[发明专利]一种基于叶尖表面微结构的光学叶尖定时方法

说明书

本发明涉及光学叶尖定时法领域，具体涉及一种基于叶尖表面微结构的光学叶尖定时方法，该方法使用机械加工手段使叶尖表面沿叶片运动方向的垂向形成具有特征结构的微表面，利用微结构表面的散射光强进行时刻鉴别；本发明包括如下步骤：(1)构造叶尖表面特征结构(2)叶尖表面参数标定(3)获取叶尖微结构表面散射光信号(4)叶片到达时间解调；本发明的优势在于：区别于其他光学叶尖定时法中利用信号上升沿或下降沿进行阈值触发，本方法使用信号的相位进行时刻鉴别，不受信号幅值变化的影响，有效降低了由于叶尖表面粗糙、叶尖侵蚀、间隙变化、光源抖动等带来的信号随机抖动引入的误差，大幅提升了叶尖定时精度以及系统的稳定性。

技术领域

本发明涉及光学叶尖定时法领域，具体涉及一种基于叶尖表面微结构的光学叶尖定时方法。

背景技术

航空发动机是为航空器提供机械动力的推进系统的重要组成部分，集精密与复杂于一身，直接影响飞机的灵活性、续航能力、飞行速度、额定载重、稳定性，是一个国家强大实力的表现。叶片作为航空发动机结构中的核心零件，决定了发动机的工作效率、稳定性、可靠性与耐久性等重要性能，保障其工作效率及安全旋转具有重大意义。叶片高速旋转过程中，在高温、高压与重载荷的恶劣环境影响下，长期承受自身离心力、气流力、传动或转动零件机械力及其他多种复杂的作用力，将引起叶片的剧烈振动，甚至疲劳失效，从而导致故障的发生。因此除了发动机设计过程中叶片的设计与优化外，叶片振动测量技术作为发动机状态监测和故障诊断的重要内容，其发展也是目前制约我国航空发动机性能提升的关键问题之一。

叶尖定时测振技术的基本原理是将叶尖定时传感器沿径向安装在机匣上，采集叶片到达叶尖定时传感器的时间。当叶片不发生振动时，根据当时转子转速以及叶片在转子上的位置可以计算出每只叶片到达传感器的时间。但当叶片振动时，叶片顶部相对于转动方向将会向前或向后偏移，则叶片每次到达传感器的实际时间与无振动时的期望值不相等，即脉冲到达时间t会随着叶片的振动发生改变。通过不同的分析算法对该时间序列{t}进行处理，可以得到叶片同步振动、异步颤振等的振动信息。光学叶尖定时传感器使用光纤式传感器进行传感，其结构是由中间的发射光纤和周围的接收光纤组成，优点是结构简单、抗电磁干扰、柔韧性强、频响高。通过叶尖定时测振技术的原理可以看出，叶片到达时间的精度影响着整个系统的测量精度。影响叶尖定时系统精度的因素主要有两方面：其一为叶片高速旋转过程中，由于转子、静子的热膨胀不匹配及离心力变化等原因，导致叶尖间隙变化，尖间隙的变化会导致接收到的光信号的强度及形状产生变化，对叶片到达时刻的测定产生较大的误差；其二为随着恶劣复杂环境的侵蚀，导致的叶片端面的反射性能不断变化，对系统的定时精度也有极大的影响。

在传统的基于叶尖定时原理的叶片振动测量系统中，采用脉冲信号的上升沿作为叶片的到达时刻，这种处理算法没有考虑到叶尖间隙变化等因素所带来的影响，导致提取的叶片到达时间并不准确，最终导致测得的叶片振动参数存在误差，降低了整个叶尖定时测量系统的精度。后来研究人员相继提出了以峰值的一半作为触发电压的恒比定时时刻鉴别法以及取脉冲信号的上升沿时刻和下降沿时刻的中间时刻作为叶片的到达时间的方法等，但是在实际测量环境中，叶尖传感器接收到的光信号会随着间隙变化，叶尖侵蚀等因素随机抖动，对具有随机抖动的光信号进行触发定时来测量叶片的到达时间会带来不可避免的误差。

发明内容

本发明的目的是提供可有效提高光学叶尖定时法的定时精度的一种基于叶尖表面微结构的光学叶尖定时方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于叶尖表面微结构的光学叶尖定时方法，具体包括如下步骤：

(1)构造叶尖表面特征结构：通过机械加工使叶片的叶尖表面沿叶片旋转方向的垂向形成具有特征结构的微表面；