本發(fā)明屬于航空航天領(lǐng)域，涉及一種航空發(fā)動機的內(nèi)部溫度測量方法。

背景技術(shù)：

航空渦輪發(fā)動機作為現(xiàn)代飛機的動力來源，是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機械，具有高溫高壓的特性。它的正常運作直接關(guān)系著飛機的是否能正常飛行。近年來隨著發(fā)動機向高推重比、高涵道比、高渦輪進(jìn)口溫度方向發(fā)展，航空發(fā)動機的動力要求越來越大，發(fā)動機熱端部件的工作溫度越來越高。而渦輪葉片作為發(fā)動機的主要部件，在高溫燃?xì)獾臎_擊下高速旋轉(zhuǎn)，除了要承受變化巨大的多種應(yīng)力，還要受到熱腐蝕和高溫氧化等作用，其工作環(huán)境最為惡劣，很容易因為溫度超過材料的臨界溫度，在蠕變和疲勞交互的作用下沿晶界開裂，使葉片材料的特性改變，影響整個發(fā)動機的穩(wěn)定工作。渦輪葉片如果在發(fā)動機工作進(jìn)行時出現(xiàn)故障，將會出現(xiàn)很嚴(yán)重的后果。因此，如何探測和預(yù)防溫度達(dá)到葉片的臨界溫度，在飛機的運行過程中需要對葉片溫度進(jìn)行實時監(jiān)測和控制具有非常重要的意義。

渦輪葉片的溫度的精準(zhǔn)監(jiān)測一直是航空航天領(lǐng)域的一個難點，需要考慮葉片復(fù)雜的工作的環(huán)境，自生的運動狀態(tài)和工況。準(zhǔn)確的測量渦輪葉片的溫度對發(fā)動機的工作狀態(tài)監(jiān)測與故障分析具有重要的意義。

葉片溫度的測量可以分為接觸式和非接觸式兩種方式。接觸式測溫技術(shù)有薄膜熱電偶，示溫漆，熒光測溫，液晶測溫、晶體測溫等，其技術(shù)特點都是在被測量金屬表面放置測溫介質(zhì)，從而達(dá)到測溫的目的。但由于其對測試物體的溫度場有一定影響且響應(yīng)速度相比非接觸慢，在渦輪葉片這樣高要求的測試環(huán)境中容易受到燃?xì)馕廴?，耐久性差，故此不適用于渦輪葉片的溫度測量。對于非接觸式溫度測量技術(shù)，主流的為紅外輻射測溫，這也是本專利采用的方法，它正好彌補了非接觸式溫度測量的缺點，能快速測量溫度的變化趨勢，同時測量目標(biāo)區(qū)域可以很小，在保證精度的條件下，是渦輪發(fā)動機葉片溫度的良好選擇。

渦輪發(fā)動機的葉片設(shè)計上大都采用了先進(jìn)的復(fù)合傾斜、端壁斜率和曲率控制等技術(shù)，這使的葉片的結(jié)構(gòu)是一個不規(guī)則的弧形，且一個轉(zhuǎn)子上的葉片數(shù)目大約有70～90片，葉片與葉片之間間隙小，在高速轉(zhuǎn)動的條件下，通過探頭對葉片區(qū)域的輻射強度進(jìn)行捕捉和準(zhǔn)確測量是很困難的。

為了對葉片進(jìn)行保護(hù)，防止葉片被高溫燃?xì)飧g，延長葉片的使用壽命，通常需要在葉片上噴涂熱障涂層(TEC涂層)或使用冷卻技術(shù)。如圖4，5所示，在渦輪葉片表面會有許多與外界相通的小氣孔，分布在葉片各個區(qū)域，通過外界通入冷空氣對葉片表面進(jìn)行一定程度的降溫處理。常用的冷卻方式可以分為兩大類：內(nèi)部冷卻和外部冷卻。內(nèi)冷主要是使冷氣在葉片內(nèi)部通過強化換熱的冷卻通道并從內(nèi)部帶走熱量，主要包括射流沖擊冷卻、柱肋冷卻等方法。外部冷卻通常指氣膜冷卻，使冷氣穿過小孔或者冷氣縫流出，形成冷氣薄膜，隔絕高溫降低葉片表面溫度和熱負(fù)荷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服對于渦輪葉片溫度動態(tài)測量的難點，提出了一種雙軸伺服調(diào)節(jié)的測量方法，通過改變橫向與徑向的距離，達(dá)到準(zhǔn)確測量葉片區(qū)域的表面溫度。

參見附圖1，本發(fā)明技術(shù)方案為一種基于雙軸調(diào)節(jié)的渦輪葉片表面溫度測量裝置，該裝置包括：信號采集模塊、信號處理與控制模塊，所述信號采集模塊包括：前端反光鏡、第二分光鏡、第一分光鏡、第一PD探測器、第二PD探測器、第三PD探測器；渦輪葉片表面的輻射光經(jīng)過前端反光鏡的反射，到達(dá)第二分光鏡；第二分光鏡將輻射光分為兩路，一路由第三PD探測器進(jìn)行信號采集，另一路到達(dá)第一分光鏡；第一分光鏡將輻射光分為兩路，一路由第二PD探測器進(jìn)行信號采集，另一路由第一PD探測器進(jìn)行信號采集；將第一、二、三PD探測器采集的光信號傳輸給信號處理與控制模塊進(jìn)行溫度計算。

進(jìn)一步的，所述信號采集模塊設(shè)置于帶保護(hù)殼的腔體內(nèi)，該腔體包括本體腔和凸起腔，凸起腔末端設(shè)置前段反射鏡，信號采集模塊中除前段反射鏡外的其余部件設(shè)置于本體腔內(nèi)；所述本體腔設(shè)置于渦輪發(fā)動機機匣外部，凸起腔穿過渦輪發(fā)動機機匣壁伸入機匣內(nèi)部；凸起腔末端面正對渦輪葉片處開設(shè)有采光窗，用于渦輪葉片的光線穿過該采光窗照射到前端反射鏡；所述本體腔和凸起腔之間設(shè)置有透光的隔離片，用于隔絕兩個腔體；所述凸起腔一部分位于渦輪發(fā)動機機匣內(nèi)，一部分位于渦輪發(fā)動機機匣外，位于渦輪發(fā)動機機匣外的凸起腔上開設(shè)有通氣孔，用于渦輪發(fā)動機運行時冷空氣從該通氣孔吹入，穿過凸起腔，從采光窗吹出。

進(jìn)一步的，所述信號采集模塊中光路上的分光鏡與PD探測器之間依次設(shè)置有聚焦透鏡、光闌、濾光鏡組。

進(jìn)一步的，額外設(shè)置一徑向掃描伺服，用于控制信號采集模塊沿渦輪葉片徑向運動；并且所述信號采集模塊中前段反射鏡與第二分光鏡之間設(shè)置有準(zhǔn)直調(diào)焦透鏡，該準(zhǔn)直調(diào)焦透鏡設(shè)置于本體腔內(nèi)并通過設(shè)置于本體腔內(nèi)的調(diào)焦伺服驅(qū)動。

進(jìn)一步的，所述信號處理與控制模塊包括：前端放大器、高速信號采集卡、主控制器；其中前端放大器接收信號采集模塊中各PD探測器采集的光信號；所述高速信號采集卡從外部獲取渦輪葉片同步轉(zhuǎn)速信號，并傳輸給主控制器，主控制器根據(jù)渦輪葉片同步轉(zhuǎn)速信號對高速信號采集卡進(jìn)行采集控制，使高速信號采集卡有控制的對前段放大器獲得的光信號進(jìn)行信號采集。

進(jìn)一步的，所述本體腔和凸起腔之間的隔離片材料為石英玻璃。

進(jìn)一步的，所述信號處理與控制模塊包括：前端放大器、高速信號采集卡、主控制器、運動伺服控制器；其中前端放大器接收信號采集模塊中各PD探測器采集的光信號；所述高速信號采集卡從外部獲取渦輪葉片同步轉(zhuǎn)速信號，并傳輸給主控制器，主控制器根據(jù)渦輪葉片同步轉(zhuǎn)速信號對高速信號采集卡進(jìn)行采集控制，使高速信號采集卡有控制的對前段放大器獲得的光信號進(jìn)行信號采集；主控制器根據(jù)光線采集需要傳輸控制信號給運動伺服控制器，運動伺服控制器實現(xiàn)對信號采集模塊中調(diào)焦伺服與徑向掃描伺服的控制。

參考附圖2，為探頭內(nèi)部光路圖。一種基于雙軸調(diào)節(jié)的渦輪葉片表面溫度測量校準(zhǔn)裝置，該校準(zhǔn)裝置包括：信號采集模塊、信號處理與控制模塊、徑向掃描伺服、調(diào)焦伺服，所述信號采集模塊包括：前端反光鏡、第二分光鏡、第一分光鏡、入射光源、第一PD探測器、第二PD探測器；渦輪葉片表面的輻射光經(jīng)過前端反光鏡的反射，穿過準(zhǔn)直調(diào)焦透鏡到達(dá)第二分光鏡；第二分光鏡將輻射光分為兩路，一路由第二PD探測器進(jìn)行信號采集，另一路到達(dá)第一分光鏡；第一分光鏡將輻射光分為兩路，一路由第一PD探測器進(jìn)行信號采集，另一路到達(dá)入射光源處；入射光源進(jìn)行光線輸入，輸入光沿光路逆向到達(dá)渦輪葉片；所述徑向掃描伺服用于控制信號采集模塊沿渦輪葉片徑向運動；所述調(diào)焦伺服驅(qū)動準(zhǔn)直調(diào)焦透鏡；所述第一PD探測器和第二PD探測器的探測信號輸入信號處理與控制模塊；信號處理與控制模塊控制徑向掃描伺服、調(diào)焦伺服使第一PD探測器和第二PD探測器探測到的光強最大，從而完成光路校準(zhǔn)。

本發(fā)明公開的測溫方法針對復(fù)雜環(huán)境下高速運動的物體表面溫度測量具有很好的效果，不僅適用于高溫條件工作的渦輪葉片的溫度測量，對于其他不規(guī)則運動的的物體也同樣適用。相比常規(guī)的靜態(tài)溫度測量和形狀規(guī)則物體或其他物質(zhì)一維溫度測量，本發(fā)明能完成二維的溫度測量。不僅能夠?qū)崿F(xiàn)一維的物體表面的線掃描溫度測量，能精確監(jiān)測物體表面的一個點區(qū)域的溫度，從由線到面實現(xiàn)一維到二維的測量，且測試尺寸小，對不同區(qū)域的溫度分布起到很好的測試效果。測試裝置配合高速率的采樣率設(shè)置，1秒采集一千多個溫度輻射信息進(jìn)行取平均處理，溫度更加精確。針對超高速轉(zhuǎn)動的渦輪葉片，在樣機中模擬設(shè)置合適的橫向葉片的距離和徑向準(zhǔn)直透鏡的焦距，同時采集葉片轉(zhuǎn)動信息得到運動周期，一個周期測量葉片表面的一個點，進(jìn)行信號的算法處理，得到該點的溫度。重復(fù)進(jìn)行十次，便可以得到葉片十個點區(qū)域的溫度，多次試驗得到整個葉片的表面溫度信息。

附圖說明

圖1是測試方法總體示意圖；

圖2是探頭內(nèi)部的光路及光路校準(zhǔn)示意圖；

圖3是葉片表面溫度測量原理框圖；

圖4是渦輪葉片示意圖；

圖5是葉片內(nèi)部冷空氣流動示意圖；

圖6是發(fā)動機運行示意圖

圖7是測試具體實施圖

具體實施方式

本例結(jié)合圖6，7進(jìn)行描述。在圖6中表示了發(fā)動機的運行過程，分為四個部分：進(jìn)氣、加壓、燃燒和排氣。首先，飛機在運行過程中，由于內(nèi)外的氣壓差，外界空氣1會經(jīng)過最外層風(fēng)扇2被吸入到發(fā)動機內(nèi)，流動到進(jìn)氣裝置3，進(jìn)氣裝置的內(nèi)流進(jìn)氣道采用收斂形，使氣流在收斂形進(jìn)氣道內(nèi)作加速流動，改善氣流流場的均勻性，以避免氣流在進(jìn)口處突然方向折轉(zhuǎn)，引起氣流分離，為壓氣機穩(wěn)定工作創(chuàng)造一個好的進(jìn)氣環(huán)境。壓氣機4主要是扇葉結(jié)構(gòu)，葉片對氣流做功，使氣流的壓力，溫度升高，為燃燒創(chuàng)造有利條件。隨后經(jīng)過壓縮的高壓氣流傳入到燃燒室，與燃油噴嘴5噴出(或者甩油盤甩出)的燃油混合形成油氣混合氣，點火燃燒，產(chǎn)生的高溫氣體急劇膨脹，沖擊渦輪6上的葉片7，帶動多級渦輪葉片轉(zhuǎn)動。裝置呈圓筒擴散形，以便燃?xì)庠谧杂蓽u輪內(nèi)充分膨脹作功，使燃?xì)鉄崮鼙M可能多地轉(zhuǎn)化為軸功率，然后將廢氣高速排除。渦輪葉片連接著主軸8，通過復(fù)雜的機械傳動為發(fā)動機各個部件提供動能。測試過程中的高溫探頭安裝在葉片上方，接受葉片的輻射信息。

參見附圖7，高溫探頭從機腔的上小孔探入，懸掛于葉片的正上方。在探頭的最前面的有一塊前端反射鏡。葉片經(jīng)過高溫燃?xì)獾臎_擊高速轉(zhuǎn)動，溫度升高，向外發(fā)出輻射光線，經(jīng)過前端反射鏡的進(jìn)入探測器內(nèi)部，被不同的探測器感應(yīng)到。反射鏡在一定角度范圍內(nèi)高頻作微小相位移動，控制反射鏡的角度變化實現(xiàn)對多角度，不同方位的葉片的輻射信號傳輸。

在高溫探頭的后端，有一個空氣通道。在測試過程中，通過空氣通道向探頭內(nèi)部吹入冷空氣，對探頭的前端反射鏡和內(nèi)壁進(jìn)行清掃和降溫冷卻保護(hù)。在探頭的最后端，分別是光學(xué)探測系統(tǒng)、橫向、徑向伺服控制運動系統(tǒng)。光學(xué)探測系統(tǒng)包含三個不同波段的探測器，對不同的波段輻射信號進(jìn)行探測，實現(xiàn)溫度的精確測量。橫向、徑向采用伺服控制系統(tǒng)，精確控制兩個方向的距離，實現(xiàn)毫米級的尺寸的微小變動，使焦點落在葉片表面。

在本發(fā)明中，石英窗口主要起到兩方面的作用：(1)防止高溫燃?xì)膺M(jìn)入探頭內(nèi)部，對內(nèi)部精密光學(xué)器件造成污染和損壞。(2)對輻射光有一定的減弱。

在本發(fā)明中，在各個PD探測器前加置了光闌，可根據(jù)情況調(diào)節(jié)進(jìn)光量。

在本發(fā)明中，加入了冷空氣吹掃功能。渦輪發(fā)動機的內(nèi)部有著煙塵、霧狀燃油、高溫氣體物質(zhì)等，在使用過程中，這些污染物質(zhì)就會在高鏡頭套管內(nèi)堆積。經(jīng)過不斷的堆積過程，高溫計鏡頭會由于污染物質(zhì)的覆蓋，導(dǎo)致整套系統(tǒng)的光學(xué)路徑被阻礙。在覆蓋后，渦輪葉片發(fā)出的紅外輻射在經(jīng)過光學(xué)鏡頭時就會發(fā)生衰減。光學(xué)鏡頭的嚴(yán)重沉積污染，會使高溫計得出相去甚遠(yuǎn)的溫度值，污染物質(zhì)的沉積影響在整套系統(tǒng)中可以當(dāng)作一個濾波器，該濾波器的作用就是對葉片發(fā)出的熱輻射進(jìn)行部分吸收，污染的情況越嚴(yán)重，吸收比率就越大。冷空氣的加入，在套管內(nèi)形成由內(nèi)向外的正壓氣流，使內(nèi)部的氣體煙塵無法進(jìn)到探頭內(nèi)部，實現(xiàn)對前端反射鏡的清洗，在一定程度上改善了探頭的的溫度環(huán)境。

對葉片不同區(qū)域的測量由運動伺服控制器完成。控制調(diào)焦伺服給定一定焦距，再控制徑向掃描伺服改變徑向距離，使得透鏡焦點落在葉片的某個地方，此時探測到的輻射信號是連續(xù)的，經(jīng)過光路傳遞到PD探測器上。之后改變徑向距離，讓透鏡焦點落在葉片的另一個地點，測量該區(qū)域的輻射信息。因為葉片是不規(guī)則的弧形，單獨的調(diào)節(jié)徑向距離是無法滿足要求的，需要根據(jù)葉片的大小參數(shù)、轉(zhuǎn)動相位關(guān)系調(diào)節(jié)透鏡的焦距，改變橫向的距離，實現(xiàn)整個葉片的溫度測量。

相對葉片大小而言，焦點所探測的區(qū)域大小可能是葉片大小的百分之一，不可能一次將葉片的不同區(qū)域采集到，且葉片作周期性高速轉(zhuǎn)動，更是對于采樣率提出很高的要求。故此，依據(jù)一個轉(zhuǎn)子上葉片的個數(shù)，本專利采取一個周期測試一個點的實施措施，滿足采樣率的要求，根據(jù)葉片轉(zhuǎn)速和葉片個數(shù)進(jìn)行定位測試調(diào)節(jié)，控制伺服運動控制器。

在葉片的轉(zhuǎn)動軸上，還有相應(yīng)的位置傳感器，用于計算葉片的轉(zhuǎn)速信息。

經(jīng)過不同PD探測器傳遞的葉片輻射信息會傳輸?shù)角岸朔糯笃鬟M(jìn)行放大處理，結(jié)合此時位置傳感器探測到的葉片同步轉(zhuǎn)速信號被高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集存儲，采集到的信號會再傳遞到主控器，通過算法的分析校正，得到具體溫度信息。此溫度信息一方面?zhèn)鬟f給發(fā)動機燃油控制器，進(jìn)行燃油量的控制，通過燃料的供給量改變?nèi)~片轉(zhuǎn)速。另一方面，溫度信息傳遞給運動伺服控制器，依據(jù)同步轉(zhuǎn)速信號控制焦距和徑向距離。