[发明专利]一种同时测量涡轮叶片叶尖温度和应变的方法

说明书

本发明公布了一种同时测量涡轮叶片叶尖温度和应变的方法，属于航空发动机测量技术领域。通过安装在机匣上一个采集辐射信息的光学探头和转轴端部的转速同步传感器测量叶片转速信息和叶尖辐射信息，经过后期数据处理，得到一周期内的叶尖辐射脉冲波形，低电平的辐射值代入黑体炉标定后经两点校准修正的V‑K函数关系求得叶尖温度。叶尖应变通过测量低电平信号周期，计算发生应变后的叶尖长度与原长对比，代入应变测量公式测得。通过一个光学探头采集叶尖辐射信息，充分利用波形周期和幅值信息，实现叶尖应变和温得的同时测量，为实时分析涡轮叶片热载荷提供了切实有力的依据，保证了发动机的正常运转。

技术领域

本发明属于航空发动机测量技术领域，公布了一种针对涡轮叶片叶尖温度和应变同时测量的方法。

背景技术

随着航空发动机推重比的不断增加，涡轮进口温度不断攀升，目前涡轮叶片进口温度最高达到2000～2250K。承受着高温度、高转速、复杂气动激振力和较大离心载荷复合作用的航空发动机涡轮叶片,容易发生断裂故障,从而导致发动机和飞机严重事故。随着低循环疲劳基础试验技术水平的提升,发动机涡轮叶片主要失效模式已由传统的静强度失效转换为高温下的振动疲劳失效,为了确保涡轮叶片工作在正常的工作状态，必须进行涡轮叶片温度及振动应力测量。为此国内外进行了广泛研究。首先，针对涡轮叶片温度测量，传统的接触式测温法需要传感器与被测元件接触，破坏目标表面温度场，且长期处在极端复杂的燃气环境中，传感器极易损坏。在应变测量的现有技术中，遥测或滑环电阻应变仪是应用最广泛的方法，但由于热漂移和仪表附着技术问题，该技术的应用范围被限制在700度左右。而且应变片安装费时费力，工作寿命较短，传感器自身荷重与体积会影响叶片的空气动力学特性等原因，使得该技术的应用受到很大的限制。传统的接触式温度和应变测量方法也都存在引线困难的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是采用光学监测的方法同时监测涡轮叶片叶尖温度及应变，实时分析实际工况下的涡轮叶片的热载荷及振动疲劳状况。测量装置包括一个固定安装在机匣外罩上收集辐射信号的光学探头、安装在转轴端部的转速同步传感器、实现光电传感的制冷型探测器模块，实现电路信号处理的电路放大模块以及后端数据处理模块。采用光学探头深入机匣实时采集辐射信息，经光纤传输至光电传感器转换成电信号并进行后续数据处理，结合转速同步传感器的输出信号，得到涡轮叶片叶尖温度及应变信息。

本发明所要实现的温度测量原理为：采用标准型黑体炉标定黑体辐射电压与温度的对应关系，线上两点标定校准由于距离和发射率带来的变化，修正V-K函数关系，在实际测试时，通过探测器测得叶片辐射电压，代入校准后的V-K函数关系就可得到被测目标实际温度。

本发明所要实现的应变测量原理为：涡轮叶片在高温燃气的冲击下快速旋转，安装在机匣上的光学探头接收来自旋转叶片和高温燃气的热辐射，由于燃气温度比叶片温度高的多，每当被测叶片经过光学探头时，接收光强会发生明显变化，探测器得到一组随时间变化的脉冲波形，根据波形得到每个叶片叶尖通过探头的时间，结合转速同步信号得到的叶片转速和周期，计算出叶尖的长度，与未发生应变的情况下测得的原始叶尖长度一起代入应变计算公式，得到叶尖应变情况。

因而本发明技术方案为：一种同时测量涡轮叶片叶尖温度和应变的方法，该方法包括：

步骤1：线下采用标准型黑体炉标定黑体辐射电压与温度的对应曲线，并对该曲线进行修正；

步骤2：转速同步传感器测量得到转速脉冲波形，计算脉冲周期T；

步骤3：通过光学探头测量运行初期充入燃气后的涡轮叶片尖端辐射电压，得到原始脉冲波形，计算低电平的时间t0,可计算叶尖原宽为R为叶片旋转半径；

步骤4：在发动机实际运行时，通过光学探头实时采集涡轮叶片尖端辐射电压，脉冲波形包括叶尖和燃气的辐射电压V,以及低电平时间t1…tn；

步骤5：步骤4所得到的辐射电压低电平信号代入到步骤1修正后的V-K函数关系，计算出叶尖实际温度K；