[发明专利]一种适用于叶轮机械的光纤-编码器联合锁相方法

说明书

本发明公开了一种适用于叶轮机械的光纤‑编码器联合锁相方法。该方法由2个部分组成，第一部分采用光纤锁相，实现在极低转速下的叶片位置锁定，第二部分采用编码器锁相，实现在高转速下的叶片位置高精度锁定，并且由于光纤锁相已定位至固定的叶片，因此编码器锁相的脉冲计数为在光纤锁相的基础上产生的增量，从而实现固定叶片的快速、高精度定位。通过采用本发明提出的光纤‑编码器联合锁相系统，可实现全转速范围内对于叶轮机械任意叶片在任意瞬时的快速、高精度定位，从而可以对不同的失速过程进行对比，进而采用统计学方法研究对转压气机失速发生的起始叶片通道及周向位置。

技术领域

本发明涉及叶轮机械转速的精确控制及定位领域，采用光纤及编码器联合的方式实现高精度采集锁相功能，适用于常规压气机、对转压气机等叶轮机械的转速的高精度控制及定位。

背景技术

航空发动机的压气机是目前最为复杂的叶轮机械之一，并且压气机作为航空发动机的三大核心部件之一(另外两个为燃烧室和涡轮)，其稳定性问题一直是影响飞机运行安全的核心因素，历史上曾出现过多次由于压气机失稳导致机毁人亡的事故。失速作为压气机内部流动失稳的两种主要形式之一(另一个为喘振)，对其发生机制的深入认识有助于避免灾难的发生。目前学术界及工业界普遍认为转子叶顶间隙流动是诱发失速的主要因素，通过在转子叶顶机匣安装动态压力传感器可以有效的刻画叶顶间隙流动特征，进而捕捉失速的起始、发展及演化过程。剑桥大学Whittle实验室的研究表明对于常规(转子-静子)压气机，转子叶顶间隙尺寸沿周向的分布很大程度上决定了失速的起始叶片通道，其中快速响应、高精度的锁相技术为正确辨析叶片的实时相位起了关键性作用。传统的锁相方法通常分为两种形式，即编码器锁相和光纤锁相，参照图1和图2。

采用编码器锁相方案时，通常需要在转子轴上安装编码器，转子转动的同时编码器输出对应数量的脉冲，通过脉冲数可以反算出转子转过的角度。编码器转过1圈输出的脉冲数称为线数，线数越大则定位越精细，如果采用5000线的编码器的同时采用 x4计数模式，则定位精度可以达到0.018°。因此采用编码器锁相方案可以获得极高的周向定位精度，但缺点是无法定位到某个特定的叶片，即无法获得某个叶片在周向的实时相位。采用光纤锁相方案时，通常需要在转子叶顶机匣上安装光纤传感器，并且需要预先采用强反光涂料标记某一个叶片顶部，其余叶片顶部全部涂黑，从而增加叶片间的反光对比度。当强反光叶片扫掠过光纤传感器时输出脉冲，其余情况下无响应，从而可以确定某个叶片在周向的相位。因此采用光纤锁相方案可以定位到特定的叶片，但缺点是高转速情况下光纤传感器容易响应失效且存在一定的时延。对转(转子 -转子)压气机作为一种具有广泛应用前景的新型气动布局，对其失速起始机制的研究显得尤为重要。通常采用动态压力传感器来研究对转压气机中的失速行为，其中快速、高精度的锁相方法是制约该研究的关键技术。基于作者研究团队多年在压气机实验测量领域的深入探索，本发明提出了一种适用于航空发动机压气机在内的叶轮机械的锁相方法，通过将光纤与编码器联合实现在全转速范围内快速响应、高精度的叶片实时定位，从而为精细化研究叶轮机械中的失速行为提供了关键性技术保障。

发明内容

为了实现叶轮机械全转速范围内对某个特定叶片的快速响应、高精度定位，需要将光纤与编码器的优势联合起来。本发明提出的适用于叶轮机械的光纤-编码器联合锁相方法，分为3个阶段：

阶段1为准备阶段，包括如下子步骤：

步骤1：在转子轴上安装编码器，并将编码器与脉冲计数连接；

步骤2：将转子任意一个叶片顶部采用强反光材料标记，其余叶片采用黑色吸光材料处理；

步骤3：在转子叶顶的机匣部位安装一根光纤传感器并连接上适合的光纤放大器；

步骤4：将光纤放大器连接在上述同一个脉冲计数器上；

步骤5：将脉冲计数器与工控机连接。

阶段2为低转速下的光纤锁相，包括如下子步骤：