胡瑋宸，張學(xué)聰，董磊，蔡靜

（航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095）

0 引言

在改進(jìn)燃?xì)鉁u輪機(jī)的系統(tǒng)效率過(guò)程中，持續(xù)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能獲得更高的操作溫度和壓力。隨著使用的材料越來(lái)越接近其性能極限，葉片整體性的評(píng)估越發(fā)重要，因此了解葉片表面的溫度分布也至關(guān)重要［1］。計(jì)算流體力學(xué)的方法雖然可以預(yù)估葉片溫度，但最終仍要測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際溫度［2］。

現(xiàn)有多種測(cè)量葉片表面溫度的方法，主要分為接觸式和非接觸式測(cè)溫兩種，最廣泛使用的是示溫漆和熱電偶的接觸式測(cè)溫法。示溫漆涂在葉片表面，渦輪在適當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件下，運(yùn)行后示溫漆顏色發(fā)生變化，可以指示出達(dá)到的最高溫度，該技術(shù)優(yōu)勢(shì)是從整個(gè)葉片表面得到數(shù)據(jù)，劣勢(shì)是不能提供實(shí)時(shí)測(cè)量、分辨力低、只能指示最大溫度。將熱電偶埋入被測(cè)葉片表面，可以獲得更高的精度，并能在工作條件下提供實(shí)時(shí)測(cè)量。然而，安裝成本及相關(guān)的測(cè)量系統(tǒng)（遙測(cè)系統(tǒng)、滑環(huán)）成本高，只能從離散的、數(shù)量有限的位置測(cè)量，傳感器壽命有限［3］。

相反，光學(xué)輻射測(cè)溫法是一種非常典型的非接觸測(cè)量方法，能在連續(xù)的葉片表面測(cè)量全部工作條件下的數(shù)據(jù)［4］。光學(xué)輻射測(cè)溫計(jì)在燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域已使用40余年，盡管高溫計(jì)系統(tǒng)的基本理論是一樣的，但如在電子器件、計(jì)算、機(jī)械設(shè)計(jì)和制造方法上的進(jìn)步已使得系統(tǒng)能力和性能有了巨大的改進(jìn)［5］。要求高溫計(jì)能適應(yīng)更苛刻的發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境，并能逐步測(cè)量到由于更復(fù)雜的冷卻設(shè)計(jì)產(chǎn)生的溫度梯度細(xì)節(jié)。此種測(cè)溫計(jì)采用非接觸式輻射測(cè)溫法，因渦輪葉片處于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)涵道中，故探針安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)外殼上，對(duì)準(zhǔn)葉片表面，葉片散發(fā)的紅外輻射進(jìn)入探針中［6-7］，并對(duì)其光信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化為溫度值［8］。

非接觸測(cè)溫的典型產(chǎn)品就是測(cè)溫探針，現(xiàn)如今，市場(chǎng)上已經(jīng)有了國(guó)外品牌的測(cè)溫探針，但銷(xiāo)售價(jià)格昂貴、非自主可控，且存在缺點(diǎn)，比如Rotadata的探針，后端探測(cè)器與探針集成在一體，集成度雖高，但造成整體體積大、重量大的問(wèn)題，不適合安裝在體積較小的發(fā)動(dòng)機(jī)上，且測(cè)溫精度只有1%，還存在提升測(cè)溫精度的空間；西門(mén)子的探針也是后端探測(cè)器與探針集成一體，由于沒(méi)有旋轉(zhuǎn)的反光鏡機(jī)構(gòu)，體積稍小，但不具備掃描的功能，其測(cè)溫精度也是1%［9］。因此，設(shè)計(jì)掃描式輻射測(cè)溫系統(tǒng)的目的不僅僅是從“零到一”地做出一款產(chǎn)品，而是根據(jù)需要與可能，保證產(chǎn)品的測(cè)溫精度以及國(guó)產(chǎn)化自主可控的能力，為推動(dòng)國(guó)產(chǎn)渦輪葉片輻射測(cè)溫系統(tǒng)提供有力支撐［10］。

1 測(cè)溫系統(tǒng)概述

掃描式輻射測(cè)溫系統(tǒng)分為掃描探針、控制器和上位機(jī)三部分，其中探針的作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片輻射溫度的光信號(hào)傳入光纖中，光纖連接到控制器上；控制器的作用是對(duì)輸入的光信號(hào)進(jìn)行初步的處理，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)網(wǎng)線連接上位機(jī)；上位機(jī)的作用是處理控制器上傳的數(shù)據(jù)包，經(jīng)計(jì)算生成溫度和溫場(chǎng)。根據(jù)用戶(hù)實(shí)際使用需求，設(shè)計(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)的示值誤差和重復(fù)性均需在±7.5 ℃以?xún)?nèi)。

掃描探針使用時(shí)需安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)外殼上，上有可伸縮的氣缸，正常探針處于退出發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，氣缸氣管與控制器相連接，通入壓縮空氣時(shí)，帶動(dòng)氣缸使探針伸入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)涵道中，渦輪葉片的輻射溫度由探針端部的反光鏡，反射進(jìn)探針內(nèi)部，最后經(jīng)由探針尾部的光纖傳入至控制器進(jìn)行信號(hào)初步的處理［11，12］。如圖1所示，渦輪葉片的輻射溫度由探針端部的反光鏡，反射進(jìn)探針內(nèi)部，最后經(jīng)由探針尾部的光纖傳入至控制器進(jìn)行信號(hào)初步的處理，然后通過(guò)連接的上位機(jī)計(jì)算溫度［13，14］。探針?lè)瓷溏R掃描原理示意圖如圖2所示。

圖2 探針?lè)瓷溏R掃描原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of probe mirror scanning principle

其中掃描探針前端含有一個(gè)掃描反射鏡，在位移機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，可以在渦輪葉片的葉根到葉頂范圍內(nèi)沿徑向進(jìn)行一維掃描測(cè)量，加上發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)渦輪葉片沿切向的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以合成渦輪葉片表面的二維溫度場(chǎng)分布。

2 掃描探針結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

掃描探針主要分為：視管組件、吹掃缸、氣缸、掃描機(jī)構(gòu)四個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，探針的主要結(jié)構(gòu)半剖圖如圖3所示。反光鏡在使用時(shí)需要旋轉(zhuǎn)，光信號(hào)經(jīng)由反光鏡折射后需要透鏡組改善光路，故設(shè)計(jì)了視管組件；掃描探針在使用時(shí)需考慮到耐壓、耐高溫，故設(shè)計(jì)了吹掃缸；在發(fā)動(dòng)機(jī)外殼上需要伸入、退出等動(dòng)作，故設(shè)計(jì)了氣缸；反光鏡旋轉(zhuǎn)需要有外力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，故設(shè)計(jì)了掃描機(jī)構(gòu)。

圖3 探針主要結(jié)構(gòu)半剖圖Fig.3 Half-section diagram of the main structure of probe

視管組件包含了光學(xué)組件、反光鏡、拉桿三個(gè)主要部件，作用是將渦輪葉片上發(fā)出的輻射光經(jīng)過(guò)反光鏡反射，進(jìn)入光學(xué)組件，經(jīng)由透鏡傳入光纖中［11，12］。

為避免發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)涵道燃?xì)膺M(jìn)入掃描探針，在探針外殼上設(shè)計(jì)了吹掃缸部件，內(nèi)有吹掃進(jìn)氣口，在測(cè)溫裝置工作過(guò)程中不斷向掃描探針內(nèi)輸入高壓干燥空氣，即可在通光孔處形成正壓，將高溫燃?xì)馔耆韪粼谔结樛獠?，起到冷卻作用，避免掃描探針內(nèi)部各組件因過(guò)熱而損壞。探針整體安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上時(shí)，應(yīng)有安裝法蘭，故將安裝法蘭設(shè)計(jì)與吹掃缸為一體，吹掃缸底部法蘭為安裝法蘭。上面焊接的管為氣管，里面通入高壓冷卻氣體，通過(guò)探針外殼的氣孔，到視管中的反光鏡部分，實(shí)現(xiàn)給整個(gè)深入發(fā)動(dòng)機(jī)中的部件降溫。

氣缸的作用是控制掃描探針動(dòng)作，在測(cè)量時(shí)將探針前端推入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)涵道，測(cè)量結(jié)束后推動(dòng)探針前端離開(kāi)內(nèi)涵道，避免探針持續(xù)受到高溫氣流加熱。氣缸底座設(shè)計(jì)與吹掃缸一體，節(jié)約空間，內(nèi)含活塞，通過(guò)氣缸進(jìn)氣口通入高壓氣體后運(yùn)動(dòng)。

掃描機(jī)構(gòu)由精密步進(jìn)電機(jī)（直線滑臺(tái)）及固定架、剛性拉桿組成，電機(jī)聯(lián)動(dòng)視管組件中的拉桿，帶動(dòng)里面反光鏡在一定角度范圍內(nèi)往復(fù)偏轉(zhuǎn)掃描［15］。

3 控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制器主要作用是實(shí)現(xiàn)控制探針氣缸運(yùn)動(dòng)、處理采集的信號(hào)，為功能集成模塊，主要包含了FPGA、電子盒、氣缸電磁閥、氣缸減壓閥、電源、電機(jī)控制器、觸摸屏、ARM控制板。其中電源負(fù)責(zé)給電機(jī)控制器、FPGA、電子盒、ARM控制板供電。由于其運(yùn)行環(huán)境為常溫常壓，故控制器設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)17英寸4U機(jī)箱大小，內(nèi)部包含上述所有器件，均通過(guò)螺絲方式固定在底板上。

采集部分是電子盒通過(guò)光纖連接探針，將輸入的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)由FPGA進(jìn)行初步的信號(hào)轉(zhuǎn)化、處理；探針中反光鏡控制部分為通過(guò)電機(jī)控制器控制，電機(jī)控制器連接FPGA控制；氣缸電磁閥、減壓閥控制氣缸的伸入/退出，經(jīng)由FPGA控制。FPGA連接ARM控制板，可進(jìn)行初步的信號(hào)處理和溫度計(jì)算，若實(shí)現(xiàn)溫場(chǎng)重建，則需要連接上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。

4 探針流場(chǎng)與溫度場(chǎng)仿真

根據(jù)探針的使用場(chǎng)合，探針頭部需要接觸發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)高溫高壓燃?xì)?。由于探針?nèi)反光鏡的安全溫度約為100 ℃，而燃?xì)鉁囟燃s2000 K，探針采取了通入冷卻氣的方式對(duì)探針內(nèi)部，特別是反光鏡處降溫。為考察冷卻氣是否能有效冷卻探針內(nèi)部，進(jìn)而保護(hù)反光鏡，特展開(kāi)探針的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合仿真。

計(jì)算利用Ansys Fluent軟件進(jìn)行，采用瞬態(tài)（Transient）分析，壓力與速度求解利用耦合（Coupled）方法進(jìn)行，其中動(dòng)量、湍流能量和耗散能量離散采用二階迎風(fēng)（Second order upwind）方法，總時(shí)長(zhǎng)15 s。

圖4和圖5展示了計(jì)算15 s后的流場(chǎng)壓力分布云圖。由圖可知，在整個(gè)冷卻氣經(jīng)過(guò)的流體域中，入口處和中部部分區(qū)域，最高壓強(qiáng)可以達(dá)到約36.07 MPa，表明這些區(qū)域的流阻較大。在探針頭部，流體壓強(qiáng)約17.0 MPa，大大高于燃?xì)獾膲簭?qiáng)1.4 MPa，故表明此區(qū)域可以將高溫燃?xì)飧艚^在外，使其不進(jìn)入探針內(nèi)部接觸反光鏡。在冷卻氣出口處，由于流速較大，為負(fù)壓區(qū)（最低約為-3.38 MPa），故此處有燃?xì)獯嬖?，這點(diǎn)可以從圖5的溫度場(chǎng)分布中得到印證。

圖4 探針總體壓力分布與流線圖Fig.4 Probe overall pressure distribution and streamlines

圖5 探針頭部壓力分布與流線圖Fig.5 Pressure distribution and streamlines of probe head

整個(gè)探針的溫度場(chǎng)分布（15 s時(shí)）見(jiàn)圖6、圖7。由于冷卻氣（以及受熱時(shí)間較短）的作用，探針的高溫區(qū)域集中在頂部沒(méi)入高溫燃?xì)獾膮^(qū)域以及燃?xì)馊肟谔?，而探針?nèi)部，熱量會(huì)沿著探針壁通過(guò)傳導(dǎo)的形式進(jìn)入探針內(nèi)壁，內(nèi)壁溫度最高約為1660 ℃。但是由于反光鏡沒(méi)有直接接觸探針內(nèi)壁，熱量無(wú)法通過(guò)傳導(dǎo)方式進(jìn)入反光鏡，而內(nèi)部的冷卻氣流的強(qiáng)制對(duì)流換熱也較好地隔絕了熱量通過(guò)對(duì)流傳入反光鏡，使得反光鏡處的溫度較低，沒(méi)有超過(guò)其耐受溫度100 ℃。此結(jié)果表明，在冷卻氣溫度為25 ℃、流量為0.1 kg/s工況下，冷卻氣能很好地保護(hù)探針內(nèi)部結(jié)構(gòu)免受外部高溫燃?xì)獾钠茐?。?dāng)然，需要說(shuō)明的是，根據(jù)探針測(cè)試過(guò)程整個(gè)計(jì)算只考察了探針在高溫燃?xì)庵袡z測(cè)15 s的溫度場(chǎng)，如果更長(zhǎng)時(shí)間地將探針?lè)胖糜诟邷厝細(xì)庵?，可能?huì)導(dǎo)致更多區(qū)域出現(xiàn)高溫，還需要進(jìn)行更多計(jì)算。

圖6 探針整體溫度場(chǎng)分布Fig.6 Probe overall temperature field distribution

圖7 探針頭部溫度場(chǎng)分布Fig.7 Temperature field distribution of probe head

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)掃描式輻射測(cè)溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性、重復(fù)性和精度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。掃描式輻射測(cè)溫系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)器選用兩臺(tái)溫度范圍分別為300 ~ 1200 ℃和600～1600 ℃的黑體輻射源組成，對(duì)探針進(jìn)行首次溫度標(biāo)定后，開(kāi)展穩(wěn)定性測(cè)試［8，16］，每隔10 min測(cè)量其1000 ℃的示值，共計(jì)60 min，穩(wěn)定性數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。經(jīng)過(guò)兩次斷電并間隔24 h，開(kāi)機(jī)后的測(cè)溫重復(fù)性數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，表2中各個(gè)溫度點(diǎn)初始值為探針標(biāo)定后示值。

表1 60 min內(nèi)穩(wěn)定性測(cè)試Tab.1 Stability test within 60 min

表2 重復(fù)性測(cè)試Tab.2 Repeatability test ℃

6 技術(shù)難點(diǎn)及關(guān)鍵工藝

6.1 探針外殼前端

探針使用時(shí)，前端需要伸入發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行測(cè)溫，探針前端承受的溫度變高，雖設(shè)計(jì)時(shí)增加了保護(hù)氣以保護(hù)內(nèi)部不被破壞，但是前端外觀被燒黑氧化（此處國(guó)外Rotadata探針并無(wú)提及是否更換了材料），故后改版采用耐高溫貴金屬材料Ptlr10制作，該材料熔點(diǎn)約1600 ℃，能夠承受發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)涵道中的高溫不被氧化，但由于貴金屬和探針主體材料0Cr25Ni20鋼熔點(diǎn)差異過(guò)大，外殼承接段與前端焊接過(guò)程需要特殊處理。經(jīng)過(guò)多次嘗試，最后采取將前端尾部加工出外螺紋和倒角，承接段加工內(nèi)螺紋和倒角，二者螺紋配合后進(jìn)行焊接，焊接時(shí)承接段的不銹鋼表面鍍鎳并加銀絲，使用真空釬焊爐焊接，比一般的氬弧焊要復(fù)雜得多。前端重做后經(jīng)高溫測(cè)試，可正常保證金屬光澤無(wú)明顯氧化痕跡，如圖8、圖9所示。

圖8 不銹鋼材料探針高溫測(cè)試后樣品圖Fig.8 Sample diagram of stainless-steel probe after high temperature test

圖9 貴金屬材料高溫測(cè)試后樣品圖Fig.9 Sample diagram of precious metal probe after high temperature test

6.2 反光鏡

反光鏡的反射率很大幅度影響設(shè)備測(cè)溫的下限，因此降低反光鏡的表面粗糙度至關(guān)重要。

反光鏡設(shè)計(jì)的尺寸很小，表面尺寸為4 mm ×11 mm，大幅增大了加工難度，經(jīng)各種測(cè)試，最終增加了鉸刀、鏡面加工以及超聲波清洗的工藝，鏡面加工時(shí)采用毛輪加W1，W0.5研磨膏拋光打磨，最終能夠使得反光鏡表面粗糙度達(dá)到10 μm級(jí)別，大幅增加了反射率。

6.3 自主可控

相比于國(guó)外Rotadata和西門(mén)子的整套測(cè)溫系統(tǒng)，此測(cè)溫系統(tǒng)將進(jìn)口件全部更換了國(guó)產(chǎn)自主可控的零件，涉及的零部件有：探針內(nèi)部的直線滑臺(tái)、電機(jī)；控制器內(nèi)的探測(cè)器、FPGA電路板、氣缸電磁閥；上位機(jī)使用國(guó)產(chǎn)自主可控列表中的電腦，采用銀河麒麟V10的操作系統(tǒng)，軟件自主開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了100%國(guó)產(chǎn)化。

7 結(jié)論

經(jīng)過(guò)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合仿真分析可知，探針頭部流體壓強(qiáng)約為17.0 MPa，大大高于燃?xì)獾膲簭?qiáng)1.4 MPa，表明此區(qū)域可以將高溫燃?xì)飧艚^在外，使其不進(jìn)入探針內(nèi)部接觸反光鏡；在以0.1 kg/s的流量通入25 ℃冷卻氣，且探針探測(cè)時(shí)間不超過(guò)15 s的情況下，整個(gè)探針內(nèi)部特別是反光鏡處的溫度都未超過(guò)其耐受溫度100 ℃，表明在此種工況下，探針?lè)垂忡R可以得到有效保護(hù)，不會(huì)被燃?xì)飧邷負(fù)p壞。在實(shí)際測(cè)試中，探針還會(huì)受到外部流場(chǎng)壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等多種復(fù)雜外部激勵(lì)的影響，后續(xù)還需開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證；通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)黑體測(cè)得，掃描式輻射測(cè)溫系統(tǒng)的示值誤差、穩(wěn)定性和重復(fù)性在各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)均不超過(guò)7.5 ℃。

綜上，與國(guó)外的Rotadata和西門(mén)子的測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)比，兩者誤差指標(biāo)均為1%，該掃描式輻射測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)溫精度更好，探針前端采用的貴金屬材料可以使探針能夠精確測(cè)得上限1500 ℃的同時(shí)也不會(huì)被高溫?zé)冢姨结槻糠煮w積小，能旋轉(zhuǎn)的反光鏡可以適應(yīng)更多型號(hào)不同和葉片大小不同的發(fā)動(dòng)機(jī)，且滿(mǎn)足國(guó)產(chǎn)自主可控的使用需求。

發(fā)動(dòng)機(jī)的型號(hào)有很多，本文只研究了探針沿渦輪葉片徑向安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)，還有部分發(fā)動(dòng)機(jī)是軸向安裝的，目前此掃描式輻射測(cè)溫系統(tǒng)并不適用于此種發(fā)動(dòng)機(jī)，未來(lái)還需對(duì)探針部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，探索是否能夠做出對(duì)兩種發(fā)動(dòng)機(jī)都能夠測(cè)試的測(cè)溫系統(tǒng)。