渦輪葉片應(yīng)變溫度非接觸同步測試技術(shù)分析

渦輪葉片應(yīng)變、溫度非接觸測試技術(shù)克服了傳統(tǒng)測試的干擾流場、破壞被測件等缺點，可以為熱端部件結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度壽命評估提供更為可靠的技術(shù)支撐。航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片服役時承受著復(fù)雜交變的多場耦合載荷和環(huán)境作用，在強(qiáng)時變、大梯度的溫度場與應(yīng)力場耦合作用下極易產(chǎn)生疲勞裂紋、掉塊等故障（如圖1所示），造成整機(jī)/部件性能惡化，危及發(fā)動機(jī)的安全性和可靠性。對渦輪葉片應(yīng)變場、溫度場及其變化歷程的精準(zhǔn)刻畫是認(rèn)識材料損傷演化過程和結(jié)構(gòu)壽命評估的基礎(chǔ)。渦輪轉(zhuǎn)子葉片除承受離心力、氣動力、振動等交變機(jī)械載荷外，還有外部高溫燃?xì)夂蛢?nèi)部高壓冷氣共同作用產(chǎn)生的熱應(yīng)力，熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力耦合造成葉片疲勞損傷累積乃至破壞（如圖2所示）。目前傳統(tǒng)的單點、單參數(shù)或峰值測量無法描述服役過程中葉片應(yīng)變、溫度場穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分布及二者的耦合作用，而基于光學(xué)原理的非接觸測試技術(shù)則克服了接觸式測試干擾流場、破壞被測件等缺點，具有很高的研究價值。圖1

渦輪葉片失效類型

圖2

發(fā)動機(jī)I類循環(huán)渦輪葉片上的熱-機(jī)械耦合載荷示意應(yīng)變非接觸測量技術(shù)現(xiàn)狀高溫環(huán)境下應(yīng)變非接觸測量技術(shù)概況目前用于材料表面全場高溫變形的非接觸式光學(xué)測量方法主要有云紋干涉（moireinterferometry，MI）、電子散斑干涉（electronicspecklepatterninterferometry，ESPI）和數(shù)字圖像相關(guān)（digitalimagecorrelation，DIC）等方法。基于相干光波干涉原理的云紋和電子散斑干涉法的位移測量靈敏度非常高（可達(dá)波長量級），具有測量結(jié)果直觀可視的優(yōu)點，缺點是需激光作為照明光源，測量光路較復(fù)雜，對被測試樣表面和測量環(huán)境要求苛刻，只能在實驗室暗室中的光學(xué)隔振平臺上進(jìn)行，很難在真實試驗現(xiàn)場測量高溫變形。數(shù)字圖像相關(guān)方法更適合全場高溫變形測量，優(yōu)勢包括：僅需一個或兩個數(shù)字相機(jī)，光路、試驗設(shè)備和試驗過程簡單；采用白光或單色光照明，對測量環(huán)境和隔振要求較低，可實現(xiàn)現(xiàn)場測量；時間和空間分辨率可根據(jù)測試對象需求靈活調(diào)整。數(shù)字圖像相關(guān)方法原理數(shù)字圖像相關(guān)方法是基于數(shù)字圖像處理和計算機(jī)視覺的非接觸式、全場形貌變形光學(xué)測量方法，測量過程中首先獲取不同載荷下被測物體表面的數(shù)字圖像，然后基于區(qū)域灰度互相關(guān)計算的匹配算法進(jìn)行圖像分析，定量提取材料、部件、結(jié)構(gòu)或生物組織在載荷作用下的全場位移和應(yīng)變信息。DIC技術(shù)測量試驗件表面變形主要包括三個步驟：散斑制備，被測試件表面必須有隨機(jī)變化的灰度分布作為變形信息的載體；數(shù)字圖像采集，通過一個相機(jī)（2D-DIC）或兩個同步相機(jī)（3D-DIC），采集不同狀態(tài)下被測試件表面的數(shù)字圖像；位移場和應(yīng)變場的計算。2D-DIC方法在高溫變形測量應(yīng)用中的發(fā)展1996年，美國南卡羅來納大學(xué)用DIC技術(shù)獲得了鉻鎳鐵超合金材料650°C下的熱膨脹系數(shù)和彈性模量，發(fā)現(xiàn)DIC方法測量材料高溫變形面臨兩個挑戰(zhàn)：熱物體表面的熱輻射將會導(dǎo)致相機(jī)采集的被測試樣表面數(shù)字圖像的亮度加強(qiáng)、對比度明顯降低（如圖3所示），產(chǎn)生所謂的“退相關(guān)”效應(yīng)；高溫加熱導(dǎo)致成像光路中的空氣溫度升高，引起空氣折射率變化和對流，即所謂的“熱霧”（heathaze），這種熱氣流擾動會帶來幾百個甚至幾千個微應(yīng)變的測量誤差。圖3

“圖像退相關(guān)”現(xiàn)象針對以上挑戰(zhàn)，薩頓采用強(qiáng)光光源或帶通濾波片阻隔紅外波段的熱輻射，在高溫環(huán)境箱內(nèi)安裝風(fēng)扇以使?fàn)t內(nèi)溫度保持均勻，減少“熱霧”影響。之后發(fā)現(xiàn)觀察窗口用光學(xué)玻璃的質(zhì)量對圖像也有影響，建議用光學(xué)級石英玻璃。此外，散斑漆顆粒隨著被測試樣表面溫度的升高發(fā)生氧化或燒蝕（如圖4所示），也會導(dǎo)致數(shù)據(jù)失效。圖4

高溫下散斑被氧化，與基底熱膨脹欠匹配產(chǎn)生裂紋不穩(wěn)定現(xiàn)象2009年，研究人員采用藍(lán)光光源和窄帶通濾波片來克服高溫?zé)彷椛洌?00°C的環(huán)境下測量了高溫合金RR1000的楊氏模量和熱膨脹系數(shù)。超過800°C時，樣品表面被快速氧化導(dǎo)致散斑變化，測量失敗，建議用真空環(huán)境可保持不被氧化表面散斑圖案，以減少“熱霧”帶來的誤差。近年來，北京航空航天大學(xué)、美國、法國等用藍(lán)光光源和窄帶通濾波片，即藍(lán)光DIC與高溫爐、輻射、激光和感應(yīng)加熱等設(shè)備相結(jié)合，實現(xiàn)了最高達(dá)1550°C的高溫變形測量。為克服熱輻射影響，有研究者搭建了基于紫外成像的高溫變形系統(tǒng)，測量了1400°C下氧化鋁陶瓷的二維全場變形。帕德博恩大學(xué)等人用2D-DIC技術(shù)對第三代鋁鈦合金700℃有氧環(huán)境下疲勞誘導(dǎo)的損傷積累進(jìn)行了演化監(jiān)測，成功地探測到裂紋萌生點。3D-DIC方法在高溫變形測量應(yīng)用中的發(fā)展2012年，有研究者發(fā)展了基于單色光照明和光學(xué)帶通濾波器成像的新型主動成像3D-DIC系統(tǒng)，克服了高溫?zé)彷椛湟鸬摹皥D像退相關(guān)”效應(yīng)，實現(xiàn)了鉻鎳奧氏體不銹鋼板材1200℃下的全場熱變形測量。但基于同步雙相機(jī)的測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大，以及客觀存在的幾何差異、光強(qiáng)差異，因此雙相機(jī)同步觸發(fā)裝置和技術(shù)十分復(fù)雜，而發(fā)展一種基于單高速相機(jī)的3D-DIC方法成為較為可行的解決途徑。近年來單相機(jī)測量系統(tǒng)研究工作已見文獻(xiàn)，例如，基于條紋投影和2D-DIC的三維位移測量方法；利用投影儀將不同顏色的散斑和條紋同時投影到物體表面，然后從采集到的彩色圖像中分離出散斑圖和條紋圖，最后用2D-DIC和條紋分析方法分別處理散斑圖像和條紋圖像以獲得物體表面的面內(nèi)位移和離面位移；基于2D-DIC和投影散斑的三維變形測量方法，通過投影和噴涂技術(shù)分別在試樣表面上投影和制作兩種不同顏色的散斑，然后通過分離彩色圖像獲得不同通道子圖像用于面內(nèi)和離面位移的計算。以上幾種方法適用范圍較小、數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜，在實際測量中并不普遍。目前常見的單相機(jī)三維變形測量技術(shù)主要包括基于光柵衍射、棱鏡折射以及平面鏡反射的單相機(jī)三維數(shù)字圖像相關(guān)方法，構(gòu)建虛擬雙目立體視覺系統(tǒng)來實現(xiàn)三維變形測量。即在傳統(tǒng)2D-DIC系統(tǒng)中的相機(jī)和被測物體之間放置一個光學(xué)元件（如衍射光柵、雙棱鏡和平面鏡組，這三種方法優(yōu)缺點見表1），原有的成像光路被分成兩條光路。物體表面發(fā)出的光線通過這兩條不同光路到達(dá)相機(jī)靶面，形成兩個互不重疊的子圖像。通過分析這兩個子圖像獲得物體表面的三維形貌、位移和應(yīng)變信息。表1

基于平面鏡反射、雙棱鏡折射和光柵衍射的立體視覺技術(shù)優(yōu)缺點溫度非接觸測量技術(shù)現(xiàn)狀非接觸輻射測溫技術(shù)主要分為被動式和主動式兩大類：基于目標(biāo)自發(fā)熱輻射強(qiáng)度的被動式輻射測溫技術(shù)；通過外部光源作用下的目標(biāo)激發(fā)光譜主動式輻射測溫技術(shù)。輻射測溫技術(shù)的方法原理被動式輻射測溫技術(shù)發(fā)展初期為單光譜（單色測溫法）技術(shù)，通過單個光譜（波段或波長）的熱輻射強(qiáng)度測量，獲得目標(biāo)溫度。雙光譜（雙色/比色測溫法）輻射測溫技術(shù)主要針對目標(biāo)表面發(fā)射率變化或未知，或測量光路中存在灰塵、部分遮擋等測量環(huán)境，具有很強(qiáng)的目標(biāo)與環(huán)境適應(yīng)性。比色測溫采用信號比值的處理方式，測量靈敏度要小于單色測溫的靈敏度，此外，隨著測量光譜擴(kuò)展至長波紅外時，比色測溫的靈敏度也會顯著降低，因此比色測溫技術(shù)多采用0.7~2.5μm近紅外光譜，適用于300℃以上的中高溫測量。多光譜輻射測溫技術(shù)通過多個光譜下的輻射強(qiáng)度測量，結(jié)合特定的光譜發(fā)射率函數(shù)，構(gòu)建多波長輻射測量方程，實現(xiàn)溫度測量。多波長的優(yōu)化選擇可避免輻射測量中的干擾譜線，具有更好的適應(yīng)性。主動式輻射測溫技術(shù)以熒光測溫技術(shù)為主，優(yōu)點在于熒光信號與溫度強(qiáng)相關(guān)，不依賴于目標(biāo)表面的發(fā)射率以及絕對輻射強(qiáng)度，不受相關(guān)環(huán)境因素干擾，一定程度上避免了熱輻射光學(xué)測溫的局限性問題，測溫范圍寬、重復(fù)性好、精度極高，不干擾被測表面溫度場，具有靈敏的發(fā)射光譜、空間分辨率和高效發(fā)光特性，已成為新型傳感器技術(shù)的重要手段。輻射測溫技術(shù)在應(yīng)用中的發(fā)展對于主動式輻射測溫技術(shù)，河北工程大學(xué)、中北大學(xué)、上海交通大學(xué)等國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)在中低溫量程的熒光測溫技術(shù)方面開展了相關(guān)研究工作，尚未實現(xiàn)渦輪葉片上的工程應(yīng)用。羅羅公司研制了采用266nm高功率脈沖激光器測量渦輪葉片表面溫度的熒光測溫系統(tǒng)。普惠公司在發(fā)動機(jī)試驗臺上對熒光測溫技術(shù)進(jìn)行了驗證。美國橡樹嶺國家實驗室和洛斯阿拉莫斯國家實驗室聯(lián)合研制了基于光纖傳輸?shù)臒晒鉁y溫系統(tǒng)，實現(xiàn)了燃燒環(huán)境下1200℃靜子葉片溫度測量。艾利遜公司研制了基于266nm激光激勵下的Y2O3:Eu熒光衰減壽命的渦輪葉片光纖傳感測溫系統(tǒng)，溫度測量范圍200～1000℃。美國國家航空航天局（NASA）格倫研究中心開展了GAP:Cr、GdAlO3:Cr、YAG:Tm等多種類熒光的衰減壽命測溫試驗研究，基于355nm激光激發(fā)YAG:Tm熒光所產(chǎn)生的365nm和456nm熒光發(fā)射光譜測溫上限達(dá)到1400℃。英國帝國理工大學(xué)開展了高溫?zé)晒獠牧象w系應(yīng)用于渦輪葉片高溫測量性能研究。被動式輻射測溫技術(shù)可分為逐點和全場溫度測量。逐點溫度測量采用單像元的光電或熱電傳感器，適用于動態(tài)溫度的在線監(jiān)測，在高速/超高速輻射測溫中有很好的應(yīng)用優(yōu)勢。比色與多光譜測溫一般為點目標(biāo)輻射測量，適用于航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、高速飛行器等的高溫部件測溫。全場溫度測量一般采用紅外熱像儀，是一種面成像輻射測溫儀，主要分為制冷/非制冷、中波/長波、高/低分辨率、顯微/常規(guī)成像等各種規(guī)格。對于曲面目標(biāo)或者三維目標(biāo)溫度場測量，面成像測溫儀需考慮方向發(fā)射率的輻射校準(zhǔn)以及空間投影的幾何校準(zhǔn)?？傊哂卸喙庾V與場測量功能的輻射測溫儀是輻射測溫技術(shù)的發(fā)展方向，兼顧了光譜與空間測量需求，具有比色/多光譜測溫儀、面成像測溫儀的優(yōu)點，可實現(xiàn)未知發(fā)射率目標(biāo)的溫度場測量。應(yīng)變/溫度同步測試工程實現(xiàn)的技術(shù)挑戰(zhàn)實現(xiàn)應(yīng)變場和溫度場的同步測試包括獲取渦輪葉片應(yīng)變、溫度分布及變化歷程和反映渦輪葉片熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力的耦合作用等目標(biāo)，達(dá)成上述目標(biāo)面臨以下幾個方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。同步技術(shù)同步測試技術(shù)是獲得渦輪葉片表面溫度場、應(yīng)力場及其變化歷程的關(guān)鍵，也是開展進(jìn)一步仿真驗證和壽命評估的基礎(chǔ)。一是散斑漆對溫度場測量的影響分析和修正技術(shù)。應(yīng)變場測量時在被測目標(biāo)上噴涂的散斑漆改變了目標(biāo)本身的表面狀態(tài)，影響了發(fā)射率和輻射測溫結(jié)果。不同類型、不同顏色散斑漆的發(fā)射率不同，不同的溫度、工作環(huán)境和燒蝕狀態(tài)下也有一定差異，必須分析散斑漆對溫度場測量的影響，建立修正方法對測量結(jié)果修正。二是發(fā)動機(jī)渦輪葉片的機(jī)械應(yīng)變解耦技術(shù)。葉片工作時承受著熱、離心和氣動載荷的耦合作用。首先通過計算將熱應(yīng)變從總應(yīng)變場中分離，然后針對葉片由離心力及氣動力產(chǎn)生的應(yīng)變試驗測量的解耦問題開展葉片機(jī)械應(yīng)變試驗測量解耦研究，通過不確定度理論去除應(yīng)變測量結(jié)果中由測量誤差引入的抖動，基于修正后的應(yīng)變測量結(jié)果提出離心和氣動應(yīng)變的解耦模型。環(huán)境適應(yīng)性高溫環(huán)境會造成散斑熱氧化，致使散斑漆的原始灰度或形貌發(fā)生變化，制備抗高溫氧化且有較強(qiáng)穩(wěn)定性的高溫散斑漆是一個挑戰(zhàn)。為保證高質(zhì)量試驗圖像獲取，實驗過程中散斑顆粒應(yīng)穩(wěn)定附著在渦輪葉片表面，不能發(fā)生滑動或脫落，獲取高強(qiáng)度黏結(jié)力的高溫散斑材料是一個巨大挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)實時處理應(yīng)力和溫度高速相機(jī)用于測試數(shù)據(jù)的全采樣工況，采樣頻率高達(dá)20000幀/s，數(shù)據(jù)量可達(dá)80GB/s，連續(xù)采樣時間5min，總數(shù)據(jù)量可達(dá)24TB，數(shù)據(jù)規(guī)模對數(shù)據(jù)存儲和后繼計算壓力過大；而應(yīng)變計算模塊單機(jī)處理能力只有10000幀/h，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解算的時長難于滿足試驗分析要求。因此，降低存儲數(shù)據(jù)量和提升應(yīng)力采樣的解算速率是非接觸測量過程的一個