航空发动机表面发射率测量技术研究

马春武，刘忠奎，薛秀生，张 兴，张志学，张玉新

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

0 引言

航空发动机的表面温度和放热率是飞机和发动机协调的重要参数，高温发动机部件与飞机机体之间的辐射换热严重地影响着飞机的结构与强度设计。为了保障飞行安全，提高可靠性和耐久性，确保发动机和飞机的相容性，飞机承包商必须确定单位时间内发动机传向发动机舱内的总热量（放热率），并开展发动机舱的冷却设计工作，控制发动机（含附件）的表面温度在规定的范围内。

由于测试发动机放热率的核心问题就是如何在发动机运行过程中获得发动机的表面发射率（表面黑度）。因此,本文开展了航空发动机表面发射率测试技术研究。

1 发射率理论基础

发射率又称黑度（ε），是物体表面的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比，是辐射测温中的1个重要参数[1]。自然界一切物体的辐射力均小于同温度下黑体的辐射力，其比值小于1，表明接近黑体的程度。黑度（ε）与物体表面的材料、粗糙程度及温度有关。常温下非金属材料的黑度较高，不决定于表面颜色，混凝土、红砖与浅色砖的黑度为0.85～0.95，一般随温度开高而减小，至500℃降为0.75～0.90。金属材料的黑度比非金属材料的低，受表面光洁度的影响较大，常温下表面磨光的铜与铝的黑度为0.02～0.05，表面无光泽的铜与铝为0.2～0.3，相差数倍，为此，急需一些测量技术和手段在线测量发动机表面的发射率。

2 测量需求

国外航空发动机通用规范对航空发动机的表面温度和放热特性均有明确规定。我国航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范中规定：发动机工作时的最大表面温度和放热率应在型号规范中进行说明。表面温度沿长度的变化如图1所示。发动机表面发射率分析和计算基础如图2所示。在图1和图2上应按规定的状态表示放热和表面温度数据。给出的放热和表面温度分析数据要在与初始飞行前规定试验持久试车发动机零件目录和结构相同的发动机上予以验证，测取发动机的表面放热和冷却要求的数据。这些数据包括发动机各附件及各部位的冷却要求、放热率和对应的表面温度。

图1 发动机表面温度沿长度的变化

图2 发动机热辐射率分析和计算基础

由于发动机舱的气流流动相对较弱，发动机的放热率主要由机匣外表面的辐射放热构成，即确定发动机的放热率主要就是确定发动机外表面的辐射放热率。根据辐射传热理论，发动机表面的辐射放热率与发动机表面温度及发射率相关，只要在发动机运行过程中通过测试获得发动机的表面温度、发射率以及发动机舱（或环境）温度，就可以计算出对应状态的发动机表面辐射放热率。温度的测量为常规测量项目，因此测试发动机放热率的核心问题就是如何在发动机运行过程中获得发动机的表面发射率（表面黑度）问题。

3 基于带前置反射器辐射温度计的发射率测量原理

3.1 前置反射器辐射温度计原理

前置反射器辐射温度计的结构如图3所示。它大致可分为上下2个部分，上端包括透镜和热电堆等，下端是1个内表面镀黄金的半球反射器。在应用时,把前置反射器扣在被测物体表面上，被测物体表面与前置反射器组成1个闭合的腔体，如图4所示。从被测表面发射出的辐射能经反射器的多次反射,从反射器上部的小孔中辐射出去的能量非常接近于黑体辐射，即上端热电堆接收的能量非常接近于黑体辐射[2]。如果该仪表在黑体条件下分度，则可测得被测表面的真实温度。

图3 前置反射器辐射温度计

图4 个表面组成封闭空腔

文献[3]给出了有效发射率的定义和计算公式

经推导可得计算公式

式中：ε为被测固体表面的全发射率（黑度）；F1、F2分别为被围固体的表面面积和前置反射器的内表面积；α、ρ分别为表面II的吸收率和反射率。

3.2 发射率测量原理

将前置反射器辐射温度计扣在被测固体表面上，则该仪表的输出电压信号为

式中：K为仪表系数；Rλ为热电堆的响应率，与波长无关；εeffg为被测表面有效发射率（前置反射器内表面镀黄金）；λ为波长；T为被测表面的绝对温度；λ1、λ2分别为透镜透光的起始波长和截止波长；E0（λ、T）为被测表面温度下的单色黑体辐射功；τλ为透镜的透过率。

对于热电堆而言，Rλ为常数，因此可以提到积分号外面。由于航空发动机外部机匣和附件都是金属件，可以假定为灰体（物体单色辐射力与同温度黑体单色辐射力随波长的变化曲线相似），由传热学的结论可知：灰体表面发射率与波长无关，即εeff也与波长无关，因此它也可以提到积分号外面，则式（1）变为

把1个带前置吸收器（与反射器几何尺寸相同，但内表面涂黑）的同样透镜、相同热电堆、相同结构尺寸的仪表同时扣在同一被测表面上，则该仪表的输出电压信号为

式中：εeffb为被测的高温表面被冷吸收器包围时，该表面上的有效发射率。

为了实现用2块仪表同时测量同一表面，采用了如下测试方法：2台仪表均扣在被测表面上，并同时沿着同一轨迹平行移动，则同时可以获得如式（2）和式（3）所示的包括温度T和发射率ε的2个未知数在内的2个电压信号方程式。发射率ε可由式（3）除以式（2）直接得到，即

将ε的计算公式代入式（5），同时前置反射器和前置吸收器内表面均为半球表面，所以F1/F2=0.5，整理后得到

式中：G为2个仪表输出的电势差的比值，如果已知前置吸收器内表面反射率ρ和前置反射器内表面吸收率α的值，就可通过式（6）计算得到发射率ε的值。

3.3 注意事项

采用前置反射器辐射温度计进行发射率ε的测量应注意以下几个方面的影响：

（1）对反射率较大的前置反射器，小孔泄露的能量引起的测量误差应进行修正。

（2）被测部位固体表面是否满足灰体的定义，发动机金属部件表面满足灰体定义，但复合材料部件表面就不满足灰体定义。

（3）对测量低温和低发射率对象时的系统误差进行修正。

（4）2个辐射温度计应沿发动机周向表面进行同一轨迹平行移动，不应在温度变化梯度较大的区域移动。

（5）前置反射器可靠性、长寿命的设计，以及在测点位置的固定、安装等。

4 基于动态红外数字成像仪的发射率测量原理

4.1 动态红外数字成像仪

动态红外数字成像仪是通过非接触探测红外能量，并将其转换为电信号，进而在显示器上生成热图像和温度值，并可以对温度值进行计算的1种检测设备。与传统的测温方式（热电偶）相比，动态红外数字成像仪可在一定距离内实时、定量、在线检测发热点的温度，通过扫描还可以绘出设备在运行中的温度梯度热像图，而且灵敏度高、不受电磁场干扰、便于现场使用。

4.2 发射率测量

根据热辐射理论和红外测温原理，文献[4]推导出了热像仪测温通用的基本公式

式中：Vs为与辐射功率相对应的信号电压；τa为大气透射率；ε为目标表面发射率；α为目标吸收率；T0为目标表面温度；Tu为环境温度；Ta为大气温度；εa为大气发射率。

K=ARA0d-2，式中：AR为热像仪最小空间张角所对应的目标可视面积；d为该目标到测量仪的距离（通常在一定条件下，ARd-2为常值）；A0为热像仪的透镜面积，也是定值。

因此K在此式中可被认为是1个参数常量

式中：Rλ为探测器的光谱响应度，Lbλ（T）为物体表面的光谱辐射亮度。

在工程应用上，发动机机匣的金属表面满足灰体近似，则 ε=α。对于大气，认为 εa=αa=1-τa，在近距离进行测量时，可以忽略大气吸收，即τa=1，则

当被测表面为标准辐射源黑体时，发射率ε=1，则由式（8）可进一步得到

由普朗克辐射定律可知

式中：c1=3.7418×10-12W·cm2，为第1辐射常数；c2=1.4388 cm·K，为第2辐射常数。

对于响应波段为8～14 um的红外探测器，由式（10）积分可得

式中：C为比例常数。

将式（11）代入式（9），得到

发动机表面的辐射力所对应的A/D转换输出值由红外数字成像仪测得记为Vt，由式（12）得到

对同一测量点由高精度的热电偶测量其表面温度T0，代入式（12）可得到VS，将红外数字成像仪聚焦到该测量点得到Vt，可以近似地认为测量Vt时的温度与Vs的温度是同一温度。

4.3 注意事项

采用动态红外数字成像仪进行发射率ε的测量应注意以下几个方面的影响：

（1）探测器的波长范围，目前主要分为波长为3～5 μm和 8～14 μm的红外探测器，对于非灰体目标，测量波段的选择对计算发热率会产生影响。

（2）滤光片的选取原则：当被测固体表面温度高于160℃时，为了保护红外探测传感器，在探测器红外镜头前加入锗滤光片；当被测固体表面温度低于160℃时，可以去掉滤光片直接进行温度测量。

（3）调整合适的物距使红外图像聚焦清晰，同时应用卷尺进行物距的测量，将测量的数据作为参数输入到动态红外数据成像仪的上位软件中。此外还应克服烟雾、灰尘、水蒸气、二氧化碳等中间介质的影响。

5 试验分析

参照GJB 5892－2006《红外辐射率测量方法》进行试验测试技术研究，采用加热平台对标准样板进行均匀加温，将T型热电偶敷设在试件的表面，用于测量试件的表面温度，然后将电偶接入FLUKE 2620A数据采集器，该种采集器具有自动冷端补偿、多通道数据采集、转换精度高、操作方便等优点，同时具有标准RS232的串口数据通讯功能，可将采集到的温度数据传送到上位机，上位机完成数据的处理与存储。试验设备如图5所示，数据信息处理人机界面如图6所示。

应用前置反射器辐射温度计分别对不锈钢、高温合金、钛合金、黄铜进行了发射率的测量，结果见表1。

试验数据表明，2种方法在试验室条件下的测试结果差别小，可以同时在发动机外机匣表面进行发射率的在线检测，两者可互为校准验证，进而保证测量数据的准确性。

图5 试验设备组成

图6 数据信息处理人机界面

表1 试验测试结果

基于实验室的测量验证结果，在某型发动机外表面应用第1种方法进行了表面发射率的测量（如图7所示），取得了较好的发射率数据。由于发动机工作振动的影响和试车条件的限制，红外动态数字成像系统暂时没有进行发射率的测量，随着该项目的后续发展，不远的将来可以实现2种测量方法同时在线检测，这样可保证其测量方法的正确性。

图7 某型发动机外表面发射率的测量

6 结论

（1）前置反射器辐射温度计适用于多点在线测量，但在测量航空发动机表面发射率时要特别注意温度计的固定、安装。

（2）动态红外数字成像仪的特点是非接触测量，其优点是工作环境影响小、无机械固定安装要求，但在测量中要特别注意检测波长范围，调整合适的物距，克服烟雾、灰尘、水蒸气、二氧化碳等中间介质的影响。

（3）应用前置反射器辐射温度计进行工程应用，取得了某型发动机表面发射率的数据，为该型号发动机的研制定型提供了有力的数据依据。

[1]Incropera F P,DeWitt D P,Bergman T L,et al.传热和传质基本原理[M].北京：化学工业出版社，2007：127-250.

[2]王玲生，李丽洁，高魁明.固体表面温度和黑度的同时测量[J].冶金能源，1986，5（3）：46-51.

[3]陈野林，周俊武.在线测量固体表面黑度的试验研究[J].自动化技术，1989（3）：10-13.

[4]杨立.红外热像仪测温计算与误差分析 [J].红外技术，1999，21（4）：20-24.

[5]孙志远，王晶，乔彦峰.环境对中波红外探测器测温精度的影响[J].中国光学与应用光学，2010，3（6）：659-665.

[6]康为民，张学如.低温背景红外动态图像转换技术[J].红外与激光工程，2008，37（2）：796-798.

[7]范春利，杨立，华顺芳.热探测器温度对非制冷红外热像仪测温的影响[J].红外技术，2002，24（5）：22-24.

[8]张健，杨立，刘慧开.环境高温物体对红外热像仪测温误差的影响[J].红外技术，2005，27（5）：419-422.

[9]Inagaki T,Okamoto Y.Surface temperature measurement near ambient conditions using infrared radiometers with different detection wavelength bands by applying a grey-body approximation:estimation of radiative properties for non-matal surfaces[J].NDT&E International,1996,29（6）：363-369.

[10]高小明.影响红外热像仪测量精度的因素分析 [J].华电技术，2008，30（11）：4-7.

[11]张波，吕事桂.基于双响应波段工作的红外热像仪测温原理与误差分析[J].宇航计测技术，2010，36（6）：11-15.

[12]余其铮.辐射换热原理[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000：43-56.