[发明专利]一种基于涡轮叶片成像的径向应变监测装置

说明书

本发明提供一种基于涡轮叶片成像的径向应变监测装置，涉及航空发动机涡轮转子叶片应力测量领域。探针的冷气吹扫装置的设计使冷气能够吹扫探针及反射镜面，确保了反射镜在高温下仍能保持低温状态，实现在高温下成像的功能。通过电机驱动伸缩式探针在叶片径向扫描，实现叶片的快速成像，而叶片转速传感器与电机驱动的定位传感器同时作用可以定位到叶片的具体位置。当扫描位置处于非叶片区域时，能够识别该区域为非叶片位置，从而实现叶片尺寸的计算。根据叶片在常温与高温下的尺寸变化的精确监测，实现叶片径向应变的实时监测。

技术领域

本发明涉及航空发动机涡轮转子叶片应力测量领域，设计一种高转速叶片成像装置及方法。

背景技术

涡轮转子叶片是航空发动机的关键部件，其工作环境十分苛刻，处于高温高压状态，且超高转速导致的离心载荷也严重影响着叶片的结构。在航空发动机工作时，如何实时监测叶片承受的热与离心载荷导致的叶片蠕变，评估叶片的工作状态，成为了限制涡轮叶片研制关键问题。

现有涡测量涡轮转子叶片表面应变的技术分为接触式与非接触式两种，接触式的方法为应变片测量法，应变片式测量方法通过将应变片或薄膜式应变片贴在叶片表面，随着高温叶片受热膨胀，应变片随之机械性地伸缩，其电阻发生改变，根据电阻的变化测得叶片的应变值。传统的方式是把贴在叶片表面的应变片信号通过引线沿着叶轮表面接入到引电器中，再进行后续信号记录与处理。现在采用遥测技术通过无线调制器将电信号调制发射出来，安装在叶片附近的天线加以接收。这种方法测量精度较高，但只能实现叶片表面点的测量，且存在引线困难、影响叶片表面结构、响应速度较慢以及受干扰大等问题，并不能准确地反映转子涡轮叶片的形变状况。

目前研究的非接触式测涡轮叶片应变方法皆是间接式的测量方法，无直接成像观察的技术。研究较多的测量方法为叶尖定时测量法，叶尖定时测量是通过测量每个叶片到达定时传感器的时间，将测得的叶尖定时数据转化为振动位移，通过相应的辨识算法可以得到叶片振动的频率、幅值、模式等参数，该方法需要通过转速同步传感器生成每一圈的定时参考，转速同步信号同时也用来进行转速的测量。该方法只能通过间接公式推导叶片形变情况，受建立的计算模型误差影响较大，尚无法实现准确的测量。

发明内容

本发明针对背景技术的不足之处提供一种用于测量航空发动机涡轮转子叶片上应变的装置。其包括用于采集叶片表面光学信号的光学成像系统，连接到CCD图像处理器，经图像处理后区分叶片与发动机背景区域图像，从而实现实时观测叶片结构变化情况。

本发明技术方案为一种基于涡轮叶片成像的径向应变监测装置，该装置包括：探针、驱动装置、CCD相机、安装法兰板、叶片转速传感器、成像及处理系统；所述安装法兰板用于将该应变监测装置安装于发动机外壁上；所述驱动装置驱动探针伸向涡轮叶片，探针顶部开口通过光路将涡轮叶片的光信号传播给CCD相机，CCD相机采集光信号传输给成像及处理系统；所述叶片转速传感器采集涡轮叶片的转速数据，并将该数据传输给成像及处理系统；

所述探针包括：外形为管状的外壳和设置于外壳内的光路组件；所述外壳分为两段：头段和尾段，头段位于发动机外部，尾段的一部分位于发动机内部，尾段上设置冷气入口，且冷气入口位于发动机外部；所述尾段末端开设有面朝发动机涡轮叶片的窗口；所述尾段内部设置一金属套筒，金属套筒一端开口成喇叭状，喇叭状边缘与探针外壳的头段内壁密封连接；所述光路组件包括：反射镜、保护窗片、聚焦镜M1、光阑、聚焦镜M2；所述反射镜位于外壳尾段末端的内部，45°角对着尾段末端开设的窗口，保护窗片位于金属套筒的末端，用于隔绝金属套筒内部空间和外壳尾段的内部空间；所述聚焦镜M1、聚焦镜M2位于金属套筒内部；所述孔径光阑位于金属套筒喇叭状开口边缘与外壳头段的链接位置，所述光阑、聚焦镜M2位于外壳头部的内部，所述涡轮叶片的光信号经过反射镜反射后，依次通过保护窗片、聚焦镜M1、光阑、聚焦镜M2；所述涡轮叶片的光信号经过聚焦镜M2后被CCD相机接收。