背景影響下渦輪葉片溫度測量及修正技術研究

馬帥坤，張談貴，蔡 靜，張學聰

(1.中國航空工業集團公司 北京長城計量測試技術研究所，北京 100095；2.甘肅省核與輻射安全中心，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

高推重比是航空發動機的重要發展方向之一，而提高推重比的一個主要途徑是提高其內部的渦輪前燃氣溫度.為了能夠在提高渦輪前燃氣溫度的同時保證發動機的工作性能和可靠性，需要對渦輪葉片的溫度進行監測，確保其工作在正常溫度范圍內[1，2].

渦輪葉片處于高溫、高壓、高轉速的嚴苛工作條件下，在采用輻射法測量其溫度時，溫度計采集到的輻射能量不僅來自于被測渦輪工作葉片，還包含了經過被測渦輪工作葉片反射的背景輻射，特別是在背景部件溫度較高時，這種背景輻射甚至會超過被測目標本身產生的輻射.在航空發動機的實際內部工作環境中，對渦輪工作葉片測溫產生影響的高溫背景主要有被測工作葉片周圍的其他工作葉片、渦輪導向葉片、渦輪盤、機匣、燃燒室和火焰筒等[3，4].對于工作狀態下的某型航空發動機，導向葉片的溫度可達1 150 ℃左右，工作葉片的溫度可達1 100 ℃左右，而渦輪盤和機匣的工作溫度主要在650 ℃～750 ℃范圍[5].因此，在測量渦輪工作葉片溫度時，必須考慮背景輻射產生的影響，以求測得渦輪葉片真溫.

目前，用輻射法測量物體真溫的研究主要側重于對發射率的研究，很少有考慮測溫時的背景影響.本文基于Planck定律，建立了包含背景輻射影響的輻射測溫方程，通過設計背景輻射影響模擬試驗，研究背景輻射的影響規律并驗證修正方法的有效性[6-9].

1 復雜背景條件下的輻射測溫原理

基于Planck定律可知，對于有n個測溫通道的輻射溫度計，其第i個通道的輸出信號Vi可表示為[10]

式中：Aλi為第i個通道的儀器常數，與溫度無關，只與光譜波長有關；c1，c2分別為第一和第二輻射常數.

實際物體的溫度可表示為

式中：εc為實際物體的有效發射率.

當存在高溫背景時，考慮背景產生的反射輻射，則背景影響下的目標的有效發射率εc可以通過下式計算[11]

式中：λc為該通道下的有效波長；εaj為背景中第j個部件的發射率；Faj為背景中第j個部件對目標樣品的角系數；Taj為背景中第j個部件的溫度.

聯合式(2)和式(3)即可得到背景修正后的目標溫度.

2 試驗方案

2.1 試驗系統設計

試驗中，采用高溫輻射源作為目標模擬裝置和背景模擬裝置，分別模擬被測目標渦輪葉片和高溫背景.使用目標模擬裝置加熱一個已知發射率的樣品，同時將背景模擬裝置設置在目標模擬裝置的正對面，如圖1 所示.

(a) 軸測圖

被測目標為由熱障涂層材料氧化釔穩定氧化鋯YSZ粉末壓制而成的圓片，表面狀態較平整，如圖2 所示.樣品的發射率利用發射率測量裝置測得，由于該樣品較薄，無法安裝熱電偶，因此，測量發射率時在樣品的小部分區域涂覆高發射率黑漆，使用比色法測量溫度，用以計算未涂黑漆部分的發射率.該樣品的發射率實測曲線如圖3 所示.

圖2 樣品實物圖Fig.2 Sample physical drawing

圖3 樣品發射率實測曲線Fig.3 Measured curve of sample emissivity

試驗過程中使用的測溫系統為北京長城計量測試技術研究所自行研制的掃描式渦輪葉片溫度場測量裝置[12]，如圖4 所示，由掃描探針、光纖傳輸組件、光電組件、活塞驅動組件和控制臺組成.整套試驗系統實物如圖5 所示.

圖4 掃描式渦輪葉片溫度場測量裝置結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of scanning turbine blade temperature field measurement device

圖5 背景輻射影響試驗模擬系統Fig.5 Background radiation effect test simulation system

2.2 試驗過程和步驟

試驗條件：試驗過程中實驗室無強電磁干擾，溫度19.6 ℃，濕度25%.另外，掃描式渦輪葉片溫度場測量系統在集成后需要對各光譜測量通道的檢定常數進行標定，具體過程不在此詳述.

試驗步驟：

1) 將掃描式渦輪葉片溫度場測量裝置固定在位移平臺上，對準目標模擬裝置，距離150 mm，將背景模擬裝置放置在掃描式渦輪葉片溫度場測量裝置另一側，距離150 mm，使目標模擬裝置和背景模擬裝置二者的光軸重合；

2) 根據控制變量法改變試驗條件的參數值，并使用掃描式渦輪葉片溫度場測量裝置測量目標模擬裝置中樣品的溫度，記錄掃描式渦輪葉片溫度場測量裝置的各光譜通道測量值；

3) 改變的試驗條件包括目標模擬裝置的設置溫度、背景模擬裝置的設置溫度、目標和背景模擬裝置的光軸夾角，本試驗中對它們的設定值如表1 所示；

4) 測試得到全部試驗數據后，利用MATLAB軟件，使用式(2)和式(3)聯立計算樣品的背景修正后溫度，并與無背景影響(即室溫)下的測溫結果進行比較.

表1 試驗條件的不同設定值Tab.1 Different set values of test conditions

3 試驗數據處理及分析

3.1 有效發射率計算

使用掃描式渦輪葉片溫度場測量裝置的單色測溫模式，其有效波長為1 610.5 nm.由圖3 的樣品發射率實測曲線可以看出樣品發射率隨溫度和波長的變化關系.根據經驗，當目標模擬裝置的設定溫度為800 ℃時，目標溫度在650 ℃～700 ℃范圍.因此，選取波長為1.61 μm時624 ℃和727 ℃下的發射率測量結果的平均值ε=0.48進行計算.

通過目標、背景和掃描探針三者的位置關系可知，背景對目標樣品的角系數計算示意圖如圖6 所示.模擬背景為直徑52 mm的圓形加熱面，掃描探針的視場直徑約為2 mm，可看作一個點，則背景對目標樣品的角系數值可以認為是模擬背景和半球視場在被測目標平面上的投影面積之比.因此，當目標模擬裝置和背景模擬裝置二者的光軸夾角為0°時，所求角系數值為直徑 52 mm的圓面積與直徑600 mm的圓面積之比；當光軸夾角為45°時，所求角系數值為長軸52 mm、短軸 52 mm/1.414=36.78 mm的橢圓面積與直徑 600 mm 的圓面積之比.其他部位由于處在室溫下，產生的背景影響可以忽略不計.

圖6 背景對目標樣品的角系數計算示意圖Fig.6 Schematic diagram for calculating the angle coefficient of the background to the target sample

3.2 試驗結果與分析

根據前文數據和式(2)、式(3)可以計算得到目標的背景修正前溫度和背景修正后溫度.其中，目標模擬裝置溫度設為800 ℃時的數據處理結果如表2 所示.

以無背景影響(即室溫)下的目標溫度為參考，比較背景修正前后的目標溫度變化情況，結果如表2 和圖7 所示.由圖7 可以看出，整體上，背景修正后的目標溫度曲線更加接近無背景影響下的溫度線，說明前述的背景修正計算方法是有效的.對于目標設定溫度為800 ℃，在背景設定溫度為600 ℃時，背景修正前后的溫度差值相對小于1 000 ℃時的情況，在光軸夾角為0°和45°時的溫差分別為14.2 ℃和12.5 ℃；在背景設定溫度為1 000 ℃時，背景修正前后的溫度值相差較大，在光軸夾角為0°和45°時的溫差分別為27.2 ℃和25.4 ℃.而且，背景修正前后溫度曲線后半段的變化趨勢和斜率相近.綜上分析可知，隨著背景溫度的提高，背景輻射對溫度測量的影響變大，而該背景修正方法的修正作用也越明顯.從角系數的角度分析，背景設定溫度為600 ℃時，溫差相對修正前溫度的比例在光軸為0°和45°時分別為2.03%和1.79%；背景設定溫度為1 000 ℃時，溫差相對修正前溫度的比例在光軸為0°和45°時分別為3.82%和3.59%，可以看出，角系數因素對背景輻射溫度測量的影響程度小于溫度因素.

表2 目標模擬裝置溫度設為800 ℃時的數據處理結果Tab.2 Data processing results when the target simulator temperature is set at 800 ℃

圖7 背景修正前后溫度對比圖Fig.7 Contrast of temperature before and after background correction

4 結 論

隨著航空發動機推重比的不斷增大，其內部渦輪前燃氣溫度也會不斷提高，進而影響渦輪部件的壽命和發動機整體工作性能.所以，準確地測量發動機渦輪葉片的表面高溫場對于保障其研制和優化改進工作具有重要意義.

為了減小溫度計接收到的高溫背景產生的輻射造成的測溫誤差，建立了包含背景輻射的測溫方程，通過計算有效發射率，進而得到被測目標的背景修正后溫度.通過設計背景輻射影響模擬試驗發現，背景輻射對目標溫度的影響隨著背景溫度的升高而增大，背景修正后溫度曲線明顯更接近無背景溫度線，從而證明了該背景修正計算方法的可行性，可以將其用于發動機熱端部件高溫測量校準.此外發現，角系數因素對背景輻射溫度測量的影響程度小于溫度因素，這意味著在以后的研究和實踐中，相對可以將更多的注意力集中在溫度影響上.

從實際應用的角度，通過試驗對Taj和Faj兩個參數的研究可知，在未來的發動機研制工作中，應該更加注重葉片及其周圍部件的冷卻設計，尋求更加有效的降低葉片溫度的手段；其次，在發動機的溫度測試工作中，需要注意葉片、背景源和溫度計采光鏡三者的位置布局.

能夠引起背景源對目標的角系數變化的因素除了目標和背景的光軸夾角外，還有目標和背景的距離，而且，實際發動機中被測目標和背景源的材料發射率也非固定不變，在后續的工作中，需要對這些影響因素進行深入的研究.