CN105954002B - 一种航空发动机尾气粒子流场监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种航空发动机尾气粒子流场监测方法。其包括建立航空发动机尾气粒子流场监测系统；利用航空发动机尾气粒子流场监测系统获得航空发动机尾气粒子的静态三维空间坐标值；利用尾气粒子的静态三维空间坐标值获得尾气粒子的三维流场分布模型；建立尾气粒子的三维流场分布模型与航空发动机运行状态间的对应关系，从而获得包括航空发动机燃料的燃烧程度、发动机老化、零部件故障在内的相关信息等步骤。本发明方法能够实现对尾气粒子的三维流场测量，对尾气中碳烟粒子的形态、空间分布、颗粒速度进行实时监测，建立其与航空发动机故障类型的对应关系，提前预知航空发动机的安全隐患，提供故障的早期预警信息，保障飞行安全，降低发动机维护成本。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机状态监测与故障诊断技术领域，特别是涉及一种航空发动机尾气粒子流场监测方法。
背景技术
随着我国民航运输业的迅速发展，飞机航行安全问题受到越来越多的关注。据有关资料统计，作为飞机的最核心部件，航空发动机故障在飞机飞行故障中占有相当大的比例，在我国近十年的飞行事故中，由航空发动机导致的故障占机械和机务故障的60％以上，且常常因航空发动机的故障而导致飞行中出现安全事故。因此，加强对航空发动机运行状态的监控，尤其是在飞行时的实时在线监测对飞机的飞行运输安全有着至关重要的作用，并且可以提前预知航空发动机的安全隐患，提供故障的早期预警信息，降低航空发动机的维护成本。
航空发动机尾气粒子一般由航空发动机中未完全燃烧的碳颗粒以及发动机内部零配件因碰撞、摩擦、烧蚀、材料丢失等故障产生的粒子组成。传统的航空发动机尾气监测常采用离线采样法，这种方法需要将航空发动机固定在一个恒定的运行条件下，对其尾气进行一定时间的采样，其缺点是所采用的系统结构复杂、技术难度高、测量时间长、分析仪器功能单一、测试费用昂贵，因此一般只适用于试验阶段。随着检测技术的不断发展，一系列先进的非接触、可视化、高精度的无损检测技术相继出现。例如被动式傅里叶变换红外光谱(FTIR)遥感技术，可对辐射源的绝对光谱能量分布和气体浓度进行遥感测量，但无法对尾气实现实时监测；发动机气路静电监测技术可用于监测外来物和尾气中的带电颗粒，气路中带电颗粒产生的原因通常包括磨损、烧蚀、材料剥落以及燃油喷嘴堵塞，因此能够提供故障早期信息，以用于判断气路性能异常或故障，但该方法需要将静电感应传感器探极置于发动机气路中，而气路管道的直径很大，探极采集到的只是管道中一个个离散点的信息，而无法对管道的截面信息进行监测，因此测量参数不全面；近年来兴起的电容层析成像(ECT)技术，通过测量物场边界电容信息重建测量截面上的物质分布情况，由于气路中颗粒与空气的相对介电常数有差异，理论上可通过ECT技术对内部物质分布进行成像，并提取特征参数，但是仍无法直观地获取发动机尾气中颗粒物的分布情况与颗粒大小。
通过监测航空发动机尾气是监控其运行状态的有效途径，可在一定程度上反映航空发动机的工作状态及老化程度，这对航空发动机故障的提前预警有着极其重要的研究意义。但目前尚缺少有效的方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种航空发动机尾气粒子流场监测方法。
为了达到上述目的，本发明提供的航空发动机尾气粒子流场监测方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)建立航空发动机尾气粒子流场监测系统；
2)利用上述航空发动机尾气粒子流场监测系统获得航空发动机尾气粒子的静态三维空间坐标值；
3)利用上述尾气粒子的静态三维空间坐标值获得尾气粒子的三维流场分布模型；
4)建立尾气粒子的三维流场分布模型与航空发动机运行状态间的对应关系，从而获得包括航空发动机燃料的燃烧程度、发动机老化、零部件故障在内的相关信息。
在步骤1)中，所述的系统包括：高能脉冲激光发射器、同步频闪控制装置、两台高速摄像机、消光装置、图像处理装置、调焦系统和传输光纤；其中消光装置设置在航空发动机尾气区的一端外部，调焦系统设置在航空发动机尾气区的另一端外部，通过传输光纤与高能脉冲激光发射器相连，并且高能脉冲激光发射器、调焦系统和消光装置沿同一条直线设置；两台高速摄像机对称设置在航空发动机尾气区的两侧，并与调焦系统的中心线成一定夹角，且航空发动机尾气区位于高速摄像机的成像范围内；同步频闪控制装置同时与高能脉冲激光发射器和两台高速摄像机相连，而图像处理装置则同时与两台高速摄像机相接。
所述的调焦系统采用透镜调焦望远镜。
在步骤2)中，所述的利用上述航空发动机尾气粒子流场监测系统获得航空发动机尾气粒子的静态三维空间坐标值的具体方法如下：
根据步骤1)获得的航空发动机尾气粒子流场监测系统中左右两台高速摄像机同一时刻采集的图像，利用外极线约束法确定出两成像基站中左像面散斑特征点即尾气粒子的像点及右像面对应的外极线；然后对左右像面进行适当大小的网格划分，利用基于灰度匹配算法对左像面散斑特征点所在网格与右像面外极线附近的网格进行搜索匹配计算，在右像面匹配出相似性最高的网格，从而确定出散斑特征块即尾气粒子的三维空间位置；重复上述匹配过程，可以确定出当前时刻空间各炽化散斑特征点即尾气粒子的静态三维空间坐标。
在步骤3)中，所述的利用上述尾气粒子的静态三维空间坐标值获得尾气粒子的三维流场分布模型的方法是：利用步骤2)获得的t1、t2时刻的尾气粒子的静态三维空间坐标值，通过空间相关算法建立对应于t1、t2时刻的两幅炽化散斑图像内相同尾气粒子的匹配关系，从而得到尾气粒子的速度矢量，进而解算出尾气粒子的三维流场分布模型。
在步骤4)中，所述的建立尾气粒子的三维流场分布模型与航空发动机运行状态间的对应关系，从而获得包括航空发动机燃料的燃烧程度、发动机老化、零部件故障在内的相关信息的方法是：按照步骤2)—步骤3)的方法对不同运行状态的航空发动机尾气粒子进行监测，包括正常运行的航空发动机以及由于长时间使用而老化的航空发动机或由于内部故障而导致报废的航空发动机，由此建立起尾气粒子的三维流场分布模型与航空发动机运行状态间的对应关系，从而获得包括航空发动机燃料的燃烧程度、发动机老化、零部件故障在内的相关信息。
本发明提供的航空发动机尾气粒子流场监测方法能够实现对尾气粒子的三维流场测量，对尾气中碳烟粒子的形态、空间分布、颗粒速度进行实时监测，建立其与航空发动机故障类型的对应关系，提前预知航空发动机的安全隐患，提供故障的早期预警信息，保障飞行安全，降低发动机维护成本。
附图说明
图1为本发明提供的航空发动机尾气粒子流场监测方法所采用的系统结构示意图。
图2为本发明提供的航空发动机尾气粒子流场监测方法流程图。
图3为散斑特征像点的外极线约束示意图。
图4(a)和图4(b)分别为图3中左右像面的网格匹配示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的航空发动机尾气粒子流场监测方法进行详细说明。
如图1、2所示，本发明提供的航空发动机尾气粒子流场监测方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)建立航空发动机尾气粒子流场监测系统；
所述的系统包括：高能脉冲激光发射器1、同步频闪控制装置2、两台高速摄像机3、消光装置7、图像处理装置8、调焦系统10和传输光纤11；其中消光装置7设置在航空发动机尾气区5的一端外部，调焦系统10设置在航空发动机尾气区5的另一端外部，通过传输光纤11与高能脉冲激光发射器1相连，并且高能脉冲激光发射器1、调焦系统10和消光装置7沿同一条直线设置；两台高速摄像机3对称设置在航空发动机尾气区5的两侧，并与调焦系统10的中心线成一定夹角，且航空发动机尾气区5位于高速摄像机3的成像范围内；同步频闪控制装置2同时与高能脉冲激光发射器1和两台高速摄像机3相连，而图像处理装置8则同时与两台高速摄像机3相接。
所述的调焦系统10采用透镜调焦望远镜。
2)利用上述航空发动机尾气粒子流场监测系统获得航空发动机尾气粒子的静态三维空间坐标值；
在同步频闪控制装置2的控制下，高能脉冲激光发射器1和两台高速摄像机3同时触发，其中高能脉冲激光发射器1发出波长为1062nm、频率为100KHz、脉冲能量大于1.0mJ的脉冲激光束，然后由传输光纤11传输给调焦系统10，之后由调焦系统10对上述脉冲激光束进行聚焦增强，增强后的脉冲激光束6穿过航空发动机尾气区5后被消光装置7吸收；在此过程中，位于激光束聚焦区内的尾气粒子受激后温度会急剧升高至2500K以上，在高能激光束照射结束后，受激尾气粒子的温度会迅速降至环境温度，在降温过程中其将发出白炽光，由此形成三维炽化散斑区4。与此同时，两台高速摄像机3同时连续采集三维炽化散斑区4的多幅炽化散斑图像，并将上述图像传送给图像处理装置8；图像处理装置8利用外极线约束外极角三维散斑网格单元匹配方法解算出每一幅炽化散斑图像中尾气粒子的静态三维空间坐标值；
利用外极线约束外极角三维散斑网格单元匹配方法解算出每一幅炽化散斑图像中尾气粒子的静态三维空间坐标值的具体方法如下：
首先利用外极线约束法对左右两台高速摄像机3同一时刻采集的图像进行两成像基站散斑特征像点的外极线约束，如图3所示，其中OL、OR为左右两台高速摄像机3的光心点，Ⅰ、Ⅱ分别为左右像面，M为散斑特征点(即尾气粒子)，P为干涉点，右像面Ⅱ上的直线m’m”为左像面Ⅰ上点m的外极线，左像面Ⅰ上m点的匹配点约束在右像面Ⅱ直线m’m”上。然后按照适当尺寸对左右像面Ⅰ、Ⅱ进行网格划分和网格匹配搜索，如图4所示，左像面Ⅰ上网格m的匹配区域一定约束在右像面Ⅱ直线m’m”的网格上，根据灰度区域相关算法(如NCC算法等)将左像面Ⅰ的散斑网格m与右像面Ⅱ上直线m’m”附近的网格进行搜索匹配计算，剔除干涉网格p’，找出相似性最高的m’网格，从而确定出散斑特征块M(即尾气粒子)的三维空间位置。重复上述匹配过程，可以确定出当前时刻空间各炽化散斑特征点(即尾气粒子)的静态三维空间坐标。
为了能够准确采集炽化散斑图像，需设定合理的高速摄像机3曝光时间：黑体辐射现象产生的白炽光信号时长与微粒粒径大小有关，通常航空发动机正常工作状态下燃烧产生的碳颗粒粒径在5-7nm和20-30nm两个区间之间，因碰撞、摩擦、烧蚀、材料丢失等故障原因而产生的颗粒粒径不小于40μm，因此白炽光信号持续期为十纳秒到一微秒之间，因而高速摄像机3的曝光时间可设定为10ns。
另外，为使脉冲激光束发射和炽化散斑图像采集能够恰当有序地完成，本系统采用同步频闪控制装置2来保证高能脉冲激光发射器1与高速摄像机3能同时触发。
3)利用上述尾气粒子的静态三维空间坐标值获得尾气粒子的三维流场分布模型；
利用步骤2)获得的t1、t2时刻的尾气粒子的静态三维空间坐标值，通过空间相关算法建立对应于t1、t2时刻的两幅炽化散斑图像内相同尾气粒子的匹配关系，从而得到尾气粒子的速度矢量，进而解算出尾气粒子的三维流场分布模型。
4)建立尾气粒子的三维流场分布模型与航空发动机运行状态间的对应关系，从而获得包括航空发动机燃料的燃烧程度、发动机老化、零部件故障在内的相关信息；
按照步骤2)—步骤3)的方法对不同运行状态的航空发动机尾气粒子进行监测，包括正常运行的航空发动机以及由于长时间使用而老化的航空发动机或由于内部故障而导致报废的航空发动机，由此建立起尾气粒子的三维流场分布模型与航空发动机运行状态间的对应关系，从而获得包括航空发动机燃料的燃烧程度、发动机老化、零部件故障在内的相关信息，因此能够达到通过监测航空发动机尾气区5来实时监控航空发动机运行状态的目的。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种航空发动机尾气粒子流场监测方法，其特征在于：所述的航空发动机尾气粒子流场监测方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)建立航空发动机尾气粒子流场监测系统；
2)利用上述航空发动机尾气粒子流场监测系统获得航空发动机尾气粒子的静态三维空间坐标值；
3)利用上述尾气粒子的静态三维空间坐标值获得尾气粒子的三维流场分布模型；
4)建立尾气粒子的三维流场分布模型与航空发动机运行状态间的对应关系，从而获得包括航空发动机燃料的燃烧程度、发动机老化、零部件故障在内的相关信息。
2.根据权利要求1所述的航空发动机尾气粒子流场监测方法，其特征在于：在步骤1)中，所述的系统包括：高能脉冲激光发射器(1)、同步频闪控制装置(2)、两台高速摄像机(3)、消光装置(7)、图像处理装置(8)、调焦系统(10)和传输光纤(11)；其中消光装置(7)设置在航空发动机尾气区(5)的一端外部，调焦系统(10)设置在航空发动机尾气区(5)的另一端外部，通过传输光纤(11)与高能脉冲激光发射器(1)相连，并且高能脉冲激光发射器(1)、调焦系统(10)和消光装置(7)沿同一条直线设置；两台高速摄像机(3)对称设置在航空发动机尾气区(5)的两侧，并与调焦系统(10)的中心线成一定夹角，且航空发动机尾气区(5)位于高速摄像机(3)的成像范围内；同步频闪控制装置(2)同时与高能脉冲激光发射器(1)和两台高速摄像机(3)相连，而图像处理装置(8)则同时与两台高速摄像机(3)相接。
3.根据权利要求2所述的航空发动机尾气粒子流场监测方法，其特征在于：所述的调焦系统(10)采用透镜调焦望远镜。
4.根据权利要求1或2所述的航空发动机尾气粒子流场监测方法，其特征在于：在步骤2)中，所述的利用上述航空发动机尾气粒子流场监测系统获得航空发动机尾气粒子的静态三维空间坐标值的具体方法如下：
根据步骤1)获得的航空发动机尾气粒子流场监测系统中左右两台高速摄像机(3)同一时刻采集的图像，利用外极线约束法确定出两成像基站中左像面散斑特征点即尾气粒子的像点及右像面对应的外极线；然后对左右像面进行适当大小的网格划分，利用基于灰度匹配算法对左像面散斑特征点所在网格与右像面外极线附近的网格进行搜索匹配计算，在右像面匹配出相似性最高的网格，从而确定出散斑特征块即尾气粒子的三维空间位置；重复上述匹配过程，可以确定出当前时刻空间各炽化散斑特征点即尾气粒子的静态三维空间坐标。
5.根据权利要求1所述的航空发动机尾气粒子流场监测方法，其特征在于：在步骤3)中，所述的利用上述尾气粒子的静态三维空间坐标值获得尾气粒子的三维流场分布模型的方法是：利用步骤2)获得的t1、t2时刻的尾气粒子的静态三维空间坐标值，通过空间相关算法建立对应于t1、t2时刻的两幅炽化散斑图像内相同尾气粒子的匹配关系，从而得到尾气粒子的速度矢量，进而解算出尾气粒子的三维流场分布模型。
6.根据权利要求1所述的航空发动机尾气粒子流场监测方法，其特征在于：在步骤4)中，所述的建立尾气粒子的三维流场分布模型与航空发动机运行状态间的对应关系，从而获得包括航空发动机燃料的燃烧程度、发动机老化、零部件故障在内的相关信息的方法是：按照步骤2)—步骤3)的方法对不同运行状态的航空发动机尾气粒子进行监测，包括正常运行的航空发动机以及由于长时间使用而老化的航空发动机或由于内部故障而导致报废的航空发动机，由此建立起尾气粒子的三维流场分布模型与航空发动机运行状态间的对应关系，从而获得包括航空发动机燃料的燃烧程度、发动机老化、零部件故障在内的相关信息。
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| Date | Code | Title | Description |
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|
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Effective date of registration: 20240201 Address after: Room 306, Building C2, Science and Technology Park, Civil Aviation University of China, Zone C, Guangxuan Road Aviation Business Center, Dongli District, Tianjin, 300300 Patentee after: Tianjin Ruichi Aviation Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: AVIC Science Park, No. 9, Guangxuan Road, Dongli District, Tianjin 300300 Patentee before: Hu Wanli Country or region before: China Patentee before: Liu Guixing |