航空發(fā)動機(jī)主燃燒室出口溫度場可視化設(shè)計

王日先，孫永飛，張 毫，熊進(jìn)星，張鵬淼

航空發(fā)動機(jī)主燃燒室出口溫度場可視化設(shè)計

王日先，孫永飛，張 毫，熊進(jìn)星，張鵬淼

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015）

為了滿足航空發(fā)動機(jī)主燃燒室試驗(yàn)出口溫度場可視化需求，基于主燃燒室出口溫度場測試原理，通過溫度數(shù)據(jù)網(wǎng)格化、溫度數(shù)據(jù)－顏色映射、以云圖形式顯示出口溫度場數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行溫度場可視化設(shè)計，并在V isual Basic 6.0下基于Tee chart控件開發(fā)了出口溫度場可視化軟件。應(yīng)用結(jié)果表明：在試驗(yàn)中，通過與現(xiàn)有測控軟件出口溫度場數(shù)據(jù)交互，可視化軟件能夠?qū)崟r、真實(shí)、直觀地顯示主燃燒室出口溫度場變化情況，有助于試驗(yàn)人員快速判斷出口溫度場品質(zhì)，進(jìn)而縮短試驗(yàn)時間，降低試驗(yàn)費(fèi)用，有效提高試驗(yàn)效率。

主燃燒室出口；溫度場測試；可視化：航空發(fā)動機(jī)

0 引言

當(dāng)前燃燒室部件設(shè)計不斷向高溫、升高熱容方向發(fā)展，主燃燒室出口溫度不斷提高。出口溫度場的不穩(wěn)定、在周徑向分布不均勻等形式，對燃燒室下游部件熱力狀態(tài)都有不良影響，從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)可靠性及性能指標(biāo)降低。因此在主燃燒室試驗(yàn)中，對燃燒室出口溫度場品質(zhì)的要求越來越嚴(yán)格[1-3]。

溫度場可視化技術(shù)通過把溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成人們視覺可以直接感受的計算機(jī)圖形圖像，使人們對溫度場有更直觀、更形象和更全面的理解。對比于傳統(tǒng)1維表格、2維曲線方式顯示溫度數(shù)據(jù)具有無法比擬的優(yōu)勢，該技術(shù)也因此在許多工程領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。如：文獻(xiàn)[4]通過繪制云圖并導(dǎo)入3DS模型，實(shí)現(xiàn)了火箭發(fā)動機(jī)模型與噴流輻射場云圖結(jié)合顯示，有效開展了導(dǎo)彈目標(biāo)探測、識別和突防技術(shù)研究；文獻(xiàn)[5]提出了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的鍋爐爐膛火焰可視化檢測方法，實(shí)現(xiàn)了爐膛火焰可視化監(jiān)控。但溫度場可視化在發(fā)動機(jī)主燃燒室溫度場試驗(yàn)中應(yīng)用主要集中在試驗(yàn)后數(shù)據(jù)處理或溫度場計算模擬等方面，而且主要采用專業(yè)軟件設(shè)計開發(fā)[6]。對于不同類型燃燒室溫度場通用性差、費(fèi)時費(fèi)力、效率低，并且也無法滿足試驗(yàn)過程中實(shí)時性要求。

主燃燒室溫度場試驗(yàn)通常采用熱電偶測量燃燒室出口溫度，利用獲取的出口截面有限點(diǎn)溫度值，實(shí)時判別溫度場品質(zhì)。本文針對上述試驗(yàn)采用可視化技術(shù)開發(fā)了溫度場可視化軟件。為試驗(yàn)過程中的快速判別溫度場品質(zhì)提供了有效的技術(shù)手段。

1 溫度場測試原理

在主燃燒室出口溫度場試驗(yàn)中，當(dāng)測點(diǎn)過多時，多支電偶耙會造成氣流通道堵塞、流場歪曲和工況的改變，從而引起測量結(jié)果誤差。當(dāng)堵塞嚴(yán)重時，會使測量結(jié)果失真，無法反映溫度場真實(shí)分布情況。為減小上述影響，并盡可能布置多的周向測點(diǎn)，溫度場試驗(yàn)采用專用的旋轉(zhuǎn)測溫裝置[7-8]。在旋轉(zhuǎn)測量裝置上布置1支溫度受感部，沿徑向有若干個電偶測點(diǎn)，通常為B型熱電偶，測點(diǎn)按等環(huán)面布置；上位機(jī)可以通過控制箱來控制測溫裝置的轉(zhuǎn)動方式?？刂葡渫ㄟ^電動機(jī)構(gòu)來實(shí)施動力傳動，動力傳動采用由多個齒輪組成的齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行；旋轉(zhuǎn)裝置按給定角度以轉(zhuǎn)－停－轉(zhuǎn)方式旋轉(zhuǎn)，角度位置信號由轉(zhuǎn)角編碼器測量，到達(dá)測量位置時采集軟件記錄溫度場數(shù)據(jù)信息。

因此，假定出口溫度場試驗(yàn)采用1支n點(diǎn)梳狀總溫?zé)犭娕贾芟蛐D(zhuǎn)的方式，按給定角度擺動測量，共計擺動m個位置，則對于整個主燃燒室出口截面出口溫度場來說，能夠獲取m×n個離散的溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)。

2 溫度場可視化設(shè)計

溫度場可視化常用設(shè)計思路是利用已有溫度場數(shù)據(jù)，通過可視化技術(shù)將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度場云圖。其中溫度場數(shù)據(jù)網(wǎng)格化、溫度到顏色模型的映射方式以及顏色值的填充方法是繪制溫度場云圖的關(guān)鍵[9]。

2.1 溫度數(shù)據(jù)網(wǎng)格化

由于試驗(yàn)采集獲取的溫度場數(shù)據(jù)是離散、散亂的，必須先對溫度場試驗(yàn)所產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)做規(guī)范化處理等操作，將散亂數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，形成可用的應(yīng)用數(shù)據(jù)?？梢园凑諏?shí)際出口截面尺寸以及電偶徑向位置信息按比例進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，如圖1所示。將溫度當(dāng)成溫度場坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)的函數(shù)，則試驗(yàn)中獲取的溫度場數(shù)據(jù)可以規(guī)范地表示成

式中：Zi為溫度值；αi，Ri分別為擺盤轉(zhuǎn)動角度和電偶徑向位置坐標(biāo)。

由此可得到表離散節(jié)點(diǎn)溫度函數(shù)見表1。

圖1 溫度場數(shù)據(jù)網(wǎng)格

表1 離散測點(diǎn)值

考慮到溫度場云圖是連續(xù)變化的特點(diǎn)，由試驗(yàn)實(shí)測溫度數(shù)據(jù)繪制連續(xù)的溫度分布圖是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要利用插值方法求取出口截面非測點(diǎn)位置的溫度值。常用的插值算法有拉格朗日插值、牛頓插值、埃爾米插值、分段線性插值等。考慮到可視化顯示的實(shí)時性要求，采用的構(gòu)建溫度場算法不能復(fù)雜。綜合上述考慮，采用2維線性插值法進(jìn)行處理，以簡化計算工作量。將整個出口截面按照實(shí)測節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)分為若干個小區(qū)間，在每個小區(qū)間上采用線性插值來獲得非實(shí)測點(diǎn)溫度值。先徑向插值，再軸向插值[10]。

假設(shè)在徑向上實(shí)測節(jié)點(diǎn)之間插入n個節(jié)點(diǎn),分別記為Zi,1=f（αi，R1）、Zi,2=f（αi，R2）、…、Zi,n=f（αi，Rn），其中i=（0,1,…,m）。若在每個區(qū)間（Rk,Rk+1）k=（0,1,…,n）上插值的點(diǎn)數(shù)為λ個，即對區(qū)間（Rk,Rk+1）進(jìn)行λ+1等分，則Zi,k+α=Zi,k+α*（Zi,k+1-Zi,k）/（λ+1），其中α=（0,1，…，λ+1），可以得到新的溫度場測點(diǎn)函數(shù)Zi,j=f（αi，Rj），i=（0,1,…,λ*n）。

然后周向插值，其過程同徑向插值類似?？傻米罱K的溫度場測點(diǎn)函數(shù)Zi,j=f（αi，Rj）。其中i=（0,1,…,λ*n），j=（0,1,…,η*m），λ 是徑向插值點(diǎn)數(shù)，η 是周向插值點(diǎn)數(shù)）。

在具體選擇λ、η時，主要考慮使溫度場節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)數(shù)大于或等于計算機(jī)顯示器上所顯示的溫度場區(qū)域面積上的像素數(shù)，確保云圖繪制時，填充顏色能覆蓋整個截面。λ、η選擇得很小，會有一些像素點(diǎn)沒有對應(yīng)的溫度值，導(dǎo)致繪制出溫度場分布圖有漏點(diǎn)且不連續(xù)；λ、η選擇得很大，則會造成插值計算和繪制速度過慢，影響實(shí)時性顯示效果。因此，λ、η選擇按照實(shí)際情況折中考量。

繪制云圖時，通常采用直角坐標(biāo)系進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，因此還需將獲取的極坐標(biāo)下的溫度場數(shù)據(jù)Zi=f（αi，Rj）轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)系下的溫度場數(shù)據(jù)Zi=f（xi，yj）。

2.2 溫度場繪制

溫度場繪制是將溫度數(shù)據(jù)變換成相應(yīng)的顏色。要實(shí)現(xiàn)填充云圖，首先制作1張基于線性變化的顏色查找表，建立顏色與溫度量之間線性的一一對應(yīng)關(guān)系，顏色的選定直接影響渲染效果。為了有層次的顯示溫度數(shù)據(jù)的變化，顏色表定義要有明顯的可區(qū)分性。目前工業(yè)界最常用的顏色標(biāo)準(zhǔn)為RGB色彩[11-13]，即通過對紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）3個顏色通道的變化以及相互之間的疊加來反映所能感知的顏色。通過為圖像中每個像素的RGB分量分配1個0～255范圍內(nèi)的強(qiáng)度值，從而表征各類顏色值。然后根據(jù)溫度場的溫度范圍按路徑進(jìn)行插值對應(yīng)，如圖2所示?？梢郧蟪雒糠N顏色所對應(yīng)的溫度的范圍，從而形成1個連續(xù)的顏色映射列表。該方法能夠很好地反映溫度場的變化情況。

將溫度場數(shù)據(jù)Zi=f（xi，yj）轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的顏色數(shù)據(jù)后，即可以按照劃分的網(wǎng)格區(qū)域單元進(jìn)行相應(yīng)顏色填充，直至溫度場整個區(qū)域填滿顏色為止[14]。

圖2 顏色映射原理

3 溫度場可視化實(shí)現(xiàn)

由于TeeChart控件具有很大的靈活性，并且使用方便，只需要很少的代碼就可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜而友好的圖表繪制功能，而且有利于產(chǎn)品集成等特點(diǎn)[15]。溫度場可視化軟件在VB6.0環(huán)境下，結(jié)合Teechart圖形控件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計，并加入數(shù)據(jù)回放、檢索等數(shù)據(jù)后處理功能。能夠?qū)崿F(xiàn)不同發(fā)動機(jī)主燃燒室出口截面（如全環(huán)、60°和 90°扇形截面） 的溫度場云圖繪制。軟件設(shè)計流程如圖3所示。

溫度場可視化軟件開發(fā)的具體過程如下:

（1）讀取溫度場數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)中，當(dāng)測試采集軟件完成溫度場數(shù)據(jù)采集后，通過設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)通信方式，將測試采集軟件上的溫度場數(shù)據(jù)發(fā)送給溫度場可視化軟件處理。讀取的溫度場數(shù)據(jù)可以按結(jié)構(gòu)體形式存儲到結(jié)構(gòu)體變量中，方便進(jìn)一步數(shù)據(jù)網(wǎng)格化處理。結(jié)構(gòu)體變量定義為：

圖3 軟件設(shè)計流程

Type dataTemp '溫度場數(shù)據(jù)

a As Single '擺盤旋轉(zhuǎn)角度

r As Single '電偶耙上電偶徑向坐標(biāo)

z As Single '對應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)溫度值

End Type

結(jié)構(gòu)體dataTemp中包含了網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)值（a,r）和對應(yīng)的溫度值（z）。

（2）設(shè)置溫度場參數(shù)。溫度場參數(shù)設(shè)置包括TeeChart控件設(shè)置和出口截面尺寸參數(shù)設(shè)置，并保存設(shè)置參數(shù)，方便同類型試驗(yàn)溫度場云圖繪制。出口截面結(jié)構(gòu)參數(shù)包括角度范圍、角度間隔、電偶坐標(biāo)等。TeeChart控件主要設(shè)置項(xiàng)有Series顯示顏色、坐標(biāo)軸隱藏、Legend連續(xù)、3D格式取消等。另外也可以通過程序代碼進(jìn)行屬性設(shè)置。如Series顯示顏色設(shè)置代碼為：

TChart1.Series（0）.asColorGrid.StartColor=vbRed TChart1.Series（0）.asColorGrid.MidColor=vbBlue TChart1.Series（0）.asColorGrid.EndColor=vbGreen

通過顏色設(shè)置，完成將溫度場數(shù)據(jù)到顏色的線性映射關(guān)系，將溫度數(shù)據(jù)高－中－低對應(yīng)顏色紅－藍(lán)－綠，方便快捷，省去了從數(shù)據(jù)到顏色的映射過程，這也是選擇TeeChart控件作為云圖繪制工具的重要依據(jù)之一。

（3）溫度場數(shù)據(jù)預(yù)處理。對溫度場數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，并通過2維插值函數(shù)在徑向和周向進(jìn)行溫度場數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)充。然后將極坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)下，來滿足TeeChart控件繪制云圖函數(shù)格式需要。同時為了保證溫度場云圖不超調(diào)，并且顯示在控件圖形畫面中央位置，還需對溫度場網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)平移處理，平移量選取為出口截面徑向尺寸為宜。

（4）溫度場云圖繪制。按照出口截面區(qū)域，將網(wǎng)格化的溫度場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)顏色后，對相應(yīng)矩形單元格進(jìn)行顏色填充，這里調(diào)用云圖繪制指令即可。然后遍歷所有的單元格就可以得到整個溫度場云圖。其中云圖繪制代碼為：

TChart1.Series（0）.asColorGrid.AddXYZ X,valueT,Y,"",clTeeColor?！茍D繪制指令。

4 溫度場可視化實(shí)例及效果分析

以某型發(fā)動機(jī)主燃燒室全環(huán)試驗(yàn)件出口溫度場測試為例，出口溫度場采用1支5點(diǎn)梳狀總溫?zé)犭娕贾芟蛐D(zhuǎn)的方式進(jìn)行擺動測量，擺動裝置每擺動3°停留3 s，采集1次溫度場數(shù)據(jù)，共計擺動120個位置，整個溫度場數(shù)據(jù)采集約5 min。溫度場數(shù)據(jù)采集完畢后，試驗(yàn)軟件將溫度場數(shù)據(jù)發(fā)送給可視化軟件進(jìn)行溫度場云圖顯示，整個云圖繪制時間約5 s，基本能夠滿足試驗(yàn)實(shí)時性需求。在某試驗(yàn)狀態(tài)下，溫度場可視化軟件繪制的溫度場如圖4所示。

圖4 溫度場云圖顯示效果

溫度/℃

從圖中可見，溫度場云圖更能全面直觀地反映溫度場特征。試驗(yàn)人員可以利用鼠標(biāo)移動獲取溫度場任意位置溫度以及溫度場徑向和周向分布情況,方便快捷判別溫度場品質(zhì)。通過對溫度場的繪制效果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其主要影響因素包括實(shí)測溫度點(diǎn)數(shù)、實(shí)測溫度點(diǎn)誤差以及溫度場云圖繪制方式3方面，具體情況如下：

（1）溫度點(diǎn)數(shù)決定溫度場可視化質(zhì)量[16-17]。溫度點(diǎn)數(shù)過少，會漏掉溫度場熱點(diǎn)，繪制出的溫度場無法反映溫度場真實(shí)性。當(dāng)然，受主燃燒室結(jié)構(gòu)空間和試驗(yàn)成本等因素的限制，測量溫度點(diǎn)又不能無限多，需要按照以往試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)選擇合理數(shù)量的溫度點(diǎn)。適當(dāng)增加溫度點(diǎn)的措施主要有2個：增加電偶耙上溫度傳感器測點(diǎn)數(shù)；另外減小擺動間隔角度，獲取更多位置測點(diǎn)數(shù)。

（2）溫度點(diǎn)的誤差除與溫度點(diǎn)數(shù)量有關(guān)外，還取決于溫度場測試系統(tǒng)測試誤差和擺動裝置的角度誤差。選取高精度傳感器以及測試儀器，并做好濾波的措施，能有效減少外部環(huán)境干擾等因素對測試結(jié)果的影響。另外，由于測溫裝置采用電動機(jī)構(gòu)來實(shí)施動力傳動，動力傳動采用由多個齒輪組成的齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行。由于齒輪間隙會有一定的傳動空程，在溫度場采集時必須消除空程角度帶來的測試角度誤差。

（3）溫度場云圖繪制方式直接影響云圖效果。如前文所述，采用2維插值對數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，λ、η選取合理的數(shù)值能提高溫度重建的效果和實(shí)時性。

5 結(jié)束語

本文針對某型發(fā)動機(jī)主燃燒室出口溫度場實(shí)時可視化需求，采用可視化技術(shù)設(shè)計了溫度場可視化軟件。該軟件已成功應(yīng)用于發(fā)動機(jī)主燃燒室出口溫度場試驗(yàn)任務(wù)中。試驗(yàn)應(yīng)用效果表明：在試驗(yàn)中，通過與現(xiàn)有測控軟件出口溫度場數(shù)據(jù)交互，能夠?qū)崟r、真實(shí)、直觀地查看主燃燒室出口溫度場變化情況，有助于試驗(yàn)人員快速判斷出口溫度場品質(zhì)，進(jìn)而縮短試驗(yàn)時間，降低試驗(yàn)費(fèi)用，提高試驗(yàn)效率。

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Visual Design of Combustor Outlet Temperature Field for Aeroengine

WANG R i-xian,SUN Yong-fei,ZHANG Hao,XIONG Jin-xing,ZHANG Peng-m iao
（AECC Shenyang Engine Research Institute,Shenyang 110015,China）

In order to satisfy the visual requirement of outlet temperature field in aeroengine combustor test,a visualization design of outlet temperature field was achieved through data grid,temperature-color map and cloud images which had been described in detail based on the measurement principle of combustor outlet temperature field.Besides,a visualization software program had been written based on the Tee chart under Visual Basic 6.0.The application results show that a real-time,reliable and intuitional display of outlet temperature field can be realized by interaction with data of existing measurement and control system in test.The design,therefore,is helpful for engineers to find out the quality of outlet temperature field quickly,which could effectively shorten the time,reduce the cost and improve the efficiency.

combustor outlet;temperature field test;visualization;aeroengine

V 231.2

A

1 0.1 3477/j.cnki.aeroengine.201 7.02.01 0

2016-10-25 基金項(xiàng)目：國家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

王日先（1984），男，碩士，工程師，主要從事航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)測試工作；E-mail:wangrixian@163.com。

王日先，孫永飛，張毫，等.航空發(fā)動機(jī)主燃燒室出口溫度場可視化設(shè)計[J].航空發(fā)動機(jī)，2017,43（2）：62-66.WANG Rixian，SUN Yongfei，ZHANG Hao，etal.Visualdesign ofcombustoroutlettemperature field foraeroengine[J].Aeroengine，2017,43（2）：62-66.

（編輯：栗樞）