一種葉尖間隙光纖測量方法及裝置制造方法
【專利摘要】一種葉尖間隙光纖測量方法，采用多點定位反射補償型光纖測距，由激光器發(fā)射出工作波段激光經(jīng)過光纖探頭發(fā)射到被測物表面，經(jīng)被測物表面反射后回到光纖探頭，然后分別進入多路接收光纖，經(jīng)濾光片對進入接收光纖的光進行濾光，分別獲得經(jīng)被測物表面反射后進入多路接收光纖的工作波段光能量，再經(jīng)過光電探測后將光能量轉(zhuǎn)換為弱電流信號，經(jīng)信號放大濾波電路將弱電流信號放大為供采集的電流或電壓信號，通過對多路輸出的電流信號或電壓信號采集后對比處理，獲得光纖探頭與被測物表面之間的距離。本發(fā)明還公開了用于實現(xiàn)上述方法的測量裝置。
【專利說明】一種葉尖間隙光纖測量方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種葉尖間隙光纖測量方法。
[0002]本發(fā)明還涉及一種用于實現(xiàn)上述方法的測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0003]渦輪動葉葉尖間隙是影響地面燃氣輪機或航空發(fā)動機性能的一個重要參數(shù)，間隙過大則燃氣泄漏流量增加，導(dǎo)致燃氣輪機或航空發(fā)動機效率降低，油耗增加；間隙減小則容易導(dǎo)致葉片與機匣接觸，造成葉片磨損甚至損壞。由于葉尖間隙影響因素相當(dāng)復(fù)雜，單靠計算分析很難確定，因此必須在試驗中對間隙進行測量，為葉尖間隙控制提供可靠數(shù)據(jù)，也可在燃氣輪機或航空發(fā)動機服役過程中，對葉尖間隙進行實時監(jiān)控，對可能出現(xiàn)的故障進行診斷與提前預(yù)警，以免造成嚴重后果。
[0004]目前國內(nèi)外關(guān)于葉尖間隙測量的技術(shù)主要為放電探針測量法、超聲波測量法、X射線測量法、光導(dǎo)探針測量法、光纖測量法、電渦流測量法、電容法等，其中放電探針測量法僅能獲得渦輪動葉葉尖與機匣間的最小間隙，且僅適于低溫、低轉(zhuǎn)速條件。
[0005]超聲波測量法、X射線測量法、光導(dǎo)探針測量法由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，且不易用于高溫環(huán)境等，限制了其發(fā)展。
[0006]常用的電容和電渦流測量法抗電磁干擾差，僅能用在金屬葉片上，中間介質(zhì)的介電特性對其測量結(jié)果也有一定影響。
[0007]光纖測量法結(jié)構(gòu)簡單，不受電磁干擾，是近幾年來研究的熱點。關(guān)于光纖位移測量技術(shù)，最早采用的是一路光纖發(fā)射測量激光，一路光纖接收反射光信號，該測量方法容易受發(fā)射光源波動、光纖損耗及被測面反射率的影響，因此測量精度較差。為了解決以上問題，后來發(fā)展了反射補償型光纖位移測試技術(shù)，采用了一路信號光纖和一路參考光纖接收反射光能量，經(jīng)過對比分析獲得距離信息，但其對發(fā)射光束與被測面的垂直度要求較高，較小的被測面傾角也會引起較大測量誤差，且目前采用的發(fā)射光波長一般在紅外區(qū)，在高溫環(huán)境中容易受葉尖自身輻射光譜干擾，不適用于高溫環(huán)境下距離測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種渦輪動葉葉尖間隙光纖測量方法。
[0009]本發(fā)明的又一目的在于提供一種實現(xiàn)上述方法的測量裝置。
[0010]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的葉尖間隙光纖測量方法，采用多點定位反射補償型光纖測距，由激光器發(fā)射出工作波段激光經(jīng)過光纖探頭發(fā)射到被測物表面，經(jīng)被測物表面反射后回到光纖探頭，然后分別進入多路接收光纖，經(jīng)濾光片對進入接收光纖的光進行濾光，分別獲得經(jīng)被測物表面反射后進入多路接收光纖的工作波段光能量，再經(jīng)過光電探測后將光能量轉(zhuǎn)換為弱電流信號，經(jīng)信號放大濾波電路將弱電流信號放大為供采集的電流或電壓信號，通過對多路輸出的電流信號或電壓信號采集后對比處理，獲得光纖探頭與被測物表面之間的距離。[0011]所述的葉尖間隙光纖測量方法中，多路接收光纖為三路接收光纖。
[0012]所述的葉尖間隙光纖測量方法中，光電探測轉(zhuǎn)換的弱電流經(jīng)過信號放大濾波處理獲得供采集的電流或電壓信號。
[0013]本發(fā)明提供的用于實現(xiàn)上述方法的測量裝置，其包括:
[0014]一光纖探頭，包括一路發(fā)射光纖和多路接收光纖，多路接收光纖環(huán)繞于發(fā)射光纖的周圍；
[0015]發(fā)射光纖連接激光器，多路接收光纖分別各自連接一光電探測器；
[0016]光纖探頭固定在帶冷卻結(jié)構(gòu)的探頭安裝座上，探頭安裝座固定在機匣上；
[0017]所述冷卻結(jié)構(gòu)是在第一筒壁內(nèi)安裝有第二筒壁，第二筒壁內(nèi)安裝有第三筒壁，光纖探頭安裝在第三筒壁內(nèi)，在第一筒壁和第二筒壁之間設(shè)有第一環(huán)隙通道，在第二筒壁和第三筒壁之間設(shè)有第二環(huán)隙通道，在光纖探頭和第三筒壁之間設(shè)有第三環(huán)隙通道；
[0018]第一筒壁上設(shè)有高壓氣體入口，第二筒壁設(shè)有低壓冷氣出口，第三筒壁設(shè)有低壓冷氣入口 ；
[0019]第二筒壁的頂端開設(shè)有玻璃視窗。
[0020]所述的葉尖間隙光纖測量裝置中，發(fā)射光纖自帶端面球透鏡，以增加測距范圍。
[0021]所述的葉尖間隙光纖測量裝置中，多路接收光纖為等夾角的環(huán)繞于發(fā)射光纖的周圍。
[0022]所述的葉尖間隙光纖測量裝置中，多路接收光纖與發(fā)射光纖之間的距離分別為rl> r2> r3> …、rN,且 rl Φ.r2 Φ.r3…古 rN。
[0023]所述的葉尖間隙光纖測量裝置中，帶有冷卻結(jié)構(gòu)的探頭安裝座是通過安裝法蘭固定在機匣上。
[0024]所述的葉尖間隙光纖測量裝置中，多路接收光纖分別各自連接的光電探測器經(jīng)信號放大濾波電路后連接高頻數(shù)據(jù)采集儀。
[0025]所述的葉尖間隙光纖測量裝置中，高頻數(shù)據(jù)采集儀通過網(wǎng)絡(luò)連接至遠端監(jiān)視設(shè)備。
[0026]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0027]I)本發(fā)明可以用于高溫環(huán)境下的葉尖間隙測量；
[0028]2)本發(fā)明可以用于高壓環(huán)境下的葉尖間隙測量；
[0029]3)本發(fā)明可以用于高速旋轉(zhuǎn)部件的間隙測量；
[0030]4)本發(fā)明不易受材料自身發(fā)射光譜干擾；
[0031]5)本發(fā)明不易受光源波動影響；
[0032]6)本發(fā)明不易受光纖傳輸損耗影響；
[0033]7)本發(fā)明不易受被測面材料反射率變化影響；
[0034]8)本發(fā)明不易受被測面小角度傾斜影響；
[0035]9)本發(fā)明可以用于其他工業(yè)應(yīng)用中常規(guī)距離精確測量；
[0036]10)本發(fā)明采用了光纖技術(shù)，靈敏度高、抗電磁干擾。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1是本發(fā)明一個實施例的測量裝置的光纖測距光路電路原理圖。[0038]圖2是本發(fā)明一個實施例的測量裝置中光纖探頭排布示意圖。
[0039]圖3是本發(fā)明一個實施例的測量裝置的工作原理圖。
[0040]附圖中主要組件符號說明:
[0041]被測表面I，光纖探頭2，發(fā)射光纖3，自控溫型激光器4，接收光纖5、6和7，濾光片8，光電探測器9，信號放大濾波電路10，渦輪葉片11，安裝法蘭13，高壓氣體入口 14，低壓冷氣入口 15，玻璃視窗16，第一筒壁12，第二筒壁17，第三筒壁18，低壓冷氣出口 19，鎖緊裝置20，光纖束21，電路盒22，數(shù)據(jù)采集儀23，遠端監(jiān)視設(shè)備24。
【具體實施方式】
[0042]本發(fā)明可以在高溫下對高速旋轉(zhuǎn)動葉葉尖間隙進行測量，具有被測面小傾角補償功能，為地面燃氣輪機或航空發(fā)動機葉尖間隙主動控制提供詳細可靠數(shù)據(jù)。
[0043]以下結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作詳細描述。
[0044]請結(jié)合圖1-圖3。
[0045]圖1為本發(fā)明的多點定位反射補償型光纖測距原理圖(本實施例以三個為例)，自控溫型激光器4發(fā)射出工作波段在300-450nm之間的某一工作波長激光，耦合進入發(fā)射光纖3，經(jīng)過光纖探頭2發(fā)射到被測表面1，經(jīng)被測表面I反射后回到光纖探頭2，然后分別進入三路接收光纖5、6和7，經(jīng)過濾光片8對進入接收光纖5、6和7的光進行濾光，分別獲得經(jīng)被測表面I反射后進入三路接收光纖5、6和7的工作波段光能量，經(jīng)過光電探測器9后將光能量轉(zhuǎn)換為弱電流信號，然后經(jīng)過信號放大濾波電路10后獲的三路接收光纖5、6和7內(nèi)光能量對應(yīng)的可以采集處理的電壓(或電流)信號，通過對三路輸出電壓(或電流)信號的采集后對比處理及強度調(diào)制，最終獲得探頭與被測面之間的距離。
[0046]圖2為本發(fā)明的光纖探頭2的光纖排布原理圖，本發(fā)明的光纖探2中為一路發(fā)出測量光束的發(fā)射光纖3和三路接收光纖5、6和7，發(fā)射光纖3自帶端面球透鏡以增加測距范圍。接收光纖5、6和7分別環(huán)繞于發(fā)射光纖3的周圍，接收光纖5、6和7與發(fā)射光纖3之間的距離分別為rl、r2和r3，接收光纖5、6和7與發(fā)射光纖3形成的夾角分別為al、a2和a3。其中間距rl古r2古r3為最優(yōu)，若其中有兩個間距相等也可以，但不能三個間距均相等，夾角al=a2=a3=120°C為最佳角度,三個夾角不相等也可。
[0047]圖3是為本發(fā)明測量裝置的工作原理圖，渦輪葉片11工作在高溫高壓燃氣條件下，而光纖探頭2耐溫較低，因此需要對其進行冷卻。光纖探頭2通過鎖緊裝置20固定在帶冷卻結(jié)構(gòu)的探頭安裝座上。為了保持光纖探頭的清潔，并工作在安全溫度下，該冷卻結(jié)構(gòu)為多環(huán)道冷卻結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)是是在第一筒壁12內(nèi)安裝有第二筒壁17，在第二筒壁17內(nèi)安裝有第三筒壁18。光纖探頭2安裝在第三筒壁18內(nèi)，在第一筒壁12和第二筒壁17之間設(shè)有第一環(huán)隙通道，在第二筒壁17和第三筒壁18之間設(shè)有第二環(huán)隙通道，在光纖探頭2和第三筒壁18之間設(shè)有第三環(huán)隙通道。冷卻結(jié)構(gòu)的探頭安裝座通過安裝法蘭13連接在機匣上。光纖探頭2通過安裝在第二筒壁17上的高溫玻璃視窗16與高溫高壓燃氣隔絕，為了防止玻璃視窗受高溫燃氣污染，將從壓氣機高壓級引出的高溫高壓清潔空氣從高壓氣體入口 14引入第一筒壁12與第二筒壁17之間的第一環(huán)隙流道，從玻璃窗口 16前流出后，阻止高溫高壓燃氣與玻璃窗口 16接觸，并對其進行冷卻。將從壓氣機低壓級引出的低溫低壓清潔空氣通過低壓冷氣入口 15引入光纖探頭2與第三筒壁18之間的第三環(huán)隙通道，對光纖探頭2進行冷卻，然后由第二筒壁17與第三筒壁18之間的第二環(huán)隙流道返回，經(jīng)低壓冷氣出口 19流出。光纖探頭2通過光纖束21與電路盒22連接，電路盒22內(nèi)集成了激光器、光電探測器以信號放大濾波電路等，三路接收光纖獲得的光能量對應(yīng)的電壓(或電流)信號通過高頻數(shù)據(jù)采集儀23進行采集、存儲及數(shù)據(jù)處理分析，獲得光纖探頭與被測面之間的距離，然后將數(shù)據(jù)處理結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠端監(jiān)視設(shè)備24對測量結(jié)果進行顯示，數(shù)據(jù)處理結(jié)果也可以通過高頻數(shù)據(jù)采集儀23進行現(xiàn)場顯示。
[0048]由于測距工作波段選在300_450nm之間，該波段在高溫葉片自身熱輻射光譜中所占能量非常小，在測試過程中葉片在該波段的自身輻射對測量結(jié)果的影響可以忽略。本發(fā)明采用了三路接收光路接收被測面反射光強度，經(jīng)過強度調(diào)制后，測量過程中對三路接收光纖獲得的光能量對應(yīng)信號進行對比運算，可精確獲得被測面與光纖探頭之間的距離，由于采用了三點定位補償方法，不但可以補償光源功率波動、光纖損耗以及被測面發(fā)射率對測量精度的影響，而且補償了被測面小角度傾斜對測量精度的影響。光纖探頭安裝座由于采用了多層冷卻結(jié)構(gòu)，可以較好地分配冷卻氣體，在保證光纖探頭安全工作的條件下，盡量減少了引氣對系統(tǒng)性能的影響，且易于實現(xiàn)該光纖測量系統(tǒng)的在線維護更換。
【權(quán)利要求】
1.一種葉尖間隙光纖測量方法，采用多點定位反射補償型光纖測距，由激光器發(fā)射出工作波段激光經(jīng)過光纖探頭發(fā)射到被測物表面，經(jīng)被測物表面反射后回到光纖探頭，然后分別進入多路接收光纖，經(jīng)濾光片對進入接收光纖的光進行濾光，分別獲得經(jīng)被測物表面反射后進入多路接收光纖的工作波段光能量，再經(jīng)過光電探測后將光能量轉(zhuǎn)換為弱電流信號，經(jīng)信號放大濾波電路將弱電流信號放大為供采集的電流或電壓信號，通過對多路輸出的電流信號或電壓信號采集后對比處理，獲得光纖探頭與被測物表面之間的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉尖間隙光纖測量方法，其中，多路接收光纖為三路接收光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉尖間隙光纖測量方法，其中，光電探測轉(zhuǎn)換的弱電流信號經(jīng)過信號放大濾波處理獲得供采集的電流或電壓信號。
4.一種葉尖間隙光纖測量裝置，其包括: 一光纖探頭，包括一路發(fā)射光纖和多路接收光纖，多路接收光纖環(huán)繞于發(fā)射光纖的周圍； 發(fā)射光纖連接激光器，多路接收光纖分別各自連接一光電探測器； 光纖探頭固定在帶冷卻結(jié)構(gòu)的探頭安裝座上，探頭安裝座固定在機匣上； 所述冷卻結(jié)構(gòu)是在第一筒壁內(nèi)安裝有第二筒壁，第二筒壁內(nèi)安裝有第三筒壁，光纖探頭安裝在第三筒壁內(nèi)，在第一筒壁和第二筒壁之間設(shè)有第一環(huán)隙通道，在第二筒壁和第三筒壁之間設(shè)有第二環(huán)隙通道，在光纖探頭和第三筒壁之間設(shè)有第三環(huán)隙通道； 第一筒壁上設(shè)有高壓氣體入 口，第二筒壁設(shè)有低壓冷氣出口，第三筒壁設(shè)有低壓冷氣入口 ； 第二筒壁的頂端開設(shè)有玻璃視窗。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的葉尖間隙光纖測量裝置，其中，發(fā)射光纖束自帶端面球透鏡，以增加測距范圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的葉尖間隙光纖測量裝置，其中，多路接收光纖為等夾角的環(huán)繞于發(fā)射光纖的周圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的葉尖間隙光纖測量裝置，其中，多路接收光纖與發(fā)射光纖之間的距離分別為rl、r2、r3、…、rN,且rl古r2古r3…古rN。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的葉尖間隙光纖測量裝置，其中，帶有冷卻結(jié)構(gòu)的探頭安裝座是通過安裝法蘭固定在機匣上。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的葉尖間隙光纖測量裝置，其中，多路接收光纖分別各自連接的光電探測器經(jīng)信號放大濾波電路后連接高頻數(shù)據(jù)采集儀。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的葉尖間隙光纖測量裝置，其中，高頻數(shù)據(jù)采集儀通過網(wǎng)絡(luò)連接至遠端監(jiān)視設(shè)備。
【文檔編號】G01B11/14GK103438814SQ201310383059
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月29日
【發(fā)明者】李勛鋒, 淮秀蘭, 成克用, 周小明, 蔡軍 申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所