基于叶尖间隙测量系统的轴心轨迹测量技术研究

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发动机叶尖间隙影像测量系统的设计

引言
研究表明口发动机叶效率就越高，需的耗油量就越少。但叶尖所
取的测量方法有激光法、纤法等。而采用图。光
像方式测量，很少。在国内清华大学提出的辐则
指标，其值的大小对发动机的高效安全运行至关重要。利用立体视觉原理、自动聚焦技术和边缘检测算法，计了一套发动机装配过程中叶尖间隙静态测量装置。该测量装置实现了对发动设机叶尖间隙的非接触测量，操作简单，量精度高。实验结果表明该套装置测量精度达到且测
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发动机叶尖间隙影像测量系统的设计

第３３卷第４期２０１２年７月应　用　光　学Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　ＯｐｔｉｃｓＶｏｌ．３３Ｎｏ．４Ｊｕｌ．２０１２收稿日期：２０１１－０９－１５；　修回日期：２０１１－１１－１０基金项目：四川省科技支撑计划项目（２０１２ＧＺ００２２）作者简介：范小虎（１９８８－），男，湖北黄冈人，硕士研究生，主要从事光电成像与检测技术研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｐｏｔｉａｎｘｉｎｇ２００７＠１６３．ｃｏｍ文章编号：１００２－２０８２（２０１２）０４－０７４３－０４发动机叶尖间隙影像测量系统的设计范小虎，朱目成，聂诗良（西南科技大学制造过程测试技术教育部重点实验室，四川绵阳６２１０１０）摘　要：发动机转子叶片叶尖到开半机匣内壁径向距离是衡量发动机质量是否合格的一个重要指标，其值的大小对发动机的高效安全运行至关重要。

利用立体视觉原理、自动聚焦技术和边缘检测算法，设计了一套发动机装配过程中叶尖间隙静态测量装置。

该测量装置实现了对发动机叶尖间隙的非接触测量，且操作简单，测量精度高。

实验结果表明该套装置测量精度达到２０μｍ。

关键词：叶尖间隙；立体视觉；自动聚焦；Ｃａｎｎｙ中图分类号：ＴＮ２０７；ＴＨ４３２．１文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．５７６８／ＪＡＯ２０１２３３．０４０３００２Ｉｍａｇｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｅｎｇｉｎｅ　ｔｉｐ　ｃｌｅａｒａｎｃｅＦＡＮ　Ｘｉａｏ－ｈｕ，ＺＨＵ　Ｍｕ－ｃｈｅｎｇ，ＮＩＥ　Ｓｈｉ－ｌｉａｎｇ（Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ　６２１０１０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｇａｐ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅ　ｒｏｔｏｒ　ｂｌａｄｅ　ｔｉｐ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｏｐｅｎ　ｈａｌｆ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｍａｇａｚｉｎｅ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍ－ｐｏｒｔａｎｔ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｔｈａｔ　ｉｎｓｐｅｃｔｓ　ｗｈｅｔｈｅｒ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅ　ｉｓ　ｑｕａｌｉｆｉｅｄ．Ａｎｄ　ｉｔｓ　ｖａｌｕｅ　ｉｓ　ｏｆ　ｐｒｉｍｅ　ｉｍ－ｐｏｒｔａｎｃｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅ　ｏｎ　ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ａｎｄ　ｓａｆｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｔｅｒｅｏ　ｖｉｓｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｆｏｃｕｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｅｄｇｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａ　ｂｌａｄｅ　ｔｉｐ　ｃｌｅａｒａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｄｅｖｉｃｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｅｎｇｉｎｅ　ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ．Ｔｈｉｓ　ｄｅｖｉｃｅ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｔｈｅ　ｎｏｎ－ｃｏｎ－ｔａｃｔ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｔｏ　ａｅｒｏ－ｅｎｇｉｎｅ　ｒｉｐ　ｃｌｅａｒａｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｓｉｍｐｌｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ－ａｃｃｕｒａｃｙ　ｍｅａｓ－ｕｒｅｍｅｎｔ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｃａｎ　ｒｅａｃｈ　ｔｏ　２０μｍ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｉｐ　ｃｌｅａｒａｎｃｅ；ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ　ｖｉｓｉｏｎ；ａｕｔｏ－ｆｏｃｕｓｉｎｇ；Ｃａｎｎｙ引言研究表明［１］发动机叶尖间隙值越小，压气机工作效率就越高，所需的耗油量就越少。

航空发动机叶尖间隙测量研究

航空发动机叶尖间隙测量研究 0708301 邓起春 070830115 研究背景及意义随着现代飞机对高机动性飞行要求的不断提高,对航空发动机的要求也相应地提高。

为提高航空发动机的性能,人们努力挖掘提高发动机效率的潜力。

潜力之一是使转子叶尖与机匣之间的径向间隙尽可能小,以减少工作介质泄漏而造成的损失。

众所周知,叶尖间隙过大会降低发动机的性能,然而间隙过小,将产生叶尖与机匣碰磨,影响发动机的安全,这是两个对立的要求。

如何设计控制间隙使其最为合适,对提高发动机性能、保证飞行安全非常重要。

而合理地设计间隙,或进行主动间隙控制,关键在于搞清间隙的实际变化情况,掌握它的变化规律。

因此,对间隙进行实测,给出间隙随不同转速及状态的变化规律,验证理论计算的合理性,在发动机研制过程中对优化设计、保证试车试验安全,具有实际的工程应用价值。

航空发动机在工作时,由于各部件承受的温度和受力变形情况不同,转、静子间的运动是很复杂的。

不同部位的零件在径向、轴向的位移大小和方向存在很大的差异,这种差异还随发动机不同而改变,如果此值选取不当,则可能造成径向间隙过大或过小。

综合分析表明, 风扇、压气机和涡轮的叶尖与机匣之间都存在着一“最佳”间隙, 过大的间隙会使叶尖泄露增大, 造成发动机效率降低, 过小的间隙将会引发叶片与机匣的磨擦振动等结构问题, 影响发动机的安全运转。

由于发动机转子叶尖间隙变化的影响因素是多方面的, 相当复杂, 目前单靠计算分析是很难确定的, 必须在试验中对间隙进行实时测量,找出最佳”间隙, 为“改进设计提供依据。

径向间隙过大会使效率降低,涡轮前温度增高。

据资料介绍,叶尖间隙每增加叶片长度的1 % ,效率约降低1. 5 % ,耗油率约增加3 %。

耗油率增加1 % ,可使全寿命费用增加0. 7 %。

间隙过大,也将使增压比下降,喘振裕度降低但同时间隙又不能过小,间隙过小将可能产生碰磨,导致零部件损坏,影响发动机的安全。

探析航空发动机叶片叶尖间隙检测技术

探析航空发动机叶片叶尖间隙检测技术摘要：航空发动机叶片修理检测包含检测前处理、目视、无损、叶型精测、叶尖间隙检测以及后期修复等工作，本文主要研究叶型精测和叶片叶尖间隙检测技术。

关键词：航空发动机；叶尖间隙；检测技术1.检测前的处理叶片类零件分为压气转子叶片、压气机整流叶片、涡轮导向器叶片、涡轮工作叶片等。

其中涡轮叶片涡轮叶片表面黏附有燃料燃烧后的沉积物以及涂层和（或）基体经过高温氧化腐蚀后所产生的热蚀层，一般统称为积炭。

积炭致使涡轮效率下降，热蚀层会降低叶片的机械强度和叶片表面处理的工艺效果，同时积炭也掩盖了叶片表面的损伤，不便于检测。

因此在实施修理工艺之前进行必要的预处理和检测，以清除其表面的附着杂质，建议使用水吹砂法。

2.叶片检验检测2.1 目视检查准备好十倍放大镜、手电筒及探针等。

叶片注意检查擦伤、划伤、凹坑、裂纹等故障，尤其是进气边、排气边和叶尖等位置，需要重点检查。

2.2无损检测在修理前，使用先进的检测仪器对叶片的叶型完整性和内部结构进行检测，以评估磨损、烧熔、腐蚀、掉块、裂纹、积炭和散热孔堵塞等损伤缺陷情况，从而指导叶片的具体修理工艺。

目前，CT已经成为适用于测量涡轮叶片壁厚和内部裂纹的主要方法。

一台CT 机由X辐射源和专用计算机组成。

检测时，辐射源以扇形释放光子，通过被检叶片后被探测器采集。

其光子量和密度被综合后，产生一幅二维层析X光照片，即物体的截面图，从中分析叶片内部组织结构，得出裂纹的准确位置及尺度。

连续拍摄物体的二维扫描，可生成数字化三维扫描图，用于检测整个叶片的缺陷，还可检测空心叶片冷却通道的情况。

CT可探测到10-2mm级的裂纹。

2.3 叶型的精确检测叶型的精确检测可使用接触式测量和非接触式测量2.3.1 接触式测量接触式测量一般使用三坐标测量机，是一种高精度的三维空间检测设备，具有检测精度高、检测重复性好、自动化程度高等优点，适合叶片类复杂曲面的精密测量。

近年来，随着我国航空工业的发展，三坐标测量机在叶片生产厂家已经较为普及，且开发出专用于叶型检测的测量系统，可自动检测叶身的几何形状，并与标准叶型比较；自动给出偏差检测结果，来判断叶片的可用度和所需采用的修理手段。

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ｄａｔａｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ｆｉｔｔｉｎｇ，ｃｌｅａｒａｎｃｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅａｘｅｓ－ｔｒａｃｋｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｃａｎｂｅｕｓｅｄ
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００—８８２９（２０１３）０７— ００３５— ０３
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＡｘｅｓ－ＴｒａｃｋＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＢａｓｅｄｏｎＴｉｐＣｌｅａｒａｎｃｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ
基于叶尖间隙测量系统的轴心轨迹测量技术研究
・３５・
基于叶尖问隙测量系统的轴心轨迹测量技术研究
魏之平
（中国燃气涡轮研究院测控室，四川江油６２１７０３）
摘要：经过数据提取、数据转换、拟合反算、轴心定位等处理步骤，可实现利用叶尖间隙测量系统的数据
ｗｈｅｎｃｕｓｔｏｍｉｚａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｃａｎｎｏｔｂｅａｐｐｌｉｅｄＯｒｉｎａｌｏｗ— ｃｏｓｔｔｅｓｔｉｎｇｔｈａｔｈａｓａｔｉｐｃｌｅａｒａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｘｅｓ — ｔｒａｃｋ；ｔｉｐｃｌｅａｒａｎｃｅ；ｔｕｒｂｉｎｅｅｎｇｉｎｅ；ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇ
１叶尖间隙的测量方法
本文使用的叶尖间隙测量系统是从英国Ｒｏｔａｄａｔａ
收稿日期：２０１２— ０３— ２０
探针
１２０。）
图１某压气机级探针布置
图２某涡轮级探针布置图（四探针）
探针１（０ｏ）
隙测量系统但未配置轴心轨迹专用测量设备的场合，利用叶尖间隙测量数据获取轴心轨迹的方法可以大大提高对发动机状态的监控能力。同时，该方法也可用于一些试验以删减轴心轨迹专用测量设备，进而达到用最小成本测试的目的。
获取转子轴心轨迹的目的。该方法可用于轴心轨迹专用测试设备难于应用的场合或已配置叶尖间隙测
量系统的低成本测试试验。关键词：轴心轨迹；叶尖间隙；涡轮发动机；综合测试
Hale Waihona Puke 中图分类号：Ｖ２６３．３
采用间接方法测量。基于测试融合、数据共享的原则，在已应用叶尖间
叶尖间隙测量系统在每级转子上一般布置３或４支探针，如图１和图２所示。图中以上顶点为０。位置，顺转子转动方向角度递增。本文采用的为图２所示探针布置方案。
叶尖间隙测量系统是测量涡轮发动机转子叶片顶
公司引进的电容型叶尖间隙测试系统Ｃａｐｌｏｎｇ改进型（简称ＲＣＡＰＩＩ系统）。该系统主要由电容传感器、信号调理器、接线盒、电源模块、采集板卡、工业计算机、转速同步信号及各种线缆等组成。其原理为探针中心电极与转子叶尖所形成的电容随叶尖间隙的变化而变化，大致成倒数关系，系统利用多项式拟合刻画各通道
特性曲线。
面与机匣问隙的测量设备，具有光学式、电容式、电涡流式等多种类型。叶尖间隙测量采集频率高（可达１ＭＳ／ｓ或更高）、数据量大，其数据不仅可以用于叶尖问隙分析，也可用于叶片振动分析等。轴心轨迹是涡轮发动机重要的测试参数，其反映了大量的工况信息，对其准确的测量亦可为故障诊断提供极大的数据支持Ｊ。但专用的轴心轨迹探针因安装空问有限而往往难以应用，限制了其应用范围，故
ＷＥＩＺｈｉ — ｐｉｎｇ
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，ＣｈｉｎａＧａｓＴｕｒｂｉｎｅＥｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ，Ｊｉａｎｇｙｏｕ６２１７０３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｘｅｓ — ｔｒａｃｋｃａｎｂｅｅｘｔｒａｃｔｅｄｆｒｏｍｔｈｅｄａｔａｏｆｔｉｐｃｌｅａｒａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈｃｏｎｔａｉｎｓｄａｔａｐｉｃｋ — ｕｐ，