叶片的叶尖间隙测量

文摘

本文描述了一个capacitance-based叶尖间隙测量系统工程师用于涡轮测试应用程序的要求。电容探针历经延伸使用在欧洲主要燃气轮机制造商的高温演示单元,它运行可靠的涡轮入口温度超过1800开尔文。本文探讨了叶片叶尖间隙测量技术和检查探测器性能在实验室条件下高温设施的支持。本文概述了叶片叶尖间隙测量技术,描述了实验装置用于研究叶尖间隙测量。本文充分描述了用于测量系统的标定方法以确定测量精度。本文澄清相关的实际问题是如何克服使叶片的叶尖间隙测量压缩机和涡轮机的环境。初始开发以来,燃气轮机发展计划经常使用间隙测量系统。固有的可靠性系统导致可靠在职测量间隙在现实世界的应用程序。

1。介绍

本文作者发起了一项研究来证明一个电容间隙测量系统利用一个调频(FM)操作模式可以作出准确的叶尖间隙测量在每个叶片压气机或涡轮。奇弗斯(1]最初开发调频电容探针测量平均叶尖间隙在燃气轮机压气机或涡轮的叶片。本文报道的研究结果,建立了精度奇弗斯(1]叶尖间隙测量系统可以使叶片,叶片叶尖间隙测量在实验室环境。

Sheard et al。2)开发了一个增强版的奇弗斯(1测量系统。穆勒et al。3)使用该系统测量叶片的叶尖间隙BR700发展燃气轮机的压气机和涡轮机。宝马和罗尔斯-罗伊斯公司发达的劳斯莱斯BR700家族引擎通过合资公司宝马劳斯莱斯公司专机和地区。

穆勒et al。3)验证的叶片叶片叶尖间隙测量用的叶片叶片测量计算平均叶尖间隙,并与测量的最低使用Sheard叶尖间隙和特纳的(4机电间隙测量系统。穆勒et al。3)发现平均叶尖间隙大于最小间隙,人物1不同,他们得出的结论是自洽的叶片长度的变化记录在燃气轮机构建加上已知的轴承间隙。

吉尔et al。5)评估Sheard et al。2)和奇弗斯(1间隙测量系统,拟合两个阶段一涡轮机的相同的通用电气(General Electric) MS6001FA工业燃气轮机。吉尔et al。5专有的)被认为是MS6001FA阶段一涡轮入口温度。尽管商业评论,吉尔et al。5)观察到MS6001FA点火温度为1288°C。吉尔et al。5)认为Sheard et al。(2间隙测量系统是可行的在较大的工业燃气涡轮机和间隙变化更敏感范围比奇弗斯(1原始的测量系统。

吉尔et al。(5]目的是利用Sheard et al。2间隙测量系统在一个活跃的叶尖间隙控制系统利用劳伦斯的电容探针和Sheard [6)设计和Sheard [7进一步细化。闭环主动间隙测量系统调制冷却空气冷却或加热涡轮壳,使其收缩或扩张;因此,保持一个最低安全阶段一涡轮叶片和机壳之间的差距。拉马钱德兰和康威8套管)指出,一个关键的设计特点是“热质量的优化尺寸和位置降到最低的成椭圆形外壳从环境运行温度,加热促进涡轮叶尖间隙的主动控制。

提出了一个扩展的奇弗斯(1原始测量系统要求,第一,方便每个刀片间隙的测量,第二,建立的准确性可以使一个刀片,刀片间隙的测量。实验项目是在实验室环境中进行的。然而,读者应该记住,没有变化的电容探针会影响其承受能力的环境的高压涡轮奇弗斯(9)已经证实。Sheard [10高压涡轮环境特征和观察到涡轮入口温度为1200°C是代表当时民用燃气轮机涡轮入口温度奇弗斯(9进行他的研究。

奇弗斯(1首先研究叶顶平均间隙的变化,由于内部发生燃气轮机热影响使用调频电容探针。第一次,奇弗斯(1)连续测量平均燃气轮机压气机和涡轮叶尖间隙。奇弗斯(1)结果表明,平均叶尖间隙变化在两个方面:(1)低频变化发生在整个发动机循环由于热效果;(2)高频正弦变化。

奇弗斯(9)由于高频正弦变化,每革命一旦频率轴承间隙。奇弗斯(9]能够弥补轴承间隙的影响,确定压缩机阀瓣和套管固有频率的拟合共有四个调频电容探针在单个压缩机阶段。通过研究输出之间的相位关系,他是能够识别盘和套管振动模式。的最大峰变化平均叶尖间隙测量0.1毫米当遇到的燃气轮机压气机盘或套管固有频率,该电容probe-based间隙测量系统能够解决。

有广泛发表的材料可以在叶尖间隙测量系统可以测量间隙在每个叶片压气机或涡轮阶段。最常用的技术是光学三角测量,Drinkuth et al。11)、白(12),贝克et al。13),Barranger和福特(14)和福特(15)描述。光学间隙测量系统可靠地工作在生产环境中(16,17]。然而,这些系统的复杂性和物理尺寸一直让他们很难安装,他们已被证明是不可靠的高温和振动环境如燃气轮机。

电容探针是一种固有的崎岖的设备,因此,过去一直是研究的主题。Barranger [18)描述了一种调频capacitance-based测量系统的改进,利用电容probe-to-blade-tip电容谐振电感、电容和电阻电路(一个振荡器)。振荡器的输出频率测量电容的一个功能。的主要缺点Barranger的18]系统探测器的连接电缆电容是典型的岩溶塌陷的订单大于1到10之间微微法拉电容探针和叶尖。甚至在探测器温度变化相对较小,连接电缆导致电容的变化数据,做一个可靠的平均叶片tip-to-casing间隙测量困难。

Knoell et al。19)开发了一种直流(DC)极化电容探针使用一个警卫电极布置温度效应降至最低。这个系统仍然遭受温度漂移,此外,只适用于压缩机由于其易感性”火焰噪声。“离开燃烧室燃烧燃烧过程电离化产品。电离气体吸引带电板组成的正面直流极化电容探针。电离气体的结果是传感器注册一个不稳定的电信号,它不与任何物理变化在套管叶尖间隙的大小。信号的变化发生电离燃烧产品的结果,和构成不必要的噪声,通常称为火焰噪声。

2。调频电容探测器工作原理

奇弗斯(1调频电容探针,与Barranger的(18)系统,利用一个“推动屏幕”来克服探针和连接电缆电容的问题。基本的调频电容探针系统,图2,包括一个探测器,它整合了一个振荡器和放大器和一个地面站,其中包括一个解调器RMS电压表。这RMS电压表提供了一个输出电压与平均叶尖间隙通过校准。奇弗斯(1)详细描述了探测传感器、振荡器和保护放大器;因此,我们只会触及他们短暂。

探针传感器形式一个盘子振荡器的电容器连接到其他组件的振荡器通过三轴的中心电线电缆。振荡器的功能是对电容的变化,出现叶片传递的结果。反应的不同振荡器输出频率,使其对应的瞬时测量电容探针小费。奇弗斯(1)选择了一个哈特振荡器设计操作的最佳频率10 MHz。

卫兵放大器的功能是确保内部屏幕之间的电压的三轴电缆和导线中心为零,与外部屏幕连接到地面。推理是探针的起源和连接电缆电容,它主要是电缆的电容。为了内心的屏幕中心的电容充电线电容发生,两者之间必须有电压差。通过驱动三轴电缆的内部屏幕中心钢丝一样的瞬时电压;的连接电缆电容不再是一个部分之间的电容测量探测传感器和叶尖。在实践中,警卫放大器由一个单位增益放大器能够驱动无功负载由警卫的总电容屏。

奇弗斯(1)原始警卫队放大器设计是当前有限。的最大电容无功负载可以驱动180 pF 10 MHz,相当于大约160毫米的矿物绝缘电缆。在驱动的屏幕配置中,奇弗斯(1)引用的减少明显的电容180 pF 1.8 pF,之间的电容探头尖端与叶片不同从1 pF 10 pF。Sheard et al。2)能够开发奇弗斯”(1原始设计,延长矿物绝缘电缆的最大长度,可以驱动5米。

地上站注册一个解调单元组成的压控振荡器、相位比较器。输出是一个瞬时电压频率的函数。由于频率的瞬时值是一个函数的探头尖端与叶片之间的电容,输出电压是电容的一个功能。解调单元的输出是一个脉冲序列,每一个脉冲函数的峰高之间的电容探针尖,每一刀。在奇弗斯(9)的研究中,他喂实时脉冲序列的RMS电压表和示波器。他利用RMS电压表测量平均间隙,和示波器查看脉冲序列。

3所示。叶片分析仪单元

当前研究的目的是测量在每个刀片间隙。这种方法需要测量每个脉冲的高度从解调器。叶片分析仪单元(BAU),图3,最初由Killeen et al。20.使用),它由以下子系统。脉冲序列提要峰值检测,持有和复位电路。这个寄存器的电压峰值的高度解调器然后喂成一个模拟数字转换器(A / D)。脉冲序列和测速信号反馈到叶片计数器,它注册最新的刀片的刀片数量。专用微处理器接收输出信号的A / D转换器和叶片计数器。

微处理器获得脉冲高度的A / D转换器从一个转速表脉冲下的一个完整的革命刃的光盘。微处理器比较获得的脉冲数与已知的阀瓣上的叶片数量。如果两个数是相同的,它假设没有错过的脉冲,脉冲的高度通过一个用户界面,它们产出的rs - 232格式的字符串叶片数和脉冲高度。

在目前的研究中,rs - 232的输出从用户界面提要到17岁rs - 232 ieee - 488转换器允许一台惠普电脑,数字4读取输出。基林等。20.)写一个软件包分析鲍起静的数据从测试设备和其他投入。

4所示。设备需求

鲍起静的除了基本的调频电容探针提供了一个方法,测量峰值电压解调器。因为每个峰的高度是一个函数的每个叶片和探针之间间隙,脉冲高度可能与在每个叶片叶尖间隙。为了评估的准确性刀片,刀片间隙测量,方法是必要的,以确定每个刀片的间隙在盘独立于电容探针。

第二,有一个需要电容探针的标定方法。工作期间,奇弗斯(9不仅]观察,调查/解调器组合确定绝对间隙对系统输出,但也是一个几何形状的函数。在这种背景下,奇弗斯(9]“几何”效应定义为包括基础物理因素影响的绝对值电容测量,如测量转子叶尖厚度和测量探头传感器电极的区域。此外,奇弗斯(9)发现叶片的角度提示发动机轴(交错角)和相对叶片间距(mark空间比率)影响校准。

目前的研究主要是建立一个调频电容探针的绝对精度可以测量在单独的刀片间隙。为了消除几何和温度影响,所需的设施设计在线电容探针校准功能,所以可以立即执行校准之前测量叶尖间隙。

5。设备描述

完整的压气机或涡轮阶段并不需要调频电容探针性能的实验室研究。一个小旋转钻机的设计,人物5,包括主要是不可或缺的空气马达和刃的轮。车轮几何复制一个完整规模的压缩机,在足够小的可用的空气供应,表1。空气马达纯粹是机械设备和不产生电噪音的一个同事大型电动机的旋转线圈和磁铁。

校准的间隙的电容探针和测量每一个叶片使用调频电容探针之外的一个方法是通过使用一种新型traverse-and-touch系统。遍历系统使用,Sheard et al。21详细描述,作为一个平台来挂载电容探针。遍历系统由精密步进电机驱动的遍历致动器和主动控制系统。很多人,尤其是卡尔弗特et al。22),用遍历系统。Ginder [23)和Ginder et al。24)用它来进行区域遍历每个定子的背后通过six-stage压缩机设计和设计条件。

遍历电容探针的能力使其位置相对于旋转钻机的叶片随已知数量。每个叶片的长度在方向盘上出现了已知的数量相对于最长的叶片,表2。为了“基准”电容探测器相对于叶片,有必要建立它的位置相对于最长的叶片。这是通过不断检测导线与电容探针。Sheard和特纳4)描述这种方法,所以我们将描述这里只是短暂的。一个400伏适用于线导致的放电丝技巧是在一个小火花隙,通常几微米。触摸发生在最长的叶片。

在目前的研究中,触摸电线安装0.1毫米径向向内的电容探针,人物6。触摸检测时,电容探针之间的距离最长的叶片的尖端是0.1毫米。这显示每个叶片的长度相对最长的叶片。因此,它推动了电容探针之间的距离的计算,每个叶片的小费。进一步,当遍历致动器的电容探针通过一个已知量,电容探针之间的间隙仍然可以计算,每个刀片。通过这种方式,可以计算电容探针之间的间隙和叶尖位置,遵循“拉平”的调查。实验计划利用这个过程推导出已知的间隙。

旋转钻机的实际实现,图7,航空发动机尾气直接排放到隔音的测试单元,与遍历执行机构安装在车轮的住房。图8显示了一个近距离的电容和触摸探针对导线的夹紧装置执行机构载体。

6。实验计划

实验项目全线下跌分为两个阶段:(1)旋转钻井平台的调试和鲍起静和(2)建立的准确性在单个叶片电容探头可以测量间隙。

旋转钻机和鲍起静委托在10000 rpm,最大速度的连续操作旋转钻机可能是因为空气供给的限制。叶片通过频率在10000转4 KHz,认为高,不足以代表典型的压气机或涡轮的叶片通过频率。对钻机旋转叶片的电容探针开车直到线注册联系。电容探针的位置然后计算相对于每一个叶片,和独立鲍起静是用来记录每个叶片电容探针的输出。的电容探针然后后退0.1毫米使用导线致动器,并记录鲍起静输出了。这个过程被重复二十次,增加间隙最长的叶片2.10毫米,绘制已知的间隙在每个叶片对电容探针输出,数字9。

最小二乘法用于符合“1 /“距离曲线数据。标定误差是由减去已知的间隙,间隙的使用的校准,获得数据10,结果表明,校准了间隙在每个叶片的精度毫米/ 2.0毫米范围。而这个错误是与奇弗斯(9)观察,作者希望拉平电容探针对轮子的已知几何将消除许多因素导致奇弗斯(9整体误差)。

在比较短的距离里面造成,测量间隙小,电容探针的灵敏度很高。随着间隙增加灵敏度降低,直到2.0毫米的范围几乎没有探头输出变化与间隙的变化。我们可以合理地预期上升这一现象给结果误差随着间隙。这个结果没有见过(见图10)。错误是对叶片数如图改建11说明了。有一个清晰的正弦变化的叶片叶片的结果。轮子是用千分表检查。车轮运行mm反常地在其轴承导致电容探针的错误。

数据简化的软件修改计算每个叶片的抵消由于轴承偏心和减去从每个测量,消除轴承的误差的影响,图12。修正后的间隙是策划针对已知的间隙,人物13,明显减少散射。错误对间隙被改建,图14展示错误的预期趋势增加,增加间隙。错误的趋势是预期,精度毫米超过第一个毫米的探测的范围。旋转平台的调试和鲍起静结论是完整的,因此,第二阶段的实验工作可以开始。

主发动机试验和旋转钻机的区别是,一个不知道每个叶片的长度相对最长的叶片。第二,拉平的电容探针接触线假定叶片电导率,这可能并非如此与陶瓷热障涂层刀片。实验项目设计校正电容探针,然后测量间隙在每个叶片不碰最长的叶片或知道每个叶片的长度相对于它。使用下面的方法。旋转钻井速度稳定在10000转,和遍历驱动器移动直到电容探测器接近最长的叶片,但不感人。BAU最长的阅读叶片被记录下来,然后遍历执行机构用于一步调查前0.05毫米重复数据采集过程。探测器输出被谋害的位置,图15假设零间隙电容探针和叶尖第一个数据点。

最小二乘法用于适合曲线通过图中的数据15,假设一个方程的形式: 在哪里和是常数由曲线拟合,电容探针之间的距离和叶尖毫米,然后呢电容探测器输出电压。规定,电容器电容的物理方法应无穷电容器极板之间的距离的接近零。在这种情况下,因为未知的实际间隙,第一个数据点在图15被放置在零。的负面价值曲线趋向于无穷被假定为未知的第一个数据点之间的间隙和最长的叶片。因此,不断的迹象从消极到积极改变给实际的校准。

每个数据点的实际位置被发现后立即通过拉平电容探针实验。实际的数据点密切匹配校准曲线,图16信心,使电容探针用于校准的方法不用接触时间最长的叶片或知道每个叶片的长度相对最长的叶片。

一旦得到校准,BAU被用来获取探测器输出脉冲高度每一个叶片。知道每个叶片的长度最长相对于叶片,情节又一次可能的已知的间隙在每个叶片对探测器输出,数字17。这个图中显示间隙加上先前获得的校准曲线,说明两者之间的协议。错误计算了通过应用标定探测器输出电压,然后减去已知的间隙。由此产生的错误情节,人物18,只有二十4分,每个对应的间隙误差在一个旋转钻机轮叶片。间隙的测量探头没有知识的初始位置相对最长的叶片,没有知识,每个叶片的长度相对最长的叶片。

的错误毫米,图18足够低的刀片,刀片间隙测量方法提供有用的数据作为燃气轮机发展计划的一部分。电容探针和步进电机探针被作为单独的测量系统用于BR700发展燃气轮机(3]。因此,一个“混合”单元结合两个间隙测量系统和一个遍历致动器成一个单一的系统有可能被成功地应用于燃气轮机开发引擎压缩机和涡轮机环境。

7所示。进一步发展

Sheard et al。25)进一步细化调频电容探针系统标定方法,介绍了。Sheard和克林26)然后结合电容探针,触摸探针,并遍历致动器成单个混合单元,数字19开发一个电容探针,可以校准。原型装置遍历单元包含一个6毫米行程。

Sheard和克林27]然后评估原型装置压缩机试验台,拟合的原型单位Sheard和基林的26压缩机设备的最后阶段。与本文的研究工作,Sheard和克林27)确定转子偏心运行,在这种情况下毫米。Sheard和克林27)得出的结论是,这种程度的偏心与0.075毫米有条理的设计在轴承间隙。Sheard和克林27)成功地做了一个叶片的叶尖间隙测量。他们还测量了间隙超过最长的叶片在压缩机使用Sheard和特纳的(4步进电机探针。测量是在关闭协议在最长的叶片叶尖间隙的测量使用Sheard和基林的26)原型,因此作者认为叶片,叶片测量系统成功。

虽然叶片,叶片测量系统是成功的,读者应当记住,电容式刀片,刀片间隙测量方法只是一种方法,有其局限性。如前所述,电离离开燃烧室燃烧产品导致火焰噪声。火焰噪声可能被视为一个不稳定的误差源。第二个限制是叶片的轴向热运动相对于套管的运行。叶片拥有机翼的剖面形状和在一个引擎周期相对于套管轴向移动。电容探测器安装在套管,在不同的时间在一个引擎周期,将形成一个电容夫妇有不同的叶片的一部分。部分叶片有不同的横截面积的叶片几何的结果。探针的轴向位置的变化相对于叶片会因此导致叶尖间隙明显变化的稳态误差来源。

工程师可以避免上面的不稳定和稳态与光学间隙测量系统的误差来源,这种方法肯普et al。28)和Haffner et al。29日青睐。符合本文的焦点,肯普et al。28)和Haffner et al。29日)确定的好处在线测量系统的校准时刀片,刀片间隙的测量。肯普et al。30.]描述的初始实验室验证光学间隙测量系统及其应用阿尔斯通GT26涡轮机的第一阶段后面每个燃烧器。GT26利用顺序燃烧室系统独特的阿尔斯通GT24和GT26燃气涡轮机。最初的光学测量系统运行良好;然而,六小时后信噪比下降发现任何叶尖间隙。肯普et al。30.)由于信号噪声比的退化改变光纤的热行为在套管和涡轮机圈地。因此,有实际困难的可靠操作涡轮环境中的光学间隙测量系统。

虽然间隙测量系统提出了预期找到广泛应用在研究环境中叶尖间隙的叶片叶片测量主要关心的是,这并非如此。一些学者使用间隙测量系统的研究应用,特别是劳森(31日和罗森和艾维32]。他们使用的叶片叶片测量研究叶尖间隙,但叶尖定时。然而,间隙测量系统被证明是最有价值的开发应用程序。穆勒et al。3)的间隙测量系统在开发利用BR700燃气轮机使用电容探针压痕反对建立叶尖间隙的大小改变发动机转速变化引起的高压压缩机通过套管和旋转系统固有频率。穆勒的间隙测量的主要价值et al。3)报道,然而,解决瞬态平均叶尖间隙的变化发生在一步发动机转速变化的结果。穆勒et al。3)利用这短暂的间隙测量建立压缩机外壳的热时间常数除以每个压缩机阶段。

的主要成就,本文中描述的间隙测量系统,它克服了实际问题的叶片在压缩机和涡轮叶尖间隙测量环境。肯普的工作等。30.)所示,叶片的叶尖间隙测量涡轮在实际的应用程序是很困难的。初始开发以来,工程师们使用Sheard et al。2)间隙测量系统通常在燃气轮机开发项目。劳伦斯和Sheard固有的鲁棒性的6)传感器的概念,再加上Sheard et al。2矿物绝缘电缆和调频电子系统,证明了健壮和可靠的服务。然而,电容测量系统的固有限制依然存在。这些限制都是已知的和可预见的,因此最终在现实世界的应用程序管理。

8。结论

(1)测量间隙的电容探针研究能够在单个叶片的精度在0.0到1.0毫米毫米范围,在1.0到2.0毫米毫米范围内。(2)间隙的电容探针研究措施在单个叶片的精度mm时操作的方式类似于设想在燃气轮机压气机或涡轮安装操作。(3)校准的方法开发了电容探针立即使原位校准之前使用。这克服了传统电容探针geometry-induced错误问题,并与温度漂移。(4)叶片分析仪单元(BAU)最初由Killeen et al。20.)准确测量电容探针解调器输出电压峰值。这使得一个使用电容探针测量间隙在每一个叶片,而不是只有一个所有叶片的平均值。(5)研究给予信心,在燃气轮机工程师可以使用电容探针测量间隙在每个叶片压气机或涡轮阶段。这将促进套管和汽轮机振动的识别模式,允许更精确的计算平均叶尖间隙,并使工程师确定套管摩擦后最长的叶片长度的变化。

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