[发明专利]一种气膜孔分布位置参数的表征与计算方法及装置

说明书

本发明涉及一种气膜孔分布位置参数的表征与计算方法，包括：采集气膜孔的图像序列；对图像序列中的每幅图像进行处理，获取气膜孔的三维点云；根据形态特征的不同，将三维点云分割为孔壁点云及孔口局部表面点云；依据空间圆柱面或空间圆锥面对孔壁点云进行最小二乘拟合，得到孔轴线方程；依据空间二次曲面对孔口局部表面点云进行最小二乘拟合，得到孔口二次曲面方程；根据孔轴线方程及孔口二次曲面方程，计算气膜孔的分布位置参数。本发明还涉及一种气膜孔分布位置参数的表征与计算装置。该气膜孔分布位置参数的表征与计算方法及装置的目的是解决目前气膜孔分布位置参数的定义与检测难度大的问题。

技术领域

本发明涉及涡轮叶片气膜孔检测技术领域，具体涉及一种气膜孔分布位置参数的表征与计算方法及装置。

背景技术

在航空领域中，发动机是飞机推进系统的核心与关键组成部分，作为一种高速旋转的热力机械，它能够将燃料的化学能转变为热能，进而转化为机械能，从而为飞机提供飞行所需的推动力。近年来，随着全新航空航天时代的到来，航空发动机日益向着具有更高性能的方向发展，导致涡轮前燃气温度进一步提高，例如，推重比为10的航空发动机的涡轮前燃气温度已经达到了1940K，甚至已经超过了涡轮叶片材料的耐温极限，这就使得直接与高温高压燃气相接触并且处于燃气流包围之中的涡轮叶片等零部件的工作环境非常恶劣。

因此，为了确保涡轮叶片这类热端零部件能够安全、可靠且长寿命地工作，必须采取一定的技术手段对其进行连续不断的冷却和降温。目前，气膜冷却技术是此类热端零部件的主要冷却方式，其原理是在叶片表面开设一定数量的孔径小、角度各异、分布位置复杂且与叶片内腔相通的气膜孔，并将冷却气体经由叶片内部的冷却通道而从这些孔中喷射出来，而后在主流燃气与叶片表面粘性力的共同作用下，冷却气体将覆盖叶片表面而形成一层冷却气膜包覆，从而保护叶片免遭高温高压燃气流的破坏。

气膜冷却技术的关键在于气膜孔的设计与布局，其冷却效果与气膜孔的孔径、分布位置和轴线角度等形位参数息息相关。目前，分布于涡轮叶片上的气膜孔，位置精度要求高，数量通常为几十到几百个，而且孔径非常小，大多处于Φ0.3～Φ1.5mm之间，而深径比则为1～3。根据发动机内的气流方向，气膜孔通常沿着叶身方向呈线性排列，其在空间中的分布位置直接决定了冷却气膜的横向覆盖宽度和纵向覆盖长度，因而要实现优良的气膜包覆效果，必须对气膜孔的实际成型位置实施监控，而这也成为气膜孔加工与检测过程中的关键技术之一。

一般说来，对于气膜孔位置度的质量控制与要求主要体现在：气膜孔在叶身表面(相对于叶片坐标原点)的几何位置、孔间距，位置度公差一般为在目前的设计和验收技术要求中，对于气膜孔的几何位置和孔间距规定的比较具体，而对于气膜孔的空间角度没有具体规定。然而，国内外关于气膜孔几何结构对气膜冷却特性影响的研究成果表明：气膜孔的位置、形状和射流的角度都是影响气膜冷却性能的重要参数。

然而，气膜孔大多分布于涡轮叶片表面上，而叶片表面是依据流体力学原理设计出的三维自由曲面，形状复杂且难于测量。同时，气膜孔的轴线与基准形成不同的空间角度，且孔口与叶身型面相贯而形成一条不规则的空间封闭曲线，通过这条曲线实现对气膜孔分布位置的检测存在着诸多需要攻克的技术难题，目前尚无有效且可靠的解决方法。当前，在国内的航空发动机研制和生产单位，对于加工完成的气膜孔分布位置的表征没有明确定义，其检测基本采用目视比较法，用孔位标准叶片目视比较测量叶片气膜孔的位置度，类似于用表面粗糙度比较样块来目视测量零件的表面粗糙度。另外，也有研究人员采用量棒与万能工具显微镜组合、量棒与三坐标测量机组合等多种方法进行测量试验，虽然取得一定经验，但在工程化应用上仍不能满足气膜孔的设计要求及科研生产需要。

因此，发明人提供了一种气膜孔分布位置参数的表征与计算方法及装置。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种气膜孔分布位置参数的表征与计算方法及装置，解决了目前气膜孔分布位置参数的定义与检测难度大的技术问题。

(2)技术方案