一種航空發動機渦輪葉片溫度監測裝置的制作方法

本發明涉及溫度檢測領域，具體說是一種航空發動機渦輪葉片溫度監測裝置。

背景技術：

目前，市面上有關渦輪葉片溫度測量的產品唯一一款是英國rr公司生產的rotamapii。該設備將探針和移位機構安裝在發動機機匣上，在發動機最大工作狀態下，可編程掃描渦輪轉子葉片表面，獲得每轉每葉片在不同周向與徑向位置的采集數據，以此來測量高溫渦輪葉片表面溫度，并通過計算機做成像分析處理，得到高質量高分辨率的葉片溫度分布彩色圖像輸出。

《航空發動機渦輪轉子葉片表面溫度測量研究》中提到，貴州航空發動機研究所利用輻射測溫系統對葉片葉背排氣邊表面溫度進行測量，測量范圍為650～1100℃，誤差±2℃；《基于labview的比色溫度測量的實現》中提到，哈爾濱工程大學采用紅外輻射測溫技術在某重型艦用燃氣輪機上實現了葉片溫度的測量，測量范圍為800～1400℃，誤差小于7℃。國內的研究單位的并沒有研發出完備的非接觸式航空發動機渦輪葉片溫度測量技術，更沒有相應的商業化產品應用在航空發動機上。

針對航空發動機發展的迫切需求以及發動機渦輪葉片溫度監測儀器的國內外現狀，擬研發高精度可變焦航空發動機渦輪葉片溫度監測儀器，重點解決航空發動機渦輪葉片溫度在線監測中存在的發射率測量困難，燃燒室復雜氣體環境干擾等關鍵科學問題和發動機渦輪葉片形狀復雜、高速旋轉，難以定位，以及高溫下測量等重要技術問題。為我國航空發動機渦輪葉片的研究，包括材料選擇與優化、結構力學、動力學研究等提供第一手資料，進而為突破我國在高性能、高可靠性航空發動機研制中的技術瓶頸提供重要的理論和實驗數據。

技術實現要素：

本發明主要解決的技術問題，就是提出一種用于航空發動機渦輪葉片的溫度監測裝置，解決航空發動機渦輪葉片溫度在線監測中存在的發射率測量困難，燃燒室復雜氣體環境干擾等關鍵科學問題和發動機渦輪葉片形狀復雜、高速旋轉，難以定位，以及高溫下測量等重要技術問題。

解決以上技術問題，本發明采用的一個技術方案是：一種用于航空發動機渦輪葉片溫度監測裝置，該裝置包括：輻射光收集裝置、數據采集處理模塊、主控制器、黑體標定模塊；所述輻射光收集裝置的光路依次為：從渦輪葉片上發出的輻射光經過掃描反射鏡的反射成為主路輻射光，輻射光首先通過準直鏡組進行準直，然后經過分色鏡1分出一條可見近紅外光的支路，該支路通過聚焦鏡1后采用vnir探測器進行探測；主路輻射光再經過分色鏡2分出一條短波紅外光的支路，該支路通過聚焦鏡2后采用swir探測器探測；最后主路輻射光通過聚焦鏡3后采用mwir探測器進行探測；所述黑體標定模塊發出的輻射光通過一反射鏡在用于反射渦輪葉片發出輻射光的掃描反射鏡與準直鏡組之間進入輻射光收集裝置的光路；所述數據采集處理模塊通過vnir探測器、swir探測器、mwir探測器獲得數據并進行分析，得出渦輪葉片表面溫度；所述主控制器控制黑體對該溫度檢測裝置進行標定、準直鏡組的調焦動作。

進一步的，還包括光譜儀和用于swir探測器的濾光片輪，在光纖采集裝置的光路中的準直鏡組與分色鏡1之間設置分束鏡從主光路中分出一支路，該支路通過聚焦鏡4后采用光譜儀進行分析；所述用于swir探測器的濾光片輪包括多個濾光片；根據光譜儀檢測到的渦輪燃燒室中燃氣的光譜信息，控制濾光片輪切換，避開燃氣對swir探測器探測的紅外光線的吸收波段。

進一步的，所述swir探測器和mwir探測器之前分別添加一塊適用于各探測器的濾光片。

進一步的，將所述掃描反射鏡設置于一管道內部，并且管道內設置有掃描反射鏡的一端位于渦輪機匣壁內，另一端位于渦輪機匣壁外；所述管道對應掃描反射鏡的位置開始有通光窗，用于渦輪葉片上的輻射光傳播到掃描反射鏡上；所述管道位于輻射光收集裝置主光路的位置設置窗片，用于主光路通過和密封輻射光收集裝置；所述管道位于渦輪燃燒室外端還設置有一通氣孔，通過向通氣孔持續通入冷氣體保持管道內部和掃描反射鏡的鏡面干凈。

本發明的有益效果在于：

溫度測量和燃氣光譜分析協同工作模式中，兩種功能共用一套光路系統，通過燃氣光譜分析，選擇理想的測溫“窗口”，消除燃氣吸收造成的輻射衰減，提高測溫精度；

探頭的調焦設計及精確調節控制設計，通過準確的控制掃描伺服與調焦伺服，不斷改變光學掃描鏡的方位角，并通過調焦來補償光學準直物鏡工作距離的變化，最大程度獲得葉片表面不同區域點的輻射量，目前輻射測溫儀器均不具有此技術；

多光譜神經網絡測溫算法在原理上消除了背景熱輻射和燃燒產物吸收、散射葉片輻射量對于測溫的影響，極大提高輻射測溫精度。

附圖說明

圖1為本發明一種航空發動機渦輪葉片溫度監測設備模塊示意圖；

圖2為本發明一種航空發動機渦輪葉片溫度監測設備功能示意圖；

圖3為本發明一種航空發動機渦輪葉片溫度監測設備光路示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

本設備的總體功能如圖2所示，從機匣位置深入渦輪葉片附近的光學探針采用耐高溫合金，保證反射鏡的功能性和穩定性，探針的頂部安裝有一面可旋轉的反射鏡，它將渦輪葉片的輻射收集到探頭內的測溫光路中。探頭內的電路將探測器的電子輸出(模擬信號)數字化后傳輸至控制臺的處理器電路已進行數據采集和顯示。反光鏡的旋轉式通過滾珠絲杠，步進電機和行星發電機來實現的。在探頭中加入冷空氣吹掃裝置，防止反射鏡被高溫燃氣中的燃燒顆粒物污染。

下面詳細介紹各主要部分：

由渦輪葉片的測溫范圍(400～1550℃)，根據普朗克黑體輻射定律將測溫波段分為可見-近紅外(vnir：0.4～1μm)、短波紅外(swir：1～3μm)和中波紅外(mwir：3～5μm)三個波段。如圖3的光路結構所示，渦輪葉片發出的熱輻射通過燃燒氣體進入光學探頭，并經過光學掃描反射鏡的折轉，由光學準直物鏡將其準直為平行光，然后由兩個分色鏡將其分成可見-近紅外(vnir)、短波紅外(swir)和中波紅外(mwir)三個寬光譜波段，分別由各自的聚焦鏡片聚焦后，經過濾光片后通過探測器進行測量。

由于在短波紅外波段，燃氣對紅外輻射具有較強的吸收，因此短波紅外波段的測溫光路中含有一個濾光片輪，濾光片輪中包含許多個位于不同燃氣“窗口”內的帶通濾光片，帶通濾光片所對應的中心波長及帶寬，需要避開燃氣的高吸收區。通過切換濾光片輪對位于短波紅外波段內的燃氣“窗口”進行選通。利用采集到的熱輻射數據，結合黑體標定參數對其進行標定，并利用三波段測溫消除背景熱輻射和燃燒球輻射尖峰對于測溫的影響，從而得到渦輪葉片所對應的溫度信息。利用伺服控制模塊對整個葉片的不同區域進行測量，便可以得到葉片表面溫度的分布特征，從而完成對葉片的溫度場進行重構。同時，利用光纖光譜儀采集燃氣在短波紅外強吸收區域內的多光譜數據，根據燃氣的吸收光譜特性進行短波紅外波段濾光片輪的切換，合理地選擇高溫燃氣“窗口”。

為了獲得渦輪葉片整個區域的溫度信息，需要對渦輪葉片上的不同區域進行逐點測量。因此，需要利用光學探頭對渦輪葉片上的各點進行逐點掃描，通過改變掃描反射鏡的擺角，使得準直鏡依次收集渦輪葉片上不同位置點的熱輻射。在利用光學探頭對渦輪葉片上各點進行逐點掃描的過程中，由于渦輪葉片的結構特點，使得渦輪葉片上不同位置的點相對于準直鏡來說具有不同的物距，從而使得探測器上的像點產生離焦，進而影響輻射量的測量精度。因此，光學探頭在對渦輪葉片進行逐點掃描的同時，準直鏡的工作距離需要同時進行實時調整，使渦輪葉片上各點在逐點掃描的過程中始終位于準直鏡的物方焦面上。首先依據葉片的結構參數，計算渦輪葉片表面各點相對于掃描反射鏡所對應的工作距離，一般為80～120mm，使葉片表面各點始終位于準直鏡的物方焦面上，從而得到渦輪葉片表面各點相對于準直鏡所對應的物距調節量，進而構建物調焦量數據庫。在掃描反射鏡所對應的渦輪葉片的初始測量位置，給定該初始位置所對應的物距調節量，對準直鏡進行精密物距調節，使初始位置位于準直鏡的物方焦面上，并測量該位置點的輻射量。

另外，設備帶有黑體輻射標定功能，如圖2所示，標定反射鏡在不使用的時候收縮。在標定時插入切換反射鏡，將光路切換到黑體一側，設置冷、熱黑體的溫度，采集黑體數據。根據環境溫度和渦輪葉片溫度設置冷、熱黑體的溫度。分別采集冷黑體數據和熱黑體數據，由冷黑體數據和熱黑體數據，采用普朗克公式對儀器進行輻射標定，獲得標定參數。然后移出切換反射鏡，將光路切換到渦輪葉片一側，對準渦輪葉片，采集渦輪葉片數據，并利用由冷、熱黑體數據得到的儀器標定參數對渦輪葉片的輻射亮度進行標定，并由普朗克公式得到渦輪葉片的輻射亮度與輻射溫度。