一种新型示温漆标准样片标定方法研究

2022-07-09周峰

电子技术与软件工程 2022年9期

周峰

（中国航发湖南动力机械研究所湖南省株洲市 412002）

1 概述

航空发动机以复杂的制造工艺与多专业协同研制的特点被誉为“工业皇冠上的明珠”，发动机运行过程中涡轮或燃烧室等热端部件若温度过高会导致其强度不断降低，进而影响发动机寿命，精准的温度测试技术可以在发动机研制过程中为故障分析、寿命评估以及后续设计提供数据保证。发动机高温部件结构复杂、尺寸狭小、温度较高，使用常规测试方法难以铺设传感器及布线，而对于转子部件，其转速高、结构紧凑，表面温度更难以测量，亟需一种测试技术能在有限的空间内，不破坏结构和气流的前提下，提供较为准确的温度数据。

示温漆是一种随着温度变化而产生颜色变化的特种涂料，具有操作简单、可进行区域测量、不破坏发动机结构与气流等优势，广泛应用于发动机涡轮盘、叶片、燃烧室机匣和火焰筒等热端部件的温度测试。早在20 世纪50 年代，国外就开始将示温漆应用于航空发动机和炮弹上，其主要依靠人工判读的方式进行温度判读；在国内，张兴等分析了示温漆测温误差产生的原因并以此提高了判读和测量精度，同时其将示温漆应用于全流程示温漆壁温试验，为发动机全流程壁面温度场提供了大量数据；熊庆荣等将示温漆技术应用于高压涡轮导向器表面温度测试，成功获取了整个高压涡轮导向器的表面温度及温度分布，为高压涡轮导向器热应力与寿命分析提供数据支撑。进行示温漆温度判读时，最重要一步就是标准样片的制作，而样片的制作根据示温漆判读方法的不同主要分为两种方法，一种是基于颜色空间的判读方法，其样片主要采用炉烧标定的矩形标准样板，另外一种是基于等温线识别的判读方法，而对应的样片制作方法为电烧标定碟形标准样片的方式。马春武等基于颜色空间的判读方法制作了矩形标准样片，通过LAB 色彩空间，采用3 次样条插值算法进行了颜色数据拟合，提高了判读的精度。李杨等设计了一种基于等温线示温漆标定装置，该装置准确度高、结构简单、效率高，其通过PID 调节器调节温度，将热电偶焊接于样片中采集其温度，结果表明测量的标准不确定度小于4.43℃。

2 示温漆测温简介

2.1 测温原理

示温漆是一种由示色剂、粘合剂和填料按一定比例调配而成的特殊功能性敏感涂料，喷涂在物体表面，能够随物体温度的变化而改变自身颜色。示温漆测温就是利用示温漆在特定的温度范围内显现特定颜色的特性来进行温度测量，作为一种接触、非干涉式的温度测试方法，示温漆测温具有不破坏物体表面形状、不改变气流状态、无需测试引线、无需测试窗口、使用方便、测量结果直观等特点，对测量高温高速旋转构件和复杂构件的壁面温度以及显示大面积温度分布有独到之处，目前已广泛应用于航空发动机高温部件表面温度测量领域，如图1 所示，发动机所有零部件的表面温度分布都可以使用示温漆进行测量。

图1：发动机结构示意图

2.2 示温漆分类

示温漆有两种分类方式，一种是根据变色后颜色的稳定性可分为可逆和不可逆两类，可逆型示温漆颜色随温度变化实时变化，可反复使用，不可逆型示温漆只能记录最高温度时的颜色，只能使用一次。第二种是根据温度变化出现的颜色种类的多少可分为单变色和多变色两类，单变色示温漆随着温度的升高只会出现一种颜色变化，常用作温度安全界限的标志，起超温报警作用；多变色示温漆随着温度的升高出现两种以上颜色变化。

航空发动机测试中使用的一般为多变色不可逆示温漆，选型要求：有稳定的变色，变色明显易于判读，对温度变化有较高的分辨力，附着牢固，能经受气流的冲刷和振动。

2.3 测温流程

发动机测温试验主要包括：示温漆选取及样片标定、被测零件处理及喷涂、示温漆干燥固化、发动机试验和示温漆温度判读等步骤。不同种类的示温漆适用于不同的温度范围，因此在发动机进行示温漆测温试验前，先根据测试技术要求和对被测零部件壁面温度范围的预判结果，选取相应类型的多变色不可逆示温漆，并制作同型号同批次的示温漆标准样片。对被测零部件表面进行吹砂、清洁、丙酮清洗等工艺处理后，将示温漆均匀喷涂于被测零部件表面，在常温下静置一天或放入烘箱数小时烘烤使示温漆干燥固化，然后装配并进行示温漆试验。试验结束零部件分解后，采用同类型同批次的示温漆标准样片为基准，对将被测零部件表面的示温漆变色结果进行示温漆温度判读，获得被测零部件的表面温度和温度分布。整个测温流程如图2 所示，示温漆零件图如图3 所示。

图2：发动机示温漆试验测温流程

图3：发动机示温漆零件图

3 常规示温漆标准样片标定方法

示温漆标准样片标定一直是示温漆测温中的关键环节和难点部分，它是示温漆温度判读的基础和依据，直接关系到示温漆温度测量的精度和可靠性。长久以来，示温漆标准样片标定方法分为两个流派：基于颜色空间的标定方法和基于等温线的标定方法。

3.1 基于颜色空间的示温漆标准样片标定方法

基于颜色空间的示温漆标准样片标定方法采用“方块样片+炉烤式”的方式，该方式重点关注示温漆颜色的细微变化，根据需要每间隔一定温度（一般为10℃）烤制一个示温漆标准样片，示温漆颜色变化趋势详细明显。其采用的加热设备为高精度温度标定炉，样片为结构较小的方块样片，先设置标定炉的温度为示温漆测温范围下限，待温度到达设定值后用专用工具将方形样片送入标定炉的恒温区内，达到热平衡稳定五分钟后取出，并在样片上标记好温度值，然后将标定炉温度设置值提高一定温度（一般为10℃），重复上述操作，直至示温漆测温范围上限的示温漆标准样片烤制完成。基于颜色空间的示温漆标准样片标定方法原理图如图4 所示，标定后的示温漆标准样片如图5 所示。

图4：基于颜色空间的示温漆标准样片标定方法原理图

图5：标定后的示温漆方块样片

3.2 基于等温线的示温漆标准样片标定方法

基于等温线的示温漆标准样片标定方法采用“蝶形样片+电烤式+热电偶对比”的方式，该方式重点关注示温漆的等温线，等温线是两个相邻颜色之间过渡的交界线，这条交界线上的所有点的三原色RGB 值基本一致，温度值也基本一致，因此被称为等温线，是示温漆最重要的特征线，如图6 标记处所示，精确测量出示温漆每条等温线对应的温度值，就能判定出示温漆每个颜色对应的温度区间。

图6：示温漆等温线示意图

该标定方法采用的加热设备为电压可调电加热装置，样片为结构特殊、中间窄两头宽的蝶形样片，用电压可调电加热装置对蝶形样片两端通电，因蝶形样片本身各截面的宽度不一致，对应的阻抗也不一致，通电后各截面的电流也不一致，宽的截面电流小温度低，窄的截面电流大温度高，这样就在样片表面形成温度梯度。通过不断调整加热装置的输出电压来调整经过蝶形样片的电流大小，直至样片最窄截面处的颜色稳定不再变化（说明示温漆到达了测温上限），稳定五分钟后关电，此时示温漆的颜色随温度变化趋势就反应到蝶形样片上，也相应能获取等温线的位置信息。然后重新取一个新的蝶形样片，根据上一次试验获得的位置信息在样片上各等温线处都焊上高精度壁面热电偶并连接温度表，按照上次试验的电流强度和通电时间重复一次，在温度表上读取示温漆各个等温线处的温度值，并列表记录。基于等温线的示温漆标准样片标定方法原理图如图7 所示，标定后的示温漆标准样片如图8 所示。

图7：基于等温线的示温漆标准样片标定方法原理图

图8：标定后的示温漆蝶形样片

4 新型示温漆标准样片标定方法

因基于等温线的示温漆标准样片标定方法中蝶形样片的长度较短，有些变色点较多的示温漆在其上面的温度趋势变化不够明显，且蝶形样片在焊上壁面热电偶后，其所在截面的阻抗会发生变化，容易造成上次试验确定的等温线位置微移，影响最终的标定温度值。蝶形样片在确定最窄位置何时达到示温漆变色上限时，需要不断调整通电电压进行尝试。针对基于等温线的示温漆标准样片标定的不足之处，提出一种“长条样片+炉烤式+热电偶对比”的新型标定方法。

该新型标定方法采用的加热设备为管式智能温度控制仪，控温精度高，温场稳定性好，工作温度范围为（0 ～1300）℃，样片为自行设计的长条样片，材质为发动机零部件同等高温合金材质，根据所选管式智能温度控制仪炉管的长度，样片一端能够正好伸到其炉管中心恒温区，另一端与炉管口平齐，且宽度小于炉管直径，首先将管式智能温度控制仪的一端炉管口堵上，另一端敞开，并设置温度加热值为示温漆测温范围上限值，待加热完成温度稳定后，将长条样片从敞开的炉管口推入，样片尾部与炉口保持平齐，前端处于炉心恒温区，达到热平衡五分钟后取出，自然冷却。此时，长条样片前端为示温漆测温上限，尾部为室温，从室温到示温漆测温上限整个温度区间的颜色变化都呈现在长条样片上，同时也得到等温线的位置信息。而后重新取一个新的长条样片，根据上一次试验获得的位置信息在样片上各等温线处都焊上高精度壁面热电偶并连接高精度热电偶温度测量系统，按照上次试验流程重复一次，在温度测量系统上读取示温漆各个等温线处的温度值，并列表记录。

示温漆标准样片标定方法原理图如图9 所示，长条标准样片和蝶形标准样片效果对比图如图10 所示，标定后并加上温度标注的示温漆长条标准样片如图11 所示。