航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪出口溫度標(biāo)定方法研究與應(yīng)用

柳陽(yáng)

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪出口溫度標(biāo)定方法研究與應(yīng)用

柳陽(yáng)

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)過(guò)程中，針對(duì)數(shù)字電子控制器采集低壓渦輪出口燃?xì)鉁囟龋═6）高于試車(chē)臺(tái)數(shù)采系統(tǒng)采集值的現(xiàn)象，進(jìn)行了多輪測(cè)溫試驗(yàn)，并結(jié)合T6測(cè)溫原理、熱電偶及補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)電氣特性等，提出了從數(shù)字電子控制器電路板終端進(jìn)行溫度標(biāo)定的方法，以確保在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際試車(chē)過(guò)程中控制器測(cè)量的T6值更接近真實(shí)溫度。試驗(yàn)結(jié)果表明：在航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)中采用在數(shù)字電子控制器T6采集電路板的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)終端進(jìn)行標(biāo)定的方法后，由數(shù)字電子控制器與試車(chē)臺(tái)數(shù)采系統(tǒng)采集的T6值相差1℃以?xún)?nèi)，證明該標(biāo)定方法準(zhǔn)確可行。

低壓渦輪出口燃?xì)鉁囟?；?shù)字電子控制器；標(biāo)定；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪出口燃?xì)鉁囟龋═6）是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能和試車(chē)過(guò)程監(jiān)控的重要參數(shù)之一，測(cè)量的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度[1-2]。在某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)過(guò)程中，由于數(shù)字電子控制器比臺(tái)架數(shù)采系統(tǒng)采集的T6高30℃，造成控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)提前限溫，導(dǎo)致主機(jī)狀態(tài)降低，嚴(yán)重影響了發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

本文為獲取準(zhǔn)確的T6值，在發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)及控制系統(tǒng)試驗(yàn)室分別開(kāi)展了T6測(cè)溫試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)測(cè)溫通道各環(huán)節(jié)逐步排除驗(yàn)證及理論分析，最終找到2套溫度測(cè)量系統(tǒng)存在差異的根本原因，并給出了正確的標(biāo)定方法。

1 熱電偶的測(cè)溫原理分析及排故過(guò)程

1.1 熱電偶的測(cè)溫原理

渦輪出口燃?xì)鉁囟葴y(cè)量系統(tǒng)由8支熱電偶（采用雙余度設(shè)計(jì)）、補(bǔ)償測(cè)量器和補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)束組成。熱電偶工作原理[3-4]如圖1所示[5]。其原理是將2種不同材料的均質(zhì)導(dǎo)體A、B組成閉合回路。A、B偶絲稱(chēng)為熱電極，放在被測(cè)對(duì)象中，感受溫度變化的一端稱(chēng)為工作端或熱端，另一端稱(chēng)為自由端或冷端。從圖中可見(jiàn)，當(dāng)t>t0時(shí)，導(dǎo)體A的電子密度大于B的，則在回路中產(chǎn)生溫差電勢(shì)eA(t,t0)和eB(t,t0)，接觸電勢(shì)eAB(t)和eAB(t0)，形成熱電流，該過(guò)程為熱電效應(yīng)?；芈分锌偀犭妱?shì)等于各電勢(shì)的代數(shù)和[6]，即EAB(t，t0)=eAB(t)+eB(t,t0)-eAB(t0) -eA(t,t0)。

圖1 熱電偶工作原理

熱電偶是測(cè)量溫度的感溫元件，利用熱電效應(yīng)將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)再由儀表顯示出來(lái)。熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)與其兩端的溫度值有關(guān)，本身不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響，不起補(bǔ)償作用，因此采用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)把熱電偶的冷端延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到儀表端上。

目前，T6測(cè)量采用熱電偶進(jìn)行。將熱電偶放在低壓渦輪出口燃?xì)饬髦?，冷端通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)與測(cè)量系統(tǒng)相連，電偶上的熱電勢(shì)取決于熱端和冷端的溫度[7]。由于熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)阻的平衡，在集電環(huán)將熱電偶并聯(lián)的情況下，得到熱電勢(shì)的平均值。采用熱電偶測(cè)量T6的電氣原理如圖2所示。8支熱電偶中每組信號(hào)均采用并聯(lián)方式：1路信號(hào)通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)輸出至數(shù)字電子控制器，另1路信號(hào)通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)傳輸至地面數(shù)采系統(tǒng)，2路信號(hào)分別用于控制和監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)。

圖2 熱電偶測(cè)溫電氣原理

1.2 熱電偶排故試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)溫用的8支熱電偶檢測(cè)結(jié)果表明，熱電偶工作穩(wěn)定，測(cè)量誤差在1%內(nèi)，滿(mǎn)足使用要求。因此，排除因熱電偶故障導(dǎo)致采集系統(tǒng)產(chǎn)生差異的可能性。

2 2種T6采集通道準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)字電子控制器與臺(tái)架數(shù)采的T6采集溫度差異來(lái)源，在試車(chē)臺(tái)分別進(jìn)行采用加熱爐加熱熱電偶方式的測(cè)溫試驗(yàn)及在試車(chē)過(guò)程中測(cè)量T6采集電壓的試驗(yàn)。

2.1 采用加熱爐方式的測(cè)溫試驗(yàn)

采用溫度檢定爐提供溫場(chǎng)環(huán)境，將放在爐中的K分度熱電偶與溫度控制器相連，用來(lái)測(cè)量爐溫并將溫度信號(hào)反饋給溫度控制器。將標(biāo)準(zhǔn)S分度熱電偶放置在檢定爐中間位置，用于測(cè)量準(zhǔn)確的溫場(chǎng)溫度，多功能數(shù)表與標(biāo)準(zhǔn)S分度熱電偶相連并輸出其電壓值，通過(guò)查S分度表將電壓值轉(zhuǎn)化為溫度值，該溫度值作為比對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)值。將另1支K分度熱電偶放在檢定爐中感受溫場(chǎng)溫度，其輸出信號(hào)經(jīng)臺(tái)架端子排傳輸至數(shù)字電子控制器和臺(tái)架數(shù)采T6測(cè)量通道，2個(gè)系統(tǒng)采集到T6值后與標(biāo)準(zhǔn)S分度熱電偶輸出溫度值進(jìn)行比較。

熱電偶是測(cè)量偶絲兩端的溫度差，因此必須知道熱電偶冷端的溫度，才能最終測(cè)量出熱電偶測(cè)量端的溫度[8]。由于測(cè)量端的溫度可能較高且不斷波動(dòng),為使測(cè)量設(shè)備顯示更準(zhǔn)確，通常用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)將熱電偶自由端延伸到溫度恒定的場(chǎng)所[9]。熱電偶的冷端補(bǔ)償一般采用冰點(diǎn)法和冷端補(bǔ)償法，本次試驗(yàn)采用冰點(diǎn)法。將上述3支熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)與測(cè)量?jī)x表采用的普通導(dǎo)線(xiàn)連接點(diǎn)置于冰點(diǎn)補(bǔ)償器中，并保持恒定[10]，確保每支熱電偶的輸出值均為相對(duì)冰點(diǎn)零度溫度值，T6測(cè)溫試驗(yàn)原理如圖3所示。

圖3 T6測(cè)溫試驗(yàn)原理

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象

采用如圖3所示的試驗(yàn)原理及接線(xiàn)關(guān)系，當(dāng)壁溫爐加熱恒定后，S分度熱電偶輸出的對(duì)應(yīng)溫度為526℃，此時(shí)控制器輸出溫度為558℃，臺(tái)架測(cè)量T6值為526℃，證明臺(tái)架測(cè)量T6值接近實(shí)際溫度，數(shù)字電子控制器測(cè)量的T6值比實(shí)際溫度約高30℃。

2.3 電信號(hào)測(cè)量試驗(yàn)

在某型發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)過(guò)程中，慢車(chē)時(shí)在臺(tái)架端子排處測(cè)量進(jìn)入數(shù)字電子控制器的T6信號(hào)電壓值為14 mv，按照K分度熱電偶的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其對(duì)應(yīng)溫度為343℃，數(shù)字電子控制器硬件電路的補(bǔ)償溫度約為23℃，因此數(shù)字電子控制器的T6輸出溫度值應(yīng)為366℃。而實(shí)際控制器輸出值為396℃，此時(shí)臺(tái)架T6值為367℃。

上述2種試驗(yàn)結(jié)果表明，臺(tái)架測(cè)量的T6值更接近發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際T6值，數(shù)字電子控制器采集的T6值比實(shí)際溫度約高30℃，所以其采集通道測(cè)溫不準(zhǔn)確，其原因應(yīng)主要從數(shù)字電子控制器T6測(cè)溫原理及控制器與臺(tái)架的接線(xiàn)差異等方面查找分析。

2.4 數(shù)字電子控制器T6采集通道工作原理

數(shù)字電子控制器T6采集通道硬件電路采集到輸入的電壓值后，經(jīng)過(guò)濾波、放大電路以及A/D轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)將電壓值轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)碼值。數(shù)字電子控制器軟件通過(guò)T6標(biāo)定曲線(xiàn)將計(jì)算機(jī)碼值轉(zhuǎn)換成電壓值，并與數(shù)字電子控制器內(nèi)部T6溫度補(bǔ)償模塊的電壓值疊加，最后用數(shù)字電子控制器軟件程序根據(jù)K分度表的對(duì)應(yīng)關(guān)系將電壓值轉(zhuǎn)換成溫度值，并在上位機(jī)上顯示輸出，數(shù)字電子控制器T6采集通道工作原理如圖4所示。

圖4 控制器T6采集通道工作原理

2.5 T6采集通道電纜結(jié)構(gòu)關(guān)系

臺(tái)架數(shù)采系統(tǒng)T6測(cè)溫補(bǔ)償端在發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)間，冷態(tài)時(shí)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)兩端溫度一致，其采集通道接線(xiàn)關(guān)系如圖5所示；而控制器采用的補(bǔ)償方式是將補(bǔ)償端延長(zhǎng)至試車(chē)監(jiān)控間的控制器電氣插座處。二者冷端補(bǔ)償溫度不一致。

圖5 臺(tái)架T6采集通道接線(xiàn)關(guān)系

2.6 試驗(yàn)結(jié)果與理論分析

由于數(shù)字電子控制器T6標(biāo)定曲線(xiàn)采用多功能校準(zhǔn)儀在發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)間的發(fā)動(dòng)機(jī)集電環(huán)插頭處發(fā)出設(shè)定溫度所對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，由數(shù)字電子控制器進(jìn)行采集，如發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)間溫度為-10℃，放置數(shù)字電子控制器的室溫為20℃，補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)將多功能校準(zhǔn)儀發(fā)出的電壓信號(hào)傳輸至數(shù)字控制器T6采集模塊的同時(shí)，由于其特殊的電氣特性，產(chǎn)生的反熱電勢(shì)也疊加在電路中，導(dǎo)致在標(biāo)定過(guò)程中數(shù)字電子控制器采集到的各溫度值比設(shè)定值均相應(yīng)約低30℃。在發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)過(guò)程中，由于熱電偶所處的環(huán)境溫度高，根據(jù)熱電偶及補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的工作原理，導(dǎo)體的電子溫度從高向低處走，因此不會(huì)產(chǎn)生反熱電勢(shì)，所以用該標(biāo)定方法進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)，由數(shù)字電子控制器采集的T6溫度值比實(shí)際值約高30℃。

臺(tái)架電纜結(jié)構(gòu)的臺(tái)架T6補(bǔ)償修正端位于發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)間，與標(biāo)定時(shí)信號(hào)發(fā)生端處于同樣環(huán)境溫度下，因此對(duì)臺(tái)架T6進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的冷、熱端溫度相等，不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。從T6修正端至臺(tái)架端子排之間使用普通導(dǎo)線(xiàn)，不存在補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的熱電勢(shì)效應(yīng)，所以臺(tái)架測(cè)量的T6值更接近實(shí)際溫度。

3 改進(jìn)方案

鑒于以上試驗(yàn)及理論分析，為避免標(biāo)定時(shí)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)兩端的溫差疊加在電路中產(chǎn)生反熱電勢(shì)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定及試車(chē)過(guò)程中數(shù)字電子控制器T6采集值，并確保數(shù)字電子控制器T6采集值的準(zhǔn)確性，要求在數(shù)字電子控制器T6采集電路板的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)終端進(jìn)行標(biāo)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用在數(shù)字電子控制器T6采集電路板的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)終端進(jìn)行標(biāo)定的方式進(jìn)行某型發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)，在試車(chē)過(guò)程中由數(shù)字電子控制器采集的T6值與臺(tái)架T6值幾乎一致，差值在1℃范圍內(nèi)。試車(chē)結(jié)果表明：在數(shù)字電子控制器T6溫度采集電路板的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)終端進(jìn)行標(biāo)定的方法準(zhǔn)確可行。

[1]梁中明，陳剛，徐陽(yáng).發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪出口溫度測(cè)量方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29（4）：75-77．LIANG Zhongming,CHEN Gang,XU Yang.Research on measurement method of the aeroengine turbine outlet temperature[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2008, 29（4）:75-77.（in Chinese）

[2]黃春峰，石小江，鐘華貴.燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)高溫燃?xì)鉁囟葴y(cè)量技術(shù)[C]//第九屆發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)與測(cè)量技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，北京：中國(guó)航空學(xué)會(huì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，2008：69-76．HUANG Chunfeng,SHI Xiaojiang,ZHONG Huagui.High temperature gas temperature measure technology of gas turbine engine[C]//The 9th Engine Experiment and Measure Technology Academic Exchange Collection, Beijing： Engine Test Technology Professional Committee of China Aviation Society, 2008：69-76.（in Chinese）

[3]吳道悌.非電量電測(cè)技術(shù)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1993：167-172．WU Daoti.The technology of non-electric quantity electrical measurement[M].Xi’an:Xi’an Jiaotong University Press, 1993：167-172.（in Chinese）

[4]張明春，肖燕紅.熱電偶測(cè)溫原理及應(yīng)用[J].攀枝花科技與信息，2009，34（3）：58-62．ZHANG Mingchun,XIAO Yanhong.Thermocouple temperature measuring principle and application [J].Panzhihua Sci-tech＆Information，2009，34（3）：58-62.（in Chinese）

[5]施建政，林松.如何正確使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)[J].上海計(jì)量測(cè)試，2007（3）：23-25．SHI Jianzheng,LIN Song.How to use compensatory wire of thermocouple [J].Shanghai Measurement and Testing，2007 （3）：23-25．（in Chinese）

[6]張世檉，邢家瑞.航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)：第15冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002：464-465． ZHANG Shicheng,XING Jiarui.Aeroengine design handbook：the fifteen volume[M].Beijing:Aviation Industry Press,2002：464-465.（in Chinese）

[7]閆久坤.燃?xì)廨啓C(jī)渦輪出口溫度受感部故障分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2011，37（5）：33-37．YAN Jiukun.Failure analysis and improved design of turbine outlet temperature probe for gas turbine [J].Aeroengine, 2011,37（5）：33-37.（in Chinese）

[8]鄭曉文.關(guān)于熱電偶冷端補(bǔ)償問(wèn)題的探討 [J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2002，22（6）：53-59．ZHENG Xiaowen.The discussion of thermocouple cold-end compensatory [J].JournalofAstronautic Metrology and Mensurement,2002,22（6）：53-59.（in Chinese）

[9]王祖光，秦世麒，姚家鑫.加工工藝對(duì)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)熱電勢(shì)影響規(guī)律的研究[J].天津冶金，1998（2）：41-43．WANG Zuguang,QIN Shiqi,YAO Jiaxin.The influence law research of processing technology for thermocouple compensatory lead thermoelectric[J].Tianjin Metallurgy,1998 （2）：41-43.（in Chinese）

[10]李蕓彤，趙冰.熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的特點(diǎn)及使用[J].品牌與標(biāo)準(zhǔn)化，2011（12）：65．LI Yuntong,ZHAO Bing.The characteristic and application of thermocouplecompensatorylead[J].BrandandStandardization, 2011（12）：65.（in Chinese）

Investigation and Application of Calibration Method for Aeroengine Low Pressure Turbine Exit Temperature

LIU Yang
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

The phenomenon of low pressure turbine exit temperature sampled by the digital electric controller was higher than test stand digital collection system in the course of aeroengine trial test.Multiple temperature measurement tests were carried out,combined with the principle of T6temperature measurement,electric characteristics of the thermocouple and compensatory lead etcetera.The method of temperature calibration from the end of digital electric controller circuit was brought to ensure the temperature of T6measured by digital electric controller was closed to the actual temperature in the process of engine trial test actually.The test results show that the T6value difference between sampled by the digital electric controller and sampledty test stand digital collection system is no more than 1℃,the fact proves that the calibration method is accurate and feasible.

low pressure turbine exit temperature;digital electric controller;temperature calibration;aeroengine

柳陽(yáng)（1980），女，碩士，工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)研究工作。

2012-12-10