CN111678607B - 一种基于旋转式棱镜的涡轮叶片表面温度测量装置 - Google Patents

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Abstract

该发明公开了一种基于旋转式棱镜的涡轮叶片表面温度测量装置，属于航空发动机领域，特别是含有旋转棱镜和水冷套管的涡轮叶片表面温度测量装置。本发明克服了传统的涡轮叶片测量装置伸入发动机部分过长造成的安装困难、光学污染严重等问题；基于传热学引入了螺旋水冷装置，大大增加冷却效率；棱镜旋转代替传统的整个探针装置的旋转，不仅减少旋转整个装置造成的光学系统的不稳定，还提高了扫描效率；光管的简单传动结构解决了传统探针装置没有实现的调焦功能；线阵传感器的使用能同时探测多个面元的温度，也大大提高了扫描效率。

Description

一种基于旋转式棱镜的涡轮叶片表面温度测量装置
技术领域
本发明属于航空发动机领域，特别是含有旋转棱镜和水冷套管的涡轮叶片表面温度测量装置。
背景技术
涡轮叶片的强度和寿命是航空发动机定寿的关键件，它在高转速的极端发动机工况下承载着循环热载荷和较大的离心力，为了保证在发动机运行期间的稳定性和可靠性，准确监测涡轮叶片表面温度及分布以评估其热载荷，有利于发动机的维护。从目前的研究现状来看，有很多机构院所致力于研究涡轮叶片表面的温度测量，但是大多数都是基于单点温度测量并结合探针等装置的运动扫描从而实现整体叶片的表面温度测量，这种方法虽然可行，但是效率较慢，并且移动探针位置难免对探针内部的光学系统聚焦或稳定性有所影响，基于以上，本发明提出一种带旋转棱镜的非单点温度测量装置。
发明内容
本发明提出一种基于旋转式棱镜的涡轮叶片表面温度测量装置，旨在解决目前的涡轮叶片的温度测量装置效率低、功能单一等问题。
本发明的技术方案为：一种基于旋转式棱镜的涡轮叶片表面温度测量装置，该装置包括：探针、棱镜旋转装置、光学调焦装置，所述棱镜旋转装置、光学调焦装置设置于探针外壁；所述探针包括：探针外壳、探针内壳、水冷套管、蓝宝石窗片、石英棱镜、光管；其中探针外壳为瓶状，包括瓶身和瓶口，瓶口直径小于瓶身直径，瓶身与瓶口之间有直径逐渐变小的过渡段，瓶身的底部设置有入水管、瓶身顶部设置有出水管；探针内壳设置于探针外壳内且探针内壳与外壳之间设置有冷却腔，探针内壳为管状，顶部与探针外壳的过渡段密封接触，底部与探针外壳的底部齐平，冷水套管绕制于探针内壳上；冷水套管的冷却水入口与探针外壳的入水管连接，冷水套管的出水口与探针外壳的冷却水出口连接；蓝宝石窗片设置于探针外壳的瓶口处，石英棱镜设置于探针内壳的头段内；光管为管状，位于探针内壳的尾段内，光管内顺光线传播方向依次设置有准直镜、聚焦镜和红外阵列探测器；石英棱镜折射透过蓝宝石窗片的光线使其准确进入光管内；
所述棱镜旋转装置包括：旋转电机、蜗杆、齿轮、棱镜旋转台，棱镜旋转台一端位于探针内一端位于探针外，探针外壳和探针内壳上开设有用于设置棱镜旋转台的旋转通孔；棱镜旋转台位于探针内的一端顶部与石英棱镜固定，位于探针外的一端与旋转电机机械连接，通过旋转电机的转动带动旋转台转动；
所述光学调焦装置包括：伸缩电机、联轴器、丝杠、驱动杆，所述驱动杆与光管的外壁固定，探针外壳和探针内壳上开设有用于驱动杆滑动的轨道，驱动杆嵌套于丝杆上，伸缩电机通过联轴器与丝杆连接，通过伸缩电机的转动带动丝杆转动，从而带动驱动杆沿轨道滑动。
进一步的，所述冷水套管绕制于探针内壳上，且由探针内壳底部到顶部的绕制密度是由疏到密的。
进一步的，所述棱镜旋转台位于探针外的一端设置有齿轮，旋转电机的输出杆为蜗杆，蜗杆与齿轮配合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明克服了传统的涡轮叶片测量装置伸入发动机部分过长造成的安装困难、光学污染严重等问题；基于传热学引入了螺旋水冷装置，大大增加冷却效率；棱镜旋转代替传统的整个探针装置的旋转，不仅减少旋转整个装置造成的光学系统的不稳定，还提高了扫描效率；光管的简单传动结构解决了传统探针装置没有实现的调焦功能；线阵传感器的使用能同时探测多个面元的温度，也大大提高了扫描效率。
附图说明
图1为整体装置外观图。
图2为装置的x-o-z面剖视图。
图3为装置的x-o-y面剖视图。
图4为冷水套管图。
图5为棱镜旋转装置图。
图中，1探针外壳；2入水管；3冷却水入口；4伸缩电机；5联轴器；6丝杠；7驱动杆；8光管轨道；9旋转电机；10蜗杆；11齿轮；12旋转通孔；13出水管；14冷却水出口；15蓝宝石窗片；16石英棱镜；17水冷套管；18光管；19红外阵列探测器；20聚焦镜；21准直镜；22棱镜旋转台。
具体实施方式
探针外壳、棱镜旋转装置、光学调焦装置、所述探针外壳为双通且中空的Inconel-600管，所述探针外壳上开有两个冷水孔做为冷却水入口和冷却水出口；所述水冷套管为不规则螺旋管，所述水冷套管置于所述探针外壳的中空壳体内，水冷套管的入水管穿过所述探针外壳的冷却水入口，水冷套管的出水管穿过所述探针外壳的冷却水出口，冷却时从入水管口通入冷却水，水顺着螺旋方向流动，带走探针外壳内外壁的热量，最终冷却水从出水管口流出，达到冷却效果，并且从入水管向出水管方向螺距逐渐减小，用以保证水流向探针外壳前端时能充分冷却以保护整个装置；所述探针外壳顶部放置蓝宝石窗片，用于透过辐射和阻挡高温燃气；所述石英棱镜为正三角棱镜，放置在所述蓝宝石窗片后，用于将透过蓝宝石窗片的叶片表面辐射光束折射到视管内；所述棱镜旋转装置包括旋转电机、齿轮、蜗杆、棱镜旋转台，齿轮与蜗杆外齿轮啮合，蜗杆一端与齿轮啮合传动，另一端与旋转电机出轴连接，齿轮与旋转台连接，所述旋转台用于放置正三角棱镜，所述旋转电机驱动蜗杆旋转，蜗杆旋转时驱动涡轮转动起来从而带动旋转台旋转，所述棱镜旋转装置可以驱使棱镜旋转任意角度，使棱镜能观察到叶片上不同的目标区域并将光折射到光管内；所述光管为内部装卡光学镜片及红外阵列探测器的不锈钢金属管，所述光管放置在所述石英棱镜后，透过石英棱镜的叶片表面辐射通过光管内的准直镜、聚焦镜后入射到红外阵列探测器面元上，辐射信号经探测器转换为电信号传输到上位机，所述光管外壳上焊接有驱动杆，用于带动光管前后移动；所述光学调焦装置包括伸缩电机、丝杠、驱动杆，伸缩电机驱动丝杠旋转，丝杠旋转带动所述驱动杆在其上面伸缩运动，驱动杆带动所述光管在所述探针外壳的内部前后伸缩，通过伸缩调节光学系统的物距来达到调焦的目的。由于所述探测器为阵列探测器，所以可以将探测面元对应的目标靶面拆分为离散的面元对应着不同的温度点，因此输出的电压信号代表着不同位置信息的温度值，当涡轮叶片旋转时，即完成整个面的温度扫描测量。
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
图1中，所述探针外壳1为双通且中空的Inconel-600管，顶部管内径为26mm，用于装卡直径1英寸的蓝宝石窗片12，蓝宝石窗片12的透过波段范围为150～4500nm，所述蓝宝石窗片12用于透过辐射和阻挡高温燃气后端管的内径为52mm，外径为64mm，在所述探针外壳上开有一个直径为8mm的旋转通孔12，在探针外壳1的另外一端开设有长度为100mm,宽度为10mm的光管轨道8，然后将探针外壳1抽壳，抽壳厚度为1mm。
图2中，所述石英棱镜16的边长为1英寸，置于所述蓝宝石窗片15后；所述光管18置于棱镜之后，光管内径为26mm外径为50mm,光管内部从前往后分别装卡了f400的准直镜21、f100的聚焦镜20、中心波长为1.55μm的红外阵列探测器19；所述探针外壳1的最外层分别开设有冷却水入口3和冷却水出口14，所述水冷套管17置于所述探针外壳1的中空壳内，水冷套管的入水管2、出水管13分别穿过所述冷却水入口3和冷却水出口14。结合图4，冷却时，冷却水从入水管口通入，水顺着螺旋方向流动，带走探针外壳内外壁的热量，最终冷却水从出水管口流出，达到冷却效果，所述水冷套管17设计为从入水管向出水管方向螺距逐渐减小，用以保证水流向探针外壳前端时能充分冷却，进一步保护整体装置。
结合图1、3、4，所述旋转电机9的出轴与所述蜗杆10连接，所述齿轮11与蜗杆10外啮合配合，齿轮11与所述棱镜旋转台22连接，所述棱镜旋转台22开设有装卡三角石英棱镜16的凹槽，石英棱镜16卡好后，所述旋转电机9的轴旋转时驱动蜗杆10带动齿轮11旋转，从而驱使棱镜旋转台22连同石英棱镜16一起旋转，通过调整上位机的参数可以控制棱镜旋转任意角度，以便观察到叶片上不同的目标区域并将光折射到光管内。
图3中，透过石英棱镜16的叶片表面辐射通过光管18内的准直镜21、聚焦镜20后入射到红外阵列探测器19的面元上，辐射信号经探测器转换为电信号传输到上位机，所述光管18的外壳上焊接有驱动杆7，驱动杆7内开设有大径17、小径15、螺距为5mm、角度50°、长度24mm的右旋内螺纹。再结合图1，所述丝杠6为与所述驱动杆内螺纹配合的外螺纹丝杠，长度为150mm，所述伸缩电机4出轴通过联轴器5连接到丝杠6，伸缩电机4的轴旋转时驱动丝杠6带动所述驱动杆7前后伸缩，从而带动所述光管18沿着探针外壳1的内壁前后伸缩以调节光学系统的物距，最终达到光学调焦的技术效果。
进一步的，由于所述探测器19为阵列探测器，所以可以将探测面元对应的目标靶面拆分为离散的面元对应着不同的温度点，因此输出的电压信号代表着不同位置信息的温度值，当涡轮叶片旋转时，即完成整个面的温度扫描测量。

Claims (3)

1.一种基于旋转式棱镜的涡轮叶片表面温度测量装置，该装置包括：探针、棱镜旋转装置、光学调焦装置，所述棱镜旋转装置、光学调焦装置设置于探针外壁；所述探针包括：探针外壳、探针内壳、水冷套管、蓝宝石窗片、石英棱镜、光管；其中探针外壳为瓶状，包括瓶身和瓶口，瓶口直径小于瓶身直径，瓶身与瓶口之间有直径逐渐变小的过渡段，瓶身的底部设置有入水管、瓶身顶部设置有出水管；探针内壳设置于探针外壳内且探针内壳与外壳之间设置有冷却腔，探针内壳为管状，顶部与探针外壳的过渡段密封接触，底部与探针外壳的底部齐平，水冷套管绕制于探针内壳上；水冷套管的冷却水入口与探针外壳的入水管连接，水冷套管的出水口与探针外壳的冷却水出口连接；蓝宝石窗片设置于探针外壳的瓶口处，石英棱镜设置于探针内壳的头段内；光管为管状，位于探针内壳的尾段内，光管内顺光线传播方向依次设置有准直镜、聚焦镜和红外阵列探测器；石英棱镜折射透过蓝宝石窗片的光线使其准确进入光管内；
所述棱镜旋转装置包括：旋转电机、蜗杆、齿轮、棱镜旋转台，棱镜旋转台一端位于探针内一端位于探针外，探针外壳和探针内壳上开设有用于设置棱镜旋转台的旋转通孔；棱镜旋转台位于探针内的一端顶部与石英棱镜固定，位于探针外的一端与旋转电机机械连接，通过旋转电机的转动带动旋转台转动；
所述光学调焦装置包括：伸缩电机、联轴器、丝杆、驱动杆，所述驱动杆与光管的外壁固定，探针外壳和探针内壳上开设有用于驱动杆滑动的轨道，驱动杆嵌套于丝杆上，伸缩电机通过联轴器与丝杆连接，通过伸缩电机的转动带动丝杆转动，从而带动驱动杆沿轨道滑动。
2.如权利要求1所述的一种基于旋转式棱镜的涡轮叶片表面温度测量装置,其特征在于所述水冷套管绕制于探针内壳上，且由探针内壳底部到顶部的绕制密度是由疏到密的。
3.如权利要求1所述的一种基于旋转式棱镜的涡轮叶片表面温度测量装置,其特征在于所述棱镜旋转台位于探针外的一端设置有齿轮，旋转电机的输出杆为蜗杆，蜗杆与齿轮配合。
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