航空發(fā)動機渦輪葉片發(fā)射率測量

熊 兵，石小江，陳洪敏，徐鳳花

(中國燃氣渦輪研究院，四川 江油 621703)

1 引言

物體的發(fā)射率表征了該物體表面輻射能力的強弱，任何物體的發(fā)射率都等于它在相同溫度和相同條件下的吸收率。紅外輻射測溫技術(shù)作為渦輪葉片溫度場測量的有效手段，已取得很好的應(yīng)用效果[1]。紅外高溫計測量渦輪轉(zhuǎn)子葉片溫度場采用的是全發(fā)射率，而葉片發(fā)射率作為紅外測溫系統(tǒng)的一個輸入?yún)?shù)，需要先確定，才能在試驗中準確測出葉片的真實溫度。發(fā)射率的測量誤差直接影響紅外高溫計測溫的精度，因此必須準確測量。

2 全輻射測溫與發(fā)射率的關(guān)系

全輻射測溫理論上是測量所有波長的輻射能量，當真實溫度為T的待測物體與溫度為Tb的絕對黑體在整個光譜范圍內(nèi)總的輻射能量相等時，溫度Tb就定義為待測物體的輻射溫度。由普朗克定律可知，絕對黑體在溫度Tb下的全輻射功率Mb為：

式中：λ 為波長；Tb為黑體輻射溫度；c1、c2分別為普朗克第一和第二輻射常數(shù)，c1=3.741833×10-16W·m2，c2=1.438832×10-2m·K；σ 為斯蒂芬-玻爾茨曼常數(shù)，且 σ=5.67×10-8W·m-2·K-4。

同樣，可得到灰體的輻射功率M為：

式中：ε為被測物體的發(fā)射率。

根據(jù)輻射溫度的定義可得：

故被測物體的溫度為：

由此可見，被測物體的發(fā)射率直接影響到被測物體真實溫度的測量，而發(fā)射率與物體材料、表面狀態(tài)、溫度、波長等因素有關(guān)，故必須準確測量。

3 發(fā)射率測量方法

根據(jù)不同的測試原理，發(fā)射率測量方法通常可分為量熱法、反射率法及輻射能量法[2]。下面針對輻射能量法中的幾種方法進行簡要介紹。

3.1 熱電偶比對法

根據(jù)發(fā)射率的定義[3]，在相同溫度條件下比較黑體和灰體的輻射功率，即可得到灰體的發(fā)射率：

按照等間隔設(shè)置多個溫度參考點，先在標準黑體爐上測出各個設(shè)定參考溫度下的輻射功率；然后在高溫爐內(nèi)用熱電偶測出物體表面在設(shè)定參考溫度下的真實溫度，同時測出對應(yīng)的輻射功率。如果高溫爐是精度較高的閉環(huán)控制且內(nèi)部溫度均勻，則可認為設(shè)定溫度與真實溫度相等；否則，通過擬合計算得到多個真實溫度與對應(yīng)溫度下的輻射功率間的函數(shù)關(guān)系，通過該函數(shù)關(guān)系式反算出設(shè)定溫度下的輻射功率，利用公式(5)計算出被測物體的發(fā)射率。

3.2 人工黑體比對法

在葉片表面某處涂上已知發(fā)射率的涂料(如黑漆，查表可得發(fā)射率為0.93)或黑體材料，先用輻射溫度計測量出涂料處的溫度，然后在相同溫度狀態(tài)下再測出沒有涂料處或把涂料去掉后的溫度，調(diào)整發(fā)射率使前后兩者的測量溫度值一致，此時的發(fā)射率即為目標發(fā)射率。

實際上，人工黑體比對法與熱電偶比對法測量發(fā)射率的原理相同，均采用與固定發(fā)射率物體做比對的方法，只是人工黑體法采用的不是黑體發(fā)射率“1”，而是一個小于1的定值。

3.3 其它方法

另外，還有一些很難應(yīng)用于實際葉片發(fā)射率測量的方法，如：雙參考體法、雙溫度法、雙背景法等。

4 測量方案及實施步驟

采用熱電偶比對法對渦輪葉片表面發(fā)射率進行測量，具體技術(shù)細節(jié)為：

(1)如圖1所示，將黑體爐作為標準輻射源，將輻射高溫計探針安裝在測量支架上。探針對準黑體爐爐口中心，距爐口邊沿20 mm，距靶點90 mm，以便探針反光鏡能沿爐管觀測到位于黑體爐中心的靶點。 設(shè)定溫度 T0分別為 600℃、650℃、700℃、750℃和800℃，每個溫度點下記錄5遍輻射值，取平均值作為設(shè)定溫度下對應(yīng)的黑體輻射值Mb。

(2)按照圖2所示連接各儀器設(shè)備[4]。由于不是閉環(huán)控制，控溫儀控制坩堝電阻爐的溫度誤差較大，在±3℃以內(nèi)，故將熱工檢定儀顯示的鎧裝熱電偶溫度值作為測量發(fā)射率的實際溫度值。安裝時，測溫儀探頭的反射鏡盡量對準鎧裝熱電偶附近區(qū)域，探頭距被測物表面90 mm為佳。

公開報道稱，杜偉民是吳湞的江西老鄉(xiāng)，早年是江西省衛(wèi)生防疫站檢驗科一名檢驗員，1993年，他與曾在河南開封龍亭區(qū)衛(wèi)生防疫站擔(dān)任副站長的韓剛君下海，進軍疫苗行業(yè)。

圖1 黑體輻射值測量示意圖Fig.1 Sketch of black-body radiation measurement

圖2 發(fā)射率測量示意圖Fig.2 Sketch of emissivity measurement

(3)設(shè)定控溫儀的溫度，分別為600℃、650℃、700℃、750℃和800℃，對坩堝電阻爐進行加熱。當熱工檢定儀顯示的溫度值穩(wěn)定在控溫儀設(shè)定值誤差允許范圍內(nèi)時，連續(xù)記錄5遍輻射值，以5遍的平均值作為當前輻射平均值M0，同時記錄當前熱電偶的溫度值。

(4)根據(jù)5個記錄點的電偶實際溫度T和對應(yīng)溫度下測量的輻射平均值M0，采用4次方最小二乘法擬合計算出設(shè)定溫度 600℃、650℃、700℃、750℃和800℃下的實際輻射值M。

(5)根據(jù)公式(5)求出發(fā)射率ε。

5 試驗數(shù)據(jù)分析

輻射高溫計ROTAMAP II測量時需要預(yù)先輸入一個固定的發(fā)射率值，然后測出被測物的溫度。在數(shù)據(jù)后處理時，可根據(jù)被測物的實際溫度重新輸入實際溫度下對應(yīng)的發(fā)射率值，再計算出實際的溫度場。對發(fā)射率測量得出的試驗數(shù)據(jù)進行初步計算，可得到表1所示數(shù)據(jù)。

表1 試驗數(shù)據(jù)Table 1 Test data

對表1得到的發(fā)射率值進行如下計算分析。

(1)發(fā)射率平均值

(2)殘差

以發(fā)射率平均值0.914作為紅外測溫系統(tǒng)發(fā)射率的輸入值，根據(jù)公式(6)計算不同設(shè)定溫度下發(fā)射率所引起的溫度百分比誤差，如表2所示。從表中可以看出，發(fā)射率所引起的溫度誤差在±1.0%以內(nèi)。

表2 百分比誤差Table 2 Temperature error percentage

根據(jù)公式(6)得到公式(7)，可計算出不同溫度Ti下選擇不同發(fā)射率εj時所引起的溫度誤差ΔTij，計算結(jié)果如表3所示。

式中：εi為當前溫度Ti對應(yīng)的發(fā)射率，εj為發(fā)射率測量中不同設(shè)定溫度Tj對應(yīng)的發(fā)射率及其發(fā)射率平均值。

表3 溫度誤差Table 3 Temperature error

以上誤差分析表明，選擇發(fā)射率0.914作為預(yù)輸入值所引起的誤差相對較小，在測量溫度600～800℃范圍內(nèi)，溫度誤差幾乎都在測試系統(tǒng)標稱精度±6℃以內(nèi)。選擇一個固定發(fā)射率作為紅外測溫的輸入系數(shù)，在不同真實溫度下引起的誤差不等。為了做到準確測量，試驗后要根據(jù)實際溫度值進行發(fā)射率修正，修正方法參考公式(7)，修正數(shù)據(jù)參考表3。

6 結(jié)束語

由全輻射測溫誤差計算公式可以看出，全輻射溫度的誤差主要來自發(fā)射率的影響。由于物體發(fā)射率跟物體材料、形狀、表面狀態(tài)、溫度、波長、氧化程度、顏色、厚度等有關(guān)，所以必須選擇真實待測物體進行發(fā)射率測量，并且最好是試驗前后各進行一次發(fā)射率測量來進行溫度測量修正。對輻射測溫試驗數(shù)據(jù)的修正，需根據(jù)不同溫度下的發(fā)射率來進行；對于復(fù)雜型面試驗件，需對不同幾何位置的發(fā)射率進行測量，并進行試驗數(shù)據(jù)修正。

[1]Douglas J.High Speed Turbine Blade Pyrometry in Extreme Environments[C]//.Measurement Methods in Rotating Components of Turbomachinery：Proc. Joint Fluids Engineering Gas Turbine Conf.and Products Show.New Orleans，USA，1980.

[2]任 衛(wèi).紅外陶瓷 [M].武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1999.

[3]李吉林.光電、紅外、比色溫度計原理及檢定[M].北京：中國計量出版社，1990.

[4]熊 兵，侯敏杰，陳洪敏，等.輻射測溫技術(shù)在渦輪葉片溫度場中的應(yīng)用[J].燃氣渦輪試驗與研究，2008，21(3)：50—54.