CN107367899B - 一种旋转状态下涡轮动叶前缘气膜拍摄系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮叶片冷却技术研究领域，公开了一种旋转状态下涡轮动叶前缘气膜拍摄系统，包括涡轮动叶、导叶、激励发生器、激励接收器、高速拍摄装置和控制单元；任选涡轮动叶的一片叶片作为实验区，激励发生器安装在涡轮旋转轴的轴端；激励接收器设置在与轴端位置相对应的实验台架上；高速拍摄装置包括相机和频闪照明器，相机安装在导叶上，且正对涡轮动叶前缘；控制单元与激励接收器、高速拍摄装置电连接。本发明提供的拍摄系统，解决了现有技术中动叶前缘气膜覆盖情况无法拍摄的难题，为研究旋转状态下涡轮叶片气膜冷却换热情况提供了有效依据。

Description

一种旋转状态下涡轮动叶前缘气膜拍摄系统

技术领域

本发明涉及涡轮叶片冷却技术研究领域，特别是涉及一种旋转状态下涡轮动叶前缘气膜拍摄系统。

背景技术

航空发动机高压涡轮叶片的设计一直是航空发动机技术领域的研究热点。长寿命和高可靠性是高压涡轮叶片的基本设计要求，因此必须实现对高压涡轮叶片的精细冷却设计。

现有技术中，用于航空发动机涡轮叶片冷却的技术主要有：气膜冷却、冲击冷却、发散冷却、肋壁强化换热、绕流柱强化换热等。在众多的冷却技术中，气膜冷却技术具有明显的优势和较强的应用前景。气膜冷却通过在高温部件表面开设槽缝或小孔，将冷却介质以横向射流的形式注入到主流中，在主流的压力和摩擦力的作用下，射流弯曲并覆盖于高温部件表面，形成温度较低的冷气膜，从而对高温部件起到隔热和冷却的作用。

目前，国内外对气膜冷却的研究主要针对静止状态下的平板和叶栅展开，只有少数对叶盆和叶背气膜覆盖情况的研究是在旋转状态下展开的，针对前缘的研究更是少见，主要原因是受实验条件、拍摄方法和测试技术的限制。在进行叶盆和叶背实验时，只需要在相邻叶片上安装相机，使相机与实验叶片一同旋转，即可保证相机与实验叶片的相对静止，实现叶片表面的实时拍摄。但是，在进行叶片前缘表面气膜覆盖情况实验研究时，安装在相邻叶片上的相机并不能拍到叶片前缘表面气膜覆盖情况，对研究叶片前缘表面气膜覆盖情况造成了阻碍。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种旋转状态下涡轮动叶前缘气膜拍摄系统，以解决现有技术中无法在旋转状态下拍摄叶片前缘表面气膜覆盖情况的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种旋转状态下涡轮动叶前缘气膜拍摄系统，包括涡轮动叶、导叶，还包括激励发生器、激励接收器、高速拍摄装置和控制单元；

任选所述涡轮动叶的一片叶片作为实验区，所述激励发生器安装在涡轮旋转轴的轴端，并随所述涡轮动叶旋转；所述激励接收器设置在与所述涡轮旋转轴的轴端位置相对应的实验台架上，所述激励接收器能间歇接收旋转状态下所述激励发生器发出的激励信号；

所述高速拍摄装置包括相机和频闪照明器，所述相机安装在所述导叶上，且正对所述涡轮动叶前缘；

所述控制单元与所述激励接收器、高速拍摄装置电连接，用于依据所述激励接收器接收的激励信号控制所述高速拍摄装置进行拍摄。

在上述方案的基础上，所述频闪照明器起辉后的光线能覆盖所述实验区。

在上述方案的基础上，所述频闪照明器采用面光源。

在上述方案的基础上，所述控制单元包括与所述相机电连接的相机控制单元，和与所述频闪照明器电连接的频闪控制单元。

在上述方案的基础上，所述频闪控制单元包括光耦隔离模块。

在上述方案的基础上，所述动叶表面喷涂有热色液晶。

在上述方案的基础上，所述激励接收器包括光电传感器。

在上述方案的基础上，还包括图像显示器。

(三)有益效果

本发明提供的一种旋转状态下涡轮动叶前缘气膜拍摄系统，通过将相机设置在导叶上，在涡轮旋转轴的轴端设置激励发生器，在实验台架的对应位置处设置激励接收器，激励接收器接收发生器的激励信号后，延时特定时间，然后通过控制单元输出的控制信号控制相机和频闪照明器配合实现拍摄，进而实现高速运转下的涡轮动叶前缘气膜分布状态的拍摄。本发明提供的拍摄系统，实现了拍摄时高速旋转的动叶在拍摄装置的视场中的位置相对固定的效果，解决了现有技术中动叶前缘气膜覆盖情况无法拍摄的难题，为研究旋转状态下涡轮叶片气膜冷却换热情况提供了有效依据。

附图说明

图1为本发明实施例提供的旋转状态下涡轮动叶前缘气膜拍摄系统的安装位置示意图；

图2为本发明实施例提供的旋转状态下涡轮动叶前缘气膜拍摄系统的组成示意图；

图中，1、涡轮动叶；101、实验区；2、导叶；3、相机；4、频闪照明器；5、光电传感器；6、信号控制单片机；7、相机控制单元；8、频闪控制单元；9、显示器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例提供的旋转状态下涡轮动叶前缘气膜拍摄系统的安装位置示意图；图2为本发明实施例提供的旋转状态下涡轮动叶前缘气膜拍摄系统的组成示意图。

如图1和图2中所示，本发明实施例提供的旋转状态下涡轮动叶前缘气膜拍摄系统，包括涡轮动叶1、导叶2、激励发生器、激励接收器、高速拍摄装置和控制单元。

涡轮动叶1通过转轴和涡轮盘设置在实验台架上，实验台架静止不动，导叶2与涡轮动叶1的端面相对设置，任选涡轮动叶1的一片叶片作为实验区101，如图1中所示。激励发生器安装在涡轮旋转轴的轴端，并随动叶旋转，激励发生器用于发出触发信号以使系统能控制高速拍摄装置进行拍摄。激励接收器设置在与轴端位置相对应的实验台架上，激励接收器能间歇接收旋转状态下激励发生器发出的激励信号，将激励接收器与信号控制单片机6相连，通过软件编程控制激励响应延迟时间。高速拍摄装置包括相机3和频闪照明器4，相机3安装在导叶2上，且正对涡轮动叶前缘，即正对实验区101。

控制单元与激励接收器、高速拍摄装置电连接，用于依据激励接收器接收的激励信号控制高速拍摄装置进行拍摄。优选地，本实施例中的控制单元包括相机控制单元7、信号控制单片机6、频闪控制单元8，控制单元控制系统实现拍摄的过程如图2中所示：

涡轮动叶1每旋转几圈或几十圈后，当激励接收器接收了设定数量的激励后，将旋转信号传送至信号控制单片机6，信号控制单片机6分别给相机控制单元7发出相机控制信号，控制相机3进行拍摄；同时信号控制单片机6给频闪控制单元8发出频闪控制信号，控制频闪照明器4起辉，开启闪光，优选地，频闪照明器4发出的光线能完全覆盖实验区101，使得拍摄区域能保持足够的光强。相机3拍摄的时机与频闪照明器4照明的时机相配合，通过延迟控制实现。

本发明提供的一种旋转状态下涡轮动叶前缘气膜拍摄系统，通过将相机设置在导叶上，在涡轮旋转轴的轴端设置激励发生器，在实验台架的对应位置处设置激励接收器，激励接收器接收发生器的激励信号后，延时特定时间，然后通过控制单元输出的控制信号控制相机和频闪照明器配合实现拍摄，进而实现高速运转下的涡轮动叶前缘气膜分布状态的拍摄。本发明提供的拍摄系统，实现了拍摄时高速旋转的动叶在拍摄装置的视场中的位置相对固定的效果，解决了现有技术中动叶前缘气膜覆盖情况无法拍摄的难题，为研究旋转状态下涡轮叶片气膜冷却换热情况提供了有效依据。

优选地，频闪照明器4采用面光源，例如频闪照明使用的光源为Talights PCS5W型高亮超薄型LED面光源，均匀照射实验区101，保证光照均匀及不影响流场。频闪照明器4工作时以一定的频率f闪光，f的大小既可以通过软件调节，即内接模式，在进行标定实验时使用，也可由外部输入的频率信号进行控制，即外接模式，在进行旋转实验时使用，本实施例中采用外接模式。

在上述方案的基础上，高速拍摄装置还包括与相机3电连接的相机控制单元7，和与频闪照明器4电连接的频闪控制单元8。更优选地，频闪控制单元8包括光耦隔离模块。频闪控制单元8由高速光耦隔离模块和功率放大电路组成，其中，光耦隔离模块能够防止其他电信号引起的干扰，而旋转系统对回应速度要求很高，故采用延迟时间在500ns以内的高速光耦隔离模块。高亮LED功率高，电流大，本文使用放大电路结合高速光耦隔离模块，实现了供电电路与控制电路的隔离，降低了对整个控制电路的功率要求。

在上述方案的基础上，动叶表面喷涂有热色液晶。具体地，动叶表面气膜覆盖情况通过液晶热色液晶获得，采用热色液晶必须保证在相机3视场中的叶片表面光场均匀且位置固定，这两点对于静止相机拍摄旋转动叶前缘来说是很大的技术难题，尤其是前缘表面曲率很大的情况下，对光场均匀程度要求更高。涡轮动叶1表面喷上热色液晶后对光场极为敏感，更加方便拍摄。优选地，激励接收器包括光电传感器5，例如采用P+F光电传感器。系统工作时，设定触发信号为上升沿触发的中断信号输入。正常状态下，涡轮动叶1转到相应触发位置时，控制单元立即受到P+F光电传感器信号的外部触发，进入中断服务函数，经过适当的延时，分别向频闪控制单元8和相机控制单元7输出控制信号，同步控制相机3的曝光时间及频闪起辉时间，实现高速图像采样。通过光电传感器5作为激励接收器，响应速度更快更准确。

在上述方案的基础上，还包括图像显示器9，用于将拍摄的照片进行实时显示，方便实验研究。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种旋转状态下涡轮动叶前缘气膜拍摄系统，包括涡轮动叶、导叶，其特征在于，还包括激励发生器、激励接收器、高速拍摄装置和控制单元；

任选所述涡轮动叶的一片叶片作为实验区，所述激励发生器安装在涡轮旋转轴的轴端，并随所述涡轮动叶旋转；所述激励接收器设置在与所述涡轮旋转轴的轴端位置相对应的实验台架上，所述激励接收器能间歇接收旋转状态下所述激励发生器发出的激励信号；

所述高速拍摄装置包括相机和频闪照明器，所述相机安装在所述导叶上，且正对所述涡轮动叶前缘；

所述控制单元与所述激励接收器、高速拍摄装置电连接，用于依据所述激励接收器接收的激励信号控制所述高速拍摄装置进行拍摄；

其中，所述频闪照明器起辉后的光线能覆盖所述实验区。

2.如权利要求1所述的拍摄系统，其特征在于，所述频闪照明器采用面光源。

3.如权利要求1所述的拍摄系统，其特征在于，所述控制单元包括与所述相机电连接的相机控制单元，和与所述频闪照明器电连接的频闪控制单元。

4.如权利要求3所述的拍摄系统，其特征在于，所述频闪控制单元包括光耦隔离模块。

5.如权利要求1所述的拍摄系统，其特征在于，所述动叶表面喷涂有热色液晶。

6.如权利要求1所述的拍摄系统，其特征在于，所述激励接收器包括光电传感器。

7.如权利要求1-6任一项所述的拍摄系统，其特征在于，还包括图像显示器。