CN107255558B - 一种采集涡轮叶片三波段辐射信息的方法 - Google Patents

一种采集涡轮叶片三波段辐射信息的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种采集涡轮叶片三波段辐射信息的方法，属于航空发动机测量技术领域。由于高温燃气流的热辐射对涡轮叶片温度测量造成了误差，所以本发明采用光谱仪进行燃气成分与浓度测量，得到燃气吸收率与叶片辐射与波长的关系，使用两大原则避开燃气吸收峰进行波段的选择，最后采用三波段测温方法进行温度测量。光路中通过主控制器控制切换反射镜移出与否来进行燃气光谱分析与叶片温度测量切换工作，并由燃气光谱分析控制短波红外测温光路滤光片的切换。本发明不仅用同一套光路系统通过切换反射镜进行燃气光谱分析和三波段叶片测温，实现了燃气成分与涡轮叶片温度同时测量，并且消除了高温燃气辐射对温度测量的影响，极大地提高了测温精度。

Description

一种采集涡轮叶片三波段辐射信息的方法
技术领域
本发明属于航空发动机测量技术领域，公布了一种针对航空发动机涡轮叶片温度测量波段选择方法。
背景技术
发动机运行过程中，经过压气机压缩的气体在燃烧室与燃油剧烈燃烧，产生的高温燃气膨胀冲击动力叶片，带动叶片转动的同时使得叶片温度快速上升。实际测试过程中，通过在发动机涡轮一级叶片附近机匣上设置微孔，插入高温计的探针进行测量。探针位于叶片的上方，高温燃气在叶片和探针之间快速流动，因此，叶片发射出的辐射信息需要经过高温燃气才能到达探针被探测器接收。这个过程中，高温燃气不仅会对叶片的辐射信号进行吸收，导致探测器接收到的辐射强度偏低，同时，视径上的高温燃气流也可能混入叶片辐射，导致温度输出高于实际值。这样使得最终探测器接收到的辐射信号不是叶片真实的辐射，测温精度存在误差。其中，吸收量的多少与燃气的温度数值、成分与浓度以及其在某波长段的辐射强度有关。因此，高温燃气的成分与浓度分析是提高测温精度的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种准确采集涡轮叶片三波段辐射信息的方法，通过燃气成分与浓度分析，准确计算出最适合测量涡轮叶片温度的3个辐射光波段，从而达到避开燃气吸收峰，选择温度测量波段，减小测温误差的目的。
本发明采用光谱仪首先得出发动机内部各燃烧气体的基本成分与浓度信息，对测温波段进行分步选择。波段的选取应依据两个原则：(1)在测温波段各种气体的总吸收率尽可能低；即叶片辐射信息透过高温燃气层时辐射能衰减尽可能小(2)对应的波段处叶片辐射尽可能大，便于后期的信息滤波和去噪。第一步，通过光谱仪得到燃烧气体的成分，依据不同气体对辐射光信号的吸收特性，得出不同波段下燃气对辐射能量的吸收率，避开燃气高吸收波段。第二步，初步得到了测温窗口，选择的窗口位于气体低吸收率波段，需要考虑不同气体的浓度。相对而言，在低吸收波段，气体对于辐射信息的吸收比较小，但气体的浓度太高，吸收率也会成倍增长，因此，需要对低吸收波段更进一步精细选择，使得低吸收波段对应的气体浓度较低，保证叶片辐射信息在透过时损失量最小。最后计算出吸收率最小的3个波段，从而从这3个波段采集计算涡轮叶片温度的数据，达到发明目的。因而本发明技术方案为：一种采集涡轮叶片三波段辐射信息的方法，该方法包括：
步骤1：采集涡轮叶片表面辐射光，采用光谱仪对辐射光进行分析，计算出燃气中的气体成分及对应浓度；通过HITEMP光谱数据库查到各种燃气对辐射光随波长变化的吸收率N。
步骤2：在线下采用公式：a＝K·ECL+b计算出不同浓度下对应的燃气吸光系数；其中a表示某一种气体一定浓度下的吸光系数，K，b为常数因子，E表示气体相对横截面积，C为浓度，L为光程长度；
步骤3：采用如下公式计算在不同辐射波长和各成分气体不同浓度时涡轮燃气对辐射光的吸收量；
其中ai表示第i种气体的吸光系数，i为涡轮燃气包含的各成分气体的编号；
步骤4：采用如下公式得到辐射量与辐射光波长之间的系；
其中，M(λ,T)表示波长为λ，温度为T时的辐射量，ε为辐射系数，C1，C2为已知的第一和第二辐射常数；将步骤3得到的燃气吸收量与叶片辐射量随波长的变化曲线表示在同一坐标系上；
步骤5：根据步骤4得到的曲线选择出燃气吸收率最小的几个波段，选择的波段数目不小于3，再计算各波段的中心波长；
步骤6：计算出叶片辐射量最强的点对应的波长，计算该波长与步骤5中得到的各中心波长的距离，选择距离最近的3个中心波长；这3个中心波长对应的3个波段即为涡轮叶片数据采集窗口；
步骤7：从步骤6得到的数据采集窗口对涡轮叶片辐射光进行数据采集。
进一步的，所述步骤6的另一种方案为：在步骤4得到的坐标系中计算出叶片辐射量最强点的纵坐标与步骤5得到的各中心波长的纵坐标之间的距离，选择距离最远的3个中心波长；这3个中心波长对应的3个波段即为涡轮叶片数据采集窗口。
进一步的，计算步骤6得到的3个波段中各波段燃气吸收率最小值对应的波长λs，计算该波长λs与对应波段的中心波长的距离d，则认定3个波段中的λs±d的范围内的波段为采集窗口。
本发明采用光谱仪分析出燃气的成分和含量，根据各气体对光线的吸收率计算出燃气对光线的吸收率，再计算出涡轮叶片辐射强度和波长的关系，计算出涡轮叶片辐射强并且燃气对光线吸收率低的波段，去除低吸收率高气体浓度的波段，最后得到三个测温波段，认定这3个波段为涡轮叶片数据采集窗口，采用这3个数据采集窗口对涡轮叶片进行数据采集，这样提高了涡轮叶片辐射光数据采集的准确性。
附图说明
图1为总体流程图；
图2为涡轮叶片和高温燃气相互影响后进入光学探头图；
图3表示切换反射镜保持原位，光路进入光谱仪进行燃气成分测量；
图4为特定温度下0～5μm波段叶片辐射光谱与燃气成分总吸收光谱图；
图5表示切换反射镜移出，光路进入叶片测温环节。
具体实施方式
总体流程参见附图1。由涡轮叶片发出的热辐射通过燃烧气体进入光学探头，经扫描反射镜进入机匣内部。主控制器控制切换反射镜保持原位，光路进入光谱仪进行光谱分析，测出燃气成分与相应浓度。主控制器控制滤光片轮进行波段选择，避开燃气成分吸收峰并控制切换反射镜移出，光路进入选通结束的滤光片，并由探测器测得其辐射量并将其转化为电信号，经前端放大器将信号放大，再进行数据采集进入PC机，计算叶片温度。
图2表示涡轮叶片发射出的热辐射被高温燃气吸收掉一部分后，与视径上的燃气流一起进入光学探头，经扫描反射镜分成三束平行光。
图3表示进入经过准直后的平行光，经切换反射镜和聚光镜进入光纤光谱仪，由光谱仪进行光谱分析，测出高温燃气的成分和浓度。用光纤光谱仪测量不同燃气成分在短波红外波段的吸收谱线，并由吸收光谱合理地选择红外波段的测温“窗口”，将光路和信号处理等硬件进行集成，通过控制电路进行短波红外测温模块中相应滤光片的切换。
其中，燃气分析具体如下：
燃烧室的燃烧产物主要包括H2O、CO2和N2，少量的CO、NO、SO2、O2和H2等。根据分子的红外吸收理论，同核双原子分子(H2、O2、N2)在红外波段的吸收可以忽略不计。表1为剩下几种主要成分的红外吸收带中心波长。
查询HITEMP数据库得到1000K温度下H2O、CO2、CO、NO、SO2的吸光系数谱线，这里以H2O在几个特定波长下为例说明浓度的计算方法。结合所选探测器的探测波段为0.4～5μm的情况，我们选择几个特定波段的吸收率进行计算，如aλ＝1＝0.05,aλ＝2＝0.1,aλ＝3＝0.3,aλ＝4＝0.05,aλ＝5＝0.4,根据标定得到的吸收率与燃气浓度之间的关系，计算出对应波长下的浓度分别为Cλ＝1＝25％,Cλ＝2＝26％,Cλ＝3＝28％,Cλ＝4＝31％,Cλ＝5＝35％，将H2O的不同波长下的浓度与吸收率进行加权相加，λ＝1，Aλ＝1＝aλ＝1*Cλ＝1＝0.0125，λ＝2，Aλ＝2＝aλ＝2*Cλ＝2＝0.026，λ＝3，Aλ＝3＝aλ＝3*Cλ＝3＝0.084，λ＝4，Aλ＝4＝aλ＝4*Cλ＝4＝0.0155，λ＝5，Aλ＝5＝aλ＝5*Cλ＝5＝0.14。同理，可以得到0～5μmCO2、CO、NO、SO2的加权相加值，将几种成分相同波长的Aλ进行求和，最后得到不同波长下的燃气总吸收率值，如几个特定波长值的吸收率分别为：λ＝1，A＝0.43，λ＝2，A＝0.82，λ＝3，A＝0.08，λ＝4，A＝0.51，λ＝5，A＝0.17。
运用普朗克公式求出0～5μm在温度为1000K下的叶片辐射值。如几个特定波长值的叶片热辐射分别为：λ＝1，M＝1.0×109，λ＝2，M＝8.2×109，λ＝3，M＝11.8×109，λ＝4，M＝9.4×109，λ＝5，M＝7.6×109，同理可以得到0～5μm其余各个波长下的辐射值。
将气体总吸收率与叶片辐射随波长的关系用数据处理软件将其在同一坐标系上表示出来，如图4所示，为了得到最大化的叶片辐射能量，选用叶片辐射能波峰附近的波段，同时此波段对应的吸收率较低，即图中矩形区域。
得到气体总吸收率与叶片辐射随波长的关系后，遵循以下原则避开燃气吸收峰选取测温波段：(1)总吸收率尽可能低；(2)叶片辐射尽可能大。由于高温燃气与叶片都会向外发出辐射，有时甚至燃气发出的辐射超过了叶片辐射，这样的话探测器则很难分辨出真实的叶片辐射。所以我们要尽量找到叶片辐射量很大但同时燃气吸收率很小的波段，提高探测的分辨力。参见附图4，先选出几个吸收率较低的波段1.7-1.8μm，2.2-2.3μm，2.5-2.7μm，2.9-3.1μm，3.5-3.8μm，4.4-4.7μm。再比较这5个波段对应的叶片辐射值，从其中选择三个叶片辐射最大的窗口作为我们的测温波段即为：2.2-2.3μm，2.5-2.7μm，2.9-3.1μm，3.5-3.8μm。通过主控制器控制切换反射镜移出，并将选好的三个波段传输给滤光轮进行波段选择，进入测温光路。
经过选择避开燃气吸收峰的测温波段，避免了燃气辐射对叶片温度测量的影响，再利用三波段测温提高了测温精度。探测器将接收到的辐射信号转化为电信号，经前端放大器放大信号再进入数据采集卡进行数据整合，由PC机代入辐射公式计算出叶片温度。
表1 不同燃气的吸收带中心波长
燃气成分 红外吸收带(中心)波长/μm
H<sub>2</sub>O 0.94 1.1 1.38 1.87 2.70 3.2 6.27
CO<sub>2</sub> 1.4 1.6 2.0 2.7 4.3 4.8 5.2 9.4 10.4
CO 2.3 4.7
NO 2.6 4.5 5 5.5
SO<sub>2</sub> 2.5 3.7 3.8 4 7.7 8.3 20 125

Claims (4)

1.一种采集涡轮叶片三波段辐射信息的方法，该方法包括：
步骤1：采集涡轮叶片表面辐射光，采用光谱仪对辐射光进行分析，计算出燃气中的气体成分及对应浓度；通过HITEMP光谱数据库查到各种燃气对辐射光随波长变化的吸收率N；
步骤2：在线下采用公式：a＝K·ECL+b计算出不同浓度下对应的燃气吸光系数；其中a表示某一种气体一定浓度下的吸光系数，K，b为常数因子，E表示气体相对横截面积，C为浓度，L为光程长度；
步骤3：采用如下公式计算在不同辐射波长和各成分气体不同浓度时涡轮燃气对辐射光的吸收量；
其中ai表示第i种气体的吸光系数，i为涡轮燃气包含的各成分气体的编号；
步骤4：采用如下公式得到辐射量与辐射光波长之间的系；
其中，M(λ,T)表示波长为λ，温度为T时的辐射量，ε为辐射系数，C1，C2为已知的第一和第二辐射常数；将步骤3得到的涡轮燃气对辐射光的吸收量与叶片辐射量随波长的变化曲线表示在同一坐标系上；
步骤5：根据步骤4得到的曲线选择出燃气吸收率最小的几个波段，选择的波段数目不小于3，再计算各波段的中心波长；
步骤6：计算出叶片辐射量最强的点对应的波长，计算该波长与步骤5中得到的各中心波长的距离，选择距离最近的3个中心波长；这3个中心波长对应的3个波段即为涡轮叶片数据采集窗口；
步骤7：从步骤6得到的数据采集窗口对涡轮叶片辐射光进行数据采集。
2.如权利要求1所述的一种采集涡轮叶片三波段辐射信息的方法，其特征在于进一步计算步骤6得到的3个波段中各波段燃气吸收率最小值对应的波长λs，计算该波长λs与对应波段的中心波长的距离d，则认定3个波段中的λs±d的范围内的波段为采集窗口。
3.一种采集涡轮叶片三波段辐射信息的方法，该方法包括：
步骤1：采集涡轮叶片表面辐射光，采用光谱仪对辐射光进行分析，计算出燃气中的气体成分及对应浓度；通过HITEMP光谱数据库查到各种燃气对辐射光随波长变化的吸收率N；
步骤2：在线下采用公式：a＝K·ECL+b计算出不同浓度下对应的燃气吸光系数；其中a表示某一种气体一定浓度下的吸光系数，K，b为常数因子，E表示气体相对横截面积，C为浓度，L为光程长度；
步骤3：采用如下公式计算在不同辐射波长和各成分气体不同浓度时涡轮燃气对辐射光的吸收量；
其中ai表示第i种气体的吸光系数，i为涡轮燃气包含的各成分气体的编号；
步骤4：采用如下公式得到辐射量与辐射光波长之间的系；
其中，M(λ,T)表示波长为λ，温度为T时的辐射量，ε为辐射系数，C1，C2为已知的第一和第二辐射常数；将步骤3得到的燃气对辐射光的吸收量与叶片辐射量随波长的变化曲线表示在同一坐标系上；
步骤5：根据步骤4得到的曲线选择出燃气吸收率最小的几个波段，选择的波段数目不小于3，再计算各波段的中心波长；
步骤6：在步骤4得到的坐标系中计算出叶片辐射量最强点的纵坐标与步骤5得到的各中心波长的纵坐标之间的距离，选择距离最远的3个中心波长；这3个中心波长对应的3个波段即为涡轮叶片数据采集窗口；
步骤7：从步骤6得到的数据采集窗口对涡轮叶片辐射光进行数据采集。
4.如权利要求3所述一种采集涡轮叶片三波段辐射信息的方法，其特征在于进一步计算步骤6得到的3个波段中各波段燃气吸收率最小值对应的波长λs，计算该波长λs与对应波段的中心波长的距离d，则认定3个波段中的λs±d的范围内的波段为采集窗口。
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