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航空发动机叶尖动态间隙检测研究与实现

作　者: 袁熹
导　师: 古军
学　校: 电子科技大学
专　业: 测试计量技术与仪器
关键词: 叶尖间隙检测 调幅电容法 高速数据采集
分类号: V263.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


航空发动机叶尖动态间隙检测是航空发动机研制和维护的重要组成部分。为了尽可能提高航空发动机的工作效率,研究人员开展了很多工作。其中,调整发动机转子叶尖间隙的距离就是提升其性能的主要方法之一。然而,叶尖间隙过大会降低发动机的工作效率,甚至引起发动机喘振,造成发动机损伤;间隙减小虽然能减少工作介质泄露,提高工作效率,但是过小的叶尖间隙会导致叶尖与机闸相互磨损碰撞,进而影响发动机的安全性和可靠性,严重时会导致发动机损坏,造成大量的经济损失,甚至威胁到人身安全。正因如此,设置合适的叶尖间隙对发动机性能参数至关重要。另一方面,实时地检测叶尖动态间隙变化,也成为发动机健康管理项目中对发动机运行状态检测的重要内容。发动机叶尖间隙检测通常采用的方法有光纤法、电涡流法、微波法、调频电容法等等,而本项目是基于调幅电容法对发动机叶尖间隙动态检测的尝试,通过较高频率的模拟电路及高速数据采集系统来提取模拟出的叶尖间隙电容上电压幅度的变化(模拟发动机转速12000转/分)。在研究过程中,通过设置在精确时间内对叶尖间隙电容进行精确充放电,然后通过搭建的信号提取及调理电路将间隙电容上电压的变化量输出,后端通过CPLD编写的逻辑来控制模数转换器、高速存储器和上位机接口协调工作。经过大量实验和调试工作,最终实现了对电容上电压幅度变化量的提取,论证了调幅电容法在发动机叶尖间隙检测中可行。然而,为了方便前期的调试工作,系统模拟部分的控制逻辑是由多个数字芯片搭建而成,当工作在高频信号时,信号波形有一定失真,这直接导致电容两端的电压输出值与理想值有一定差距。在后期的改进中,该部分控制电路与数模转换器、RAM的控制逻辑一样应被设计在CPLD中,由此能大幅提高系统的检测精度。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-15
  1.1 课题研究背景及研究意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-13
    1.2.1 国外研究现状  10-12
    1.2.2 国内研究成果  12-13
  1.3 本文主要研究内容  13-14
  1.4 论文结构安排  14
  1.5 本章小结  14-15
第二章 发动机叶尖动态间隙检测技术原理及系统组成  15-22
  2.1 叶尖动态间隙检测技术概述  15-17
  2.2 数据采集系统概述  17-19
  2.3 叶尖动态间隙检测原理  19-20
  2.4 叶尖动态间隙检测系统设计  20-21
    2.4.1 叶尖动态间隙检测系统构架  20-21
    2.4.2 关键技术分解  21
  2.5 本章小结  21-22
第三章 叶尖动态间隙检测系统模拟部分实现  22-47
  3.1 电容传感器设计  22-32
    3.1.1 调幅式电容传感器构架  22-23
    3.1.2 高速运放选择  23-27
      3.1.2.1 VFB 型运放 AD8034 结构  23-25
      3.1.2.2 CFB 型运放 AD843 结构  25-26
      3.1.2.3 运放比较与选择  26-27
    3.1.3 叶尖间隙电容模拟  27-29
    3.1.4 充放电电路设计  29-32
      3.1.4.1 充放电电路原理  29-31
      3.1.4.2 实验数据分析  31-32
  3.2 电容式传感器前置放大级电路设计  32-36
  3.3 采样保持电路设计  36-38
  3.4 滤波电路设计  38-40
  3.5 模拟部分 PCB 设计及实现  40-42
    3.5.1 PCB 简述  40
    3.5.2 系统 PCB 设计  40-42
      3.5.2.1 高速电路设计方法简述  40-41
      3.5.2.2 系统PCB 设计  41-42
  3.6 系统逻辑电路与时序设计  42-44
  3.7 实验波形及分析  44-46
  3.8 本章小结  46-47
第四章 叶尖动态间隙检测系统数字部分实现  47-64
  4.1 高速数据采集电路设计与实现  47-53
    4.1.1 高速数据采集设计方案  47-49
    4.1.2 A/D 转换器工作原理及芯片选型  49-51
    4.1.3 ADC 驱动放大级设计  51-52
    4.1.4 转换电路实现  52-53
  4.2 高速数据存储系统设计  53-58
    4.2.1 CPLD 概述及芯片选择  53-54
    4.2.2 存储器芯片选择  54-56
    4.2.3 系统存储逻辑仿真及实现  56-58
  4.3 EPP 接口电路设计  58-63
    4.3.1 EPP 信号特性及端口寄存器定义  59-60
    4.3.2 逻辑控制与设计  60-63
  4.4 本章小结  63-64
第五章 结论及展望  64-67
  5.1 电路设计与制作的总结  64-65
    5.1.1 关于波形失真及系统噪声  64-65
    5.1.2 关于运放的保护  65
    5.1.3 关于系统测试  65
  5.2 叶尖间隙检测系统的研究展望  65-66
  5.3 本章小结  66-67
致谢  67-68
参考文献  68-70
攻硕期间取得的研究成果  70-71

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空制造工艺 > 航空发动机制造 > 故障分析及排除
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