System and Method of Rotor Blade Torsion Angle in Engine Operation

【技术实现步骤摘要】
一种发动机运行状态转子叶片扭转角度测量系统及方法
本申请属于发动机转子性能测试领域，特别涉及一种发动机运行状态转子叶片扭转角度测量系统及方法。
技术介绍
对于各种航空发动机和燃气轮机，叶片都是其主要构件之一，它不仅影响发动机的整体性能，也直接关系到发动机的可靠性、耐久性和寿命。转子叶片工作条件恶劣，故障发生率较高，根据国内外的发动机结构件故障统计，叶片故障约占发动机故障的39％。发动机转子叶片工作环境恶劣，承受着较大的离心力载荷、复杂的气动载荷和热载荷。叶片在这些载荷作用下会会产生扭转变形，使叶形偏离理想的气动设计型面。叶片的扭转将对叶片各截面的气动特性和动力学特性产生影响，进而影响发动机效率、性能等，甚至危害发动机运行安全。例如，扭转角过大，进而造成攻角变化过大，导致转子叶片的叶背气流分离、气动损失增加甚至发生失速现象。因此，研究叶片的扭转恢复特性十分重要。目前，对于发动机运行状态叶片的扭转恢复特性的研究主要采用有限元法，利用数学近似值的方法对真实物理系统进行模拟，采用大型有限元软件例如ANSYS等进行仿真分析，研究叶片的扭转恢复特性。主要内容包括建立叶片有限元模型、确定叶片边界条件及施加载荷等。然而，为了方便计算，模型及边界条件往往简化分析；叶片所受的气动载荷十分复杂，它沿叶高方向和叶宽方向的分布都是不均匀的，只能简化分析；温度分布不均匀或相互约束的材料线膨胀特性的不同都会引起热应力，在计算中常认为温差较小，热应力往往忽略不计。这些因素导致了仿真分析与真实叶片的扭转恢复特性存在较大差异。因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
技术实现思路
为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种发动机运行状态转子叶片扭转角度测量系统及方法。第一方面，本申请公开了一种发动机运行状态转子叶片扭转角度测量系统，所述转子叶片设置在机匣内，所述发动机运行状态转子叶片扭转角度测量系统包括：第一传感器，所述第一传感器的数量为至少两个，设置在所述机匣的内环面上，且所述第一传感器至少布置在同一个待测转子叶片轴向位置的前缘和尾缘处；信号处理与采集模块，所述信号处理与采集模块用于接收所述第一传感器采集的同一个待测转子叶片的前缘与尾缘的数据，并将所述数据转换为所述待测转子叶片的前缘与尾缘的叶尖到达时刻数据；转速传感器，所述转速传感器设置在发动机传动轴上，用于检测待测转子叶片的转速；扭转角处理模块，所述扭转角处理模块用于根据所述待测转子叶片的前缘与尾缘的叶尖到达时刻数据以及所述待测转子叶片的转速，获得转子叶片扭转角。根据本申请的至少一个实施方式，所述第一传感器为电容传感器。根据本申请的至少一个实施方式，所述第一传感器为光纤传感器。根据本申请的至少一个实施方式，所述扭转角处理模块根据如下公式(7)计算得到转子叶片扭转角αi：其中，l1为前缘测点所在的叶尖半径；l2为尾缘测点所在的叶尖半径；d为两个第一传感器之间的轴向距离；θ为两个第一传感器之间的周向夹角；βi为待测转子叶片发生扭转情况下的第i片叶片在转速r下的时间差角。根据本申请的至少一个实施方式，当待测转子叶片未发生形变时，所述同一个待测转子叶片的前缘与尾缘同时扫过两个所述第一传感器，此时定义两个所述传感器位于第一周向位置，在所述第一周向位置时，两个第一传感器之间的周向夹角θ等于未发生形变时的待测转子叶片的叶尖安装角，此时，第i片叶片在转速r下的时间差角βi根据如下公式得到：其中，Ti为叶片定位信号触发后第i片叶片叶尖前缘到达的采样时刻，Si为第i片叶片叶尖尾缘到达的采样时刻，i＝1Λn；m为采样频率。根据本申请的至少一个实施方式，当待测转子叶片未发生形变时，所述同一个待测转子叶片的前缘与尾缘未同时扫过两个所述第一传感器，此时定义两个所述传感器位于第二周向位置，在所述第二周向位置时，两个第一传感器之间具有的实际周向夹角θ0不等于未发生形变时的待测转子叶片的叶尖安装角，则公式(7)中两个第一传感器之间的周向夹角θ通过如下公式(12)求得：θ＝γi慢-θ0(12)；其中，γi慢为所述第二周向位置时，在发动机慢车状态，即待测转子叶片未发生扭转情况下，第i片叶片在对应的慢车转速下的时间差角；进一步，公式(7)中的第i片叶片在转速r下的时间差角βi通过如下公式(10)求得：βi＝γi-γi0＝γi-γi慢(10)；其中，γi0＝γi慢；γi为所述第二周向位置时，待测转子叶片发生扭转情况下的第i片叶片在对应转速r下的时间差角，通过如下公式(8)求得：其中，γi慢采用相同的公式(8)求得；Ti为叶片定位信号触发后第i片叶片叶尖前缘到达的采样时刻，Si为第i片叶片叶尖尾缘到达的采样时刻，i＝1Λn；m为采样频率。第二方面，本申请公开了一种发动机运行状态转子叶片扭转角度测量方法，包括如下步骤：在所述机匣的内环面上布置至少两个第一传感器，且所述第一传感器至少布置在同一个待测转子叶片轴向位置的前缘和尾缘处；通过信号处理与采集模块接收所述第一传感器采集的同一个待测转子叶片的前缘与尾缘的数据，并将所述数据转换为所述待测转子叶片的前缘与尾缘的叶尖到达时刻数据；在发动机传动轴上设置转速传感器，并通过所述转速传感器检测所述待测转子叶片的转速；通过扭转角处理模块处理所述待测转子叶片的前缘与尾缘的叶尖到达时刻数据以及所述待测转子叶片的转速，以获得转子叶片扭转角。根据本申请的至少一个实施方式，所述扭转角处理模块根据如下公式(7)计算得到转子叶片扭转角αi：其中，l1为前缘测点所在的叶尖半径；l2为尾缘测点所在的叶尖半径；d为两个第一传感器之间的轴向距离；θ为两个第一传感器之间的周向夹角；βi为待测转子叶片发生扭转情况下的第i片叶片在转速r下的时间差角。根据本申请的至少一个实施方式，当待测转子叶片未发生形变时，所述同一个待测转子叶片的前缘与尾缘同时扫过两个所述第一传感器，此时定义两个所述传感器位于第一周向位置，在所述第一周向位置时，两个第一传感器之间的周向夹角θ等于未发生形变时的待测转子叶片的叶尖安装角，此时，第i片叶片在转速r下的时间差角βi根据如下公式得到：其中，Ti为叶片定位信号触发后第i片叶片叶尖前缘到达的采样时刻，Si为第i片叶片叶尖尾缘到达的采样时刻，i＝1Λn；m为采样频率。根据本申请的至少一个实施方式，当待测转子叶片未发生形变时，所述同一个待测转子叶片的前缘与尾缘未同时扫过两个所述第一传感器，此时定义两个所述传感器位于第二周向位置，在所述第二周向位置时，两个第一传感器之间具有的实际周向夹角θ0不等于未发生形变时的待测转子叶片的叶尖安装角，则公式(7)中两个第一传感器之间的周向夹角θ通过如下公式(12)求得：θ＝γi慢-θ0(12)；其中，γi慢为所述第二周向位置时，在发动机慢车状态，即待测转子叶片未发生扭转情况下，第i片叶片在对应的慢车转速下的时间差角；进一步，公式(7)中的第i片叶片在转速r下的时间差角βi通过如下公式(10)求得：βi＝γi-γi0＝γi-γi慢(10)；其中，γi0＝γi慢；γi为所述第二周向位置时，待测转子叶片发生扭转情况下的第i片叶片在对应转速r下的时间差角，通过如下公式(8)求得：其中，γi慢采用相同的公式(8)求得，Ti为叶片定位信号触本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种发动机运行状态转子叶片扭转角度测量系统，所述转子叶片设置在机匣内，其特征在于，所述发动机运行状态转子叶片扭转角度测量系统包括：第一传感器，所述第一传感器的数量为至少两个，设置在所述机匣的内环面上，且所述第一传感器至少布置在同一个待测转子叶片轴向位置的前缘和尾缘处；信号处理与采集模块，所述信号处理与采集模块用于接收所述第一传感器采集的同一个待测转子叶片的前缘与尾缘的数据，并将所述数据转换为所述待测转子叶片的前缘与尾缘的叶尖到达时刻数据；转速传感器，所述转速传感器设置在发动机传动轴上，用于检测待测转子叶片的转速；扭转角处理模块，所述扭转角处理模块用于根据所述待测转子叶片的前缘与尾缘的叶尖到达时刻数据以及所述待测转子叶片的转速，获得转子叶片扭转角。

【技术特征摘要】
1.一种发动机运行状态转子叶片扭转角度测量系统，所述转子叶片设置在机匣内，其特征在于，所述发动机运行状态转子叶片扭转角度测量系统包括：第一传感器，所述第一传感器的数量为至少两个，设置在所述机匣的内环面上，且所述第一传感器至少布置在同一个待测转子叶片轴向位置的前缘和尾缘处；信号处理与采集模块，所述信号处理与采集模块用于接收所述第一传感器采集的同一个待测转子叶片的前缘与尾缘的数据，并将所述数据转换为所述待测转子叶片的前缘与尾缘的叶尖到达时刻数据；转速传感器，所述转速传感器设置在发动机传动轴上，用于检测待测转子叶片的转速；扭转角处理模块，所述扭转角处理模块用于根据所述待测转子叶片的前缘与尾缘的叶尖到达时刻数据以及所述待测转子叶片的转速，获得转子叶片扭转角。2.根据权利要求1所述的发动机运行状态转子叶片扭转角度测量系统，其特征在于，所述第一传感器为电容传感器。3.根据权利要求1所述的发动机运行状态转子叶片扭转角度测量系统，其特征在于，所述第一传感器为光纤传感器。4.根据权利要求1所述的发动机运行状态转子叶片扭转角度测量系统，其特征在于，所述扭转角处理模块根据如下公式(7)计算得到转子叶片扭转角αi：其中，l1为前缘测点所在的叶尖半径；l2为尾缘测点所在的叶尖半径；d为两个第一传感器之间的轴向距离；θ为两个第一传感器之间的周向夹角；βi为待测转子叶片发生扭转情况下的第i片叶片在转速r下的时间差角。5.根据权利要求4所述的发动机运行状态转子叶片扭转角度测量系统，其特征在于，当待测转子叶片未发生形变时，所述同一个待测转子叶片的前缘与尾缘同时扫过两个所述第一传感器，此时定义两个所述传感器位于第一周向位置，在所述第一周向位置时，两个第一传感器之间的周向夹角θ等于未发生形变时的待测转子叶片的叶尖安装角，此时，第i片叶片在转速r下的时间差角βi根据如下公式得到：其中，Ti为叶片定位信号触发后第i片叶片叶尖前缘到达的采样时刻，Si为第i片叶片叶尖尾缘到达的采样时刻，i＝1Λn；m为采样频率。6.根据权利要求4所述的发动机运行状态转子叶片扭转角度测量系统，其特征在于，当待测转子叶片未发生形变时，所述同一个待测转子叶片的前缘与尾缘未同时扫过两个所述第一传感器，此时定义两个所述传感器位于第二周向位置，在所述第二周向位置时，两个第一传感器之间具有的实际周向夹角θ0不等于未发生形变时的待测转子叶片的叶尖安装角，则公式(7)中两个第一传感器之间的周向夹角θ通过如下公式(12)求得：θ＝γi慢-θ0(12)；其中，γi慢为所述第二周向位置时，在发动机慢车状态，即待测转子叶片未发生扭转情况下，第i片叶片在对应的慢车转速下的时间差角；进一步，公式(7)中的第i片叶片在转速r下的时间差角βi通过如下公式(10)求得：βi＝γi-γi0＝γi-γi慢(10)；其中，γi0＝γi慢；γi为所述第二周向位置时，待测转子叶片发生扭转情况下的第i片叶片在对应转速r下的时间差角，通过如下公式(8)求...

【专利技术属性】
技术研发人员：周笑阳，张龙，薛秀生，赵天驰，郑旭光，
申请(专利权)人：中国航发沈阳发动机研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21