燃气轮机叶尖间隙测量技术研究

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叶尖间隙是影响燃气轮机性能的重要参数,叶尖间隙过大将导致发动机效率下降,甚至会引发喘振;叶尖间隙过小,将导致叶片与机匣间的摩擦,产生故障,影响燃气轮机运转安全。燃气轮机的涡轮是工作在高温、高压、大震动的环境中。因此,影响燃气轮机叶尖间隙的因素很多,它们包括由于离心力和热膨胀引起的轮盘和叶片的伸长;高温工作时引起的转子蠕变伸长和机匣的蠕变收缩;以及燃气轮机工况的转变都会对叶尖间隙造成影响。因此,对叶尖间隙进行实施在线测量十分必要。测量叶尖间隙的常用方法有放电探针法、电容测量法、电涡流法、超声波法、光纤法,这些方法各有优缺点。为了使叶尖间隙测量达到实用水平,本文采用激光三角测量法对叶尖间隙进行测量,这种方法可以不受叶片材质的影响,只要有足够的瞬态响应,可以连续测量叶尖间隙。激光三角测量系统由激光源、探头、光纤、同步传感器、线CCD摄像机、主机、监视器构成。测量时将激光源由光纤和汇聚透镜照射在叶尖端面上,运用线CCD摄像机接收散射光,在静态时对叶尖间隙的初始值进行标定,根据线CCD摄像机上成像点位置的变化,确定叶尖间隙的变化,从而给出叶尖间隙的值。本文主要完成叶尖间隙测量系统的搭建,通过线CCD采集到图像的光斑中心位置变化量对间隙进行测量。为了提高分辨力,采用亚像素技术,对光斑进行精确定位。分别采用了灰度质心法、多项式拟合法和多项式插值法,这些算法各有特点,在这些算法的基础上采用改进的多项式插值算法,有效的提高了光斑定位精度,从而提高了叶尖间隙测量系统的精度。最后,分析了被测叶尖端面特性和环境对测量精度的影响。本测量系统是通过收集激光光斑散射光场的能量来进行测量的,因此,被测叶尖端面的表面的粗糙度、颜色、材质等的不同,均会造成光斑散射场的变化,从而对测量精度产生影响;同时,由于燃气轮机工作在高温、高压、大震动的环境下,所以工作环境对叶尖间隙也会产生一定影响。通过试验,对叶尖间隙进行测量,并加入工作环境等因素所带来的影响进行测量,分析误差产生的原因,然后说明了为减小误差本测量系统应采取的措施。
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