一种涡轮叶片的辐射测温系统及基于反射补偿的涡轮叶片辐射测温方法技术方案

本发明专利技术提供一种涡轮叶片的辐射测温系统及基于反射补偿的涡轮叶片辐射测温方法，包括：对叶片工作环境(即邻近导叶)温度分布进行仿真计算或使用测量设备进行测量。根据叶片的叶型参数，得到叶片截面曲线的型线公式，通过型线公式的拟合描述叶片表面的几何特征。将动叶与其邻近热端部件表面(包括导叶及其它高温部件)面元化，分别计算每个高温部件面元对待测动叶面元的有效辐射量。建立环境反射模型，计算环境反射量。建立多光谱辐射传递方程。求解目标方程得到叶片真温。本发明专利技术降低叶片工作环境邻近热端部件反射量对叶片测温结果的影响，提高测温精度。

【技术实现步骤摘要】
一种涡轮叶片的辐射测温系统及基于反射补偿的涡轮叶片辐射测温方法
本专利技术涉及涡轮叶片辐射测温工作环境反射影响修正方法，尤其涉及一种涡轮叶片的辐射测温系统及基于反射补偿的涡轮叶片辐射测温方法，应用于发动机涡轮叶片表面温度测量。
技术介绍
燃气轮机的发展过程是以温度的提高为主要标志，而在燃气轮机能量转换时，涡轮叶片是其中最重要部件之一。涡轮叶片工作环境恶劣，除在高转速下承受热应力的变化外，还收到高温燃气的冲击以及热腐蚀的影响，使得涡轮叶片更易损坏由于燃气轮机涡轮叶片处于封闭的环境中，背景辐射主要来自于周围邻近热端部件，且热端部件温度高于目标表面温度。辐射温度计接收到的总辐射量一部分来自于目标表面辐射，一部分来自于邻近热端部件的反射量，因而导致测量结果偏高。因此，在叶片温度测量时，如何解决高温背景反射影响问题，进而提高测量准确度，是亟待解决的问题，一直受到关注红外辐射测温技术是监测并提供涡轮叶片温度数据最佳方法。然而，这种非接触式温度测量的方法会受到燃气轮机运行环境影响引入测量误差。为准确测量涡轮叶片的温度，必须考虑涡轮叶片临近热端部件反射影响。在以往的研究中主要有两种方法用来校正反射的辐射。(1)忽略反射辐射量，或使用比色测温方法将反射量的影响归于发射率，在比色计算中消除。但是，这种方法仅可应用在特定环境中，如目标表面的温度比周围表面温度要高得多。燃气轮机涡轮叶片测温中，由于叶片所处环境复杂，周围热端部件温度要明显高于被测目标，并且叶片旋转到不同位置时，反射量的影响不同，因此该方法并不适用。或者环境温度和目标温度相近。这时，待测目标表现和黑体相近，假定发射率为1。该方法应用范围较小，通常只能用于稳态测温，不适用于温度快速变化的场合。(2)通过光学路径上介质的光谱选择性估算或消除反射的影响。如在太阳光反射不可忽略的环境中，选择大气吸收率较高的光谱，完成对太阳光反射的较正中。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了降低叶片工作环境邻近热端部件反射量对叶片测温结果的影响，提高测温精度而提供一种涡轮叶片的辐射测温系统及基于反射补偿的涡轮叶片辐射测温方法。本专利技术的目的是这样实现的：一种涡轮叶片的辐射测温系统，包括辐射高温计、红外光电转换器、数据采集卡、上位机，辐射高温计获取涡轮叶片辐射能量，经红外光电转换器后，将红外辐射光转换为电信号；将得到的电信号进行数据处理，通过数据采集卡将处理后的信号传到上位机，经电压-温度转换后得到不同光谱下的温度信号，结合高温背景反射补偿以及多光谱算法得到涡轮叶片的真实温度。一种基于反射补偿的涡轮叶片辐射测温方法，步骤如下：步骤1、通过仿真计算或使用红外相机进行测量得到涡轮叶片工作环境温度分布；步骤2、描述叶片表面几何特征：根据叶片的叶型参数，得到叶片截面曲线的型线公式，通过型线公式描述叶片表面的几何特征，选用的叶片外型线为五次多项式，且曲线上不存在奇点及多余拐点，根据设计参数计算型线上第一点坐标(x1,y1)和最后一点坐标(x2,y2)、一阶导数y′1、y′2以及二阶导数y″1、y″2，构造方程组：并得到型线方程的系数值[p0p1p2p3p4p5]T，则动叶的型线方程f(x)为：f(x)＝p0+p1·x+p2·x2+p3·x3+p4·x4+p5·x5；用相同的方法可得导叶的型线方程g(x)，用g1(x)表示导叶吸力面型线方程，g2(x)表示导叶压力面型线方程；步骤3、将动叶与导叶表面面元化，计算导叶某面元j对动叶某面元i的有效辐射量；将面元近似为矩形，则得到动叶某面元i和导叶某面元j间角系数计算公式为：式中：i为动叶上某面元，j为导叶上某面元，A为面元的面积，γ为面元法线与对应面元连接线夹角，S为面元宽度，h为面元高度，x为面元底部距离参考点距离，a为面元间的距离，；步骤4、根据动叶型线方程f(x)，选择动叶上A点作为起始位置且其坐标为(xi,f(xi))、面元宽度为Δx,面元终点坐标B为(xi+△x，f(xi+△x))，；导叶型线方程g(x),导叶上C点作为起始点且其坐标为(xj,g(xj))、面元宽度为Δx，导叶面元终点坐标D为(xj+△x，g(xj+△x))，点E、F分别为线段AB、CD的中点，根据叶片型线公式计算向量三个向量表示如下：夹角γ1、γ2，面元宽度s1、s2以及面元间的距离a随叶片旋转变化，并通过向量计算夹角γi，γj；若截面叶型方程固定，夹角γi、γj、两面元间距离a、面元宽度si、sj只与始点坐标xi、xj以及离散点宽度Δx有关，表达式如下：导叶吸力面与压力面对动叶上面元AB的角系数之和：式中：k为导叶吸力面面元数，l为导叶压力面面元数，kΔx≤xjmax，lΔx≤xjmax，F1为导叶压力面对面元AB的角系数，F2为导叶吸力面对面元AB的角系数，xjmax为导叶有效面最大横坐标；步骤5、根据叶片位置关系可知，当涡轮旋转时，反射量以三个导叶为周期循环变化；当动叶旋转时，叶片截面型线形状不变；步骤6、若考虑导叶表面温度分布，导叶的辐射量在动叶面元上形成的反射量为：式中：Ai为动叶面元i的面积，Aj为导叶面元j的面积，为导叶上面元j的辐射能量；步骤7、根据所计算出的反射量结合动叶与导叶温度，对测温系统获取到的辐射量进行反射补偿，再通过多目标遗传算法对目标方程进行求解得到涡轮叶片的真实温度。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：提供一种涡轮叶片的辐射测温系统用于叶片温度测量，在保证叶片测温的前提下，与叶片反射补偿算法协同分析，在原理上消除了高温背景反射对叶片测温结果的影响，提高叶片辐射测温精度。附图说明图1是涡轮叶片辐射测温系统框图；图2是基于反射补偿多光谱计算流程；图3两矩形面元角系数计算关系；图4是动叶上某面元与导叶某面元的几何关系。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。本专利技术采用的方案是：通过辐射高温计获取涡轮叶片辐射能量；经红外光电转换器后，将红外辐射光转换为电信号；将电信号进行数据处理，包括信号滤波、不良信号剔除；使用数据采集卡将处理后的信号传到上位机；经电压-温度转换后得到不同光谱下的温度信号；结合高温背景反射补偿以及多光谱算法，计算得到叶片的真实温度；对该温度进行特征取，最后对叶片进行状态判断以及健康评估。本专利技术还提供一种叶片工作环境高温背景反射补偿方法，通过该方法对叶片测温中的背景反射量进行描述，分析涡轮叶片工作环境反射量变化规律，并进行测温结果的补偿。步骤如下：步骤1：待测叶片自身温度与背景温度共同影响辐射测温的结果。首先对叶片工作环境(即邻近导叶)温度分布进行仿真计算或使用红外相机进行测量。步骤2：准确描述叶片表面几何特征。在叶片设计时，其几何特征是根据叶片的叶型参数来描述的。本专利技术中根据叶片的叶型参数，得到叶片截面曲线的型线公式，通过型线公式描述叶片表面的几何特征。可使用圆弧线、抛物线、双纽线、对数螺线以及双曲线等曲线中的不同组合来表示型线，包括：多圆弧线、圆弧线与双曲螺线、多双纽线、多抛物线以及抛物线和圆弧线。考虑叶片造型必须满足几何参数要求，四阶样条和高阶多项式是主要选择对象。可选用的叶片外型线为五次多项式，曲线上不存在奇点及多余拐点。根据设计参数计算型线上第一点坐标(x1,y1)和最后一点坐标(x2,y2)，一阶导数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涡轮叶片的辐射测温系统，其特征在于：包括辐射高温计、红外光电转换器、数据采集卡、上位机，辐射高温计获取涡轮叶片辐射能量，经红外光电转换器后，将红外辐射光转换为电信号；将得到的电信号进行数据处理，通过数据采集卡将处理后的信号传到上位机，经电压‑温度转换后得到不同光谱下的温度信号，结合高温背景反射补偿以及多光谱算法得到涡轮叶片的真实温度。

【技术特征摘要】
1.一种涡轮叶片的辐射测温系统，其特征在于：包括辐射高温计、红外光电转换器、数据采集卡、上位机，辐射高温计获取涡轮叶片辐射能量，经红外光电转换器后，将红外辐射光转换为电信号；将得到的电信号进行数据处理，通过数据采集卡将处理后的信号传到上位机，经电压-温度转换后得到不同光谱下的温度信号，结合高温背景反射补偿以及多光谱算法得到涡轮叶片的真实温度。2.一种基于反射补偿的涡轮叶片辐射测温方法，其特征在于：步骤如下：步骤1、通过仿真计算或使用红外相机进行测量得到涡轮叶片工作环境温度分布；步骤2、描述叶片表面几何特征：根据叶片的叶型参数，得到叶片截面曲线的型线公式，通过型线公式描述叶片表面的几何特征，选用的叶片外型线为五次多项式，且曲线上不存在奇点及多余拐点，根据设计参数计算型线上第一点坐标(x1,y1)和最后一点坐标(x2,y2)、一阶导数y′1、y′2以及二阶导数y″1、y″2，构造方程组：并得到型线方程的系数值[p0p1p2p3p4p5]T，则动叶的型线方程f(x)为：f(x)＝p0+p1·x+p2·x2+p3·x3+p4·x4+p5·x5；用相同的方法可得导叶的型线方程g(x)，用g1(x)表示导叶吸力面型线方程，g2(x)表示导叶压力面型线方程；步骤3、将动叶与导叶表面面元化，计算导叶某面元j对动叶某面元i的有效辐射量；将面元近似为矩形，则得到动叶某面元i和导叶某面元j间角系数计算公式为：式中：i为动叶上某面元，j为导叶上某面元，A为面元的面积，γ为面元法线与对应面元连接线夹角，S为面元宽度，h为面...

【专利技术属性】
技术研发人员：高山，冯驰，陈立伟，李东，康子洋，伍迪，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23