[发明专利]基于叶尖定时技术的叶顶间隙在线测量方法与装置

说明书

本发明提供了一种基于叶尖定时技术的叶顶间隙在线测量装置及方法，包括：光纤探头的一端设有机匣；机匣以光纤探头中心为圆心开孔；光纤探头的另一端与集束光纤的出口端固定；集束光纤的另一端与控制及采集电路连接；控制及采集电路与上位机连接；透镜设置在光纤探头内，使得发射光纤发出的单模激光经过透镜后能够形成锥形光束通过机匣照射在叶轮上；集束光纤包括发射光纤和接收光纤；发射光纤与接收光纤分别与控制及采集电路连接。本发明通过使用锥形激光对叶片进行探测，结合转速和叶片半径计算出叶顶间隙大小。

技术领域

本发明涉及叶尖间隙测量领域，具体地，涉及基于叶尖定时技术的叶顶间隙在线测量方法与装置。

背景技术

叶顶间隙是指转子叶片叶尖和机壳之间径向的距离。对于叶轮机械来说叶顶间隙是一项重要设计参数。叶顶间隙过小则会导致叶片与机壳的碰摩，产生安全隐患，造成设备故障。因此，叶顶间隙在线测量技术可以提高叶轮机械运行效率并且降低运行风险。现有技术分为多类。

一是通过电容式传感器进行测量(例如，电子科技大学陈洪敏2009年硕士论文《电容式间隙测量系统在叶轮机中的应用研究》)。这类方法不足之处是：需要标定多个点才能完成测量，并且受被测叶片叶尖几何形态、叶轮机工质性质等影响大，长时间工作的可靠性低，可移植性有限。

二是通过光学(包括电磁波)探头测量反射信号强度(幅值)变化进行测量(例如邱立新、王振华在《航空发动机》2001年第4期26页上发表的论文《航空发动机叶尖间隙测量研究》)。这类方法对叶片表面的反射性质极为敏感，稍有污损或倾斜便会使测量结果受到很大的影响。

三是通过激光三角法测距(同样在上述论文中提及)。这种方法可靠性、易用性均较高，但采样频率有限，不能适用于高转速的叶轮机械。并且产品尺寸大，不适合实际应用。

四是与本专利较为接近的叶尖定时法(例如叶德超等在《光电子··激光》杂志2011年第22卷第4期570页发表的论文《基于多光束叶尖定时原理的叶尖间隙测量技术》)。这种方法的探头结构复杂，尺寸较大，并且需要两个通道的光电信号才能进行探测。

专利文献CN112097662A(申请号：202010881482.1)公开了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。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于叶尖定时技术的叶顶间隙在线测量方法与装置。

根据本发明提供的一种基于叶尖定时技术的叶顶间隙在线测量装置，包括：机匣3、透镜4、光纤探头5、集束光纤6、控制及采集电路9和上位机10；

所述光纤探头5的一端设有所述机匣4；所述机匣4以光纤探头中心为圆心开孔；所述光纤探头5的另一端与所述集束光纤6的出口端固定；所述集束光纤6的另一端与所述控制及采集电路9连接；所述控制及采集电路9与所述上位机10连接；所述透镜4设置在所述光纤探头5内，使得发射光纤发出的单模激光经过所述透镜4后能够形成锥形光束通过所述机匣4照射在被测叶片1上；

所述集束光纤6包括发射光纤7和接收光纤8；所述发射光纤7与所述接收光纤8分别与所述控制及采集电路9连接。

优选地，所述控制及采集电路9包括：