CN114658493A - 适用于旋转的无扭转涡轮叶片的表面图像展平方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明以涡轮叶片冷却测量为研究背景，公开了一种适用于旋转的无扭转涡轮叶片的表面图像展平方法，将所摄得带曲率的无扭转涡轮叶片表面的图像展开成矩形平面，包括无扭转的直涡轮叶片(具有弯曲表面)、刻度板、刻度点喷涂法、基于刻度点的图像展开法。选取拍摄获得的工作在旋转状态下的无扭转涡轮叶片的带曲率表面作为待展开面，将刻度板限位固定于待展开面上；按需求选取刻度板上的刻度孔，并通过刻度孔将刻度点喷涂于表面；利用刻度点图像展开程序实现待展开面的图像展平。本发明解决了现有技术中获得旋转状态下的无扭转涡轮叶片表面展平图像的难题，为获取可靠的、可分析的旋转状态下涡轮叶片表面气膜冷却效率分布提供了技术支撑。

Description

适用于旋转的无扭转涡轮叶片的表面图像展平方法及应用

技术领域

本发明涉及针对旋转的弯曲表面图像处理领域，即一种适用于旋转的无扭转涡轮叶片的表面图像展平方法；此外，本发明产生的依托为在旋转实验中，拍摄获得旋转状态下涡轮叶片表面的气膜冷却图像，需要将图像中的带曲率的涡轮叶片表面展开成为平面。

背景技术

航空发动机高压涡轮动叶片在高温、高腐蚀性燃气环境中，以高转速即高离心载荷运转工作。由于其工作环境温度远超可用金属材料的许用温度，因此必须围绕涡轮动叶开展精细化的冷却结构设计，以保证涡轮动叶的长寿命和高可靠性。

航空发动机涡轮叶片的常用冷却技术分为内部冷却和外部冷却。内部冷却技术包括冲击冷却、扰流结构强化换热冷却等；外部冷却技术包括气膜冷却、热障涂层等。在众多的冷却技术中，气膜冷却技术具有明显的优势和较广的应用前景。气膜冷却的实现为通过在涡轮叶片表面开设离散的孔，将冷却工质从涡轮叶片内部引出到外壁面上。在主流的作用下，冷却工质被压制于叶片表面上形成气膜，起到将壁面与高温主流燃气隔开，同时带走壁面热量的作用。

目前，国内外围绕气膜冷却的研究主要集中于静止平板和静止叶栅风洞展开。考虑旋转效应并在旋转状态下开展的气膜冷却研究较少，这主要是受实验条件和测试技术的限制。如前所述，涡轮叶片表面为带曲率的弯曲表面，因此实验拍摄的图像中的涡轮叶片表面即为弯曲表面，通常在实验结束后的处理环节，需要将图像中的弯曲表面展平成为矩形平面，方便进行后续的数据处理与分析。

当前围绕静止叶栅实验，已经有较为成熟的表面展开处理方法。比如在进行静止叶栅实验时，通常会用到参考叶片和实验叶片两种叶片。其中，参考叶片表面贴附有网格纸，利用相机获取参考叶片表面图像，并依据叶片表面的网格编写展平程序(即将图像中扭曲的网格纸的网格重新展平为方正的网格)，进而可以利用该展平程序对拍摄获得的实验叶片表面的图像进行展平处理。然而，这种方法仅适用于叶片在相机视场中固定不动的情况，此时依据参考叶片的网格编写的展平程序对实验叶片才具有参考价值。

在旋转实验中，通常采用锁向拍摄技术获得旋转叶片表面的图像。锁向拍摄技术即利用固定在旋转端和静止端的感光元件，使得每个旋转周的固定位置可以激发出信号脉冲，控制相机进行拍摄，进而保证每次相机拍摄的时候，目标实验叶片均会出现在相机视场中的固定位置。然而，这种拍摄方法受感光误差和信号激发与传递的误差的影响，会造成所获取的叶片表面图像在相机视场中存在一定范围内的摆动情况。所以，如果采用如静止叶栅实验中的网格纸图像展平方法，则实验图像与参考图像无法重合，也就无法利用参考叶片编写图像展平程序。基于此，考虑需要对每个叶片图像进行图像展平处理，这就需要研究一种新的方法，可以保证程序对每个图像进行识别和展平，且实验叶片表面的标记参考物不影响实验测量结果的准确性和实验测量结果的展示。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种适用于旋转的无扭转涡轮叶片的表面图像展平方法，以解决依据现有技术无法对在旋转状态下获得的无扭转涡轮叶片的表面图像展平的难题。

(二)技术方案

适用于旋转的无扭转涡轮叶片的表面图像展平方法，其特征为：包括如下步骤：

步骤1：选取一无扭转的涡轮叶片作为即将开展旋转实验的涡轮叶片。任取其吸力面、前缘或压力面作为目标展平对象。该说明书以涡轮叶片的吸力面为例，将吸力面作为目标展平对象进行该发明方法的说明；

步骤2：在实验的准备工作阶段，利用实现目标所用介质--刻度板，将刻度板紧密贴合与目标展平面上。采用刻度点喷涂法，将刻度点喷于目标展平面上；

步骤3：实验结束后，利用基于刻度点的图像展开法，对用相机获得的涡轮叶片吸力面的图像进行展平处理。

本发明还公开一种将所述的适用于旋转的无扭转涡轮叶片的表面图像展平方法应用于航空发动机高压涡轮动叶片的检测中。

(三)有益效果

本发明提供了一种适用于旋转的无扭转涡轮叶片的表面图像展平方法。该方法弥补了现有展平方法的不足，具体体现在如下几方面：

1、现有展平方法只能应用于静止条件下，本发明提供的方法可以对旋转状态下获得的带曲率表面的图像进行展平处理；

2、现有展平方法为网格纸法，该方法的展平精度极度依赖网格纸与待展开面的贴合度，且贴有网格纸的表面仅能作为参考面，其他待展开表面都需要依据参考面编写的展开程序进行曲面展开，这就需要所有的待展开表面在图像中所处的位置要与参考面完全一致。本发明提供的方法利用喷涂刻度点取代了网格纸，解决了贴合度的问题，且刻度点可以喷涂于任何一个待展开表面上，因此就可以对每一个带曲率表面进行展开，无需采用参考面，也无需每个待展开面在图像中的位置完全一致。

附图说明

图1为本发明针对的目标对象--无扭转的直涡轮叶片示意图；

图2为本发明最终要实现的待展平曲面的展平示意图；

图3为本发明实现曲面图像展平的必须介质一刻度板示意图；

图4为本发明中用到的刻度板与无扭转涡轮叶片的配合示意图；

图5为本发明中用到的喷涂刻度点法，以及喷涂之后的刻度点在叶片表面的示例图；

图6为本发明一种适用于旋转的无扭转涡轮叶片的表面图像展平方法程序后处理的实现流程示意图。

其中，1吸力面；2压力面；3前缘；4刻度板定位螺纹孔；5第一列气膜孔；6第二列气膜孔；7第三列气膜孔；8图像中无扭转涡轮叶片的带曲率表面的目标展平区域；9展平面；10定位销孔；11刻度板定位通孔一；12刻度板定位通孔二；13刻度孔；14喷笔；15刻度点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1所示为示例的无扭转涡轮叶片，以吸力面(编号1指代区域)为例作为实验区，需要实验过程中拍摄到叶片吸力面上射流从气膜孔出流之后在叶片表面的覆盖情况，然后需要将拍摄获得的吸力面的图像的目标区域(如图2编号8)展平成平面(编号9)。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于旋转的无扭转涡轮叶片的表面图像展平方法，该方法涉及到的目标对象是：无扭转的直涡轮叶片的带曲率表面，如图1；实现目标所用介质是：刻度板(刻度板表面加工有矩阵排列的刻度圆锥孔)，如图3；目标方法：如图5刻度点喷涂法、如图6基于刻度点的图像展开法。

具体技术方案为：适用于旋转的无扭转涡轮叶片的表面图像展平方法，其特征为：包括如下步骤：

步骤1：选取一无扭转的涡轮叶片作为即将开展旋转实验的涡轮叶片。以该涡轮叶片的吸力面为例，将吸力面作为目标展平对象，如图1所示编号1；

步骤2：在实验的准备工作阶段，利用图3所示实现目标所用介质--刻度板(该介质-刻度板相当于遮盖板，其目的是在涡轮叶片表面对不需要喷漆上色的地方遮盖，同时在遮盖板上设置涡轮叶片表面需要喷涂加工对应点位孔(刻度点)，通过喷漆透过点位孔印在所述叶片表面形成点位(刻度)，从而起到刻度板的作用)，经图4所示步骤，将刻度板紧密贴合与目标展平面上，并采用图5所示刻度点喷涂法，确定目标展平区域并将刻度点喷于目标展平面上，获得表面喷涂有刻度点的待展平面，如图5所示编号15；

步骤3：实验结束后，获得图6步骤1所示的图像，并对步骤1所示的图像利用基于刻度点的图像展开法进行展平处理。图像展平步骤如图6所示，具体实施过程如下：

步骤(1)：利用Python编程，对刻度点进行识别和提取，获得图像中的两行两列的刻度点的坐标(行的方向为气流流过叶片的方向，即通常所说的沿着叶片翼型线的流向方向，列的方向为平行于叶高的方向)；

步骤(2)：基于现有识别到的刻度点进行刻度点的拓展，形成覆盖待展开范围的刻度点阵；

步骤(3)：利用程序对拓展出来的点进行连线，获得多行的拟合曲线和多列的拟合直线，形成覆盖整个待展开区域的网格；

步骤(4)：将图像中的目标展平面依据拟合获得的多行的拟合曲线和多列直线进行展平。展平原理：多行的拟合曲线和拟合直线相交，将目标展平面分割成若干个四边形区域，每个四边形区域对应展平后的一个正方形区域。依据此，即实现目标展平面图像的展平处理。

下面对涉及到的目标对象、目标所用介质和目标方法进行详细介绍：

1、目标对象：本项发明的目标作用对象为无扭转涡轮叶片的带曲率表面，如图1所示。涡轮叶片呈翼型状，无扭转涡轮叶片各个叶高的横截面完全一致。叶片前缘表面(编号3)和吸力面(编号1)表面为带曲率的凸表面，叶片的压力面表面(编号2)为带曲率的凹表面。涡轮叶片表面开有多列气膜孔，以该涡轮叶片的吸力面为例。涡轮叶片吸力面上通常开有1～3列气膜孔(每一列孔的排列方向与叶高方向平行)，如图1所示编号5～7，当冷气(实验中采用CO₂作为冷气)从气膜孔中喷出时，会在叶片表面覆盖形成气膜。涡轮叶片的顶部和根部分别设计有限位螺纹孔。

本项发明针对的目标对象在实验过程中以某一恒定转速在风洞的涡轮实验段中匀速运转，固定在实验段机匣外的相机会以某一固定的频率对目标实验叶片进行拍摄，并将获得的叶片弯曲表面的图像传输至计算机，并继续开展后续的图像展开处理和气膜冷却效率处理。图像展平处理示意图见图2。

2、目标所用介质：为实现本项发明的目的——将图像中带曲率的表面的图像展平，需要用到的介质是刻度板，如图3所示。刻度板为在无扭转涡轮叶片的带曲率表面上划分刻度所用的工具。刻度板采用UG软件三维建模，并利用3D打印加工成型。刻度板的配合面设计为与目标展平面的曲率完全一致，保证刻度板的配合面与目标展平面可以完美贴合。刻度板表面加工有矩阵排列的刻度孔(编号13)，刻度孔横向和纵向的间距相等。刻度孔为锥形孔，与目标展平面相接触的配合面上的孔径较小，这样的设计方便水性漆更好的透过孔喷在目标展平面上。刻度孔的孔径按实际刻度点在相机视场中的大小和清晰度确定，本专利中以配合面上的刻度孔直径为0.5mm为例。将刻度板的配合面与目标展平面紧密配合。刻度板上加工定位销孔(编号10)和与涡轮叶片上的螺纹孔对应的精配合的通孔(编号11和12)。利用定位销和螺栓可以实现刻度板的限位和固定。刻度板与叶片的配合示意如图4。

3、目标方法1——刻度点喷涂法：以刻度板为介质，通过采用刻度点喷涂法，将黑色的墨点喷涂在目标对象——无扭转涡轮叶片的带曲率表面上，如图5所示。刻度点喷涂法的实现需要利用到工具包括：喷笔、气泵、黑色水性漆、遮盖带、以及刻度板。实现步骤如下：

步骤1：将刻度板与目标展平面完美贴合并固定；

步骤2：确定目标展平面的展平范围，依据此范围确定刻度板上需要保留的两行两列刻度孔，这两行两列刻度孔即对应将在目标展平面上喷覆的两行两列刻度点。随后将其余刻度点用遮盖带遮住。通过两行两列刻度点，可以在目标对象表面划分出一个待展开的方形区域；

步骤3：利用喷笔(图5编号14)，将黑色水性漆透过刻度孔喷涂在目标展平面上，并待漆干后，从目标展平面上小心取下刻度板，即实现刻度点喷涂法，并完成刻度点的喷覆工作，如图5编号15；

4、目标方法2——基于刻度点的图像展开法：在实验结束后，获得图6步骤(1)所示的图像，需要对步骤(1)所示的图像利用基于刻度点的图像展开法进行展平处理。展平方法的实施如下：

步骤(1)：利用Python编程，对刻度点进行识别和提取，获得图像中的两行两列的刻度点的坐标(行的方向为气流流过叶片的方向，即通常所说的沿着叶片翼型线的流向方向，列的方向为平行于叶高的方向)；

步骤(2)：基于现有识别到的刻度点进行刻度点的拓展，形成覆盖待展开范围的刻度点阵；

步骤(3)：利用程序对拓展出来的点进行连线，获得多行的拟合曲线和多列的拟合直线，形成覆盖整个待展开区域的网格；

步骤(4)：将图像中的目标展平面依据拟合获得的多行的拟合曲线和多列直线进行展平。展平原理：多行的拟合曲线和拟合直线相交，将目标展平面分割成若干个四边形区域，每个四边形区域对应展平后的一个正方形区域。依据此，即可实现目标展平面图像的展平处理。

综上所述，对涡轮叶片开展气膜冷却研究，需要首先对图像中的涡轮叶片表面先进行展平处理。现有展平技术网格纸法只能应用于静止条件下的实验叶片的展平，且图像叶片的位置必须严格限制，这给旋转实验的结果处理造成了很大的难题。本发明提供了一种适用于旋转的无扭转涡轮叶片的表面图像展平方法，弥补了现有展平方法的不足。解决了旋转实验中获得的叶片表面图像无法展平处理的技术问题，同时降低了对叶片在图像中位置的严格需求。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.适用于旋转的无扭转涡轮叶片的表面图像展平方法，其特征为：包括如下步骤：

步骤1：选取一无扭转的涡轮叶片作为即将开展旋转实验的涡轮叶片；任取其吸力面、前缘或压力面作为目标展平对象；

步骤2：在实验的准备工作阶段，利用实现目标所用介质--刻度板，将刻度板紧密贴合与目标展平面上，采用刻度点喷涂法，将刻度点喷于目标展平面上；

步骤3：实验结束后，利用基于刻度点的图像展开法，对用相机获得的涡轮叶片吸力面的图像进行展平处理。

2.根据权利要求1所述的适用于旋转的无扭转涡轮叶片的表面图像展平方法，其特征为：所述涡轮叶片具有如下特征：

特征1：涡轮叶片呈翼型状，无扭转涡轮叶片各个叶高的截面完全一致；叶片前缘表面和吸力面表面为带曲率的凸表面，叶片的压力面表面为带曲率的凹表面；

特征2：涡轮叶片表面开有多列气膜孔；

特征3：涡轮叶片的顶部和根部分别设计有限位螺纹孔，用于固定所述刻度板。

3.根据权利要求2所述的适用于旋转的无扭转涡轮叶片的表面图像展平方法，其特征为：所述特征2进一步包括如下内容：所述涡轮叶片的吸力面上开有1～3列气膜孔，每一列孔的排列方向与叶高方向平行；当冷气从气膜孔中喷出时，会在叶片表面覆盖形成气膜。

4.根据权利要求1所述的适用于旋转的无扭转涡轮叶片的表面图像展平方法，其特征为：所述刻度板的配合面设计为与目标展平面的曲率完全一致，可以完全贴合；刻度板表面加工有矩阵排列的刻度孔，刻度孔横向和纵向的间距相等；刻度孔为锥形孔，与目标展平面相接触的配合面上的孔径较小。

5.根据权利要求4所述的适用于旋转的无扭转涡轮叶片的表面图像展平方法，其特征为：刻度板上加工有精配合的通孔，与涡轮叶片上的螺纹孔对应，利用螺栓可以实现刻度板的限位和固定。

6.根据权利要求1所述的适用于旋转的无扭转涡轮叶片的表面图像展平方法，其特征为：所述步骤2的刻度点喷涂法包括如下步骤：

步骤(1)：将刻度板与目标展平面完美贴合并固定；

步骤(2)：确定目标展平面的展平范围，依据此范围确定所述的刻度板上需要保留的两行两列刻度孔，这两行两列刻度孔即对应将在目标展平面上喷覆的两行两列刻度点；随后将其余刻度点用遮盖带遮住；

步骤(3)：利用喷笔和气泵，将黑色水性漆透过刻度孔喷涂在目标展平面上，并待漆干后，从目标展平面上小心取下刻度板，完成刻度点的喷覆工作。

7.根据权利要求1所述的适用于旋转的无扭转涡轮叶片的表面图像展平方法，其特征为：所述步骤3进一步包括如下步骤：

步骤(1)：对刻度点进行识别和提取，获得图像中的两行两列的刻度点的坐标，其中行的方向为气流流过叶片的方向，即沿着叶片翼型线的流向方向，列的方向为平行于叶高的方向：

步骤(2)：基于现有识别到的刻度点进行刻度点的拓展，形成覆盖待展开范围的刻度点阵；

步骤(3)：对拓展出来的点进行连线，获得多行的拟合曲线和多列的拟合直线，形成覆盖整个待展开区域的网格；

步骤(4)：将图像中的目标展平面依据拟合获得的多行的拟合曲线和多列直线进行展平。

8.根据权利要求7所述的适用于旋转的无扭转涡轮叶片的表面图像展平方法，其特征为：所述展平的原理如下：多行的拟合曲线和拟合直线相交，将目标展平面分割成若干个四边形区域，每个四边形区域对应展平后的一个正方形区域，依据此，即可实现目标展平面图像的展平处。

9.将权利要求1-8任一所述的适用于旋转的无扭转涡轮叶片的表面图像展平方法应用于航空发动机高压涡轮动叶片的检测中。

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