蘇文超 ，彭 新 ，劉春宇 ，馬 慧 ，張哲衡 ，初少斌 ，吳 云

（1.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015；2.空軍裝備部駐沈陽(yáng)地區(qū)第二軍事代表室，沈陽(yáng) 110043）

0 引言

加力燃燒室是軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件之一，其內(nèi)部各構(gòu)件在工作時(shí)處于高溫燃?xì)猸h(huán)境中，承受的熱負(fù)荷較高，常常會(huì)產(chǎn)生熱變形和燒蝕問(wèn)題[1]，從而導(dǎo)致加力燃燒室無(wú)法正常工作。為了更好地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室進(jìn)行設(shè)計(jì)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(wèn)題產(chǎn)生的根本原因。目前，加力燃燒室高溫部件溫度測(cè)試主要采用熱電偶，但熱電偶只能測(cè)取單點(diǎn)溫度，很難獲取高溫部件的溫度分布場(chǎng)，經(jīng)常出現(xiàn)局部超溫而監(jiān)測(cè)不到的問(wèn)題；并且熱電偶需要預(yù)埋在試驗(yàn)件上，會(huì)對(duì)試驗(yàn)件造成局部破壞。采用紅外熱像儀能夠?qū)崟r(shí)全面監(jiān)測(cè)高溫部件的溫度分布場(chǎng)，具有響應(yīng)時(shí)間短、分辨率高、測(cè)溫范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，紅外熱像儀測(cè)試是一種非接觸測(cè)量方式，不會(huì)破壞試驗(yàn)件，而且可以提高試驗(yàn)效果。但由于在測(cè)試時(shí)試驗(yàn)件周圍有高溫燃?xì)?，紅外熱像儀只能透過(guò)測(cè)試窗進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試窗和高溫燃?xì)鈺?huì)影響紅外熱像儀測(cè)試的準(zhǔn)確性，因此亟需探索利用紅外熱像儀測(cè)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(duì)紅外熱像儀測(cè)溫誤差的影響程度，給出根據(jù)熱像儀測(cè)得的輻射溫度準(zhǔn)確算出被測(cè)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(cè)溫原理研究了被測(cè)物體表面發(fā)射率、吸收率、環(huán)境溫度和大氣溫度對(duì)測(cè)溫誤差的影響；楊滿忠等[8]研究了紅外輻射大氣透過(guò)率計(jì)算方法；王中任等[9]研究了金屬反光表面發(fā)射率測(cè)定方法；趙桓[10]針對(duì)紅外熱像儀應(yīng)用于紅外窗口測(cè)溫的情形，開展了基于熱像儀測(cè)量的光譜優(yōu)化選擇分析，并進(jìn)一步分析在該優(yōu)化測(cè)量光譜通道內(nèi)的紅外窗口表觀輻射特性；譚鋒等[11]通過(guò)在傳統(tǒng)的黑體標(biāo)定測(cè)溫算法中引入差值查表標(biāo)定、測(cè)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(cè)溫精度的算法；田培培等[12]從理論角度分析了測(cè)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(guò)程，得到爆炸火球表面的溫度場(chǎng)分布信息；楊昆等[13]利用紅外熱像儀測(cè)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(cè)技術(shù)對(duì)柴油機(jī)排氣不均勻度診斷和預(yù)測(cè)的可行性和有效性。但目前利用紅外熱像儀測(cè)試航空發(fā)動(dòng)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(cè)試精度不高的問(wèn)題。

本文研究了利用紅外熱像儀測(cè)試燃?xì)猸h(huán)境中高溫部件溫度時(shí)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(dòng)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(cè)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(dòng)閥門控制，通過(guò)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(dòng)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(cè)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(guò)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(cè)試段上，測(cè)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(cè)試段外觀

利用紅外熱像儀測(cè)試被測(cè)件溫度分布時(shí)，被測(cè)件的熱輻射需穿過(guò)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(cè)試試驗(yàn)物理模型

在測(cè)試時(shí)，紅外熱像儀測(cè)試精度除了受被測(cè)件發(fā)射率影響外，還會(huì)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(duì)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(jì)算公式

式中：E為紅外熱像儀接受的輻射強(qiáng)度；Et為被測(cè)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(cè)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^(guò)率；τg為藍(lán)寶石玻璃透過(guò)率；τa為空氣透過(guò)率。

3.2 溫度測(cè)試方法

在試驗(yàn)時(shí)，利用紅外熱像儀和K型熱電偶在同一時(shí)刻對(duì)被測(cè)件的表面溫度進(jìn)行測(cè)試。被測(cè)件為1 塊帶有引線孔的金屬平板，在試驗(yàn)件上穿過(guò)引線孔安裝6 個(gè)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(shí)監(jiān)測(cè)6 個(gè)點(diǎn)的壁面溫度，K 型熱電偶測(cè)溫精度為1%，傳感器采用電壓電偶測(cè)量?jī)x。

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)獾妮椛洌t外熱像儀擺放在距離被測(cè)件2 m 處，鏡頭與被測(cè)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(cè)試結(jié)果對(duì)比

依次將進(jìn)口空氣流量、進(jìn)口壓力以及被測(cè)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(cè)件表面溫度變化小于±1 ℃時(shí)，利用紅外熱像儀和熱電偶同時(shí)對(duì)被測(cè)件表面溫度進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試過(guò)程中紅外熱像儀透過(guò)光學(xué)玻璃和高溫燃?xì)猥@得各狀態(tài)下被測(cè)件的紅外熱像圖，紅外熱像儀測(cè)試結(jié)果如圖6 所示，同時(shí)利用熱電偶直接采集被測(cè)件各點(diǎn)的溫度。

圖6 在不同狀態(tài)下紅外熱像儀測(cè)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(wú)法直接獲取熱電偶上的熱像數(shù)據(jù)，為了減小熱像儀測(cè)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(gè)點(diǎn)的平均值代表熱電偶周圍溫度情況。

對(duì)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(kù)中，程序使用了一個(gè)封裝數(shù)據(jù)庫(kù)類ADoconn來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作。其使用方法如下所示：

為了減小測(cè)試的隨機(jī)誤差，將6 個(gè)熱電偶的測(cè)試數(shù)據(jù)取平均值，各熱電偶附近的熱像儀測(cè)試數(shù)據(jù)也取平均值，并計(jì)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(cè)試結(jié)果對(duì)比見表3。

表3 熱電偶和紅外熱像儀測(cè)試結(jié)果對(duì)比

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

圖7 熱電偶和紅外熱像儀測(cè)試結(jié)果變化趨勢(shì)

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

4.2 測(cè)試結(jié)果修正

在試驗(yàn)中影響紅外熱像儀測(cè)試精度的主要因素有：被測(cè)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(cè)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?duì)波長(zhǎng)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(guò)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(cè)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(duì)較小。

為了分析藍(lán)寶石玻璃對(duì)紅外熱像儀測(cè)試精度的影響，利用紅外光譜輻射計(jì)測(cè)試常溫下藍(lán)寶石玻璃的透過(guò)率，在3～5 μm波段內(nèi)藍(lán)寶石玻璃的透過(guò)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(guò)率為0.9左右；在3.8～5.0 μm 波段內(nèi)，隨著波長(zhǎng)的增加，藍(lán)寶石玻璃的透過(guò)率減??；在3.97～4.01 μm波段內(nèi)，藍(lán)寶石玻璃透過(guò)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(dòng)加劇，最大能量的聲子密度增大，藍(lán)寶石窗口玻璃透過(guò)率隨之減小[15-16]。

圖8 藍(lán)寶石玻璃透過(guò)率

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

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

在本試驗(yàn)中，現(xiàn)場(chǎng)熱電偶與被測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確度較高；熱電偶焊接形式為交叉焊，2 個(gè)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(cè)溫精度為1%。此外，在測(cè)溫前將進(jìn)口空氣流量、進(jìn)口壓力以及被測(cè)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(cè)件壁面溫度變化小于±1 ℃時(shí)才開始測(cè)試，以保證熱電偶與被測(cè)件之間溫度平衡。綜合上述因素，近似認(rèn)為熱電偶測(cè)量值為被測(cè)件壁面溫度真值，可以利用熱電偶測(cè)試結(jié)果對(duì)紅外熱像儀測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正，獲取實(shí)時(shí)試驗(yàn)狀態(tài)下的綜合修正系數(shù)。

對(duì)各狀態(tài)下熱電偶和紅外熱像儀的測(cè)量值進(jìn)行計(jì)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(shí)，綜合修正系數(shù)減小的趨勢(shì)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(guò)率減小，導(dǎo)致綜合修正系數(shù)減??；當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，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(shí)高溫燃?xì)獾妮椛湟蚕鄳?yīng)增大，2種因素綜合起來(lái)導(dǎo)致溫度超過(guò)400 ℃時(shí)綜合修正系數(shù)減小的趨勢(shì)趨于平緩。

圖9 綜合修正系數(shù)隨溫度的變化趨勢(shì)

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(cè)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(gè)不同被測(cè)件溫度狀態(tài)，分別用紅外熱像儀和熱電偶在同一時(shí)刻進(jìn)行測(cè)量，并按式（3）計(jì)算出各點(diǎn)的綜合修正系數(shù)，從而對(duì)紅外熱像儀數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，經(jīng)計(jì)算，修正后的紅外熱像儀與熱電偶溫度測(cè)試數(shù)據(jù)之間的偏差均小于1.5%，紅外熱像儀溫度測(cè)試數(shù)據(jù)修正的計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 紅外熱像儀溫度測(cè)試數(shù)據(jù)修正計(jì)算結(jié)果

由于試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，在驗(yàn)證方法的有效性時(shí)，被測(cè)件和藍(lán)寶石玻璃表面會(huì)受到高溫燃?xì)夂臀慈碱w粒物的影響，使被測(cè)件表面發(fā)射率發(fā)生小幅變化，同時(shí)藍(lán)寶石玻璃會(huì)受到一定程度的污染，也會(huì)使其透過(guò)率發(fā)生小幅變化。對(duì)熱像儀和熱電偶的測(cè)量偏差不確定度進(jìn)行分析可知，不確定度的來(lái)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(cè)件發(fā)射率誤差μ4、藍(lán)寶石玻璃透過(guò)率誤差μ5，各不確定度評(píng)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(píng)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(cè)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(cè)件溫度超過(guò)400 ℃時(shí)，綜合修正系數(shù)變化趨勢(shì)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(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，為后續(xù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室高溫構(gòu)件溫度分布測(cè)試提供了一種方法和思路。