[發明專利]一種渦輪葉片三波長輻射測溫裝置及方法

有效

• 申請號: 202110168504.4
• 申請日: 2021-02-07
• 公開（公告）號: CN112964365B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 梁靜秋;呂金光;鄭凱豐;趙瑩澤;王惟彪;秦余欣;陶金;王超
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G01J5/00
• 分類號: G01J5/00;G01J5/52;G01J5/06;G01J5/90
• 代理公司: 長春中科長光知識產權代理事務所(普通合伙) 22218
• 代理人: 高一明;郭婷

本發明屬于輻射測溫技術領域，通過采集渦輪葉片在三個不同波段的輻射能，以及三個波段采集到的環境能量數據，將其代入到三波長輻射測溫方法的誤差函數當中，再使用基于分步長搜索的L?M算法，將渦輪葉片的溫度分布范圍進行劃分，在每一溫度范圍取一個溫度值作為初值進行求解，最后將求得的所有結果進行比對，得出最小誤差值與其對應的溫度，即認為是渦輪葉片表面的真實溫度。本方法可以實現對輻射環境下的未知發射率渦輪葉片的輻射溫度反演，具有測量精度高，運算速度快的特點。

技術領域

本發明屬于輻射測溫技術領域，具體涉及一種考慮反射能量影響的渦輪葉片三波長輻射測溫裝置及方法。

背景技術

為了實現發動機的高效率、高性能的運行，需要渦輪葉片工作在高溫環境中，但是溫度如果超過渦輪葉片的承受極限會導致葉片發生損傷，令其使用壽命大幅降低，甚至造成損壞，這將給發動機的運行安全帶來極大的威脅，同時，渦輪葉片溫度數據的缺乏也嚴重制約我國航空發動機的研發進程。因此，對渦輪葉片的表面進行溫度監測，一方面可以保證渦輪葉片工作在合適的溫度范圍，另一方面，可以為葉片的運行狀態、應力應變等數據的分析提供有價值的依據，對高性能、高推重比航空發動機研發具有重大意義。然而，對轉速高達10000轉/分鐘，溫度超過1100℃的發動機渦輪葉片進行溫度測量是一個難以解決的科學和技術問題。

目前的溫度測量技術主要分為接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類。接觸式測溫以熱電偶技術為代表，需要在所測目標上直接安裝溫度測量裝置，雖然溫度測量準確，但在渦輪葉片的溫度測量中其面臨著幾個問題：一是接觸式測溫法只能得到與測溫裝置接觸的點的溫度，難以獲得整個表面的溫度數據，測點較少；二是在渦輪葉片上直接安裝測溫裝置會破壞渦輪葉片的溫度場分布，且、安裝時需要對發動機進行改裝，難度較大。因此，航空發動機內部的特殊結構和惡劣的工作環境等因素極大限制了接觸式測溫的應用。而以熱輻射測溫為主的非接觸式測溫技術無疑為渦輪發動機的溫度測量提供了更佳的選擇，它先通過光學系統對目標表面的輻射進行采集，再將輻射信號傳輸至后方探測器，輸出相應的電平信號，最后采用測溫算法反演出目標表面的溫度。但是在實際工作環境中，目標葉片的反射能量和未知發射率往往對測溫結果造成非常大的影響，這嚴重影響了紅外輻射測溫方法的測溫精度。

對于渦輪葉片來說，其表面發射率隨著工作時間、工作溫度等因素變化，目前市面上針對渦輪葉片溫度測量的儀器主要原理都以單波段測溫法為主，這種方法無法校正目標表面對背景輻射的反射，同時測量精度受表面發射率變化的影響。因此，在消除反射影響的同時能夠對可變發射率的渦輪葉片進行準確地溫度測量對航空發動機的運行監測和研發都有極大的意義。

發明內容

本發明為解決目標葉片的反射影響和未知發射率所造成的測溫精度低的問題，提出了一種考慮反射能量影響的渦輪葉片三波長輻射測溫方法及裝置，利用本發明可以用于對輻射環境下的未知發射率渦輪葉片的輻射溫度反演，不需預先對葉片進行測溫標定，避免了復雜的迭代計算，具有測量精度高，運算速度快的特點。為實現上述目的，本發明采用以下具體技術方案：

一種渦輪葉片三波長輻射測溫裝置，包括：反射鏡、光學視管、分光探測系統和信號處理控制模塊；

反射鏡用于使探針分別采集到渦輪葉片表面輻射和環境表面輻射；

光學視管用于匯聚輻射光；

分光探測系統用于分波段探測渦輪葉片的輻射能；

信號處理控制模塊用于處理由所述輻射能轉換的電壓信號，建立誤差函數：

其中：

利用式(1)，通過L-M算法求取渦輪葉片表面的溫度值。

一種渦輪葉片三波長輻射測溫方法，包括：