燃?xì)猸h(huán)境內(nèi)高溫部件紅外測溫試驗(yàn)方法

蘇文超 ，彭 新 ，劉春宇 ，馬 慧 ，張哲衡 ，初少斌 ，吳 云

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽 110015；2.空軍裝備部駐沈陽地區(qū)第二軍事代表室，沈陽 110043）

0 引言

加力燃燒室是軍用航空發(fā)動機(jī)核心部件之一，其內(nèi)部各構(gòu)件在工作時處于高溫燃?xì)猸h(huán)境中，承受的熱負(fù)荷較高，常常會產(chǎn)生熱變形和燒蝕問題[1]，從而導(dǎo)致加力燃燒室無法正常工作。為了更好地對發(fā)動機(jī)加力燃燒室進(jìn)行設(shè)計和改進(jìn)，需要獲取加力燃燒室各構(gòu)件的表面溫度分布情況，以便分析高熱負(fù)荷條件下各構(gòu)件的熱變形及燒蝕問題產(chǎn)生的根本原因。目前，加力燃燒室高溫部件溫度測試主要采用熱電偶，但熱電偶只能測取單點(diǎn)溫度，很難獲取高溫部件的溫度分布場，經(jīng)常出現(xiàn)局部超溫而監(jiān)測不到的問題；并且熱電偶需要預(yù)埋在試驗(yàn)件上，會對試驗(yàn)件造成局部破壞。采用紅外熱像儀能夠?qū)崟r全面監(jiān)測高溫部件的溫度分布場，具有響應(yīng)時間短、分辨率高、測溫范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，紅外熱像儀測試是一種非接觸測量方式，不會破壞試驗(yàn)件，而且可以提高試驗(yàn)效果。但由于在測試時試驗(yàn)件周圍有高溫燃?xì)?，紅外熱像儀只能透過測試窗進(jìn)行測試，測試窗和高溫燃?xì)鈺绊懠t外熱像儀測試的準(zhǔn)確性，因此亟需探索利用紅外熱像儀測試燃?xì)猸h(huán)境中高溫部件壁面溫度的方法。

張健等[2]、蘇佳偉等[3]研究了環(huán)境中高溫物體對紅外熱像儀測溫誤差的影響程度，給出根據(jù)熱像儀測得的輻射溫度準(zhǔn)確算出被測物體表面真實(shí)溫度的公式；李云紅等[4-5]、李文軍等[6]、陸子鳳[7]結(jié)合紅外熱像測溫原理研究了被測物體表面發(fā)射率、吸收率、環(huán)境溫度和大氣溫度對測溫誤差的影響；楊滿忠等[8]研究了紅外輻射大氣透過率計算方法；王中任等[9]研究了金屬反光表面發(fā)射率測定方法；趙桓[10]針對紅外熱像儀應(yīng)用于紅外窗口測溫的情形，開展了基于熱像儀測量的光譜優(yōu)化選擇分析，并進(jìn)一步分析在該優(yōu)化測量光譜通道內(nèi)的紅外窗口表觀輻射特性；譚鋒等[11]通過在傳統(tǒng)的黑體標(biāo)定測溫算法中引入差值查表標(biāo)定、測溫預(yù)處理和真實(shí)溫度換算等環(huán)節(jié)，提出了提高紅外熱像儀測溫精度的算法；田培培等[12]從理論角度分析了測溫精度的影響因素，利用紅外熱像儀準(zhǔn)確采集到溫壓彈的爆炸過程，得到爆炸火球表面的溫度場分布信息；楊昆等[13]利用紅外熱像儀測量柴油機(jī)歧管表面溫度，研究了表面發(fā)射率隨溫度變化的關(guān)系，驗(yàn)證了紅外監(jiān)測技術(shù)對柴油機(jī)排氣不均勻度診斷和預(yù)測的可行性和有效性。但目前利用紅外熱像儀測試航空發(fā)動機(jī)高溫燃?xì)猸h(huán)境中高溫部件還處于起步階段，仍存在測試精度不高的問題。

本文研究了利用紅外熱像儀測試燃?xì)猸h(huán)境中高溫部件溫度時的修正方法，為后續(xù)紅外熱像儀在此方面的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)在發(fā)動機(jī)加力部件試驗(yàn)器上開展，該試驗(yàn)器主要用于進(jìn)行加力部件縮比模型試驗(yàn)，其系統(tǒng)組成為內(nèi)涵進(jìn)氣、外涵進(jìn)氣、加溫、冷卻水、排氣引射、電氣測試等系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 加力部件試驗(yàn)器系統(tǒng)組成

內(nèi)、外涵空氣是由空壓站連續(xù)供氣，空氣流量由進(jìn)氣電動閥門控制，通過燃油加溫系統(tǒng)和電加溫系統(tǒng)將內(nèi)外涵空氣加溫至指定溫度，并利用排氣引射系統(tǒng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)件前后壓力，進(jìn)而模擬發(fā)動機(jī)加力部件工作狀態(tài)。

2 試驗(yàn)狀態(tài)

表1 試驗(yàn)狀態(tài)溫度 ℃

3 試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)物理模型

測試窗口選用藍(lán)寶石玻璃，如圖2 所示。藍(lán)寶石玻璃耐高溫、導(dǎo)熱好、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好[14]，具有較高的紅外透過特性。該玻璃直徑為100 mm，厚度為10 mm，能夠承受該項(xiàng)試驗(yàn)的環(huán)境高溫，利用法蘭將藍(lán)寶石玻璃固定在測試段上，測試段外觀如圖3所示。

圖2 藍(lán)寶石玻璃

圖3 紅外熱像儀測試段外觀

利用紅外熱像儀測試被測件溫度分布時，被測件的熱輻射需穿過高溫燃?xì)?、藍(lán)寶石窗口玻璃以及環(huán)境大氣，試驗(yàn)物理模型如圖4所示。

圖4 紅外熱像儀溫度測試試驗(yàn)物理模型

在測試時，紅外熱像儀測試精度除了受被測件發(fā)射率影響外，還會受到高溫燃?xì)?、藍(lán)寶石玻璃、環(huán)境大氣自身輻射與吸收的影響，對每項(xiàng)影響因素進(jìn)行分析，得到紅外熱像儀接受的輻射強(qiáng)度理論計算公式

式中：E為紅外熱像儀接受的輻射強(qiáng)度；Et為被測件本身輻射強(qiáng)度；Ef為燃?xì)廨椛鋸?qiáng)度；Eg為藍(lán)寶石玻璃輻射強(qiáng)度；Ea為空氣輻射強(qiáng)度；ξ為被測件表面發(fā)射率；ξf為燃?xì)獍l(fā)射率；ξg為藍(lán)寶石玻璃發(fā)射率；ξa為空氣發(fā)射率；τf為燃?xì)馔高^率；τg為藍(lán)寶石玻璃透過率；τa為空氣透過率。

3.2 溫度測試方法

在試驗(yàn)時，利用紅外熱像儀和K型熱電偶在同一時刻對被測件的表面溫度進(jìn)行測試。被測件為1 塊帶有引線孔的金屬平板，在試驗(yàn)件上穿過引線孔安裝6 個K 型熱電偶，熱電偶布置如圖5 所示。利用K 型熱電偶實(shí)時監(jiān)測6 個點(diǎn)的壁面溫度，K 型熱電偶測溫精度為1%，傳感器采用電壓電偶測量儀。

圖5 熱電偶布置

紅外熱像儀內(nèi)裝有3.97～4.01 μm濾光片，該波段濾光片能夠有效濾掉高溫燃?xì)獾妮椛?，紅外熱像儀擺放在距離被測件2 m 處，鏡頭與被測件垂直，利用黑體爐校準(zhǔn)，其技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 紅外熱像儀參數(shù)

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 熱像數(shù)據(jù)與熱電偶溫度測試結(jié)果對比

依次將進(jìn)口空氣流量、進(jìn)口壓力以及被測件溫度調(diào)節(jié)至指定狀態(tài)，在同一狀態(tài)下保持3 min，待被測件表面溫度變化小于±1 ℃時，利用紅外熱像儀和熱電偶同時對被測件表面溫度進(jìn)行測試，在測試過程中紅外熱像儀透過光學(xué)玻璃和高溫燃?xì)猥@得各狀態(tài)下被測件的紅外熱像圖，紅外熱像儀測試結(jié)果如圖6 所示，同時利用熱電偶直接采集被測件各點(diǎn)的溫度。

圖6 在不同狀態(tài)下紅外熱像儀測試結(jié)果

由于熱電偶表面有貼片覆蓋，并且貼片材料較為光滑，其發(fā)射率較低，無法直接獲取熱電偶上的熱像數(shù)據(jù)，為了減小熱像儀測試誤差，按照以下原則選取數(shù)據(jù)：取熱電偶貼片附近3 個點(diǎn)的平均值代表熱電偶周圍溫度情況。

對制造數(shù)據(jù)分析完成之后需要將關(guān)鍵參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫中，程序使用了一個封裝數(shù)據(jù)庫類ADoconn來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的操作。其使用方法如下所示：

為了減小測試的隨機(jī)誤差，將6 個熱電偶的測試數(shù)據(jù)取平均值，各熱電偶附近的熱像儀測試數(shù)據(jù)也取平均值，并計算二者的偏差，所得到的不同狀態(tài)下熱電偶和紅外熱像儀測試結(jié)果對比見表3。

表3 熱電偶和紅外熱像儀測試結(jié)果對比

熱電偶和紅外熱像儀在不同狀態(tài)下的測試結(jié)果變化趨勢如圖7所示。

圖7 熱電偶和紅外熱像儀測試結(jié)果變化趨勢

從圖中可見，紅外熱像儀測試結(jié)果比熱電偶測試結(jié)果偏低，隨著溫度的升高，熱電偶和紅外熱像儀測試結(jié)果偏差增大。這主要是由于紅外熱像儀與被測件之間的窗口玻璃、高溫燃?xì)饧碍h(huán)境大氣對被測件輻射能量有一定的衰減所致。

4.2 測試結(jié)果修正

在試驗(yàn)中影響紅外熱像儀測試精度的主要因素有：被測件發(fā)射率、高溫燃?xì)廨椛渑c吸收、窗口玻璃輻射與吸收、大氣輻射與吸收。被測件表面為氧化后的金屬表面，可近似當(dāng)作灰體；高溫燃?xì)獾闹饕煞质撬魵夂投趸?，由于高溫燃?xì)廨椛鋵ΣㄩL有選擇性，二氧化碳的主要波段為2.65～2.80 μm、4.15～4.45 μm，水蒸氣的主要波段為2.55～2.84 μm、5.6 ～7.6 μm，紅外熱像儀通過3.97 ～4.01 μm 窄帶濾光片可以避開高溫燃?xì)獾闹饕椛洳ǘ?，高溫燃?xì)庠?.97～4.01 μm 的吸收和輻射可以忽略；紅外熱像儀距離被測件2 m，在3.97～4.01 μm為較好的大氣窗口，大氣吸收影響也相對較小。

為了分析藍(lán)寶石玻璃對紅外熱像儀測試精度的影響，利用紅外光譜輻射計測試常溫下藍(lán)寶石玻璃的透過率，在3～5 μm波段內(nèi)藍(lán)寶石玻璃的透過率分布如圖8所示。從圖中可見，在3.0～3.8 μm波段內(nèi)，藍(lán)寶石玻璃的透過率為0.9左右；在3.8～5.0 μm 波段內(nèi)，隨著波長的增加，藍(lán)寶石玻璃的透過率減??；在3.97～4.01 μm波段內(nèi)，藍(lán)寶石玻璃透過率為0.88左右。藍(lán)寶石玻璃紅外吸收系數(shù)是聲子能量和溫度的函數(shù)，隨著溫度的升高，藍(lán)寶石玻璃內(nèi)部聲子振動加劇，最大能量的聲子密度增大，藍(lán)寶石窗口玻璃透過率隨之減小[15-16]。

圖8 藍(lán)寶石玻璃透過率

由于試驗(yàn)工況及周圍環(huán)境復(fù)雜多變，很難精確計算每項(xiàng)因素對測試精度的影響，為了方便工程應(yīng)用，將被測件與紅外熱像儀之間的影響因素綜合起來，得到1個綜合修正系數(shù)K

式中：Tri為第i個紅外熱像儀測試結(jié)果；Tcj為第j個熱電偶測試結(jié)果；m為紅外熱像儀測試點(diǎn)總數(shù)；n為熱電偶測試點(diǎn)總數(shù)。

在本試驗(yàn)中，現(xiàn)場熱電偶與被測件表面接觸形式為等溫線接觸，在該接觸形式下熱端的溫度梯度較小，散熱量較小，測量準(zhǔn)確度較高；熱電偶焊接形式為交叉焊，2 個熱電極分叉處與壁面的距離較小，接點(diǎn)導(dǎo)熱誤差較小，熱電偶測溫精度為1%。此外，在測溫前將進(jìn)口空氣流量、進(jìn)口壓力以及被測件溫度調(diào)節(jié)至指定狀態(tài)，在同一狀態(tài)下保持3 min，待被測件壁面溫度變化小于±1 ℃時才開始測試，以保證熱電偶與被測件之間溫度平衡。綜合上述因素，近似認(rèn)為熱電偶測量值為被測件壁面溫度真值，可以利用熱電偶測試結(jié)果對紅外熱像儀測試結(jié)果進(jìn)行修正，獲取實(shí)時試驗(yàn)狀態(tài)下的綜合修正系數(shù)。

對各狀態(tài)下熱電偶和紅外熱像儀的測量值進(jìn)行計算，獲得的綜合修正系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律如圖9所示。從圖中可見，隨著溫度的升高，綜合修正系數(shù)逐漸減小，但溫度升高到400 ℃時，綜合修正系數(shù)減小的趨勢逐漸趨于平緩。這主要是因?yàn)殡S著溫度的升高，藍(lán)寶石窗口玻璃透過率減小，導(dǎo)致綜合修正系數(shù)減??；當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，窗口玻璃的溫度也隨之升高，導(dǎo)致窗口玻璃自身的紅外輻射也顯著增強(qiáng)，同時高溫燃?xì)獾妮椛湟蚕鄳?yīng)增大，2種因素綜合起來導(dǎo)致溫度超過400 ℃時綜合修正系數(shù)減小的趨勢趨于平緩。

圖9 綜合修正系數(shù)隨溫度的變化趨勢

利用最小二乘法擬合出綜合修正系數(shù)和溫度之間的關(guān)系

式中：Tr為紅外熱像儀測試溫度。

為了驗(yàn)證該方法的有效性，重新依次調(diào)節(jié)7 個不同被測件溫度狀態(tài)，分別用紅外熱像儀和熱電偶在同一時刻進(jìn)行測量，并按式（3）計算出各點(diǎn)的綜合修正系數(shù)，從而對紅外熱像儀數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，經(jīng)計算，修正后的紅外熱像儀與熱電偶溫度測試數(shù)據(jù)之間的偏差均小于1.5%，紅外熱像儀溫度測試數(shù)據(jù)修正的計算結(jié)果見表4。

表4 紅外熱像儀溫度測試數(shù)據(jù)修正計算結(jié)果

由于試驗(yàn)持續(xù)時間較長，在驗(yàn)證方法的有效性時，被測件和藍(lán)寶石玻璃表面會受到高溫燃?xì)夂臀慈碱w粒物的影響，使被測件表面發(fā)射率發(fā)生小幅變化，同時藍(lán)寶石玻璃會受到一定程度的污染，也會使其透過率發(fā)生小幅變化。對熱像儀和熱電偶的測量偏差不確定度進(jìn)行分析可知，不確定度的來源為：熱電偶準(zhǔn)確度誤差μ1、熱像儀準(zhǔn)確度誤差μ2、溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差μ3、被測件發(fā)射率誤差μ4、藍(lán)寶石玻璃透過率誤差μ5，各不確定度評定分量值見表5，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度結(jié)果為0.946%。

表5 各不確定度評定分量值

5 結(jié)論

（1）利用綜合修正系數(shù)修正后，紅外熱像儀和熱電偶溫度測試結(jié)果之間的偏差可控制在1.5%以內(nèi)；

（2）受高溫燃?xì)夂痛翱诓Ａ张c輻射的影響，綜合修正系數(shù)隨溫度升高逐漸減小，但當(dāng)被測件溫度超過400 ℃時，綜合修正系數(shù)變化趨勢逐漸趨于平緩；

（3）利用該修正方法能有效地修正紅外熱像儀在不同溫度條件下的溫度場測試數(shù)據(jù)，為后續(xù)航空發(fā)動機(jī)加力燃燒室高溫構(gòu)件溫度分布測試提供了一種方法和思路。