CN112629839A - 涡轮叶片气膜孔孔周的应变测量方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及涡轮叶片技术领域，尤其涉及一种涡轮叶片气膜孔孔周的应变测量方法。该应变测量方法包括：提供一涡轮叶片的试验件，该试验件上设有多个气膜孔；在试验件的表面上制作散斑，并使散斑区域覆盖各个气膜孔；根据试验件的表面尺寸和受载后的变形量，预估出试验件的视野范围；将采集相机安装在支撑架上，并结合预估出的视野范围对采集相机进行调整；对具有散斑的试验件进行拉伸试验，并利用采集相机采集试验件在拉伸过程中的散斑图像；对采集相机采集到的散斑图像进行后期处理，以得到气膜孔孔周的应变数据。该应变测量方法能够实现气膜孔的非接触测量，从而更好地分析气膜孔的孔周在试验过程中的应变情况。

Description

涡轮叶片气膜孔孔周的应变测量方法

技术领域

本公开涉及涡轮叶片技术领域，尤其涉及一种涡轮叶片气膜孔孔周的应变测量方法。

背景技术

在航空发动机中，提高涡轮的进口温度有利于提高发动机功率、效率等性能，相应地，航空发动机的涡轮叶片普遍采用高温力学性能卓越的镍基单晶合金制造而成。

随着发动机推重比的不断提高，涡轮进口温度已远远超过了镍基单晶合金可承受的极限温度，因此，通常在涡轮叶片上加工出气膜孔，并利用冷却气膜将涡轮叶片与高温气体隔离，从而有效阻止高温燃气和涡轮叶片之间的对流换热，进而降低了涡轮叶片的壁面温度。

当然，气膜孔的引入破坏了涡轮叶片的结构完整性，严重影响到涡轮叶片的结构强度。同时，气膜孔的孔径较小、密布排列，导致在气膜孔周围出现多孔干涉效应，进一步增加了气膜孔孔周应力应变场的复杂性。因此，获取气膜孔孔周的应力情况在涡轮叶片的研发过程中至关重要。

目前，对气膜孔应力场的研究几乎都是通过有限元软件建立模型进行分析，但是，气膜孔的孔径较小、数量多、密布排列，使得涡轮叶片在网格划分时难度较大，进而严重影响了获得气膜孔孔周应变场的可行性和准确性。

所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种涡轮叶片气膜孔孔周的应变测量方法，该应变测量方法能够实现气膜孔的非接触测量，从而更好地分析气膜孔的孔周在试验过程中的应变情况。

为实现上述发明目的，本公开采用如下技术方案：

根据本公开的一个方面，提供一种涡轮叶片气膜孔孔周的应变测量方法，所述应变测量方法包括：

提供一涡轮叶片的试验件，所述试验件上设有多个气膜孔；

在所述试验件的表面上制作散斑，并使散斑区域覆盖各个所述气膜孔；

根据所述试验件的表面尺寸和受载后的变形量，预估出所述试验件的视野范围；

将采集相机安装在支撑架上，并结合所述视野范围对所述采集相机进行调整；

对具有散斑的所述试验件进行拉伸试验，并利用所述采集相机采集拉伸过程中所述试验件上的散斑图像；

对所述采集相机采集到的散斑图像进行后期处理，以得到所述气膜孔孔周的应变数据。

在本公开的一种示例性实施例中，在所述试验件的表面上制作散斑，包括：

在所述试验件的表面上均匀地喷射白色漆；

在所述试验件的表面上喷射黑色漆，并使所述黑色漆以点状均匀地散落到所述试验件的表面上，以形成白底黑点的散斑；

其中，所述白色漆和所述黑色漆在所述试验件的表面上的覆盖率各占50％。

在本公开的一种示例性实施例中，结合所述视野范围对所述采集相机进行调整，包括：

调整所述采集相机的高度和方位，以使所述采集相机正对所述试验件；

结合所述视野范围对所述采集相机的焦距和所述采集相机的光圈进行调整。

在本公开的一种示例性实施例中，结合所述视野范围对所述采集相机的焦距和所述采集相机的光圈进行调整，包括：

将所述采集相机的光圈调至最大，以使所述试验件在所述采集相机中的图像的景深最小；

调整所述采集相机的清晰度，并将所述采集相机的光圈调至所述视野范围需要的大小。

在本公开的一种示例性实施例中，在对所述采集相机的焦距和所述采集相机的光圈进行调节之后，结合所述视野范围对所述采集相机进行调整，还包括：

将所述采集相机的模式切换到散斑图像采集模式，并结合所述视野范围对所述采集相机进行标定。

在本公开的一种示例性实施例中，结合所述视野范围对所述采集相机进行标定，包括：

选择一标定板，所述标定板的面积和所述视野范围的比值为预定参数；

将所述标定板放置在所述试验件的前面，使所述标定板部分接触所述试验件，以使所述采集相机的屏幕中出现蓝色点阵；

沿多个方向移动所述标定板，并记录对应的多组图像；

结合记录到的多组图像对所述采集相机进行标定，以校正所述采集相机的镜头畸变。

在本公开的一种示例性实施例中，所述预定参数的取值范围为75％～85％。

在本公开的一种示例性实施例中，沿多个方向移动所述标定板，并记录对应的多组图像，包括：

沿水平轴倾斜所述标定板，并记录对应的多组第一图像；

沿垂直轴倾斜所述标定板，并记录对应的多组第二图像；

移动旋转所述标定板到所述视野范围的四个角落，并记录对应的多组第三图像。

在本公开的一种示例性实施例中，对所述采集相机采集到的散斑图像进行后期处理，包括：

比较各个所述气膜孔孔周的散斑在各个所述散斑图像中像素点级别的位置变化，以得到各个所述气膜孔孔周的变形量；

根据各个所述气膜孔孔周的变形量，得到各个所述气膜孔孔周的应变数据。

在本公开的一种示例性实施例中，所述试验件在变形前的散斑图像为参考图像，所述试验件在变形后的散斑图像为变形图像；

比较各个所述气膜孔孔周的散斑在各个所述散斑图像中像素点级别的位置变化，包括：

在所述参考图像中，选取以待匹配点C为中心的参考子图像；

按照预定公式，在所述变形图像中寻找与所述参考子图像相似度最大的、以测点C′为中心的目标子图像，其中，测点C′为待匹配点C在所述变形图像中的对应点；

比较所述参考子图像和所述目标子图像中相应像素点的位置变化，以得到各个所述气膜孔孔周的变形量。

本公开实施方式涡轮叶片气膜孔孔周的应变测量方法，通过对试验件喷漆形成散斑，以便于拍摄在整个试验过程中不同时刻的散斑图像，然后，运用数字图像相关方法对散斑图像进行分析，进而得到气膜孔孔周的应变数据。

由此，相较于现有技术中利用有限元软件获取气膜孔的应力场的技术方案，本申请的应变测量方法能够实现气膜孔的非接触测量，并采用图形化显示测量结果，从而更好地分析气膜孔的孔周在试验过程中的应变情况。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开实施方式涡轮叶片气膜孔孔周的应变测量方法的流程示意图。

图2是本公开实施方式散斑区域的示意图。

图3是本公开实施方式视野范围的示意图。

图4是本公开实施方式图像测量系统的示意图。

图5是DIC法基本原理图。

图中：100、视野范围；1、试验件；2、气膜孔；3、高温炉；4、采集相机；5、支撑架；6、蓝光灯；7、控制箱；8、计算机。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本公开的主要技术创意。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。其他相对性的用语，例如“高”“低”“顶”“底”“左”“右”等也作具有类似含义。

当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。用语“一个”、“一”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。用语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

本公开实施方式中提供一种涡轮叶片气膜孔孔周的应变测量方法，如图1所示，该应变测量方法可包括以下步骤：

步骤S110，提供一涡轮叶片的试验件，试验件上设有多个气膜孔；

步骤S120，在试验件的表面上制作散斑，并使散斑区域覆盖各个气膜孔；

步骤S130，根据试验件的表面尺寸和受载后的变形量，预估出试验件的视野范围；

步骤S140，将采集相机安装在支撑架上，并结合视野范围对采集相机进行调整；

步骤S150，对具有散斑的试验件进行拉伸试验，并利用采集相机采集拉伸过程中试验件上的散斑图像；

步骤S160，对采集相机采集到的散斑图像进行后期处理，以得到气膜孔孔周的应变数据。

本公开实施方式涡轮叶片气膜孔孔周的应变测量方法，通过对试验件1喷漆形成散斑，以便于拍摄在整个试验过程中不同时刻的散斑图像，然后，运用数字图像相关方法(DIC，digital image correlation)对散斑图像进行分析，进而得到气膜孔2孔周的应变数据。

由此，相较于现有技术中利用有限元软件获取气膜孔2的应力场的技术方案，本申请的应变测量方法能够实现气膜孔2的非接触测量，并采用图形化显示测量结果，从而更好地分析气膜孔2的孔周在试验过程中的应变情况。

下面结合附图对本公开实施方式提供的应变测量方法进行详细说明：

在步骤S110中，提供一用来模拟涡轮叶片的试验件1，如图2和图3所示，该试验件1上设有多个气膜孔2，由此，对试验件1进行试验即可获取获取气膜孔2孔周的应力情况。

在步骤S120中，在试验件1的表面喷射黑白漆，并形成均匀的散斑区域，从而便于图像上斑点的识别，然后，对比试验件1变形前和变形后散斑区域，即可得到试验件1上多个气膜孔2的应变情况。当然，散斑区域须覆盖各个气膜孔2，此处不再详细描述。

具体而言，步骤S120可包括以下步骤：

步骤S1201，在试验件1的表面上均匀地喷射白色漆。

由于试验件1用来模拟涡轮叶片，而涡轮叶片工作在高温环境中，因此，如图4所示，试验过程中需要将试验件1置于高温炉3中。相应地，试验件1的表面喷射的白色漆须是白色高温漆，进而保证散斑区域上斑点的稳定。

步骤S1202，在试验件1的表面上喷射黑色漆，并使黑色漆以点状均匀地散落到试验件1的表面上，以形成白底黑点的散斑。需要注意的是，黑色漆也为高温漆，此处不再赘述。另外，如图2所示，白色高温漆和黑色高温漆在试验件1的表面上的覆盖率各占50％，此处不再详细描述。

在步骤S130中，根据试验件1的表面尺寸和受载后的变形量，预估出试验件1的视野范围100。

如图3所示，试验件1在横向或纵向受拉后均会发生一定的变形，为了能够在试验过程中对试验件1的图像进行完全地采集，需要使试验件1的视野范围100大于试验件1的表面尺寸和受载后的变形量，此处不再详细描述。

在步骤S140中，将采集相机4安装在支撑架5上，并结合视野范围100对采集相机4进行调整，其中：

采集相机4用来采集气膜孔2孔周的斑点的变形情况，从而获取获取气膜孔2孔周的应变情况。举例而言，采集相机4的数量可以为两个，且两个采集相机4均正对试验件1设置，从而便于从多角度对气膜孔2孔周的斑点的图像进行采集。当然，采集相机4的数量也可以为三个或更多，此处不作特殊限定。

支撑架5用来支撑采集相机4，举例而言，支撑架5可以为三脚架，从而有利于采集相机4的稳定。当然，支撑架5也可以为其他形状，此处不作特殊限定。

具体而言，步骤S140可包括以下步骤：

步骤S1401，调整采集相机4的高度和方位，以使采集相机4正对试验件1，从而便于对试验件1在试验过程中的图像进行采集；

步骤S1402，结合视野范围100对采集相机4的焦距和采集相机4的光圈进行调整。

详细介绍，首先，将采集相机4的光圈调至最大，以使试验件1在采集相机4中的图像的景深最小；其次，调整采集相机4的清晰度，并将采集相机4的光圈调至视野范围100需要的大小；由此，在试验过程中采集相机4采集到的试验件1的图像较为清晰，从而保证后续的分析过程。

需要注意的是，为了避免采集相机4的镜头畸变，步骤S140还可包括：

步骤S1403，将采集相机4的模式切换到散斑图像采集模式，并结合视野范围100对采集相机4进行标定。

具体而言，步骤S1403还可包括以下步骤：

步骤S14031，选择一标定板，该标定板的面积和视野范围100的比值为预定参数。举例而言，该预定参数的取值范围可以为75％～85％，此处不再详细描述。

步骤S14032，将标定板放置在试验件1的前面，并使标定板部分接触试验件1。如前所述，采集相机4采集的是试验件1的高温图像，而高温势必对采集相机4的图像采集有一定的影响，因此，在采集相机4的镜头前面安置了蓝色滤光片，用来防止采集到雾蒙蒙的图像。同时，由于高温炉3里面的光线较差，所以在两个采集相机4之间设有蓝光灯6(如图4所示)，该蓝光灯6与试验件1正对设置，用于对试验件1进行补光。由此，即可保证散斑图像的采集效果。

步骤S14033，沿多个方向移动标定板，并记录对应的多组图像。

详细介绍，首先，沿平轴倾斜标定板，并记录对应的多组第一图像；其次，沿垂直轴倾斜标定板，并记录对应的多组第二图像；最后，移动旋转标定板到视野范围100的四个角落，并记录对应的多组第三图像。举例而言，第一图像、第二图像和第三图像的组数均可以为10组，当然，也可以为其他，此处不作特殊限定。

步骤S14034，结合记录到的多组第一图像、第二图像和第三图像对采集相机4进行标定，以校正采集相机4的镜头畸变，从而使采集相机4采集到的图像更加逼真，此处不再详细描述。

在步骤S150中，对具有散斑的试验件1进行拉伸试验，并利用采集相机4采集拉伸过程中试验件1上的散斑图像。

如前所述，试验件1置于高温炉3中，当然，高温炉3固定在蠕变试验机上，且试验件1的两端由蠕变试验机的夹具固定，从而对具有散斑的试验件1进行拉伸试验。当然，拉伸试验前需要设置好蠕变试验机的拉伸速率等试验参数，此处不再一一赘述。

举例而言，在试验过程中可间隔0.5秒对试验件1上的散斑图像进行采集，当然，间隔时间也可以为0.3秒、0.4秒或是0.6秒、0.7秒等，此处不再一一列举。

在步骤S160中，对采集相机4采集到的散斑图像进行后期处理，以得到气膜孔2孔周的应变数据。如图4所示，本公开实施方式图像测量系统还可包括控制箱7和计算机8，其中：

控制箱7能够连接采集相机4和计算机8，用于将采集相机4采集到的散斑图像处理为数字信号，然后传递给计算机8，而计算机8中安装有用来对散斑图像进行后处理的分析软件。举例而言，该分析软件可以为VIC-3D图像处理软件，此处不再详细描述。

具体而言，步骤S160可包括以下步骤：

步骤S1601，借助VIC-3D图像处理软件比较各个气膜孔2孔周的散斑在各个散斑图像中的像素点级别的位置变化，以得到各个气膜孔2孔周的变形量；

步骤S1602，根据各个气膜孔2孔周的变形量，得到各个气膜孔2孔周的应变数据。

由于试验件1的材料是镍基单晶合金，而镍基单晶合金的材料参数已知，因此，结合镍基单晶合金的材料参数和各个气膜孔2孔周的变形量，即可求解出各个气膜孔2孔周的应变数据，进而得到气膜孔2的孔周在试验过程中的应变情况。

如图5所示，试验件1在变形前的散斑图像为参考图像，而试验件在1变形后的散斑图像为变形图像。DIC法的基本原理是从参考图像中围绕感兴趣的像素点选择一个正方形的图像子区，并通过跟踪该图像中感兴趣区域内多个像素点进行同样的相关计算，即可获得该计算区域的位移场。为了获得精确可靠的匹配结果，所选择的图像子区应该足够大，且包含充分多的灰度变化信息，从而确保该图像子区在变形后的图像能被唯一地识别。具体而言，

首先，在参考图像中，选取以待匹配点C为中心的参考子图像；

其次，按照预定公式(映射函数)，在变形图像中寻找与参考子图像相似度最大的以测点C′为中心的目标子图像，而测点C′为待匹配点C在变形图像中的对应点，即：在对试验件在1进行试验的过程中，参考子图像变形为目标子图像；

最后，比较参考子图像和目标子图像中相应像素点的位置变化，即可得到各个气膜孔2孔周的变形量，此处不再详细描述。

应当理解的是，本公开不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本公开能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本公开的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本公开延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本公开的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本公开的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本公开。

Claims (10)

1.一种涡轮叶片气膜孔孔周的应变测量方法，其特征在于，所述应变测量方法包括：

提供一涡轮叶片的试验件，所述试验件上设有多个气膜孔；

在所述试验件的表面上制作散斑，并使散斑区域覆盖各个所述气膜孔；

根据所述试验件的表面尺寸和受载后的变形量，预估出所述试验件的视野范围；

将采集相机安装在支撑架上，并结合所述视野范围对所述采集相机进行调整；

对具有散斑的所述试验件进行拉伸试验，并利用所述采集相机采集拉伸过程中所述试验件上的散斑图像；

对所述采集相机采集到的散斑图像进行后期处理，以得到所述气膜孔孔周的应变数据。

2.根据权利要求1所述的应变测量方法，其特征在于，在所述试验件的表面上制作散斑，包括：

在所述试验件的表面上均匀地喷射白色漆；

在所述试验件的表面上喷射黑色漆，并使所述黑色漆以点状均匀地散落到所述试验件的表面上，以形成白底黑点的散斑；

其中，所述白色漆和所述黑色漆在所述试验件的表面上的覆盖率各占50％。

3.根据权利要求1所述的应变测量方法，其特征在于，结合所述视野范围对所述采集相机进行调整，包括：

调整所述采集相机的高度和方位，以使所述采集相机正对所述试验件；

结合所述视野范围对所述采集相机的焦距和所述采集相机的光圈进行调整。

4.根据权利要求3所述的应变测量方法，其特征在于，结合所述视野范围对所述采集相机的焦距和所述采集相机的光圈进行调整，包括：

将所述采集相机的光圈调至最大，以使所述试验件在所述采集相机中的图像的景深最小；

调整所述采集相机的清晰度，并将所述采集相机的光圈调至所述视野范围需要的大小。

5.根据权利要求3所述的应变测量方法，其特征在于，在对所述采集相机的焦距和所述采集相机的光圈进行调节之后，结合所述视野范围对所述采集相机进行调整，还包括：

将所述采集相机的模式切换到散斑图像采集模式，并结合所述视野范围对所述采集相机进行标定。

6.根据权利要求5所述的应变测量方法，其特征在于，结合所述视野范围对所述采集相机进行标定，包括：

选择一标定板，所述标定板的面积和所述视野范围的比值为预定参数；

将所述标定板放置在所述试验件的前面，使所述标定板部分接触所述试验件，以使所述采集相机的屏幕中出现蓝色点阵；

沿多个方向移动所述标定板，并记录对应的多组图像；

结合记录到的多组图像对所述采集相机进行标定，以校正所述采集相机的镜头畸变。

7.根据权利要求6所述的应变测量方法，其特征在于，所述预定参数的取值范围为75％～85％。

8.根据权利要求6所述的应变测量方法，其特征在于，沿多个方向移动所述标定板，并记录对应的多组图像，包括：

沿水平轴倾斜所述标定板，并记录对应的多组第一图像；

沿垂直轴倾斜所述标定板，并记录对应的多组第二图像；

移动旋转所述标定板到所述视野范围的四个角落，并记录对应的多组第三图像。

9.根据权利要求1所述的应变测量方法，其特征在于，对所述采集相机采集到的散斑图像进行后期处理，包括：

比较各个所述气膜孔孔周的散斑在各个所述散斑图像中像素点级别的位置变化，以得到各个所述气膜孔孔周的变形量；

根据各个所述气膜孔孔周的变形量，得到各个所述气膜孔孔周的应变数据。

10.根据权利要求9所述的应变测量方法，其特征在于，所述试验件在变形前的散斑图像为参考图像，所述试验件在变形后的散斑图像为变形图像；

比较各个所述气膜孔孔周的散斑在各个所述散斑图像中像素点级别的位置变化，包括：

在所述参考图像中，选取以待匹配点C为中心的参考子图像；

按照预定公式，在所述变形图像中寻找与所述参考子图像相似度最大的、以测点C′为中心的目标子图像，其中，测点C′为待匹配点C在所述变形图像中的对应点；

比较所述参考子图像和所述目标子图像中相应像素点的位置变化，以得到各个所述气膜孔孔周的变形量。

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