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光纤束传感器在涡轮钻机中对叶尖间隙和叶尖时序的测量 摘要：当涉及到涡轮叶尖间隙或叶尖时序的测量，反射强度调制光纤传感器克服 了容性，感性或放电探测传感器的一些传统限制。本文给出了超音速风洞试验中 得到的相对应多级涡轮机钻机的第三阶段的信号和结果。该探测器是基于一个三 分叉的被安装在涡轮机壳体上的光纤束。为了消除光源强度变化和叶片表面的反 射率的影响，检测原理是基于两个接收束引脚得到的电压的商数。相对于商业传 感器，在叶尖间隙测量中可以观测到低于3％的偏差。关于叶尖时序的测量，行 波频谱为所有叶片在一个特定的节径提供平均振动幅度。通过这种方法，叶尖时 序和叶尖间隙的测量可以同步进行。在被测涡轮钻机上获得的结果表明了所使用 的传感器类型的适宜性和可靠性，并且对实际工作条件下在真实的涡轮机中执行 这些测量的可能性提出了建议。 关键词：光纤束；实际工作条件下测量；叶尖间隙；叶尖时序；涡轮 1 介绍 叶尖时序（BTT）和叶尖间隙（TC）是涡轮机工程中的两个关键参数，因 为他们的测量和优化将带来更有效，安全，可靠的引擎[1]。 BTT 是一种叶片振 动测量技术，它使用实际叶片和理论叶片到达时间的差异来计算叶片的振幅。 BTT 技术在 70年代进行了开创性的工作，与该技术有关的充足的研究也在过去 的四十年中制定并公布了。按时间顺序排列，这些作品中的一些例子可以在参考 文献[2-11]中找到。叶片振动的测量对于评估涡轮机操作和预测由于疲劳引起的 叶片故障是至关重要的[12]。叶片振动可能是由于不同的原因。比如，燃烧室或 定子可能引起转子叶片同步响应，甚至在机壳或进气几何的违规操作产生的非常 规的压力分布也会导致转子叶片同步响应。相比之下，旋转失速或不利流叶片与 负气动阻尼的相互作用可能会引起非同步的响应，例如自我持续的空气动力学不 稳定形成的颤振。为了预测叶片的寿命和防止可能导致巨大的维修成本或甚至引 擎破坏而引起的受损，廉价并且有效的叶片振动系统是必要的。BTT 技术满足 这两方面的要求检测所有叶片的振动。  叶片振动通常用应变计测量。只要它们的质量影响是微不足道的，这些器件 就可以使用。装在叶片上的仪表只为叶片提供结果，来自仪表的信号通过遥测或 滑环被传送。尽管他们经过验证是适宜的，应变计还是需要相当多的仪器，其使 用被限制在一些涡轮叶片，这些叶片处于物理接触。第二个标准方法是频率调制 的网格系统[13]。这种方法是基于附着在一些叶片前端的小永久磁铁，其引起安 装在壳体中的导线产生电磁电压。其缺点和应变仪相似[14]。  对于 TC，它被定义为叶尖和引擎罩壳间的距离，其值通常是 2-3 毫米。此   1  距离是决定引擎效率的因素之一，因为后者随着 TC 减小而增长。高 TC 允许一 定量空气流动而没有产生有用功，然而小的间隙可能把引擎完全的暴露在风险 中。TC减少 0.25毫米相当于减少特定燃料消耗 1％，降低废气温度 10°C [15]。 因此，引擎工作在较低的温度，而且它的组件的生命周期增长了。除了经济效益 航空器噪声和排放也减少了，这意味着额外的环保优势。  对于 TC 的测量，传统方法使用电容，涡流和放电探测传感器。电容式传感 器简单，便宜，但是它们有不良的频率响应并且要求铁质叶片。涡流传感器提供 非接触式测量，但是涡轮引擎的磁干扰影响它们的输出。此外，他们还需要事先 进行校准，因为它们高度依赖于尖端的形状和温度[16]。最后，放电探针以同样 的方式作为电涡流传感器，需要导电叶片，而且他们只能测量最短间隙。相反 光纤传感器提供小尺寸和简单，非接触式的测量，有简单的仪器，高的灵敏度 分辨率和带宽，对电磁干扰不敏感并且可以测量每个叶片[17]。在本文中，我们 将使用光纤束传感器来展示 BTT 和 TC 的测量结果。  2 实验部分 所有的测试和测量在航空技术中心（CTA）的设施举行，在一个带有 146个 叶片的转子的涡轮钻机中执行。传感器的主要组成部分是一个三分叉的光纤束 （由 Fiberguide 工业有限公司根据我们的要求特别制造，美国新泽西州 Stirling 市）。图 1所示的束结构：它的长度是 3m，由多模玻璃光纤组成。光纤的工作温 度范围从-190 到 350°C，而在测量过程中的最高温度达到了 .1°C。