[发明专利]应用于旋转涡轮直叶片前缘的表面图像展平方法及其应用

说明书

一种应用于旋转涡轮直叶片前缘的表面图像展平方法及其应用，包括：选取一待测涡轮直叶片，在其前缘面上设计出等间距分布的标记点结构，通过3D打印加工制作出该涡轮直叶片，用于后续开展的旋转实验；实验中将待测涡轮直叶片放入封闭的涡轮实验段中并保持匀速旋转，固定在涡轮实验段外的相机以某一固定频率透过涡轮实验段上的观测窗口对待测涡轮直叶片的前缘面进行拍摄并保存为灰度图像；基于标记点的图像展平法将涡轮直叶片前缘面灰度图像的待测区域进行展平。本发明解决了现有技术中获得旋转状态下的涡轮直叶片前缘表面展平图像的难题，具有结构简单，设计和加工方便，展开效果好的特点，可应用于各种涡轮直叶片前缘面的图像展开处理。

技术领域

本发明属于变曲率表面图像处理领域技术领域，具体来说，一种应用于旋转涡轮直叶片前缘的表面图像展平方法。

背景技术

燃气涡轮发动机是一种基于布雷顿循环的热动力装置，依靠其强大的输出功率和高热效率已广泛应用于现代军事和工业。经验表明，在发动机尺寸不变的前提下，涡轮进口温度每提高56K，燃气轮机的推力可增加8-13％，循环效率可提高2-4％。目前先进航空发动机的涡轮前温度已经超过2000K，而涡轮叶片材料的耐温极限却远小于涡轮进口温度，因此必须采用高效冷却技术以保证其正常工作。涡轮叶片前缘受到高温高速主流直接冲击，是叶片对流换热强度最高的区域。因此，前缘区域是涡轮叶片上冷却设计重难点区域，高效冷却技术对于降低前缘温度和保证涡轮叶片正常工作十分重要。

气膜冷却技术是涡轮叶片前缘重要冷却方式之一。气膜冷却的实现为通过在涡轮叶片表面开设离散的孔，将冷却工质从涡轮叶片内部引出到外壁面上。在主流的作用下，冷却工质被压制于叶片表面上形成气膜，起到将壁面与高温主流燃气隔开，同时带走壁面热量的作用。

涡轮叶片前缘表面一般为弯曲表面，且曲率变化较大，因此实验拍摄图像中的涡轮叶片表面即为弯曲表面，同时相机拍摄还会存在画面畸变，因此在实验结束后的数据处理环节，需要将图像中的弯曲表面展平成为矩形平面，方便进行后续的数据分析。

当前围绕静止条件下涡轮叶片前缘实验，已经有较为成熟的图像展平处理方法。实验通常会用到参考叶片和实验叶片两种叶片。参考叶片表面紧密贴附有网格纸(网格纸表面画有多条直线形成均匀分布的矩形网格)，利用相机获取参考叶片表面图像，图像处理程序首先将叶片表面图像的像素点转换为正交坐标坐标点，其中也包括网格节点所在像素点，在已知平面状态下矩形网格的几何关系的条件下，就可以通过移动像素点将图像中扭曲的网格重新展平为矩形网格，最后记录网格展平过程中每个像素点在正交坐标系下的位移信息。实验叶片与参考叶片的几何结构完全一致，其表面没有网格纸，在保证相机和叶片位置相同的条件下(即保证叶片在拍摄图像的位置不变)，在已知图像展平的像素点位移信息的情况下即可通过程序将弯曲的叶片表面图像直接转换为展平的叶片表面图像。根据上面描述的处理过程可知，这种方法仅适用于叶片在相机视场中固定不动的情况，此时依据参考叶片的网格编写的展平程序对实验叶片才具有参考价值。

目前，国内外围绕气膜冷却的研究主要集中于静止平板和静止叶栅风洞展开。考虑旋转效应并在旋转状态下开展的气膜冷却研究较少，这主要是受实验条件和测试技术的限制。在旋转实验中，为了不破坏涡轮流场结构，通常采用锁向拍摄技术从涡轮外部获得旋转叶片表面的图像。锁向拍摄技术即利用固定在旋转端和静止端的感光元件，使得每个旋转周的固定位置可以激发出信号脉冲，控制相机进行拍摄，进而保证每次相机拍摄的时候，目标实验叶片均会出现在相机视场中的固定位置。然而，这种拍摄方法受感光误差和信号激发与传递的延迟的影响，会造成所获取的叶片表面图像在相机视场中存在一定范围内的摆动情况。所以，如果采用如静止叶栅实验中的网格纸图像展平方法，则实验图像与参考图像无法重合，也就无法利用参考叶片获得的像素点位移信息编写实验图像展平程序。基于此，需要对旋转条件下拍摄的每张叶片表面图像进行图像展平处理，这就需要研究一种新的方法，可以保证程序对每个图像进行识别和展平。

综上可知，如何设计一种应用于旋转条件下涡轮直叶片前缘表面图像展平的方法，并且具备操作简单、多张照片重复性好的特性，是本领域亟待解决的问题。

发明内容