航空发动机涡轮叶片发射率测量

收稿日期：2010-04-02；修回日期：2010-12-06基金项目：航空基金(2008ZD24014)作者简介：熊

兵(1975-)，男，四川渠县人，工程师，硕士，主要从事航空发动机特种测试技术工作

。

第24卷第2期燃气涡轮试验与研究Vol.24,No.22011年5月Gas Turbine Experiment and Research

May,2011

摘要：对于复杂环境下的涡轮叶片表面温度场测量，红外测温技术是目前该领域最佳方法之一，而发射率的准确测

量是红外测温的关键。本文针对涡轮叶片发射率的测量，阐述了热电偶对比法的原理和技术细节，并根据某型发动机涡轮转子叶片温度场试验测试的需求，在600～800℃温度范围内进行了发射率测量。试验数据分析表明，其发射率为

0.914，可作为ROTAMAP II 辐射高温计的预先设定值。而误差分析表明，该方法具有较高的精度。

关键词：辐射测温；发射率；涡轮叶片中图分类号：V241.06

文献标识码：A

文章编号：1672-2620（2011）02-0045-04

Emissivity Measurement of Aero-engine Turbine Blade

XIONG Bing ，SHI Xiao -jiang ，CHEN Hong -min ，XU Feng -hua

(China Gas Turbine Establishment ，Jiangyou 621703，China)

Abstract ：The infrared temperature measurement technique is one of the best methods of measuring sur -face temperature field of turbine blades in complicated conditions.Exactly measuring emissivity is a key factor in infrared temperature measurement.Aiming to the measurement of turbine blade emissivity,the principle and techniques details of thermocouple antithesis are described.According to requirements of an aero-engine turbine blade measurement,the emissivities in temperature range from 600℃to 800℃are measured,and test data are analyzed.The emissivity 0.914can be used as the initialization value for the ROTAMAP II infrared thermometer.The error analysis indicates that this method is of upper preci -sion.

Key words ：infrared temperature measurement ；emissivity ；turbine blade

1引言

物体的发射率表征了该物体表面辐射能力的强弱，任何物体的发射率都等于它在相同温度和相同条件下的吸收率。红外辐射测温技术作为涡轮叶片温度场测量的有效手段，已取得很好的应用效果[1]。红外高温计测量涡轮转子叶片温度场采用的是全发射率，而叶片发射率作为红外测温系统的一个输入参数，需要先确定，才能在试验中准确测出叶片的真实温度。发射率的测量误差直接影响红外高温计测温的精度，因此必须准确测量。

2全辐射测温与发射率的关系

全辐射测温理论上是测量所有波长的辐射能量，当真实温度为T 的待测物体与温度为T b 的绝对黑体在整个光谱范围内总的辐射能量相等时，温度

T b 就定义为待测物体的辐射温度。由普朗克定律可知，绝对黑体在温度T b 下的全辐射功率M b 为：

M b =

乙

c 1λ-5(e

c 2/λT b

-1)-1d λ=σT b

4

(1)

式中：λ为波长；T b 为黑体辐射温度；c 1、c 2分别为普朗克第一和第二辐射常数，c 1=3.741833×10-16W ·m 2，

c 2=1.438832×10-2m ·K ；σ为斯蒂芬-玻尔茨曼常

45

数，且σ=5.67×10-8W ·m -2·K -4。

同样，可得到灰体的辐射功率M 为：

M=

乙c 1

λ

-5

(e

c 2/λT

-1)-1

d λ=εσT

4

(2)

式中：ε为被测物体的发射率。

根据辐射温度的定义可得：

M b =M

(3)故被测物体的温度为：

T=T b ε

-1/4

(4)

由此可见，被测物体的发射率直接影响到被测物体真实温度的测量，而发射率与物体材料、表面状态、温度、波长等因素有关，故必须准确测量。

3发射率测量方法

根据不同的测试原理，发射率测量方法通常可分为量热法、反射率法及辐射能量法[2]。下面针对辐射能量法中的几种方法进行简要介绍。

3.1热电偶比对法

根据发射率的定义[3]，在相同温度条件下比较黑体和灰体的辐射功率，即可得到灰体的发射率：

ε=M M b

(5)

按照等间隔设置多个温度参考点，先在标准黑体炉上测出各个设定参考温度下的辐射功率；然后在高温炉内用热电偶测出物体表面在设定参考温度下的真实温度，同时测出对应的辐射功率。如果高温炉是精度较高的闭环控制且内部温度均匀，则可认为设定温度与真实温度相等；否则，通过拟合计算得到多个真实温度与对应温度下的辐射功率间的函数关系，通过该函数关系式反算出设定温度下的辐射功率，利用公式(5)计算出被测物体的发射率。

3.2人工黑体比对法

在叶片表面某处涂上已知发射率的涂料(如黑漆，查表可得发射率为0.93)或黑体材料，先用辐射温度计测量出涂料处的温度，然后在相同温度状态下再测出没有涂料处或把涂料去掉后的温度，调整发射率使前后两者的测量温度值一致，此时的发射率即为目标发射率。

实际上，人工黑体比对法与热电偶比对法测量发射率的原理相同，均采用与固定发射率物体做比对的方法，只是人工黑体法采用的不是黑体发射率“1”，而是一个小于1的定值。

3.3

其它方法

另外，还有一些很难应用于实际叶片发射率测

量的方法，如：双参考体法、双温度法、双背景法等。

4测量方案及实施步骤

采用热电偶比对法对涡轮叶片表面发射率进行测量，具体技术细节为：

(1)如图1所示，将黑体炉作为标准辐射源，将

辐射高温计探针安装在测量支架上。探针对准黑体炉炉口中心，距炉口边沿20mm ，距靶点90mm ，以便探针反光镜能沿炉管观测到位于黑体炉中心的靶点。设定温度T 0分别为600℃、650℃、700℃、750℃和

800℃，每个温度点下记录5遍辐射值，取平均值作为

设定温度下对应的黑体辐射值M b 。

(2)按照图2所示连接各仪器设备[4]。由于不

是闭环控制，控温仪控制坩埚电阻炉的温度误差较大，在±3℃以内，故将热工检定仪显示的铠装热电偶温度值作为测量发射率的实际温度值。安装时，测温仪探头的反射镜尽量对准铠装热电偶附近区域，探头距被测物表面90mm 为佳。

(3)设定控温仪的温度，分别为600℃、650℃、700℃、750℃和800℃，对坩埚电阻炉进行加热。当热

图2发射率测量示意图

Fig.2Sketch of emissivity measurement

红外测温仪

坩埚电阻炉

SG2-15-10

待测叶片

铠装热电偶

控温仪

DWT702

RZJ 热工检定仪

燃气涡轮试验与研究第24卷

图1黑体辐射值测量示意图

Fig.1Sketch of black-body radiation measurement

至炉中靶点的精确视线

靶点温度显示

安装架中的探针

黑体炉

靶点

对准板

设置控制46