一种基于双轴调节的涡轮叶片表面温度测量的制作方法

本发明属于航空航天领域，涉及一种航空发动机的内部温度测量方法。

背景技术：

航空涡轮发动机作为现代飞机的动力来源，是一种高度复杂和精密的热力机械，具有高温高压的特性。它的正常运作直接关系着飞机的是否能正常飞行。近年来随着发动机向高推重比、高涵道比、高涡轮进口温度方向发展，航空发动机的动力要求越来越大，发动机热端部件的工作温度越来越高。而涡轮叶片作为发动机的主要部件，在高温燃气的冲击下高速旋转，除了要承受变化巨大的多种应力，还要受到热腐蚀和高温氧化等作用，其工作环境最为恶劣，很容易因为温度超过材料的临界温度，在蠕变和疲劳交互的作用下沿晶界开裂，使叶片材料的特性改变，影响整个发动机的稳定工作。涡轮叶片如果在发动机工作进行时出现故障，将会出现很严重的后果。因此，如何探测和预防温度达到叶片的临界温度，在飞机的运行过程中需要对叶片温度进行实时监测和控制具有非常重要的意义。

涡轮叶片的温度的精准监测一直是航空航天领域的一个难点，需要考虑叶片复杂的工作的环境，自生的运动状态和工况。准确的测量涡轮叶片的温度对发动机的工作状态监测与故障分析具有重要的意义。

叶片温度的测量可以分为接触式和非接触式两种方式。接触式测温技术有薄膜热电偶，示温漆，荧光测温，液晶测温、晶体测温等，其技术特点都是在被测量金属表面放置测温介质，从而达到测温的目的。但由于其对测试物体的温度场有一定影响且响应速度相比非接触慢，在涡轮叶片这样高要求的测试环境中容易受到燃气污染，耐久性差，故此不适用于涡轮叶片的温度测量。对于非接触式温度测量技术，主流的为红外辐射测温，这也是本专利采用的方法，它正好弥补了非接触式温度测量的缺点，能快速测量温度的变化趋势，同时测量目标区域可以很小，在保证精度的条件下，是涡轮发动机叶片温度的良好选择。

涡轮发动机的叶片设计上大都采用了先进的复合倾斜、端壁斜率和曲率控制等技术，这使的叶片的结构是一个不规则的弧形，且一个转子上的叶片数目大约有70～90片，叶片与叶片之间间隙小，在高速转动的条件下，通过探头对叶片区域的辐射强度进行捕捉和准确测量是很困难的。

为了对叶片进行保护，防止叶片被高温燃气腐蚀，延长叶片的使用寿命，通常需要在叶片上喷涂热障涂层(TEC涂层)或使用冷却技术。如图4，5所示，在涡轮叶片表面会有许多与外界相通的小气孔，分布在叶片各个区域，通过外界通入冷空气对叶片表面进行一定程度的降温处理。常用的冷却方式可以分为两大类：内部冷却和外部冷却。内冷主要是使冷气在叶片内部通过强化换热的冷却通道并从内部带走热量，主要包括射流冲击冷却、柱肋冷却等方法。外部冷却通常指气膜冷却，使冷气穿过小孔或者冷气缝流出，形成冷气薄膜，隔绝高温降低叶片表面温度和热负荷。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服对于涡轮叶片温度动态测量的难点，提出了一种双轴伺服调节的测量方法，通过改变横向与径向的距离，达到准确测量叶片区域的表面温度。

参见附图1，本发明技术方案为一种基于双轴调节的涡轮叶片表面温度测量装置，该装置包括：信号采集模块、信号处理与控制模块，所述信号采集模块包括：前端反光镜、第二分光镜、第一分光镜、第一PD探测器、第二PD探测器、第三PD探测器；涡轮叶片表面的辐射光经过前端反光镜的反射，到达第二分光镜；第二分光镜将辐射光分为两路，一路由第三PD探测器进行信号采集，另一路到达第一分光镜；第一分光镜将辐射光分为两路，一路由第二PD探测器进行信号采集，另一路由第一PD探测器进行信号采集；将第一、二、三PD探测器采集的光信号传输给信号处理与控制模块进行温度计算。

进一步的，所述信号采集模块设置于带保护壳的腔体内，该腔体包括本体腔和凸起腔，凸起腔末端设置前段反射镜，信号采集模块中除前段反射镜外的其余部件设置于本体腔内；所述本体腔设置于涡轮发动机机匣外部，凸起腔穿过涡轮发动机机匣壁伸入机匣内部；凸起腔末端面正对涡轮叶片处开设有采光窗，用于涡轮叶片的光线穿过该采光窗照射到前端反射镜；所述本体腔和凸起腔之间设置有透光的隔离片，用于隔绝两个腔体；所述凸起腔一部分位于涡轮发动机机匣内，一部分位于涡轮发动机机匣外，位于涡轮发动机机匣外的凸起腔上开设有通气孔，用于涡轮发动机运行时冷空气从该通气孔吹入，穿过凸起腔，从采光窗吹出。

进一步的，所述信号采集模块中光路上的分光镜与PD探测器之间依次设置有聚焦透镜、光阑、滤光镜组。

进一步的，额外设置一径向扫描伺服，用于控制信号采集模块沿涡轮叶片径向运动；并且所述信号采集模块中前段反射镜与第二分光镜之间设置有准直调焦透镜，该准直调焦透镜设置于本体腔内并通过设置于本体腔内的调焦伺服驱动。

进一步的，所述信号处理与控制模块包括：前端放大器、高速信号采集卡、主控制器；其中前端放大器接收信号采集模块中各PD探测器采集的光信号；所述高速信号采集卡从外部获取涡轮叶片同步转速信号，并传输给主控制器，主控制器根据涡轮叶片同步转速信号对高速信号采集卡进行采集控制，使高速信号采集卡有控制的对前段放大器获得的光信号进行信号采集。

进一步的，所述本体腔和凸起腔之间的隔离片材料为石英玻璃。

进一步的，所述信号处理与控制模块包括：前端放大器、高速信号采集卡、主控制器、运动伺服控制器；其中前端放大器接收信号采集模块中各PD探测器采集的光信号；所述高速信号采集卡从外部获取涡轮叶片同步转速信号，并传输给主控制器，主控制器根据涡轮叶片同步转速信号对高速信号采集卡进行采集控制，使高速信号采集卡有控制的对前段放大器获得的光信号进行信号采集；主控制器根据光线采集需要传输控制信号给运动伺服控制器，运动伺服控制器实现对信号采集模块中调焦伺服与径向扫描伺服的控制。

参考附图2，为探头内部光路图。一种基于双轴调节的涡轮叶片表面温度测量校准装置，该校准装置包括：信号采集模块、信号处理与控制模块、径向扫描伺服、调焦伺服，所述信号采集模块包括：前端反光镜、第二分光镜、第一分光镜、入射光源、第一PD探测器、第二PD探测器；涡轮叶片表面的辐射光经过前端反光镜的反射，穿过准直调焦透镜到达第二分光镜；第二分光镜将辐射光分为两路，一路由第二PD探测器进行信号采集，另一路到达第一分光镜；第一分光镜将辐射光分为两路，一路由第一PD探测器进行信号采集，另一路到达入射光源处；入射光源进行光线输入，输入光沿光路逆向到达涡轮叶片；所述径向扫描伺服用于控制信号采集模块沿涡轮叶片径向运动；所述调焦伺服驱动准直调焦透镜；所述第一PD探测器和第二PD探测器的探测信号输入信号处理与控制模块；信号处理与控制模块控制径向扫描伺服、调焦伺服使第一PD探测器和第二PD探测器探测到的光强最大，从而完成光路校准。

本发明公开的测温方法针对复杂环境下高速运动的物体表面温度测量具有很好的效果，不仅适用于高温条件工作的涡轮叶片的温度测量，对于其他不规则运动的的物体也同样适用。相比常规的静态温度测量和形状规则物体或其他物质一维温度测量，本发明能完成二维的温度测量。不仅能够实现一维的物体表面的线扫描温度测量，能精确监测物体表面的一个点区域的温度，从由线到面实现一维到二维的测量，且测试尺寸小，对不同区域的温度分布起到很好的测试效果。测试装置配合高速率的采样率设置，1秒采集一千多个温度辐射信息进行取平均处理，温度更加精确。针对超高速转动的涡轮叶片，在样机中模拟设置合适的横向叶片的距离和径向准直透镜的焦距，同时采集叶片转动信息得到运动周期，一个周期测量叶片表面的一个点，进行信号的算法处理，得到该点的温度。重复进行十次，便可以得到叶片十个点区域的温度，多次试验得到整个叶片的表面温度信息。

附图说明

图1是测试方法总体示意图；

图2是探头内部的光路及光路校准示意图；

图3是叶片表面温度测量原理框图；

图4是涡轮叶片示意图；

图5是叶片内部冷空气流动示意图；

图6是发动机运行示意图

图7是测试具体实施图

具体实施方式

本例结合图6，7进行描述。在图6中表示了发动机的运行过程，分为四个部分：进气、加压、燃烧和排气。首先，飞机在运行过程中，由于内外的气压差，外界空气1会经过最外层风扇2被吸入到发动机内，流动到进气装置3，进气装置的内流进气道采用收敛形，使气流在收敛形进气道内作加速流动，改善气流流场的均匀性，以避免气流在进口处突然方向折转，引起气流分离，为压气机稳定工作创造一个好的进气环境。压气机4主要是扇叶结构，叶片对气流做功，使气流的压力，温度升高，为燃烧创造有利条件。随后经过压缩的高压气流传入到燃烧室，与燃油喷嘴5喷出(或者甩油盘甩出)的燃油混合形成油气混合气，点火燃烧，产生的高温气体急剧膨胀，冲击涡轮6上的叶片7，带动多级涡轮叶片转动。装置呈圆筒扩散形，以便燃气在自由涡轮内充分膨胀作功，使燃气热能尽可能多地转化为轴功率，然后将废气高速排除。涡轮叶片连接着主轴8，通过复杂的机械传动为发动机各个部件提供动能。测试过程中的高温探头安装在叶片上方，接受叶片的辐射信息。

参见附图7，高温探头从机腔的上小孔探入，悬挂于叶片的正上方。在探头的最前面的有一块前端反射镜。叶片经过高温燃气的冲击高速转动，温度升高，向外发出辐射光线，经过前端反射镜的进入探测器内部，被不同的探测器感应到。反射镜在一定角度范围内高频作微小相位移动，控制反射镜的角度变化实现对多角度，不同方位的叶片的辐射信号传输。

在高温探头的后端，有一个空气通道。在测试过程中，通过空气通道向探头内部吹入冷空气，对探头的前端反射镜和内壁进行清扫和降温冷却保护。在探头的最后端，分别是光学探测系统、横向、径向伺服控制运动系统。光学探测系统包含三个不同波段的探测器，对不同的波段辐射信号进行探测，实现温度的精确测量。横向、径向采用伺服控制系统，精确控制两个方向的距离，实现毫米级的尺寸的微小变动，使焦点落在叶片表面。

在本发明中，石英窗口主要起到两方面的作用：(1)防止高温燃气进入探头内部，对内部精密光学器件造成污染和损坏。(2)对辐射光有一定的减弱。

在本发明中，在各个PD探测器前加置了光阑，可根据情况调节进光量。

在本发明中，加入了冷空气吹扫功能。涡轮发动机的内部有着烟尘、雾状燃油、高温气体物质等，在使用过程中，这些污染物质就会在高镜头套管内堆积。经过不断的堆积过程，高温计镜头会由于污染物质的覆盖，导致整套系统的光学路径被阻碍。在覆盖后，涡轮叶片发出的红外辐射在经过光学镜头时就会发生衰减。光学镜头的严重沉积污染，会使高温计得出相去甚远的温度值，污染物质的沉积影响在整套系统中可以当作一个滤波器，该滤波器的作用就是对叶片发出的热辐射进行部分吸收，污染的情况越严重，吸收比率就越大。冷空气的加入，在套管内形成由内向外的正压气流，使内部的气体烟尘无法进到探头内部，实现对前端反射镜的清洗，在一定程度上改善了探头的的温度环境。

对叶片不同区域的测量由运动伺服控制器完成。控制调焦伺服给定一定焦距，再控制径向扫描伺服改变径向距离，使得透镜焦点落在叶片的某个地方，此时探测到的辐射信号是连续的，经过光路传递到PD探测器上。之后改变径向距离，让透镜焦点落在叶片的另一个地点，测量该区域的辐射信息。因为叶片是不规则的弧形，单独的调节径向距离是无法满足要求的，需要根据叶片的大小参数、转动相位关系调节透镜的焦距，改变横向的距离，实现整个叶片的温度测量。

相对叶片大小而言，焦点所探测的区域大小可能是叶片大小的百分之一，不可能一次将叶片的不同区域采集到，且叶片作周期性高速转动，更是对于采样率提出很高的要求。故此，依据一个转子上叶片的个数，本专利采取一个周期测试一个点的实施措施，满足采样率的要求，根据叶片转速和叶片个数进行定位测试调节，控制伺服运动控制器。

在叶片的转动轴上，还有相应的位置传感器，用于计算叶片的转速信息。

经过不同PD探测器传递的叶片辐射信息会传输到前端放大器进行放大处理，结合此时位置传感器探测到的叶片同步转速信号被高速数据采集卡进行采集存储，采集到的信号会再传递到主控器，通过算法的分析校正，得到具体温度信息。此温度信息一方面传递给发动机燃油控制器，进行燃油量的控制，通过燃料的供给量改变叶片转速。另一方面，温度信息传递给运动伺服控制器，依据同步转速信号控制焦距和径向距离。