CN110332901A - 一种基于涡轮叶片成像的径向应变监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于涡轮叶片成像的径向应变监测装置，涉及航空发动机涡轮转子叶片应力测量领域。探针的冷气吹扫装置的设计使冷气能够吹扫探针及反射镜面，确保了反射镜在高温下仍能保持低温状态，实现在高温下成像的功能。通过电机驱动伸缩式探针在叶片径向扫描，实现叶片的快速成像，而叶片转速传感器与电机驱动的定位传感器同时作用可以定位到叶片的具体位置。当扫描位置处于非叶片区域时，能够识别该区域为非叶片位置，从而实现叶片尺寸的计算。根据叶片在常温与高温下的尺寸变化的精确监测，实现叶片径向应变的实时监测。

Description

一种基于涡轮叶片成像的径向应变监测装置

技术领域

本发明涉及航空发动机涡轮转子叶片应力测量领域，设计一种高转速叶片成像装置及方法。

背景技术

涡轮转子叶片是航空发动机的关键部件，其工作环境十分苛刻，处于高温高压状态，且超高转速导致的离心载荷也严重影响着叶片的结构。在航空发动机工作时，如何实时监测叶片承受的热与离心载荷导致的叶片蠕变，评估叶片的工作状态，成为了限制涡轮叶片研制关键问题。

现有涡测量涡轮转子叶片表面应变的技术分为接触式与非接触式两种，接触式的方法为应变片测量法，应变片式测量方法通过将应变片或薄膜式应变片贴在叶片表面，随着高温叶片受热膨胀，应变片随之机械性地伸缩，其电阻发生改变，根据电阻的变化测得叶片的应变值。传统的方式是把贴在叶片表面的应变片信号通过引线沿着叶轮表面接入到引电器中，再进行后续信号记录与处理。现在采用遥测技术通过无线调制器将电信号调制发射出来，安装在叶片附近的天线加以接收。这种方法测量精度较高，但只能实现叶片表面点的测量，且存在引线困难、影响叶片表面结构、响应速度较慢以及受干扰大等问题，并不能准确地反映转子涡轮叶片的形变状况。

目前研究的非接触式测涡轮叶片应变方法皆是间接式的测量方法，无直接成像观察的技术。研究较多的测量方法为叶尖定时测量法，叶尖定时测量是通过测量每个叶片到达定时传感器的时间，将测得的叶尖定时数据转化为振动位移，通过相应的辨识算法可以得到叶片振动的频率、幅值、模式等参数，该方法需要通过转速同步传感器生成每一圈的定时参考，转速同步信号同时也用来进行转速的测量。该方法只能通过间接公式推导叶片形变情况，受建立的计算模型误差影响较大，尚无法实现准确的测量。

发明内容

本发明针对背景技术的不足之处提供一种用于测量航空发动机涡轮转子叶片上应变的装置。其包括用于采集叶片表面光学信号的光学成像系统，连接到CCD图像处理器，经图像处理后区分叶片与发动机背景区域图像，从而实现实时观测叶片结构变化情况。

本发明技术方案为一种基于涡轮叶片成像的径向应变监测装置，该装置包括：探针、驱动装置、CCD相机、安装法兰板、叶片转速传感器、成像及处理系统；所述安装法兰板用于将该应变监测装置安装于发动机外壁上；所述驱动装置驱动探针伸向涡轮叶片，探针顶部开口通过光路将涡轮叶片的光信号传播给CCD相机，CCD相机采集光信号传输给成像及处理系统；所述叶片转速传感器采集涡轮叶片的转速数据，并将该数据传输给成像及处理系统；

所述探针包括：外形为管状的外壳和设置于外壳内的光路组件；所述外壳分为两段：头段和尾段，头段位于发动机外部，尾段的一部分位于发动机内部，尾段上设置冷气入口，且冷气入口位于发动机外部；所述尾段末端开设有面朝发动机涡轮叶片的窗口；所述尾段内部设置一金属套筒，金属套筒一端开口成喇叭状，喇叭状边缘与探针外壳的头段内壁密封连接；所述光路组件包括：反射镜、保护窗片、聚焦镜M1、光阑、聚焦镜M2；所述反射镜位于外壳尾段末端的内部，45°角对着尾段末端开设的窗口，保护窗片位于金属套筒的末端，用于隔绝金属套筒内部空间和外壳尾段的内部空间；所述聚焦镜M1、聚焦镜M2位于金属套筒内部；所述孔径光阑位于金属套筒喇叭状开口边缘与外壳头段的链接位置，所述光阑、聚焦镜M2位于外壳头部的内部，所述涡轮叶片的光信号经过反射镜反射后，依次通过保护窗片、聚焦镜M1、光阑、聚焦镜M2；所述涡轮叶片的光信号经过聚焦镜M2后被CCD相机接收。

进一步的，所述驱动装置包括：驱动电机、丝杆导轨、固定架，所述安装法兰板与发动机机匣相固定，所述驱动电机的输出轴连接丝杆导轨，丝杆导轨可转动；所述固定架与探针外壳相固定，固定架内部螺纹与丝杆导轨想配合，丝杆导轨转动使固定架直线运动，带动探针向发动机内的伸缩，所述驱动电机由成像及处理系统控制；在常温下，探针向发动机内的伸缩过程中，首先获取发动机叶片尖端边缘的图像，再获取发动机叶片根部的图像，选取一张叶片尖端边缘图像和叶片根部图像作为模板认为从叶片尖端边缘图像模板到叶片根部图像模板探针移动的距离为发动机叶片的初始长度；在高温下探针向发动机内的伸缩过程中，首先获得发动机叶片尖端边缘的图像，再获得发动机叶片根部的图像，将新获得的叶片尖端边缘图像与叶片尖端边缘图像模板进行匹配，计算得到最匹配的叶片尖端边缘图像，将新获得的叶片根部图像与叶片根部图像模板进行匹配，计算得到最匹配的叶片根部图像，计算最匹配的叶片尖端边缘图像与叶片根部图像之间探针移动的距离，为高温下发动机叶片的实时长度；采用发动机叶片的实时长度减去发动机叶片初始长度为发动机叶片的形变值。

进一步的，所述光路组件中反射镜为金属反射镜，保护窗片与聚焦镜M1的尺寸小于聚焦镜M2；所述聚焦镜M2的直径大于等于1英寸。采用金属反射镜能在高温下保持良好的反射性能,且导热性好；聚焦镜M2直径大于保护窗片与聚焦镜M1,能更好的保存反射光的信息。

本发明通过无干扰的非接触式光学成像方式测量涡轮叶片表面的径向变形值，响应速度快，可实时监测叶片径向的变形值。通过直接成像处理的方式，避免了间接测量的误差影响，具有高的测量精度，且无测温上限，是一种非常适合涡轮叶片应变测量的方法。

附图说明

图1是航空发动机涡轮叶片形变测量的系统框图；

图2是光学成像的原理示意图；

图3是发动机内部探针的工作示意图；

图4是探针内部结构示意图。

图中：1-被测转子叶片 2-反射镜 3-保护窗片 4-聚焦镜M1 5-光阑 6-聚焦镜M27-发动机机匣 8-发动机内部其它部件 9-安装法兰板 10-丝杆导轨 11-驱动电机 12-叶片形变成像及处理系统 13-CCD图像传感器 14-固定架 15-探针 16-叶片转速传感器 17-冷气入口。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

图1为本发明提供的测量叶片径向应变的方法模块示意图。叶片应变的监测采用的是叶片成像的区域划分方式。通过电机11驱动探针伸缩实现涡轮叶片的成像与航空发动机相邻部件8成像，再通过叶片转速传感器16实现涡轮叶片1定位，定位测量区域叶片的坐标位置，由于探针反射镜扫描一圈为圆形，设初始扫描点叶根坐标为(m,θ)＝(m,0),m为叶根到涡轮盘中心的距离。在叶片开始旋转后，可通过转速传感器16与定位叶片实现每一轮360°划分，得到0～360°的一圈叶片图像，得到坐标为{(m,θ)|{(m,θ)|θ∈0～360°}。电机11驱动探针径向收缩,由电机上的距离控制系统可以得到探针伸缩长度ΔL_x。得到扫描位置的直径为m+ΔL_x，坐标为{(m+ΔL_x,θ)|θ∈0～360°}。常温下当电机驱动叶片到达叶片边缘与非叶片区域相接触时，在叶片成像及处理系统11显示扫描位置为非叶片区域，即自动计算出叶片总长L。同样计算方式下得出高温下叶片径向长度为L+ΔL。

如图2，3所示：转子叶片1表面的温度信息通过探针15中的反射镜2传递通过窗片3经聚焦镜6，通过光阑5后，经聚焦镜6后传输到CCD图像传感器13中转化为电信号，传输到叶片形变成像及处理系统12中，实现叶片的成像过程，工作时冷气从入口17处进入探针内部，经光学系统外壁吹扫反射镜面，实现反射镜表面的清洁与降温；同时，通过叶片转速传感器16可实时定位叶片位置，电机驱动装置通过安装法兰盘9固定在发动机机匣7上，电机驱动装置实现探针伸缩功能，丝杆导轨10通过固定架14与探针15的外壳相固定，驱动电机11工作驱动丝杆导轨转动使固定架直线运动，驱动探针伸缩移动，其位置信息通过数据传输线传递到叶片形变成像及处理系统12中，实时监测探针伸缩成像的位置。通过这两个参数的相对关系，实现成像区域与叶片位置的实时定位。当探针15收缩导致成像区域位于叶尖边缘处发动机内部其它部件8时，电机驱动装置的探针定位数据通过数据传输线传输到成像及处理系统中，与叶片成像位置进行系统处理，得到叶片的实时径向长度L，而在高温情况下，叶片受热发生形变，其径向长度变为L+ΔL,根据上公式1即可实时监测涡轮叶片径向应变值，监测其在高温燃气下的健康状况。

如图4所示：探针外径为14mm，其前端侧边反射镜处开口，开口大小为6mm，反射镜2为45°角安装，采用耐高温镍基合金材料，固定于探针顶端；光学系统皆采用BK7镜片，可实现从可见光波段到红外波段成像。探针安装方式为可调方式，前端光学系统安装于一金属套筒中，金属套筒与探针外壳存在1mm间距。在冷气入口17尾端一定距离后与探针外壳通过螺钉固定为一体，后端探针外壳尺寸变宽，可放置大尺寸的标准镜片。后端放置光阑6以及光学系统的末端。清洁及冷却气体从冷气入口输入，沿着光学金属管外壁吹扫反射镜面2，实现镜面清洁与冷却。

Claims (5)

1.一种基于涡轮叶片成像的径向应变监测装置，该装置包括：探针、驱动装置、CCD相机、安装法兰板、叶片转速传感器、成像及处理系统；所述安装法兰板用于将该应变监测装置安装于发动机外壁上；所述驱动装置驱动探针伸向涡轮叶片，探针顶部开口通过光路将涡轮叶片的光信号传播给CCD相机，CCD相机采集光信号传输给成像及处理系统；所述叶片转速传感器采集涡轮叶片的转速数据，并将该数据传输给成像及处理系统；

所述探针包括：外形为管状的外壳和设置于外壳内的光路组件；所述外壳分为两段：头段和尾段，头段位于发动机外部，尾段的一部分位于发动机内部，尾段上设置冷气入口，且冷气入口位于发动机外部；所述尾段末端开设有面朝发动机涡轮叶片的窗口；所述尾段内部设置一金属套筒，金属套筒一端开口成喇叭状，喇叭状边缘与探针外壳的头段内壁密封连接；所述光路组件包括：反射镜、保护窗片、聚焦镜M1、光阑、聚焦镜M2；所述反射镜位于外壳尾段末端的内部，45°角对着尾段末端开设的窗口，保护窗片位于金属套筒的末端，用于隔绝金属套筒内部空间和外壳尾段的内部空间；所述聚焦镜M1、聚焦镜M2位于金属套筒内部；所述孔径光阑位于金属套筒喇叭状开口边缘与外壳头段的链接位置，所述光阑、聚焦镜M2位于外壳头部的内部，所述涡轮叶片的光信号经过反射镜反射后，依次通过保护窗片、聚焦镜M1、光阑、聚焦镜M2；所述涡轮叶片的光信号经过聚焦镜M2后被CCD相机接收。

2.如权利要求1所述的一种基于涡轮叶片成像的径向应变监测装置，其特征在于所述驱动装置包括：驱动电机、丝杆导轨、固定架，所述安装法兰板与发动机机匣相固定，所述驱动电机的输出轴连接丝杆导轨，丝杆导轨可转动；所述固定架与探针外壳相固定，固定架内部螺纹与丝杆导轨想配合，丝杆导轨转动使固定架直线运动，带动探针向发动机内的伸缩，所述驱动电机由成像及处理系统控制；在常温下，探针向发动机内的伸缩过程中，首先获取发动机叶片尖端边缘的图像，再获取发动机叶片根部的图像，选取一张叶片尖端边缘图像和叶片根部图像作为模板认为从叶片尖端边缘图像模板到叶片根部图像模板探针移动的距离为发动机叶片的初始长度；在高温下探针向发动机内的伸缩过程中，首先获得发动机叶片尖端边缘的图像，再获得发动机叶片根部的图像，将新获得的叶片尖端边缘图像与叶片尖端边缘图像模板进行匹配，计算得到最匹配的叶片尖端边缘图像，将新获得的叶片根部图像与叶片根部图像模板进行匹配，计算得到最匹配的叶片根部图像，计算最匹配的叶片尖端边缘图像与叶片根部图像之间探针移动的距离，为高温下发动机叶片的实时长度；采用发动机叶片的实时长度减去发动机叶片初始长度为发动机叶片的形变值。

3.如权利要求1所述的一种基于涡轮叶片成像的径向应变监测装置,其特征在于所述光路组件中反射镜为金属反射镜，保护窗片与聚焦镜M1的尺寸小于聚焦镜M2；所述聚焦镜M2的直径大于等于1英寸。

4.如权利要求1所述的一种基于涡轮叶片成像的径向应变监测装置,其特征在于所述探针外壳的尾段外径为14mm，其末端侧边开口大小为6mm，所述反射镜、聚焦镜M1、聚焦镜M2都采用BK7镜片，所述金属套筒与探针外壳存在1mm间距。

5.如权利要求3所述的一种基于涡轮叶片成像的径向应变监测装置,其特征在于所述金属反射镜采用镍基合金材料。