CN112964368B - 一种涡轮叶片辐射测温的修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于辐射测温技术领域，涉及一种涡轮叶片辐射测温的反射辐射修正方法，使用红外测温系统得到环境叶片和目标叶片的表面辐射分布；根据环境叶片和目标叶片的三维空间坐标建立几何模型，并进行离散化分割；计算环境叶片上每个面元对目标叶片上目标点的辐射角系数，结合环境叶片的辐射分布得到修正后的目标叶片表面的热辐射信号，并根据目标叶片表面发射率、普朗克公式和测温仪器的标定结果计算出目标叶片的真实温度。通过该方法能够分析环境叶片辐射角系数与涡轮叶片旋转位置的关系，计算目标表面对环境叶片辐射的反射，不需要知道环境叶片表面的发射率和实际温度，且对测温结果修正准确性更高。

Description

一种涡轮叶片辐射测温的修正方法

技术领域

本发明属于辐射测温技术领域，具体涉及一种涡轮叶片辐射测温时修正背景辐射影响的方法及反射模型。

背景技术

提高航空发动机的涡轮入口温度是提高发动机效率和性能的有效方法，但过高的温度会对涡轮叶片造成损伤，威胁航空发动机的运行安全，因此有必要对涡轮叶片进行温度监测，避免其工作在过高的温度下。由于涡轮叶片高速转动且工作环境恶劣，采用辐射式测温法是对涡轮叶片进行温度测量的最佳选择，然而叶片对环境辐射的反射严重影响了辐射测温法的测量精度。在对涡轮发动机内的第一级动叶进行辐射测温时，环境辐射主要来源于以被测转子叶片作为目标叶片的临近导流叶片和同一级的上方转子叶片，对这些环境叶片的辐射进行分析十分必要，尤其是在一些广泛使用热障涂层的发动机中，因涂层的低发射率特性使反射造成更严重的测温误差。

在以往对涡轮叶片的辐射温度测量中，工程上一般采用估算目标叶片的等效发射率的方法减小反射引起的测温误差。但是这种估算并不准确，因为等效发射率不仅受环境温度的影响，也随目标叶片的旋转位置变化而改变。此外，有学者使用叶片发射率接近1的测温波段进行测温，这虽然在一定程度上可以消除环境辐射的影响，但是这种测温波段已经不是对涡轮叶片进行辐射测温的最佳波段，其测温灵敏度和精度并不理想。

发明内容

本发明为了解决由背景辐射对涡轮叶片辐射测温时造成的影响，采用新的精细面元分割方式和三维辐射模型，它能够充分考虑叶片的实际形状，能够更加准确地计算环境叶片辐射，本方法不需要知道环境叶片表面的发射率和实际温度，且对测温结果修正准确性更高。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种涡轮叶片辐射测温的修正方法，包括：

S1、使用红外测温系统测量周围环境叶片和目标叶片的表面辐射分布；

S2、分别建立环境叶片和目标叶片的空间三维坐标系，利用环境叶片和目标叶片的截线方程，获取两组截线上所有点的位置坐标，拟合得出不同位置的环境叶片和目标叶片不同位置处的面型方程；将要分析的环境叶片和目标叶片根据各自的面型方程划分为多个面元，得到所有面元端点处叶片表面的坐标数据，分别存储在矩阵[X₁,Y₁,Z₁]和[X₀,Y₀,Z₀]；

S3、计算环境叶片上每个面元对目标叶片上目标点的辐射角系数F_{10 k,l}：

其中，

为从环境叶片上面元指向目标叶片被测点的距离向量；

θ_{01 k,l}为环境叶片上面元指向目标叶片被测点的距离向量与面元法向量的夹角；

s_{1 k,l}为环境叶片上面元的面积；

S4、得到修正后的目标叶片表面的热辐射信号：

其中，S_total为探测器实际测得的目标叶片被测点的电压信号；

S_b为目标表面热辐射引起的电压信号；

ε_b为目标叶片发射率；

F_m为高温计测量点包含的几个面元的辐射角系数的和；

S_em为使用高温计测量环境叶片表面第m个面元所在位置时输出的实际电压信号；

S5、利用式(2)结合目标叶片表面发射率、普朗克公式和测温仪器的标定结果，计算出目标叶片的真实温度。

优选地，空间三维坐标系以叶片的转轴为x轴，叶片的中心线为y轴，在x和y轴所成平面以一定步长建立二维坐标网格，将叶片划分为多个面元，得到所有面元端点处叶片表面的坐标数据。

优选地，环境叶片上表面一个面元的端点位置向量

以及长、宽向量

表达式为：

其中，k,l为所述面元的编号；

所述面元的单位法向量、面积分别为：

优选地，S_em测得的实际电压信号包括来自环境叶片表面的热辐射，和环境叶片表面对其它辐射源的反射辐射引起的信号响应。

本发明能够取得以下技术效果：

计算速度快、模型计算准确、适用于任何面型叶片以及多种测温算法的特点，并且考虑了周围叶片的总辐射能量，大大提高了测温精度。

附图说明

图1是本发明一个实施例的一种辐射测温的修正方法的流程图；

图2是本发明一个实施例的旋转反射模型的辐射角系数计算示意图；

图3是本发明一个实施例的环境叶片的面源分割及法向量示意图；

图4是本发明一个实施例的目标叶片的面源分割及法向量示意图；

图5是本发明一个实施例的目标叶片与环境叶片示意图。

附图标记：

目标叶片1、环境叶片2、第一导流叶片21、第二导流叶片22、第三导流叶片23、第四导流叶片24。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明的目的是提供一种涡轮叶片背景辐射的三维快速旋转反射模型以及温度修正方法，通过该方法对环境叶片的辐射进行计算，以分析目标表面反射能量与叶片旋转位置的关系对测温结果进行修正。

下面将对本发明提供的一种辐射测温的修正方法，通过具体实施例来进行详细说明。

本发明采用的方案是：通过高温探针分别采集目标叶片1表面辐射和环境叶片2表面辐射，目标叶片1表面辐射和环境叶片2表面辐射先后进入辐射测温系统，进行滤波、光电转换和信号处理，最后经采集卡采集传输到PC端，PC端对目标叶片1表面辐射和环境叶片2表面辐射进行计算，以分析目标表面反射能量与涡轮叶片旋转位置的关系，对测温结果进行修正，使用温度反演方法从计算得到的S_b中算出目标叶片的真实温度。

图1示出了上述方案中目标叶片1测温时对由环境叶片2辐射引起的误差进行修正的方法流程，该方法通过对背景辐射进行计算，分析反射能量与目标涡轮叶片旋转位置的关系，对测温结果进行修正：

S1、使用红外测温系统测量周围环境叶片2和目标叶片1的表面辐射分布；

在本发明的一个优选实施例中，实际应计算的环境叶片2应至少包括图5所示的目标叶片临近的第一导流叶片21、第二导流叶片22、第三导流叶片23与上方的第四导流叶片24。

S2、分别建立环境叶片2和目标叶片1的空间三维坐标系，利用环境叶片2和目标叶片1的截线方程，获取两组截线上所有点的位置坐标，拟合得出不同位置的环境叶片2和目标叶片1不同位置处的面型方程；将要分析的环境叶片2和目标叶片1根据各自的面型方程划分为多个面元，得到所有面元端点处叶片表面的坐标数据，分别存储在矩阵[X₁,Y₁,Z₁]和[X₀,Y₀,Z₀]；

在本发明的一个优选实施例中，参见图2，以目标叶片1为例(图5所示)，目标叶片的一组截线方程f_0i已知：

z_0i＝f_0i(x₀)i＝1,2,3,4,5… (8)

以目标叶片1的转轴为x轴，中心线为y轴建立空间三维坐标系，在x和y轴所成平面以一定步长建立二维坐标网格，将目标叶片1划分为多个面元，采用多组x-z轴平面内的二维截线方程拟合目标叶片1上面元的端点，截线方程数量i或j越多，拟合后的面型更加接近叶片的真实形状，已知目标叶片1上某一点坐标为(x₀,y₀,z₀)，其位于截线z₀＝f_0i(x₀)上：

当目标叶片1绕x轴旋转β度后，其截线上点的x轴坐标不变:

即，x₀′＝x₀ (9)

y坐标变为：

y₀′＝y₀*cosβ+f_0i(x₀)*sinβ (10)

z坐标相应变为：

x₀′＝[f_0i(x₀)+y₀′*sinβ]/cosβ (11)

同样对目标叶片1所有截线上点的位置坐标的计算，根据实际面型形状，进一步拟合得出整个目标叶片1的面型方程。对要分析的某位置角度β处的目标叶片1根据其面型方程划分为多个面元，得到所有面元端点处目标叶片1表面的坐标数据，存储在矩阵[X₀,Y₀,Z₀]中。

对于环境叶片2来说，划分方法和点坐标的表达方法与目标叶片1相同，区别仅在于用α表示环境叶片2中心线与参考位置处环境叶片2中心线(参考位置处环境叶片2中心线应在x-y轴所成平面内)的夹角，因此已知环境叶片2的截线方程：

z₁＝f_1j(x₁)j＝1,2,3,4,5… (12)；

同理可获得某一位置处环境叶片2的所有截线上点(x₁,y₁,z₁)的位置坐标：

x₁′＝x₁ (13)；

y₁′＝y₁*cosα+f_1j(x₁)*sinα (14)；

z₁′＝[f_1j(x₁)+y′₁*sinα]/cosα (15)；

同样，对拟合得出整个环境叶片2的面型方程进行划分，将得到所有面元端点处环境叶片2表面的坐标数据，存储在矩阵[X₁,Y₁,Z₁]中。

S3、计算所述环境叶片上每个面元对所述目标叶片上目标点的辐射角系数F_{10 k,l}：

在本发明的一个优选实施例中，参见图3-图4：任意一环境叶片2(以第四导流叶片24为例)上表面的某一面元(编号为k，l，其三维面形坐标已经存储在矩阵[X₁,Y₁,Z₁]中)的端点位置向量

以及长、宽向量

表达式为：

面元的单位法向量、面积分别为：

因此第四导流叶片24表面上一个面元对目标叶片1上一点的辐射角系数可以计算为：

其中，

为从第四导流叶片24上面元指向目标叶片1被测点的距离向量；

θ_{01 k,l}为第四导流叶片24上面元指向目标叶片1被测点的距离向量与面元法向量的夹角；

s_{1 k,l}为第四导流叶片24上面元的面积；

S4、获取修正后的目标叶片表面的热辐射信号：

在本发明的一个优选实施例中，探测器收集的目标叶片1表面实际输出信号为：

其中，S_total为探测器实际测得的目标叶片被测点的电压信号；

S_b为目标表面热辐射引起的电压信号；

ε_b为目标叶片发射率；

F_m为高温计测量点包含的几个面元的辐射角系数的和；

S_em为使用高温计测量环境叶片表面第m个面元所在位置时输出的实际电压信号；

在本发明的一个优选实施例中，S_em包括环境叶片2表面的热辐射，还有环境叶片2表面对其它辐射源的反射辐射引起的信号响应；

在本发明的另一个实施例中，因高温计测量的点的面积往往大于一个面元的面积，因此在实际测量时应使用高温计测量信号和对应所测面积的辐射角系数，要计算这个面积的辐射角系数就可以通过将其包含的所有面元的辐射角系数的和F_m(即相应位置处多个F_{01 k,l})得到。

将目标叶片1表面采集的实际输出信号S_total和步骤S4中环境叶片1不同位置处的辐射角系数F_m及相应的探测器输出信号代入式(16)中进行计算，得到目标叶片1表面的热辐射信号：

S5、利用式(2)结合目标叶片表面发射率、普朗克公式和测温仪器的标定结果计算出目标叶片的真实温度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种涡轮叶片辐射测温的修正方法，其特征在于，包括：

S1、使用红外测温系统测量周围环境叶片和目标叶片的表面辐射分布；

S2、分别建立所述环境叶片和目标叶片的空间三维坐标系，利用所述环境叶片和所述目标叶片的截线方程，获取两组截线上所有点的位置坐标，拟合得出不同位置的所述环境叶片和所述目标叶片的面型方程；将要分析的所述环境叶片和所述目标叶片根据各自所述的面型方程划分为多个面元，得到所有面元端点处叶片表面的坐标数据，分别存储在矩阵[X₁，Y₁，Z₁]和[X₀，Y₀，Z₀]；

S3、计算所述环境叶片上每个面元对所述目标叶片上目标点的辐射角系数F_10k，l：

其中，

为从所述环境叶片上面元指向所述目标叶片被测点的距离向量；

θ_01k，l为所述环境叶片上面元指向所述目标叶片被测点的距离向量与面元法向量的夹角；

s_1k，l为所述环境叶片上面元的面积；

S4、得到修正后的所述目标叶片表面的热辐射信号：

其中，S_total为探测器实际测得的目标叶片被测点的电压信号；

S_b为目标表面热辐射引起的电压信号；

ε_b为目标叶片发射率；

F_m为高温计测量点包含的几个面元的辐射角系数的和；

S_em为使用高温计测量环境叶片表面第m个面元所在位置时输出的实际电压信号；

S5、利用式(2)结合所述目标叶片表面发射率、普朗克公式和测温仪器的标定结果，计算出所述目标叶片的真实温度。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片辐射测温的修正方法，其特征在于，所述空间三维坐标系以所述叶片的转轴为x轴，所述叶片的中心线为y轴，在x和y轴所成平面以一定步长建立二维坐标网格，将所述叶片划分为多个面元，得到所有面元端点处所述叶片表面的坐标数据。

3.根据权利要求2所述的涡轮叶片辐射测温的修正方法，其特征在于，所述环境叶片上表面某一面元的端点位置向量

以及长、宽向量

表达式为：

其中，k，l为所述面元的编号；

所述面元的单位法向量、面积分别为：

4.根据权利要求1所述的涡轮叶片辐射测温的修正方法，其特征在于，所述S_em测得的实际电压信号包括来自所述环境叶片表面的热辐射，和所述环境叶片表面对其它辐射源的反射辐射引起的信号响应。

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