CN111256606A - 一种实时测量转静结构缝隙的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时测量转静结构缝隙的设备及方法，属于涡轮盘级间封严领域。提供的设备包括设置在静盘上的激光发射装置和接收装置以及设置在转盘上的反射装置，还包括数据处理装置，通过调整所述激光发射装置的入射角度，使其发射的激光通过反射装置反射后的光线正好照射到转静结构缝隙，通过该缝隙后成像到接收装置上，数据处理装置则将在接收装置上成像的条纹图样转化为数字图像，进而分析获得转静结构缝隙的尺寸，可以实现对转静结构缝隙的非接触实时监控测量。

Description

一种实时测量转静结构缝隙的设备及方法

技术领域

本发明属于涡轮盘级间封严领域，涉及一种实时测量转静结构缝隙的设备和方法，尤其涉及一种对轮缘封严齿缝隙的实时监控测量方法。

背景技术

在高压、高温和高转速的工作条件下，涡轮在运行过程中承受了极大的热应力和离心力，尤其是转盘更需要考验设计和维护。为了减少高温燃气对转盘的损坏，将引自压气机的低温气体通入盘腔来阻止燃气入侵，这部分气体被称为封严冷气。冷气量不够，会使得主流气体从轮缘封严齿缝隙大量入侵盘腔内部，折损涡轮寿命；冷气量过剩，则增加发动机损耗，降低整体运行效率。轮缘封严齿的缝隙是阻止燃气入侵的关键，封严缝隙越小，主流对盘腔的入侵则越小。而在实际的实验中，受到转盘周向摆动和系统振动的影响，封严缝隙的尺寸会随时变化，而现有的技术一般都只能测量转静结构缝隙的静态尺寸，而无法对转静结构的封严缝隙的动态尺寸进行监控测量。

发明内容

针对现有技术中存在的问题的一个或多个，本发明的一个方面提供一种实时测量转静结构缝隙的设备，该转静结构包括转盘(2)和静盘(1)，在转盘(2)之上设置有转盘封严环(4)，在静盘(1)之上设置有静盘封严环(3)，所述设备包括：激光发射装置(5)、反射装置(6)、接收装置(7)和数据处理装置；其中所述激光发射装置(5)设置在静盘(1)上，并位于所述静盘封严环(3)的一侧，所述反射装置(6)设置在转盘(2)上，并位于所述转盘封严环(4)的外侧，所述接收装置(7)设置在静盘(1)上，位于所述静盘封严环(3)的内侧，并正对所述转盘封严环(4)与静盘封严环(3)之间的缝隙，且所述接收装置(7)与所述数据处理装置电连接；其中所述激光发射装置(5)发射的激光经所述反射装置(6)反射后正好照射到所述转盘封严环(4)与静盘封严环(3)之间的缝隙，并穿过该缝隙成像到所述接收装置(7)上，所述接收装置(7)通过连接的数据处理装置将成像到其上的条纹图样转化为数字图像。

当上述转盘(2)和静盘(1)的半径均为b时，所述激光发射装置(5)设置在静盘(1)的0.98b半径位置处。

上述激光发射装置(5)为可调焦半导体小型线激光器，所述反射装置(6)为镜面，所述接收装置(7)为CCD接收屏，所述数据处理装置为电脑。

上述可调焦半导体小型线激光器的发射波长为650nm。

上述转静结构为涡轮。

本发明另一方面还提供一种实时测量转静结构缝隙的方法，该转静结构包括转盘(2)和静盘(1)，在转盘(2)之上设置有转盘封严环(4)，在静盘(1)之上设置有静盘封严环(3)，所述方法包括以下步骤：

1)在静盘(1)上安装激光发射装置(5)，在转盘(2)上对应于转盘封严环(4)与静盘封严环(3)之间的待测缝隙的位置安装反射装置(6)，在静盘(1)上对应于转盘封严环(4)与静盘封严环(3)之间的待测缝隙的位置安装接收装置(7)；

2)调整所述激光发射装置(5)的入射角度，使得激光发射装置(5)发射的激光通过所述发射装置(6)反射后的激光光线正好照射到转盘封严环(4)与静盘封严环(3)之间的待测缝隙，通过所述待测缝隙后成像到所述接收装置(7)上，所述接收装置(7)将成像到其上的条纹图样通过其连接的数据处理装置转化为待测数字图像；

3)选用具有已知尺寸的转盘封严环(4)与静盘封严环(3)之间的标准缝隙对其获得的标准数字图像的像素进行定标，确定单个像素点所对应的真实空间尺度；

4)分析步骤2)获得的数字图像，获得所述待测缝隙的衍射图样中暗条纹平均距离对应的像素点数，进而通过步骤3)通过标准缝隙确定的单个像素点所对应的真实空间尺度确定待测缝隙的尺寸。

上述方法中，步骤3)中所述定标采用Photoshop软件执行，步骤4)中所述分析步骤2)获得的数字图像为通过Photoshop软件分析。

上述方法中，还对所述待测数字图像和标准数字图像进行去噪处理，所述去噪处理为通过MATLAB软件进行处理。

基于以上技术方案提供的实时测量转静结构缝隙的设备及方法基于夫琅禾费衍射的相关原理，在旋转转盘表面安装反射装置，而在静盘一侧同时设置激光发射装置和接收装置，接收装置连接有数据处理装置，提供一种非接触实时测量转静缝隙的设备，该设备能够将亚毫米级别的微小缝隙放大并测量，既节约了空间又实现了转静缝隙的实时测量。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明装置及方法充分利用光的衍射特性将微小缝隙转换为可测量的暗斑并实时监控，通过在转盘表面设置反射装置，在静盘一侧设置激光发射装置和接收装置，实现了对转静结构缝隙的非接触实时监控测量；

2)本发明兼顾了转静盘腔的空间限制，利用反射装置将激光发射装置和接收装置都置于静盘一侧使得监控持续可见，并且还节约了空间。

附图说明

图1为本发明提供的实时测量转静结构缝隙的设备的结构示意图；

图2为用0.300mm标准封严环缝隙和待测封严环缝隙的衍射条纹图样在CCD接收屏上的成像以及对应的光强分布图样。

具体实施方式

光的衍射现象指的是光线遇到障碍物或狭缝时偏离直线传播路径却绕到障碍物或狭缝后面的一种物理现象，按照光源的不同可分为近场衍射和远场衍射。在实际应用中，远场衍射也称夫琅禾费衍射常被用来测量微小尺寸结构，这是由于衍射产生的暗斑与被测量的物体尺寸之间有简单的数学关系：s＝λL/a。得益于现代激光技术的进步让夫琅禾费衍射的实现越来越容易，鉴于激光具有良好的方向性，完全可以被当做是平行光。同时，夫琅禾费衍射只需要保证缝隙的尺寸远小于它到接收装置的距离即可。

本发明基于以上原理，利用CCD成像法接收激光衍射后的图样，随后将衍射图样的光强分布转化为数字图像信号，最后使用后处理软件对数据进行相关处理和分析，从而提供一种非接触测量转静缝隙的设备和方法，该设备和方法能够将亚毫米级别的微小放大并测量，可以更有效地阻止燃气入侵的发生。

根据以上原理，将一束平行的激光投射向间距为a的缝隙时，衍射后的夫琅禾费亮暗条纹和激光的波长λ和衍射角度

的关系由下面三个公式描述：

暗条纹 (I)

明条纹 (II)

中央明条纹 (III)

其中，k＝±1，±2，±3，…。因为衍射角度事实上不大，因而能用以下近似处理：

上式中x_k代表第k级暗纹与衍射中心之间的间距，l代表衍射缝隙与CCD接收屏之间的最短间距。将上下两组公式合并化简后就可以得到暗纹和缝隙的相互关系，即：

a＝kλl/x_k＝λl/s (IV)

上式中s用来表示两个相邻的暗纹间的距离。因此仅需要确定了暗纹中心对应的位置分布情况，就可以算出缝隙的大小。

通过以下具体实施方式详细说明本发明。

实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，实施例将有助于理解本发明，但不作为对本发明内容的限制。

实施例1：

如图1所示，示出了本发明提供的实时测量转静结构缝隙的设备的结构示意图，该设备包括在静盘1的0.98b半径位置处(其中b表示静盘1的半径)固定设置的波长为650nm的可调焦半导体小型线激光器5、在转盘2上固定设置的位于转盘封严环4外侧的镜面6，该镜面6通过粘合剂与螺栓压紧在动盘2上、以及在静盘1上固定设置的对应于转盘封严环4和静盘封严环3之间的缝隙的CCD接收屏，该CCD接收屏还连接有电脑，用于将CCD接收屏上成像的衍射条纹转化为数字图像。其中调整激光器5的入射角度，使得通过转盘2上镜面6反射的激光光线正好照射到涡轮封严缝隙(即转盘封严环4和静盘封严环3之间的缝隙)，当激光光线通过该缝隙后，最后到达静盘1上设置的CCD接收屏，实现激光的衍射过程。在之后的测量过程中，需要保持光源、镜面、缝隙、接收屏的相对位置大体不变。由于衍射现象的放大特性，转盘微小摆动带来的缝隙的变化都可以通过镜面反射带来的衍射图样变化来精准捕捉，从而实现对转静结构缝隙的实时监控测量。

CCD成像方法在把衍射的条纹图样转化为对应的数字图像之后，需对数字图像的像素做定标，这一操作由Photoshop软件执行，来确定单个像素点所对应的真实空间尺度。该实施例在标定时选定a₁＝0.300mm的缝隙来标定，获得此情况下暗条纹的间距：

s₁＝Δ·N₁ (V)，式(V)中N是像素数，Δ是单个像素的真实空间尺度。在确保缝隙到CCD接收屏的距离一定的前提下，待测缝隙的暗条纹的间距s_x＝Δ·N_x (VI)

因为上式(V)和(VI)中两个Δ相等，所以联解两式可得待测缝隙a_x＝a₁N₁/N_x(VII)

图2分别示出了用0.300mm标准封严环缝隙和待测封严环缝隙的衍射条纹图样在CCD接收屏上的成像及对应的数字图像。为获得衍射条纹图样对应的数字图像(即光强分布图样)，该实施例在水平方向寻找光强为极大值的一行像素，之后在竖直方向对包含了该行像素之内的上下紧邻的5个像素点的光强做求和处理，最终获得像素在水平坐标和光强值的关系曲线，其中图2中A幅表示标准封严环缝隙，图2中B幅表示待测封严环缝隙。为了降低因为激光带来的高斯光束和空气扰动等负面影响，光强分布图样已进行了对应的去噪处理。去噪通过MATLAB软件利用小波分析方法进行相应的模极大法去噪处理。

通过Photoshop软件分析待测条纹的光强分布图样，获得了待测缝隙的暗条纹平均距离对应着28.75个像素点，而标定的0.300mm缝隙的暗条纹平均距离对应着19.25个像素点。根据上述式(VII)，即可得到a_x＝0.201mm。

上述CCD成像法在结合计算机后可以实现对测量数据的自动分析，数据获取和分析的效率很高，非常适合实时批量检测。本发明提供的设备和方法对于常见的涡轮转静盘腔结构都能适用，其使用范围还可以扩展至航空发动机涡轮转静盘腔，并具有结构简单，安装方便的优点。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (8)

1.一种实时测量转静结构缝隙的设备，该转静结构包括转盘(2)和静盘(1)，在转盘(2)之上设置有转盘封严环(4)，在静盘(1)之上设置有静盘封严环(3)，其特征在于，所述设备包括：激光发射装置(5)、反射装置(6)、接收装置(7)和数据处理装置；其中所述激光发射装置(5)设置在静盘(1)上，并位于所述静盘封严环(3)的一侧，所述反射装置(6)设置在转盘(2)上，并位于所述转盘封严环(4)的外侧，所述接收装置(7)设置在静盘(1)上，位于所述静盘封严环(3)的内侧，并正对所述转盘封严环(4)与静盘封严环(3)之间的缝隙，且所述接收装置(7)与所述数据处理装置电连接；其中所述激光发射装置(5)发射的激光经所述反射装置(6)反射后正好照射到所述转盘封严环(4)与静盘封严环(3)之间的缝隙，并穿过该缝隙成像到所述接收装置(7)上，所述接收装置(7)通过连接的数据处理装置将成像到其上的条纹图样转化为数字图像。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，当所述转盘(2)和静盘(1)的半径均为b时，所述激光发射装置(5)设置在静盘(1)的0.98b半径位置处。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述激光发射装置(5)为可调焦半导体小型线激光器，所述反射装置(6)为镜面，所述接收装置(7)为CCD接收屏，所述数据处理装置为电脑。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述可调焦半导体小型线激光器的发射波长为650nm。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的设备，其特征在于，所述转静结构为涡轮。

6.一种实时测量转静结构缝隙的方法，该转静结构包括转盘(2)和静盘(1)，在转盘(2)之上设置有转盘封严环(4)，在静盘(1)之上设置有静盘封严环(3)，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)在静盘(1)上安装激光发射装置(5)，在转盘(2)上对应于转盘封严环(4)与静盘封严环(3)之间的待测缝隙的位置安装反射装置(6)，在静盘(1)上对应于转盘封严环(4)与静盘封严环(3)之间的待测缝隙的位置安装接收装置(7)；

2)调整所述激光发射装置(5)的入射角度，使得激光发射装置(5)发射的激光通过所述发射装置(6)反射后的激光光线正好照射到转盘封严环(4)与静盘封严环(3)之间的待测缝隙，通过所述待测缝隙后成像到所述接收装置(7)上，所述接收装置(7)将成像到其上的条纹图样通过其连接的数据处理装置转化为待测数字图像；

3)选用具有已知尺寸的转盘封严环(4)与静盘封严环(3)之间的标准缝隙对其获得的标准数字图像的像素进行定标，确定单个像素点所对应的真实空间尺度；

4)分析步骤2)获得的数字图像，获得所述待测缝隙的衍射图样中暗条纹平均距离对应的像素点数，进而通过步骤3)通过标准缝隙确定的单个像素点所对应的真实空间尺度确定待测缝隙的尺寸。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤3)中所述定标采用Photoshop软件执行，步骤4)中所述分析步骤2)获得的数字图像为通过Photoshop软件分析。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，还对所述待测数字图像和标准数字图像进行去噪处理，所述去噪处理为通过MATLAB软件进行处理。

Images