幾種典型燃燒室高溫氣流溫度傳感器的設(shè)計(jì)

李亞晉，趙儉，王建軍

(1.中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095;2.北京信息技術(shù)研究所，北京100094)

0 引言

隨著航空航天技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度也在不斷提高。這些熱工參量的獲取對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、修正和制造、使用有重要意義，因此高溫氣流溫度測(cè)量技術(shù)越來越受到重視。新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度可達(dá)2000 K［1］;液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)中，燃燒溫度可達(dá)3000 K，流速達(dá)到2 Ma。復(fù)雜苛刻的環(huán)境，對(duì)溫度測(cè)試提出了很高的要求［2］，高溫氣流溫度傳感器的設(shè)計(jì)不僅要考慮傳感器本身能否承受高溫高壓的侵蝕，傳感器小型化、經(jīng)濟(jì)性等要求也是設(shè)計(jì)傳感器需要考慮的重要因素。本文從測(cè)量環(huán)境、傳感器材料選擇與結(jié)構(gòu)幾個(gè)方面對(duì)高溫氣流溫度傳感器的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析說明，并給出了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。

1 高溫氣流溫度傳感器的設(shè)計(jì)原則

氣流溫度傳感器目前以接觸式為主，如熱電偶、熱電阻等溫度傳感器。這類傳感器在測(cè)量氣流溫度時(shí)，其指示溫度只是敏感元件 (如熱電偶測(cè)量端)本身的溫度，而不是被測(cè)氣流的溫度，這之間的偏差是由傳熱、氣動(dòng)和溫度的動(dòng)態(tài)變化等原因造成的［3］。在測(cè)量氣流總溫時(shí)，測(cè)溫誤差主要有:被測(cè)氣流不能完全滯止引起的速度誤差、熱輻射引起的輻射誤差、沿測(cè)溫元件導(dǎo)熱引起的導(dǎo)熱誤差和測(cè)溫元件熱慣性引起的動(dòng)態(tài)誤差。

在設(shè)計(jì)熱電偶傳感器時(shí)，根據(jù)傳感器使用工況的不同，不同的誤差類型將占據(jù)主導(dǎo)，一般要遵循一些原則來盡可能地減小這些誤差。在測(cè)量高速 (Ma＞0.2)氣流溫度時(shí)，速度誤差比較大，要考慮速度誤差對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響。通常采用恢復(fù)系數(shù)來評(píng)價(jià)測(cè)溫的速度誤差，傳感器的結(jié)構(gòu)型式和安裝方式對(duì)恢復(fù)特性影響較大，通常裸露式熱電偶比滯止式熱電偶恢復(fù)系數(shù)小，另外傳感器的直徑以及表面粗糙度對(duì)恢復(fù)系數(shù)也有影響。

在測(cè)量高溫氣流溫度時(shí)，傳感器的輻射和導(dǎo)熱往往是測(cè)溫誤差的主要來源，結(jié)構(gòu)上一般采取設(shè)計(jì)屏蔽罩使得熱電偶測(cè)量的輻射誤差減小。這是由于屏蔽罩與氣流的對(duì)流換熱使其溫度較高，熱接點(diǎn)與屏蔽罩之間的溫差較小，減小了輻射誤差。

對(duì)于溫度動(dòng)態(tài)變化的氣流，由傳感器的熱慣性引起的動(dòng)態(tài)誤差不可忽略。傳感器的動(dòng)態(tài)特性一般由溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)來反映。傳感器的形狀不同，時(shí)間常數(shù)也不同。通常傳感器的尺寸越小，質(zhì)量越小，換熱系數(shù)越大，時(shí)間常數(shù)越小。裸露式傳感器一般比滯止式傳感器的時(shí)間常數(shù)小，熱電偶的接點(diǎn)若為鉸接會(huì)使時(shí)間常數(shù)增大［4］。

在傳感器研制過程中，除了要采取一定的措施避免上述誤差的影響，同時(shí)也要考慮在高溫氣流的環(huán)境里傳感器使用可靠性等因素。因此，氣流溫度傳感器的設(shè)計(jì)和制造要綜合考慮各方面的因素，在滿足使用環(huán)境要求的基礎(chǔ)上提高測(cè)溫準(zhǔn)確度。

2 幾種典型燃燒室高溫氣流溫度傳感器的設(shè)計(jì)

本節(jié)介紹三種用于航空航天燃燒室地面試驗(yàn)的高溫氣流溫度傳感器的設(shè)計(jì)。根據(jù)其使用工況，重點(diǎn)從材料選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行介紹。

2.1 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室出口總溫傳感器設(shè)計(jì)

在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室地面試驗(yàn)中，利用接觸式溫度傳感器直接測(cè)量燃燒室出口燃?xì)饪倻匾杂?jì)算燃燒效率［5］。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室出口氣流特點(diǎn)是溫度高，流速快，氣流壓力高達(dá)5 MPa，采用接觸式溫度傳感器測(cè)量總溫需要解決耐高溫、抗沖擊、密封等技術(shù)難題。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 耐壓環(huán)境總溫傳感器示意圖

在材料方面，由于燃燒室出口氣流總溫最高接近3000 K，選擇鎢合金為總溫傳感器殼體材料。鎢的熔點(diǎn)高達(dá)3410°C，同時(shí)為抑制鎢合金殼體的氧化，在其表面進(jìn)行了鍍膜處理。熱電偶絲材料選用WRe5-WRe26，直徑0.3～0.8 mm，為了使熱電偶能夠適應(yīng)氧化環(huán)境，采用電子束鍍膜工藝對(duì)其表面進(jìn)行鍍膜處理。

在結(jié)構(gòu)方面，總溫傳感器的設(shè)計(jì)中最重要的是滯止罩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。滯止罩需要將來流有效滯止，同時(shí)保證滯止罩內(nèi)有較好的熱交換性能，使得傳感器能夠快速響應(yīng)。使用圖2所示的半屏蔽直吹式總溫傳感器滯止罩，半屏蔽滯止罩能夠使來流有效滯止，同時(shí)熱電偶直接接觸高溫來流，保證了傳感器的快速響應(yīng)。

圖2 滯止罩結(jié)構(gòu)示意圖

在滯止罩內(nèi)安裝三支熱電偶T1，T2，T3，其中T2測(cè)量氣流溫度，T1和T3測(cè)量滯止罩內(nèi)壁溫度，用于對(duì)總溫傳感器的輻射誤差的修正，如圖3所示。

圖3 偶絲安裝示意圖

為了適應(yīng)5 MPa氣流壓力，保證結(jié)構(gòu)密封，該傳感器設(shè)計(jì)了耐壓安裝座，由出線座、熱電偶固定座和密封墊構(gòu)成，并進(jìn)行了10 MPa耐壓試驗(yàn)。計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明整支傳感器在該壓力環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)可靠密封。整支傳感器外殼結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面狹小，有利于減小阻塞比，提高測(cè)量準(zhǔn)確度，保證傳感器末端元件不受熱流影響而失效［6］。

2.2 固體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)總溫傳感器設(shè)計(jì)

固體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)的工況復(fù)雜惡劣，溫度高達(dá)2400 K，流速為0.3 Ma。測(cè)量介質(zhì)具有氧化性，會(huì)對(duì)傳感器的外殼造成影響。

在材料方面，為了能在上述復(fù)雜環(huán)境下準(zhǔn)確測(cè)量高溫高速氣流溫度，采用表面改性鎢錸熱電偶傳感器，該傳感器的外殼結(jié)構(gòu)可以有效保護(hù)熱電偶不受燃?xì)庵羞\(yùn)動(dòng)粒子的影響。試驗(yàn)表明該總溫傳感器在該工況下能夠取得很好的測(cè)溫效果。

在結(jié)構(gòu)方面，設(shè)計(jì)了如圖4所示的可更換偶絲的熱電偶結(jié)構(gòu)，用于現(xiàn)場(chǎng)替換失效的熱電偶。通常，為了固定偶絲，熱電偶套管和傳感器外殼之間的間隙通常采用高溫水泥或密封膠填充。當(dāng)工作時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致偶絲失效時(shí)，無(wú)法更換偶絲，只能由生產(chǎn)單位進(jìn)行修理，或者將整支傳感器報(bào)廢，增加了生產(chǎn)和使用成本，造成一定的浪費(fèi)。

圖4 可更換熱電偶結(jié)構(gòu)

圖4所示熱電偶的特點(diǎn)是偶絲固定在特定安裝座內(nèi)，在使用時(shí)可以根據(jù)試驗(yàn)需要調(diào)節(jié)偶絲伸出的長(zhǎng)短。在一些溫度條件下，當(dāng)偶絲工作失效或受到損壞時(shí)，使用者可以方便、快捷地在現(xiàn)場(chǎng)取出更換新的熱電偶，而無(wú)需返回生產(chǎn)單位修理，比較方便經(jīng)濟(jì)。

2.3 微型總溫傳感器設(shè)計(jì)

在一些發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室或渦輪機(jī)械流道內(nèi)部試驗(yàn)中，安裝空間很小，要求傳感器具有較小的尺寸，并且保證工作強(qiáng)度和測(cè)溫準(zhǔn)確度。圖5是一種微型測(cè)溫傳感器，外殼最大直徑小于6 mm，安裝快速方便。

該傳感器在燃燒室地面試驗(yàn)出口氣流溫度測(cè)試中得到應(yīng)用。其中傳感器外殼可以與試驗(yàn)器壁面連接，外壓螺母起到固定作用。由于空間狹小，傳感器與壁面距離很近，為減小輻射誤差和導(dǎo)熱誤差，傳感器外殼采用不冷卻結(jié)構(gòu)，頭部采用進(jìn)氣孔與出氣孔對(duì)稱設(shè)計(jì)的直吹式結(jié)構(gòu)，可以提高傳感器內(nèi)部的氣流速度，加強(qiáng)對(duì)流換熱，從而抑制輻射誤差和導(dǎo)熱誤差。另外，制作時(shí)熱電偶焊接球頭也要盡可能小，以減小球頭的熱容量，提高傳感器響應(yīng)速度，同時(shí)避免在氣流中碰到外殼壁面。

圖5 微型總溫傳感器示意圖

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

上述三種特殊結(jié)構(gòu)的氣流溫度傳感器在相關(guān)燃燒室地面試驗(yàn)中得到了應(yīng)用，經(jīng)驗(yàn)證滿足使用要求。

圖1所示的燃燒室出口氣流總溫傳感器在先期設(shè)計(jì)中，曾在中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所的熱風(fēng)洞中進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)。該傳感器在1500 K和1800 K的總溫條件下修正后，測(cè)量總溫與標(biāo)準(zhǔn)氣流溫度傳感器相比，誤差小于3%，滿足了高溫氣流測(cè)量的要求。圖6為該總溫傳感器在燃燒室地面試驗(yàn)中的測(cè)溫曲線，其中熱電偶T2測(cè)量氣流溫度，熱電偶T1和T3測(cè)量滯止罩內(nèi)壁溫，用于對(duì)總溫傳感器的輻射誤差的修正。可以看出，在試驗(yàn)中總溫傳感器工作狀態(tài)良好，達(dá)到熱平衡后獲得了燃燒室工作時(shí)穩(wěn)定的總溫?cái)?shù)據(jù)［5］。圖7為固體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)測(cè)溫曲線;由試驗(yàn)結(jié)果可以看出該傳感器在燃燒室氣流總溫測(cè)量中有著快速的響應(yīng)速度，可以穩(wěn)定地獲得燃燒室的氣流總溫。

圖6 燃燒室出口總溫傳感器測(cè)溫曲線

圖7 固體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)總溫傳感器測(cè)溫曲線

由于條件所限，微型總溫傳感器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并未獲得，但前期工作表明其結(jié)構(gòu)和性能已可以滿足燃燒室地面試驗(yàn)中小空間的測(cè)溫需求。

3 總結(jié)與展望

本文所介紹的三種典型氣流溫度傳感器在材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面均能適應(yīng)相應(yīng)的燃燒室地面試驗(yàn)，在預(yù)期的測(cè)試溫度下，傳感器響應(yīng)速度能夠達(dá)到測(cè)試需求，測(cè)溫特性良好。

目前這類特殊氣流溫度傳感器的應(yīng)用越來越廣泛，但使用環(huán)境的特殊性導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多變，傳感器性能的量化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范化存在一定的難度，生產(chǎn)和計(jì)量保障都需要進(jìn)一步完善。航空航天科技的發(fā)展使得高超聲速高溫測(cè)試環(huán)境對(duì)氣流溫度傳感器的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。氣流溫度傳感器的研制將更著眼于高溫、高超聲速以及高壓力環(huán)境下溫度的測(cè)量。傳感器的結(jié)構(gòu)也向著多元化的方向發(fā)展，微小體積傳感器可以用于狹小試驗(yàn)空間的測(cè)量，多點(diǎn)溫度傳感器可以同時(shí)測(cè)得所需多組溫度參數(shù)。傳感器的材料也不限于金屬，陶瓷基復(fù)合材料近年來逐漸應(yīng)用到傳感器中。這類傳感器對(duì)高溫氣流測(cè)試有很大的推動(dòng)。

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