[发明专利]基于三光束叶尖定时的叶尖间隙测量装置及方法

说明书

本发明涉及一种基于三光束叶尖定时的叶尖间隙测量装置，包括三光束式光纤叶尖定时传感器、发射光纤的延长光纤、激光器、接收光纤的延长光纤、前置放大器、信号采集系统、计算机。其中三光束式光纤叶尖定时传感器内部由三根光纤传感器l₁、l₂、l₃构成，其中l₁、l₂相互平行，l₃与l₂沿径向对称构成倒V字结构，三根光纤传感器均与端面垂线方向成α角，激光器的发射端与每根光纤传感器的发射光纤相连，每根光纤传感器的接收光纤与光电转换模块相连，光电转换模块将所接收的光强信号转换为电脉冲信号；电脉冲信号经前置放大器处理后由信号采集系统送入计算机。

技术领域

本发明属于叶尖间隙测量领域，特别是一种基于三光束叶尖定时的叶尖间隙测量方法及装置。

背景技术

从1871年第一台风洞建立以来，应用风洞技术在空气动力学和热学实验等领域日益发挥着重要的作用，雷诺数作为风洞装置的一项重要指标，限制了传统风洞的进一步发展。低温风洞首先作为解决跨音速高雷诺数问题的方案被提出，后被证明有良好的适应性和实验价值。不同于传统方法，低温风洞通过降低气体工质的温度降低其粘性力，进而提高雷诺数。除此之外，低温风洞还可以降低动压和驱动效率、降低峰值功率和总能消耗并减少成本，因此得以更加广泛的应用。

压缩机系统作为风洞的驱动系统，是影响风洞功能的重要组成部分，有别于暂冲式风洞,连续式风洞对压缩机系统提出了很高的要求。叶尖间隙作为空气压缩机工作中的一项重要指标，需要长时间保持在合适的范围内。叶尖间隙过大会导致空气流体从间隙中泄露，降低整体的能量转换效率，过小可能导致叶尖与机匣发生碰磨，轻则造成叶尖和机匣的磨损，重则可能带来灾难性后果，因此在压缩机工作的时候需要用可靠的设备进行叶尖间隙的在线测量。

风洞实验中，环境温度可低至80K，过程中的温度跨度巨大，叶片和机匣的膨胀系数不同将导致叶尖间隙有较大的变化，同时低温高压的特殊环境也限制了很多传统的叶尖间隙测量方法。

发明内容

本发明提供一种基于三光束叶尖定时的叶尖间隙测量方法及装置，可以搭配光电转换模块及信号采集系统完成低温高压工作环境中的叶尖间隙测量。本发明可以解决现阶段低温风洞压缩机工作环境中叶尖间隙测量所面临大部分精度问题，理论上可以达到40μm的测量精度。本发明的技术方案如下：

一种基于三光束叶尖定时的叶尖间隙测量装置，包括三光束式光纤叶尖定时传感器、发射光纤的延长光纤、激光器、接收光纤的延长光纤、前置放大器、信号采集系统、计算机。其中三光束式光纤叶尖定时传感器内部由三根光纤传感器l₁、l₂、l₃构成，其中l₁、l₂相互平行，l₃与l₂沿径向对称构成倒V字结构，三根光纤传感器均与端面垂线方向成α角，出射端面与叶顶平面视为平行，设定l₂、l₃交点为O，O点到出射端面的垂线与出射端面交点为O₁，与叶顶平面交点为O₁′，l₁、l₂、l₃在出射端面上的点分别为A、B、C，延长线与叶顶平面交点分别为A′、B′、C′，AB长度为x₁，BC长度为x₂，B′C′长度为x₃，A′B′长度也为x₁，出射端面与叶顶平面的距离等于叶尖间隙d，有OO′₁＝OO₁+d；激光器的发射端与每根光纤传感器的发射光纤相连，每根光纤传感器的接收光纤与光电转换模块相连，光电转换模块将所接收的光强信号转换为电脉冲信号；电脉冲信号经前置放大器处理后由信号采集系统送入计算机。

所述的装置实现的叶尖间隙测量方法，包含以下步骤：