CN111964788B - 一种四轴式多功能涡轮叶片测温装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四轴式多功能涡轮叶片测温装置，属于航空发动机领域，特别是含有四轴的多功能可自主冷却的涡轮叶片测温装置。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。本发明提出四轴式测温装置，提高测温装置的整体灵活性,所述四轴式结构包括伸缩的轴式结构，旋转的轴式结构，摆扫的轴式结构，以及视管、光管同轴的轴式结构；摆扫、伸缩、旋转、冷却功能集成为一体式装置结果紧凑，克服了传统测温装置过大、控制复杂等难题；红外探测器的使用使装置可用于探测不同目标表面的温度。

Description

一种四轴式多功能涡轮叶片测温装置
技术领域
本发明属于航空发动机领域，特别是含有四轴的多功能可自主冷却的涡轮叶片测温装置。
背景技术
在航空工业发展进程中，航空发动机一直是制约国产军用飞机的瓶颈，伴随国防现代化对高新武器装备的迫切需求,研制新一代飞机动力装置的艰巨任务已经开始。新一代飞机发动机的研制是在第三代发动机基础上向第四代发动机跨越的重大专项工程，难度大且任务艰巨，在发动机研制过程中,设计是研制的核心，试验是评价、验证发动机功能、性能的平台，测试是获取试验数据的手段，而计量(校准)是测量数据准确可靠的保证，在现代更高马赫数和更高推重比的发动机研制背景下，温度参数测量是最主要的测量参数之一，而涡轮入口的叶片是发动机热流道组件中温度最高、最易产生断裂造成发动机故障的，因此准确计量涡轮叶片表面温度对于监测叶片健康状态进而提高发动机寿命和可靠性尤为重要。现代涡轮叶片表面温度测量技术中，辐射测温应用广泛，主要使用涡轮叶片红外辐射测温装置对温度数据进行采集，再通过采集处理系统，将温度数据还原，红外测温装置研究单位众多，大多通过将辐射测温装置置于发动机机匣外，穿过发动机机匣孔观察叶片表面，加之驱动系统驱使测温装置运动扫描测量叶片表面不同点的辐射，向后传输到数据采集处理系统，但是目前大多数研究进度停留在单一的点扫描方式和单一的驱动装置上，基于上，本发明提出一种四轴多功能自冷却的涡轮叶片测温装置，实现涡轮内部多叶片的精准探测。
发明内容
本发明提出一种四轴式多功能涡轮叶片测温装置，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：一种四轴式多功能涡轮叶片测温装置，该装置包括：探针、驱动装置、冷却装置、探针外套，所述探针一端伸入探针外套内，另一端为凸出，冷却装置设置于探针与探针外套的连接部位用于冷却探针，驱动装置设置于探针外套内，用于驱动探针的运动；所述探针包括：探针外壳、视管、光管、光学镜片组，外壳置于最外层用于保护探针内部光学组件，视管位于探针外壳内，光管焊接在视管内，视管用于进一步保护内部的光管,避免直接接触高温热气流和污染颗粒，光管内部装卡有光学镜片组，组成整体探测装置的光学系统，用于将涡轮叶片的光引出后以供探测；探针后端连接在驱动装置上，所述驱动装置主要包括：摆扫驱动模块、旋转驱动模块、伸缩驱动模块；其中，旋转驱动模块用于驱动摆扫驱动模块和探针，伸缩驱动模块用于驱动旋转驱动模块、摆扫驱动模块以及探针；光学镜片组中包括有一个反射镜，反射镜位于探针末端，通过反射镜销钉与探针末端交接；所述冷却装置置于探针与驱动装置连接部分，一方面隔离驱动部分与探针以减少热气流影响，另一方面朝探针内壁吹扫冷空气以充分冷却保护光管和清扫探针前端金属反射镜镜面；所述探针外套为抽壳的方形盒子，用于将四轴结构与冷却装置固定在一起，形成一体式测量装置，方便安装和测量控制。
所述伸缩驱动模块包括：高惯量伺服电机、梅花联轴器、细丝杠、滑台、限位开关、滑台底座，所述梅花联轴器一端与高惯量伺服电机出轴连接，另一端与细丝杠连接，细丝杠的另一端穿过滑台，滑台置于滑台底座内，所述限位开关置于滑台底座的内侧面对应滑台伸缩的首末位置，高惯量伺服电机驱动联轴器带动丝杠旋转，滑台沿着丝杠轴向伸缩传动，滑台触碰到限位开关则立即给高惯量伺服电机一个反向驱动，使之反向移动；
进一步的，所述滑台上开设有四个螺丝孔，用于将所述旋转台安装板与所述滑台连接，滑台伸缩传动则带动旋转台安装板连接的旋转驱动模块、摆扫驱动模块以及探针伸缩以实现叶片不同径向高度的精准表面扫描；
所述旋转驱动模块包括：旋转台、旋转电机、旋转台安装板、旋转光学套管、红外探测器、探测器安装板，所述旋转台安装板下板面固定于伸缩驱动模块的滑台上，旋转台安装板的上板面沿伸缩驱动模块中滑台的运动方向的一侧边缘固定设置旋转电机，旋转台安装板上板面的其余部分通过探测器安装板设置有红外探测器，红外探测器的探测点位于旋转台安装板的伸缩轴心上；所述旋转台为中空的环状，其环装结构内部是齿轮啮合组件，旋转台环装部分一侧与旋转电机输出轴连接，旋转电机驱动旋转台内部齿轮组件转动，旋转台另一侧为圆盘法兰，圆盘法兰中心有通光孔，旋转电机驱动齿轮组件转动时，圆盘法兰跟着转动，圆盘法兰通过螺栓连接摆扫驱动模块；所述旋转光学套管一端连接红外探测器，另一端穿过旋转台的中空部；进一步的，所述旋转光学套管置于旋转台后端，内部装卡有一面平凸聚焦透镜，用于限制光路以及引进光路进入到探测器探测单元上，所述光学套管的外螺纹与所述红外探测器的内螺纹配合连接起来，至此，整体光学系统完备，前后光路同轴心。可选择的，所述红外探测器替换为红外探测器阵列，就能多点温度同时测量，提高工作效率；
所述摆扫驱动模块包括：电机齿轮组件、摆扫台、光学转接件、摆扫连接法兰、推杆、推杆封合件；所述摆扫连接法兰一端固定于旋转驱动模块的圆盘法兰上，另一端通过缓冲垫与探针法兰固定，探针法兰与探针固定；探针出光端通过光学转接件与旋转驱动模块的旋转光学套管连接；探针、光学转接件、旋转光学套管、红外探测器位于一条直线上；电机齿轮组件的输出段与摆扫台，使摆扫台能沿探针方向伸缩，摆扫台与推杆一端连接，推杆的另一端与设置推杆封合件；所述推杆设置于探针外壳内，所述推杆封合件通过推杆销钉与反射镜交接；
所述冷却装置包括：冷气管、连接板、安装法兰板、带腔体的冷却台，所述冷气管与所述冷却台连接，所述冷却台为圆台式腔体结果，冷气通入冷气管后流经冷却台的腔体向探针前端流动，而不会往后向驱动装置部分流动，所述冷却台一端与连接板连接，连接板用于将冷却装置与探针外套的连接，另一端与安装法兰板连接，安装法兰板用于将整体测温装置安装在发动机机匣上。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出四轴式测温装置，提高测温装置的整体灵活性,所述四轴式结构包括伸缩的轴式结构，旋转的轴式结构，摆扫的轴式结构，以及视管、光管同轴的轴式结构；摆扫、伸缩、旋转、冷却功能集成为一体式装置结果紧凑，克服了传统测温装置过大、控制复杂等难题；红外探测器(阵列)的使用使装置可用于探测不同目标表面的温度。
附图说明
图1为整体装置俯视图和探针部分剖视图。
图2为摆扫驱动模块和视管剖视图。
图3为旋转驱动模块图。
图4为伸缩驱动模块图。
图中，1探针；2冷却装置；3探针外套；4驱动装置；5反射镜；6探针外壳；7光管；8安装法兰板；9冷气管；10连接板；11.缓冲垫；12推杆；13摆扫台；14电机齿轮组件；15摆扫驱动模块；16旋转台；17旋转电机；18旋转台安装板；19梅花联轴器；20高惯量伺服电机；21伸缩驱动模块；22红外探测器；23旋转光学套管；24旋转驱动模块；25光学转接件；26摆扫连接法兰；27探针法兰；28冷却台；29视管；30推杆销钉；31反射镜销钉；32推杆封合件；33探测器连接板；34圆盘法兰；35细丝杠；36滑台；37滑台底座；38限位开关。
具体实施方式
探针外壳为中空的Inconel-600管，所述探针外壳接近顶端部分开设有通孔，用作通光以及冷气的吹出通道；所述反射镜置于探针外壳内，反射镜镜面正对通孔，叶片表面辐射光线经镜面反射到视管轴内，视管也为中空的Inconel-600管，置于反射镜后方、探针外壳内部，用于保护和隔离内部光管，所述光管内装卡有光学镜片组，用于最小衰减地传输光信号到测温装置后端，所述探针顶部设有探针法兰，用于与后端摆扫驱动模块的连接；所述摆扫驱动模块包括电机齿轮组件、摆扫台、光学转接件、摆扫连接法兰、推杆、推杆封合件、推杆销钉、反射镜销钉，所述电机齿轮组件与摆扫台连接使摆扫台能前后移动，推杆一端安装在摆扫台顶部，由电机齿轮组件伸缩驱动，推杆另一端顶部开设有销槽，反射镜一端与推杆销钉相连置于所述销槽内，反射镜另一端则通过反射镜销钉与推杆封合件连接，整体形成铰链式结构，摆扫台前后移动时，反射镜随之转动，实现探针的小范围精细扫描，摆扫法兰与所述探针法兰连接实现探针与摆扫驱动模块的连接，光学转接件置于摆扫法兰后与并与探针光管同轴线，减少光路的损失；所述旋转驱动模块包括：旋转台、旋转电机、旋转台安装板、旋转光学套管、平凸聚焦透镜、红外探测器、探测器安装板，所述旋转台内部是齿轮啮合组件，旋转台一端与旋转电机出轴连接，电机驱动旋转台内部齿轮组件转动，旋转台另一端为带螺丝孔和定位孔的圆盘法兰，电机驱动齿轮组件转动时，圆盘法兰跟着转动起来，圆盘法兰通过螺栓将旋转驱动装置连同探针与旋转驱动装置连接起来，旋转电机驱动圆盘带动摆扫驱动装置与探针一起旋转任意角度，在涡轮内部实现对不同叶片的表面扫描，进一步的，所述旋转光学套管置于旋转台后端并与所述光学转接件以及光管同轴线，所述光学套管内部装卡有一面平凸聚焦透镜，用于限制光路以及引进光路进入到探测器探测单元上，所述光学套管的外螺纹与所述红外探测器的内螺纹配合连接起来一起置于所述探测器连接板上。可选择的，所述红外探测器替换为六探测器单元，可实现每个探测器单元探测不同光谱波段的辐射光线，最终在上位机实现更高精度的电压-温度值转换，达到六波段测温技术效果；所述伸缩驱动模块包括：高惯量伺服电机、梅花联轴器、细丝杠、滑台、限位开关、滑台底座，所述联轴器一端与高惯量伺服电机出轴连接，另一端与细丝杠连接，细丝杠的另一端穿过滑台和滑台底座并一起置于滑台底座内，所述限位开关分别置于滑台底座的侧面对应滑台伸缩的首末位置，高惯量伺服电机驱动联轴器带动丝杠旋转，滑台沿着丝杠轴向伸缩传动，滑台触碰到限位开关则立即给高惯量伺服电机一个反向驱动，使之反向移动。特别的，所述滑台上开设有四个螺丝孔，用于将所述旋转台安装板与所述滑台连接，滑台伸缩传动则带动旋转台安装板连接的旋转驱动模块、摆扫驱动模块以及探针伸缩以实现叶片不同径向高度的精准表面扫描。所述驱动装置的摆扫驱动模块、旋转驱动模块以及伸缩驱动模块，从径向、周向方向实现了涡轮内部叶片的三维覆盖，能实现高精度定位和精细的径向和周向扫描，实现最终的三维温度测量。所述冷却装置包括冷气管、连接板、安装法兰板、带腔体的冷却台，所述冷气管与所述冷却台连接，所述冷却台为圆台式腔体结果，冷气通入冷气管后流经冷却台的腔体向探针前端流动，而不会往后向驱动装置部分流动，避免了漏气现象，所述冷却台一端与连接板连接，连接板用于将冷却装置与探针外套的连接，另一端与安装法兰板连接，安装法兰板用于将整体测温装置安装在发动机机匣上。
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
图1中，所述探针外壳6为双通且中空的Inconel-600管，探针外壳为三段式结构，顶部管最细，后两段管逐渐变粗，三段管外径依次为14mm、16mm、21mm，三段式探针外壳结构能有效减少探针与热气流的接触面积；所述反射镜5为斜切45°表面抛光的镍基耐高温金属反射镜，反射镜直径为8mm，所述光管7外径7.9mm、整体长度为270mm,内部装卡φ4.4mm的光学镜片组，叶片表面光线通过反射镜5射入光管内部，经光学系统的聚焦、准直后向后端驱动装置4传输；所述驱动装置包括摆扫驱动模块15、旋转驱动模块24以及伸缩驱动模块21。所述冷却装置2包括冷气管9、连接板10、安装法兰板8、带腔体的冷却台28，所述冷气管9与所述冷却台28连接，所述冷气管9的直径为13.5mm，冷气通入冷气管9后流经冷却台28的腔体向探针1前端流动，而不会往后向驱动装置部分流动，避免了漏气现象，所述冷却台28一端与连接板10连接，连接板10用于冷却装置2与探针外套6的连接，冷却台28的另一端与安装法兰板8连接，安装法兰板8用于将整体测温装置安装在发动机机匣上，所述安装法兰板8开设有4个M6螺丝孔和1个φ6的定位孔。
结合图2，所述摆扫驱动模块15包括电机齿轮组件14、摆扫台13、光学转接件25、摆扫连接法兰26、推杆12、推杆封合件32、推杆销钉30、反射镜销钉31，所述电机齿轮组件14与摆扫台13连接使摆扫台13能前后移动，推杆12的一端直径为3mm、长300mm，安装在摆扫台13的顶部，由电机齿轮组件14伸缩驱动，另一端的顶部开设有销槽，所述销槽直径1mm、长度5mm，反射镜5的一端与推杆销钉30相连，置于所述销槽内，另一端则通过反射镜销钉31与推杆封合件32连接，所述推杆销钉30和反射镜销钉31均为直径1mm、长度8.5mm的不锈钢圆柱，所述推杆封合件32长度为100mm，所述推杆12、推杆封合件32、反射镜5、推杆销钉30、推杆销钉31一起组成铰链式结构，摆扫台13前后移动时，反射镜5随之转动，实现探针1的小范围精细扫描。
结合图3，所述旋转驱动模块24包括：旋转台16、旋转电机17、旋转台安装板18、旋转光学套管23、红外探测器22、探测器连接板33，所述旋转台16内部是齿轮啮合组件，旋转台一端与旋转电机17的出轴连接，电机驱动旋转台16的内部齿轮组件转动，旋转台16另一端为带螺丝孔和定位孔的圆盘法兰，电机驱动齿轮组件转动时，圆盘法兰跟着转动起来，所述圆盘法兰直径为70mm，圆盘上开设有6个M4螺丝孔，用于固定所述圆盘法兰与摆扫连接法兰26，如此，通过螺栓将旋转驱动模块24连同探针1与摆扫驱动模块15连接起来，旋转电机17驱动圆盘带动摆扫驱动模块15与探针1一起旋转任意角度，在涡轮内部实现对不同叶片的表面扫描，进一步的，所述旋转光学套管23置于旋转台16后端并与所述光学转接件25以及光管同轴线，所述光学套管为标准一英寸镜片光学套管，长为100mm，所述光学套管内部装卡有一英寸平凸聚焦透镜，用于限制光路以及引进光路进入到探测器探测单元上，所述光学套管的外螺纹与所述红外探测器22的内螺纹配合连接起来一起置于所述探测器连接板33上。
结合图4，所述伸缩驱动模块21包括：高惯量伺服电机20、梅花联轴器19、细丝杠35、滑台36、限位开关38、滑台底座37，所述梅花联轴器19一端与高惯量伺服电机20的出轴连接，另一端与细丝杠35连接，细丝杠35的另一端穿过滑台36和滑台底座37侧面一起置于滑台底座37的底面，所述滑台36的中心开设大径17mm、小径15mm、螺距5mm、角度50°、长24mm的右旋内螺纹，所述细丝杠35为与该右旋内螺纹配合的外螺纹定制丝杠，所述限位开关38分别置于滑台底座37的侧面对应滑台36伸缩的首末位置，高惯量伺服电机20驱动联轴器带动细丝杠35旋转，螺纹啮合传动使滑台36沿着丝杠35轴向伸缩传动，滑台36触碰到限位开关38则立即给高惯量伺服电机20一个反向驱动，使之反向移动。特别的，所述滑台上开设有四个M4螺丝孔，用于将所述旋转台安装板与所述滑台连接，滑台伸缩传动则带动旋转台安装板连接的旋转驱动模块、摆扫驱动模块以及探针伸缩以实现叶片不同径向高度的精准表面扫描。

Claims (1)

1.一种四轴式多功能涡轮叶片测温装置，该装置包括：探针、驱动装置、冷却装置、探针外套，所述探针一端伸入探针外套内，另一端为凸出，冷却装置设置于探针与探针外套的连接部位用于冷却探针，驱动装置设置于探针外套内，用于驱动探针的运动；所述探针包括：探针外壳、视管、光管、光学镜片组，外壳置于最外层用于保护探针内部光学组件，视管位于探针外壳内，光管焊接在视管内，视管用于进一步保护内部的光管,避免直接接触高温热气流和污染颗粒，光管内部装卡有光学镜片组，组成整体探测装置的光学系统，用于将涡轮叶片的光引出后以供探测；探针后端连接在驱动装置上，所述驱动装置主要包括：摆扫驱动模块、旋转驱动模块、伸缩驱动模块；其中，旋转驱动模块用于驱动摆扫驱动模块和探针，伸缩驱动模块用于驱动旋转驱动模块、摆扫驱动模块以及探针；光学镜片组中包括有一个反射镜，反射镜位于探针末端，通过反射镜销钉与探针末端交接；
所述伸缩驱动模块包括：高惯量伺服电机、梅花联轴器、细丝杠、滑台、限位开关、滑台底座，所述梅花联轴器一端与高惯量伺服电机出轴连接，另一端与细丝杠连接，细丝杠的另一端穿过滑台，滑台置于滑台底座内，所述限位开关置于滑台底座的内侧面对应滑台伸缩的首末位置，高惯量伺服电机驱动联轴器带动丝杠旋转，滑台沿着丝杠轴向伸缩传动，滑台触碰到限位开关则立即给高惯量伺服电机一个反向驱动，使之反向移动；
所述旋转驱动模块包括：旋转台、旋转电机、旋转台安装板、旋转光学套管、红外探测器、探测器安装板，所述旋转台安装板下板面固定于伸缩驱动模块的滑台上，旋转台安装板的上板面沿伸缩驱动模块中滑台的运动方向的一侧边缘固定设置旋转电机，旋转台安装板上板面的其余部分通过探测器安装板设置有红外探测器，红外探测器的探测点位于旋转台安装板的伸缩轴心上；所述旋转台为中空的环状，其环装结构内部是齿轮啮合组件，旋转台环装部分一侧与旋转电机输出轴连接，旋转电机驱动旋转台内部齿轮组件转动，旋转台另一侧为圆盘法兰，圆盘法兰中心有通光孔，旋转电机驱动齿轮组件转动时，圆盘法兰跟着转动，圆盘法兰通过螺栓连接摆扫驱动模块；所述旋转光学套管一端连接红外探测器，另一端穿过旋转台的中空部；
所述摆扫驱动模块包括：电机齿轮组件、摆扫台、光学转接件、摆扫连接法兰、推杆、推杆封合件；所述摆扫连接法兰一端固定于旋转驱动模块的圆盘法兰上，另一端通过缓冲垫与探针法兰固定，探针法兰与探针固定；探针出光端通过光学转接件与旋转驱动模块的旋转光学套管连接；探针、光学转接件、旋转光学套管、红外探测器位于一条直线上；电机齿轮组件的输出段与摆扫台，使摆扫台能沿探针方向伸缩，摆扫台与推杆一端连接，推杆的另一端与设置推杆封合件；所述推杆设置于探针外壳内，所述封合件通过推杆销钉与反射镜交接；
所述冷却装置包括：冷气管、连接板、安装法兰板、带腔体的冷却台，所述冷气管与所述冷却台连接，所述冷却台为圆台式腔体结果，冷气通入冷气管后流经冷却台的腔体向探针前端流动，而不会往后向驱动装置部分流动，所述冷却台一端与连接板连接，连接板用于将冷却装置与探针外套的连接，另一端与安装法兰板连接，安装法兰板用于将整体测温装置安装在发动机机匣上；
所述滑台上开设有四个螺丝孔，用于将所述旋转台安装板与所述滑台连接，滑台伸缩传动则带动旋转台安装板连接的旋转驱动模块、摆扫驱动模块以及探针伸缩以实现叶片不同径向高度的精准表面扫描。
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