馬春武，劉忠奎，薛秀生，張 興，張志學(xué)，張玉新

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，沈陽 110015）

0 引言

航空發(fā)動機(jī)的表面溫度和放熱率是飛機(jī)和發(fā)動機(jī)協(xié)調(diào)的重要參數(shù)，高溫發(fā)動機(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。為了保障飛行安全，提高可靠性和耐久性，確保發(fā)動機(jī)和飛機(jī)的相容性，飛機(jī)承包商必須確定單位時間內(nèi)發(fā)動機(jī)傳向發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的總熱量（放熱率），并開展發(fā)動機(jī)艙的冷卻設(shè)計工作，控制發(fā)動機(jī)（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(jī)放熱率的核心問題就是如何在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中獲得發(fā)動機(jī)的表面發(fā)射率（表面黑度）。因此,本文開展了航空發(fā)動機(jī)表面發(fā)射率測試技術(shù)研究。

1 發(fā)射率理論基礎(chǔ)

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(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(shù)和手段在線測量發(fā)動機(jī)表面的發(fā)射率。

2 測量需求

國外航空發(fā)動機(jī)通用規(guī)范對航空發(fā)動機(jī)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(fēng)扇發(fā)動機(jī)通用規(guī)范中規(guī)定：發(fā)動機(jī)工作時的最大表面溫度和放熱率應(yīng)在型號規(guī)范中進(jìn)行說明。表面溫度沿長度的變化如圖1所示。發(fā)動機(jī)表面發(fā)射率分析和計算基礎(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)定試驗持久試車發(fā)動機(jī)零件目錄和結(jié)構(gòu)相同的發(fā)動機(jī)上予以驗證，測取發(fā)動機(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)動機(jī)各附件及各部位的冷卻要求、放熱率和對應(yīng)的表面溫度。

圖1 發(fā)動機(jī)表面溫度沿長度的變化

圖2 發(fā)動機(jī)熱輻射率分析和計算基礎(chǔ)

由于發(fā)動機(jī)艙的氣流流動相對較弱，發(fā)動機(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)動機(jī)的放熱率主要就是確定發(fā)動機(jī)外表面的輻射放熱率。根據(jù)輻射傳熱理論，發(fā)動機(jī)表面的輻射放熱率與發(fā)動機(jī)表面溫度及發(fā)射率相關(guān)，只要在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中通過測試獲得發(fā)動機(jī)的表面溫度、發(fā)射率以及發(fā)動機(jī)艙（或環(huán)境）溫度，就可以計算出對應(yīng)狀態(tài)的發(fā)動機(jī)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(jī)放熱率的核心問題就是如何在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中獲得發(fā)動機(jī)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(xiàn)[3]給出了有效發(fā)射率的定義和計算公式

經(jīng)推導(dǎo)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(yīng)率，與波長無關(guān)；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(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)射率與波長無關(guān)，即εeff也與波長無關(guān)，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(jié)構(gòu)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(jìn)行發(fā)射率ε的測量應(yīng)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(yīng)進(jìn)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(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）對測量低溫和低發(fā)射率對象時的系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正。

（4）2個輻射溫度計應(yīng)沿發(fā)動機(jī)周向表面進(jìn)行同一軌跡平行移動，不應(yīng)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(shè)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(zhuǎn)換為電信號，進(jìn)而在顯示器上生成熱圖像和溫度值，并可以對溫度值進(jìn)行計算的1種檢測設(shè)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(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(xiàn)[4]推導(dǎo)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(yīng)的信號電壓；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應(yīng)的目標(biāo)可視面積；d為該目標(biāo)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(rèn)為是1個參數(shù)常量

式中：Rλ為探測器的光譜響應(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)動機(jī)機(jī)匣的金屬表面滿足灰體近似，則 ε=α。對于大氣，認(rèn)為 εa=αa=1-τa，在近距離進(jìn)行測量時，可以忽略大氣吸收，即τa=1，則

當(dāng)被測表面為標(biāo)準(zhǔn)輻射源黑體時，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)。

對于響應(yīng)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(jī)表面的輻射力所對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)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(rèn)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(jìn)行發(fā)射率ε的測量應(yīng)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(biāo)，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(dāng)被測固體表面溫度高于160℃時，為了保護(hù)紅外探測傳感器，在探測器紅外鏡頭前加入鍺濾光片；當(dāng)被測固體表面溫度低于160℃時，可以去掉濾光片直接進(jìn)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(yīng)用卷尺進(jìn)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(yīng)克服煙霧、灰塵、水蒸氣、二氧化碳等中間介質(zhì)的影響。

5 試驗分析

參照GJB 5892－2006《紅外輻射率測量方法》進(jìn)行試驗測試技術(shù)研究，采用加熱平臺對標(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(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，同時具有標(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。試驗設(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分別對不銹鋼、高溫合金、鈦合金、黃銅進(jìn)行了發(fā)射率的測量，結(jié)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(jié)果差別小，可以同時在發(fā)動機(jī)外機(jī)匣表面進(jìn)行發(fā)射率的在線檢測，兩者可互為校準(zhǔn)驗證，進(jìn)而保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖5 試驗設(shè)備組成

圖6 數(shù)據(jù)信息處理人機(jī)界面

表1 試驗測試結(jié)果

基于實驗室的測量驗證結(jié)果，在某型發(fā)動機(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(jī)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(jìn)行發(fā)射率的測量，隨著該項目的后續(xù)發(fā)展，不遠(yuǎn)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(jī)外表面發(fā)射率的測量

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

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