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光学高温计系统

系统概述  光学高温计提供了一种非浸入式测量涡轮表面温度的技术,该系统接收叶片表面散发的红外辐射,并将其经由一个光电探测器转换为可以测量的电信号。配备合适的定位机制,被查看区域会发生变化,当观察旋转部件时,可以生成一个2维辐射图。通过该方法,可以采集到使用大量接触式传感器才能测量的表面温度。  当今涡轮操作温度越来越高,需要更为复杂的冷却设计,导致温度场错综复杂,温度梯度更为陡峭。而其他方法如示温
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系统概述

   光学高温计提供了一种非浸入式测量涡轮表面温度的技术,该系统接收叶片表面散发的红外辐射,并将其经由一个光电探测器转换为可以测量的电信号。配备合适的定位机制,被查看区域会发生变化,当观察旋转部件时,可以生成一个2维辐射图。通过该方法,可以采集到使用大量接触式传感器才能测量的表面温度。

   当今涡轮操作温度越来越高,需要更为复杂的冷却设计,导致温度场错综复杂,温度梯度更为陡峭。而其他方法如示温漆和热电偶可以提供部分信息,比如,示温漆涂在叶片表面,随着涡轮在所关注的操作条件下运行,示温漆颜色发生变化,进而指示出达到的最大温度,该技术优势是从整个叶片表面得到数据,劣势是不能提供实时测量、分辨率低、只能指示最大温度。将热电偶埋入被测叶片表面,可以获得更高的精度,并能在操作条件下提供实时测量。然而,安装和相关的测量系统(遥测系统、滑环)成本高,只能从离散的、数量有限的位置测量,传感器寿命有限。

   高温计系统优势在于,在一系列操作条件下提供近似实时的监测,同时捕获感兴趣区域的温度场细节。

   用作发动机健康监测时,测得的表面温度可以提示叶片的状况,帮助识别潜在的与温度相关的问题的出现,如疲劳、裂纹和蠕变。某些用于开发测试的温度测量技术在此就不适用了,如示温漆。高温计系统更适合用作此目的所要求的长期的重复使用。

   20余年来,Rotadata公司一直为涡轮机械行业设计和制造高温计系统。在此期间,根据各种不同的发动机环境和测试要求,开发了采用不同定位机制、查看和探测部件的系统。每套系统均由将高温计安装在测试台上(通常通过现有的孔探仪)所需的硬件,和实现自动控制、采集并生成温度场的全部电子器件和软件。

 

 

系统基本部件

   一套完整的高温计系统通常由安装在发动机上的硬件、地面调理设备和软件组成。安装在发动机上的硬件,我们称为“探头”,包括视杆、视杆内部的pyrometer和执行机构。一套Rotadata提供的高温计系统主要部件如图1所示,并在下文进行了描述。

 

 

图1系统示例

 

视杆

   视杆是探头的一部分,插入孔探仪或其他孔进入流道。支撑光学组件,将视场导向叶片表面,通常是通过安装在探头尖端查看小孔的镜片来实现。镜片平面的角度决定了查看角度和在叶高上的高度,这样深入一定距离即可采集辐射。视杆的材料和构造必须能够承受气流的温度和压力,镜片材料必须要在此环境中保持其反射能力。冷却气和冲洗气能够防止镜片过热和污染,是基础的设计考虑。

执行机构

   需要有处理器件来将探测器输出的信号转换成适合传输的状态,从发动机传输至数据记录装置。另外,要扫描一系列叶高时,需要使用一个驱动机制控制视杆在流道中运行,来查看感兴趣的区域。因此,所需的信号处理器件和驱动机制就位于执行机构内部,安装在涡轮机匣上,有时会安装在外机匣内部。通常,视杆可以从执行机构上拆卸下来,这样需要查看涡轮的不同区域时,可以使用同一个执行机构,驱动不同的视杆。

   为能满足不同的应用需求,Rotadata已开发了一些不同类型的执行机构,如图2所示,用于不同的涡轮条件、尺寸和扫描区域。

 

 

   在所有不同类型的系统中,处理探测器输出的电气部分是通用的。

   该电气部分主要包括一个放大器回路、一个12位模数转换器和一个数据成帧和传输系统。数据以1百万个采样点每秒的速率进行数字化转换,并与状态信息一起编码,传输给地面站。系统带宽为DC到300kHz。依据被测温度范围的不同,可能会达到更高的带宽。

地面站

   为架装装置,内部插有探头定位控制和数据处理的板卡,该装置是探头与PC的接口。

地面站接收的辐射数据流从12位串行格式转换为并行。执行机构的位置信息和发动机同步信号(一般是转速脉冲)编码成额外的4位,共16位并行数据经由一个缓冲模块被PC中的一个插拔板卡读取。

PC和软件

   操作人员使用系统软件可以可靠安全地控制硬件来采集叶片表面的数据,软件运行在单独的PC上,插有数据采集卡,与地面站相连。用户可输入被测车台信息、自动控制扫描过程、处理并查看采集的数据。如图3所示。

 

 

   图3显示了某些数据显示选项,右下角是一个热映像图,为被测表面的一个快照,颜色代表测到的辐射级别。左上角是一个细节图。可以很明显地看出每个叶片从叶尖到叶根的温度梯度。中间的图显示了13个叶片在3个不同的叶高上辐射是如何变化的。

校准

   高温计系统可以使用黑体炉进行校准,校准源设置了所需范围内的一系列温度,测量对应每个温度的高温计输出。研究表明,高温计输出和温度间的校准曲线符合普朗克定律。

R:辐射            C1:第一辐射常量

E:发射率           C2:第二辐射常量

K:系统效率         λ:有效波长

                 T:温度(K)

   有效波长和系统效率是从校准结果中获得的,系统效率是个乘数,计入了光损失(包括镜片和传输损失、探测器效率、滤波特性、频谱响应、频谱带宽和目标直径)和放大器灵敏度。

   所有新系统均需要进行校准来验证系统性能,推荐用户在每次测试前后进行校准,来确定测试过程中的系统特性。

系统精度系统的整体测量精度计算为:

+3℃+读数的0.5%

+3℃为黑体炉的精度,读数的0.5%是一个更为复杂的数,表示辐射采集、测量和线性化过程的精度,考虑到以下几点得出来的。

l 放大器增益稳定性

l 探测器温度补偿精度

l 模数转换分辨率和精度

l 校准曲线拟合导致的线性化精度。

   将此值与辐射关联的话,以InGaAs探测器和1000℃的校准源为例,温度的+0.5%,等同于辐射的+3.5%。

注意,当测量发动机上的一个涡轮叶片时,并不是指整体精度,只适用于理想的黑体或具有黑体同样频谱分布的实体,并发射率为已知。用户得到的精度取决于其对被测表面、几何和辐射环境的了解。

为何选用Rotadata高温计系统?

l 提供了一种在航空发动机和动力燃气涡轮内部采集叶片表面辐射温度的方法。能够扫描一系列叶高或缘板,并对采集的每个数据点添加径向和轴向位置信息。

l 数秒内完成整个转子叶片数据的采集,可以查看到完整的扫描区域辐射图(称之为“彩虹图”)。

l 由于高温计硬件所处的操作环境比较苛刻,要求高温计必须具有超高稳定性。

l 发动机测试时,探头必须要完全按照控制软件的指令,准确地定位和运行。

l Rotadata具有20余年的高温计设计、制造和供货经验,提供完全交钥匙的解决方案和专家级的技术支持。

l 在具有40余年的技术前沿组织的带领下,持续致力于系统性能的改进,来提高系统稳定性、噪声性能和系统带宽。

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