一种基于有效发射率的复杂环境下涡轮叶片辐射测温方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于有效发射率的复杂环境下涡轮叶片辐射测温方法和装置，属于涡轮叶片辐射测温技术领域，解决现有技术计算量过大、误判率较高和不能满足涡轮叶片测温要求的实时性和高效性的问题。本发明专利技术的方法包括：获取多个波长下的待测涡轮叶片的辐射数据；构建涡轮叶片反射辐射分析模型，获得周围复杂环境投射到叶片待测点的辐射量；设定发射率模型结合高温计实际接收辐射数据和复杂环境投射到待测点的辐射量构造优化目标方程；利用双种群社会群体优化算法求解优化目标方程获得涡轮叶片在各波长下的发射率数值；求解待测涡轮叶片表面的有效发射率，并计算涡轮叶片表面真实温度。本发明专利技术适用于涡轮叶片辐射测温。本发明专利技术适用于涡轮叶片辐射测温。本发明专利技术适用于涡轮叶片辐射测温。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有效发射率的复杂环境下涡轮叶片辐射测温方法和装置


[0001]本申请涉及涡轮叶片辐射测温
，尤其涉及一种基于有效发射率的复杂环境下涡轮叶片辐射测温方法和装置。

技术介绍

[0002]涡轮叶片是发动机的主要热端部件运行环境极端恶劣，准确测量涡轮叶片温度，可以监测评估叶片的工作状态对保证发动机安全运行具有重要意义。针对涡轮叶片特殊的运行环境，一般采用高温辐射计对叶片辐射测温，高温辐射计拥有多个波长通道可获得叶片多个波长条件下辐射信息进而可以间接求得叶片真实温度。但复杂环境下涡轮叶片辐射测温存在以下几个难点：
[0003]1.辐射高温计在对涡轮叶片测温时，接收到的辐射量不仅包含待测叶片自身的辐射量，还包含周围复杂环境如前级导叶和相邻动叶投射到待测点后反射的辐射量，反射辐射占高温计接收总辐射量比例较高时会严重影响涡轮叶片温度测量结果。现有技术在构建涡轮叶片反射辐射分析模型后判断叶片间辐射热传递遮挡情况时，采用的判断方法计算量过大并且在叶片表面曲率变化过大或离散叶片模型精度较低时误判率较高，严重影响计算结果。
[0004]2.由于涡轮叶片表面实际发射率情况未知，无法直接得到待测叶片自身真实辐射量和周围复杂环境的反射辐射量，并且如果求解的发射率与叶片表面真实发射率的偏差也会对测温结果产生影响。现有技术主要是利用多个波段辐射信息构建多目标优化算法求解发射率问题，算法存在容易陷入局部最优解、计算量过大或收敛性不强等问题。。
[0005]3.涡轮叶片辐射测温时高温计接收的辐射数据信息需要花费大量的时间精力进行处理才能得到叶片的真实温度，不能满足涡轮叶片测温要求的实时性和高效性。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的是为了解决了现有涡轮叶片受复杂环境的反射辐射影响而导致涡轮叶片辐射测温测量的实时性和准确性差的问题，提供了一种基于有效发射率的复杂环境下涡轮叶片辐射测温方法和装置。
[0007]本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术一方面，提供一种基于有效发射率的复杂环境下涡轮叶片辐射测温方法，所述方法包括：
[0008]步骤1、利用多波长高温计获取多个波长下的待测涡轮叶片的辐射数据；
[0009]步骤2、构建涡轮叶片反射辐射分析模型，获得周围复杂环境投射到叶片待测点的辐射量；
[0010]步骤3、设定发射率模型结合高温计实际接收辐射数据和复杂环境投射到待测点的辐射量构造优化目标方程；
[0011]步骤4、利用双种群社会群体优化算法求解优化目标方程获得涡轮叶片在各波长
下的发射率数值；
[0012]步骤5、利用高温计实际接收辐射量、复杂环境投射辐射量和发射率数值求解待测涡轮叶片表面的有效发射率，并计算涡轮叶片表面真实温度。
[0013]进一步地，所述步骤2具体包括：
[0014]步骤2.1、构建待测涡轮叶片、前级导叶和临近动叶的三维离散模型，叶片离散模型采用离散三角面元表示，每个离散三角面元面积为2
‑
3mm2；
[0015]步骤2.2、进行面元
‘
可视化
’
筛选操作，在不考虑面元相互遮挡的情况下筛选留下周围环境可能传递热辐射到待测点的面元；
[0016]步骤2.3、判断
‘
可视化
’
筛选后的面元与待测面元间是否有其他叶片面元遮挡；
[0017]步骤2.4、根据步骤2.2和步骤2.3筛选留下的叶片面元都可传递热辐射到待测面元，计算各叶片面元与待测面元间的角系数，结合已知的叶片理论温度分布，利用普朗克定理求得待测点周围环境投射的辐射量。
[0018]进一步地，所述步骤2.2中，
‘
可视化
’
筛选操作中，筛选的条件为：
[0019]若两个面元间可能传递热辐射，则其法向量与重心连线所表示的向量之间满足如下公式条件
[0020][0021]其中，和分别是面元1和2的法向量，是两个面元重心连线构成的向量。
[0022]进一步地，所述步骤2.3中，所述遮挡的判断方法，具体包括：
[0023]当判断临近动叶是否遮挡前级导叶与待测面元间的辐射传播路径时，首先求两面元重心连线所在线段，之后判断该线段是否与某一个近似表示临近动叶的三角形相交，若相交则存在遮挡；
[0024]当判断前级导叶和临近动叶是否存在自身其他叶片面元遮挡辐射传播路径时，将待测面元进一步离散成若干个小三角形并计算每个小三角形的重心；
[0025]计算待遮挡判断面元的重心与每个离散化后小三角形重心连线所在线段从而得到一簇线段；
[0026]设定遮挡比例阈值，计算线段簇与其他叶片面元相交数目的百分比；
[0027]如果相交数目的百分比达到遮挡比例阈值，则判断两个面元之间存在遮挡。
[0028]进一步地，所述步骤2.4中，所述角系数根据公式：
[0029][0030]计算获得，其中，A
j
为面元j的面积；A
i
为面元i的面积；F
ji
为面元j到面元i的辐射角系数；θ
i
和θ
j
是相应面元法线和连接两个无穷小区域dA
i
和dA
j
的直线之间的角度；R是两个面元之间的距离；
[0031]待测点周围环境投射的辐射量通过公式：
[0032][0033]计算获得，其中，M
r
(λ,T)是待测点周围环境投射的辐射量；M
j,i
(λ,T
j
)为面元j投射到面元i的辐射量；M
j
(λ,T
j
)为面元j的黑体辐射出射度。
[0034]进一步地，所述步骤3中，所述优化目标方程为：
[0035][0036]其中，ε
i
是多波长高温计第i个通道下的发射率；M(λ
i
,T
m
)为高温计接收的辐射量；M(λ
i
,T
r
)为周围环境投射到待测目标表面的辐射量；f(λ,T)为选定的发射率模型，其中的待定系数是未知的；函数M
‑1{λ,M}是普朗克公式的逆运算得到待测目标的温度。
[0037]进一步地，所述步骤4具体包括：
[0038]步骤4.1、种群初始化参数设置，根据选定的发射率模型，设置发射率模型待定参数的可行解范围，种群个体数目N,反向学习比例RL，最大迭代次数D等参数；
[0039]步骤4.2、在发射率模型的可行解参数范围内生成初始种群；
[0040]执行双种群分群操作，将初始化种群随机分为两个同等规模大小的种群1和种群2；
[0041]步骤4.3、根据优化目标方程计算种群1和种群2内的个体适应度，并在各自所属的种群内按照适应度优劣降序排列；
[0042]步骤4.4、种群1和种群2内的个体进入
‘...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于有效发射率的复杂环境下涡轮叶片辐射测温方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1、利用多波长高温计获取多个波长下的待测涡轮叶片的辐射数据；步骤2、构建涡轮叶片反射辐射分析模型，获得周围复杂环境投射到叶片待测点的辐射量；步骤3、设定发射率模型结合高温计实际接收辐射数据和复杂环境投射到待测点的辐射量构造优化目标方程；步骤4、利用双种群社会群体优化算法求解优化目标方程获得涡轮叶片在各波长下的发射率数值；步骤5、利用高温计实际接收辐射量、复杂环境投射辐射量和发射率数值求解待测涡轮叶片表面的有效发射率，并计算涡轮叶片表面真实温度。2.根据权利要求1所述的一种基于有效发射率的复杂环境下涡轮叶片辐射测温方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：步骤2.1、构建待测涡轮叶片、前级导叶和临近动叶的三维离散模型，叶片离散模型采用离散三角面元表示，每个离散三角面元面积为2
‑
3mm2；步骤2.2、进行面元
‘
可视化
’
筛选操作，在不考虑面元相互遮挡的情况下筛选留下周围环境可能传递热辐射到待测点的面元；步骤2.3、判断
‘
可视化
’
筛选后的面元与待测面元间是否有其他叶片面元遮挡；步骤2.4、根据步骤2.2和步骤2.3筛选留下的叶片面元都可传递热辐射到待测面元，计算各叶片面元与待测面元间的角系数，结合已知的叶片理论温度分布，利用普朗克定理求得待测点周围环境投射的辐射量。3.根据权利要求2所述的一种基于有效发射率的复杂环境下涡轮叶片辐射测温方法，其特征在于，所述步骤2.2中，
‘
可视化
’
筛选操作中，筛选的条件为：若两个面元间可能传递热辐射，则其法向量与重心连线所表示的向量之间满足如下公式条件其中，和分别是面元1和2的法向量，是两个面元重心连线构成的向量。4.根据权利要求2所述的一种基于有效发射率的复杂环境下涡轮叶片辐射测温方法，其特征在于，所述步骤2.3中，所述遮挡的判断方法，具体包括：当判断临近动叶是否遮挡前级导叶与待测面元间的辐射传播路径时，首先求两面元重心连线所在线段，之后判断该线段是否与某一个近似表示临近动叶的三角形相交，若相交则存在遮挡；当判断前级导叶和临近动叶是否存在自身其他叶片面元遮挡辐射传播路径时，将待测面元进一步离散成若干个小三角形并计算每个小三角形的重心；计算待遮挡判断面元的重心与每个离散化后小三角形重心连线所在线段从而得到一簇线段；设定遮挡比例阈值，计算线段簇与其他叶片面元相交数目的百分比；如果相交数目的百分比达到遮挡比例阈值，则判断两个面元之间存在遮挡。
5.根据权利要求2所述的一种基于有效发射率的复杂环境下涡轮叶片辐射测温方法，其特征在于，所述步骤2.4中，所述角系数根据公式：计算获得，其中，A
j
为面元j的面积；A
i
为面元i的面积；F
ji
为面元j到面元i的辐射角系数；θ
i
和θ
j
是相应面元法线和连接两个无穷小区域dA
i
和dA
j
的直线之间的角度；R是两个面元之间的距离；待测点周围环境投射的辐射量通过公式：计算获得，其中，M
r
(λ,T)是待测点周围环境投射的辐射量；M
j,i
(λ,T
j
)为面元j投射到面元i的辐射量；M
j
(λ,T
j
)为面元j的黑体辐射出射度。6.根据权利要求1所述的一种基于有效发射率的复杂环境下涡轮叶片辐射测温方法，其特征在于，所述步骤3中，所述优化目标方程为：其中，ε
i
是多波长高温计第i个通道下的发射率；M(λ
i
,T
m
)为高温计接收的辐射量；M(λ
i
,T
r
)为周围环境投射到待测目标表面的辐射量；f(λ,T)为选定的发射率模型，其中的待定系数是未知的；函数M
‑1{λ,M}是普朗克公式的逆运算得到待测目标的温度。7.根据权利要求1所述的一种基于有效发射...

【专利技术属性】
技术研发人员：高山，张先岐，陈立伟，王桐，崔颖，王超，姜晶，牛夷，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：