CN116147780A - 一种航空发动机涡轮叶片小型辐射测温探针 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空发动机涡轮叶片小型辐射测温探针，包括反射镜、探针外壳、光管、安装座、光电探测器、固定板、后盖等部分。反射镜、探针外壳、光管、安装座、固定板、后盖均使用GH3044高温合金制造，具有良好的耐高温高压特性。光电探测器使用带致冷的碲镉汞红外光电探测器，该器件采用了碲镉汞(HgCdTe)光电导型芯片作为感光元件，并且使用了微型热电致冷器来调节探测器内部与环境的温差，使得光敏材料稳定工作。反射镜镜片部分进行了抛光且其表面有1.5‑2.3um厚的红外融石英增透膜，与探针外壳通过螺纹连接。其各个部件尺寸可根据不同使用环境而定制，能够满足不同情况下对辐射测温的要求。

Description

一种航空发动机涡轮叶片小型辐射测温探针

技术领域

本发明涉及航空发动机辐射测温领域，设计了一种小型的适用于涡轮叶片表面辐射信息采集的光学探针。

背景技术

航空发动机作为飞机的核心部件，长期以来都是国内外学者的研究热点，而且由于其高精密性以及复杂性，被称为“现代工业皇冠上的明珠”。作为航空发动机内部热端部件的涡轮叶片，是航空发动机中温度最高的旋转部件，它的耐高温能力可以直接决定航空发动机的最高工作温度。此外，当航空发动机涡轮叶片温度过高时，会直接导致其出现断裂的风险，进而造成难以挽回的损失。因此，实时监测涡轮叶片的表面温度对整个航空工业而言十分重要。

目前对于航空发动机涡轮叶片温度测量的方法主要可以分为两种:接触式测温方法和非接触式测温方法。接触式测温法的主要原理是：将温度传感器固定在待测物体表面，经过一定时间的充分接触后，温度传感器和待测物体达到热平衡状态，此时温度传感器即可反映待测物体的真实温度。热电阻和热电偶是接触式测温中最常用的两种温度传感器。接触式测温法的主要优点是测温误差小，设备相对简便，应用中比较容易实现。但是，接触式测温法会直接影响待测物体的表面状态，破坏待测物体的温度场分布。非接触式测温方法的基本原理是：由于物体的热辐射会随着温度的变化而变化，因此可以根据物体的热辐射来求解待测物体温度。非接触测温可以不直接接触待测物体，而是收集待测物体的表面热辐射，并根据热辐射规律来反推待测物体温度。非接触式测温方法按照原理不同主要分为声学测温法、辐射测温法、光谱法测温和激光干涉测温等。

辐射测温法是一种以辐射定律为基础，通过光电探测器等传感器将光学信号转化为电信号，并由此推算出待测物体温度的非接触式测温方法。辐射测温法不破坏待测物体的表面温度场分布、响应速度快、测温范围广，十分适用于高温高压等复杂条件下的温度测量。由于其不会直接接触待测物体，因此不会影响待测物体的物理特性。综上所述，辐射测温非常适用于涡轮叶片等一些长期处于高温高压环境的器件的温度测量。基于此，本发明提出了一种航空发动机涡轮叶片小型辐射测温探针，设计的结构可以承受发动机高温高压的环境，并且能够精确采集涡轮叶片表面辐射信息并将其转化为电信号。

专利CN201710413059.7提出了一种航空发动机涡轮叶片温度监测装置，但其大量依赖于后期数据处理，且测温装置整体尺寸较大。专利CN201710524151.0提出了一种涡轮叶片温度监测的光路装置，但该专利仅从光学系统设计上面验证了理论可行性，并未设计出成熟产品。专利CN201910588599.8提出了一种降低计本底辐射的红外辐射测温计，主要克服了高温计测量本底的影响。专利CN202010806727.4提出了一种四轴式多功能测温装置，能够实现探测不同表面辐射的功能。以上个专利从不同方面对航空发动机辐射温度测量领域展开了研究，但并未有人设计出一款体积轻便的小型辐射高温计。

发明内容

针对航空发动机辐射测温领域，本发明提出了一种航空发动机涡轮叶片小型辐射高温计，克服了原有各类高温计体积大、重量重、不易于拆卸等各种缺点，能够灵活使用于各种不同型号航空发动机的涡轮叶片测温场景。

本发明技术方案为：一种航空发动机涡轮叶片小型辐射测温探针，该探针包括：反射镜、探针外壳、光管、安装座、光电探测器、固定板、后盖；反射镜、探针外壳、光管、安装座、固定板、后盖均使用GH3044高温合金制造；光电探测器使用带致冷的碲镉汞红外光电探测器，该器件采用了碲镉汞(HgCdTe)光电导型芯片作为感光元件，并且使用微型热电致冷器来调节探测器内部与环境的温差，使得光敏材料稳定工作；

所述探针外壳包括基座和杆部，基座为圆盘结构，基座的中心有圆形凹槽，凹槽中心开有通孔，所述杆部为中空结构，头段焊接于基座的中线，杆部的中心孔与基座凹槽中心的通孔对齐，所述杆部的末端的侧面设有开窗；所述反射镜为带有斜切面的圆柱形结构，反射镜包括两部分，一部分为圆柱体，直径与探针外壳的杆部外径相同；另一部分为带有斜切面的圆柱形结构，直径与探针外壳的杆部内径相同，斜切面抛光处理作为镜面；反射镜的斜切面从探针外壳杆部的末端插入，斜切面对准探针外壳杆部末端侧面的开窗；

所述光管包括安装头和本体，所述安装头为圆盘状，尺寸与探针外壳基座的中心凹槽相同，安装头与外壳基座的中心凹槽通过螺丝固定连接；安装头的中心开孔，本体为管状结构，管状结构的内径与安装头的中心开孔直径相同，本体头端固定在安装头的中心位置，管状结构的内径与安装头的中心开孔对齐，尾端固定在探针外壳的杆部内；本体内部安装光学组件，接收并处理从反射镜反射过来的光；本体的外径小于探针外壳杆部的内径；

所述安装座为圆柱形的杯状结构，包括杯底和侧壁，杯底为圆盘形，中心开孔，杯底外径与探针外壳基座的外径相同，并通过螺丝固定连接，杯底的中心开孔与光管的安装头外径相同；所述侧壁外径小于杯底直径；安装座侧壁的杯口外侧面设置有外螺纹；

所述光电探测器的探测头位于安装座杯底的中心开孔内，对准光管；所述固定板圆盘型，中心部位开设有用于探测器数据线通过的多个通孔，光电探测器位于固定板与安装座的杯状结构底部之间，固定板通过螺丝与安装座底连接，夹紧光电探测器；

所述后盖上有与安装座侧壁的杯口外侧面设置的外螺纹相配合的内螺纹，后盖中心有开孔用于通过探测器数据线通过多个通孔。

与现有技术相比，本发明的优势为：

(1)与传统大探针相比，探针整体尺寸较小，重量较轻，在航空发动机的高振动环境下可以有效地保持稳定；

(2)探针结构简单，易于组装，可以以独立元件形式保存，在使用时现场进行组装即可；

(3)探针内部卡件可以根据光电探测器型号不同灵活调整结构，能够有效支持多种光电探测器进行采集。该探针具有耐高温高压、高稳定性以及体积小的优点。

附图说明

图1是本发明的航空发动机涡轮叶片小型辐射测温探针的外观图；

图2是本发明的航空发动机小型辐射测温探针的爆炸图；

图3是本发明的小型辐射测温探针剖视图；

图4是本发明的整体结构尺寸图；

图5是本发明在实际的航空发动机中探针装配图；

图6是本发明的反射镜图示；

图7是本发明的探针外壳图示；

图8是本发明的安装座图示；

图9是本发明的固定板图示；

图10是本发明的后盖图示。

图中，1反射镜；2探针外壳；3安装座；4后盖；5光电探测器；6固定板；7光管；8涡轮叶片，9数据线。

具体实施方式

在进行实时光信号采集时，探针插入航空发动机内部，调整探针位置使得反射镜正对涡轮叶片表面。调整完成后小型探针与航空发动机外部的法兰盘通过螺丝和螺母进行连接，螺丝加合适大小的平垫片减少脱落风险。

涡轮叶片表面的辐射光信息通过光管外壳外部的小孔被反射镜接收，反射镜为45°，将辐射光尽可能多的反射进探针内部。探针内部光管接收到辐射光，利用其内部光学系统对原始光信息进行处理，滤除不需要的波段的辐射光，将所需要的波段的辐射光聚焦后进行输出。安装座上的光电探测器与光管同轴，将光管输出的光信息接收到其芯片，利用内部电路将该辐射光信号转化为电信号，通过线缆输出。

小型辐射测温探针一般需与机箱进行连接，输出的电信号经由机箱进行处理后以具体的温度数据进行输出。

以下结合附图对本发明进行进一步说明：

所述的反射镜结构内径为8.5mm，外径为10.5mm，内部有45°角斜面，该斜面进行了抛光处理；反射镜抛光面镀有1.5-2.3um厚的保护膜，保护抛光面免于外部环境带来的磨损；

所述的探针外壳总长度为290mm，使用两级结构提高其整体刚性，第一级长181mm外径10.5mm，第二级长为100mm外径14.5mm；探针外壳内径10mm，可以直接将光管安装在其内部，在安装后光管离反射镜镜面轴向距离约为14mm；探针外壳最前端开直径为5.0mm的通孔，在安装反射镜后光线由此口进入；

所述的光管总长度为272mm，外径为8mm，最前端有三个直径约1mm的焊点，保证插入探针外壳后在其内部保持稳定；光管内部含蓝宝石窗片、准直镜、聚焦镜、滤光片、视场光阑、孔径光阑等光学组件，能够对收集到的光学信号进行基本的滤波和聚焦等处理。

所述的安装座、固定板用于将光电探测器进行固定。安装座与探针外壳接触端外径为70mm，厚度为10mm，开有8个直径5.1mm的通孔，与探针外壳通过M5螺栓连接。与光电探测器接触端外径50mm内径46mm，有长度为10mm螺纹用于和后盖进行连接。安装座内部开有两个M4螺纹孔，用于连接光电探测器及固定板。固定板外径为45mm，内部的各个孔位可根据光电探测器尺寸进行调整，用以将光电探测器牢牢固定在安装座指定位置。同时，固定板将光电探测器致冷器热量导出，保护光电探测器内部温度恒定。

所述的后盖外径为50mm，内部为10mm深的M50螺纹孔，通过该结构与安装座进行连接。后端有外径为12mm内径为9mm，长度20mm的束线座，且开有凹槽，可以将光电探测器引出的线缆固定。

图1是本发明的航空发动机涡轮叶片小型辐射测温探针的外观图，其中反射镜1、探针外壳2、安装座3、后盖4、固定板6材质均为GH3044耐高温硬质合金，具有高的塑性和中等的热强性，并具有优良的抗氧化性和良好的冲压、焊接工艺性能。

图2是本发明的航空发动机涡轮叶片小型辐射测温探针的结构爆炸图，结合图1和图2，组装探针时步骤为：

第①步，安装反射镜1至探针外壳2，反射镜尺寸根据探针外壳尺寸大小而定制，使用内螺纹方式进行连接。

第②步，安装光管7至探针外壳2，探针外壳内径可根据光管外径定制，使用两个m3螺丝穿过光管后端通孔连接至探针外壳法兰盘内圈的螺纹孔。

第③步，安装光电探测器5至安装座3，安装座内部通孔大小及腔内螺纹孔孔间距可根据光电探测器型号大小的不同而定制。

第④步，安装固定板6至安装座3，固定板穿过光电探测器后端管脚，与安装座通过m3螺丝进行连接。固定板中心开孔可根据光电探测器型号不同而改变，可适配多种不同光电探测器。

第⑤步，安装光电探测器线缆至固定后的光电探测器，线缆前端接口与光电探测器后端针脚使用插入的方式连接。

第⑥步，将后盖4穿过光电探测器线缆，与安装座3通过其外部m50螺纹进行连接。

第⑦步，使用扎带将光电探测器引出的线缆固定在后盖4后端的束线座。

第⑧步，将安装完各个组件的探针外壳2和安装座3通过其各自法兰盘进行连接，使用4颗m5螺丝进行连接，且在两端均加平垫片做防滑处理。

图3所示为小型辐射测温探针剖视图，如图中所示，探头近热端从左至右依次为反射镜1、探针外壳2、光管7、安装座3、光电探测器5、固定板6、后盖4，本探针对原始信号的处理可分为初始光线、光学系统处理、光电转换三部分。反射镜将初始光线反射至光管，光管做光学系统处理，光电探测器将处理后的光学信号转化为电信号。其余部件作用均为承载这三个主要部件。

图4位本发明的小型辐射测温探针外部尺寸图，如图所示，探针插入涡轮内部的总长度为183mm+100mm+2mm(焊接处长度)＝285mm。探针在涡轮外部总长度为7mm+5.5mm+37mm+25mm＝74.5mm，外部最大外径为70mm。探针总长度(不包含引出线缆)为285mm+74.5mm＝359.5mm。

图5为本发明的辐射测温探针在涡轮上的安装示意图，探头安装时将辐射测温探针插入涡轮内部，调整探针位置到反射镜正对涡轮叶片处，使用螺丝将探针法兰同涡轮外部法兰进行连接，并加平垫片做防滑处理。

根据上述实施例，涡轮叶片小型辐射测温探针的各个部分尺寸，并不用于限制本发明。对于本领域的实现涡轮叶片的小型辐射测温探针，可根据不同航空发动机涡轮叶片实际工作环境进行光电探测器类型以及其他各个组件尺寸规格的改变，可根据实际情况对耐高温合金的材质做出改变。

Claims (1)

1.一种航空发动机涡轮叶片小型辐射测温探针，该探针包括：反射镜、探针外壳、光管、安装座、光电探测器、固定板、后盖；反射镜、探针外壳、光管、安装座、固定板、后盖均使用GH3044高温合金制造；光电探测器使用带致冷的碲镉汞红外光电探测器，该器件采用了碲镉汞(HgCdTe)光电导型芯片作为感光元件，并且使用微型热电致冷器来调节探测器内部与环境的温差，使得光敏材料稳定工作；

所述探针外壳包括基座和杆部，基座为圆盘结构，基座的中心有圆形凹槽，凹槽中心开有通孔，所述杆部为中空结构，头段焊接于基座的中线，杆部的中心孔与基座凹槽中心的通孔对齐，所述杆部的末端的侧面设有开窗；所述反射镜为带有斜切面的圆柱形结构，反射镜包括两部分，一部分为圆柱体，直径与探针外壳的杆部外径相同；另一部分为带有斜切面的圆柱形结构，直径与探针外壳的杆部内径相同，斜切面抛光处理作为镜面；反射镜的斜切面从探针外壳杆部的末端插入，斜切面对准探针外壳杆部末端侧面的开窗；

所述光管包括安装头和本体，所述安装头为圆盘状，尺寸与探针外壳基座的中心凹槽相同，安装头与外壳基座的中心凹槽通过螺丝固定连接；安装头的中心开孔，本体为管状结构，管状结构的内径与安装头的中心开孔直径相同，本体头端固定在安装头的中心位置，管状结构的内径与安装头的中心开孔对齐，尾端固定在探针外壳的杆部内；本体内部安装光学组件，接收并处理从反射镜反射过来的光；本体的外径小于探针外壳杆部的内径；

所述安装座为圆柱形的杯状结构，包括杯底和侧壁，杯底为圆盘形，中心开孔，杯底外径与探针外壳基座的外径相同，并通过螺丝固定连接，杯底的中心开孔与光管的安装头外径相同；所述侧壁外径小于杯底直径；安装座侧壁的杯口外侧面设置有外螺纹；

所述光电探测器的探测头位于安装座杯底的中心开孔内，对准光管；所述固定板圆盘型，中心部位开设有用于探测器数据线通过的多个通孔，光电探测器位于固定板与安装座的杯状结构底部之间，固定板通过螺丝与安装座底连接，夹紧光电探测器；

所述后盖上有与安装座侧壁的杯口外侧面设置的外螺纹相配合的内螺纹，后盖中心有开孔用于通过探测器数据线通过多个通孔。

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