CN110411383B - 一种航空发动机封严间隙测量方法 - Google Patents

一种航空发动机封严间隙测量方法 Download PDF

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Abstract

本申请属于航空发动机封严测量技术领域，特别涉及一种航空发动机封严间隙测量方法，包括如下步骤：将发动机安装至高能X射线平台上；调整射线源位置，使待测部位位于投影图像中心；对待测部位进行扫描，获取投影图像；对投影图像进行叠加降噪、增强处理；对步骤四中处理完成的投影图像进行模板匹配测量分析，完成封严间隙测量。本申请的航空发动机封严间隙测量方法，采用基于高能X射线数字图像模板匹配方法，属于无损测量，能够对发动机内部任意部位进行测量，尤其是发动机运转状态下的测量，效率高，解决了传统间隙测量方法必须进行测试改装且测量部位局限性大的问题。

Description

一种航空发动机封严间隙测量方法
技术领域
本申请属于航空发动机封严测量技术领域，特别涉及一种航空发动机封严间隙测量方法。
背景技术
随着我国航空事业的发展，作为“飞机心脏”的航空发动机，如何提高其性能也受到了研究人员越来越多的关注。其中，封严技术是航空发动机领域至关重要的一项技术。封严技术是指对转动部件和非转动部件间的泄露进行控制，研究表明，封严泄露量减少1％，可使发动机推力增加1％，单位耗油率降低0.1％；在发动机转速和涡轮转子进口温度不变的情况下，高压涡轮封严泄露量减少1％，则推力增加8％，单位耗油率减少0.5％；另外，发动机涡轮的径向间隙每增大0.13mm，发动机单位耗油率约增加0.5％，反之，减少0.25mm，涡轮效率提高1％。
由此可见，封严技术直接影响发动机的性能。航空发动机上使用封严结构的地方很多，例如压气机和涡轮各级转静子径向封严和轴向封严、高压涡轮盘前后封严环(盘)、其他各处篦齿封严等。目前技术人员还不能在发动机各个工况下通过计算精确地获得这些至关重要的参数和信息，仅通过在发动机机匣壁面开孔安装相应的叶尖间隙测量探头来了解发动机运行时的叶尖间隙变化情况。然而这不仅费时、费力，还干扰了发动机的内部流场，同时还有很大的局限性，许多部位不允许或者根本无法安装测量探头。对于发动机旋转状态下的转静子轴向间隙、高压涡轮盘前后封严环(盘)封严间隙、轴承篦齿封严间隙等，目前尚无测量手段。为解决上述问题，发明一种航空发动机封严间隙测量方法，以实现对航空发动机各处封严间隙的测量。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种航空发动机封严间隙测量方法。
本申请公开了一种航空发动机封严间隙测量方法，包括如下步骤：
步骤一、将发动机安装至高能X射线平台上；
步骤二、调整射线源位置，使待测部位位于投影图像中心；
步骤三、对待测部位进行扫描，获取投影图像；
步骤四、对投影图像进行叠加降噪、增强处理；
步骤五、对步骤四中处理完成的投影图像进行模板匹配测量分析，完成封严间隙测量。
根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤四中，通过多帧图像叠加方式对投影图像进行叠加降噪处理。
根据本申请的至少一个实施方式，在所述多帧图像叠加方式中叠加帧数为10。
根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤四中，通过直方图均衡化对投影图像进行增强处理，以增加投影图像全局对比度，具体算法如下：
Figure BDA0002145507070000021
其中，round为四舍五入取整函数；cdf为累积分布函数，表示灰度图像中灰度值出现的次数；cdfmin为累积分布函数最小值，表示像素灰度值出现次数的最小值；M和N分别代表了图像的长宽像素个数；L是灰度级数；P代表像素。
根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤五中，对步骤四中处理完成的投影图像进行模板匹配测量分析，完成封严间隙测量具体包括：
步骤5.1、选择匹配模板，其中，匹配模板包含待测部位间隙的明显特征；
步骤5.2、选择匹配区域，其中，匹配区域包含匹配模板所在区域；
步骤5.3、进行模板匹配计算并输出结果，从而得到匹配模板的位置变化情况，进而得到待测部位封严间隙的变化情况。
根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤5.1中，所述明显特征在模板中的面积占比不低于40％。
根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤5.2中，匹配区域面积为匹配模板面积的5～10倍。
根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤四与步骤五之间，还包括采用canny算子进行边缘检测计算。
本申请至少存在以下有益技术效果：
本申请的航空发动机封严间隙测量方法，采用基于高能X射线数字图像模板匹配方法，属于无损测量，能够对发动机内部任意部位进行测量，尤其是发动机运转状态下的测量，效率高，解决了传统间隙测量方法必须进行测试改装且测量部位局限性大的问题。
附图说明
图1是本申请航空发动机封严间隙测量方法流程图；
图2本申请航空发动机封严间隙测量方法中模板匹配原理示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请保护范围的限制。
本申请提供了一种航空发动机封严间隙测量方法，能够获得发动机运转状态下内部各部件的运动情况和封严间隙随发动机状态的变化规律。
下面结合附图1-图2对本申请的航空发动机封严间隙测量方法进一步详细说明。
本申请公开了一种航空发动机封严间隙测量方法，包括如下步骤：
步骤一、将发动机安装至高能X射线平台上；
步骤二、调整射线源位置，使待测部位位于投影图像中心；
步骤三、对待测部位进行扫描，获取投影图像；
步骤四、对投影图像进行叠加降噪、增强处理；
步骤五、模板匹配、数据分析；具体地，对步骤四中处理完成的投影图像进行模板匹配测量分析，提取各个区域的间隙变化情况，从而获得该处区域的运动变化规律，完成封严间隙测量。
进一步地，高能X射线穿透发动机零部件时被吸收和散射而衰减，衰减程度取决于X射线所经过的部位的厚度、结构，这样在发动机后方就形成一幅射线强度分布图像。在发动机后方放置荧光屏，该装置把经过发动机衰减的X射线转换为光信号，光信号进而由CCD相机捕获，最终获得一幅二维数字图像。
进一步地，上述的图像包含多种噪声，还不能直接用于测量，需要首先对图像进行降噪处理。通常的，X射线图像中的噪声很大一部分是随机噪声，可以通过多帧图像叠加消除。此外，发动机试车时的振动造成的图像抖动亦可通过多帧叠加消除。在多帧叠加去除随机噪声时，理论上是叠加帧数越多降噪效果越好，但在实际应用过程中，叠加帧数过多影响处理速度。特别地，综合考虑降噪效果与处理速度后将叠加帧数设定为10。
进一步地，经过多帧叠加去除随机噪声后，进行直方图均衡化增强处理，增加图像全局对比度，具体算法如下：
Figure BDA0002145507070000041
其中，round为四舍五入取整函数；cdf为累积分布函数；表示灰度图像中灰度值出现的次数(例如灰度值为64的像素出现的次数为3，则cdf＝3)；cdfmin为累积分布函数最小值，表示像素灰度值出现次数的最小值；M和N分别代表了图像的长宽像素个数；L是灰度级数；P代表像素。
进一步地，采用canny算子进行边缘检测计算。
进一步地，对完成处理的图像进行模板匹配测量分析；具体如下：
(1)选择匹配模板，参见图2中的图(b)，模板应包含待测部位间隙的明显特征，如各封严篦齿的“齿”、测量叶尖间隙时应选取叶根及外环机匣等相对固定部位，考虑匹配精度，模板选取时上述明显特征在模板中的面积占比应不低于40％，同时考虑计算速度，模板不能太大，记录模板中心坐标位置；
(2)选择匹配区域，参见图2中的图(a)，匹配区域应包含模板区域，但不应太大，综合考虑匹配效果及处理速度，匹配区域面积为模板面积5～10倍；
(3)进行模板匹配计算并输出结果，输出结果为每副图片模板中心点坐标位置。其中，对于发动机转子部件，仅对单个部件进行模板匹配时，可以获得该部件随发动机转速变化的运动情况，如发动机各级盘的前后串动。
对两个部件进行模板匹配时，可以获得两个部件随转速变化的相对位置变化情况，如发动机盘间封严篦齿相对位置变化，对于量值很小的叶尖间隙部位，发动机投影图像上静子机匣和转子叶片叶尖处模糊重叠无法直接测量，可通过该方法测得二者相对位置变化情况。
(4)进行求差运算，得到模板的位置变化情况，进而得到该处封严间隙的变化情况。
具体地，例如对于A、B两个部件间的封严间隙测量，经过上一步骤处理计算后，输出结果为两个模板的中心位置坐标PA(xi,yi)、PB(xi,yi)，与模板初始中心位置坐标PA(x0,y0)、PB(x0,y0)分别进行求差运算，即可得到模板的位置变化情况PA(xi－x0,yi－y0)、PB(xi－x0,yi－y0)，进而得到该处封严间隙的变化情况。
综上所述，本申请的航空发动机封严间隙测量方法，采用基于高能X射线数字图像模板匹配方法，属于无损测量，不需要在发动机机匣上安装测试传感器，能够对发动机内部任意部位进行测量，尤其是发动机运转状态下的测量，效率高，解决了传统间隙测量方法必须进行测试改装且测量部位局限性大的问题。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种航空发动机封严间隙测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将航空发动机安装至高能X射线平台上；
步骤二、调整X射线源位置，使待测部位位于投影图像中心；
步骤三、对待测部位进行扫描，获取投影图像；
步骤四、对投影图像进行多帧图像叠加降噪、增强处理；
步骤五、模板匹配、数据分析；具体地，对步骤四中处理完成的投影图像进行模板匹配测量分析，提取各个区域的间隙变化情况，从而获得各个区域的运动变化规律，完成封严间隙测量；
其中，高能X射线穿透发动机零部件时被吸收和散射而衰减，衰减程度取决于X射线所经过的部位的厚度、结构，这样在发动机后方就形成一幅射线强度分布图像；在发动机后方放置荧光屏，该荧光屏把经过发动机零部件衰减的X射线转换为光信号，光信号进而由CCD相机捕获，最终获得一幅二维数字图像；
其中，上述的图像包含多种噪声，还不能直接用于测量，需要首先对图像进行降噪处理；X射线图像中的噪声是随机噪声，通过多帧图像叠加消除；发动机试车时的振动造成的图像抖动通过多帧图像叠加消除；在多帧图像叠加去除随机噪声时，将叠加帧数设定为10；
经过多帧图像叠加处理后，进行直方图均衡化增强处理，增加图像全局对比度，具体算法如下：
Figure FDA0003220040750000011
其中，round为四舍五入取整函数；cdf为累积分布函数，表示灰度图像中灰度值出现的次数；cdfmin为累积分布函数最小值，表示像素灰度值出现次数的最小值；M和N分别代表了图像的长宽像素个数；L是灰度级数；p代表像素；
其中，对步骤四中完成处理的图像进行模板匹配测量分析；具体如下：
(1)选择匹配模板，模板包含待测部位间隙的明显特征，所述明显特征包括各封严篦齿的“齿”、测量叶尖间隙时选取的叶根及外环机匣相对固定部位，考虑匹配精度，模板选取时上述明显特征在模板中的面积占比应不低于40％，同时考虑计算速度，记录模板中心坐标位置；
(2)选择匹配区域，匹配区域包含模板区域，综合考虑匹配效果及处理速度，匹配区域面积为模板面积5～10倍；
(3)进行模板匹配计算并输出结果，输出结果为每副图片模板中心点坐标位置，其中，对于发动机转子部件，仅对单个部件进行模板匹配时，获得该部件随发动机转速变化的运动情况；
对两个部件进行模板匹配时，获得两个部件随转速变化的相对位置变化情况，所述变化情况包括发动机盘间封严篦齿相对位置变化，对于量值很小的叶尖间隙部位，测得两个叶尖相对位置变化情况；
(4)进行求差运算，得到模板的位置变化情况，进而得到各个区域封严间隙的变化情况；
具体地，对于A、B两个部件间的封严间隙测量，经过步骤(3)处理计算后，输出结果为两个模板的中心位置坐标PA(xi,yi)、PB(xi,yi)，与模板初始中心位置坐标PA(x0,y0)、PB(x0,y0)分别进行求差运算，得到模板的位置变化情况PA(xi-x0,yi-y0)、PB(xi-x0,yi-y0)，进而得到各个区域封严间隙的变化情况。
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