阅读说明：本技术 一种发动机叶尖传感器高温性能验证系统及方法 (High-temperature performance verification system and method for engine blade tip sensor ) 是由 叶德超 周琦 段发阶 李杨宗 刘志博 郭岩 于 2018-09-12 设计创作，主要内容包括：本发明的公开了一种发动机叶尖传感器高温性能验证系统及方法,系统包括通风控制模块、电参数测量模块、温度测量模块、数据处理模块和高温加热装置,所述高温加热装置包括通孔、炉膛和保温层,炉膛内温度可控制在25-1600℃的变化,模拟探头表面工作环境温度,待测叶尖传感器放置于所述炉膛内,叶尖传感器探头端部两侧、探头及叶尖传感器线缆处均设有热电偶,所述热电偶与电参数测量模块和数据处理模块电连接,电参数测量模块和数据处理模块分别与数据处理模块连接,炉膛内还设有与所述通风控制模块相连的出气管和进气管,用于模拟实际安装环境下发动机机匣壁和保温层之间的气流环境。(The invention discloses a system and a method for verifying the high-temperature performance of an engine blade tip sensor, the system comprises a ventilation control module, an electrical parameter measuring module, a temperature measuring module, a data processing module and a high-temperature heating device, the high-temperature heating device comprises a through hole, a hearth and a heat preservation layer, the temperature in the hearth can be controlled to be changed at 25-1600 ℃, the working environment temperature of the surface of the probe is simulated, the blade tip sensor to be measured is placed in the hearth, thermocouples are arranged on the two sides of the probe end part of the blade tip sensor, the probe and the cable of the blade tip sensor, the thermocouple is electrically connected with the electrical parameter measuring module and the data processing module, the electrical parameter measuring module and the data processing module are respectively connected with the data processing module, and an air outlet pipe and an air inlet pipe which are connected with the ventilation control module are further arranged in the hearth and are used for simulating the air flow environment between the wall of the engine case and the heat insulation layer in the actual installation environment.)

一种发动机叶尖传感器高温性能验证系统及方法

技术领域

本发明属于传感器精密测量技术领域，尤其涉及一种发动机叶尖传感器高温性能验证系统及方法。

背景技术

工业现场中高速旋转转子叶片动态参数对保障大型旋转设备的运行安全和工作效率至关重要。叶片动态参数如叶片振动、叶尖间隙等可为判断转子运行状态和故障特征提供直观依据，对于提高大型旋转设备研制水平、验证设计性能参数具有实际的理论和应用价值。目前，GE、P&W、Rolls-Royce等航空发动机制造企业以及NASA、美国联邦航空管理局(FAA)、美国海军空中作战中心(NAWC)等研究机构投入巨大资源致力于转子叶片动态参数的应用研究。

基于此实际应用要求，生产出了用于检测叶片动态参数的叶片振动(叶尖振动)、叶尖间隙的非接触传感器，统称为叶尖传感器，叶尖传感器包括但不限于电容传感器、电涡流传感器以及光纤传感器。基于非接触测量原理，将叶尖传感器安装在涡轮机机匣上，传感器探头直接径向对准转子叶片叶尖扫过位置，根据传感器测量原理，即可实时获得叶片振动、叶尖间隙等数据。该种非接触测量方法简便经济，是发动机转子叶片在线检测技术的发展趋势。

同时，由于工业现场中叶片工作于高温环境下，探头表面温度变化范围从常温至1600℃，探头后端温度受冷却流道影响，可控制在常温至500℃，因此针对压气级(最高650℃)、涡轮级叶片(最高1600℃)，叶尖传感器都要有一定的耐高温能力，保证其在上述高温环境下工作持续稳定和准确。为解决目前叶尖传感器的高温性能在正式用于工业现场前无法进行验证的重大问题，确保其在工业现场能够长期、稳定、准确、高效工作。在安装前进行叶尖传感器高温性能验证是非常有必要的。目前还没有专门对叶尖传感器高温性能进行验证的装置及方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种发动机叶尖传感器高温性能验证系统及方法，通过本发明能精确验证叶尖传感器高温工作时的性能，解决目前叶尖传感器的高温性能在正式用于工业现场前无法进行验证的重大问题，为后续工业现场的应用提供可靠依据，减少返工和报废，降低生产成本，提高工作效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种发动机叶尖传感器高温性能验证系统，包括通风控制模块、电参数测量模块、温度测量模块、数据处理模块和高温加热装置，所述高温加热装置包括通孔、炉膛和保温层，炉膛内温度可控制在25-1600℃的变化，模拟探头表面工作环境温度，待测叶尖传感器放置于所述炉膛内，叶尖传感器探头端部两侧、探头及叶尖传感器线缆处均设有热电偶，所述热电偶与电参数测量模块和数据处理模块电连接，电参数测量模块和数据处理模块分别与数据处理模块连接，炉膛内还设有与所述通风控制模块相连的出气管和进气管，用于模拟实际安装环境下发动机机匣壁和保温层之间的气流环境，进气管可控制进25-500℃的热空气，出气管负责排气，这样可以把传感器驱动电缆附近的环境温度保持在设定值25-500℃范围内，从而模拟各类型工业现场环境。

一种发动机叶尖传感器高温性能验证方法，包括以下步骤：

(1)进行叶尖传感器有限元高温热仿真：

依据叶尖传感器结构及所选材料，结合高温加热装置内部高温环境，进行叶尖传感器有限元高温热仿真，确定在高温恶劣环境下，传感器探头的整体温度分布，参照有限元仿真结果，确定叶尖传感器的机械结构变形程度及叶尖传感器探头整体温度值是否均处于所选材料工作温度以下，从而通过有限元仿真，初步确定符合测试环境需求的叶尖传感器机械结构及传感器结构材料；

(2)模拟工业现场环境进行实验：

将步骤(1)中的有限元仿真的叶尖传感器整体温度分布结果为高温实验依据，通过高温加热装置加热温度，以热电偶监测温度数据为基准，加热至叶尖传感器探头整体温度分布与有限元仿真温度分布一致为实验温度测试点；此时高温加热装置内的恒定温度场可等效为高压涡轮机叶尖间隙处高温环境，即通过高温加热装置间接模拟了叶尖传感器实际工作的高温环境；

(3)评定叶尖传感器的工作性能：

以实验温度测试点为工作温度基准，利用电参数测量模块测试叶尖传感器探头的信号调制输出，通过比较测试温度下和常温状态下叶尖传感器探头的信号调制输出，判定叶尖传感器在高温下的工作性能。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.通过本发明可验证叶尖传感器的高温性能，判定传感器静态补偿是否满足工作需求；

2.本发明解决了叶尖传感器的高温性能在正式用于工业现场前无法进行验证的重大问题，并确保叶尖传感器在工业现场能够长期、稳定、准确、高效工作。

附图说明

图1是本发明高温性能验证系统的结构示意图。

图2是高温加热装置的机构示意图。

图3是高温加热装置炉膛内的实验状态示意图。

图4是本发明高温性能验证系统内各模块的连接关系示意图。

图5是本发明高温性能验证方法的流程图。

图6是叶尖传感器工作流程示意图，流程图左侧为叶尖传感器的组成，右侧为各组成部分对应的功能。

附图标记：1-通风控制模块，2-电参数测量模块，3-温度测量模块，4-数据处理模块，5-高温加热装置，6-通孔，7-炉膛，8-保温层，9-热电偶，10-出气管，11-进气管，12-传感器线缆，13-叶尖传感器，14-夹具

具体实施方式

下面结合附图1至6对本发明作进一步的描述。

本发明保护一种发动机叶尖传感器高温性能验证系统，包括通风控制模块1、电参数测量模块2、温度测量模块3、数据处理模块4和高温加热装置5，高温加热装置5包括通孔6、炉膛7和保温层8，保温层8确保炉膛内部温度能长期保持稳定，模拟工业现场机匣内部温度环境，炉膛内温度可控制在25-1600℃的变化；待测叶尖传感器13放置于所述炉膛7内，由夹具14固定，叶尖传感器探头端部两侧、探头及叶尖传感器线缆12处均设有热电偶9，为传感器不同部位的温度指示计，热电偶9与电参数测量模块2和数据处理模块4电连接，电参数测量模块2和数据处理模块4分别与数据处理模块4连接，炉膛7内还设有与通风控制模块1相连的出气管10和进气管11，以此模拟实际安装环境下发动机机匣壁和保温层之间的气流环境，进气管进热空气，温度可设定，温度范围25至500摄氏度，出气管负责排气，这样可以把传感器驱动电缆附近的环境温度模拟实际工业现场环境。发动机叶尖传感器高温性能验证方法如下：

第一步，进行叶尖传感器有限元高温热仿真。

依据耐高温叶尖传感器结构及选用的结构材料，结合高压涡轮机内部高温环境，进行叶尖传感器有限元高温热仿真，确定在高压涡轮机高温恶劣环境下，传感器探头整体温度分布。参照有限元仿真结果，确定叶尖传感器的机械结构变形程度及传感器探头整体温度值是否均处于选用材料工作温度以下，从而通过有限元仿真，初步确定符合测试环境需求的传感器机械结构及可用的传感器结构材料。

第二步，利用发动机叶尖传感器高温性能验证系统模拟工业现场环境对研制的耐高温叶尖传感器进行实验。

以高温实验炉作为高温加热装置，将待测叶尖传感器竖直放入高温炉的通孔中，将其放置在通孔和炉膛的交界处位置；将热电偶放置在各个待测位置上，具***置如图3所示，将其作为传感器不同部位的温度指示计，进行温度实时监控；将进气管和通气管放入通孔中，与通风控制模块相连，设置通风控制模块的参数以模拟机匣壁和保温层之间的气流环境，进气管进500℃左右的热空气，出气管负责排气，这样可以把传感器驱动电缆附近的环境温度保持在500℃左右，从而模拟工业现场环境；将叶尖传感器的信号调理模块与电参数测量模块相连，使其他信号转换成电信号；将温度测量模块、电参数测量模块分别与数据处理模块相连，以得到叶尖传感器的实时输出。

具体实验操作如下所示：

1.将第一步操作中得到的叶尖传感器整体温度分布结果作为高温实验温度依据，开启高温炉进行加热，并通过进气管通入预设温度的热空气，以热电偶监测温度数据为基准，经过调节，加热至传感器探头整体温度分布与有限元仿真温度分布一致为实验温度测试点。

2.将由于温度变化而引起的输出变化通过数据处理模块得到，以便后续分析处理使用。通过具体实验操作，可认为此时高温炉内的恒定温度场可等效为高压涡轮机叶尖间隙处高温环境，即通过高温炉间接的模拟了耐高温电容传感器实际工作的高温环境。

第三步，评定叶尖传感器的工作性能。

叶尖传感器测量信号通过自身的信号调理模块进行相应的放大、消抖和滤波，转换成电信号传入到电参数测量模块及温度测量模块中进行数据读取；最后在数据处理模块将数据进行整理、对比和分析，验证叶尖传感器在高温环境中的工作性能，评定其在高温环境中的工作能力。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。