高溫熱端部件表面溫度測量的系統設計

胡瑋宸，張學聰，董磊，蔡靜

（航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京 100095）

0 引言

在改進燃氣渦輪機的系統效率過程中，持續的設計開發能獲得更高的操作溫度和壓力。隨著使用的材料越來越接近其性能極限，葉片整體性的評估越發重要，因此了解葉片表面的溫度分布也至關重要［1］。計算流體力學的方法雖然可以預估葉片溫度，但最終仍要測量發動機的實際溫度［2］。

現有多種測量葉片表面溫度的方法，主要分為接觸式和非接觸式測溫兩種，最廣泛使用的是示溫漆和熱電偶的接觸式測溫法。示溫漆涂在葉片表面，渦輪在適當的工作條件下，運行后示溫漆顏色發生變化，可以指示出達到的最高溫度，該技術優勢是從整個葉片表面得到數據，劣勢是不能提供實時測量、分辨力低、只能指示最大溫度。將熱電偶埋入被測葉片表面，可以獲得更高的精度，并能在工作條件下提供實時測量。然而，安裝成本及相關的測量系統（遙測系統、滑環）成本高，只能從離散的、數量有限的位置測量，傳感器壽命有限［3］。

相反，光學輻射測溫法是一種非常典型的非接觸測量方法，能在連續的葉片表面測量全部工作條件下的數據［4］。光學輻射測溫計在燃氣輪機領域已使用40余年，盡管高溫計系統的基本理論是一樣的，但如在電子器件、計算、機械設計和制造方法上的進步已使得系統能力和性能有了巨大的改進［5］。要求高溫計能適應更苛刻的發動機環境，并能逐步測量到由于更復雜的冷卻設計產生的溫度梯度細節。此種測溫計采用非接觸式輻射測溫法，因渦輪葉片處于發動機內涵道中，故探針安裝在發動機外殼上，對準葉片表面，葉片散發的紅外輻射進入探針中［6-7］，并對其光信號進行處理，轉化為溫度值［8］。

非接觸測溫的典型產品就是測溫探針，現如今，市場上已經有了國外品牌的測溫探針，但銷售價格昂貴、非自主可控，且存在缺點，比如Rotadata的探針，后端探測器與探針集成在一體，集成度雖高，但造成整體體積大、重量大的問題，不適合安裝在體積較小的發動機上，且測溫精度只有1%，還存在提升測溫精度的空間；西門子的探針也是后端探測器與探針集成一體，由于沒有旋轉的反光鏡機構，體積稍小，但不具備掃描的功能，其測溫精度也是1%［9］。因此，設計掃描式輻射測溫系統的目的不僅僅是從“零到一”地做出一款產品，而是根據需要與可能，保證產品的測溫精度以及國產化自主可控的能力，為推動國產渦輪葉片輻射測溫系統提供有力支撐［10］。

1 測溫系統概述

掃描式輻射測溫系統分為掃描探針、控制器和上位機三部分，其中探針的作用是將發動機渦輪葉片輻射溫度的光信號傳入光纖中，光纖連接到控制器上；控制器的作用是對輸入的光信號進行初步的處理，轉換成電信號，通過網線連接上位機；上位機的作用是處理控制器上傳的數據包，經計算生成溫度和溫場。根據用戶實際使用需求，設計的測溫系統的示值誤差和重復性均需在±7.5 ℃以內。

掃描探針使用時需安裝在發動機外殼上，上有可伸縮的氣缸，正常探針處于退出發動機的狀態，氣缸氣管與控制器相連接，通入壓縮空氣時，帶動氣缸使探針伸入發動機內涵道中，渦輪葉片的輻射溫度由探針端部的反光鏡，反射進探針內部，最后經由探針尾部的光纖傳入至控制器進行信號初步的處理［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，反射進探針內部，最后經由探針尾部的光纖傳入至控制器進行信號初步的處理，然后通過連接的上位機計算溫度［13，14］。探針反射鏡掃描原理示意圖如圖2所示。

圖2 探針反射鏡掃描原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of probe mirror scanning principle

其中掃描探針前端含有一個掃描反射鏡，在位移機構的帶動下，可以在渦輪葉片的葉根到葉頂范圍內沿徑向進行一維掃描測量，加上發動機工作時渦輪葉片沿切向的轉動，可以合成渦輪葉片表面的二維溫度場分布。

2 掃描探針結構設計

掃描探針主要分為：視管組件、吹掃缸、氣缸、掃描機構四個關鍵結構，探針的主要結構半剖圖如圖3所示。反光鏡在使用時需要旋轉，光信號經由反光鏡折射后需要透鏡組改善光路，故設計了視管組件；掃描探針在使用時需考慮到耐壓、耐高溫，故設計了吹掃缸；在發動機外殼上需要伸入、退出等動作，故設計了氣缸；反光鏡旋轉需要有外力進行驅動，故設計了掃描機構。

圖3 探針主要結構半剖圖Fig.3 Half-section diagram of the main structure of probe

視管組件包含了光學組件、反光鏡、拉桿三個主要部件，作用是將渦輪葉片上發出的輻射光經過反光鏡反射，進入光學組件，經由透鏡傳入光纖中［11，12］。

為避免發動機內涵道燃氣進入掃描探針，在探針外殼上設計了吹掃缸部件，內有吹掃進氣口，在測溫裝置工作過程中不斷向掃描探針內輸入高壓干燥空氣，即可在通光孔處形成正壓，將高溫燃氣完全阻隔在探針外部，起到冷卻作用，避免掃描探針內部各組件因過熱而損壞。探針整體安裝在發動機上時，應有安裝法蘭，故將安裝法蘭設計與吹掃缸為一體，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，通過探針外殼的氣孔，到視管中的反光鏡部分，實現給整個深入發動機中的部件降溫。

氣缸的作用是控制掃描探針動作，在測量時將探針前端推入發動機內涵道，測量結束后推動探針前端離開內涵道，避免探針持續受到高溫氣流加熱。氣缸底座設計與吹掃缸一體，節約空間，內含活塞，通過氣缸進氣口通入高壓氣體后運動。

掃描機構由精密步進電機（直線滑臺）及固定架、剛性拉桿組成，電機聯動視管組件中的拉桿，帶動里面反光鏡在一定角度范圍內往復偏轉掃描［15］。

3 控制器結構設計

控制器主要作用是實現控制探針氣缸運動、處理采集的信號，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、電機控制器、觸摸屏、ARM控制板。其中電源負責給電機控制器、FPGA、電子盒、ARM控制板供電。由于其運行環境為常溫常壓，故控制器設計為標準17英寸4U機箱大小，內部包含上述所有器件，均通過螺絲方式固定在底板上。

采集部分是電子盒通過光纖連接探針，將輸入的光信號轉化為電信號，經由FPGA進行初步的信號轉化、處理；探針中反光鏡控制部分為通過電機控制器控制，電機控制器連接FPGA控制；氣缸電磁閥、減壓閥控制氣缸的伸入/退出，經由FPGA控制。FPGA連接ARM控制板，可進行初步的信號處理和溫度計算，若實現溫場重建，則需要連接上位機進行數據計算。

4 探針流場與溫度場仿真

根據探針的使用場合，探針頭部需要接觸發動機內高溫高壓燃氣。由于探針內反光鏡的安全溫度約為100 ℃，而燃氣溫度約2000 K，探針采取了通入冷卻氣的方式對探針內部，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部，進而保護反光鏡，特展開探針的流場與溫度場耦合仿真。

計算利用Ansys Fluent軟件進行，采用瞬態（Transient）分析，壓力與速度求解利用耦合（Coupled）方法進行，其中動量、湍流能量和耗散能量離散采用二階迎風（Second order upwind）方法，總時長15 s。

圖4和圖5展示了計算15 s后的流場壓力分布云圖。由圖可知，在整個冷卻氣經過的流體域中，入口處和中部部分區域，最高壓強可以達到約36.07 MPa，表明這些區域的流阻較大。在探針頭部，流體壓強約17.0 MPa，大大高于燃氣的壓強1.4 MPa，故表明此區域可以將高溫燃氣隔絕在外，使其不進入探針內部接觸反光鏡。在冷卻氣出口處，由于流速較大，為負壓區（最低約為-3.38 MPa），故此處有燃氣存在，這點可以從圖5的溫度場分布中得到印證。

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

整個探針的溫度場分布（15 s時）見圖6、圖7。由于冷卻氣（以及受熱時間較短）的作用，探針的高溫區域集中在頂部沒入高溫燃氣的區域以及燃氣入口處，而探針內部，熱量會沿著探針壁通過傳導的形式進入探針內壁，內壁溫度最高約為1660 ℃。但是由于反光鏡沒有直接接觸探針內壁，熱量無法通過傳導方式進入反光鏡，而內部的冷卻氣流的強制對流換熱也較好地隔絕了熱量通過對流傳入反光鏡，使得反光鏡處的溫度較低，沒有超過其耐受溫度100 ℃。此結果表明，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探針內部結構免受外部高溫燃氣的破壞。當然，需要說明的是，根據探針測試過程整個計算只考察了探針在高溫燃氣中檢測15 s的溫度場，如果更長時間地將探針放置于高溫燃氣中，可能會導致更多區域出現高溫，還需要進行更多計算。

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

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

5 實驗驗證

對掃描式輻射測溫系統的穩定性、重復性和精度進行了實驗驗證。掃描式輻射測溫系統的標準器選用兩臺溫度范圍分別為300 ~ 1200 ℃和600～1600 ℃的黑體輻射源組成，對探針進行首次溫度標定后，開展穩定性測試［8，16］，每隔10 min測量其1000 ℃的示值，共計60 min，穩定性數據見表1。經過兩次斷電并間隔24 h，開機后的測溫重復性數據見表2，表2中各個溫度點初始值為探針標定后示值。

表1 60 min內穩定性測試Tab.1 Stability test within 60 min

表2 重復性測試Tab.2 Repeatability test ℃

6 技術難點及關鍵工藝

6.1 探針外殼前端

探針使用時，前端需要伸入發動機中進行測溫，探針前端承受的溫度變高，雖設計時增加了保護氣以保護內部不被破壞，但是前端外觀被燒黑氧化（此處國外Rotadata探針并無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，該材料熔點約1600 ℃，能夠承受發動機內涵道中的高溫不被氧化，但由于貴金屬和探針主體材料0Cr25Ni20鋼熔點差異過大，外殼承接段與前端焊接過程需要特殊處理。經過多次嘗試，最后采取將前端尾部加工出外螺紋和倒角，承接段加工內螺紋和倒角，二者螺紋配合后進行焊接，焊接時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雜得多。前端重做后經高溫測試，可正常保證金屬光澤無明顯氧化痕跡，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備測溫的下限，因此降低反光鏡的表面粗糙度至關重要。

反光鏡設計的尺寸很小，表面尺寸為4 mm ×11 mm，大幅增大了加工難度，經各種測試，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到10 μm級別，大幅增加了反射率。

6.3 自主可控

相比于國外Rotadata和西門子的整套測溫系統，此測溫系統將進口件全部更換了國產自主可控的零件，涉及的零部件有：探針內部的直線滑臺、電機；控制器內的探測器、FPGA電路板、氣缸電磁閥；上位機使用國產自主可控列表中的電腦，采用銀河麒麟V10的操作系統，軟件自主開發，實現了100%國產化。

7 結論

經過流場與溫度場耦合仿真分析可知，探針頭部流體壓強約為17.0 MPa，大大高于燃氣的壓強1.4 MPa，表明此區域可以將高溫燃氣隔絕在外，使其不進入探針內部接觸反光鏡；在以0.1 kg/s的流量通入25 ℃冷卻氣，且探針探測時間不超過15 s的情況下，整個探針內部特別是反光鏡處的溫度都未超過其耐受溫度100 ℃，表明在此種工況下，探針反光鏡可以得到有效保護，不會被燃氣高溫損壞。在實際測試中，探針還會受到外部流場壓力、發動機振動等多種復雜外部激勵的影響，后續還需開展現場試驗驗證；通過標準黑體測得，掃描式輻射測溫系統的示值誤差、穩定性和重復性在各個測溫點均不超過7.5 ℃。

綜上，與國外的Rotadata和西門子的測溫系統對比，兩者誤差指標均為1%，該掃描式輻射測溫系統的測溫精度更好，探針前端采用的貴金屬材料可以使探針能夠精確測得上限1500 ℃的同時也不會被高溫燒黑，且探針部分體積小，能旋轉的反光鏡可以適應更多型號不同和葉片大小不同的發動機，且滿足國產自主可控的使用需求。

發動機的型號有很多，本文只研究了探針沿渦輪葉片徑向安裝的發動機型號，還有部分發動機是軸向安裝的，目前此掃描式輻射測溫系統并不適用于此種發動機，未來還需對探針部分進行結構優化，探索是否能夠做出對兩種發動機都能夠測試的測溫系統。