CN102967377A - 一种旋转叶片表面温度非接触式测量定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种旋转叶片表面温度非接触式测量定位装置，主要包括测量旋转叶片表面温度的光纤比色测温系统和测量旋转叶片相对位移变化信息的反射补偿型光纤位移测量系统；光纤比色测温系统和反射补偿型光纤位移测量系统均分别连接同步/异步触发装置和数据采集仪，同步/异步触发装置连接至数据采集仪，同步/异步触发装置和数据采集仪连接计算机。本发明还公开了利用上述装置进行测量定位的方法。本发明可以在高温下对高速旋转叶片表面的温度进行测量，并得到叶片表面温度具体分布位置，为旋转叶片的叶型及冷却结构设计提供必需的数据，并可实时在线监控温度变化特性，提前预防运行中的燃气轮机可能出现叶片烧蚀等严重故障。

Description

一种旋转叶片表面温度非接触式测量定位方法及装置

技术领域

本发明涉及一种高温高速旋转叶片表面温度非接触式测量定位方法。

本发明还涉及一种实现上述方法的测量定位方法装置。

背景技术

燃气轮机作为一种新型动力装置，在国民经济与国防建设的众多领域发挥着极为重要的作用。在陆用发电领域，燃气轮机发电设备装机容量日益增长，在舰船动力领域，研发大功率燃气轮机已成为发展的主流，在现代航空领域，燃气轮机是各种军用与民用飞机的首选动力装置。作为燃气轮机关键部件之一的涡轮是将燃气可用热能转换为机械动能的重要热端部件，涡轮叶片包括导向叶片和工作叶片。实际运行时导向叶片是静止的，工作叶片是旋转的。基于动力性能提高的迫切需要，涡轮进口温度不断提高，已远高于材料的熔点，为保证涡轮叶片能在高于材料熔点的高温环境下安全可靠工作，必须对其进行高效冷却，而准确测量与掌握涡轮叶片表面温度分布是涡轮叶片叶型及其冷却结构设计的重要依据。目前，关于导向叶片(静叶)表面温度测量的研究较多；而对于工作叶片(动叶)，由于处于高速旋转状态和高温恶劣环境下，对其表面温度的测量非常困难，对测量仪器的性能也提出了更高的要求。

目前，高速旋转部件表面温度测量一般采用接触式测量方法，主要是将热电偶埋覆在叶片表面进行测量，可以将温度测点准确定位，由于叶片的高速旋转，接触式测量信号的引出是其发展的瓶颈问题。高速旋转叶片接触式测量信号引出常用方法有滑环引电法和数字旋转遥测系统，滑环引电装置是采用了物理接触将信号引出，需要动静接触环面的接触摩擦，对滑环的材料及加工精度要求很高，由于采用动静结合面将信号导出，信号传输容易受干扰，且很难做到高转速长寿命的滑环。而数字旋转遥测技术采用的是非接触式信号传输方式，需要内部的一些电路设计，抗电磁干扰差，对工作环境要求较高。而且接触式测温采用了埋覆热电偶的方法测量叶片表面温度，传感器布置数量和布置方式都会对测量结果有一定影响，过多的测点会影响叶片材料的均匀性，而且需要根据具体试验结构进行研制，专用性强，尤其是维护检修非常不方便。非接触式光纤比色测温由于受中间介质(如水蒸气、二氧化碳和灰尘等)的影响较小，具有较高的精度，而且光纤本身具有质量小、截面小、灵敏度高以及抗电磁干扰等，特别适合于狭窄空间内的较高温度测量，适合于较高温度的非接触式测量，且对被测量物体无任何损害，从而受到世界各国科技人员的高度重视。虽然目前国外已有应用于旋转涡轮叶片表面温度测量的非接触式光纤测温系统，但不能将所测温度进行定位。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对高温高速旋转叶片表面温度的非接触式测量定位装置。

本发明的又一目的在于提供一种利用上述装置进行测量定位的方法。

为实现上述目的，本发明提供的旋转叶片表面温度非接触式测量定位装置，主要包括：

测量旋转叶片表面温度的光纤比色测温系统和测量旋转叶片相对位移变化信息的反射补偿型光纤位移测量系统；其中：

光纤比色测温系统的结构为：

透镜和光纤温度探头连接光纤束，光纤束分为两束，第一束光纤对应第一滤光片，第一滤光片的光路上安装有第一光电转换部件；

第二束光纤对应第二滤光片，第二滤光片的光路上安装有第二光电转换部件；

反射补偿型光纤位移测量系统的结构为：

透镜和光纤探头连接光纤束，光纤束包括发射光纤、信号光纤和参考光纤；

发射光纤与一光源的光路上安装有滤光镜；

信号光纤对应第三滤光片，第三滤光片的光路上安装有第三光电转换部件；

参考光纤对应第四滤光片，第四滤光片的光路上安装有第四光电转换部件；

信号光纤与发射光纤之间的间距与参考光纤与发射光纤之间的间距不相等；

光纤比色测温系统和反射补偿型光纤位移测量系统均分别连接同步/异步触发装置和数据采集仪，同步/异步触发装置连接至数据采集仪，同步/异步触发装置和数据采集仪连接计算机。

所述的旋转叶片表面温度非接触式测量定位装置，其中，光纤比色测温部分设有多套。

本发明提供的利用上述旋转叶片表面温度非接触式测量定位装置进行测量定位的方法，首先由计算机发出数据测量、采集记录指令给同步/异步触发装置，分别触发反射补偿型光纤位移测量系统、光纤比色测温系统和数据采集仪开始工作：

旋转叶片的辐射光能通过透镜和光纤温度探头后进入光纤束，然后光纤束分为两路，分别经过第一滤光片和第二滤光片对两束光进行滤波，获得测温用波长为λ₁和λ₂的光辐射能，再分别经过第一光电转换部件和第二光电转换部件获得波长为λ₁和λ₂的光辐射能对应的电压或电流信号，该电压或电流信号通过数据采集仪进行采集记录并输入计算机进行处理，获得旋转叶片表面的温度；

光源产生的光束经过滤光镜后获得测量位移所需波长λ₃的光能进入发射光纤，并通过光纤束、光纤探头和透镜发射到旋转叶片表面，由旋转叶片表面反射的光再经过透镜和光纤探头进入光纤束中的信号光纤和参考光纤，信号光纤经第三滤光片、参考光纤经第四滤光片得到波长为λ₃的光辐射能，然后分别经过第三光电转换部件和第四光电转换部件获得信号光纤与参考光纤波长λ₃光辐射能对应的电压或电流信号，信号光纤和参考光纤的两路电压或电流信号经过数据采集仪进行数据采集存记录并输入计算机进行处理，获得光纤探头与旋转叶片表面之间的相对距离变化信息。

所述的方法，其中，反射补偿型光纤位移测量系统与光纤比色测温系统是同步或异步启动。

所述的方法，其中，反射补偿型光纤位移测量系统的响应时间小于5微妙。

所述的方法，其中，测量位移的波长λ₃要远离测温用波长λ₁和λ₂的区间。

本发明具有以下优点：

1)本装置可以用于高温环境下的部件表面温度测量；

2)本装置可以用于高速旋转部件的表面温度测量；

3)本装置可以将所测温度与旋转叶片表面位置对应；

4)本装置除了需要在某旋转叶片加工定位面外，不会对被测表面产生任何影响，不影响流场整体分布和材料的均匀性；

5)本装置采用比色测温，测量结果受中间介质(如水蒸气、二氧化碳和灰尘等)影响较小，适于恶劣环境下温度测量；

6)本装置采用了光纤技术，灵敏度高、抗电磁干扰；

7)本装置各部件更换及维护非常方便，不需要对燃气轮机内部进行拆卸操作；可以不停机更换维修。

8)本装置对光纤温度测量的响应时间要求较低，可以低于旋转叶片的转动周期。

附图说明

图1是本发明中光纤比色测温系统光路原理图。

图2是本发明中反射补偿型光纤位移测量系统光路原理图。

图3是本发明测量定位装置的原理图。

具体实施方式：

本发明可以在高温下对高速旋转叶片表面的温度进行测量，并得到叶片表面温度具体分布位置，为旋转叶片的叶型及冷却结构设计提供必需的数据，并可实时在线监控温度变化特性，提前预防运行中的燃气轮机可能出现叶片烧蚀等严重故障。

以下结合附图对本发明的技术方案作详细描述。

图1为本发明中的光纤比色测温系统17的工作原理图，高温部件辐射光能通过透镜1和光纤温度探头2后进入光纤束3，然后光纤束分为两路，分别采用滤光片4和5对两束光进行滤波，获得所选特征波长为λ₁和λ₂的光辐射能。光纤比色测温系统组装前，需要通过实验测试获得常用涡轮叶片材料的发射率在不同温度下随波长变化情况，然后选择发射率的两个特征波长，根据所选波长选择滤光片4和5。经过滤光片4和5后的光能，分别经过光电转换部件6和7获得两路所选特征波长光辐射能对应的电压(电流)信号，该电压(电流)信号通过高速数据采集仪20进行采集记录并输入计算机21进行处理，获得所得表面的温度。

图2为本发明中的反射补偿型光纤位移测量系统18工作原理图，该系统属于主动测量系统，除接收光纤外，还需要设置发射光纤。由LED光源8产生光束，经过滤光镜9后获得所需波长λ₃的光能进入发射光纤，或直接使用波长为λ₃的单色LED光源8产生光束进入发射光纤，通过光纤束10、光纤探头11和透镜12后发射到被测表面，由被测表面反射的光再经过透镜12和光纤探头11进入光纤束10。为了抑制光源功率波动、光纤传输损耗、环境光干扰等因素的影响，接收光纤分为两束，一束为信号光纤，另一束为参考光纤，信号光纤与发射光纤之间的间距与参考光纤与发射光纤之间的间距不相等。两束光纤共同接受干扰信号，并通过比值运算抑制干扰影响，获得光纤探头与反射表面之间的距离。因此反射光进入光纤束10后分为两路分别经滤光片13和14，获得经反射后进入信号光纤和参考光纤内波长为λ₃的光辐射能，然后分别经过光电转换部件15和16获得信号光纤与参考光纤光内波长λ₃光辐射能对应的电压(电流)信号，两路电压(电流)信号经过高速数据采集仪20进行数据采集存储后输入计算机21进行处理，获得光纤探头与测量面之间的相对距离变化信息，本发明中为了测量高速旋转叶片的相对位移变化信息，所采用的反射补偿型光纤位移测量系统18的响应时间小于5微妙，保证测量过程中每个叶片上均可以获得多个位移测点。为了使位移测量光信号与温度测量光信号有效区分，位移测量光波长λ₃不能在测温用特征波长λ₁和λ₂之间，要远离该特征波长区间。

图3为本发明的系统工作流程，为了获得旋转叶片的二维温度分布，需要多套光纤比色测温系统17同时采集。首先由计算机21发出数据测量、采集记录指令给同步/异步触发装置19，分别触发反射补偿型光纤位移测量系统18、光纤比色测温系统17和高速数据采集记录系统20开始工作，高速数据采集系统要先于反射补偿型光纤位移测量系统18和光纤比色测温系统17启动，反射补偿型光纤位移测量系统18与光纤比色测温系统17同步(或异步)启动，系统启动后，高速数据采集记录系统20将所采集的高速旋转叶片位移变化及温度变化信息进行采集存储并输入计算机21，在计算机21内通过位移-温度耦合数据处理程序对数据进行处理，将所采集的温度数值与叶片位置进行对应定位，获得各旋转叶片表面对应的温度变化信息。高速数据采集记录系统20也可以与计算机21及同步/异步触发装置19集成一体，进行数据采集、存储、处理与显示，并发出及接收触发信号。由于温度变化较缓慢，因此本发明中对光纤比色测温系统17的响应时间无要求，当光纤比色测温系统17响应较慢时，可以通过测量数据分析实时调整同步/异步触发装置19内温度与位移测量的异步时间保证各叶片上温度测点较为均匀的分布。

本发明中，为了实现所测温度在旋转叶片上的定位，采用了反射补偿型光纤位移测量系统18对各叶片上的相对位置进行测量，获得各叶片表面的相对变化轮廓，同时在某叶片上加工定位面，获得具体叶片相对位置。定位面加工成圆形平面(也可以为其他形状平面)，平面大小根据反射补偿型光纤位移测量系统18的发射光束特性确定，该定位面不能影响叶片整体强度，定位面在距位移测量系统的光纤探头11最近位置，位移测量系统的光纤探头11固定时要求发射光束方向与定位面垂直。由于叶片表面为一扭曲面，对光纤位移测量系统发射光的反射不同，获得的位移信号变化与该曲面离探头距离及曲面法向有关，但定位面处的反射光能最强，以区别其余叶片进行定位，通过测量旋转叶片位移信号的相对变化，获得定位叶片位置以及各叶片的相对位置。叶片温度与位移对应关系与反射补偿型光纤位移测量系统18的响应时间ts、光纤比色测温系统17响应时间td、温度探头2和位移探头11的安装间距及径向位置有关，某时刻t2所测温度值与叶片表面对应点可以由t1(t1＝t2+ts-td)时刻所测叶片相对位置获得，从而实现高速旋转叶片表面温度的非接触测量定位，并可根据定位面的信号变化精确获得叶片旋转周期特性。

Claims (8)

1.一种旋转叶片表面温度非接触式测量定位装置，主要包括：

测量旋转叶片表面温度的光纤比色测温系统和测量旋转叶片相对位移变化信息的反射补偿型光纤位移测量系统；其中：

光纤比色测温系统的结构为：

透镜和光纤温度探头连接光纤束，光纤束分为两束，第一束光纤对应第一滤光片，第一滤光片的光路上安装有第一光电转换部件；

第二束光纤对应第二滤光片，第二滤光片的光路上安装有第二光电转换部件；

反射补偿型光纤位移测量系统的结构为：

透镜和光纤探头连接光纤束，光纤束包括发射光纤、信号光纤和参考光纤；

发射光纤与一光源的光路上安装有滤光镜；

信号光纤对应第三滤光片，第三滤光片的光路上安装有第三光电转换部件；

参考光纤对应第四滤光片，第四滤光片的光路上安装有第四光电转换部件；

信号光纤与发射光纤之间的间距与参考光纤与发射光纤之间的间距不相等；

光纤比色测温系统和反射补偿型光纤位移测量系统均分别连接同步/异步触发装置和数据采集仪，同步/异步触发装置连接至数据采集仪，同步/异步触发装置和数据采集仪连接计算机。

2.根据权利要求1所述的旋转叶片表面温度非接触式测量定位装置，其中，光纤比色测温部分设有多套。

3.根据权利要求1所述的旋转叶片表面温度非接触式测量定位装置，其中，光电转换部件包括光电转换、信号滤波与放大功能。

4.利用权利要求1所述旋转叶片表面温度非接触式测量定位装置进行测量定位的方法，首先由计算机发出数据测量、采集记录指令给同步/异步触发装置，分别触发反射补偿型光纤位移测量系统、光纤比色测温系统和数据采集仪开始工作：

旋转叶片的辐射光能通过透镜和光纤温度探头后进入光纤束，然后光纤束分为两路，分别经过第一滤光片和第二滤光片对两束光进行滤波，获得测温用波长为λ₁和λ₂的光辐射能，再分别经过第一光电转换部件和第二光电转换部件获得波长为λ₁和λ₂的光辐射能对应的电压或电流信号，该电压或电流信号通过数据采集仪进行采集记录并输入计算机进行处理，获得旋转叶片表面的温度；

光源产生的光束经过滤光镜后获得测量位移所需波长λ₃的光能进入发射光纤，并通过光纤束、光纤探头和透镜发射到旋转叶片表面，由旋转叶片表面反射的光再经过透镜和光纤探头进入光纤束中的信号光纤和参考光纤，信号光纤经第三滤光片、参考光纤经第四滤光片得到波长为λ₃的光辐射能，然后分别经过第三光电转换部件和第四光电转换部件获得信号光纤与参考光纤波长λ₃光辐射能对应的电压或电流信号，信号光纤和参考光纤的两路电压或电流信号经过数据采集仪进行数据采集存记录并输入计算机进行处理，获得光纤探头与旋转叶片表面之间的相对距离变化信息。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，反射补偿型光纤位移测量系统与光纤比色测温系统是同步或异步启动。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，反射补偿型光纤位移测量系统的响应时间小于5微妙。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，测量位移的波长λ3要远离测温用波长λ₁和λ₂的区间。

8.根据权利要求4所述的方法，其中，叶片温度与位移对应关系与反射补偿型光纤位移测量系统的响应时间ts、光纤比色测温系统响应时间td、温度探头和位移探头的安装间距及径向位置有关，t2时刻所测温度值与叶片表面对应点可以由t1(t1＝t2+ts-td)时刻所测叶片相对位置获得。

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