本发明涉及叶尖间隙测量领域，尤其涉及一种带内部冷却流道的电容式叶尖间隙传感器及冷却流道设计方法。
背景技术：
1、航空发动机转子叶片顶端与机匣内壁之间的微小距离称为叶尖间隙，是影响发动机机械性能的重要参数之一。减小叶尖间隙能够降低燃油消耗率，显著提高运行效率，但过小的叶尖间隙值会导致叶片与机匣的碰摩，严重危害发动机运行安全。因此，叶尖间隙测量技术对提高航空发动机性能、保障安全运行具有重要的意义。
2、目前，成熟的叶尖间隙测量方法有放电探针法、激光三角法、光纤束法、电涡流法、电容法和微波法，其中，电容法适用于高温、高压等恶劣环境，响应速度快，可靠性较好，广泛应用于叶尖间隙的工程试验测试。然而，现代航空发动机高推重比、高效率等性能需求促使涡轮进口温度逐步提高，叶尖间隙传感器的工作环境越来越恶劣，已经达到了传感器设计材料所能承受的极限。
3、针对极端高温工作环境，国外tyco公司研制了一款带冷却槽的电容传感器，由外部通入的冷却气体经传感器表面的冷却槽进入机匣内部，有效降低传感器端面附近的环境温度，该传感器设计耐温为1400℃，能够满足大部分航空发动机的叶尖间隙测量需求。但是，这种方法直接将外部冷却气体引入到机匣内部，破坏了航空发动机内部原始工作环境，同时，涡轮内部压力可达3mpa以上，传感器表面的冷却槽增添了高温、高压燃气进入发动机冷端部件的危险。
技术实现思路
1、本发明的目的是克服现有技术中传感器材料的耐温性能不足，传感器的冷却结构将外部冷却气体引入到机匣内部，破坏航空发动机内部原始工作环境，增添高温、高压燃气进入发动机冷端部件危险等缺点，提供一种适用于极端高温工作环境，能够实现冷却气体与外部燃气环境隔离的带内部冷却流道的电容式叶尖间隙传感器及冷却流道设计方法。
2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
3、一种带冷却流道的电容式叶尖间隙传感器，安装在航空发动机的机匣壁上，机匣内安装有旋转叶片，电容式叶尖间隙传感器包括传感器探头、线缆和安装座，传感器探头包括传感器芯极、外金属层、绝缘层、尾部顶环，所述安装座上设置有安装法兰，所述安装座通过所述安装法兰固定在航空发动机的机匣壁上，所述安装座中部设有通孔，所述通孔内壁上设置有所述外金属层，所述外金属层和内壁之间形成有环形密闭空腔；所述环形密闭空腔两侧的安装座上分别相对称的设有进气流道和出气流道，所述进气流道的进气孔连接有进气管，出气流道的出气孔连接有出气管，所述外金属层内设置有绝缘层，所述绝缘层中安装有所述传感器芯极，所述绝缘层尾部设有与外金属层固接的尾部顶环，所述尾部顶环的中部与线缆的金属外屏蔽层连接，线缆的芯极与所述传感器芯极连接。
4、进一步的，位于机匣内壁侧的安装座向通孔中心方向凸出的设有凸台，位于机匣外壁侧的外金属层上设有法兰盘，所述凸台和外金属层的外壁连接，外金属层的法兰盘和安装座的内壁连接形成所述环形密闭空腔。
5、进一步的，所述传感器芯极靠近旋转叶片的一侧设有直径变大的圆台，以锁紧绝缘层，防止绝缘层脱落进入机匣内部引发危险。
6、进一步的，所述绝缘层采用纯度大于95%的陶瓷材料，绝缘层与传感器芯极、外金属层之间通过机械配合连接。
7、进一步的，所述外金属层用于屏蔽信号干扰和保护绝缘层。
8、进一步的，尾部顶环起到压紧绝缘层、固定线缆和保护传感器芯极与线缆芯极焊点的作用，尾部顶环与外金属层、线缆的金属外屏蔽层通过焊接固定。
9、进一步的，线缆选用同轴缆或者三同轴缆。
10、进一步的，环形密闭空腔作为冷却气体的流道，冷却气体在环形密闭空腔内旋转一圈后排出，通过对流换热带走了叶尖间隙传感器外金属层上的热量；安装座与外金属层通过焊接连接，确保了冷却气体流道的密封性，防止冷却气体外泄；进气流道和出气流道的内部设有弯道，进气流道的出口处指向外金属层的壁面，使得由进气流道进入环形密闭空腔的冷却气体冲击冷却传感器探头，提高冷却气体的换热效率。
11、进一步的，进气管与出气管选用不锈钢金属管或者不锈钢金属软管，通过焊接与安装座连接，进气管与出气管的内径尺寸与进气流道和出气流道的尺寸一致。
12、本发明还提供一种冷却流道的设计方法，基于上述带冷却流道的电容式叶尖间隙传感器，冷却流道包括进气流道和出气流道，包括：
13、s1.确定安装座外形尺寸；
14、设定r1为外金属层的外径，r2为外金属层的法兰盘外径；安装法兰外径r2>安装座外径r1；安装座长度h≤机匣厚度l；
15、凸台厚度b存在最小值bmin：
16、；
17、其中，pin为环形密闭空腔内冷却气体压力；pout为叶尖间隙传感器工作环境压力；k1为安全裕度，k1>1；[τ]为安装座材料的许用切应力，通过查询材料手册获取相应[τ]值；
18、设进气孔和出气孔的直径均为a，a<r1-r2；
19、进气流道和出气流道内均设有弯道，以使得气体径直冲击外金属层，提高传感器探头的换热效率；弯道的角度α为：
20、；
21、s2.确定冷却介质；
22、s3.数值模拟仿真；
23、采用数值模拟仿真软件，增加冷却介质的体积流量，比较传感器探头的端面及中轴线上的温度变化；若仿真结果中，传感器探头端面温度均低于相应材料的最高使用温度，叶尖间隙传感器中轴线上的芯极、线缆及焊点温度也均低于相应的最高使用温度，则对应的体积流量为理想体积流量；
24、s4.实验室环境下的高温实验验证
25、以高温炉为加热源，搭建实验室环境下的传感器高温实验验证平台；在电容式叶尖间隙传感器中通入理想体积流量的冷却介质，升高高温炉的炉膛温度至电容式叶尖间隙传感器工作环境温度，实时监测电容式叶尖间隙传感器的漏电容和漏电阻信号，若在实验过程中漏电容和漏电阻均处于叶尖间隙测量系统可补偿范围内，电容式叶尖间隙传感器冷却后外观无破损变形和氧化现象，将电容式叶尖间隙传感器安装到旋转台上能够看到间隙波形，则该电容式叶尖间隙传感器满足≥1400℃的工作环境要求。
26、s5. 定型带内部冷却流道的电容式叶尖间隙传感器。
27、与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
28、1.提高耐高温性能：本发明通过改进传感器材料和冷却结构，克服了现有技术中电容式叶尖间隙传感器在极端高温环境下无法长期稳定工作的局限，保证传感器在高温条件下的正常运行，能够实现叶尖间隙的实时精确测量。
29、2.保护航空发动机原始工作环境：本发明设计了内部冷却流道，冷却气体在流道内封闭循环，不直接接触机匣内部，避免了外部冷却气体进入发动机机匣，从而保持了发动机内部工作环境的稳定性和安全性，避免高温、高压燃气进入冷端部件。
30、3.模块化设计，降低成本：通过在现有电容式叶尖间隙传感器基础上增加内部冷却流道的安装座，传感器的冷却结构实现了模块化设计，满足了部件的标准化需求，方便现有传感器的适配与改造，降低了生产成本，减少了用户的使用复杂性。
31、4.灵活设计，适应多种环境：根据用户需求和使用环境，传感器的冷却介质和安装座尺寸可以灵活调整，既可使用氮气或惰性气体等冷却介质以提高冷却效果，又可根据安装空间和传感器工作温度灵活调整设计，从而能够应对不同恶劣环境下的叶尖间隙测量需求。
32、综上，本发明在高温环境下实现了传感器的可靠测量性能，同时维护了发动机内部的环境稳定性，具有模块化、灵活设计等优点，满足了多种实际工程应用的需求。
1.一种带冷却流道的电容式叶尖间隙传感器，安装在航空发动机的机匣壁上，机匣内安装有旋转叶片，其特征在于，电容式叶尖间隙传感器包括传感器探头、线缆和安装座，传感器探头包括传感器芯极、外金属层、绝缘层、尾部顶环，所述安装座上设置有安装法兰，所述安装座通过所述安装法兰固定在航空发动机的机匣壁上，所述安装座中部设有通孔，所述通孔内壁上设置有所述外金属层，所述外金属层和内壁之间形成有环形密闭空腔；所述环形密闭空腔两侧的安装座上分别相对称的设有进气流道和出气流道，所述进气流道的进气孔连接有进气管，出气流道的出气孔连接有出气管，所述外金属层内设置有绝缘层，所述绝缘层中安装有所述传感器芯极，绝缘层的尾部设有与外金属层固接的尾部顶环，所述尾部顶环的中部与线缆的金属外屏蔽层连接，线缆的芯极与所述传感器芯极连接。
2.根据权利要求1所述一种带冷却流道的电容式叶尖间隙传感器，其特征在于，位于机匣内壁侧的安装座向通孔中心方向凸出的设有凸台，位于机匣外壁侧的外金属层上设有法兰盘，所述凸台和外金属层的外壁连接，外金属层的法兰盘和安装座的内壁连接形成所述环形密闭空腔。
3.根据权利要求1所述一种带冷却流道的电容式叶尖间隙传感器，其特征在于，所述传感器芯极靠近旋转叶片的一侧设有直径变大的圆台，以锁紧绝缘层，防止绝缘层脱落进入机匣内部引发危险。
4.根据权利要求1所述一种带冷却流道的电容式叶尖间隙传感器，其特征在于，所述绝缘层采用纯度大于95%的陶瓷材料，绝缘层与传感器芯极、外金属层之间通过机械配合连接。
5.根据权利要求1所述一种带冷却流道的电容式叶尖间隙传感器，其特征在于，所述外金属层用于屏蔽信号干扰和保护绝缘层。
6.根据权利要求1所述一种带冷却流道的电容式叶尖间隙传感器，其特征在于，尾部顶环起到压紧绝缘层、固定线缆和保护传感器芯极与线缆芯极焊点的作用，尾部顶环与外金属层、线缆的金属外屏蔽层通过焊接固定。
7.根据权利要求1所述一种带冷却流道的电容式叶尖间隙传感器，其特征在于，线缆选用同轴缆或者三同轴缆。
8.根据权利要求1所述一种带冷却流道的电容式叶尖间隙传感器，其特征在于，环形密闭空腔作为冷却气体的流道，冷却气体在环形密闭空腔内旋转一圈后排出，通过对流换热带走了叶尖间隙传感器外金属层上的热量；安装座与外金属层通过焊接连接，确保了冷却气体流道的密封性，防止冷却气体外泄；进气流道和出气流道的内部设有弯道，进气流道的出口处指向外金属层的壁面，使得由进气流道进入环形密闭空腔的冷却气体冲击冷却传感器探头，提高冷却气体的换热效率。
9.根据权利要求1所述一种带冷却流道的电容式叶尖间隙传感器，其特征在于，进气管与出气管选用不锈钢金属管或者不锈钢金属软管，通过焊接与安装座连接，进气管与出气管的内径尺寸与进气流道和出气流道的尺寸一致。
10.一种冷却流道的设计方法，基于权利要求1-9任意一项所述带冷却流道的电容式叶尖间隙传感器，冷却流道包括进气流道和出气流道，其特征在于，
