渦輪葉片應變/溫度非接觸同步測試技術分析

■ 荊甫雷 張常賢 王希影 賈真 唐詩白 劉金龍 吳長波 黃勁東 / 中國航發研究院潘兵 / 北京航空航天大學 符泰然 / 清華大學

渦輪葉片應變、溫度非接觸測試技術克服了傳統測試的干擾流場、破壞被測件等缺點，可以為熱端部件結構設計與強度壽命評估提供更為可靠的技術支撐。

航空發動機渦輪葉片服役時承受著復雜交變的多場耦合載荷和環境作用，在強時變、大梯度的溫度場與應力場耦合作用下極易產生疲勞裂紋、掉塊等故障（如圖 1所示），造成整機/部件性能惡化，危及發動機的安全性和可靠性。對渦輪葉片應變場、溫度場及其變化歷程的精準刻畫是認識材料損傷演化過程和結構壽命評估的基礎。渦輪轉子葉片除承受離心力、氣動力、振動等交變機械載荷外，還有外部高溫燃氣和內部高壓冷氣共同作用產生的熱應力，熱應力與機械應力耦合造成葉片疲勞損傷累積乃至破壞（如圖 2所示）。目前傳統的單點、單參數或峰值測量無法描述服役過程中葉片應變、溫度場穩態和瞬態分布及二者的耦合作用，而基于光學原理的非接觸測試技術則克服了接觸式測試干擾流場、破壞被測件等缺點，具有很高的研究價值。

圖2 發動機I類循環渦輪葉片上的熱-機械耦合載荷示意

應變非接觸測量技術現狀

高溫環境下應變非接觸測量技術概況

目前用于材料表面全場高溫變形的非接觸式光學測量方法主要有云紋干 涉（moire interferometry，MI）、 電子散斑干涉（electronic speckle pattern interferometry，ESPI）和數字圖像相關（digital image correlation，DIC） 等方法。基于相干光波干涉原理的云紋和電子散斑干涉法的位移測量靈敏度非常高（可達波長量級），具有測量結果直觀可視的優點，缺點是需激光作為照明光源，測量光路較復雜，對被測試樣表面和測量環境要求苛刻，只能在實驗室暗室中的光學隔振平臺上進行，很難在真實試驗現場測量高溫變形。數字圖像相關方法更適合全場高溫變形測量，優勢包括：僅需一個或兩個數字相機，光路、試驗設備和試驗過程簡單；采用白光或單色光照明，對測量環境和隔振要求較低，可實現現場測量；時間和空間分辨率可根據測試對象需求靈活調整。

圖3 “圖像退相關”現象

圖4 高溫下散斑被氧化，與基底熱膨脹欠匹配產生裂紋不穩定現象

數字圖像相關方法原理

數字圖像相關方法是基于數字圖像處理和計算機視覺的非接觸式、全場形貌變形光學測量方法，測量過程中首先獲取不同載荷下被測物體表面的數字圖像，然后基于區域灰度互相關計算的匹配算法進行圖像分析，定量提取材料、部件、結構或生物組織在載荷作用下的全場位移和應變信息。DIC技術測量試驗件表面變形主要包括三個步驟：散斑制備，被測試件表面必須有隨機變化的灰度分布作為變形信息的載體；數字圖像采集，通過一個相機（2D-DIC）或兩個同步相機（3D-DIC），采集不同狀態下被測試件表面的數字圖像；位移場和應變場的計算。

2D-DIC方法在高溫變形測量應用中的發展

1996年，美國南卡羅來納大學的薩頓（Sutton）用DIC技術獲得了鉻鎳鐵超合金材料650°C下的熱膨脹系數和彈性模量，發現DIC方法測量材料高溫變形面臨兩個挑戰：熱物體表面的熱輻射將會導致相機采集的被測試樣表面數字圖像的亮度加強、對比度明顯降低（如圖 3所示），產生所謂的“退相關”效應；高溫加熱導致成像光路中的空氣溫度升高，引起空氣折射率變化和對流，即所謂的“熱霧”（heat haze），這種熱氣流擾動會帶來幾百個甚至幾千個微應變的測量誤差。

針對以上挑戰，薩頓采用強光光源或帶通濾波片阻隔紅外波段的熱輻射，在高溫環境箱內安裝風扇以使爐內溫度保持均勻，減少“熱霧”影響。之后發現觀察窗口用光學玻璃的質量對圖像也有影響，建議用光學級石英玻璃。此外，散斑漆顆粒隨著被測試樣表面溫度的升高發生氧化或燒蝕（如圖 4所示），也會導致數據失效。

2009年，格蘭特（Grant）等研究人員采用藍光光源和窄帶通濾波片來克服高溫熱輻射，在800°C的環境下測量了高溫合金RR1000的楊氏模量和熱膨脹系數。超過800°C時，樣品表面被快速氧化導致散斑變化，測量失敗，建議用真空環境可保持不被氧化表面散斑圖案，以減少“熱霧”帶來的誤差。近年來，北京航空航天大學的潘兵、美國的佐克（Zok）、法國的勒普萊（Leplay）等用藍光光源和窄帶通濾波片，即藍光DIC與高溫爐、輻射、激光和感應加熱等設備相結合，實現了最高達1550°C的高溫變形測量。為克服熱輻射影響，有研究者搭建了基于紫外成像的高溫變形系統，測量了1400°C下氧化鋁陶瓷的二維全場變形。帕德博恩大學的托馬斯（Thomas）等人用2D-DIC技術對第三代鋁鈦合金700℃有氧環境下疲勞誘導的損傷積累進行了演化監測，成功地探測到裂紋萌生點。

3D-DIC方法在高溫變形測量應用中的發展

2012年，有研究者發展了基于單色光照明和光學帶通濾波器成像的新型主動成像3D-DIC系統，克服了高溫熱輻射引起的“圖像退相關”效應，實現了鉻鎳奧氏體不銹鋼板材1200℃下的全場熱變形測量。但基于同步雙相機的測試系統結構復雜、尺寸大，以及客觀存在的幾何差異、光強差異，因此雙相機同步觸發裝置和技術十分復雜，而發展一種基于單高速相機的3D-DIC方法成為較為可行的解決途徑。

近年來單相機測量系統研究工作已見文獻，例如，基于條紋投影和2D-DIC的三維位移測量方法；利用投影儀將不同顏色的散斑和條紋同時投影到物體表面，然后從采集到的彩色圖像中分離出散斑圖和條紋圖，最后用2D-DIC和條紋分析方法分別處理散斑圖像和條紋圖像以獲得物體表面的面內位移和離面位移；基于2D-DIC和投影散斑的三維變形測量方法，通過投影和噴涂技術分別在試樣表面上投影和制作兩種不同顏色的散斑，然后通過分離彩色圖像獲得不同通道子圖像用于面內和離面位移的計算。

以上幾種方法適用范圍較小、數據處理較為復雜，在實際測量中并不普遍。目前常見的單相機三維變形測量技術主要包括基于光柵衍射、棱鏡折射以及平面鏡反射的單相機三維數字圖像相關方法，構建虛擬雙目立體視覺系統來實現三維變形測量。即在傳統2D-DIC系統中的相機和被測物體之間放置一個光學元件（如衍射光柵、雙棱鏡和平面鏡組，這三種方法優缺點見表1），原有的成像光路被分成兩條光路。物體表面發出的光線通過這兩條不同光路到達相機靶面，形成兩個互不重疊的子圖像。通過分析這兩個子圖像獲得物體表面的三維形貌、位移和應變信息。

表1 基于平面鏡反射、雙棱鏡折射和光柵衍射的立體視覺技術優缺點

溫度非接觸測量技術現狀

非接觸輻射測溫技術主要分為被動式和主動式兩大類：基于目標自發熱輻射強度的被動式輻射測溫技術；通過外部光源作用下的目標激發光譜主動式輻射測溫技術。

輻射測溫技術的方法原理

被動式輻射測溫技術發展初期為單光譜（單色測溫法）技術，通過單個光譜（波段或波長）的熱輻射強度測量，獲得目標溫度。雙光譜（雙色/比色測溫法）輻射測溫技術主要針對目標表面發射率變化或未知，或測量光路中存在灰塵、部分遮擋等測量環境，具有很強的目標與環境適應性。比色測溫采用信號比值的處理方式，測量靈敏度要小于單色測溫的靈敏度，此外，隨著測量光譜擴展至長波紅外時，比色測溫的靈敏度也會顯著降低，因此比色測溫技術多采用0.7～2.5μm近紅外光譜，適用于300℃以上的中高溫測量。多光譜輻射測溫技術通過多個光譜下的輻射強度測量，結合特定的光譜發射率函數，構建多波長輻射測量方程，實現溫度測量。多波長的優化選擇可避免輻射測量中的干擾譜線，具有更好的適應性。

主動式輻射測溫技術以熒光測溫技術為主，優點在于熒光信號與溫度強相關，不依賴于目標表面的發射率以及絕對輻射強度，不受相關環境因素干擾，一定程度上避免了熱輻射光學測溫的局限性問題，測溫范圍寬、重復性好、精度極高，不干擾被測表面溫度場，具有靈敏的發射光譜、空間分辨率和高效發光特性，已成為新型傳感器技術的重要手段。

輻射測溫技術在應用中的發展

對于主動式輻射測溫技術，河北工程大學、中北大學、上海交通大學等國內科研機構在中低溫量程的熒光測溫技術方面開展了相關研究工作，尚未實現渦輪葉片上的工程應用。羅羅公司研制了采用266nm 高功率脈沖激光器測量渦輪葉片表面溫度的熒光測溫系統。普惠公司在發動機試驗臺上對熒光測溫技術進行了驗證。美國橡樹嶺國家實驗室和洛斯阿拉莫斯國家實驗室聯合研制了基于光纖傳輸的熒光測溫系統，實現了燃燒環境下1200℃靜子葉片溫度測量。艾利遜公司研制了基于266nm 激光激勵下的Y2O3:Eu 熒光衰減壽命的渦輪葉片光纖傳感測溫系統，溫度測量范圍200 ～1000℃。美國國家航空航天局（NASA）格倫研究中心開展了GAP:Cr、GdAlO3:Cr、YAG:Tm 等多種類熒光的衰減壽命測溫試驗研究，基于355nm 激光激發YAG:Tm熒光所產生的365nm 和456nm 熒光發射光譜測溫上限達到1400℃。英國帝國理工大學開展了高溫熒光材料體系應用于渦輪葉片高溫測量性能研究。

被動式輻射測溫技術可分為逐點和全場溫度測量。逐點溫度測量采用單像元的光電或熱電傳感器，適用于動態溫度的在線監測，在高速/超高速輻射測溫中有很好的應用優勢。比色與多光譜測溫一般為點目標輻射測量，適用于航空發動機、燃氣輪機、高速飛行器等的高溫部件測溫。全場溫度測量一般采用紅外熱像儀，是一種面成像輻射測溫儀，主要分為制冷/非制冷、中波/長波、高/低分辨率、顯微/常規成像等各種規格。對于曲面目標或者三維目標溫度場測量，面成像測溫儀需考慮方向發射率的輻射校準以及空間投影的幾何校準。

總之，具有多光譜與場測量功能的輻射測溫儀是輻射測溫技術的發展方向，兼顧了光譜與空間測量需求，具有比色/多光譜測溫儀、面成像測溫儀的優點，可實現未知發射率目標的溫度場測量。

應變/溫度同步測試工程實現的技術挑戰

實現應變場和溫度場的同步測試包括獲取渦輪葉片應變、溫度分布及變化歷程和反映渦輪葉片熱應力與機械應力的耦合作用等目標，達成上述目標面臨以下幾個方面的技術挑戰。

同步技術

同步測試技術是獲得渦輪葉片表面溫度場、應力場及其變化歷程的關鍵，也是開展進一步仿真驗證和壽命評估的基礎。

一是散斑漆對溫度場測量的影響分析和修正技術。應變場測量時在被測目標上噴涂的散斑漆改變了目標本身的表面狀態，影響了發射率和輻射測溫結果。不同類型、不同顏色散斑漆的發射率不同，不同的溫度、工作環境和燒蝕狀態下也有一定差異，必須分析散斑漆對溫度場測量的影響，建立修正方法對測量結果修正。

二是發動機渦輪葉片的機械應變解耦技術。葉片工作時承受著熱、離心和氣動載荷的耦合作用。首先通過計算將熱應變從總應變場中分離，然后針對葉片由離心力及氣動力產生的應變試驗測量的解耦問題開展葉片機械應變試驗測量解耦研究，通過不確定度理論去除應變測量結果中由測量誤差引入的抖動，基于修正后的應變測量結果提出離心和氣動應變的解耦模型。

環境適應性

高溫環境會造成散斑熱氧化，致使散斑漆的原始灰度或形貌發生變化，制備抗高溫氧化且有較強穩定性的高溫散斑漆是一個挑戰。為保證高質量試驗圖像獲取，實驗過程中散斑顆粒應穩定附著在渦輪葉片表面，不能發生滑動或脫落，獲取高強度黏結力的高溫散斑材料是一個巨大挑戰。

數據實時處理

應力和溫度高速相機用于測試數據的全采樣工況，采樣頻率高達20000幀/s，數據量可達80GB/s，連續采樣時間5min，總數據量可達24TB，數據規模對數據存儲和后繼計算壓力過大；而應變計算模塊單機處理能力只有10000幀/h，對數據進行解算的時長難于滿足試驗分析要求。因此，降低存儲數據量和提升應力采樣的解算速率是非接觸測量過程的一個難點問題。

結束語

綜上所述，為實現在渦輪葉片上的工程應用，應針對非接觸應變/溫度場同步測試技術開展特征模擬件實驗室工況和真實構件典型工況的逐級、多層次、充分、有效的驗證。根據渦輪葉片的氣動外形，設計專用試驗裝置和專用測試窗口，結合接觸式測試和仿真結果對比分析，驗證系統對強時變、大梯度應力/溫度場的測試精度，以及高溫高速燃氣干擾、強背景輻射和目標葉片高速旋轉、振動等發動機工作條件的適應性和有效性，對熱端部件多場耦合仿真分析方法進行多層次驗證/修正，為熱端部件結構設計與強度壽命評估提供支撐。