航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片表面紅外發(fā)射率測量及應(yīng)用

徐春雷，薛秀生，樸成杰，楊寶興，劉自海

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

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展以高溫為主要特征，提高渦輪工作溫度是發(fā)展先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要途徑。如果能夠掌握在發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)工作狀態(tài)下高壓渦輪葉片的表面溫度場分布，將對發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究和渦輪氣冷葉片的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供很大幫助[1]。因此，渦輪葉片表面溫度測量成為1個(gè)研究熱點(diǎn)。

紅外測溫技術(shù)作為1種先進(jìn)的測溫方法，在國外航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中得到了大量應(yīng)用[2]。紅外測溫法屬于非接觸式測溫，相比傳統(tǒng)測試方法具有以下優(yōu)點(diǎn)[3]：

（a）不會(huì)破壞被測物體的表面；

（b）響應(yīng)時(shí)間短，能實(shí)時(shí)測量不斷變化的溫度值；

（c）測溫范圍廣，靈敏度高。

因此，紅外測溫法在發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件測溫領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。但紅外測溫實(shí)際測量的是物體的輻射能量，需要已知表面發(fā)射率才能得到溫度值。RotamapⅡ紅外測溫系統(tǒng)在測試前需要輸入葉片平均發(fā)射率或者每片葉片的發(fā)射率數(shù)值[4]，所以提前獲知被測物體的表面發(fā)射率及其變化趨勢能夠有效地減少由于發(fā)射率所帶來的測溫誤差[5]。

1 發(fā)射率標(biāo)定原理及公式

任何物體只要其溫度高于絕對零度，都會(huì)因?yàn)榉肿拥臒徇\(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生紅外輻射，而且輻射的能量隨溫度的變化而變化[6]。在光學(xué)研究中一般將物體分為黑體與灰體。絕對黑體的單色輻射能量E 隨波長變化的規(guī)律如普朗克定律所示[7]

式中：E 為物體的輻射能量，W/cm2·μm；C1、C2為普朗克第1、2輻射常數(shù)；λ 為波長，μm；T 為物體的絕對溫度，K。

然而，工程上遇到的物體一般都是灰體。對于灰體，其單色輻射能量為

式中：ε 為灰體的發(fā)射率，或者叫灰度系數(shù)。

通常紅外測溫儀得到的是灰體的單色輻射能量Eε，該儀器指示的溫度即為絕對黑體在單色輻射能量正好等于Eε時(shí)的溫度，稱為該灰體的亮度溫度，用符號Tl表示[8]。

此次測量所采用的紅外測溫儀波長λ=1μm，測溫范圍為600～1000℃，當(dāng)λT=3120μm·K時(shí)，式（1）可簡化為[9]

根據(jù)亮度溫度的定義可知

由此可得

于是，灰體的表面溫度T 便可根據(jù)Tl用上式求算。同時(shí)可以得到灰體表面發(fā)射率

若已知物體的表面溫度T 和該輻射能量下黑體的亮度溫度Tl，便可得到物體的表面發(fā)射率。

2 試驗(yàn)設(shè)備與測試方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

目前，渦輪葉片的表面發(fā)射率是紅外測溫領(lǐng)域的難點(diǎn)之一。國內(nèi)對發(fā)射率的測量實(shí)驗(yàn)多在實(shí)驗(yàn)室高溫爐內(nèi)進(jìn)行。但由于高溫爐爐腔內(nèi)壁本身會(huì)產(chǎn)生較大輻射能量，會(huì)給被測件發(fā)射率的測量帶來極大誤差，若采用短腔高溫爐又無法實(shí)現(xiàn)大溫度范圍內(nèi)的測量[10-13]。作為創(chuàng)新點(diǎn)之一，本次試驗(yàn)在中航工業(yè)動(dòng)力所的熱機(jī)復(fù)合疲勞試驗(yàn)器上進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。該試驗(yàn)器主要由感應(yīng)加溫系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)以及測試系統(tǒng)構(gòu)成。通過采用電渦流加熱的方式可以實(shí)現(xiàn)大溫度范圍內(nèi)的發(fā)射率測量。而且感應(yīng)銅管內(nèi)部有冷卻水通過，因此，銅管本身的溫度并不高，加熱裝置不會(huì)給測試結(jié)果帶來較大誤差。

圖1 熱機(jī)疲勞試驗(yàn)器

2.2 試驗(yàn)方法

RotamapⅡ紅外測溫系統(tǒng)的測溫位置為每片高壓渦輪葉片葉背區(qū)域，該區(qū)域比較平整所以發(fā)射率數(shù)值基本一致，較有代表性。因此，本次發(fā)射率測量位置為高壓渦輪葉片葉背區(qū)域。葉片測試改裝及電渦流線圈位置如圖2所示。圖2中的1為高壓渦輪葉片，2為電渦流線圈。通過調(diào)整葉片夾具和電渦流線圈的高度使加熱區(qū)域與渦輪葉片考核面對齊。考核面位于葉片葉背較平整區(qū)域，沿水平方向分布有2支熱點(diǎn)偶（GH3030，尺寸為φ1）測溫點(diǎn)。電渦流加熱渦輪葉片時(shí)，沿葉片垂直方向溫度差異較大，但在水平方向則溫度差異較小。2支熱電偶測溫點(diǎn)之間的水平距離為5mm，取2支熱電偶的平均溫度作為測試點(diǎn)（圖2中位置3）的溫度，即為渦輪葉片的表面溫度T。這樣處理既能減小葉片水平方向的溫度差異，又沒有破壞葉片的真實(shí)表面。RotamapⅡ系統(tǒng)使用條件較復(fù)雜，需提供氣源和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號。因此使用與RotamapⅡ紅外系統(tǒng)波長相同的紅外測溫儀Cyclops100測量位置3的溫度。初始設(shè)定紅外測溫儀發(fā)射率為1，可以得到該輻射能量下的亮度溫度Tl。在測試過程中，需注意紅外測溫儀垂直葉背平面測量，光線入射角需在±40°之間，紅外測溫儀用三角架固定，確保每次測試的位置不變。通過調(diào)整Cyclops100紅外測溫儀的焦距使被測點(diǎn)位置3在其視場中清晰可見為止。對新舊2片高壓渦輪葉片采用同樣的方法進(jìn)行試驗(yàn)。

圖2 改裝的高壓渦輪葉片及電渦流線圈位置

葉片表面的溫度加熱曲線如圖3所示?？拷~前緣的熱電偶1為溫度監(jiān)測點(diǎn)1，靠近葉尾緣的熱電偶2為溫度監(jiān)測點(diǎn)2。以靠近前緣的熱電偶作為溫度控制點(diǎn)。溫度穩(wěn)定時(shí)間為120s，在此期間使用紅外測溫儀測量2支電偶中間測溫點(diǎn)的溫度，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖3 電渦流加溫曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

新、舊葉片的發(fā)射率標(biāo)定結(jié)果見表1、2。其中表1為經(jīng)過長時(shí)間試車的舊葉片的試驗(yàn)結(jié)果，表2為新葉片的試驗(yàn)結(jié)果。T1、T2分別為熱電偶1、2測得的溫度值，T 為二者的平均溫度。亮度溫度Tl為采用紅外測溫儀Cyclops100在發(fā)射率設(shè)定為1時(shí)（被測表面真實(shí)發(fā)射率小于1）測得的溫度。

表1 舊葉片的發(fā)射率標(biāo)定結(jié)果 ℃

表2 新葉片的發(fā)射率標(biāo)定結(jié)果 ℃

通過表1、2中的數(shù)據(jù)和式（6）可以計(jì)算出各考核溫度下舊、新渦輪葉片的表面發(fā)射率數(shù)值，分別見表3、4。

通過表3、4中的數(shù)據(jù)可得舊、新葉片的表面發(fā)射率 平 均值0.864。通過2組對比試驗(yàn)可以得到舊、新葉片在各溫度下發(fā)射率數(shù)值曲線，如圖4所示。其變化趨勢如圖中趨勢線所示。

表4 各溫度下新葉片的表面發(fā)射率

通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，新、舊渦輪葉片的表面發(fā)射率會(huì)隨溫度的變化而改變。對于舊葉片，若取 εˉ1=0.893作為其發(fā)射率系數(shù)，則在600℃時(shí)引起的誤差較大，在其他溫度下的發(fā)射率誤差為±0.02，趨勢線斜率較小，數(shù)值變化不明顯。對于新葉片在各溫度點(diǎn)下發(fā)射率的偏差較大，且發(fā)射率明顯隨溫度升高而增大。當(dāng)新渦輪葉片的表面溫度達(dá)到1000℃時(shí)，其表面發(fā)射率與舊葉片的表面發(fā)射率一致。因此，采用RotamapⅡ紅外系統(tǒng)時(shí)，若不知渦輪葉片溫度可使用0.893作為高壓渦輪葉片的表面發(fā)射率系數(shù)；若能估計(jì)出大致溫度，則可根據(jù)溫度值選擇發(fā)射率系數(shù)從而減小誤差。

英國RotamapⅡ紅外測試系統(tǒng)是1套專門用于測試發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片表面溫度場的設(shè)備，其技術(shù)指標(biāo)見表5。

表5中的測試精度為不考慮葉片表面發(fā)射率誤差的情況。在使用該設(shè)備時(shí)可以選擇輸入平均發(fā)射率或者是每片葉片的發(fā)射率系數(shù)。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)和普朗克方程可以得出，若使用平均發(fā)射率εˉ1=0.893，所造成的溫度誤差曲線，如圖5所示。在600℃下使用平均發(fā)射率造成的測溫誤差小于±5℃，在1200℃下使用平均發(fā)射率造成的誤差不超過±10℃，小于被測物體溫度的±1%，滿足測溫精度要求。若根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)芄烙?jì)出葉片溫度范圍，則可以結(jié)合如圖5所示發(fā)射率導(dǎo)致的測溫誤差數(shù)據(jù)對紅外測溫結(jié)果進(jìn)行修正，在整級渦輪溫場測試中提高絕對溫度測試精度。

圖4 渦輪葉片表面發(fā)射率標(biāo)定曲線

表5 RotamapⅡ紅外測試系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

圖5 發(fā)射率誤差導(dǎo)致的溫度誤差曲線

4 結(jié)束語

由于渦輪葉片表面發(fā)射率跟葉片材料、表面狀況、溫度、形狀有關(guān)，因此，必須使用真實(shí)的葉片進(jìn)行發(fā)射率測量。如果條件允許，應(yīng)當(dāng)在發(fā)動(dòng)機(jī)試車前后各進(jìn)行1次發(fā)射率測試工作。此次發(fā)射率標(biāo)定試驗(yàn)主要測量了高壓渦輪葉片的表面發(fā)射率，研究了新、舊葉片間的發(fā)射率數(shù)值及變化趨勢。對提高紅外測溫精度有一定意義。同時(shí)為測試發(fā)動(dòng)機(jī)零部件表面發(fā)射率提供了1種有效的方法。

本次試驗(yàn)未對表面涂有隔溫涂層的葉片進(jìn)行研究，需要在后續(xù)的試驗(yàn)過程中逐步探索。對于渦輪葉片在燃燒過程中發(fā)生積炭等情況，需要在熱風(fēng)洞試驗(yàn)器上進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)[14-15]。

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