一种航空发动机涡轮叶片温度监测装置的制作方法

本发明涉及温度检测领域，具体说是一种航空发动机涡轮叶片温度监测装置。

背景技术：

目前，市面上有关涡轮叶片温度测量的产品唯一一款是英国rr公司生产的rotamapii。该设备将探针和移位机构安装在发动机机匣上，在发动机最大工作状态下，可编程扫描涡轮转子叶片表面，获得每转每叶片在不同周向与径向位置的采集数据，以此来测量高温涡轮叶片表面温度，并通过计算机做成像分析处理，得到高质量高分辨率的叶片温度分布彩色图像输出。

《航空发动机涡轮转子叶片表面温度测量研究》中提到，贵州航空发动机研究所利用辐射测温系统对叶片叶背排气边表面温度进行测量，测量范围为650～1100℃，误差±2℃；《基于labview的比色温度测量的实现》中提到，哈尔滨工程大学采用红外辐射测温技术在某重型舰用燃气轮机上实现了叶片温度的测量，测量范围为800～1400℃，误差小于7℃。国内的研究单位的并没有研发出完备的非接触式航空发动机涡轮叶片温度测量技术，更没有相应的商业化产品应用在航空发动机上。

针对航空发动机发展的迫切需求以及发动机涡轮叶片温度监测仪器的国内外现状，拟研发高精度可变焦航空发动机涡轮叶片温度监测仪器，重点解决航空发动机涡轮叶片温度在线监测中存在的发射率测量困难，燃烧室复杂气体环境干扰等关键科学问题和发动机涡轮叶片形状复杂、高速旋转，难以定位，以及高温下测量等重要技术问题。为我国航空发动机涡轮叶片的研究，包括材料选择与优化、结构力学、动力学研究等提供第一手资料，进而为突破我国在高性能、高可靠性航空发动机研制中的技术瓶颈提供重要的理论和实验数据。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题，就是提出一种用于航空发动机涡轮叶片的温度监测装置，解决航空发动机涡轮叶片温度在线监测中存在的发射率测量困难，燃烧室复杂气体环境干扰等关键科学问题和发动机涡轮叶片形状复杂、高速旋转，难以定位，以及高温下测量等重要技术问题。

解决以上技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种用于航空发动机涡轮叶片温度监测装置，该装置包括：辐射光收集装置、数据采集处理模块、主控制器、黑体标定模块；所述辐射光收集装置的光路依次为：从涡轮叶片上发出的辐射光经过扫描反射镜的反射成为主路辐射光，辐射光首先通过准直镜组进行准直，然后经过分色镜1分出一条可见近红外光的支路，该支路通过聚焦镜1后采用vnir探测器进行探测；主路辐射光再经过分色镜2分出一条短波红外光的支路，该支路通过聚焦镜2后采用swir探测器探测；最后主路辐射光通过聚焦镜3后采用mwir探测器进行探测；所述黑体标定模块发出的辐射光通过一反射镜在用于反射涡轮叶片发出辐射光的扫描反射镜与准直镜组之间进入辐射光收集装置的光路；所述数据采集处理模块通过vnir探测器、swir探测器、mwir探测器获得数据并进行分析，得出涡轮叶片表面温度；所述主控制器控制黑体对该温度检测装置进行标定、准直镜组的调焦动作。

进一步的，还包括光谱仪和用于swir探测器的滤光片轮，在光纤采集装置的光路中的准直镜组与分色镜1之间设置分束镜从主光路中分出一支路，该支路通过聚焦镜4后采用光谱仪进行分析；所述用于swir探测器的滤光片轮包括多个滤光片；根据光谱仪检测到的涡轮燃烧室中燃气的光谱信息，控制滤光片轮切换，避开燃气对swir探测器探测的红外光线的吸收波段。

进一步的，所述swir探测器和mwir探测器之前分别添加一块适用于各探测器的滤光片。

进一步的，将所述扫描反射镜设置于一管道内部，并且管道内设置有扫描反射镜的一端位于涡轮机匣壁内，另一端位于涡轮机匣壁外；所述管道对应扫描反射镜的位置开始有通光窗，用于涡轮叶片上的辐射光传播到扫描反射镜上；所述管道位于辐射光收集装置主光路的位置设置窗片，用于主光路通过和密封辐射光收集装置；所述管道位于涡轮燃烧室外端还设置有一通气孔，通过向通气孔持续通入冷气体保持管道内部和扫描反射镜的镜面干净。

本发明的有益效果在于：

温度测量和燃气光谱分析协同工作模式中，两种功能共用一套光路系统，通过燃气光谱分析，选择理想的测温“窗口”，消除燃气吸收造成的辐射衰减，提高测温精度；

探头的调焦设计及精确调节控制设计，通过准确的控制扫描伺服与调焦伺服，不断改变光学扫描镜的方位角，并通过调焦来补偿光学准直物镜工作距离的变化，最大程度获得叶片表面不同区域点的辐射量，目前辐射测温仪器均不具有此技术；

多光谱神经网络测温算法在原理上消除了背景热辐射和燃烧产物吸收、散射叶片辐射量对于测温的影响，极大提高辐射测温精度。

附图说明

图1为本发明一种航空发动机涡轮叶片温度监测设备模块示意图；

图2为本发明一种航空发动机涡轮叶片温度监测设备功能示意图；

图3为本发明一种航空发动机涡轮叶片温度监测设备光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本设备的总体功能如图2所示，从机匣位置深入涡轮叶片附近的光学探针采用耐高温合金，保证反射镜的功能性和稳定性，探针的顶部安装有一面可旋转的反射镜，它将涡轮叶片的辐射收集到探头内的测温光路中。探头内的电路将探测器的电子输出(模拟信号)数字化后传输至控制台的处理器电路已进行数据采集和显示。反光镜的旋转式通过滚珠丝杠，步进电机和行星发电机来实现的。在探头中加入冷空气吹扫装置，防止反射镜被高温燃气中的燃烧颗粒物污染。

下面详细介绍各主要部分：

由涡轮叶片的测温范围(400～1550℃)，根据普朗克黑体辐射定律将测温波段分为可见-近红外(vnir：0.4～1μm)、短波红外(swir：1～3μm)和中波红外(mwir：3～5μm)三个波段。如图3的光路结构所示，涡轮叶片发出的热辐射通过燃烧气体进入光学探头，并经过光学扫描反射镜的折转，由光学准直物镜将其准直为平行光，然后由两个分色镜将其分成可见-近红外(vnir)、短波红外(swir)和中波红外(mwir)三个宽光谱波段，分别由各自的聚焦镜片聚焦后，经过滤光片后通过探测器进行测量。

由于在短波红外波段，燃气对红外辐射具有较强的吸收，因此短波红外波段的测温光路中含有一个滤光片轮，滤光片轮中包含许多个位于不同燃气“窗口”内的带通滤光片，带通滤光片所对应的中心波长及带宽，需要避开燃气的高吸收区。通过切换滤光片轮对位于短波红外波段内的燃气“窗口”进行选通。利用采集到的热辐射数据，结合黑体标定参数对其进行标定，并利用三波段测温消除背景热辐射和燃烧球辐射尖峰对于测温的影响，从而得到涡轮叶片所对应的温度信息。利用伺服控制模块对整个叶片的不同区域进行测量，便可以得到叶片表面温度的分布特征，从而完成对叶片的温度场进行重构。同时，利用光纤光谱仪采集燃气在短波红外强吸收区域内的多光谱数据，根据燃气的吸收光谱特性进行短波红外波段滤光片轮的切换，合理地选择高温燃气“窗口”。

为了获得涡轮叶片整个区域的温度信息，需要对涡轮叶片上的不同区域进行逐点测量。因此，需要利用光学探头对涡轮叶片上的各点进行逐点扫描，通过改变扫描反射镜的摆角，使得准直镜依次收集涡轮叶片上不同位置点的热辐射。在利用光学探头对涡轮叶片上各点进行逐点扫描的过程中，由于涡轮叶片的结构特点，使得涡轮叶片上不同位置的点相对于准直镜来说具有不同的物距，从而使得探测器上的像点产生离焦，进而影响辐射量的测量精度。因此，光学探头在对涡轮叶片进行逐点扫描的同时，准直镜的工作距离需要同时进行实时调整，使涡轮叶片上各点在逐点扫描的过程中始终位于准直镜的物方焦面上。首先依据叶片的结构参数，计算涡轮叶片表面各点相对于扫描反射镜所对应的工作距离，一般为80～120mm，使叶片表面各点始终位于准直镜的物方焦面上，从而得到涡轮叶片表面各点相对于准直镜所对应的物距调节量，进而构建物调焦量数据库。在扫描反射镜所对应的涡轮叶片的初始测量位置，给定该初始位置所对应的物距调节量，对准直镜进行精密物距调节，使初始位置位于准直镜的物方焦面上，并测量该位置点的辐射量。

另外，设备带有黑体辐射标定功能，如图2所示，标定反射镜在不使用的时候收缩。在标定时插入切换反射镜，将光路切换到黑体一侧，设置冷、热黑体的温度，采集黑体数据。根据环境温度和涡轮叶片温度设置冷、热黑体的温度。分别采集冷黑体数据和热黑体数据，由冷黑体数据和热黑体数据，采用普朗克公式对仪器进行辐射标定，获得标定参数。然后移出切换反射镜，将光路切换到涡轮叶片一侧，对准涡轮叶片，采集涡轮叶片数据，并利用由冷、热黑体数据得到的仪器标定参数对涡轮叶片的辐射亮度进行标定，并由普朗克公式得到涡轮叶片的辐射亮度与辐射温度。