涡轮叶尖间隙光纤动态精密测量方法研究

Improved blade tip clearance in a high-pressure turbine can provide dramatic improvements in specific fuel consumption, engine efficiency as well as payload and mission range capabilities. Fistly, changing rules of turbine blade tip clearance will be analysised in depth ; Second, an intelligent optical fiber senor for turbine blade tip clearance measurement will be researched. And then, the method based on noise estimation for networked multi-sensor systems will be studied. At last, dynamic measure simulation experiments in different speed will be done on a rotor test rig with analog blade.

为实现燃气轮机涡轮叶尖间隙的光纤动态精密测量，首先，深入研究各工况下叶尖间隙的对称性和非对称性变化规律，其次，以间隙变化规律为基础，研究应用于涡轮叶尖间隙测量的反射式光纤位移传感器的智能化设计，然后，结合叶尖间隙变化规律和传感器系统构建适用于涡轮叶尖间隙变化动态测量的多传感器系统，并深入研究基于噪声估计的多传感器数据融合方法。最后，通过建立间隙模拟实验系统，验证系统性能，并为测量系统的优化提供实验参数数据。为燃气轮机涡轮叶尖间隙的设计和涡轮部件的实时监测奠定基础。

叶尖间隙联通了叶片压力面和吸力面，压差直接驱动叶尖泄露流动，对发动机整体性能有重要影响，面对先进发动机对负荷、结构、寿命、噪声等综合性能要求的日渐苛刻，实现燃气轮机叶尖间隙的动态精密测量对发动机结构的优化设计、健康监测和主动控制的实现由重要意义。为此，本项目以实现叶尖间隙的光纤动态测量为目标，首先，建立燃气轮机旋转叶片叶尖间隙变化现象的数学模型，深入研究了各工况下叶尖间隙的对称性和非对称性变化规律、起飞过程中转子振动对叶尖间隙动态变化规律的影响，以及转子微小裂纹对间隙变化的影响规律；其次，利用光强调制原理，设计了双圈同轴式结构的高精度、高可靠性的光纤间隙测量传感器，传感器探头直径小于 2 mm； 考虑到叶片角度的变化对测量精度的影响，采用光强差动原理，优化设计了可实现径向位移和叶片角度测量的二维光纤传感器；再次，研究了传感器测量误差的消除方法，在电路设计中进行了滤波、暗电流补偿等措施；最后，建立传感器静态标定实验台、转子实验台等验证平台；经实验验证，结果表明所研究开发的光纤叶尖间隙测量系统可实现最小叶尖间隙和最大叶尖间隙的测量。为进一步开展叶尖间隙几何通流的测量奠定基础。为我国研发高推重比前沿航空发动机和高效的燃气轮机提供一种可选择的检测方法。