燃氣環境內高溫部件紅外測溫試驗方法

蘇文超 ，彭 新 ，劉春宇 ，馬 慧 ，張哲衡 ，初少斌 ，吳 云

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

0 引言

加力燃燒室是軍用航空發動機核心部件之一，其內部各構件在工作時處于高溫燃氣環境中，承受的熱負荷較高，常常會產生熱變形和燒蝕問題[1]，從而導致加力燃燒室無法正常工作。為了更好地對發動機加力燃燒室進行設計和改進，需要獲取加力燃燒室各構件的表面溫度分布情況，以便分析高熱負荷條件下各構件的熱變形及燒蝕問題產生的根本原因。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溫度，很難獲取高溫部件的溫度分布場，經常出現局部超溫而監測不到的問題；并且熱電偶需要預埋在試驗件上，會對試驗件造成局部破壞。采用紅外熱像儀能夠實時全面監測高溫部件的溫度分布場，具有響應時間短、分辨率高、測溫范圍廣等優點，紅外熱像儀測試是一種非接觸測量方式，不會破壞試驗件，而且可以提高試驗效果。但由于在測試時試驗件周圍有高溫燃氣，紅外熱像儀只能透過測試窗進行測試，測試窗和高溫燃氣會影響紅外熱像儀測試的準確性，因此亟需探索利用紅外熱像儀測試燃氣環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，給出根據熱像儀測得的輻射溫度準確算出被測物體表面真實溫度的公式；李云紅等[4-5]、李文軍等[6]、陸子鳳[7]結合紅外熱像測溫原理研究了被測物體表面發射率、吸收率、環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射率測定方法；趙桓[10]針對紅外熱像儀應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化選擇分析，并進一步分析在該優化測量光譜通道內的紅外窗口表觀輻射特性；譚鋒等[11]通過在傳統的黑體標定測溫算法中引入差值查表標定、測溫預處理和真實溫度換算等環節，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歧管表面溫度，研究了表面發射率隨溫度變化的關系，驗證了紅外監測技術對柴油機排氣不均勻度診斷和預測的可行性和有效性。但目前利用紅外熱像儀測試航空發動機高溫燃氣環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氣環境中高溫部件溫度時的修正方法，為后續紅外熱像儀在此方面的應用提供依據。

1 試驗系統

本試驗在發動機加力部件試驗器上開展，該試驗器主要用于進行加力部件縮比模型試驗，其系統組成為內涵進氣、外涵進氣、加溫、冷卻水、排氣引射、電氣測試等系統，如圖1所示。

圖1 加力部件試驗器系統組成

內、外涵空氣是由空壓站連續供氣，空氣流量由進氣電動閥門控制，通過燃油加溫系統和電加溫系統將內外涵空氣加溫至指定溫度，并利用排氣引射系統調節試驗件前后壓力，進而模擬發動機加力部件工作狀態。

2 試驗狀態

表1 試驗狀態溫度 ℃

3 試驗方法

3.1 試驗物理模型

測試窗口選用藍寶石玻璃，如圖2 所示。藍寶石玻璃耐高溫、導熱好、硬度高、化學穩定性好[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，能夠承受該項試驗的環境高溫，利用法蘭將藍寶石玻璃固定在測試段上，測試段外觀如圖3所示。

圖2 藍寶石玻璃

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氣、藍寶石窗口玻璃以及環境大氣，試驗物理模型如圖4所示。

圖4 紅外熱像儀溫度測試試驗物理模型

在測試時，紅外熱像儀測試精度除了受被測件發射率影響外，還會受到高溫燃氣、藍寶石玻璃、環境大氣自身輻射與吸收的影響，對每項影響因素進行分析，得到紅外熱像儀接受的輻射強度理論計算公式

式中：E為紅外熱像儀接受的輻射強度；Et為被測件本身輻射強度；Ef為燃氣輻射強度；Eg為藍寶石玻璃輻射強度；Ea為空氣輻射強度；ξ為被測件表面發射率；ξf為燃氣發射率；ξg為藍寶石玻璃發射率；ξa為空氣發射率；τf為燃氣透過率；τg為藍寶石玻璃透過率；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行測試。被測件為1 塊帶有引線孔的金屬平板，在試驗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 型熱電偶實時監測6 個點的壁面溫度，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氣的輻射，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，其技術參數見表2。

表2 紅外熱像儀參數

4 試驗結果及分析

4.1 熱像數據與熱電偶溫度測試結果對比

依次將進口空氣流量、進口壓力以及被測件溫度調節至指定狀態，在同一狀態下保持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行測試，在測試過程中紅外熱像儀透過光學玻璃和高溫燃氣獲得各狀態下被測件的紅外熱像圖，紅外熱像儀測試結果如圖6 所示，同時利用熱電偶直接采集被測件各點的溫度。

圖6 在不同狀態下紅外熱像儀測試結果

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

對制造數據分析完成之后需要將關鍵參數存入數據庫中，程序使用了一個封裝數據庫類ADoconn來實現數據庫的操作。其使用方法如下所示：

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

表3 熱電偶和紅外熱像儀測試結果對比

熱電偶和紅外熱像儀在不同狀態下的測試結果變化趨勢如圖7所示。

圖7 熱電偶和紅外熱像儀測試結果變化趨勢

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

4.2 測試結果修正

在試驗中影響紅外熱像儀測試精度的主要因素有：被測件發射率、高溫燃氣輻射與吸收、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，可近似當作灰體；高溫燃氣的主要成分是水蒸氣和二氧化碳，由于高溫燃氣輻射對波長有選擇性，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氣的主要輻射波段，高溫燃氣在3.97～4.01 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寶石玻璃的透過率，在3～5 μm波段內藍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，藍寶石玻璃的透過率為0.9左右；在3.8～5.0 μm 波段內，隨著波長的增加，藍寶石玻璃的透過率減小；在3.97～4.01 μm波段內，藍寶石玻璃透過率為0.88左右。藍寶石玻璃紅外吸收系數是聲子能量和溫度的函數，隨著溫度的升高，藍寶石玻璃內部聲子振動加劇，最大能量的聲子密度增大，藍寶石窗口玻璃透過率隨之減小[15-16]。

圖8 藍寶石玻璃透過率

由于試驗工況及周圍環境復雜多變，很難精確計算每項因素對測試精度的影響，為了方便工程應用，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K

式中：Tri為第i個紅外熱像儀測試結果；Tcj為第j個熱電偶測試結果；m為紅外熱像儀測試點總數；n為熱電偶測試點總數。

在本試驗中，現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，接點導熱誤差較小，熱電偶測溫精度為1%。此外，在測溫前將進口空氣流量、進口壓力以及被測件溫度調節至指定狀態，在同一狀態下保持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果對紅外熱像儀測試結果進行修正，獲取實時試驗狀態下的綜合修正系數。

對各狀態下熱電偶和紅外熱像儀的測量值進行計算，獲得的綜合修正系數隨溫度的變化規律如圖9所示。從圖中可見，隨著溫度的升高，綜合修正系數逐漸減小，但溫度升高到400 ℃時，綜合修正系數減小的趨勢逐漸趨于平緩。這主要是因為隨著溫度的升高，藍寶石窗口玻璃透過率減小，導致綜合修正系數減小；當溫度繼續升高時，窗口玻璃的溫度也隨之升高，導致窗口玻璃自身的紅外輻射也顯著增強，同時高溫燃氣的輻射也相應增大，2種因素綜合起來導致溫度超過400 ℃時綜合修正系數減小的趨勢趨于平緩。

圖9 綜合修正系數隨溫度的變化趨勢

利用最小二乘法擬合出綜合修正系數和溫度之間的關系

式中：Tr為紅外熱像儀測試溫度。

為了驗證該方法的有效性，重新依次調節7 個不同被測件溫度狀態，分別用紅外熱像儀和熱電偶在同一時刻進行測量，并按式（3）計算出各點的綜合修正系數，從而對紅外熱像儀數據進行修正，經計算，修正后的紅外熱像儀與熱電偶溫度測試數據之間的偏差均小于1.5%，紅外熱像儀溫度測試數據修正的計算結果見表4。

表4 紅外熱像儀溫度測試數據修正計算結果

由于試驗持續時間較長，在驗證方法的有效性時，被測件和藍寶石玻璃表面會受到高溫燃氣和未燃顆粒物的影響，使被測件表面發射率發生小幅變化，同時藍寶石玻璃會受到一定程度的污染，也會使其透過率發生小幅變化。對熱像儀和熱電偶的測量偏差不確定度進行分析可知，不確定度的來源為：熱電偶準確度誤差μ1、熱像儀準確度誤差μ2、溫度數據采集系統誤差μ3、被測件發射率誤差μ4、藍寶石玻璃透過率誤差μ5，各不確定度評定分量值見表5，合成標準不確定度結果為0.946%。

表5 各不確定度評定分量值

5 結論

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

（2）受高溫燃氣和窗口玻璃吸收與輻射的影響，綜合修正系數隨溫度升高逐漸減小，但當被測件溫度超過400 ℃時，綜合修正系數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據，為后續航空發動機加力燃燒室高溫構件溫度分布測試提供了一種方法和思路。