基于紅外技術(shù)的發(fā)動機(jī)低壓渦輪葉片溫度場測量

徐春雷，樸成杰，王 亮，王振華，田吉祥

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

渦輪葉片是發(fā)動機(jī)中使用壽命最短的零件之一，其工作可靠性也直接關(guān)系到發(fā)動機(jī)的使用安全；而影響渦輪葉片使用壽命和可靠性的最主要因素就是渦輪葉片的使用溫度。在發(fā)動機(jī)研制過程中，主要通過軟件計(jì)算的方式獲得發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)下的渦輪葉片溫度分布，從而進(jìn)行壽命評估和強(qiáng)度分析。但由于邊界換熱條件等數(shù)據(jù)無法獲知，計(jì)算結(jié)果與真實(shí)狀態(tài)有差距，因此在發(fā)動機(jī)研制過程中非常需要對渦輪葉片的表面溫度進(jìn)行測量[1-3]。

常規(guī)的熱電偶測溫技術(shù)只能測量渦輪葉片表面上的有限單點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，而且需要對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)、靜子進(jìn)行較大的測試改裝，以便實(shí)現(xiàn)信號傳輸；而通過采用紅外輻射溫度測量技術(shù)，可以獲取發(fā)動機(jī)整機(jī)狀態(tài)不同工況下渦輪葉片的溫度分布數(shù)據(jù)，為葉片的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和工作狀態(tài)監(jiān)測提供更加全面的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，同時(shí)大幅度減少測試改裝量。

先前關(guān)于紅外測量渦輪葉片溫度場的應(yīng)用研究多在發(fā)動機(jī)零部件和核心機(jī)試驗(yàn)中進(jìn)行[4-6]，相對較為容易，而在整機(jī)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)低壓渦輪葉片溫度場測量則最能反映葉片實(shí)際溫度分布情況。本文所研究的某型發(fā)動機(jī)低壓渦輪工作葉片為空心氣冷葉片，葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜且對材料要求較高，因此采用了紅外非接觸式溫度測量系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)整機(jī)狀態(tài)下對低壓渦輪工作葉片表面溫度場進(jìn)行了測量。

1 紅外測試系統(tǒng)工作原理

紅外測試系統(tǒng)由高溫計(jì)探針、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和地面站組成，其工作原理如圖1所示。在光學(xué)高溫計(jì)的底部設(shè)計(jì)有反光鏡片，可將葉片輻射能量傳遞到光電轉(zhuǎn)換電路中。由于在渦輪葉片上的測試光斑很小，且系統(tǒng)采樣頻率較高，因此所測量的溫度能夠真實(shí)地反映渦輪葉片的表面溫度。安裝在發(fā)動機(jī)外部的氣動活塞式驅(qū)動機(jī)構(gòu)，在地面站控制指令下可帶動高溫計(jì)探針深入發(fā)動機(jī)流道，同時(shí)結(jié)合發(fā)動機(jī)渦輪部件旋轉(zhuǎn)，可得到低壓渦輪所有葉片的輻射能量。地面站內(nèi)的測試軟件通過發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速同步信號確定渦輪葉片轉(zhuǎn)過1周，最終在計(jì)算機(jī)上可顯示低壓渦輪葉片某一高度范圍內(nèi)的溫度分布。

圖1 紅外測試系統(tǒng)工作原理

2 溫度場測試方案設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)動機(jī)測試改裝

不同于零部件和發(fā)動機(jī)核心機(jī)試驗(yàn)，在發(fā)動機(jī)整機(jī)狀態(tài)下測量渦輪葉片表面溫度場時(shí)，紅外測溫系統(tǒng)需要安裝在發(fā)動機(jī)外部并穿過外涵機(jī)匣和渦輪機(jī)匣到達(dá)主流道內(nèi)。在穿過各機(jī)匣時(shí)需要解決機(jī)匣封嚴(yán)問題和熱膨脹量不一致的問題。

為了盡量不破壞發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，本次測試選擇在發(fā)動機(jī)已有的低壓渦輪孔探儀孔位置安裝紅外測試系統(tǒng)。測試設(shè)備利用外涵機(jī)匣后安裝邊固定，設(shè)計(jì)L型固定支架和相應(yīng)固定轉(zhuǎn)接支架，測試設(shè)備在L型支架安裝平面上用固定螺栓連接。在渦輪機(jī)匣處設(shè)計(jì)了螺紋連接配合的渦輪機(jī)匣封嚴(yán)件，該封嚴(yán)件為帶浮動環(huán)式的封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，可協(xié)調(diào)內(nèi)外涵機(jī)匣熱膨脹量不一致帶來的相對運(yùn)動。同樣地在低壓渦輪導(dǎo)向葉片上也焊有帶浮動環(huán)的封嚴(yán)結(jié)構(gòu)。

為了能最大限度獲取渦輪葉片輻射能量，紅外高溫計(jì)測量光路要盡可能垂直于被測渦輪葉片表面。受環(huán)境條件限制，紅外測試設(shè)備深入發(fā)動機(jī)流道的距離有限，葉片和探頭位置關(guān)系以及測溫區(qū)域如圖2所示[7-12]。

圖2 葉片和探頭位置關(guān)系及測溫區(qū)域

2.2 轉(zhuǎn)速同步信號

在某型發(fā)動機(jī)低壓軸上安裝有轉(zhuǎn)速傳感器，該傳感器上有數(shù)十個(gè)可導(dǎo)磁的“凸齒”。在發(fā)動機(jī)工作時(shí)每個(gè)“凸齒”經(jīng)過感應(yīng)線圈時(shí)就會感應(yīng)出1個(gè)交流信號，其頻率和幅值隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增減而變化。在所有“凸齒”中，有1個(gè)“凸齒”的高度要高于其他“凸齒”，這個(gè)高幅值周期信號就是用于實(shí)現(xiàn)葉片定位的“高齒信號”。

基于可編程邏輯器件（FPGA）的高速性和可重構(gòu)性，開發(fā)了1套利用轉(zhuǎn)速信號實(shí)現(xiàn)葉片定位的葉片定位儀表[13]。該儀表可將帶有“高齒信號”的周期信號處理成標(biāo)準(zhǔn)TTL信號。其信號處理效果如圖3所示，將該TTL信號接入紅外測試系統(tǒng)后，軟件會根據(jù)每2個(gè)TTL信號的上升沿確認(rèn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)過1圈，根據(jù)輸入的葉片數(shù)信息，將溫度數(shù)據(jù)映射到每片葉片上。

2.3 冷卻氣源系統(tǒng)

圖3 葉片定位儀表信號處理效果

由于紅外測試系統(tǒng)的高溫計(jì)探針需要深入到發(fā)動機(jī)主流道內(nèi)，因此需要準(zhǔn)備高壓冷卻氣用于吹掃反光鏡面，同時(shí)要保證壓力大于流道壓力，以防止高溫燃?xì)膺M(jìn)入光學(xué)探針內(nèi)。根據(jù)紅外測試系統(tǒng)所需冷卻氣壓力和流量參數(shù)，設(shè)計(jì)了1套高壓冷卻氣源系統(tǒng)。冷卻氣源系統(tǒng)主要由空壓機(jī)、增壓泵和儲氣罐組成?？諌簷C(jī)負(fù)責(zé)提供壓縮空氣并進(jìn)行一次增壓，然后由增壓泵對其進(jìn)行二次增壓，增壓后的氣體進(jìn)入儲氣罐內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)壓和保壓。冷卻氣源系統(tǒng)在使用時(shí)通過高溫管路連接到發(fā)動機(jī)試車臺架上。

2.4 校準(zhǔn)和標(biāo)定

高溫計(jì)探針在每次試驗(yàn)前后都需要通過黑體爐進(jìn)行校準(zhǔn)，從而修正相關(guān)系數(shù)。通常的校準(zhǔn)方法是：從550℃開始，每50℃時(shí)記錄1次黑體爐的溫度和高溫計(jì)探針的輸出電壓，一直到1200℃為止。

輻射測溫實(shí)際測量得到的是電壓值，由電壓值換算到溫度時(shí)需要輸入被測物體表面發(fā)射率系數(shù)。發(fā)射率系數(shù)是1個(gè)介于0～1之間的參數(shù)，在試驗(yàn)前對渦輪葉片表面發(fā)射率進(jìn)行了標(biāo)定研究[14]。

為了標(biāo)記區(qū)分物理葉片，在3片低壓渦輪葉片表面噴涂了示溫漆。由于本次試驗(yàn)非示溫漆專項(xiàng)試驗(yàn)，因此未對示溫漆測試結(jié)果進(jìn)行判讀。

3 測試結(jié)果

以某型發(fā)動機(jī)某狀態(tài)下低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片溫度場數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，如圖4、5所示。圖中顏色越明亮代表溫度值越高?？滋絻x孔位置的渦輪葉片定義為物理1號葉片，葉片序號沿順時(shí)針方向逐漸增大，第69、71、72號葉片為3片涂有示溫漆的葉片。當(dāng)設(shè)置所有葉片發(fā)射率系數(shù)相同時(shí)，涂有示溫漆的3片葉片溫度顯示高于其他葉片。可利用示溫漆對渦輪葉片表面發(fā)射率的影響標(biāo)記物理葉片位置。測量結(jié)果顯示：采用紅外測溫技術(shù)可以清晰地得到渦輪葉片表面溫度分布云圖，在此狀態(tài)下渦輪葉片前緣和盆側(cè)清晰可見，葉片葉身溫度較為均勻，溫度較高區(qū)域位于前緣偏下位置，溫度較低區(qū)域位于葉片上部前緣靠后位置，在葉盆的中間位置，高溫區(qū)域呈現(xiàn)橢圓狀分布。

圖4 某狀態(tài)下發(fā)動機(jī)低壓渦輪前緣的溫度分布

圖5 某狀態(tài)下第1～10號葉片的溫度分布

沿徑向距離發(fā)動機(jī)中軸線分別為半徑R=396、383、368 mm的3個(gè)截面上各葉片平均溫度分布如圖6所示，第10、40、70號葉片沿徑向的平均溫度分布如圖7所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：剔除涂有示溫漆的葉片，同一水平位置下每片葉片溫度有輕微差異，無明顯過熱葉片；在測試區(qū)域內(nèi)，隨著發(fā)動機(jī)半徑逐漸減小，渦輪葉片表面溫度逐漸升高，說明葉片的最高溫度位置位于測試區(qū)域的下方，這與工程計(jì)算結(jié)果相吻合。

圖6 某狀態(tài)下3個(gè)截面位置的平均溫度分布

圖7 第10、40、70號葉片沿徑向的溫度分布

4 結(jié)論

基于紅外輻射測溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)整機(jī)狀態(tài)下的渦輪葉片溫度場測量。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到如下結(jié)論：

（1）在某狀態(tài)下渦輪葉片前緣和葉盆中間位置溫度較高，葉身整體溫度較為均勻，在葉盆的中間位置，高溫區(qū)域呈橢圓形分布。

（2）同一水平位置下每片葉片溫度有輕微差異，無明顯過熱葉片；在測試區(qū)域內(nèi)，隨著發(fā)動機(jī)半徑逐漸減小，渦輪葉片表面溫度逐漸升高。

（3）采用紅外測溫技術(shù)可以清晰地得到渦輪葉片表面溫度分布云圖。結(jié)合示溫漆標(biāo)記技術(shù)，可用于檢測溫度最高的葉片和葉片溫度最高的位置。

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