航空發(fā)動(dòng)機(jī)表面發(fā)射率測(cè)量技術(shù)研究

馬春武，劉忠奎，薛秀生，張 興，張志學(xué)，張玉新

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的表面溫度和放熱率是飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)的重要參數(shù)，高溫發(fā)動(dòng)機(jī)部件與飛機(jī)機(jī)體之間的輻射換熱嚴(yán)重地影響著飛機(jī)的結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)。為了保障飛行安全，提高可靠性和耐久性，確保發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)的相容性，飛機(jī)承包商必須確定單位時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)傳向發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的總熱量（放熱率），并開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)艙的冷卻設(shè)計(jì)工作，控制發(fā)動(dòng)機(jī)（含附件）的表面溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)。

由于測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)放熱率的核心問(wèn)題就是如何在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的表面發(fā)射率（表面黑度）。因此,本文開(kāi)展了航空發(fā)動(dòng)機(jī)表面發(fā)射率測(cè)試技術(shù)研究。

1 發(fā)射率理論基礎(chǔ)

發(fā)射率又稱(chēng)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(cè)溫中的1個(gè)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(guān)。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(kāi)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(wú)光澤的銅與鋁為0.2～0.3，相差數(shù)倍，為此，急需一些測(cè)量技術(shù)和手段在線測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)表面的發(fā)射率。

2 測(cè)量需求

國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的表面溫度和放熱特性均有明確規(guī)定。我國(guó)航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范中規(guī)定：發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的最大表面溫度和放熱率應(yīng)在型號(hào)規(guī)范中進(jìn)行說(shuō)明。表面溫度沿長(zhǎng)度的變化如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)表面發(fā)射率分析和計(jì)算基礎(chǔ)如圖2所示。在圖1和圖2上應(yīng)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(yàn)持久試車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)零件目錄和結(jié)構(gòu)相同的發(fā)動(dòng)機(jī)上予以驗(yàn)證，測(cè)取發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)各附件及各部位的冷卻要求、放熱率和對(duì)應(yīng)的表面溫度。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)表面溫度沿長(zhǎng)度的變化

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)熱輻射率分析和計(jì)算基礎(chǔ)

由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙的氣流流動(dòng)相對(duì)較弱，發(fā)動(dòng)機(jī)的放熱率主要由機(jī)匣外表面的輻射放熱構(gòu)成，即確定發(fā)動(dòng)機(jī)的放熱率主要就是確定發(fā)動(dòng)機(jī)外表面的輻射放熱率。根據(jù)輻射傳熱理論，發(fā)動(dòng)機(jī)表面的輻射放熱率與發(fā)動(dòng)機(jī)表面溫度及發(fā)射率相關(guān)，只要在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)測(cè)試獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的表面溫度、發(fā)射率以及發(fā)動(dòng)機(jī)艙（或環(huán)境）溫度，就可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)表面輻射放熱率。溫度的測(cè)量為常規(guī)測(cè)量項(xiàng)目，因此測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)放熱率的核心問(wèn)題就是如何在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的表面發(fā)射率（表面黑度）問(wèn)題。

3 基于帶前置反射器輻射溫度計(jì)的發(fā)射率測(cè)量原理

3.1 前置反射器輻射溫度計(jì)原理

前置反射器輻射溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。它大致可分為上下2個(gè)部分，上端包括透鏡和熱電堆等，下端是1個(gè)內(nèi)表面鍍黃金的半球反射器。在應(yīng)用時(shí),把前置反射器扣在被測(cè)物體表面上，被測(cè)物體表面與前置反射器組成1個(gè)閉合的腔體，如圖4所示。從被測(cè)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(cè)得被測(cè)表面的真實(shí)溫度。

圖3 前置反射器輻射溫度計(jì)

圖4 個(gè)表面組成封閉空腔

文獻(xiàn)[3]給出了有效發(fā)射率的定義和計(jì)算公式

經(jīng)推導(dǎo)可得計(jì)算公式

式中：ε為被測(cè)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(cè)量原理

將前置反射器輻射溫度計(jì)扣在被測(cè)固體表面上，則該儀表的輸出電壓信號(hào)為

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

對(duì)于熱電堆而言，Rλ為常數(shù)，因此可以提到積分號(hào)外面。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部機(jī)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(zhǎng)的變化曲線相似），由傳熱學(xué)的結(jié)論可知：灰體表面發(fā)射率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，即εeff也與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，因此它也可以提到積分號(hào)外面，則式（1）變?yōu)?/p>

把1個(gè)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(jié)構(gòu)尺寸的儀表同時(shí)扣在同一被測(cè)表面上，則該儀表的輸出電壓信號(hào)為

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

為了實(shí)現(xiàn)用2塊儀表同時(shí)測(cè)量同一表面，采用了如下測(cè)試方法：2臺(tái)儀表均扣在被測(cè)表面上，并同時(shí)沿著同一軌跡平行移動(dòng)，則同時(shí)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(gè)未知數(shù)在內(nèi)的2個(gè)電壓信號(hào)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(jì)算公式代入式（5），同時(shí)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(gè)儀表輸出的電勢(shì)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(guò)式（6）計(jì)算得到發(fā)射率ε的值。

3.3 注意事項(xiàng)

采用前置反射器輻射溫度計(jì)進(jìn)行發(fā)射率ε的測(cè)量應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的影響：

（1）對(duì)反射率較大的前置反射器，小孔泄露的能量引起的測(cè)量誤差應(yīng)進(jìn)行修正。

（2）被測(cè)部位固體表面是否滿足灰體的定義，發(fā)動(dòng)機(jī)金屬部件表面滿足灰體定義，但復(fù)合材料部件表面就不滿足灰體定義。

（3）對(duì)測(cè)量低溫和低發(fā)射率對(duì)象時(shí)的系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正。

（4）2個(gè)輻射溫度計(jì)應(yīng)沿發(fā)動(dòng)機(jī)周向表面進(jìn)行同一軌跡平行移動(dòng)，不應(yīng)在溫度變化梯度較大的區(qū)域移動(dòng)。

（5）前置反射器可靠性、長(zhǎng)壽命的設(shè)計(jì)，以及在測(cè)點(diǎn)位置的固定、安裝等。

4 基于動(dòng)態(tài)紅外數(shù)字成像儀的發(fā)射率測(cè)量原理

4.1 動(dòng)態(tài)紅外數(shù)字成像儀

動(dòng)態(tài)紅外數(shù)字成像儀是通過(guò)非接觸探測(cè)紅外能量，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)而在顯示器上生成熱圖像和溫度值，并可以對(duì)溫度值進(jìn)行計(jì)算的1種檢測(cè)設(shè)備。與傳統(tǒng)的測(cè)溫方式（熱電偶）相比，動(dòng)態(tài)紅外數(shù)字成像儀可在一定距離內(nèi)實(shí)時(shí)、定量、在線檢測(cè)發(fā)熱點(diǎn)的溫度，通過(guò)掃描還可以繪出設(shè)備在運(yùn)行中的溫度梯度熱像圖，而且靈敏度高、不受電磁場(chǎng)干擾、便于現(xiàn)場(chǎng)使用。

4.2 發(fā)射率測(cè)量

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

式中：Vs為與輻射功率相對(duì)應(yīng)的信號(hào)電壓；τa為大氣透射率；ε為目標(biāo)表面發(fā)射率；α為目標(biāo)吸收率；T0為目標(biāo)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(duì)應(yīng)的目標(biāo)可視面積；d為該目標(biāo)到測(cè)量?jī)x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(rèn)為是1個(gè)參數(shù)常量

式中：Rλ為探測(cè)器的光譜響應(yīng)度，Lbλ（T）為物體表面的光譜輻射亮度。

在工程應(yīng)用上，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的金屬表面滿足灰體近似，則 ε=α。對(duì)于大氣，認(rèn)為 εa=αa=1-τa，在近距離進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以忽略大氣吸收，即τa=1，則

當(dāng)被測(cè)表面為標(biāo)準(zhǔn)輻射源黑體時(shí)，發(fā)射率ε=1，則由式（8）可進(jìn)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(duì)于響應(yīng)波段為8～14 um的紅外探測(cè)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(dòng)機(jī)表面的輻射力所對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換輸出值由紅外數(shù)字成像儀測(cè)得記為Vt，由式（12）得到

對(duì)同一測(cè)量點(diǎn)由高精度的熱電偶測(cè)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(cè)量點(diǎn)得到Vt，可以近似地認(rèn)為測(cè)量Vt時(shí)的溫度與Vs的溫度是同一溫度。

4.3 注意事項(xiàng)

采用動(dòng)態(tài)紅外數(shù)字成像儀進(jìn)行發(fā)射率ε的測(cè)量應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的影響：

（1）探測(cè)器的波長(zhǎng)范圍，目前主要分為波長(zhǎng)為3～5 μm和 8～14 μm的紅外探測(cè)器，對(duì)于非灰體目標(biāo)，測(cè)量波段的選擇對(duì)計(jì)算發(fā)熱率會(huì)產(chǎn)生影響。

（2）濾光片的選取原則：當(dāng)被測(cè)固體表面溫度高于160℃時(shí)，為了保護(hù)紅外探測(cè)傳感器，在探測(cè)器紅外鏡頭前加入鍺濾光片；當(dāng)被測(cè)固體表面溫度低于160℃時(shí)，可以去掉濾光片直接進(jìn)行溫度測(cè)量。

（3）調(diào)整合適的物距使紅外圖像聚焦清晰，同時(shí)應(yīng)用卷尺進(jìn)行物距的測(cè)量，將測(cè)量的數(shù)據(jù)作為參數(shù)輸入到動(dòng)態(tài)紅外數(shù)據(jù)成像儀的上位軟件中。此外還應(yīng)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(yàn)分析

參照GJB 5892－2006《紅外輻射率測(cè)量方法》進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)研究，采用加熱平臺(tái)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣板進(jìn)行均勻加溫，將T型熱電偶敷設(shè)在試件的表面，用于測(cè)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(dòng)冷端補(bǔ)償、多通道數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換精度高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有標(biāo)準(zhǔn)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(jī)，上位機(jī)完成數(shù)據(jù)的處理與存儲(chǔ)。試驗(yàn)設(shè)備如圖5所示，數(shù)據(jù)信息處理人機(jī)界面如圖6所示。

應(yīng)用前置反射器輻射溫度計(jì)分別對(duì)不銹鋼、高溫合金、鈦合金、黃銅進(jìn)行了發(fā)射率的測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表1。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，2種方法在試驗(yàn)室條件下的測(cè)試結(jié)果差別小，可以同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)外機(jī)匣表面進(jìn)行發(fā)射率的在線檢測(cè)，兩者可互為校準(zhǔn)驗(yàn)證，進(jìn)而保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖5 試驗(yàn)設(shè)備組成

圖6 數(shù)據(jù)信息處理人機(jī)界面

表1 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

基于實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量驗(yàn)證結(jié)果，在某型發(fā)動(dòng)機(jī)外表面應(yīng)用第1種方法進(jìn)行了表面發(fā)射率的測(cè)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(dòng)機(jī)工作振動(dòng)的影響和試車(chē)條件的限制，紅外動(dòng)態(tài)數(shù)字成像系統(tǒng)暫時(shí)沒(méi)有進(jìn)行發(fā)射率的測(cè)量，隨著該項(xiàng)目的后續(xù)發(fā)展，不遠(yuǎn)的將來(lái)可以實(shí)現(xiàn)2種測(cè)量方法同時(shí)在線檢測(cè)，這樣可保證其測(cè)量方法的正確性。

圖7 某型發(fā)動(dòng)機(jī)外表面發(fā)射率的測(cè)量

6 結(jié)論

（1）前置反射器輻射溫度計(jì)適用于多點(diǎn)在線測(cè)量，但在測(cè)量航空發(fā)動(dòng)機(jī)表面發(fā)射率時(shí)要特別注意溫度計(jì)的固定、安裝。

（2）動(dòng)態(tài)紅外數(shù)字成像儀的特點(diǎn)是非接觸測(cè)量，其優(yōu)點(diǎn)是工作環(huán)境影響小、無(wú)機(jī)械固定安裝要求，但在測(cè)量中要特別注意檢測(cè)波長(zhǎng)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(yīng)用前置反射器輻射溫度計(jì)進(jìn)行工程應(yīng)用，取得了某型發(fā)動(dòng)機(jī)表面發(fā)射率的數(shù)據(jù)，為該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制定型提供了有力的數(shù)據(jù)依據(jù)。

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