航空發(fā)動機表面發(fā)射率測量技術研究

馬春武，劉忠奎，薛秀生，張 興，張志學，張玉新

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽 110015）

0 引言

航空發(fā)動機的表面溫度和放熱率是飛機和發(fā)動機協(xié)調(diào)的重要參數(shù)，高溫發(fā)動機部件與飛機機體之間的輻射換熱嚴重地影響著飛機的結構與強度設計。為了保障飛行安全，提高可靠性和耐久性，確保發(fā)動機和飛機的相容性，飛機承包商必須確定單位時間內(nèi)發(fā)動機傳向發(fā)動機艙內(nèi)的總熱量（放熱率），并開展發(fā)動機艙的冷卻設計工作，控制發(fā)動機（含附件）的表面溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)。

由于測試發(fā)動機放熱率的核心問題就是如何在發(fā)動機運行過程中獲得發(fā)動機的表面發(fā)射率（表面黑度）。因此,本文開展了航空發(fā)動機表面發(fā)射率測試技術研究。

1 發(fā)射率理論基礎

發(fā)射率又稱黑度（ε），是物體表面的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之比，是輻射測溫中的1個重要參數(shù)[1]。自然界一切物體的輻射力均小于同溫度下黑體的輻射力，其比值小于1，表明接近黑體的程度。黑度（ε）與物體表面的材料、粗糙程度及溫度有關。常溫下非金屬材料的黑度較高，不決定于表面顏色，混凝土、紅磚與淺色磚的黑度為0.85～0.95，一般隨溫度開高而減小，至500℃降為0.75～0.90。金屬材料的黑度比非金屬材料的低，受表面光潔度的影響較大，常溫下表面磨光的銅與鋁的黑度為0.02～0.05，表面無光澤的銅與鋁為0.2～0.3，相差數(shù)倍，為此，急需一些測量技術和手段在線測量發(fā)動機表面的發(fā)射率。

2 測量需求

國外航空發(fā)動機通用規(guī)范對航空發(fā)動機的表面溫度和放熱特性均有明確規(guī)定。我國航空渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機通用規(guī)范中規(guī)定：發(fā)動機工作時的最大表面溫度和放熱率應在型號規(guī)范中進行說明。表面溫度沿長度的變化如圖1所示。發(fā)動機表面發(fā)射率分析和計算基礎如圖2所示。在圖1和圖2上應按規(guī)定的狀態(tài)表示放熱和表面溫度數(shù)據(jù)。給出的放熱和表面溫度分析數(shù)據(jù)要在與初始飛行前規(guī)定試驗持久試車發(fā)動機零件目錄和結構相同的發(fā)動機上予以驗證，測取發(fā)動機的表面放熱和冷卻要求的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括發(fā)動機各附件及各部位的冷卻要求、放熱率和對應的表面溫度。

圖1 發(fā)動機表面溫度沿長度的變化

圖2 發(fā)動機熱輻射率分析和計算基礎

由于發(fā)動機艙的氣流流動相對較弱，發(fā)動機的放熱率主要由機匣外表面的輻射放熱構成，即確定發(fā)動機的放熱率主要就是確定發(fā)動機外表面的輻射放熱率。根據(jù)輻射傳熱理論，發(fā)動機表面的輻射放熱率與發(fā)動機表面溫度及發(fā)射率相關，只要在發(fā)動機運行過程中通過測試獲得發(fā)動機的表面溫度、發(fā)射率以及發(fā)動機艙（或環(huán)境）溫度，就可以計算出對應狀態(tài)的發(fā)動機表面輻射放熱率。溫度的測量為常規(guī)測量項目，因此測試發(fā)動機放熱率的核心問題就是如何在發(fā)動機運行過程中獲得發(fā)動機的表面發(fā)射率（表面黑度）問題。

3 基于帶前置反射器輻射溫度計的發(fā)射率測量原理

3.1 前置反射器輻射溫度計原理

前置反射器輻射溫度計的結構如圖3所示。它大致可分為上下2個部分，上端包括透鏡和熱電堆等，下端是1個內(nèi)表面鍍黃金的半球反射器。在應用時,把前置反射器扣在被測物體表面上，被測物體表面與前置反射器組成1個閉合的腔體，如圖4所示。從被測表面發(fā)射出的輻射能經(jīng)反射器的多次反射,從反射器上部的小孔中輻射出去的能量非常接近于黑體輻射，即上端熱電堆接收的能量非常接近于黑體輻射[2]。如果該儀表在黑體條件下分度，則可測得被測表面的真實溫度。

圖3 前置反射器輻射溫度計

圖4 個表面組成封閉空腔

文獻[3]給出了有效發(fā)射率的定義和計算公式

經(jīng)推導可得計算公式

式中：ε為被測固體表面的全發(fā)射率（黑度）；F1、F2分別為被圍固體的表面面積和前置反射器的內(nèi)表面積；α、ρ分別為表面II的吸收率和反射率。

3.2 發(fā)射率測量原理

將前置反射器輻射溫度計扣在被測固體表面上，則該儀表的輸出電壓信號為

式中：K為儀表系數(shù)；Rλ為熱電堆的響應率，與波長無關；εeffg為被測表面有效發(fā)射率（前置反射器內(nèi)表面鍍黃金）；λ為波長；T為被測表面的絕對溫度；λ1、λ2分別為透鏡透光的起始波長和截止波長；E0（λ、T）為被測表面溫度下的單色黑體輻射功；τλ為透鏡的透過率。

對于熱電堆而言，Rλ為常數(shù)，因此可以提到積分號外面。由于航空發(fā)動機外部機匣和附件都是金屬件，可以假定為灰體（物體單色輻射力與同溫度黑體單色輻射力隨波長的變化曲線相似），由傳熱學的結論可知：灰體表面發(fā)射率與波長無關，即εeff也與波長無關，因此它也可以提到積分號外面，則式（1）變?yōu)?/p>

把1個帶前置吸收器（與反射器幾何尺寸相同，但內(nèi)表面涂黑）的同樣透鏡、相同熱電堆、相同結構尺寸的儀表同時扣在同一被測表面上，則該儀表的輸出電壓信號為

式中：εeffb為被測的高溫表面被冷吸收器包圍時，該表面上的有效發(fā)射率。

為了實現(xiàn)用2塊儀表同時測量同一表面，采用了如下測試方法：2臺儀表均扣在被測表面上，并同時沿著同一軌跡平行移動，則同時可以獲得如式（2）和式（3）所示的包括溫度T和發(fā)射率ε的2個未知數(shù)在內(nèi)的2個電壓信號方程式。發(fā)射率ε可由式（3）除以式（2）直接得到，即

將ε的計算公式代入式（5），同時前置反射器和前置吸收器內(nèi)表面均為半球表面，所以F1/F2=0.5，整理后得到

式中：G為2個儀表輸出的電勢差的比值，如果已知前置吸收器內(nèi)表面反射率ρ和前置反射器內(nèi)表面吸收率α的值，就可通過式（6）計算得到發(fā)射率ε的值。

3.3 注意事項

采用前置反射器輻射溫度計進行發(fā)射率ε的測量應注意以下幾個方面的影響：

（1）對反射率較大的前置反射器，小孔泄露的能量引起的測量誤差應進行修正。

（2）被測部位固體表面是否滿足灰體的定義，發(fā)動機金屬部件表面滿足灰體定義，但復合材料部件表面就不滿足灰體定義。

（3）對測量低溫和低發(fā)射率對象時的系統(tǒng)誤差進行修正。

（4）2個輻射溫度計應沿發(fā)動機周向表面進行同一軌跡平行移動，不應在溫度變化梯度較大的區(qū)域移動。

（5）前置反射器可靠性、長壽命的設計，以及在測點位置的固定、安裝等。

4 基于動態(tài)紅外數(shù)字成像儀的發(fā)射率測量原理

4.1 動態(tài)紅外數(shù)字成像儀

動態(tài)紅外數(shù)字成像儀是通過非接觸探測紅外能量，并將其轉換為電信號，進而在顯示器上生成熱圖像和溫度值，并可以對溫度值進行計算的1種檢測設備。與傳統(tǒng)的測溫方式（熱電偶）相比，動態(tài)紅外數(shù)字成像儀可在一定距離內(nèi)實時、定量、在線檢測發(fā)熱點的溫度，通過掃描還可以繪出設備在運行中的溫度梯度熱像圖，而且靈敏度高、不受電磁場干擾、便于現(xiàn)場使用。

4.2 發(fā)射率測量

根據(jù)熱輻射理論和紅外測溫原理，文獻[4]推導出了熱像儀測溫通用的基本公式

式中：Vs為與輻射功率相對應的信號電壓；τa為大氣透射率；ε為目標表面發(fā)射率；α為目標吸收率；T0為目標表面溫度；Tu為環(huán)境溫度；Ta為大氣溫度；εa為大氣發(fā)射率。

K=ARA0d-2，式中：AR為熱像儀最小空間張角所對應的目標可視面積；d為該目標到測量儀的距離（通常在一定條件下，ARd-2為常值）；A0為熱像儀的透鏡面積，也是定值。

因此K在此式中可被認為是1個參數(shù)常量

式中：Rλ為探測器的光譜響應度，Lbλ（T）為物體表面的光譜輻射亮度。

在工程應用上，發(fā)動機機匣的金屬表面滿足灰體近似，則 ε=α。對于大氣，認為 εa=αa=1-τa，在近距離進行測量時，可以忽略大氣吸收，即τa=1，則

當被測表面為標準輻射源黑體時，發(fā)射率ε=1，則由式（8）可進一步得到

由普朗克輻射定律可知

式中：c1=3.7418×10-12W·cm2，為第1輻射常數(shù)；c2=1.4388 cm·K，為第2輻射常數(shù)。

對于響應波段為8～14 um的紅外探測器，由式（10）積分可得

式中：C為比例常數(shù)。

將式（11）代入式（9），得到

發(fā)動機表面的輻射力所對應的A/D轉換輸出值由紅外數(shù)字成像儀測得記為Vt，由式（12）得到

對同一測量點由高精度的熱電偶測量其表面溫度T0，代入式（12）可得到VS，將紅外數(shù)字成像儀聚焦到該測量點得到Vt，可以近似地認為測量Vt時的溫度與Vs的溫度是同一溫度。

4.3 注意事項

采用動態(tài)紅外數(shù)字成像儀進行發(fā)射率ε的測量應注意以下幾個方面的影響：

（1）探測器的波長范圍，目前主要分為波長為3～5 μm和 8～14 μm的紅外探測器，對于非灰體目標，測量波段的選擇對計算發(fā)熱率會產(chǎn)生影響。

（2）濾光片的選取原則：當被測固體表面溫度高于160℃時，為了保護紅外探測傳感器，在探測器紅外鏡頭前加入鍺濾光片；當被測固體表面溫度低于160℃時，可以去掉濾光片直接進行溫度測量。

（3）調(diào)整合適的物距使紅外圖像聚焦清晰，同時應用卷尺進行物距的測量，將測量的數(shù)據(jù)作為參數(shù)輸入到動態(tài)紅外數(shù)據(jù)成像儀的上位軟件中。此外還應克服煙霧、灰塵、水蒸氣、二氧化碳等中間介質(zhì)的影響。

5 試驗分析

參照GJB 5892－2006《紅外輻射率測量方法》進行試驗測試技術研究，采用加熱平臺對標準樣板進行均勻加溫，將T型熱電偶敷設在試件的表面，用于測量試件的表面溫度，然后將電偶接入FLUKE 2620A數(shù)據(jù)采集器，該種采集器具有自動冷端補償、多通道數(shù)據(jù)采集、轉換精度高、操作方便等優(yōu)點，同時具有標準RS232的串口數(shù)據(jù)通訊功能，可將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳送到上位機，上位機完成數(shù)據(jù)的處理與存儲。試驗設備如圖5所示，數(shù)據(jù)信息處理人機界面如圖6所示。

應用前置反射器輻射溫度計分別對不銹鋼、高溫合金、鈦合金、黃銅進行了發(fā)射率的測量，結果見表1。

試驗數(shù)據(jù)表明，2種方法在試驗室條件下的測試結果差別小，可以同時在發(fā)動機外機匣表面進行發(fā)射率的在線檢測，兩者可互為校準驗證，進而保證測量數(shù)據(jù)的準確性。

圖5 試驗設備組成

圖6 數(shù)據(jù)信息處理人機界面

表1 試驗測試結果

基于實驗室的測量驗證結果，在某型發(fā)動機外表面應用第1種方法進行了表面發(fā)射率的測量（如圖7所示），取得了較好的發(fā)射率數(shù)據(jù)。由于發(fā)動機工作振動的影響和試車條件的限制，紅外動態(tài)數(shù)字成像系統(tǒng)暫時沒有進行發(fā)射率的測量，隨著該項目的后續(xù)發(fā)展，不遠的將來可以實現(xiàn)2種測量方法同時在線檢測，這樣可保證其測量方法的正確性。

圖7 某型發(fā)動機外表面發(fā)射率的測量

6 結論

（1）前置反射器輻射溫度計適用于多點在線測量，但在測量航空發(fā)動機表面發(fā)射率時要特別注意溫度計的固定、安裝。

（2）動態(tài)紅外數(shù)字成像儀的特點是非接觸測量，其優(yōu)點是工作環(huán)境影響小、無機械固定安裝要求，但在測量中要特別注意檢測波長范圍，調(diào)整合適的物距，克服煙霧、灰塵、水蒸氣、二氧化碳等中間介質(zhì)的影響。

（3）應用前置反射器輻射溫度計進行工程應用，取得了某型發(fā)動機表面發(fā)射率的數(shù)據(jù)，為該型號發(fā)動機的研制定型提供了有力的數(shù)據(jù)依據(jù)。

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