CN1886649A - 测定导热体内部结构的方法 - Google Patents

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Abstract

在用来确定例如涡轮叶片(3)的冷却结构这样的导热体(3)内部结构的非破坏性方法中，对内部结构通以流动介质，用像素化热像检测器(7)记录导热体(3)外表面(8)上的合成热像。内部结构的传热系数和壁厚通过一维，二维和三维逆解法确定，该方法包含使用传热系数和壁厚的初始值和用迭代法优化这些值的表面温度数值模型。在本方法的特殊变体中，导热体内部结构的空间几何形状通过相同的逆解法和用迭代法来优化的几何模型确定。不需要预先知道内部几何形状。

Description

测定导热体内部结构的方法
技术领域
本发明是关于通过红外线表面成像进行的传热测量来测定导热体的传热特性的非破坏性方法，该导热体具有内部结构。
背景技术
通过传热测量可以非破坏非干扰地测定涡轮叶片、内燃机、电机、家用和工业加热器或任何具有内部流路的导热体的内部结构。这种测量允许对不可能进行直接测量的导热体的内部几何形状和传热参数进行检查和质量控制。
在现有技术的方法中，将从被检查导热体上测量到的温度数据与从作为标准的导热体上得到的数据进行比较，这些作为标准的导热体的几何形状和传热特性是已知的。在进一步的方法中，被检查导热体的传热系数的测定需要预先知道内部几何结构和材料特性。
在授权给Lawrence的美国专利3,566,669中，加热的冷却流体流过导热体，如内部结构将要测定的涡轮叶片。测量在其外部表面产生的温度场，并将其与已知壁厚的标准导热体的温度场进行比较，该标准导热体受到相同的流体流过。冷却通道中的障碍可以通过比较导热体的邻近外部区域而确定。
授权给Nirmalan的美国专利6,422,743公开了一种非破坏性方法，其用来定量确定被冷却结构的传热特性。该方法包括导热体表面的红外线热成像，该导热体表面已加热并通以冷却介质。瞬态表面温度数据用红外线热成像装置以像素的形式获得，并转换为包括时间，平面几何位置和温度的形式。通过用瞬态热平衡公式的数值解处理数据和取系数的时间平均值获取导热体表面每个像素和每个时间增量的传热系数。
虽然这种方法允许确定传热系数，但它没有提供确定导热体内部几何形状的方法。导热体的质量评估通过与该种类的已知导热体进行比较来评定。
在《Journal ofTurbomachinery(涡轮机械杂志)》2003年1月125卷83页，Nirm V.Nirmalan等人的论文“用非破坏性热惯性技术测量涡轮机翼全表面内部传热系数”中，公开了通过热表面成像确定传热系数的另外的方法。具有内部流动结构的导热体通过已知温度和流量的加热和冷却介质被瞬态加热和冷却。平面像素化红外线照相机将外表面温度作为时间函数记录下来。该瞬态热史包含取决于内部传热系数的响应数据。
内部传热系数分布通过用有限体积模型的有限元模型预测外表面温度并将它们与测量的温度相比较的迭代法来获得。在测量值匹配不足的情况下，用校正的模型重新计算传热系数。在计算传热系数时，假设内部结构的壁只在一维空间导热，而横向热传导被忽略。此外，预测外表面温度需要知道导热体内壁厚度和几何形状、材料特性、和瞬态流体温度的值。因此这种方法仅限于这些值为已知的或通过其它方法确定的导热体。
所描述的方法仅限于内部结构的几何形状已知或通过其它非破坏性方法确定的导热体的测量。
发明内容
本发明的目的是提供确定具有内部流路结构的导热体的传热特性的非破坏性方法。本发明的目的特别是提供这样一种方法，用于在相同的分析过程中且不能预先知道导热体内部几何形状的情况下，确定导热体的传热系数和内部结构的壁厚。该方法利用穿过导热体内部结构的瞬态流在导热体外表面上产生的热像。
该方法包括以下步骤：
使流动介质穿过具有用作流动介质流路的内部结构的导热体，
用像素化图像检测器将导热体外表面的热像作为时间函数记录下来，
处理像素化热像以便获得对给定时间点集和导热体外表面上给定点集的测量表面温度，
用数值模型预测相同外表面上由穿过导热体的流动介质产生的温度，
将表面温度测量值与表面温度预测值相比较，
将表面温度预测值进行迭代以便优化热像检测器测得的温度数据和数值模型预测的温度数据之间的匹配。
依照本发明，数值模型包含传热系数和内部结构壁厚的初始值。这些初始值是基于对导热体内部结构的良好评估而不是基于预先知道其内部结构。最佳匹配法被用到所预测的和测量的表面温度值上。在匹配不足的情况下，用本方法中的迭代过程来优化传热系数和壁厚的值以便优化表面温度测量值和预测值之间的匹配。重复该迭代过程直到获得最佳匹配，在这种情况下，传热系数和内部结构的壁厚被确定出来。特别地，该数值方法不包括内部机构的几何形状或结构材料的已知参数。
在依照本发明方法的优选变体中，表面温度预测值的迭代包括导热体内部结构几何形状的二维或三维模型。几何模型的空间参数在每次迭代中被优化。如果出现表面温度测量值和预测值之间的最佳匹配，导热体的几何形状和传热特性就用单一种方法来确定。因此，冷却结构内部通道的位置、尺寸和形状可以与传热特性一起被确定。
该方法分析热表面响应并用一维、二维和三维逆解法来确定与热响应相应的传热特性和壁厚。
可选择地，也允许与通过结构的瞬态流动介质的内部热通量相结合确定上述参数和结构几何形状。
测量(预测)的表面温度通过同时考虑来自图像检测装置像素阵列的温度数据来分析。(而不是如依照美国专利6,422,743的方法所做的，只有考虑四个直接邻近像素影响的一个像素)。
依照本发明的方法允许考虑穿过导热体内壁的空间和时间温度梯度，即，考虑所述壁的厚度有温度梯度穿过。这允许更精确和明确地确定传热系数和壁厚。(另一方面零温度梯度的相对薄的壁的假设会导致模糊和不精确的结果)。
该方法还不只考虑垂直于内部结构的壁的温度梯度，也考虑横向的，即，在二维或三维的。这允许考虑高曲率的壁结构中传热系数的影响，如经常在蛇形结构中遇到的那样。
依照本发明的方法允许检查现有导热体，例如具有复杂内部冷却结构的气涡轮叶片，其内部几何形状是未知的。该方法允许区别和分析例如冲击肋片，钉肋，弯管，和平滑叶片莲蓬头这样的冷却结构的特性。特别地，该方法考虑并允许确定具有小曲率半径的结构，这种结构经常是涡轮叶片的蛇形类冷却结构中的情形。
该方法可以应用于作为涡轮叶片设计和生产工艺的一部分的几何形状和传热特性的质量评定。而且，该方法可用于对该类叶片的可能寿命进行确定以及对其内部几何数据为非现存的现有叶片进行检查。
依照本发明的方法可对给定导热体进行省时和成本有效的检查。可以确定传热特性和几何参数而不需要任何另外的测量或另外的测量装置例如超声波。
在依照本发明的优选方法中，表面温度的表面温度预测值和表面温度测量值之间的匹配质量是通过分析一个或多个下列标准而确定的：
在给定像素下的绝对温度，
从初始温度开始，温度随着时间的变化，
温度在时间和空间上的偏导数，
或依照以上的综合偏导数。
数值模型的迭代包括应用于温度值的预测值和测量值之间差异的最小寻找路径。
在依照本发明的进一步的优选方法中，一个或多个下列特性被应用于数值模型中包含的参数：
壁厚是有限的，而且穿过所述壁的温度梯度为零，
壁厚是有限的，而且所述壁具有垂直穿过的有限温度梯度，
壁厚是有限的，而且所述壁具有二维或三维有限温度梯度。
在进一步的优选方法中，应用了导热体内部结构的有限元或边界模型。
在本方法的变体中，导热体几何形状的模型是根据需要修改的，以便确定导热体的几何形状。与这种修改一起，传热系数，壁厚和局部热通量也可以修改。
在依照本发明的方法的进一步变体中，给导热体通过第一流动介质并获取表面温度的第一集合作为时间和空间的函数。在与第一流动介质相同的压力条件下，给导热体的内部结构通过温度与第一流动介质不同的第二流动介质。如第一数据集合一样，用相同的像素化热像探测器获取导热体同一外表面的表面温度的第二集合，它与第一温度数据集合不同。将以上所述的和权利要求1所述的用来确定导热体传热特性和内部结构几何形状的逆解法用于这两个温度数据集合，包括表面温度预测值和测量值之间匹配的迭代和最小化。叠加两个数据集合，并选择提供两个温度数据集合的最佳匹配的传热特性和几何形状的解。温度数据的两个集合的使用允许更精确地确定壁厚。
附图说明
图1示意地示出用来检查具有冷却结构的涡轮叶片的内部结构和传热特性的测量机构。
图2示出依照本发明确定导热体传热特性和几何形状的方法的流程图。
具体实施方式
图1示意地示出包括流动介质源1的测量机构，该源最适宜为具有第一温度T1的空气。(取决于导热体类型和测量环境，也可以用其它适当流动介质例如水、氮气、蒸汽)。源1通过入口的管线与加热器2相连。出口管线从加热器导向到将被检查的涡轮叶片3的内部结构入口。穿过加热器2的空气被加热使得它在进入叶片3的冷却结构之前的一个点具有经选择的可控的温度T2。空气通过叶片根部4中的通道被导入叶片3的内部冷却结构。它通过例如叶片梢端区6中的膜冷却孔5这样的排出孔从结构中排出。将具有像素化检测区的红外线照相机7聚焦到叶片3的外表面8并检测外表面8的热像。
取代用热空气穿过室温下的叶片的是，也可用冷空气以类似方式穿过处于高温下的叶片。
可以用高温计来代替红外线照相机而作为热像检测装置。高温计允许使用该机构来直接测量在操作过程中位于涡轮发动机内或在冷却过程中位于燃烧系统内的气轮机零部件。该测量机构允许在整个由于加热和冷却产生的温度瞬变过程中检测发动机零部件的表面热像。
图2示出的依照本发明的方法，从用红外线照相机或其它适当的热成像装置记录叶片外表面8的温度开始，温度标记为(Ts)。表面温度数据在热空气的瞬态流被引导穿过叶片内部冷却结构的时间段内，和/或在瞬态流停止后的时间段内被记录下来。因此，建立了叶片结构的热像史。使标记为(t)的时间数据与表面温度数据(Ts)同步以便获得温度数据集合(Ts，meas(t，x，y，z))，作为叶片表面上的时间和空间位置函数，依照上述时间数据(t)空气流被引导通过叶片。
根据所估计的导热体内部机构的复杂性，以一定的空间和时间分辨率来测量表面温度。例如在涡轮叶片的情形中，时间分辨率可以为1/100秒或更低。这个时间分辨率是必要的以便考虑其间热能通过叶片壁的短时间。通过使用350*250像素的红外线照相机提供适当的空间分辨率。
在本方法的变体中，热像的空间和时间分辨率可以改变，例如用更高的时间分辨率分析外表面的更小的部分。
在本方法的第一种形式中，生成传热系数hi(t，x，y，z)和壁厚δi(t，x，y，z)的初始值的集合，作为时间和空间的函数。初始值是基于外部几何形状和关于叶片的可以对传热特性作出指示的任何其它知识而建立的传热特性的近似值。
初始值与由加热到已知温度T2的流动介质引起的局部热通量qi的数据一起被用在一个数值模型Mnum中，该数值模型可以在获取了实际表面温度数据的所有时间帧内计算出会在叶片外表面上产生的表面温度Ts，pred(t，x，y，z，h，q，δ)。
初值集合中可以包含另外的参数Ai，Bi，Ci，来计算外表面上的热响应。这些另外的参数可以是例如像热传导率和热容量这样的材料参数。
依照标记为“匹配”的最佳适配法将计算出的表面温度预测值Ts，pred(t，x，y，z，h，q，δ)与温度数据Ts，meas(t，x，y，z)相比较。两个数据集合之间的匹配可以依照以下标准中的一个或多个确定：
a)绝对温度的比较，
b)从初始温度开始，表面温度随时间的变化的比较，
c)在两个或更多像素上的温度对于时间偏导数的比较，
d)在两个或更多像素上的温度对于空间偏导数的比较，和
e)综合偏导数的比较。
其次，作出表面温度测量值与模型化的值之间的匹配是否足够精确以为内部结构的传热系数和壁厚提供可靠结果的决定。如果它在有关应用中被认为匹配“良好”，那么，获得最终传热系数hf(x，y，z)，壁厚δf(x，y，z)和其它最终参数。
如果认为匹配不足，用表面温度测量值和表面温度预测值之间的差异来开始方法的迭代10，在该迭代中优化对合成外表面温度起作用的参数以便使表面温度测量值与预测值之间的差异最小化。为此，可以使用上述标准中的任何一个，例如依照测量值的对于空间的偏导数与依照模型的偏导数之间的差异。
为了优化传热系数和壁厚δ，可以选择下列标准中的任何一个或几个：
a)假设在内部结构内形成流道的壁具有有限厚度，尽管在热力学上壁很薄使得温度梯度假设为0。
b)假设所述壁具有的壁厚使得穿过壁的温度梯度不为0。在第一个选择中，假设温度梯度垂直于壁，这对应于一个一维解；在第二个选择中，假设温度梯度垂直于和不垂直于壁，这对应于一个二维或三维解。这种选择特别考虑了尤其在叶片冷却结构的情形中的曲率半径小的结构产生的影响。
c)所研究的内部结构的有限元或有限边界模型被用来消除一个未知变量。
作为优化结果，得到了传热系数hj和壁厚值δj的新集合。
而且，任何一个像局部热通量q和参数A，B，C这样的参数，例如材料特性也可以被优化以便得到这些参数的新值Aj，Bj，Cj，qj。瞬态流动介质的局部热通量的优化允许考虑由作为叶片壁热量损失结果的流动介质温度改变引起的影响。这在例如蛇形冷却结构这样具有长通道的结构中尤其重要。
优化值被用来计算表面温度预测值的新集合，该新集合又与温度测量值相比较。重复该迭代过程直到达到温度预测值与测量值之间的最佳匹配，确定出传热系数hf(x，y，z)和壁厚δf(x，y，z)的组合的最终值。
在本方法的第二种形式中，数值模型Mnum中包含图2的示意图中标记为虚线的几何模型Mgeom，该几何模型包含描述叶片的数据Xi，Yi，Zi。根据需要，导热体的几何形状被描述为二维或三维的。在迭代过程中，除了优化传热系数和壁厚之外，空间参数Xi，Yi，Zi也被优化以便达到表面温度之间的最佳匹配并获得内部结构的几何形状。在壁被在热力学上假设很厚并具有有限厚度的情形中，几何模型尤其有必要。在壁被在热力学上假设为薄的情形中，几何形状通常没有必要。
在依照本发明的方法的变体中，叶片的几何模型在其层结构方面被修改，这考虑了整个内部结构的多重层的影响。
图中所用的术语
1        流体介质源
2        流体介质加热器
3        叶片
4        叶根
5        排出孔，膜冷却孔
6        叶片梢端
7        热像检测器
8        叶片的外表面
T1      加热器之前的流体温度
T2      进入叶片内部结构之前的流体温度
Ts      热像检测器记录的表面温度数据
Ts(t，x，y，z)           与流体的时间数据同步的表面温度数据
匹配                      测量值和预测值的比较和匹配的确定
hi                       初始传热系数
hf(x，y，z)              最终传热系数
δi                      初始热壁厚度
δf(x，y，z)             最终热壁厚度
hj                       优化的传热系数
δj                      优化的热壁厚度
qi                       初始局部热通量
qj                       优化的局部热通量
Ai，Bi，Ci            初始材料参数
Aj，Bj，Cj            优化的材料参数
Af，Bf，Cf            最终材料参数
Mnum                      数值模型
Mgeom                     导热体内部结构的几何模型
Xi，Yi，Zi，          导热体几何形状的初始值
Xj，Yj，Zj，          导热体几何形状的优化值
Xf，Yf，Zf，          导热体几何形状的最终值

Claims (10)

1.用来确定具有让流动介质流过的内部结构的导热体(3)的传热特征的方法，包括以下步骤，
对导热体(3)的内部结构通以具有第一温度的第一流动介质，
用像素化图像检测器(7)将导热体(3)的外表面(8)的第一热像作为时间的函数记录下来，
处理第一热像以便获得对于给定的时间点集(t)和表面(8)上的给定点集(x，y，z)的第一表面温度测量值(Ts，meas(t，x，z，y))，
对于相同时间点集使用数值模型(Mnum)预测通过导热体(3)的相同外表面(8)的由于流过导热体(3)的瞬态流产生的第一表面温度(Ts，pred(t，x，y，z))，
对第一表面温度测量值(Ts，meas(t，x，z，y))和第一表面温度预测值(Ts，pred(t，x，y，z))应用最佳匹配法(匹配)并确定它们之间的匹配程度，
通过迭代过程(10)优化第一表面温度预测值(Ts，pred(t，x，y，z))直到第一表面温度测量值(Ts，meas(t，x，z，y))与第一表面温度预测值(Ts，pred(t，x，y，z))之间的匹配程度被优化，
其特征在于：
所述数值模型(Mnum)包括导热体(3)的内部结构的传热系数(hi)和壁厚(δi)的初始值，该初始值在迭代过程(10)中被优化，直到第一表面温度预测值(Ts，pred(t，x，y，z))与第一表面温度测量值(Ts，meas(t，x，z，y))之间的匹配程度被优化，并且确定与优化的匹配程度相对应的最终传热系数(hf(x，y，z))和壁厚(δf(x，y，z))。
2.如权利要求1所述的方法，
其特征在于：
所述数值模型(Mnum)包括导热体(3)的内部结构的二维或三维几何模型(Mgeom)，它在本方法的每次迭代过程中被优化直到获得第一表面温度预测值(Ts，pred(t，x，y，z))与第一表面温度测量值(Ts，meas(t，x，z，y))之间的最佳匹配，并且确定内部结构几何形状的最终值。
3.如权利要求1或2所述的方法，
其特征在于：
所述数值模型(Mnum)包括瞬态流动介质的初始局部热通量(qi)，它在本方法的每次迭代过程(10)中被优化。
4.如权利要求1或2所述的方法，
其特征在于：
所述数值模型(Mnum)包括材料参数初始值(Ai，Bi，Ci)，它在本方法的每次迭代过程中优化，并获得材料参数最终值(Af，Bf，Cf)。
5.如权利要求1到4中任一项所述的方法，
其特征在于：
包含在所述数值模型(Mnum)中的值依照下列标准中的一个或多个来被优化：
壁厚是有限的，而且穿过所述壁的温度梯度为零，
壁厚是有限的，而且所述壁具有垂直穿过的有限温度梯度，
壁厚是有限的，而且所述壁具有二维或三维有限温度梯度。
6.如权利要求1或2所述的方法，
其特征在于：
第一表面温度测量值(Ts.meas(t，x，z，y))与第一表面温度预测值(Ts，pred(t，x，y，z))之间的匹配依照下列标准中的一个或多个来确定：
给定像素上的绝对表面温度，
从初始温度开始，温度随着时间的变化，
温度对时间或空间的偏导数，
对时间或空间的综合偏导数。
7.如权利要求1或2所述的方法，
其特征在于：
对导热体(3)的内部结构通以具有与第一流动介质的第一温度不同的第二温度的第二流动介质，并执行以下步骤：
用像素化图像检测器(7)将导热体(3)的外表面(8)的第二热像作为时间函数记录下来，
处理第二热像以便获得对给定时间点集(t)和表面(8)上的给定点集(x，y，z)的第二表面温度测量值(Ts，meas(t，x，z，y))，
对相同时间点集使用数值模型(Mnum)预测通过导热体(3)的相同外表面的由于流过导热体(3)的瞬态流产生的第二表面温度(Ts，pred(t，x，y，z))，
将最佳匹配法(匹配)应用于第二表面温度测量值(Ts.meas(t，x，y，z))和第二表面温度预测值(Ts，pred(t，x，y，z))并确定它们之间的匹配程度，
通过迭代过程(10)优化第二表面温度预测值(Ts，pred(t，x，y，z))直到第二表面温度测量值(Ts，meas(t，x，y，z))与第二表面温度预测值(Ts，pred(t，x，y，z))之间的匹配程度被优化，
所述数值模型(Mnum)包括导热体(3)的内部结构的传热系数(hi)和壁厚(δi)的初始值，它们在迭代过程(10)中被优化直到第二表面温度测量值(Ts，meas(t，x，y，z))与第二表面温度预测值(Ts，pred(t，x，y，z))之间的匹配程度被优化，通过第一和第二温度数据集合的叠加，确定与温度数据第一和第二集合的优化匹配程度相对应的最终传热系数(hf(x，y，z))和壁厚(δf(x，y，z))。
8.如权利要求1或7所述的方法，
其特征在于：
通过加热器(2)控制穿过导热体(3)的第一和/或第二流动介质的温度。
9.如权利要求1或7所述的方法，
其特征在于：
根据流动介质源(1)使图像检测器(7)记录的表面温度(Ts)与时间数据(t)同步。
10.如权利要求1所述的方法，
其特征在于：
像素化热像检测器(7)是红外线检测器或高温计。
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