航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片晶體測溫技術(shù)研究

李 楊，殷光明

（中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703）

航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片晶體測溫技術(shù)研究

李 楊，殷光明

（中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703）

針對航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片溫度測量的技術(shù)難題，介紹了1種晶體測溫傳感器的技術(shù)特點與技術(shù)優(yōu)勢。結(jié)合晶體測溫技術(shù)的工作原理簡述了測溫晶體的制造方法，論述了測溫晶體的安裝、拆除工藝和標(biāo)定試驗方法，并利用測溫晶體測量了渦輪葉片表面溫度。結(jié)果表明：測溫晶體在發(fā)動機(jī)內(nèi)流高溫、高壓、高速燃?xì)饬鞯臎_擊下和葉片高速旋轉(zhuǎn)的工況下附著牢靠，未出現(xiàn)脫落的情況，試驗成活率為100%，獲取到了精確測點的溫度值，是解決航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片等熱端部件特殊位置表面溫度測量的1種方法。

測溫晶體；溫度測量；渦輪葉片；航空發(fā)動機(jī)

0 引言

航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片的溫度測試目前是前沿性熱點及難點研究課題，渦輪葉片上傳熱和表面溫度分布的分析與計算均要求試驗測試來驗證[1-2]。對于渦輪轉(zhuǎn)子葉片的溫度測量，傳統(tǒng)的埋入式或表面貼裝式熱電偶等接觸式測溫技術(shù)引線困難且測點較少，難以獲得氣膜孔附近處的溫度數(shù)據(jù)；示溫漆測溫只能測量渦輪轉(zhuǎn)子葉片總體溫度分布；紅外測溫技術(shù)視場有限，葉片前緣、尾緣、緣板等特殊位置的溫度難以測量。此外，薄膜熱電偶還處于研制階段，存在著引線技術(shù)困難和使用可靠性不高等缺點[3-4]。對于上述溫度測量技術(shù)在發(fā)動機(jī)測量試驗中存在的問題，采用晶體測溫技術(shù)是1個較為有效的測試手段。該技術(shù)非侵入特征明顯，具有傳感器體積微小、無需測試引線、測溫精度高等優(yōu)點[5]。

國外的晶體測溫技術(shù)研究比較成熟，不管是美國、俄羅斯還是烏克蘭，都有1批專業(yè)技術(shù)人員從事測溫晶體的制造、標(biāo)定、應(yīng)用研究工作，至今已經(jīng)形成完善的研發(fā)及應(yīng)用體系[6-7]。烏克蘭研制的多型航空發(fā)動機(jī)均采用晶體測溫技術(shù)來測量渦輪葉片溫度。Siemens公司在SGT系列產(chǎn)品上，將1975個測溫晶體布置在發(fā)動機(jī)熱區(qū)，其中有90個測溫晶體安裝在1個葉片上，試驗后測溫晶體有著95%的高存活率。在國內(nèi)，沈陽發(fā)動機(jī)研究所和天津大學(xué)都在實驗室進(jìn)行過測溫晶體制作及標(biāo)定技術(shù)研究工作[8-9]。

本文主要從工作原理、制造方法、安裝與拆除、標(biāo)定試驗以及應(yīng)用等方面對晶體測溫技術(shù)進(jìn)行研究。

1 晶體測溫技術(shù)測量原理

晶體測溫技術(shù)是基于自身“溫度記憶效應(yīng)”的以輻照缺陷的熱穩(wěn)定性建立起來的1種微型溫度測量傳感器，通過中子輻照碳化硅晶體的晶格常數(shù)、測試溫度和測試時間之間的函數(shù)關(guān)系而形成的測量最高溫度的測試技術(shù)。

中子輻照碳化硅晶體測溫技術(shù)本質(zhì)是利用晶體缺陷的熱穩(wěn)定性，因此制作該傳感器最主要的工序就是輻照，目的是引入具有特定熱穩(wěn)定性的各種缺陷。在輻照過程中，由于電離、離位、級聯(lián)及子級聯(lián)碰撞等效應(yīng)的作用，晶格內(nèi)部產(chǎn)生大量如間隙原子、空位、間隙原子團(tuán)、空位團(tuán)、空洞、位錯、層錯等缺陷，破壞了晶體原子周期性排列的特點，即輻照導(dǎo)致晶體晶格從有序性轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序性。而且輻照劑量越大，輻照缺陷濃度就越大，無序度就越嚴(yán)重[10]。

晶體所經(jīng)歷的最高溫度越高，殘余缺陷濃度就越低。二者具有一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，知道晶體所經(jīng)歷的最高溫度，必然能確定殘余缺陷濃度；反之亦然。輻照缺陷的消除取決于晶體所經(jīng)歷的最高溫度，因此輻照導(dǎo)致的各種性能的變化伴隨著溫度升高的過程中缺陷的消除而逐漸回復(fù)到未輻照的水平。在通常情況下，殘余缺陷濃度雖然難以通過常規(guī)測試方法確定，但可以測定殘余缺陷對物性的影響間接反映出殘余缺陷濃度。所以，物性和退火溫度也是一一對應(yīng)的關(guān)系，如果物性和晶體所經(jīng)歷的最高溫度之間的函數(shù)關(guān)系已經(jīng)確定，則知道晶體所經(jīng)歷的最高溫度，便可以確定物性；反之亦然。電阻率、硬度、晶格常數(shù)和熱導(dǎo)率等都能用于反映殘余缺陷濃度[11-12]。

2 測溫晶體的制造

測溫晶體的制造過程主要包括晶片的生長、中子輻照、切割、篩選等布置。

首先生長出碳化硅晶錠，對晶錠結(jié)晶質(zhì)量、表面粗糙度、位錯密度、微管密度和晶體彎曲度等指標(biāo)進(jìn)行考察，選擇出滿足使用要求的晶錠切割成大小合適的晶片，并對其進(jìn)行預(yù)退火處理，以便消除樣品內(nèi)固有缺陷，最后選擇合適的晶片用于中子輻照，如圖1所示。

為讓晶片內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，需進(jìn)行中子輻照。在中子輻照過程中，離位峰效應(yīng)導(dǎo)致樣品局部區(qū)域產(chǎn)生大量缺陷，該區(qū)域基本呈非晶態(tài)。隨著輻照注量的增大，離位峰發(fā)生的次數(shù)逐漸增加，非晶態(tài)區(qū)域的濃度也在不斷增大。當(dāng)輻照注量增大到非晶化閾值時，非晶態(tài)區(qū)域便可以疊加到一起，導(dǎo)致整個樣品發(fā)生晶態(tài)-非晶態(tài)轉(zhuǎn)變[13]。

中子輻照完成后的晶片還需通過切割成一個個小晶體才能滿足使用，在晶片切割的過程中部分小晶體會發(fā)生崩邊、斷角的情況，需要從中篩選出各方面完好的晶體，如圖2所示。篩選出的晶體一部分用于標(biāo)定試驗，另一部分則用于測量試驗。

3 安裝與拆除工藝

測溫晶體的可靠安裝和拆除是測溫晶體應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其工藝流程看似簡單，實則在安裝和拆除的過程中，測溫晶體極易丟失或受到損傷，導(dǎo)致在該環(huán)節(jié)測溫晶體的成活率降低。

測溫晶體可靠安裝與拆除是1個經(jīng)驗不斷積累的過程，為熟練掌握該工藝，實現(xiàn)測溫晶體的可靠安裝，首先需建立良好的工作環(huán)境和配置專用的安裝與拆除設(shè)備，包括微操作平臺、立體顯微鏡、專用工具以及配套的專用小附件等，良好的設(shè)備是實現(xiàn)測溫晶體可靠安裝與拆除的基礎(chǔ)和前提條件。

雖然安裝與拆除工藝流程較為清楚，但在晶體夾取時容易崩邊和脫落，填充高溫膠時易出現(xiàn)松散和存在氣泡等情況，因此仍然需要通過反復(fù)的摸索試驗、實際操作以及工藝驗證試驗來不斷優(yōu)化和改進(jìn)實際的工藝方法，才能在該環(huán)節(jié)盡量不丟失和破壞測溫晶體，提高安裝與拆除的可靠性，提高晶體工作效率。

4 標(biāo)定試驗方法

4.1 標(biāo)定方法

對于國外“最高溫等效時間”的標(biāo)定方法的時間歷程曲線難以獲取的問題，創(chuàng)新性地將“最高溫恒溫時間”作為輸入時間參數(shù)來完成微型輻照測溫晶體的標(biāo)定和溫度判讀，可避免繁瑣的最高溫等效時間的獲取和計算。利用最高溫恒溫時間參數(shù)、最高溫平均溫度參數(shù)和晶體參數(shù)三者的函數(shù)關(guān)系，建立基于“恒溫時間法”的測溫晶體標(biāo)定方法。

最高溫恒溫時間參數(shù)是測溫晶體標(biāo)定時最高溫平均溫度的保溫持續(xù)時間；最高溫度平均溫度是考慮最高溫溫度在保溫持續(xù)時間內(nèi)的允許范圍內(nèi)波動的平均溫度值；晶體參數(shù)是測溫晶體經(jīng)歷高溫前后晶格參數(shù)的變化。

4.2 標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計

測溫晶體的標(biāo)定由專用的標(biāo)定系統(tǒng)來完成，因此標(biāo)定系統(tǒng)的好壞、精度高低直接決定標(biāo)定結(jié)果的質(zhì)量。完整的測溫晶體標(biāo)定系統(tǒng)主要由高精度的加溫爐、溫度控制與采集系統(tǒng)、標(biāo)定試件、標(biāo)定數(shù)據(jù)處理軟件以及配套的附件等組成，如圖3所示。

（1）電源系統(tǒng)。根據(jù)加溫爐爐內(nèi)溫度波動度的要求（恒溫區(qū)內(nèi)溫度波動度優(yōu)于1℃），對標(biāo)定爐的供電增加穩(wěn)壓電源模塊，工作時供電電壓不超過1%，避免因電壓波動造成的溫度波動。

（2）加溫系統(tǒng)。加溫系統(tǒng)是標(biāo)定設(shè)備的核心部分，用于給標(biāo)定試件提供恒溫環(huán)境，根據(jù)熱電偶檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置配用的熱電偶檢定爐的設(shè)計模式。標(biāo)定爐采用管式加溫爐，要求升降溫快速、升降溫時間可調(diào)，恒溫時間精確可調(diào)，且控溫準(zhǔn)備穩(wěn)定，恒溫區(qū)內(nèi)任意2點間溫差小于1℃，溫度波動度優(yōu)于1℃。

（3）控制系統(tǒng)。溫度控制系統(tǒng)為本標(biāo)定系統(tǒng)的核心，標(biāo)定試驗時要求加溫爐的超溫量盡量小且加溫、恒溫迅速。因此，溫度控制器采用智能PID調(diào)節(jié)儀與標(biāo)定爐構(gòu)成溫度閉環(huán)控制，控制加溫棒對爐體進(jìn)行加溫。溫度控制系統(tǒng)能夠?qū)訙?、降溫時間進(jìn)行控制和對恒溫時間精確控制。為避免超溫，要求控制系統(tǒng)的超調(diào)量很小，不超過1℃。

（4）采集系統(tǒng)。溫度采集用于采集與標(biāo)定試件一并放入加溫爐內(nèi)的B/S型熱電偶的實測溫度值，同時也用于通過實測溫度值的變化記錄加降溫和恒溫時間?？刹捎檬忻嫔铣墒斓臏囟炔杉到y(tǒng)。

（5）操作臺。主要用于操作測溫晶體的安裝，標(biāo)定試驗前的準(zhǔn)備以及標(biāo)定系統(tǒng)的溫度控制設(shè)置、標(biāo)定軟件操作等，標(biāo)定軟件將集成控制、溫度采集、數(shù)據(jù)處理、預(yù)警等功能于一體，實現(xiàn)標(biāo)定試驗操作、數(shù)據(jù)處理的半自動化。

4.3 標(biāo)定試驗流程

在相同的恒溫時間下的全溫度范圍的標(biāo)定試驗的標(biāo)定流程如下：

（1）標(biāo)定準(zhǔn)備。在標(biāo)定試件上用高溫膠封裝3～4個測溫晶體，待高溫膠固化后用于標(biāo)定試驗。

（2）系統(tǒng)連接。將標(biāo)定試件與溫度采集電偶固定，并放置于加溫爐的恒溫區(qū)內(nèi)，關(guān)閉加溫爐，檢驗系統(tǒng)的完好性。

（3）加溫試驗。設(shè)置加溫時間,恒溫時間10 min（以恒溫10 min為例），降溫時間控制為10 min。設(shè)置恒溫溫度值900℃（以900℃為例），開啟加溫程序。

（4）晶體參數(shù)測量。標(biāo)定試驗完成后，取出標(biāo)定試件中的測溫晶體，用X射線衍射儀測量晶體參數(shù)。

（5）數(shù)據(jù)處理。將3～4個測溫晶體的晶體參數(shù)的多次測量結(jié)果平均處理，作為“恒溫10 min，溫度值900℃”狀態(tài)下的晶體參數(shù)輸入。這樣就得到獲取標(biāo)定曲線所需的1個狀態(tài)點的3個參數(shù)。

（6）曲線擬合。在恒溫10 min，其他溫度點（550～1350℃范圍內(nèi)整百溫度點）的條件下重復(fù)進(jìn)行步驟（3）～（5），得到全溫度范圍內(nèi)各狀態(tài)點的參數(shù)后，通過標(biāo)定軟件來完成標(biāo)定曲線的擬合。

為便于分析標(biāo)定結(jié)果的誤差及測量不確定度，在相同狀態(tài)點下可多次進(jìn)行標(biāo)定試驗，取均值作為曲線擬合的輸入?yún)?shù)，這樣就得到1條更為準(zhǔn)確的標(biāo)定曲線。

4.4 晶體參數(shù)測量

測溫晶體標(biāo)定及應(yīng)用試驗結(jié)束后，需通過X射線衍射儀來測量晶體的晶格參數(shù)，為最后的溫度判讀提供輸入?yún)?shù)。在晶體的各種物性參數(shù)中，晶格參數(shù)最容易獲取，晶格參數(shù)利用X射線衍射法來測定[14-15]。

5 應(yīng)用研究

試驗共采用5點測溫晶體，通過特制的高溫膠將測溫晶體分別安裝于渦輪轉(zhuǎn)子葉片葉盆和緣板上，如圖4所示。試驗后5個測溫晶體的表面形貌如圖5所示。

測量結(jié)果表明，5點測溫晶體在高溫、高壓、高速燃?xì)饬鞯臎_擊下和葉片高速旋轉(zhuǎn)的工況下附著牢靠，未出現(xiàn)脫落的情況，試驗成活率為100%，獲取到了精確測點的溫度值。

由于測量未安排熱電偶進(jìn)行測量結(jié)果的比對，在后續(xù)試驗中將安排晶體測溫結(jié)果與熱電偶測量結(jié)果的比對試驗。

6 結(jié)束語

晶體測溫技術(shù)對于測量航空發(fā)動機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子葉片等熱端部件的特殊位置的表面溫度具有較強(qiáng)的實用性，能夠解決工程實際問題。但該技術(shù)對于封裝工藝、標(biāo)定技術(shù)要求較高，還需根據(jù)實際工程現(xiàn)場實際情況進(jìn)行深入、細(xì)化的試驗研究工作，進(jìn)而解決航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片表面溫度測量難題。

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Research on Crystal Temperature Measurement Technology for Aeroengine Turbine Blade

LI Yang,YIN Guang-ming
（AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Jiangyou Sichuan 621703，China）

In order to solve the problem of temperature measurement of aeroengine turbine blade,the characteristics and technical advantages of a kind of crystal temperature sensors were introduced，and the manufacturing methods of crystal temperature sensors were expounded based on whose working principle in temperature measurement.Further more,the installation,dismantling process and the calibration method of the crystal temperature sensors were described in detail.Then the crystal temperature sensors were applied to measure the surface temperature of turbine blade.The results show that those sensors attached to the test blade firmly cannot drop,even under the condition of high temperature,high pressure,the impact of high speed gas flow and high speed rotation.The survival rate of crystal sensors under testing is 100%,and the temperature of target location is obtained after test,which enables crystal temperature measurement technology to be considered as an ideal methodology to measure the surface temperature of hot section components of aeroengine such as turbine blade.

crystal temperature measurement;temperature measurement;turbine blade;aeroengine

V 263.3

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.03.016

2016-10-28 基金項目：航空動力基礎(chǔ)研究項目資助

李楊（1986），男，工程師，主要從事航空發(fā)動機(jī)測試工作；E-mail：li2313954@163.com。

李楊，殷光明.航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片晶體測溫技術(shù)研究 [J].航空發(fā)動機(jī)，2017，43（3）：83-87.LI Yang，YINGuangming.Research on crystal temperaturemeasurementtechnologyforaeroengineturbineblade[J].Aeroengine，2017，43（3）：83-87.

（編輯：栗樞）