CN111103059A - 一种用于发动机涡轮叶片全场扫描的探针装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于发动机涡轮叶片全场温度扫描的探针装置，包括探针、摆扫转置、旋转装置、伸缩装置、固定底座、固定法兰盘；所述探针包括反射镜、视管、光管、探针外壳、光电转换模块，叶片辐射的光束通过探针传输给光电转换模块；所述伸缩装置包括：滑台底座、螺纹驱动杆、滑台、伸缩控制模块，伸缩控制模块控制滑台的运动从而使探针伸缩运动；所述旋转装置包括：轴承底板、轴承组、外啮合齿轮传动结构、旋转控制模块，所述旋转控制模块控制外啮合齿轮传动结构从而驱动探针旋转；所述摆扫转置包括：反射镜底座、反射镜夹板、反射镜、反射镜销钉、推杆、推杆销钉、摆扫控制模块，所述摆扫控制模块控制推杆的运动从而带动反射镜的摆扫。三个运动控制装置能实现探针的伸缩、旋转以及反射镜的摆扫功能以完成叶片不同叶片高度、叶片不同面以及叶片不同曲率点的扫描最终实现涡轮叶片的全场扫描。

Description

一种用于发动机涡轮叶片全场扫描的探针装置

技术领域

本发明属于航空发动机涡轮叶片温度测量领域，特别是含有伸缩、旋转、摆扫功能的全表面温度场扫描探针装置。

背景说明

辐射测温是常用的发动机涡轮叶片非接触式测温方法，它具有不破坏表面温度场、测温上限高、环境兼容性好等优点。辐射测温系统主要包括光学探测模块和信号处理模块，在发动机测温领域，光学探测模块一般由高温计探针实现。

探针一般置于发动机机匣外壳上，通过机匣外壳上开的观察窗伸入以观察涡轮叶片表面。涡轮叶片表面为不规则曲面,叶片表面的不同点的辐射角不同，并且吸力面和压力面的温度分布情况也存在差异。因此，现代发动机涡轮叶片高温计探针应该实现叶面的不同点以及不同叶面的温度辐射扫描以合成涡轮叶片全表面温度场分布。

发明内容

为了实现辐射高温计对发动机涡轮叶片的全场温度分布的测量，本发明提供一种集探针伸缩、探针旋转、反射镜摆扫功能于一体的辐射高温计探针装置。

本发明的技术方案：一种用于发动机涡轮叶片全表面温度场扫描的探针装置，该装置包括：探针、摆扫装置、旋转装置、伸缩装置、固定底座、固定法兰盘；

所述伸缩装置包括：滑台底座、螺纹驱动杆、滑台、伸缩控制模块，所述滑台底座为“凹”形结构，螺纹驱动杆从滑台的中心穿过，螺纹驱动杆的两端架设于滑台底座上，由滑台底座“凹”形结构的两端凸起支撑，滑台底座的“凹”形结构底部设置有与螺纹驱动杆平行的滑轨，并且滑台与滑轨相互配合，螺纹驱动杆一端与伸缩控制模块输出轴连接，伸缩控制模块控制螺纹驱动杆的转动，从而带动滑台沿滑轨运动；

所述旋转装置包括：轴承组件、外啮合齿轮传动结构、旋转控制模块，所述轴承组件包括一个推力圆柱滚子轴承、一个推力混合轴承、轴承底板、轴承卡件、限位压力传感器，各轴承通过轴承卡件轴向固定于轴承底板上，所述探针设置于轴承组的各轴承中，旋转控制模块固定于推力混合轴承的轴承卡件上，旋转控制模块的输出通过外啮合齿轮传动结构带动整个探针绕探针自身的轴转动，所述轴承底板固定于伸缩装置中的滑台上，轴承底板的下表面沿滑动方向的前后两端分别装有一个限位压力传感器，用于与滑台底座“凹”形结构两端向上的凸起配合，限制滑块的滑动距离；

所述探针包括：反射镜、视管、光管、探针外壳、光电转换模块，所述视管与探针外壳拼接，视管伸入发动机机匣内，探针外壳置于机匣外，所述视管顶端设置有反射镜，所述反射镜为金属反射镜，所述反射镜的侧面开设有两个贯穿的销孔，对应反射镜在视管壁上开设有通光孔，用于涡轮发动机内光线照射到反射镜上；所述光管设置于探针外壳内，反射镜将涡轮叶片表面的辐射光线反射进光管，光管中含有光学镜片组，用于对视管收集的光束进行聚光、滤光、准直后传输至光电转换模块，光电转换模块设置于探针外壳之后；

所述摆扫转置包括：反射镜底座、反射镜夹板、反射镜销钉、推杆、推杆销钉、摆扫控制模块；所述反射镜底座固定于视管末端，反射镜夹板固定在反射镜底座的中部，所述反射镜夹板为侧面开设夹板销孔的两块金属片组成，所述反射镜销钉穿过夹板销孔和反射镜侧面的一个销孔将反射镜侧面铰接于夹板中间，推杆前端开设有圆弧状的条状槽口，所述推杆销钉穿过反射镜另一个销孔置于推杆的条状槽口中，推杆销钉可在推杆的条状槽口中滑动，推杆运动时推杆销钉带动反射镜在槽口内运动，从而带动反射镜绕反射镜销钉的轴作摆扫运动；摆扫控制模块位于探针末端，用于控制推杆的伸缩；

所述伸缩装置的滑台底座设置于固定底座上，所述固定法兰盘包括两段，一段固定于底座的前段，探针的视管从另一段中穿过，该用于发动机涡轮叶片全表面温度场扫描的探针装置通过固定法兰盘固定于机匣外部。

进一步的，所述轴承组中的推力圆柱滚子轴承设置于探针的视管外侧，用于固定和支撑探针前端；所述推力混合滚子轴承设置于探针外壳外侧，用于固定、支撑探针外壳以及旋转控制模块；所述外齿轮啮合传动结构设置于推力圆柱滚子轴承和推力混合滚子轴承之间的探针外壳处，用于将旋转控制模块的旋转运动传给探针的轴；所述外啮合齿轮传动结构由两个齿轮组成，两个齿轮的啮合部均涂覆有一层环氧类AB胶。齿轮加上涂覆上的环氧胶可以在涡轮发动机工作是的巨大震动时减少齿轮传动结构对探针轴的压力的同时减少齿轮间的摩擦带来的齿轮磨损，提高整个齿轮传动结构的效率和稳定性。

进一步的，所述固定底座为凹状结构，固定底座的侧壁上设置有滑槽；所述伸缩装置中滑台的侧面阵列设置有金属滚珠，并且金属滚珠为半嵌入式安装；所述固定底座与伸缩装置中的滑台底座配合，伸缩装置中滑台侧面的金属滚珠与固定底座侧壁上的滑槽相配合，当滑台底座卡入固定底座内侧时，滑台侧面的金属滚珠也正好卡入固定底座侧壁上的滑槽内。这保证了滑台在伸缩过程时的顺滑，同时还能承受燃气环境强烈振荡的影响。

进一步的，固定法兰盘中被探针视管穿过的一段包括外圈和内圈，内圈位于外圈的中心，外圈与固定法兰盘中固定在底座上的一段是一体的，探针视管穿过内圈的中心并与内圈可转动的密封连接；内圈和外圈之间设置有一层金属密封层，用于将内圈和外圈之间完全密封，金属密封层上设置有多条垂直于金属密封层的脊，脊的高度不高于固定法兰盘的表面。

进一步的，所述外啮合齿轮传动结构包括主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮和从动齿轮均为人字形齿轮，且主动齿轮啮合部的中线向外凸起，从动齿轮啮合部的中线向内凹陷。因为涂覆有软性材料环氧类AB胶的原因，啮合面齐平的情况会带来两齿轮传动不精确同步的干扰，采用一凸一凹的设计能提高软性啮合面的情况下传动同步的精度。

进一步的，所述固定法兰盘中金属密封层上的脊在金属密封层上的投影为曲线形。曲线形能增大散热面。

本发明用不同的运动控制结构和传动结构实现了发动机高温计探针的涡轮叶片全场扫描功能，并且能承受高温燃气强振荡。

附图说明

图1为探针总体和装配示意图。

图2为反射镜、摆扫装置装配示意图。

图3为轴承组件示意图。

图4为探针装置总体及其装配示意图。

图5为探针伸缩和反射镜摆扫观察转子叶片表面的示意图。

图6为探针旋转观察叶片压力面和吸力面的示意图。

图7为本发明进一步中外啮合齿轮传动结构中主动齿轮和从动齿轮均为人字形齿轮的示意图。

图8为本发明进一步中固定法兰盘中脊在金属密封层上的曲线形投影的一种实施例示意图。

图中，1探针；2视管；3反射镜；4探针外壳；5光管；6通光孔；7光电传感模块；8 摆扫装置；9反射镜底座；10反射镜夹板；11反射镜销钉；12推杆销钉；13推杆槽口；14 推杆；15推杆销孔；16反射镜销孔；17夹板销孔；18摆扫控制模块；19轴承组件；20轴承底板；21推力混合滚子轴承；22推力滚子轴承；23轴承卡件；24限位压力传感器；25探针装置；26滑台；27滚珠丝杠；28伸缩控制模块；29滑台底座；30滑轨；31固定底座；32滑槽；33金属滚珠；34固定法兰；35外啮合齿轮传动结构；36旋转控制模块；37发动机机匣外壳；38转子叶片；39定子叶片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的介绍

图1中，所述探针1包括前端的视管2、反射镜3、探针外壳4、光管5、通光孔6、光电传感模块7。反射镜3置于视管2的内部且镜面正对通光孔6，光管5置于探针外壳4的内部，视管2的直径在满足光学需求情况下应尽量小，因为探针1伸入发动机观察叶片时暴露在燃气流道的孔径尺寸越小，越容易冷却，同时还能减少高温热燃气进入光管5。进一步地，所述视管2的直径小于所述探针外壳4的直径，进一步减轻热燃气影响。

图2中，所述摆扫装置8包括反射镜3、反射镜底座9、反射镜夹板10、反射镜销钉11、推杆销钉12、推杆槽口13、推杆14、推杆销孔15、反射镜销孔16、夹板销孔17、摆扫控制模块18。所述反射镜3直径为6mm、高度为2mm，侧面切平，切削横截面为1.2*2mm的矩形，沿切削侧面中部将凸台贯穿直径1mm的反射镜销孔16，所述反射镜夹板10置于所述反射镜底座9的中部，反射镜夹板10侧面贯穿一对直径1mm的夹板销孔17，底圆直径1mm、长度6mm 的反射镜销钉11穿过夹板销孔17和反射镜销孔16将反射镜3侧面固定于反射镜夹板10中间；距离反射镜销孔16中心轴2.2mm处将反射镜3横向贯穿直径为1mm的推杆销孔15，所述推杆 14的前端开有一对宽度为1.2mm的推杆槽口13，底圆直径1mm、长度6mm的推杆销钉12穿过推杆销孔15置于推杆槽口13中间，所述推杆14运动时推杆销钉15带动反射镜3在推杆槽口 13内运动，从而带动反射镜3绕反射镜销钉11的轴作摆扫运动。在本实施例中，所述反射镜 3能摆扫的角度范围为30°～60°。

图3中，所述轴承组件19包括轴承底板20；推力混合滚子轴承21；推力滚子轴承22；轴承卡件23；限位压力传感器24。所述的推力混合滚子轴承21和推力滚子轴承22的轴心线重合并置于轴承卡件23内，轴承卡件23置于轴承底板20上，所述轴承底板前后分别安装一个限位压力传感器24。

结合图4，所述探针1置于轴承组件19内，并且所述推力混合滚子轴承21和推力滚子轴承22的内径分别与所述探针外壳4和视管2的外径配合。所述旋转控制模块36驱动外啮合齿轮传动结构35从而带动探针1转动时，推力混合滚子轴承21和推力滚子轴承22的内圈分别与所述探针外壳4和视管2一起转动，所述推力混合滚子轴承21不仅承受探针外壳4的轴向摩擦力还承受了旋转控制模块36的径向压力，再加上推力滚子轴承22与视管2的配合，使探针1前后端不产生离心运动的同时不会产生滑落情况。进一步地，所述轴承底板20上安装的限位压力传感器20在接触所述滑台底座31的首端/末端，会产生一个信号脉冲，信号脉冲促使伸缩控制模块28控制滑台26反向运动，从而限制探针1的伸缩行程。

图4中，所述固定底座31为凹状结构，所述固定底座31侧壁上设置有滑槽32；所述滑台26的侧面阵列设置有金属滚珠33，所述滚珠33为半嵌入式安装，所述滑台底座29与凹状的固定底座31配合，所述滑台26的金属滚珠33与固定底座侧壁上的滑槽32相配合，当滑台底座29卡入固定底座31内侧时，滑台26侧面的金属滚珠也正好卡入固定底座31的侧壁上的滑槽内。这保证了滑台26在伸缩过程时的顺滑，同时还能承受燃气环境强烈振荡的影响。

图5中，所述视管2穿过发动机机匣外壳37观察转子叶片38时，可以径向伸缩视管2或者摆扫反射镜3以观察转子叶片38的叶根到叶尖的不同高度的点以合成整个面的温度分布。结合图4，所述伸缩控制模块28驱动滑台26运动并带动视管2伸缩观察转子叶片38的不同高度的点，而由于转子叶片38表面是自由曲面，需要摆扫控制模块18驱动反射镜3摆扫不同角度以更清楚地观察曲面上的不同点，从而合成转子叶片38单面的精确温度分布。

图6中，所述视管2不仅可以观察所述转子叶片38、定子叶片39的压力面，还可以观察它们的吸力面。结合图4，所述视管2在旋转控制模块36的驱动下可以旋转，旋转在不同的角度位置可以观察相邻转子叶片38或者定子叶片39的不同面，再结合图5，在不同面可以伸缩视管2、摆扫反射镜3观察不同叶片高度的点，最终合成不同面的温度场分布，完成涡轮叶片的全表面温度场扫描过程。

Claims (6)

1.一种用于发动机涡轮叶片全场温度扫描的探针装置，该装置包括：探针、摆扫装置、旋转装置、伸缩装置、固定底座、固定法兰盘；

所述伸缩装置包括：滑台底座、螺纹驱动杆、滑台、伸缩控制模块，所述滑台底座为“凹”形结构，螺纹驱动杆从滑台的中心穿过，螺纹驱动杆的两端架设于滑台底座上，由滑台底座“凹”形结构的两端凸起支撑，滑台底座的“凹”形结构底部设置有与螺纹驱动杆平行的滑轨，并且滑台与滑轨相互配合，螺纹驱动杆一端与伸缩控制模块输出轴连接，伸缩控制模块控制螺纹驱动杆的转动，从而带动滑台沿滑轨运动；

所述旋转装置包括：轴承组件、外啮合齿轮传动结构、旋转控制模块，所述轴承组件包括一个推力圆柱滚子轴承、一个推力混合轴承、轴承底板、轴承卡件、限位压力传感器，各轴承通过轴承卡件轴向固定于轴承底板上，所述探针设置于轴承组的各轴承中，旋转控制模块固定于推力混合轴承的轴承卡件上，旋转控制模块的输出通过外啮合齿轮传动结构带动整个探针绕探针自身的轴转动，所述轴承底板固定于伸缩装置中的滑台上，轴承底板的下表面沿滑动方向的前后两端分别装有一个限位压力传感器，用于与滑台底座“凹”形结构两端向上的凸起配合，限制滑块的滑动距离；

所述探针包括：反射镜、视管、光管、探针外壳、光电转换模块，所述视管与探针外壳拼接，视管伸入发动机机匣内，探针外壳置于机匣外，所述视管顶端设置有反射镜，所述反射镜为金属反射镜，所述反射镜的侧面开设有两个贯穿的销孔，对应反射镜在视管壁上开设有通光孔，用于涡轮发动机内光线照射到反射镜上；所述光管设置于探针外壳内，反射镜将涡轮叶片表面的辐射光线反射进光管，光管中含有光学镜片组，用于对视管收集的光束进行聚光、滤光、准直后传输至光电转换模块，光电转换模块设置于探针外壳之后；

所述摆扫转置包括：反射镜底座、反射镜夹板、反射镜销钉、推杆、推杆销钉、摆扫控制模块；所述反射镜底座固定于视管末端，反射镜夹板固定在反射镜底座的中部，所述反射镜夹板为侧面开设夹板销孔的两块金属片组成，所述反射镜销钉穿过夹板销孔和反射镜侧面的一个销孔将反射镜侧面铰接于夹板中间，推杆前端开设有圆弧状的条状槽口，所述推杆销钉穿过反射镜另一个销孔置于推杆的条状槽口中，推杆销钉可在推杆的条状槽口中滑动，推杆运动时推杆销钉带动反射镜在槽口内运动，从而带动反射镜绕反射镜销钉的轴作摆扫运动；摆扫控制模块位于探针末端，用于控制推杆的伸缩；

所述伸缩装置的滑台底座设置于固定底座上，所述固定法兰盘包括两段，一段固定于底座的前段，探针的视管从另一段中穿过，该用于发动机涡轮叶片全表面温度场扫描的探针装置通过固定法兰盘固定于机匣外部。

2.如权利要求1所述的一种用于发动机涡轮叶片全表面温度场扫描的探针装置，其特征在于所述轴承组中的推力圆柱滚子轴承设置于探针的视管外侧，用于固定和支撑探针前端；所述推力混合滚子轴承设置于探针外壳外侧，用于固定、支撑探针外壳以及旋转控制模块；所述外齿轮啮合传动结构设置于推力圆柱滚子轴承和推力混合滚子轴承之间的探针外壳处，用于将旋转控制模块的旋转运动传给探针的轴；所述外啮合齿轮传动结构由两个齿轮组成，两个齿轮的啮合部均涂覆有一层环氧类AB胶。

3.如权利要求1所述的一种用于发动机涡轮叶片全表面温度场扫描的探针装置，其特征在于所述固定底座为凹状结构，固定底座的侧壁上设置有滑槽；所述伸缩装置中滑台的侧面阵列设置有金属滚珠，并且金属滚珠为半嵌入式安装；所述固定底座与伸缩装置中的滑台底座配合，伸缩装置中滑台侧面的金属滚珠与固定底座侧壁上的滑槽相配合，当滑台底座卡入固定底座内侧时，滑台侧面的金属滚珠也正好卡入固定底座侧壁上的滑槽内。

4.如权利要求1所述的一种用于发动机涡轮叶片全表面温度场扫描的探针装置，其特征在于固定法兰盘中被探针视管穿过的一段包括外圈和内圈，内圈位于外圈的中心，外圈与固定法兰盘中固定在底座上的一段是一体的，探针视管穿过内圈的中心并与内圈可转动的密封连接；内圈和外圈之间设置有一层金属密封层，用于将内圈和外圈之间完全密封，金属密封层上设置有多条垂直于金属密封层的脊，脊的高度不高于固定法兰盘的表面。

5.如权利要求2所述的一种用于发动机涡轮叶片全表面温度场扫描的探针装置，其特征在于所述外啮合齿轮传动结构包括主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮和从动齿轮均为人字形齿轮，且主动齿轮啮合部的中线向外凸起，从动齿轮啮合部的中线向内凹陷。

6.如权利要求4所述的一种用于发动机涡轮叶片全表面温度场扫描的探针装置，其特征在于所述固定法兰盘中金属密封层上的脊在金属密封层上的投影为曲线形。

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