[发明专利]基于微波的动叶片叶尖间隙和振动参数融合测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及旋转动叶片非接触振动测量领域，特别是一种基于微波传感器的动叶片叶尖间隙和定时参数高速融合测量系统。具体讲，涉及基于微波的动叶片叶尖间隙和振动参数融合测量装置。

背景技术

在航空发动机、燃气轮机、汽轮机、烟气轮机等大型旋转机械中，动叶片作为核心做功元件，其运行状态参数直接影响设备的工作性能及运行安全，高温下叶尖间隙和振动参数的在线测量是保证设备工作性能和运行安全的关键。目前，非接触旋转叶片叶尖定时测振技术和叶尖间隙监测技术是典型的非接触检测方法，基本原理是将传感器安装在旋转机械机匣上，测量叶片顶端距传感器的间隙值同时检测其经过传感器的到达时间，计算得到叶片振动参数。

一方面，传统的动叶片叶尖间隙和定时参数测量系统根据传感器的工作原理不同，可分为电涡流式，光纤式和电容式。这些叶尖间隙和定时参数测量技术的特点是：(1)电涡流传感器灵敏度高、分辨力强，且具有不需要在机匣上开孔的优点，但其耐高温性能差，响应速度慢，易受机械结构、叶片形状、温度等参数的影响，目前仅适用于在低温(500℃以下)低速情况下试验台上的叶片振动参数测量。(2)光纤传感器体积小，抗干扰能力强、信号上升时间短，带宽可达10MHz，可实现高精度的叶尖定时参数测量，但光纤束式叶尖定时传感器不能用于叶尖间隙的测量。利用全光纤三角法原理测量叶尖间隙可达15μm的测量精度，但其测量精度易受油污影响，寿命偏低，不适应于高温环境。(3)电容传感器耐高温、响应速度快、可靠性较好，按电容转换方式不同可分为直流充放电式、调频式、调幅式等。直流式信噪比较差，测量精度较低；调频式信号系统带宽较窄，ROTADATA公司开发了基于调频式电容的叶尖间隙测量系统，传感器带宽仅为50kHz；调幅式测量精度较高，传感器载波频率可达500kHz。但是电容式传感器仅适用于金属叶片的测量，测量精度易受流体介电常数的影响，且叶尖定时的系统带宽要求达到至少200kHz，高速条件下达到5MHz以上，因此电容传感器不适用于动叶片叶尖间隙和定时参数的高速融合测量。

另一方面，传统的微波测距方法中，脉冲测距方法测量精度为毫米级，不能满足叶尖间隙微米级测量精度的要求；基于强度的测量方法易受环境温度的影响，信号随温度漂移影响叶尖间隙的测量精度；线性调频法需要很高的信号带宽才能达到较高的测量精度，且结构过于复杂。

再一方面，叶尖间隙和叶片到达时间测量是满足大型旋转机械高速运行下的动态测量，叶片端面反射信号是瞬变的快速脉冲信号，利用相位信号测量叶尖间隙需要相位信号顶部相对光滑，利用定时信号测量叶片的到达时刻需要定时信号边沿陡峭光滑。为实现叶尖间隙和定时参数的高速同时测量，就必须研究动叶片相位信号和定时信号的获取和处理方法，以满足高转速环境下叶尖间隙和定时参数高测量精度的要求。

再一方面，在高温工作环境下，微波传感器的结构尺寸和介电常数变化会引起反射系数发生变化，传感器的最小驻波点发生漂移，其程度主要受陶瓷材料介电常数温度系数的影响；微波传感器反射系数的变化直接影响接收信号的功率和传感器的信噪比，进而影响动叶片叶尖间隙和定时参数的测量精度。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种基于微波传感器的动叶片叶尖间隙和定时参数的高速融合测量系统，主要解决的技术问题是：

(1)克服现有的叶尖间隙和叶尖定时测量技术均不能实现高温高速高污染机械运行环境下动叶片叶尖间隙和振动参数同时测量的缺点，具体包括：电涡流法耐高温性能差，响应速度慢，易受机械结构、叶片形状、温度等参数的影响；光学法测量精度易受油污影响，寿命偏低；电容法不能满足叶尖定时高速测量系统5MHz以上系统带宽的要求，且仅适用于测量金属叶片，测量精度易受流体介电常数影响。提供一种基于微波传感器的叶尖间隙和叶尖定时同时测量方法，以利用微波传感器耐高温，可靠性好，动态范围宽，对介质不敏感，能够测量非金属叶片，能够在多污染物环境下测量的优点，实现高温恶劣工况条件下的动叶片叶尖间隙和定时参数的高速融合测量。

(2)克服传统的微波测距方法中脉冲测距法、基于强度测距法和线性调频法不适用于近场区动叶片瞬变位移值测量的缺点，提供一种基于微波相位式测距原理实现动叶片叶尖间隙测量的一种通用的位移测量方法，且该位移测量方法可通用于微波近场区的半波长范围以内瞬变位移值的测量；本发明提出的瞬变位移值测量方法可实现叶尖间隙高精度测量。