[发明专利]一种利用涡轮叶片和机匣辐射信号差异测量叶片径向应变方法

说明书

本发明公布了一种利用涡轮叶片和机匣辐射信号差异测量叶片径向应变方法，属于航空发动机测量技术领域。通过安装在机匣上一个采集辐射信息的光学探头和转轴端部的转速同步传感器采集叶片转速信息和辐射信息，根据光学探头经过叶片和机匣壁时接收到的光强会发生明显变化的原理判定叶尖伸长量。驱动伺服电机带动探头不断向外拔出，将每次采集的辐射信号与前一次采集的波形比较，根据叶片辐射高脉冲信号的消失时刻判定叶尖位置，计算叶片伸长，代入应变测量公式，计算叶片纵向应变。将其与转速同步信号结合，进行叶片应变索引，将其与计算得到的应变值进行空间映射，得到一圈叶片的应变情况。

技术领域

本发明属于航空发动机测量技术领域，公布了一种针对涡轮叶片径向应变测量的方法。

背景技术

随着航空发动机推重比的不断增加，涡轮进口温度不断攀升，目前涡轮叶片进口温度最高达到2000～2250K。承受着高温度、高转速、复杂气动激振力和较大离心载荷复合作用的航空发动机涡轮叶片,容易发生断裂故障,从而导致发动机和飞机严重事故。随着低循环疲劳基础试验技术水平的提升,发动机涡轮叶片主要失效模式已由传统的静强度失效转换为高温下的蠕变疲劳失效。在高温高转速的条件下，由于离心力极的作用涡轮叶片易发生蠕变伸长，一旦蠕变缺陷达到某一程度，叶片的疲劳寿命缩短，甚至发生断裂，整个发动机内部都会收到破坏。如果涡轮叶片纵向的蠕变伸长应变长度大于初始长度的0.5％，则确定涡轮叶片已经超出其疲劳寿命。

因此，为了确保涡轮叶片工作在正常的工作状态，必须进行涡轮叶片径向应变测量。为此国内外进行了广泛研究。现有技术中，测量应变的装置基本都是基于将应变计固定于待测物体表面或两端的接触式测量装置。如专利200410002434.1中采用的径向应变测量方法是将叶片尖端与底端固定测量伸长距离，这在高速旋转的涡轮叶片上是无法实施的。遥测或滑环电阻应变仪是应用在实际工况中最广泛的方法，但由于热漂移和仪表附着技术问题，该技术的应用范围被限制在900K左右。而且应变片安装费时费力，工作寿命较短，传感器自身荷重与体积会影响叶片的空气动力学特性等原因，使得该技术的应用受到很大的限制。传统的接触式应变测量方法也都存在引线困难的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是采用光学监测的方法监测涡轮叶片叶尖径向应变，实时分析实际工况下的涡轮叶片的热载荷及振动疲劳状况。测量装置包括一个安装在外机匣上带有精密私伺服电机控制伸缩功能的用于收集辐射信号的光学探头、安装在转轴端部的转速同步传感器、光电转换模块、放大滤波模块及数据采集与处理模块。采用光学探头深入机匣实时采集辐射信息，经光纤传输至光电传感器转换成电信号并进行后续数据处理，结合转速同步传感器的输出信号，得到涡轮叶片叶尖径向应变信息。

本发明所要实现的径向应变测量原理为：涡轮叶片在高温燃气的冲击下高速旋转，安装在机匣上的光学探头接收来自旋转叶片的热辐射，由于转子叶片间的温度比叶片温度低，每当光学探头采集到的光强会发生明显变化，探测器得到一组随时间变化的均匀脉冲波形，如图2所示。一旦探针前端离开叶尖，反射镜正对的是温度较低的机匣壁，原来的叶片高电平辐射信号变为了机匣壁的低电平信号，由此判断叶片径向伸长量。