基于脉冲介质阻挡放电的叶尖间隙测量系统及测量方法转让专利
申请号 : CN202011155579.0
文献号 : CN112129213B
文献日 : 2021-07-27
发明人 : 于兵 , 李志林 , 章涛 , 张天宏
申请人 : 南京航空航天大学
摘要 :
权利要求 :
1.基于脉冲介质阻挡放电的叶尖间隙测量系统,其特征在于,该系统包括:金属探针,绝缘层,高压放电电源模块,数据处理模块,数据采集模块,脉冲电压产生模块和等离子体激励器;所述等离子体激励器和金属探针均嵌入航空发动机的机闸内,且金属探针与发动机的叶片相对;
根据来流气体的流速大小与气压大小,数据处理模块控制脉冲电压产生模块产生脉冲电压信号,所述脉冲电压产模块将产生的脉冲电压施加在等离子体激励器上,从而使得等离子体激励器在机匣与叶片之间的流道中产生稳定的等离子体,并通过气流的流动作用使得该等离子体覆盖叶片与金属探针之间的间隙;数据处理模块通过高压放电电源模块将电压信号施加在发动机的叶片上;所述数据采集模块实时采集金属探针上的电信号和高压放电电源模块的电信号,并将采集的信号传送至数据处理模块,所述数据处理模块根据金属探针上的电信号判断是否发生辉光放电,若发生辉光放电,则数据采集模块将采集到的辉光放电时的电信号传送至数据处理模块,该数据处理模块根据收到的电信号计算出发电机的叶尖间隙;若未发生辉光放电,则数据处理模块控制高压放电电源模块的输出电压逐步提高,从而在叶片与金属探针之间产生高强度的电场环境,当金属探针与叶片之间的电压大于等离子体的击穿电压时,叶片与金属探针之间的等离子体被击穿,辉光放电发生。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲介质阻挡放电的叶尖间隙测量系统,其特征在于,所述金属探针与机匣接触处采用绝缘材料包裹。
3.根据权利要求2所述的基于脉冲介质阻挡放电的叶尖间隙测量系统,其特征在于,所述绝缘材料采用耐高温高压的绝缘材料。
4.根据权利要求1所述的基于脉冲介质阻挡放电的叶尖间隙测量系统,其特征在于,所述等离子体激励器包括暴露电极,等离子体和覆盖电极;所述暴露电极和等离子体置于机匣表面,所述覆盖电极设置在机匣内部,且覆盖电极与机匣接触处用绝缘材料包裹,在暴露电极与覆盖电极之间的气隙空间中设有一块绝缘介质,且该绝缘介质形成介质阻挡层。
5.根据权利要求1所述的基于脉冲介质阻挡放电的叶尖间隙测量系统,其特征在于,所述脉冲电压产生 模块采用介质阻挡放电的方式放电。
6.根据权利要求1所述的基于脉冲介质阻挡放电的叶尖间隙测量系统,其特征在于,所述数据处理模块计算叶尖间隙具体为:数据处理模块计算根据等离子体被击穿时数据采集模块采集的电信号的时域特征和频域特征,确定该信号具有的物理特征,之后选择小波变换或S变换抽取相关的特征量,从中进行分析总结,并通过制定评价指标的方法,将抽取的特征量组合成一个表征量,并将该表征量确定为叶尖间隙的表征。
7.基于权利要求1所述的基于脉冲介质阻挡放电的叶尖间隙测量系统的测量方法,其特征在于,具体包括如下步骤:
步骤1:在发动机叶片和发动机机匣之间产生稳定的等离子体;
步骤2:在叶片上施加电压,判断金属探针与叶片之间是否发生辉光放电,若是则转步骤3,否则增大施加在叶片上的电压,直至金属探针与叶片之间发生辉光放电;
步骤3:采集辉光放电时的电信号,根据该电信号计算出发动机叶片的叶尖间隙。
说明书 :
基于脉冲介质阻挡放电的叶尖间隙测量系统及测量方法
技术领域
背景技术
对叶尖间隙的主被动控制技术发展成为热点,作为控制的前提,进行叶尖间隙的测量,也是
亟待发展的技术。目前,国内外研究人员开发和设计了多种测量方法,目前应用较为广泛的
方法有光纤法、探针法、电容法、电涡流法等,这些方法都有其独特的优点和缺点。
叶尖间隙的测量,但是该系统受限于常温常压这一使用场景,且缺乏对流动状态的探寻,这
些都限制了其在实际发动机叶尖间隙测量上的应用。
发明内容
激励器;所述等离子体激励器和金属探针均嵌入航空发动机的机闸内,且金属探针与发动
机的叶片相对;
得等离子体激励器在机匣与叶片之间的流道中产生稳定的等离子体,并通过气流的流动作
用使得该等离子体覆盖叶片与金属探针之间的间隙;数据处理模块通过高压放电电源模块
将电压信号施加在发动机的叶片上;所述数据采集模块实时采集金属探针上的电信号和高
压放电电源模块的电信号,并将采集的信号传送至数据处理模块,所述数据处理模块根据
金属探针上的电信号判断是否发生辉光放电,若发生辉光放电,则数据采集模块将采集到
的辉光放电时的电信号传送至数据处理模块,该数据处理模块根据收到的电信号计算出发
电机的叶尖间隙;若未发生辉光放电,则数据处理模块控制高压放电电源模块的输出电压
逐步提高,从而在叶片与金属探针之间产生高强度的电场环境,当金属探针与叶片之间的
电压大于等离子体的击穿电压时,叶片与金属探针之间的等离子体被击穿,辉光放电发生。
绝缘材料包裹,在暴露电极与覆盖电极之间的气隙空间中设有一块绝缘介质,且该绝缘介
质形成介质阻挡层。
特征,之后选择小波变换或S变换抽取相关的特征量,从中进行分析总结,并通过制定评价
指标的方法,将抽取的特征量组合成一个表征量,并将该表征量确定为叶尖间隙的表征。
进行叶尖间隙测量,更加贴近实际的叶尖间隙测量使用场景。
附图说明
具体实施方式
块5、数据处理模块6、数据采集模块7和脉冲电压产生模块8。
为激发等离子体和击穿等离子体两部分,进而导致测量中受外界条件波动影响剧烈。针对
这一问题,本发明提出,可将过程分为两部分,利用两个电源进行供电的方式,进而实现稳
定的等离子体制取与稳定的辉光放电,从而实现大范围下叶尖间隙的测量。
据来流气体的流速大小与气压大小,在数据处理模块6存储的经验公式数据指令作用下,输
出脉冲频率与脉冲电压大小至脉冲电压产生模块8,进而使得脉冲电压产生模块8发出合适
的脉冲电压信号,推动等离子体激励器3工作,在不同的来流条件下产生稳定的等离子体;
而放电区则主要由数据处理模块6、模拟叶片1、金属探针4、高压放电电源模块5和数据采集
模块7组成,在数据处理模块6的指令作用下,高压放电电源模块5提供合适的电压信号,使
得由前文等离子体产生区产生的等离子体能够在模拟叶片1和金属探针4之间的电场作用
下被击穿,形成稳定的辉光放电现象,而此时的电信号被数据采集模块7记录并传输至数据
处理模块6,在经过数据处理之后,反映此时的叶尖间隙大小。
弱装置对发动机内部气流流动的影响。据此,本发明利用介质阻挡放电的等离子激发器作
为实验环境中提供放电等离子体团的发生源。其组成形式为介质阻挡等离子体激励器,具
体图如附图2所示。采用平板电极的结构,两个电极分别置于机匣中以及机匣表面,并在覆
盖电极与机匣接触处用绝缘材料包裹,而在暴露电极与覆盖电极之间的气隙空间中,插入
一块绝缘介质。此时,通过外加电压的作用下,电子在电场作用下获得能量,在加速的同时
与原子碰撞,发生能量转移,进而导致原子分子激发电离,产生等离子体团。
压端放电探针。隔开探针与机匣的绝缘层不但与高压端金属探针接触,同时还有一部分处
于机匣内壁,因此需要使用耐高温高压的绝缘材料进行制作。绝缘层一方面能够防止发动
机工作时金属探针发生移动,另一方面则是为了防止机匣导电,避免对发动机造成危害。
稳定击穿,以提高测量系统的稳定性,减小干扰。
放电区域提供稳定的等离子体环境,也能够高压放电电源模块所输出电压的输出频率与大
小,使得其能够实现不同来流条件下的等离子体团的稳定击穿,更能够对数据采集模块采
集到的信号进行汇总与处理。当放电发生时,高压放电电路中的一系列宏观电信号,如电压
电流等,会发生一个类似突变的变化,且其能够被数据采集模块采集到,在进入数据处理模
块后,会对其进行特征量提取。本发明结合测量信号的时域和频域特征,然后确定其具有区
别性、稳定性和明确物理意义的特征,之后选择合适的信号处理技术抽取相关的特征量,从
中进行分析总结,并通过制定评价指标的方法,将之确定为叶尖间隙的表征。
率。
阻挡放电,利用脉冲电压进行激励,具有明显的优势,主要包含:能够较容易的实现大体积
均匀的等离子体制取,提高放电的稳定性;脉冲电压具备的陡峭上升沿与下降沿能够有效
的提高激发与电离过程,提高稳定性;具有更高的能量转换效率。据此,本发明使用脉冲电
压对等离子体激励器进行供电操作,而作为电压提供源,脉冲电压产生模块应具备电压大
小,电压脉宽可调的特性。
中产生稳定的等离子体团。之后,在气体的流动作用下,等离子体团移动至后端的放电区,
并填充模拟叶片与放电探针之间的气隙。然后,在高压放电模块的作用下,发生稳定的辉光
放电现象,此时,系统中的电信号被数据采集模块记录并传输至数据处理模块,之后,结合
测量信号的时域和频域特征,然后确定其具有区别性、稳定性和明确物理意义的特征,之后
选择合适的信号处理技术抽取相关的特征量,从中进行分析总结,并通过制定评价指标的
方法,将抽取的特征量组合成一个表征量,将之确定为叶尖间隙的表征。得到叶尖间隙与电
信号之间的对应关系,进而实现两者的对应,实现叶尖间隙测量的目的。
做出各种变化。