CN113567490A - 一种非接触式的涡轮叶片旋转综合冷效测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非接触式的涡轮叶片旋转综合冷效测试系统及方法，包括：外机匣、涡轮叶片、涡轮盘、万向关节臂、红外相机、红外光学窗口、相机触发控制模块；其中，涡轮叶片设置在涡轮盘上，随涡轮盘旋转；外机匣上设置万向关节臂，万向关节臂上设置红外相机，相机触发控制模块与红外相机连接，红外相机通过红外光学窗口对涡轮叶片进行拍摄，获得涡轮叶片的全表面的温度场数据，通过对温度场数据进行处理获得涡轮叶片的全表面的综合冷效。本发明提供的非接触式测试方法，解决了现有技术中无法对旋转涡轮叶片综合冷效进行全表面拍摄的难题，为研究旋转状态下涡轮叶片气膜冷却和覆盖效果提供了有效依据。
Description
技术领域
本发明属于涡轮叶片测试技术研究领域，特别是涉及一种非接触式的涡轮叶片旋转综合冷效测试系统及方法。
背景技术
燃气轮机的热效率与涡轮入口温度密切相关。为了提高燃气轮机系统的热效率，在现代燃气轮机中，由于增加了涡轮入口温度而超过了材料的熔化温度。出于这个原因，还需要改进冷却技术，以保护燃气轮机部件免受高温燃气的侵蚀。
目前主流的双层壁的联合冷却系统，包括阵列射流冲击的全覆盖气膜冷却。气膜冷却作为一种单独的冷却方式，所谓气膜冷却技术是指内部冷却空气通过布置在叶片壁面上的孔或者槽缝流出，这股冷气流在外部主流压力和科恩达效应作用下，附着在叶片壁面附近，形成温度较低的气膜，防止高温燃气直接与壁面接触，还可以带走部分叶片的热量，从而对壁面起到良好的保护作用。对于改进了冷却结构的涡轮叶片必需进行大量的试验研究，用于验证设计的正确性。综合冷效是涡轮叶片冷却结构有效性的核心评价指标，所以在涡轮叶片设计过程中，对其进行综合冷却效果试验是必不可少的。因此，对涡轮叶片综合冷却效果试验方法进行系统的研究具有十分重要的意义。
目前，受实验条件、拍摄方法和测试技术的限制，国内外对综合冷效的研究主要针对静止状态下的平板和涡轮叶片展开，测量综合冷效有两种方法，一种是利用红外相机，另一种是热电偶，只有少数利用热电偶对气膜冷却效果情况的研究是在旋转状态下展开的，而热电偶是单点测量，数据量有限，无法对涡轮叶片全表面进行测量，并且安装的热电偶会对叶片表面流场产生一定的扰动。而红外相机作为非接触式测试方法，又很难在旋转条件下进行拍摄，这一难题对精确全面测量涡轮叶片旋转状态下的综合冷效造成了很大阻碍。
发明内容
本发明的目的是提供一种非接触式的涡轮叶片旋转综合冷效测试系统及方法，以解决现有技术中无法在旋转状态下测量涡轮叶片全表面综合冷效的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种非接触式的涡轮叶片旋转综合冷效测试系统，包括，
外机匣、涡轮叶片、涡轮盘、万向关节臂、红外相机、红外光学窗口、相机触发控制模块；
其中，所述涡轮叶片设置在所述涡轮盘上，随所述涡轮盘旋转；所述外机匣上设置所述万向关节臂，所述万向关节臂上设置所述红外相机，所述红外相机通过所述红外光学窗口对所述涡轮叶片进行拍摄；所述相机触发控制模块与所述红外相机连接，用于控制所述红外相机的拍摄。
优选地，所述红外光学窗口开设在所述外机匣上，包括第一红外光学窗口、第二红外光学窗口、第三红外光学窗口。
优选地，所述第一红外光学窗口用于拍摄所述涡轮叶片的叶盆；
所述第二红外光学窗口用于拍摄所述涡轮叶片的叶背；
所述第三红外光学窗口用于拍摄所述涡轮叶片的叶尖。
优选地，所述相机触发控制模块至少包括转速传感器、同步触发器；
所述转速传感器用于获得所述涡轮叶片的转动速度；
所述同步触发器用于触发所述红外相机的相机快门。
优选地，所述万向关节臂的旋转移动范围至少覆盖所述红外光学窗口。
优选地，所述红外光学窗口还设置有气帘，所述气帘用于所述红外光学窗口的热防护。
优选地，基于万向关节臂安装红外相机，所述红外相机通过红外光学窗口对涡轮叶片进行拍摄，其中所述红外光学窗口至少包括第一红外光学窗口、第二红外光学窗口、第三红外光学窗口，所述红外相机通过所述第一红外光学窗口拍摄完成后，调整万向关节臂角度，使所述红外相机朝向所述第二红外光学窗口、所述第三红外光学窗口对所述涡轮叶片进行拍摄，重复操作完成对所述涡轮叶片的拍摄，获得所述涡轮叶片的全表面的温度场数据，通过对所述温度场数据进行处理获得所述涡轮叶片的全表面的综合冷效。
优选地，在所述红外相机进行拍摄的过程中，通过所述第一红外光学窗口拍摄所述涡轮叶片的叶盆；通过所述第二红外光学窗口拍摄所述涡轮叶片的叶背；通过所述第三红外光学窗口拍摄所述涡轮叶片的叶尖。
优选地，在所述红外相机进行拍摄的过程中，基于所述涡轮叶片的转速，利用相机触发控制模块调整所述红外相机的快门速度并进行拍摄。
优选地，利用所述相机触发控制模块控制所述红外相机的快门速度进行拍摄的过程中，所述相机触发控制模块至少包括转速传感器和同步触发器，具体的拍摄过程为：
通过所述转速传感器获得所述涡轮叶片的转动速度，并对所述红外相机的快门速度进行调整，基于调整完的快门速度，通过所述同步触发器触发相机快门，完成拍照。
本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种非接触式的涡轮叶片旋转综合冷效测试系统及方法，首先将万向关节臂安装固定在外机匣上，再将红外相机安装在万向关节臂上，在外机匣上开设三个红外光学窗口，分别朝向叶盆、叶背和叶尖，将红外相机和相机触发控制系统相连，相机触发控制系统中的转速传感器测得涡轮叶片的转速调整红外相机快门速度，并通过同步触发器触发红外相机快门，这样就能在旋转状态下也能拍摄清楚涡轮叶片表面的温度场，拍摄完成后，调整万向关节臂使得红外相机朝向第二个红外光学窗口，并重复上述操作，依次完成全部三个窗口的拍摄，便可得到涡轮叶片全表面的温度场，最后通过后处理软件得到涡轮叶片全表面的综合冷效。本发明提供的测试方法，实现了非接触式地测量旋转状态下涡轮叶片全表面的综合冷效，解决了现有技术中旋转涡轮叶片表面综合冷效无法拍摄的难题，为研究旋转状态下涡轮叶片气膜冷却和覆盖效果提供了有效依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明的系统结构示意图；
图中，1、外机匣；2、涡轮叶片；3、涡轮盘；4、万向关节臂；5、红外相机；6、红外光学窗口；7、转速传感器；8、同步触发器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种非接触式的涡轮叶片旋转综合冷效测试系统及方法，其中系统包括，
外机匣1、涡轮叶片2、涡轮盘3、万向关节臂4、红外相机5、红外光学窗口6、相机触发控制模块；
其中，涡轮叶片2设置在涡轮盘3上，随涡轮盘3旋转；外机匣1上设置万向关节臂4，万向关节臂4上设置红外相机5，红外相机5通过红外光学窗口6对涡轮叶片2进行拍摄；相机触发控制模块与红外相机5连接，用于控制红外相机5的拍摄。
红外光学窗口6开设在外机匣1上，包括第一红外光学窗口、第二红外光学窗口、第三红外光学窗口。
第一红外光学窗口用于拍摄涡轮叶片2的叶盆；
第二红外光学窗口用于拍摄涡轮叶片2的叶背；
第三红外光学窗口用于拍摄涡轮叶片2的叶尖。
相机触发控制模块至少包括转速传感器7、同步触发器8；
转速传感器7用于获得涡轮叶片2的转动速度；
同步触发器8用于触发红外相机5的相机快门。
万向关节臂4的旋转移动范围至少覆盖红外光学窗口6。
红外光学窗口6还设置有气帘，气帘用于红外光学窗口6的热防护。
本发明还包括一种非接触式的涡轮叶片2旋转综合冷效测试方法，基于万向关节臂4安装红外相机5，红外相机5通过红外光学窗口6对涡轮叶片2进行拍摄，其中红外光学窗口6至少包括第一红外光学窗口、第二红外光学窗口、第三红外光学窗口，红外相机通过第一红外光学窗口拍摄完成后，通调整万向关节臂4角度，使红外相机5朝向第二红外光学窗口、第三红外光学窗口，对涡轮叶片2进行拍摄，重复操作完成对涡轮叶片2的拍摄，获得涡轮叶片2的全表面的温度场数据，通过对温度场数据进行处理获得涡轮叶片2的全表面的综合冷效。
在红外相机5进行拍摄的过程中，通过第一红外光学窗口拍摄涡轮叶片2的叶盆；通过第二红外光学窗口拍摄涡轮叶片2的叶背；通过第三红外光学窗口拍摄涡轮叶片2的叶尖。
在红外相机5进行拍摄的过程中，基于涡轮叶片2的转速，利用相机触发控制模块调整红外相机5的快门速度并进行拍摄。
利用相机触发控制模块控制红外相机5的快门速度进行拍摄的过程中，相机触发控制模块至少包括转速传感器7和同步触发器8，具体的拍摄过程为：
通过转速传感器7获得涡轮叶片2的转动速度，并对红外相机5的快门速度进行调整，基于调整完的快门速度，通过同步触发器8触发相机快门，完成拍照。
本发明首先将万向关节臂4安装固定在外机匣上，再将红外相机5安装在万向关节臂4上，在外机匣上开设三个红外光学窗口6，分别朝向叶盆、叶背和叶尖，将红外相机5和相机触发控制系统相连，相机触发控制系统中的转速传感器7测得涡轮叶片2的转速调整红外相机5快门速度，并通过同步触发器8触发红外相机5快门，这样就能在旋转状态下也能拍摄清楚涡轮叶片2表面的温度场，拍摄完成后，调整万向关节臂4使得红外相机5朝向第二个红外光学窗口，并重复上述操作，依次完成全部三个窗口的拍摄，便可得到涡轮叶片2全表面的温度场，最后通过后处理软件得到涡轮叶片2全表面的综合冷效。本发明提供的测试方法，实现了非接触式地测量旋转状态下涡轮叶片2全表面的综合冷效，解决了现有技术中旋转涡轮叶片2表面综合冷效无法拍摄的难题，为研究旋转状态下涡轮叶片2气膜冷却和覆盖效果提供了有效依据。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种非接触式的涡轮叶片旋转综合冷效测试系统,其特征在于，包括，
外机匣、涡轮叶片、涡轮盘、万向关节臂、红外相机、红外光学窗口、相机触发控制模块；
其中，所述涡轮叶片设置在所述涡轮盘上，随所述涡轮盘旋转；所述外机匣上设置所述万向关节臂，所述万向关节臂上设置所述红外相机，所述红外相机通过所述红外光学窗口对所述涡轮叶片进行拍摄；所述相机触发控制模块与所述红外相机连接，用于控制所述红外相机的拍摄。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式的涡轮叶片旋转综合冷效测试系统,其特征在于，
所述红外光学窗口开设在所述外机匣上，包括第一红外光学窗口、第二红外光学窗口、第三红外光学窗口。
3.根据权利要求2所述的一种非接触式的涡轮叶片旋转综合冷效测试系统,其特征在于，
所述第一红外光学窗口用于拍摄所述涡轮叶片的叶盆；
所述第二红外光学窗口用于拍摄所述涡轮叶片的叶背；
所述第三红外光学窗口用于拍摄所述涡轮叶片的叶尖。
4.根据权利要求1所述的一种非接触式的涡轮叶片旋转综合冷效测试系统,其特征在于，
所述相机触发控制模块至少包括转速传感器、同步触发器；
所述转速传感器用于获得所述涡轮叶片的转动速度；
所述同步触发器用于触发所述红外相机的相机快门。
5.根据权利要求1所述的一种非接触式的涡轮叶片旋转综合冷效测试系统,其特征在于，
所述万向关节臂的旋转移动范围至少覆盖所述红外光学窗口。
6.根据权利要求1所述的一种非接触式的涡轮叶片旋转综合冷效测试系统,其特征在于，
所述红外光学窗口还设置有气帘，所述气帘用于所述红外光学窗口的热防护。
7.一种非接触式的涡轮叶片旋转综合冷效测试方法,其特征在于，包括以下步骤，
基于万向关节臂安装红外相机，所述红外相机通过红外光学窗口对涡轮叶片进行拍摄，其中所述红外光学窗口至少包括第一红外光学窗口、第二红外光学窗口、第三红外光学窗口，所述红外相机通过所述第一红外光学窗口拍摄完成后，调整万向关节臂角度，使所述红外相机朝向所述第二红外光学窗口、所述第三红外光学窗口对所述涡轮叶片进行拍摄，重复操作完成对所述涡轮叶片的拍摄，获得所述涡轮叶片的全表面的温度场数据，通过对所述温度场数据进行处理获得所述涡轮叶片的全表面的综合冷效。
8.根据权利要求7所述的一种非接触式的涡轮叶片旋转综合冷效测试方法,其特征在于，
在所述红外相机进行拍摄的过程中，通过所述第一红外光学窗口拍摄所述涡轮叶片的叶盆；通过所述第二红外光学窗口拍摄所述涡轮叶片的叶背；通过所述第三红外光学窗口拍摄所述涡轮叶片的叶尖。
9.根据权利要求7所述的一种非接触式的涡轮叶片旋转综合冷效测试方法,其特征在于，
在所述红外相机进行拍摄的过程中，基于所述涡轮叶片的转速，利用相机触发控制模块调整所述红外相机的快门速度并进行拍摄。
10.根据权利要求9所述的一种非接触式的涡轮叶片旋转综合冷效测试方法,其特征在于，
利用所述相机触发控制模块控制所述红外相机的快门速度进行拍摄的过程中，所述相机触发控制模块至少包括转速传感器和同步触发器，具体的拍摄过程为：
通过所述转速传感器获得所述涡轮叶片的转动速度，并对所述红外相机的快门速度进行调整，基于调整完的快门速度，通过所述同步触发器触发相机快门，完成拍照。
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