[發明專利]一種基于渦輪葉片成像的徑向應變監測裝置

有效

• 申請號: 201910538568.1
• 申請日: 2019-06-20
• 公開（公告）號: CN110332901B
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 王超;茍學科;喻培豐;張澤展;段英;姜晶
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 陳一鑫

本發明提供一種基于渦輪葉片成像的徑向應變監測裝置，涉及航空發動機渦輪轉子葉片應力測量領域。探針的冷氣吹掃裝置的設計使冷氣能夠吹掃探針及反射鏡面，確保了反射鏡在高溫下仍能保持低溫狀態，實現在高溫下成像的功能。通過電機驅動伸縮式探針在葉片徑向掃描，實現葉片的快速成像，而葉片轉速傳感器與電機驅動的定位傳感器同時作用可以定位到葉片的具體位置。當掃描位置處于非葉片區域時，能夠識別該區域為非葉片位置，從而實現葉片尺寸的計算。根據葉片在常溫與高溫下的尺寸變化的精確監測，實現葉片徑向應變的實時監測。

技術領域

本發明涉及航空發動機渦輪轉子葉片應力測量領域，設計一種高轉速葉片成像裝置及方法。

背景技術

渦輪轉子葉片是航空發動機的關鍵部件，其工作環境十分苛刻，處于高溫高壓狀態，且超高轉速導致的離心載荷也嚴重影響著葉片的結構。在航空發動機工作時，如何實時監測葉片承受的熱與離心載荷導致的葉片蠕變，評估葉片的工作狀態，成為了限制渦輪葉片研制關鍵問題。

現有渦測量渦輪轉子葉片表面應變的技術分為接觸式與非接觸式兩種，接觸式的方法為應變片測量法，應變片式測量方法通過將應變片或薄膜式應變片貼在葉片表面，隨著高溫葉片受熱膨脹，應變片隨之機械性地伸縮，其電阻發生改變，根據電阻的變化測得葉片的應變值。傳統的方式是把貼在葉片表面的應變片信號通過引線沿著葉輪表面接入到引電器中，再進行后續信號記錄與處理?，F在采用遙測技術通過無線調制器將電信號調制發射出來，安裝在葉片附近的天線加以接收。這種方法測量精度較高，但只能實現葉片表面點的測量，且存在引線困難、影響葉片表面結構、響應速度較慢以及受干擾大等問題，并不能準確地反映轉子渦輪葉片的形變狀況。

目前研究的非接觸式測渦輪葉片應變方法皆是間接式的測量方法，無直接成像觀察的技術。研究較多的測量方法為葉尖定時測量法，葉尖定時測量是通過測量每個葉片到達定時傳感器的時間，將測得的葉尖定時數據轉化為振動位移，通過相應的辨識算法可以得到葉片振動的頻率、幅值、模式等參數，該方法需要通過轉速同步傳感器生成每一圈的定時參考，轉速同步信號同時也用來進行轉速的測量。該方法只能通過間接公式推導葉片形變情況，受建立的計算模型誤差影響較大，尚無法實現準確的測量。

發明內容

本發明針對背景技術的不足之處提供一種用于測量航空發動機渦輪轉子葉片上應變的裝置。其包括用于采集葉片表面光學信號的光學成像系統，連接到CCD圖像處理器，經圖像處理后區分葉片與發動機背景區域圖像，從而實現實時觀測葉片結構變化情況。

本發明技術方案為一種基于渦輪葉片成像的徑向應變監測裝置，該裝置包括：探針、驅動裝置、CCD相機、安裝法蘭板、葉片轉速傳感器、成像及處理系統；所述安裝法蘭板用于將該應變監測裝置安裝于發動機外壁上；所述驅動裝置驅動探針伸向渦輪葉片，探針頂部開口通過光路將渦輪葉片的光信號傳播給CCD相機，CCD相機采集光信號傳輸給成像及處理系統；所述葉片轉速傳感器采集渦輪葉片的轉速數據，并將該數據傳輸給成像及處理系統；

所述探針包括：外形為管狀的外殼和設置于外殼內的光路組件；所述外殼分為兩段：頭段和尾段，頭段位于發動機外部，尾段的一部分位于發動機內部，尾段上設置冷氣入口，且冷氣入口位于發動機外部；所述尾段末端開設有面朝發動機渦輪葉片的窗口；所述尾段內部設置一金屬套筒，金屬套筒一端開口成喇叭狀，喇叭狀邊緣與探針外殼的頭段內壁密封連接；所述光路組件包括：反射鏡、保護窗片、聚焦鏡M1、光闌、聚焦鏡M2；所述反射鏡位于外殼尾段末端的內部，45°角對著尾段末端開設的窗口，保護窗片位于金屬套筒的末端，用于隔絕金屬套筒內部空間和外殼尾段的內部空間；所述聚焦鏡M1、聚焦鏡M2位于金屬套筒內部；所述孔徑光闌位于金屬套筒喇叭狀開口邊緣與外殼頭段的鏈接位置，所述光闌、聚焦鏡M2位于外殼頭部的內部，所述渦輪葉片的光信號經過反射鏡反射后，依次通過保護窗片、聚焦鏡M1、光闌、聚焦鏡M2；所述渦輪葉片的光信號經過聚焦鏡M2后被CCD相機接收。