基本信息
- 项目名称：
- 发动机高速旋转叶片叶尖间隙在线测量系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 叶尖间隙参数与发动机效率、推力、使用寿命、油耗等密切相关。本作品瞄准航空发动机、汽轮机、烟气轮机等大型机械的技术需求，开发了一种高频电容调幅式叶间隙在线测量系统，实现了高速旋转叶片叶尖间隙的高精度、宽频带（200kHz）在线测量，该项技术填补了国内空白，并成功用于压气机实验台，结果表明达到了国外先进技术水平。本系统可广泛用于航空、能源、舰船中的重大装备研发和运行状态检测环节，具有广阔的应用前景。
- 详细介绍：
- 发动机高速旋转叶片叶尖间隙在线测量系统 一、作品研究对象及背景分析： 本作品研究对象为大型旋转设备如航空发动机、蒸汽轮机和烟气轮机的高速旋转叶片与静止机匣的微小间距，称为叶尖间隙。研究表明：因为间隙的存在是空气动力泄露的源头，叶尖间隙需维持在一个较小的最佳状态。若叶尖间隙值增大1%，发动机效率降低3%，燃油消耗增大10%。国外发达国家已经把高速旋转叶片叶尖间隙实时监测及主动间隙控制技术作为下一代发动机智能健康管理的关键技术，通过该技术来提高发动机效率和推力、降低燃油消耗、提高使用寿命。因此高速旋转叶片叶尖间隙参数的在线检测是保障和提高航空发动机、汽轮机、烟气轮机等重大装备质量及运行安全的关键技术，也是制约我国相关装备发展的技术瓶颈之一。 此类旋转机械的工作环境极其苛刻： 1、转速达到 18000转/分钟以上、有的每级高达100片叶片，因此有用信号的典型维持时间最小只有6us。 2、环境温度高。烟气轮机等工作温度可达500-700℃，航空发动机试验台架上涡轮高温部分甚至高达1200℃。 3、须进行远程测量，对被测系统干扰小。这要求传感器测头体积小，连接电缆可长至10米以上。 4、由于高速旋转状态下，动态标定很难进行，至今尚未有公认的动态标定方法，需实现从原理上可以进行静态标定，并将标定结果用于动态测量。 因此发动机高速旋转叶片叶尖间隙参数的实时检测一直是研究热点和亟待解决的难点。本作品瞄准航空发动机、蒸汽轮机、烟气轮机等大型旋转机械的技术需求，从实际叶尖间隙检测要求出发，研究基于高频载波电容调幅原理的发动机高速旋转叶片叶尖间隙在线测量系统 二．作品系统结构和技术实现方案 基于高频载波电容调幅原理的发动机高速旋转叶片叶尖间隙在线测量系统示意图如图2所示。系统主要包括：传感器、前置电路处理模块、采集卡及上位机应用软件模块。本作品解决的技术难点主要有： 耐高温三同轴和伪三同轴传感器的制作工艺：在高温下保持芯层和屏蔽层的绝缘性能，并克服不同材料膨胀系数变化的影响。 长电缆驱动屏蔽技术：包括芯层高频载波（正弦频率1MHz,12米长）的驱动，内屏频层有源驱动，提高屏蔽效果，抑制高温环境下寄生电容对测量精度的影响。 微小电容高精度放大处理技术：由于被测量为高温环境下的动态微小电容量，电容容量很小（<1pf），而采用的长电缆电容传感器本身电容高达5000pf以上，加上外界温度变化、摩擦、电磁干扰，特别是传感头部分的高温环境等因素所引起的电容变化远大于被测电容，微弱电容信号宽频测量对信号处理电路设计提出了苛刻的要求。 下面详细介绍各个模块的技术实现方法： 1、耐高温传感器研制 根据远程测量要求，高温电容传感器才用级联结构。高温电容传感器主要由三部分构成：高温探头、高温电缆和低温软电缆。测量时探头前端需靠近旋转叶片端部，间距约1~2mm。因此探头工作环境与叶片所处环境基本一致。若旋转机械壳体内是高温、多杂质的恶劣环境，探头也必需具有耐高温、耐腐蚀等性能。 圆柱三同轴或伪三同轴高温探头内部结构包括芯极、内屏蔽（伪三同轴无内屏蔽层）、外屏蔽和绝缘层四个部分。其中，芯极、内屏蔽和外屏蔽三层可采用耐高温合金材料。绝缘层不仅要求耐高温，而且要求高温环境下绝缘性能良好，并与其它三层有较高的粘合强度。绝缘层采用陶瓷管，通过金属化与各金属层牢固连接，或者采用特殊的陶瓷烧结方法将金属层与陶瓷烧结成一体。 2、前置模拟信号处理模块研制 前置模拟信号处理部分主要要实现长三同轴电缆的芯层驱动和内屏蔽层有源驱动以及微小电容信号的宽频放大处理。模拟信号处理示意图如图6所示，采用1MHz的正弦载波驱动芯层，为了减小因为载波信号失真所带来的影响，设计了信噪比高达60dB的高精度正弦稳幅电路。使用变压器将内屏蔽层进行有源驱动，驱动信号与芯层频率相同，并可以进行相位控制，增大芯层与内屏蔽层之间屏蔽效果，抑制长电路分布电容对测量精度的影响。 叶片扫过传感器的典型电容变化信号只有1pF不到，如此小的电容信号高频率高精度解调需要能够分离出寄生电容等，并进行反馈补偿，以消除测量误差。本作品采用正交解调方法，经激励信号源移相获得的两路1MHz信号进行检波处理，分离出动态漏阻信号及漏电容信号并用数字pid方式进行反馈补偿。最后上位机应用软件进行采集和实时显示。 3、叶尖间隙数据采集技术及实现 高速旋转叶片叶尖间隙数据信号带宽可大200kHz,若要实现多路同时模拟信号全波形采集，则对测量系统提出了巨大的难度，成本增大。本作品提出了巧妙的叶尖间隙数据峰值保持采集技术，可极大的减少数据量，降低对后续传输性能的要求。由于叶尖间隙感兴趣的是最靠近机匣的时刻即信号输出最大值，通过对信号峰值进行保持，并在采集触发同步信号的上升沿进行采集，可完整取得叶尖间隙信号。如果在下一次峰值来临前将信号复位，可保证对所有峰值信号的采集。通过这一方法可将原来需要10MHz的采集速率将低到200kHz，可获得较大的优势，从而实现多路信号同时采集处理。 三、试验及标定 1、样机设计 为了方便电路的维护使用及减小环境对电路的影响，样机外壳定制成国际标准3U机型，同时将各通道电路模块化，可以很方便地插在机箱上面。 2、实验室联调试验 主要完成实验室条件下的叶片间隙检测。并获取实验数据。实验包括样机的标定，频率响应，温漂影响，抗干扰等实验。最终整体评价样机性能。 实验表明样机具有低噪声、频率响应范围宽、抗干扰能力强及传输距离远等特点。从数据可以看出误差≤3%，很好地满足了系统设计要求。 3、精度标定实验 为有效验证系统测量精度，制定了静态标定方法，并进行标定实验。基于电容传感器的叶尖间隙测量系统，电容量与传感器和目标板间的距离有关。模块通过接头连接高温电容传感器。系统的输出电压与被测电容成比例，即与传感器和目标板组成电容的有效值成比例，但该关系并不是一个线性的关系。通过静态标定可以将标定曲线进行非线性拟合，在实际测量时，将测得的电容信号电压值代入标定公式中即可计算出叶尖间隙值。 使用一个手动或机动位移平台控制叶片的移动并读出位移值，同时使用电压表记录每次移动后模块输出的电压值。对其进行曲线拟合。 4、现场测量实验 上述标定实验采用的叶片为某压气机的实际叶片，然后根据该标定曲线，将测量系统安装到试验台架上进行现场测量实验，由于涉及核心技术，测量数据不能予以图示。但数据分析表明，该系统的技术指标达到了国外同类产品的性能，某些指标优于国外产品，可以说本作品在叶尖间隙测量方面填补了国内空白。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本作品瞄准发动机高速旋转叶片叶尖间隙参数检测技术需求，开发出一套基于高频载波电容调幅原理的叶尖间隙在线测量系统，填补了国内空白。本系统经某大型航空发动机试验台压气级的现场验证，以及某烟气轮机的在线检测实验，系统性能达到了国内外先进水平。 本方案的基本原理是将电容传感器安装在机匣上，叶片扫过传感器时电容值发生变化并通过长电缆传输至信号处理系统，最后解调出叶尖间隙值。作品主要创新点是： 1、设计了一种载波频率达1MHz的电容调幅式叶尖间隙测量方案，可实现12米长三同轴电缆驱动，微小电容信号（约为10-4pF至0.2pF）宽频（200kHz）放大及高精度测量； 2、建立了耐高温的三同轴和伪三同轴电容传感器结构模型,传感器具备耐700℃（三同轴）和耐1200℃（伪三同轴）高温工作能力。 3、基于高频载波的电容调幅式叶尖间隙测量系统可实现静态标定，解决实际发动机叶片高速旋转无法动态标定的问题 4、提出叶尖间隙数据峰值采集方法，有效降低数据量，从而实现多通道高速叶尖间隙采集。 本作品在研究中解决的关键技术有： 1、耐700℃高温三同轴和伪三同轴传感器的制作工艺 2、长电缆（12米）高频载波（1MHz）驱动屏蔽技术 3、 微小电容(fF量级)高精度宽频（200KHz）放大处理技术 主要技术指标：1、测量精度：优于2%；2、测量范围：0.5-3mm；3、动态响应性能：200kHz；4、传感器耐高温能力：前期-22℃-700℃（三同轴传感器）
科学性、先进性
- 作品瞄准航空发动机、蒸汽轮机、烟气轮机等大型旋转机械的技术需求，研究基于高频载波电容调幅原理的发动机高速旋转叶片叶尖间隙在线测量系统，系统突破了高达1MHz的高频载波调幅信号处理难点，实现微小电容信号的宽频高精度检测，将信号带宽提高到200kHz；独创的设计了长三同轴电缆高频驱动技术，增强屏蔽效果，有效克服高温环境下寄生电容的影响，提高测量精度；设计的高温电容传感器具备耐700℃以上高温工作能力，适合航空和能源等苛刻工业环境的现场要求。 电容调幅式叶尖间隙技术与国外现有主流技术相比：（1）克服光纤法和光学三角法中光纤不能耐高温、光强容易受油污等影响问题；（2）传统的电容调频法、直流法等比较，调频法带宽不够（50kHz）、无法静态标定、电缆不能过长（5米），直流法抗噪能力弱；（3）多普勒法主要基于多普勒测速原理，因其采用光学元件组装，体积大，可靠性不足。本系统经过不断艰苦攻关，解决了存在的关键技术问题，并经某压气机现场验证，达到了国外先进技术水平，填补了国内空白。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验阶段，已进行产品化、工程化设计
技术转让方式
- 技术协商、合作
作品可展示的形式
- 实物样机，现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本系统将耐高温电容传感器安装于旋转机械的静止机匣上，传感器通过12米长三同轴连接电缆，将信号传送至远处的叶尖间隙测量机箱（标准工业3U机箱、模块插拔、多通道、易携带）进行信号处理解调，从而实现远程叶尖间隙测量。 本作品可用于航空、能源、工业等领域中的核心设备如航空发动机、蒸汽轮机、烟气轮机、鼓风机的安全监测和健康管理，适用范围广，市场需求大： 一、国防航空领域：可靠的叶尖间隙测量技术及仪器已被认为是下一代航空发动机的重要技术标志，国内外各个研究机构均投入巨大资源进行研究。当前我国航空发动机的发展对该技术和产品具有迫切的需求。 二、民用领域：如石油化工行业中大型烟气轮机、能源行业的蒸汽轮机等旋转设备的安全监测都要求叶尖间隙参数测量。由于这些设备的重要性，每台设备价值高达百万元以上，一旦发生事故，造成的损失巨大。实时叶尖间隙参数监测，使设备高可靠性、高效率运行将创造更高的企业效益和社会效益。
同类课题研究水平概述
- 目前主要的叶尖间隙测量方法有：放电探针测量法、光学探针测量法、光纤测量法、电涡流测量法、电容测量法、微波测量法、多普勒频移法等。 放电探针法属于基于叶尖放电的接触式测量方法，不需校准，能够在高温高压环境下测量，测量精度为50 。但由于只能测量最小叶尖间隙、执行机构复杂等原因逐步被其他技术手段取代。电涡流法依据叶片扫过涡流线圈引起的涡流损耗的变化进行测量，其最大的优势在于不用在发动机机匣开测量孔，但因耐热性能差、不适于高温测量的缺陷限制了应用范围。电容传感器具有结构简单、耐高温、动态响应好等优点一直是研究热点。J.P.Barranger和J.Chivers等人分别在1987年和1989年最早提出了基于电容调频式的测量方案，并在试验机上进行了试验；电容调幅法常用于间隙连续变化的情况，并在电容层析成像技术(ECT)中得到广泛的应用,近年来调幅法在叶尖间隙测量领域中也有了新的发展。另外，G.R.Sarma和S.M.Huang等人还提出直流充放电式等处理方案。电容法适用工程上的广泛应用，但其测量精度也受多方面的影响，如测量时介质的介电常数变化、环境干扰（磁场、电火花）、探头及机匣受热变形等，尤其是屏蔽电缆及电路的分布电容，往往比被测电容高好几个数量级，而且随温度及工作环境变化会发生很大的漂移，这些寄生电容的存在限制了测量精度的提高，且电路处理非常复杂。 光学法测量中，光学三角法在叶尖间隙测量领域的应用曾是一个研究热点。该方法的特点是精度高、频响快，适于静态和动态的实时监测。但光学系统易受恶劣环境的影响，需要对其进行保护，防止污染和损坏仪器。光纤传感器在叶尖间隙测量中也得到广泛的应用。M. Zielinski等人提出了基于反射式光强调制型的光纤传感器测量方案，但由于采用的是光强调制，易受测量环境的油污、叶尖表面不平整等因素的影响。 由于高速旋转叶片的工作环境恶劣（高速旋转，涡轮机中的高温、高压等），上述各种方法都存在各自优缺点和设计难点。如光学法测量精度易受油污影响，多普勒法系统过于庞大，电容调频法信号处理带宽不足等问题，这些都是尚未攻克的问题，致使至今没有成熟可靠的系统能够用于实际当中。
