CN113302479A - 用于燃气涡轮机光学检查的内孔窥视仪 - Google Patents

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维尔纳·内德迈尔
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Abstract

本发明涉及一种内孔窥视仪(10，11)，用于光学检查燃气涡轮机，特别是飞机发动机(1)。内孔窥视仪(10，11)包括电子图像获取单元(12)，其作为位于杆(13)端部处的内孔窥视仪物镜，该杆适合插入内孔窥视仪开口并将内孔窥视仪物镜相对于内孔窥视仪开口精确定位，图像获取单元(12)的数据和供电线(15)引导穿过该杆。图像获取单元(12)具有两个彼此间隔开的获取检测传感器(18)，获取检测传感器的拍摄锥头(18”)在预定的拍摄平面(22)中重叠以形成拍摄区域的(23)，使得能够通过三角测量将两个获取检测传感器(18)的图像数据处理成三维数据。

Description

用于燃气涡轮机光学检查的内孔窥视仪
技术领域
本发明涉及一种用于对燃气涡轮机，特别是飞机发动机进行光学检查的内孔窥视仪。
背景技术
在现有技术中，已知有各种方法用于燃气涡轮机、特别是飞机发动机、如喷气式发动机的光学检查，其中，能够通过侧面开口将内孔窥视仪插入完全组装的燃气涡轮机，以便因此然后能够对燃气涡轮机的内部进行光学检查。
由于在运行中引起的负载，内孔窥视仪尤其用于检查飞机发动机的涡轮和压缩机叶片。在此，根据现有技术，内孔窥视仪被侧面地插入到飞机发动机中，并被定位在燃气管道内，使得涡轮机或压缩机级的叶片以及发动机叶片的连接区域(在较大的发动机叶片的情况下，叶片表面的预定的高度区域)完全位于内孔窥视仪的图像区域内。然后，涡轮机或压缩机级被旋转，以便能够动态地检测相应级的所有发动机叶片。
以这种方式产生的视频拍摄被人工分析，以便发动机叶片的构造状况。在有重大损伤的情况下，能够对单个发动机叶片进行手动的静态三维检测，以更精确地分析损伤。然而，这种三维检测是非常复杂和耗时的，因此只有在特殊情况下才执行这种三维检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种内孔窥视仪，其能够实现改进燃气涡轮机内部的三维检测。
该目的通过根据独立权利要求的内孔窥视仪实现。有利的改进方案是从属权利要求的主题。
因此，本发明涉及一种用于对燃气涡轮机、特别是飞机发动机进行光学检查的内孔窥视仪，内孔窥视仪包括电子图像获取单元，图像获取单元作为在杆的末端的内孔窥视仪物镜，图像获取单元的数据和供电线穿过杆引导，其中，杆适于插入到内孔窥视仪开口中并且相对于内孔窥视仪开口精确地定位，其中，图像获取单元具有两个彼此间隔开的获取检测传感器，获取检测传感器的拍摄锥头在预定的拍摄平面上为了形成拍摄区域而重叠为，使得通过三角测量能够将两个获取检测传感器的图像数据处理成三维数据。
根据本发明的内孔窥视仪基于所谓的视频镜的原理，其中，由内孔窥视仪自由端部处的光学系统拍摄的图像不通过光学线传输到内孔窥视仪另一端的目镜或摄像机，而是在自由端部直接转换成电子图像信息，其然后例如经过数据线传输到显示器或计算机以进一步处理。
根据本发明，图像获取单元包括两个相互间隔的获取检测传感器，其例如并不为了放大内孔窥视仪的能拍摄的图像部段而例如彼此平行地定向，而是其拍摄锥头在一个拍摄平面中重叠，从而在拍摄平面中产生拍摄区域，该拍摄区域由两个拍摄锥头检测。基于两个获取检测传感器之间的距离以及由此产生的拍摄区域上的偏差的视角，能够借助于三角测量法测定拍摄区域中几乎每个点与图像获取单元的作为三维数据的距离。对此，合适方法以立体视觉的概念已知。与三维数据一起，由图像信息能够产生由内孔窥视仪拍摄的物体或图像区域的三维模型。
尤其在根据本发明的内孔窥视仪进行有利的动态检测的情况下，由两个获取检测传感器产生非常大量的数据，将这些数据直接转发到显示器或外部计算机需要大量功率强大的数据线，这反过来又会导致杆直径变大。因此，优选地，如果图像获取单元具有用于对获取检测传感器产生的数据进行预处理的集成电路，从而由此减少待通过数据线传输的数据。例如，能够通过压缩来自图像传感器的原始数据来实现数据减少。附加地或者替换地，集成电路、例如现场可编程门阵列(FPGA)还能够从原始数据中删除不映射图像检测系统的由两个传感器检测的最终拍摄区域的数据。
然而，如果集成电路使用三角测量法已经将由两个获取检测传感器同时拍摄的图像信息测定为三维数据，则是特别优选的。然后，替代两个图像，只通过数据线传输补充了三维数据的单个图像，这就显著减少了数据传输。待传送的图像能够是由两个获取检测传感器中的一个检测的图像，或者是由两个获取检测传感器的数据组合而成的图像。图像能够与三维数据分开传输，也能够与集成电路已经处理成三维模型的三维数据一起传输。
获取检测传感器能够被布置和/或设计为，使得两个获取检测传感器的拍摄锥头相对于图像获取单元的纵轴线以预定的视角布置。如果该视角为90°，则能够检测到图像获取单元侧面的区域。通过对偏离90°的视角的不同选择，能够检测到在内孔窥视仪插入方向的前面(角度范围30°-90°)或后面(角度范围90°-150°)的区域。这对于具有侧面检测功能的内孔窥视仪不可见的区域尤其重要，例如经常是叶片根部和/或叶片。
能够提供多个具有不同视角的内孔窥视仪，这些内孔窥视仪根据需要依次地应用在燃气涡轮机中，以便拍摄所有期望的区域。然而，也能够在一台内孔窥视仪上设有多对获取检测传感器，每对都分别具有不同的视角。特别地，能够设有两对获取检测传感器，其中一对的两个获取检测传感器的拍摄锥头相对于图像获取单元的纵轴线的视角不同于另一对的两个获取检测传感器的拍摄锥头。
如果获取检测传感器的中心点距离为2mm至20mm、优选5mm至15mm、更优选8mm至11mm，则有利的。“中心点距离”表示两个传感器中心点之间的距离。借助三角测量法测定三维数据的精度取决于两个获取检测传感器之间的距离，其中，较小的可用安装空间以及由于拍摄平面与图像获取单元的距离经常仅很小而造成的光学失真是限制性因素。已经证明，上述距离对用于检查燃气涡轮机的根据本发明使用的内孔窥视仪来说是特别有利的。特别是，还能够提供两个以上、例如三个获取检测传感器，其中，为了借助于三角测量来测定三维数据，只考虑多个或三个获取检测传感器中的两个的图像数据。在多个或三个获取检测传感器适当地布置的情况下，能够通过选择最终使用的两个获取检测传感器来改变它们之间的距离，从而匹配相应的拍摄情况。
获取检测传感器能够设计用于直接拍摄颜色信息。如果不能提供用于相应的彩色图像传感器的足够的结构空间，那么获取检测传感器也能够仅设计用于确定灰度值。相应的黑白图像传感器一般比彩色图像传感器小。如果两个获取检测传感器仅被设计用于确定灰度值，能够设有额外的颜色传感器，颜色传感器的信息能够与获取检测传感器的灰度值相结合形成彩色图像。由于颜色传感器例如不一定需要与获取检测传感器相同的分辨率，因此对于可用的结构空间来说，颜色传感器能够足够小地设计。
获取检测传感器优选是电荷耦合器件(CCD)传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器，优选具有全局快门。获取检测传感器优选具有至少400×400像素(例如高达2400×2400像素)的分辨率，每秒最高240幅图像的刷新速率和/或35°至65°、90°或120°、优选是40°、50°或60°、相应±5°、优选±3°的图像视场开角。利用相应的获取检测传感器尤其还能够连续拍摄图像信息，其能够实现动态地检测燃气涡轮机的部件，例如发动机叶片，这例如是由燃气涡轮机的一个或多个轴的旋转造成的。
如果该图像获取单元包括至少一个用于照亮拍摄区域的发光二极管(LED)，则是优选的。通过将LED直接布置成图像获取单元的一部分，能够确保拍摄区域的良好的照明。至少一个LED能够发出可见光和/或红外辐射，这取决于获取检测传感器的设计波长范围。当然，也能够提供多个不同的LED，例如一个用于可见光范围并且一个用于红外范围。
内孔窥视仪的杆能够是刚性的或柔性的。如果杆是柔性的，则内孔窥视仪能够通过引导管来引导。在此，引导管能够是内孔窥视仪的一部分或者也能够是一个单独的引导装置。然后，通过引导管能够确定内孔窥视仪或其图像获取单元的基本位置，其中，能够通过将杆相对于引导管进行推移和旋转来实现图像获取单元的位置和指向的精细调节。在刚性内孔窥视仪的情况下，图像获取单元在燃气涡轮机内的位置和定向能够可比较地在从燃气涡轮机中伸出的内孔窥视仪的部分上读出。
根据本发明的内孔窥视仪适用于燃气涡轮机、特别是飞机发动机的发动机叶片的动态检测。特别是与(半)自动引导的内孔窥视仪相结合，其例如在本文全方面引用的DE 102017 218 426.4中描述的那样，根据本发明的内孔窥视仪可用于发动机叶片的自动三维检测。根据本发明的内孔窥视仪可用于发动机叶片的自动三维检测，其中，内孔窥视仪以受控方式沿旋转的发动机级引导，从而对发动机叶片进行三维检测。
附图说明
现在将参照附图根据有利的设计方案示例性地描述本发明。图中示出：
图1：示出了具有两个根据本发明的内孔窥视仪的飞机发动机的示意性剖面图；
图2：示出了具有根据本发明的第一内孔窥视仪的图1的飞机发动机的示意性局部视图，；
图3：示出了插入到飞机发动机中的图1和图2中的本发明的第一内孔窥视仪的详细视图；
图4a、4b：示出了图3的内孔窥视仪的图像获取单元的详细视图；
图5a、5b、5c：示出了图3的内孔窥视仪的不同的设计方案变体的示意图；以及
图6：示出了插入到飞机发动机中的根据图1的第二内孔窥视仪的局部示意图。
具体实施方式
在图1中示意性地显示了通过双轴发动机1的截面，其中，风扇2和低压压缩机3经过第一轴4与低压涡轮机5旋转连接，而高压压缩机6经过第二轴7与高压涡轮机8旋转连接。燃烧室9布置在高压压缩机6与高压涡轮机8之间。
第一内孔窥视仪10被插入发动机1，以检查高压压缩机的压缩机叶片6'。高压涡轮机8的涡轮叶片8'能够通过插入发动机1的第二内孔窥视仪11进行检查。
第一内孔窥视仪10是刚性的内孔窥视仪10，其被引导装置30引导。在此，该引导装置30被设计用于以电子控制的方式将内孔窥视仪10插入发动机1。换句话说，引导装置30能够通过未示出的控制单元来预设，内孔窥视仪10应该在多大程度上插入发动机1，这然后由引导装置30相应地执行。
在图2中更详细地示出了发动机1的在其中插入由第一内孔窥视仪10的区域。为了能够清楚地识别内孔窥视仪10，引导装置30没有被显示出来。
刚性的内孔窥视仪10通过发动机1的内孔窥视仪开口插入高压压缩机6的两个导向叶片6”之间并被定向为，使得能够利用内孔窥视仪10观察高压压缩机6第一级的叶片6'。通过旋转第二轴7(见图1)，叶片6'能够在内孔窥视仪10处引导通过，从而高压压缩机6第一级的所有叶片6'都能够被检查。
图1和图2中的第一内孔窥视仪10如图3所示。
内孔窥视仪10包括电子图像获取单元12，作为在设置用于插入到内孔窥视仪开口中的杆13的一个端部处的内孔窥视仪物镜，杆在第一内孔窥视仪10的情况中设计为刚性的，并且在图像获取单元12的区域中具有一个侧面开口。在杆13的另一个端部处设置手柄14，手柄也被适当地设计用于连接到引导装置30(参照图1)。图像获取单元12的数据和供电线15被引导通过杆13。杆的外直径为7.6mm。
因此，图像获取单元12能够完全容纳在杆13中，如图4a所示，图像获取单元包括由多个重叠地布置并彼此连接的印制导线17、17'构成的板叠16。面对杆13中的开口的最上面的印制导线17'在图4b中示出。
两个获取检测传感器18以10mm的距离布置在印制导线17'上。获取检测传感器18是带有全局快门的CMOS传感器，由于要求较小的结构尺寸只能拍摄灰度。为了仍然能够拍摄颜色信息，设有额外的颜色传感器19。获取检测传感器18的分辨率为400×400像素，刷新速率高达每秒240张。对于颜色传感器19较低的分辨率通常就足够了。但是，特别地，对于颜色传感器19来说能够放弃全局快门，而是使用滚动快门，因此，当设计为CMOS传感器时，颜色传感器19的结构尺寸能够显著降低。
两个获取检测传感器18和颜色传感器19被设计为，使得它们基本上覆盖了相同的拍摄区域23。在此，如下文根据图5的详细解释的，拍摄区域23能够通过对传感器18、19的拍摄锥头的适当设计自由地限定在宽阔的区域中。为此，能够设有直接粘附在传感器18、19上的透镜(未显示)。
与透镜的应用及其设计方案无关，两个获取检测传感器18的拍摄锥头18'(或它们的相应的轴线18”)基本上是相互平行地延伸。由此，能够以相对较小的成本通过已知的立体视觉方法借助三角测量从两个获取检测传感器18的图像数据中测定三维数据，该数据反映了各个像素与图像获取单元12的距离。该三维数据的测定直接在图像获取单元12中由那里提供的集成电路20(现场可编程门阵列(FPGA))执行，并且由此与两个获取检测传感器18之一的图像数据以及颜色传感器19的颜色信息相结合形成拍摄区域的彩色三维模型。仅这个三维模型通过数据线15传输到显示器或对数据进行进一步处理和存储的计算机(未示出)。来自不同的传感器18、19的原始数据被丢弃。替代地，当然也能够通过数据线15传输原始数据。
在图像获取单元12上还设有发射可见光的LEDs21和红外LEDs21'，用于照亮拍摄区域。如果需要的话，他们也能够配备合适地粘附上的透镜，以便能够均匀地照亮拍摄区域。
在图5a-c中描绘了图3的内孔窥视仪10的不同设计方案变体。在此，这些设计方案变体具有基本相同构造的内孔窥视仪10，并且相互之间的区别仅在于粘附在获取检测传感器18上的透镜。因此，图5a-c中图示只限于内孔窥视仪10的、在其中布置有图像获取单元12的区域。
在根据图5a的设计方案变体中，两个获取检测传感器18的拍摄锥头18'的轴线18”分别与杆13或图像获取单元12的轴线大致成直角布置。在拍摄平面22上获得作为由两个获取检测传感器18检测的区域的拍摄区域23，其中，拍摄平面以内孔窥视仪10至待拍摄的对象(例如叶片6'(见图1和2))的典型距离布置。
在图5b中，获取检测传感器18上的透镜被选为，使得两个获取检测传感器18的拍摄锥头18'的轴线18”虽然仍相互平行，但在内孔窥视仪10的插入方向上相对于杆13的轴线有大约65°的视角。由此，在插入方向上位于内孔窥视仪10前面的区域能够被检查，例如叶片6'的叶片根部，如其在图1和2中所示的那样。
能比较地，在图5c的设计方案变体中，获取检测传感器18上的透镜被选择为，使得两个获取检测传感器18的拍摄锥头18'的轴线18”相对于杆13的轴线分别以大约115°的视角在内孔窥视仪10的插入方向上延伸。因此，拍摄区域23与插入方向相反地向后移动，并因此能够简化(例如叶片6'的尖端(参见图1和图2)的)检查。拍摄锥头18'或其轴线18”还平行地延伸，以便能够实现简单的立体视觉计算或三角测量。
现在将更详细地描述图1中的第二内孔窥视仪11。在此，内孔窥视仪11和为其提供的引导装置30基本上根据DE 10 2017 218 426.4构造，更详细的解释请参考该文献。第二内孔窥视仪用于检查高压涡轮机8的第一级的涡轮叶片8'。
该内孔窥视仪11被设计成柔性内孔窥视仪11，即杆13是完全柔性的并且可弯曲的。为了引导内孔窥视仪11通过燃烧室9到达有关的涡轮叶片8'，引导装置30具有一个适当弯曲的引导管31，内孔窥视仪11能够穿过该引导管被推动。引导管31的自由端部能够通过引导装置30(例如利用计算机控制的驱动装置)被移动和精确定位，由此，也能够精确定位在其中引导的内孔窥视仪11。为了微调内孔窥视仪11的位置，也能够改变内孔窥视仪11在引导管31中的插入深度。
图6更详细地显示了插入发动机1的引导管31的自由端部。引导管31被引导穿过高压涡轮机8的导向叶片。内孔窥视仪11从引导管31中伸出。
穿过引导管31被推动的内孔窥视仪11的柔性杆13在其插入端部被设计成弹性地弯折为，使得杆13的具有图像获取单元12的区域在插入状态下(如图所示地)弯曲，但当通过引导管31拉回杆13时，杆与引导管31同轴对齐。
图像获取单元12包括两个获取检测传感器18，获取检测传感器用于拍摄适合用于三角测量的图像。在此，图像获取单元12与第一内孔窥视仪10的图像获取单元12类似地实施，因此为了进一步的解释，要参考前面的设计方案。

Claims (10)

1.一种内孔窥视仪(10，11)，所述内孔窥视仪用于光学检查燃气涡轮机、特别是飞机发动机(1)，所述内孔窥视仪包括电子的图像获取单元(12)，所述图像获取单元作为在杆(13)的端部处的内孔窥视仪物镜，所述杆适于插入到内孔窥视仪开口中并且相对于所述内孔窥视仪开口精确地定位内孔窥视仪物镜，所述图像获取单元(12)的数据线和供电线(15)穿过所述杆引导，
其特征在于，
所述图像获取单元(12)具有两个彼此间隔开的获取检测传感器(18)，所述获取检测传感器的拍摄锥头(18”)在预定的拍摄平面(22)中重叠以形成拍摄区域(23)，使得通过三角法能够将两个所述获取检测传感器(18)的图像数据处理成3D数据。
2.根据权利要求1所述的内孔窥视仪，其特征在于，所述图像获取单元(12)具有集成电路(20)，所述集成电路用于预处理由所述获取检测传感器(18)产生的数据，以减少待通过所述数据线(15)传输的数据。
3.根据权利要求2所述的内孔窥视仪，其特征在于，所述集成电路(20)被设计用于借助于三角法将通过所述获取检测传感器(18)同时拍摄的图像数据处理为3D数据。
4.根据前述权利要求中任一项所述的内孔窥视仪，其特征在于，所述获取检测传感器(18)布置和/或设计为，使得两个所述获取检测传感器(18)的所述拍摄锥头(18')相对于所述图像获取单元(12)的纵轴线以预定的视角(24)定向。
5.根据权利要求4所述的内孔窥视仪，其特征在于，设置有两对所述获取检测传感器(18)，其中，一对的两个所述获取检测传感器(18)的所述拍摄锥头(18')相比于另一对的两个所述获取检测传感器(18)的拍摄锥头(18')以相对于所述图像获取单元(12)的纵轴线的不同的视角(24)定向。
6.根据前述权利要求中任一项所述的内孔窥视仪，其特征在于，所述获取检测传感器(18)以2mm至20mm、优选5mm至15mm、更优选8mm至11mm的中心点距离布置。
7.根据前述权利要求中任一项所述的内孔窥视仪，其特征在于，所述获取检测传感器(18)设计用于直接检测颜色信息，或者所述获取检测传感器(18)适合用于确定灰度值，其中，设有附加的颜色传感器(19)，所述颜色传感器的信息能够与所述获取检测传感器(18)的灰度值结合成彩色图像。
8.根据前述权利要求中任一项所述的内孔窥视仪，其特征在于，所述获取检测传感器(18)是CCD传感器或CMOS传感器，优选具有至少400×400像素的分辨率、每秒最高240次拍摄的刷新速率和/或35°至65°、优选是40°、50°或60°、相应±5°、优选相应±3°的视场开角。
9.根据前述权利要求中任一项所述的内孔窥视仪，其特征在于，所述图像获取单元(12)具有用于照亮拍摄区域的至少一个LED(21,21')，其中，至少一个所述LED(21，21')发出可见光和/或红外辐射。
10.根据前述权利要求中任一项所述的内孔窥视仪，其特征在于，所述杆(13)是刚性的或柔性的。
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