燃气轮机叶尖间隙测量技术研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题研究的背景
• 1.2 国内外叶尖间隙测量技术的研究现状
• 1.3 各种方法的评价与选择
• 1.4 论文的研究内容及章节安排
• 第2章 激光三角测量系统原理
• 2.1 激光三角测量法的原理
• 2.1.1 直射式激光三角测量法
• 2.1.2 斜射式激光三角测量法
• 2.1.3 直射式与斜射式之间的比较
• 2.2 光电检测元件的选择
• 2.2.1 CCD的基本工作原理
• 2.2.2 位置感应探测器PSD的原理
• 2.2.3 CCD器件和PSD器件的对比
• 2.3 本章小结
• 第3章 叶尖间隙测量系统设计
• 3.1 影响叶尖间隙的因素
• 3.2 系统设计要求
• 3.3 系统结构
• 3.4 系统各部分构成
• 3.4.1 激光源
• 3.4.2 光纤束和汇聚透镜
• 3.4.3 线CCD元件的选择
• 3.4.4 叶端定时传感器
• 3.5 试验系统搭建
• 3.6 本章小结
• 第4章 叶尖间隙的测量
• 4.1 光斑中心定位方法
• 4.1.1 图像的平滑处理
• 4.1.2 选取门限粗略定位光斑中心位置
• 4.1.3 运用亚像素技术精确定位光斑中心
• 4.1.4 光斑中心定位算法选择
• 4.2 叶尖间隙测量标定
• 4.3 叶尖间隙测量系统的精度
• 4.4 叶尖间隙的动态测量
• 4.5 本章小结
• 第5章 实验系统误差分析
• 5.1 测量系统本身对测量精度的影响
• 5.2 光源对测量精度的影响
• 5.2.1 测量系统的发射光强对测量精度的影响
• 5.2.2 光束直径对测量精度影响
• 5.3 测量环境对测量精度影响
• 5.4 被测表面对测量精度的影响
• 5.4.1 被测表面的粗糙度与光泽
• 5.4.2 被测表面颜色的变化
• 5.4.3 其它被测表面的特性对测量精度的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的研究成果
• 致谢