一種航空發動機尾氣粒子流場監測方法
【專利摘要】一種航空發動機尾氣粒子流場監測方法。其包括建立航空發動機尾氣粒子流場監測系統；利用航空發動機尾氣粒子流場監測系統獲得航空發動機尾氣粒子的靜態三維空間坐標值；利用尾氣粒子的靜態三維空間坐標值獲得尾氣粒子的三維流場分布模型；建立尾氣粒子的三維流場分布模型與航空發動機運行狀態間的對應關系，從而獲得包括航空發動機燃料的燃燒程度、發動機老化、零部件故障在內的相關信息等步驟。本發明方法能夠實現對尾氣粒子的三維流場測量，對尾氣中碳煙粒子的形態、空間分布、顆粒速度進行實時監測，建立其與航空發動機故障類型的對應關系，提前預知航空發動機的安全隱患，提供故障的早期預警信息，保障飛行安全，降低發動機維護成本。
【專利說明】
一種航空發動機尾氣粒子流場監測方法
技術領域
[0001]本發明屬于航空發動機狀態監測與故障診斷技術領域，特別是涉及一種航空發動機尾氣粒子流場監測方法。
【背景技術】
[0002]隨著我國民航運輸業的迅速發展，飛機航行安全問題受到越來越多的關注。據有關資料統計，作為飛機的最核心部件，航空發動機故障在飛機飛行故障中占有相當大的比例，在我國近十年的飛行事故中，由航空發動機導致的故障占機械和機務故障的60 %以上，且常常因航空發動機的故障而導致飛行中出現安全事故。因此，加強對航空發動機運行狀態的監控，尤其是在飛行時的實時在線監測對飛機的飛行運輸安全有著至關重要的作用，并且可以提前預知航空發動機的安全隱患，提供故障的早期預警信息，降低航空發動機的維護成本。
[0003]航空發動機尾氣粒子一般由航空發動機中未完全燃燒的碳顆粒以及發動機內部零配件因碰撞、摩擦、燒蝕、材料丟失等故障產生的粒子組成。傳統的航空發動機尾氣監測常采用離線采樣法，這種方法需要將航空發動機固定在一個恒定的運行條件下，對其尾氣進行一定時間的采樣，其缺點是所采用的系統結構復雜、技術難度高、測量時間長、分析儀器功能單一、測試費用昂貴，因此一般只適用于試驗階段。隨著檢測技術的不斷發展，一系列先進的非接觸、可視化、高精度的無損檢測技術相繼出現。例如被動式傅里葉變換紅外光譜(FTIR)遙感技術，可對輻射源的絕對光譜能量分布和氣體濃度進行遙感測量，但無法對尾氣實現實時監測；發動機氣路靜電監測技術可用于監測外來物和尾氣中的帶電顆粒，氣路中帶電顆粒產生的原因通常包括磨損、燒蝕、材料剝落以及燃油噴嘴堵塞，因此能夠提供故障早期信息，以用于判斷氣路性能異常或故障，但該方法需要將靜電感應傳感器探極置于發動機氣路中，而氣路管道的直徑很大，探極采集到的只是管道中一個個離散點的信息，而無法對管道的截面信息進行監測，因此測量參數不全面；近年來興起的電容層析成像(ECT)技術，通過測量物場邊界電容信息重建測量截面上的物質分布情況，由于氣路中顆粒與空氣的相對介電常數有差異，理論上可通過ECT技術對內部物質分布進行成像，并提取特征參數，但是仍無法直觀地獲取發動機尾氣中顆粒物的分布情況與顆粒大小。
[0004]通過監測航空發動機尾氣是監控其運行狀態的有效途徑，可在一定程度上反映航空發動機的工作狀態及老化程度，這對航空發動機故障的提前預警有著極其重要的研究意義。但目前尚缺少有效的方法。
【發明內容】
[0005]為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種航空發動機尾氣粒子流場監測方法。
[0006]為了達到上述目的，本發明提供的航空發動機尾氣粒子流場監測方法包括按順序進行的下列步驟:
[0007]I)建立航空發動機尾氣粒子流場監測系統；
[0008]2)利用上述航空發動機尾氣粒子流場監測系統獲得航空發動機尾氣粒子的靜態三維空間坐標值；
[0009]3)利用上述尾氣粒子的靜態三維空間坐標值獲得尾氣粒子的三維流場分布模型；
[0010]4)建立尾氣粒子的三維流場分布模型與航空發動機運行狀態間的對應關系，從而獲得包括航空發動機燃料的燃燒程度、發動機老化、零部件故障在內的相關信息。
[0011]在步驟I)中，所述的系統包括:高能脈沖激光發射器、同步頻閃控制裝置、兩臺高速攝像機、消光裝置、圖像處理裝置、調焦系統和傳輸光纖;其中消光裝置設置在航空發動機尾氣區的一端外部，調焦系統設置在航空發動機尾氣區的另一端外部，通過傳輸光纖與高能脈沖激光發射器相連，并且高能脈沖激光發射器、調焦系統和消光裝置沿同一條直線設置;兩臺高速攝像機對稱設置在航空發動機尾氣區的兩側，并與調焦系統的中心線成一定夾角，且航空發動機尾氣區位于高速攝像機的成像范圍內；同步頻閃控制裝置同時與高能脈沖激光發射器和兩臺高速攝像機相連，而圖像處理裝置則同時與兩臺高速攝像機相接。
[0012]所述的調焦系統采用透鏡調焦望遠鏡。
[0013]在步驟2)中，所述的利用外極線約束外極角三維散斑網格單元匹配方法解算出每一幅熾化散斑圖像中尾氣粒子的靜態三維空間坐標值的具體方法如下:
[0014]根據步驟I)獲得的航空發動機尾氣粒子流場監測系統中左右兩臺高速攝像機同一時刻采集的圖像，利用外極線約束法確定出兩成像基站中左像面散斑特征點即尾氣粒子的像點及右像面對應的約束外極線;然后對左右像面進行適當大小的網格劃分，利用基于灰度匹配算法對左像面散斑特征點所在網格與右像面外極線附近的網格進行搜索匹配計算，在右像面匹配出相似性最高的網格，從而確定出散斑特征塊即尾氣粒子的三維空間位置;重復上述匹配過程，可以確定出當前時刻空間各熾化散斑特征點即尾氣粒子的靜態三維空間坐標。
[0015]在步驟3)中，所述的利用上述尾氣粒子的靜態三維空間坐標值獲得尾氣粒子的三維流場分布模型的方法是:利用步驟2)獲得的tl、t2時刻的尾氣粒子的靜態三維空間坐標值，通過空間相關算法建立對應于tl、t2時刻的兩幅熾化散斑圖像內相同尾氣粒子的匹配關系，從而得到尾氣粒子的速度矢量，進而解算出尾氣粒子的三維流場分布模型。
[0016]在步驟4)中，所述的建立尾氣粒子的三維流場分布模型與航空發動機運行狀態間的對應關系，從而獲得包括航空發動機燃料的燃燒程度、發動機老化、零部件故障在內的相關信息的方法是:按照步驟2)—步驟3)的方法對不同運行狀態的航空發動機尾氣粒子進行監測，包括正常運行的航空發動機以及由于長時間使用而老化的航空發動機或由于內部故障而導致報廢的航空發動機，由此建立起尾氣粒子的三維流場分布模型與航空發動機運行狀態間的對應關系，從而獲得包括航空發動機燃料的燃燒程度、發動機老化、零部件故障在內的相關信息。
[0017]本發明提供的航空發動機尾氣粒子流場監測方法能夠實現對尾氣粒子的三維流場測量，對尾氣中碳煙粒子的形態、空間分布、顆粒速度進行實時監測，建立其與航空發動機故障類型的對應關系，提前預知航空發動機的安全隱患，提供故障的早期預警信息，保障飛行安全，降低發動機維護成本。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明提供的航空發動機尾氣粒子流場監測方法所采用的系統結構示意圖。
[0019]圖2為本發明提供的航空發動機尾氣粒子流場監測方法流程圖。
[0020]圖3為散斑特征像點的外極線約束示意圖。
[0021]圖4(a)和圖4(b)分別為圖3中左右像面的網格匹配示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和具體實施例對本發明提供的航空發動機尾氣粒子流場監測方法進行詳細說明。
[0023]如圖1、2所示，本發明提供的航空發動機尾氣粒子流場監測方法包括按順序進行的下列步驟:
[0024]I)建立航空發動機尾氣粒子流場監測系統；
[0025]所述的系統包括:高能脈沖激光發射器1、同步頻閃控制裝置2、兩臺高速攝像機3、消光裝置7、圖像處理裝置8、調焦系統10和傳輸光纖11;其中消光裝置7設置在航空發動機尾氣區5的一端外部，調焦系統10設置在航空發動機尾氣區5的另一端外部，通過傳輸光纖11與高能脈沖激光發射器I相連，并且高能脈沖激光發射器1、調焦系統10和消光裝置7沿同一條直線設置;兩臺高速攝像機3對稱設置在航空發動機尾氣區5的兩側，并與調焦系統10的中心線成一定夾角，且航空發動機尾氣區5位于高速攝像機3的成像范圍內；同步頻閃控制裝置2同時與高能脈沖激光發射器I和兩臺高速攝像機3相連，而圖像處理裝置8則同時與兩臺高速攝像機3相接。
[0026]所述的調焦系統10采用透鏡調焦望遠鏡。
[0027]2)利用上述航空發動機尾氣粒子流場監測系統獲得航空發動機尾氣粒子的靜態三維空間坐標值；
[0028]在同步頻閃控制裝置2的控制下，高能脈沖激光發射器I和兩臺高速攝像機3同時觸發，其中高能脈沖激光發射器1發出波長為106211111、頻率為1001(取、脈沖能量大于1.01^的脈沖激光束，然后由傳輸光纖11傳輸給調焦系統10，之后由調焦系統10對上述脈沖激光束進行聚焦增強，增強后的脈沖激光束6穿過航空發動機尾氣區5后被消光裝置7吸收;在此過程中，位于激光束聚焦區內的尾氣粒子受激后溫度會急劇升高至2500K以上，在高能激光束照射結束后，受激尾氣粒子的溫度會迅速降至環境溫度，在降溫過程中其將發出白熾光，由此形成三維熾化散斑區4。與此同時，兩臺高速攝像機3同時連續采集三維熾化散斑區4的多幅熾化散斑圖像，并將上述圖像傳送給圖像處理裝置8;圖像處理裝置8利用外極線約束外極角三維散斑網格單元匹配方法解算出每一幅熾化散斑圖像中尾氣粒子的靜態三維空間坐標值；
[0029]利用外極線約束外極角三維散斑網格單元匹配方法解算出每一幅熾化散斑圖像中尾氣粒子的靜態三維空間坐標值的具體方法如下:
[0030]首先利用外極線約束法對左右兩臺高速攝像機3同一時刻采集的圖像進行兩成像基站散斑特征像點的外極線約束，如圖3所示，其中0L、Or為左右兩臺高速攝像機3的光心點，1、II分別為左右像面，M為散斑特征點(即尾氣粒子)，P為干涉點，右像面II上的直線m’m”為左像面I上點m的外極線，左像面I上m點的匹配點約束在右像面II直線m’m”上。然后按照適當尺寸對左右像面1、11進行網格劃分和網格匹配搜索，如圖4所示，左像面I上網格m的匹配區域一定約束在右像面II直線m’m”的網格上，根據灰度區域相關算法(如NCC算法等)將左像面I的散斑網格m與右像面II上直線m’m”附近的網格進行搜索匹配計算，剔除干涉網格P’，找出相似性最高的m’網格，從而確定出散斑特征塊M(即尾氣粒子)的三維空間位置。重復上述匹配過程，可以確定出當前時刻空間各熾化散斑特征點(即尾氣粒子)的靜態三維空間坐標。
[0031]為了能夠準確采集熾化散斑圖像，需設定合理的高速攝像機3曝光時間:黑體輻射現象產生的白熾光信號時長與微粒粒徑大小有關，通常航空發動機正常工作狀態下燃燒產生的碳顆粒粒徑在5_7nm和20-30nm兩個區間之間，因碰撞、摩擦、燒蝕、材料丟失等故障原因而產生的顆粒粒徑不小于40μπι，因此白熾光信號持續期為十納秒到一微秒之間，因而高速攝像機3的曝光時間可設定為I Ons。
[0032]另外，為使脈沖激光束發射和熾化散斑圖像采集能夠恰當有序地完成，本系統采用同步頻閃控制裝置2來保證高能脈沖激光發射器I與高速攝像機3能同時觸發。
[0033]3)利用上述尾氣粒子的靜態三維空間坐標值獲得尾氣粒子的三維流場分布模型；
[0034]利用步驟2)獲得的tl、t2時刻的尾氣粒子的靜態三維空間坐標值，通過空間相關算法建立對應于tl、t2時刻的兩幅熾化散斑圖像內相同尾氣粒子的匹配關系，從而得到尾氣粒子的速度矢量，進而解算出尾氣粒子的三維流場分布模型。
[0035]4)建立尾氣粒子的三維流場分布模型與航空發動機運行狀態間的對應關系，從而獲得包括航空發動機燃料的燃燒程度、發動機老化、零部件故障在內的相關信息；
[0036]按照步驟2)—步驟3)的方法對不同運行狀態的航空發動機尾氣粒子進行監測，包括正常運行的航空發動機以及由于長時間使用而老化的航空發動機或由于內部故障而導致報廢的航空發動機，由此建立起尾氣粒子的三維流場分布模型與航空發動機運行狀態間的對應關系，從而獲得包括航空發動機燃料的燃燒程度、發動機老化、零部件故障在內的相關信息，因此能夠達到通過監測航空發動機尾氣區5來實時監控航空發動機運行狀態的目的。
[0037]以上結合附圖對本發明的【具體實施方式】作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發明的范圍，本發明的保護范圍由隨附的權利要求書限定，任何在本發明權利要求基礎上的改動都是本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種航空發動機尾氣粒子流場監測方法，其特征在于:所述的航空發動機尾氣粒子流場監測方法包括按順序進行的下列步驟: 1)建立航空發動機尾氣粒子流場監測系統； 2)利用上述航空發動機尾氣粒子流場監測系統獲得航空發動機尾氣粒子的靜態三維空間坐標值； 3)利用上述尾氣粒子的靜態三維空間坐標值獲得尾氣粒子的三維流場分布模型； 4)建立尾氣粒子的三維流場分布模型與航空發動機運行狀態間的對應關系，從而獲得包括航空發動機燃料的燃燒程度、發動機老化、零部件故障在內的相關信息。2.根據權利要求1所述的航空發動機尾氣粒子流場監測方法，其特征在于:在步驟I)中，所述的系統包括:高能脈沖激光發射器(I)、同步頻閃控制裝置(2)、兩臺高速攝像機(3)、消光裝置(7)、圖像處理裝置(8)、調焦系統(10)和傳輸光纖(11);其中消光裝置(7)設置在航空發動機尾氣區(5)的一端外部，調焦系統(10)設置在航空發動機尾氣區(5)的另一端外部，通過傳輸光纖(11)與高能脈沖激光發射器(I)相連，并且高能脈沖激光發射器(1)、調焦系統(10)和消光裝置(7)沿同一條直線設置;兩臺高速攝像機(3)對稱設置在航空發動機尾氣區(5)的兩側，并與調焦系統(10)的中心線成一定夾角，且航空發動機尾氣區(5)位于高速攝像機(3)的成像范圍內；同步頻閃控制裝置(2)同時與高能脈沖激光發射器(I)和兩臺高速攝像機(3)相連，而圖像處理裝置(8)則同時與兩臺高速攝像機(3)相接。3.根據權利要求2所述的航空發動機尾氣粒子流場監測方法，其特征在于:所述的調焦系統(10)采用透鏡調焦望遠鏡。4.根據權利要求1或2所述的航空發動機尾氣粒子流場監測方法，其特征在于:在步驟2)中，所述的利用外極線約束外極角三維散斑網格單元匹配方法解算出每一幅熾化散斑圖像中尾氣粒子的靜態三維空間坐標值的具體方法如下: 根據步驟I)獲得的航空發動機尾氣粒子流場監測系統中左右兩臺高速攝像機(3)同一時刻采集的圖像，利用外極線約束法確定出兩成像基站中左像面散斑特征點即尾氣粒子的像點及右像面對應的約束外極線;然后對左右像面進行適當大小的網格劃分，利用基于灰度匹配算法對左像面散斑特征點所在網格與右像面外極線附近的網格進行搜索匹配計算，在右像面匹配出相似性最高的網格，從而確定出散斑特征塊即尾氣粒子的三維空間位置；重復上述匹配過程，可以確定出當前時刻空間各熾化散斑特征點即尾氣粒子的靜態三維空間坐標。5.根據權利要求1所述的航空發動機尾氣粒子流場監測方法，其特征在于:在步驟3)中，所述的利用上述尾氣粒子的靜態三維空間坐標值獲得尾氣粒子的三維流場分布模型的方法是:利用步驟2)獲得的tl、t2時刻的尾氣粒子的靜態三維空間坐標值，通過空間相關算法建立對應于tl、t2時刻的兩幅熾化散斑圖像內相同尾氣粒子的匹配關系，從而得到尾氣粒子的速度矢量，進而解算出尾氣粒子的三維流場分布模型。6.根據權利要求1所述的航空發動機尾氣粒子流場監測方法，其特征在于:在步驟4)中，所述的建立尾氣粒子的三維流場分布模型與航空發動機運行狀態間的對應關系，從而獲得包括航空發動機燃料的燃燒程度、發動機老化、零部件故障在內的相關信息的方法是:按照步驟2)—步驟3)的方法對不同運行狀態的航空發動機尾氣粒子進行監測，包括正常運行的航空發動機以及由于長時間使用而老化的航空發動機或由于內部故障而導致報廢的航空發動機，由此建立起尾氣粒子的三維流場分布模型與航空發動機運行狀態間的對應關系，從而獲得包括航空發動機燃料的燃燒程度、發動機老化、零部件故障在內的相關信息。
【文檔編號】G01M10/00GK105954002SQ201610283170
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月28日
【發明人】吳軍, 于之靖, 王志軍, 諸葛晶昌
【申請人】中國民航大學