超聲測(cè)溫技術(shù)在模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度測(cè)量中的應(yīng)用

許 琳，王 高，呂國(guó)義，蔡 靜，楊永軍，王曉良，曾行昌，王仲杰

(1.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051； 2.北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095；3.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110015； 4.中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089)

0 引 言

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)技術(shù)的重要支撐，也是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)研試驗(yàn)研究和工程發(fā)展階段的重要環(huán)節(jié)[1].燃燒室出口溫度對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，獲得準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)可以延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用時(shí)間并且提高各部件的性能[2].為使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠快速推進(jìn)發(fā)展，必須尋找一種可靠高效的溫度測(cè)量方法.目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室出口溫度的測(cè)量主要采用接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫兩大類(lèi)[3].最常用的有熱電偶和輻射測(cè)溫儀，熱電偶靈敏度高，精確度也高，但很難滿足長(zhǎng)時(shí)間高溫連續(xù)測(cè)量的要求； 輻射測(cè)溫儀在測(cè)量過(guò)程中受環(huán)境影響比較大，發(fā)射率的改變會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差增大.為了滿足長(zhǎng)時(shí)間精確測(cè)量的要求，迫切需要探索新的高溫測(cè)量手段.超聲測(cè)溫技術(shù)具有測(cè)溫范圍廣、 精度高、 響應(yīng)快、 穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用在一些常規(guī)測(cè)溫方法不能適用的特殊場(chǎng)合，如高溫及強(qiáng)輻射條件核反應(yīng)堆、 環(huán)境惡劣的熱爐以及等離子體室等高溫測(cè)量中[4,5].近年來(lái)，各國(guó)學(xué)者對(duì)于超聲波測(cè)溫技術(shù)的研究已經(jīng)很深入，美國(guó)的 SEI公司將研制的Biolerwatch系列聲學(xué)溫度計(jì)用于測(cè)量大型火力發(fā)電廠中鍋爐內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布情況，溫度測(cè)量范圍為300～2 700 ℃.英國(guó)的CODEL公司生產(chǎn)的聲學(xué)測(cè)溫裝置，通過(guò)在待測(cè)溫區(qū)表面大量布置傳感器可實(shí)現(xiàn)大型煙氣管道中某一截面氣體溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量[6].超聲測(cè)溫的這些特點(diǎn)使它成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室測(cè)溫的極佳選擇，也是當(dāng)前高溫測(cè)量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).

1 超聲測(cè)溫原理

超聲測(cè)溫作為一種新型的測(cè)溫技術(shù)，是基于超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)溫度有關(guān)的原理實(shí)現(xiàn)的[7].超聲波在固體材料中傳播時(shí)，聲速會(huì)隨著材料溫度的升高逐漸減小，二者有較好的單值函數(shù)關(guān)系.聲速可以通過(guò)直接測(cè)量聲波在被測(cè)介質(zhì)中的傳播速度獲得，也可以通過(guò)測(cè)量放在被測(cè)介質(zhì)中材料的聲波傳播速度來(lái)獲得，本文采用第二種方式測(cè)溫，即通過(guò)測(cè)量聲波在放在被測(cè)介質(zhì)中傳感器的速度來(lái)推算被測(cè)介質(zhì)的溫度.超聲波在固體中的傳播速度為[8]

(1)

式中：E為固體材料的彈性模量；ρ為固體材料的密度，材料的彈性模量和密度都與溫度有函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此由式(1)可得到溫度與聲速的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

根據(jù)溫度與超聲波速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以計(jì)算出不同聲速下介質(zhì)的溫度[9].

2 超聲測(cè)溫傳感器設(shè)計(jì)

超聲測(cè)溫系統(tǒng)如圖 1 所示，主要包含超聲導(dǎo)波測(cè)溫儀、 超聲換能器和傳感器三部分.超聲導(dǎo)波測(cè)溫儀可以激發(fā)并回收電信號(hào)以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ).超聲換能器可以實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與超聲信號(hào)的雙向轉(zhuǎn)換[10].本文主要介紹傳感器的設(shè)計(jì)部分.

圖 1 超聲測(cè)溫系統(tǒng)Fig.1 Ultrasonic temperature measurement system

超聲波在介質(zhì)中傳播遇到截面和端面會(huì)發(fā)生反射，如果在距離端面確定的位置人工設(shè)計(jì)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么超聲波在節(jié)點(diǎn)處反射的回波和在端面處反射的回波將有一定的時(shí)差，如圖 1 所示.若截面到端面的距離以及接收端接收兩個(gè)反射波的時(shí)差已知，便可計(jì)算獲得超聲波在不同溫度介質(zhì)中傳播的速度，即

(2)

根據(jù)溫度與超聲波速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以計(jì)算出不同聲速下介質(zhì)的溫度.

2.1 傳感器材料

傳感器的材料決定了所能測(cè)得溫度的范圍及精度.制作超聲測(cè)溫傳感器所選用的材料需要具有良好的傳聲性能且對(duì)溫度敏感[11].如今的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度可超過(guò)2 000 K，因此材料必須具有足夠高的熔點(diǎn)，且在超高溫環(huán)境下具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)特性.首先考慮用難熔金屬如銥、 錸、 銠、 鎢等以及它們的合金或高熔點(diǎn)晶體材料制作超聲測(cè)溫傳感器[12].在實(shí)際測(cè)量環(huán)境中需要將傳感器敏感元件部分探入燃?xì)夤艿乐?，為了讓敏感元件與高溫氣流場(chǎng)充分接觸以進(jìn)行熱傳導(dǎo)，敏感元件放置方向應(yīng)與氣流方向平行，在這過(guò)程中晶體材料容易折斷，這就限制了傳感器材料的選擇.金屬材料相對(duì)于晶體材料具有良好的延展性與可塑性，能夠更容易地探入管道中進(jìn)行測(cè)量，故一般采用金屬或金屬合金制作傳感器.難熔金屬在高溫環(huán)境下大都容易氧化，如金屬鎢、 錸等.制作成的傳感器必須在真空或惰性氣體保護(hù)的環(huán)境下使用，而燃?xì)夤艿纼?nèi)氣體成分復(fù)雜，無(wú)法達(dá)到鎢、 錸等金屬對(duì)應(yīng)用環(huán)境的要求.在元素周期表中還有銥、 銠等鉑系金屬既有高熔點(diǎn)，同時(shí)具備不易氧化的特點(diǎn).銥的熔點(diǎn)是2 410 ℃，但在600 ℃會(huì)發(fā)生氧化，體現(xiàn)在材料重量會(huì)增加.但在1 000 ℃以上的高溫下其氧化物又會(huì)揮發(fā)，材料重量反而下降[13].銠含量的增加會(huì)使這種失重現(xiàn)象減小，大幅提高了銥的耐高溫上限.當(dāng)銠含量在40%時(shí)，銥銠合金的楊氏模量處于最低點(diǎn)，依據(jù)式(1)此時(shí)聲速有利于測(cè)量.同時(shí)銥銠合金具備良好的傳聲特性，并且對(duì)溫度很敏感.所以銥銠合金比純銥更適合做傳感器材料.

2.2 敏感元件尺寸設(shè)計(jì)

超聲波在不同介質(zhì)的界面處以及傳輸路徑的變截面處傳播時(shí)，都會(huì)有反射以及透射現(xiàn)象.反射系數(shù)以及透射系數(shù)主要由超聲波的阻抗決定，若想獲得理想的反射波信號(hào)，需要使超聲波在變截面處的反射系數(shù)和透射系數(shù)與聲波阻抗相匹配.聲導(dǎo)波阻抗公式為

Z=ρcA,

(3)

式中：ρ為材料的密度；c為超聲波速度；A為波導(dǎo)材料的橫截面積.已知波導(dǎo)材料的直徑d，可計(jì)算出橫截面積A.

(4)

傳感器的反射系數(shù)R、 透射系數(shù)T分別為

(5)

(6)

式中：Z1為凹槽前的聲波阻抗；Z2為凹槽處的聲波阻抗.

根據(jù)以上公式可以得到反射系數(shù)、 透射系數(shù)與敏感元件直徑的關(guān)系，即

(7)

(8)

由式(7)可以推出反射系數(shù)與波導(dǎo)材料直徑的關(guān)系，即

(9)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，取直徑為0.5 mm的銥銠絲作為傳感器敏感元件.

為了使端面和截面處的兩個(gè)反射波在接收端不發(fā)生混疊，需要設(shè)計(jì)合適的反射間距，即凹槽到端面的距離.由圖 1 可知，凹槽與端面的距離L和超聲脈沖激勵(lì)時(shí)間t1應(yīng)該滿足以下關(guān)系

(10)

為了獲取良好的反射信號(hào)，在距離端面28 mm 處人工刻制一個(gè)凹槽.傳感器各項(xiàng)參數(shù)如表 1 所示.

表 1 傳感器參數(shù)

3 傳感器校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

傳感器制作完成后，首先要在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn).校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖 2 所示，包括超聲導(dǎo)波測(cè)溫儀、 超聲換能器、 銥銠合金超聲測(cè)溫傳感器和一臺(tái)可加熱到1 600 ℃的高溫爐.按圖中順序?qū)?shí)驗(yàn)裝置連接，其中傳感器帶有凹槽的一端伸入高溫爐的中心區(qū)域.溫度每升高 100 ℃，超聲導(dǎo)波測(cè)溫儀采集一次數(shù)據(jù).超聲換能器的頻率對(duì)于信號(hào)采集有重要影響，在符合頻散的范圍內(nèi)，超聲換能器頻率越小，采集的信號(hào)越不易衰減，精度高，容易分辨.但根據(jù)信號(hào)與系統(tǒng)的原理，頻率降低，信號(hào)波形的包絡(luò)會(huì)變寬，甚至出現(xiàn)信號(hào)混疊現(xiàn)象，這對(duì)于后期數(shù)據(jù)處理造成麻煩.綜合考慮，選擇頻率為1 MHz的超聲換能器.

圖 2 校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.2 Calibration experiment system

圖 3 為第一次校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中4個(gè)不同溫度點(diǎn)的波形，溫度分別為400，800，1 200和1 600 ℃.從圖中可以明顯看出，400 ℃時(shí)兩個(gè)反射波之間的傳輸時(shí)差為11.51 μs，隨著溫度的升高，截面波和端面波的傳輸時(shí)差逐漸增大.當(dāng)溫度上升到1 600 ℃時(shí)，時(shí)差增大到14.03 μs.

圖 3 不同溫度下的波形圖Fig.3 Waveforms at different temperatures

為了獲得準(zhǔn)確的聲速與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)驗(yàn)選用的是100 MHz的采集卡，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行5次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 4 所示.提供高溫環(huán)境的爐腔內(nèi)溫度梯度分布不大于10 ℃，傳感器凹槽所在的位置溫度梯度分布不大于2 ℃.因此，可忽略環(huán)境噪聲對(duì)時(shí)差的影響.從圖 4 中可以看出，隨著溫度的升高，聲速明顯減小，且溫度越高，減小速度越快.5次實(shí)驗(yàn)獲得的聲速與溫度的關(guān)系具有良好的穩(wěn)定性與重復(fù)性，為傳感器的實(shí)際應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ).

圖 4 溫度-時(shí)差曲線圖Fig.4 Temperature-delay time curve

4 實(shí)際應(yīng)用及測(cè)試結(jié)果

4.1 測(cè)試過(guò)程

沈陽(yáng)航空航天大學(xué)已成功搭建某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室部分的測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，系統(tǒng)可以穩(wěn)定在 1 200 ℃ 溫度下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，燃燒室進(jìn)口最大空氣量可達(dá)0.4 kg/s，基本能真實(shí)模擬燃燒室出口的測(cè)試環(huán)境，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由燃燒室、 加速?lài)姽堋?測(cè)試段等部分構(gòu)成[14]，本實(shí)驗(yàn)在測(cè)試段完成.

模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃?xì)夤艿罍囟葴y(cè)量接口如圖 5 所示，測(cè)溫系統(tǒng)如圖 6 所示.超聲測(cè)溫系統(tǒng)由超聲導(dǎo)波測(cè)溫儀、 銥銠合金傳感器、 金屬保護(hù)鞘構(gòu)成.為了獲得準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)，需要傳感器與燃?xì)鉁囟葓?chǎng)充分接觸，且要避免高溫高速燃?xì)鈱?duì)傳感器的損傷.因此設(shè)計(jì)如圖 7 所示的金屬保護(hù)鞘.開(kāi)始實(shí)驗(yàn)前，先將封裝好的傳感器和熱電偶固定在燃?xì)夤艿澜涌谔?，銥銠超聲溫度傳感器和熱電偶的安裝位置如圖 8 所示.將超聲導(dǎo)波測(cè)溫儀設(shè)置成連續(xù)采集模式，采集時(shí)間為30 min.實(shí)驗(yàn)臺(tái)做好點(diǎn)火準(zhǔn)備工作后，超聲導(dǎo)波測(cè)溫儀對(duì)管道內(nèi)燃?xì)鉁囟冗M(jìn)行采集并存儲(chǔ).

圖 5 溫度測(cè)量接口示意圖Fig.5 Temperature measurement interface

圖 6 測(cè)溫系統(tǒng)示意圖Fig.6 Temperature measurement system

圖 7 傳感器實(shí)物圖Fig.7 Photograph of sensor

圖 8 傳感器安裝位置Fig.8 Sensor installation location

4.2 測(cè)試結(jié)果

銥銠合金超聲測(cè)溫傳感器和雙鉑銠熱電偶測(cè)得的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室出口溫度如圖 9 和圖 10 所示.兩種測(cè)溫方式所測(cè)得的溫度-時(shí)間曲線趨勢(shì)基本吻合.實(shí)驗(yàn)采集時(shí)長(zhǎng)為1 800 s，實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)始點(diǎn)火后，溫度迅速上升至1 200 ℃ 左右并保持穩(wěn)定.從銥銠合金超聲測(cè)溫傳感器測(cè)得的溫度-時(shí)間曲線可以看出，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有兩次升溫，第一次溫度最高上升至1 375 ℃，第二次溫度最高上升至 1 490 ℃.表 2 為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中兩種測(cè)溫方式在 1 200 ℃ 穩(wěn)定階段和兩次溫度升至最高點(diǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)比.由于燃燒場(chǎng)溫度本身具有不均勻性，且銥銠合金超聲測(cè)溫傳感器和熱電偶安裝的位置不能完全重合，各時(shí)間點(diǎn)測(cè)得的溫度有不大于50 ℃的差異，銥銠合金超聲測(cè)溫傳感器的準(zhǔn)確度高達(dá)97%.

圖 9 銥銠合金超聲測(cè)溫傳感器實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Experimental results of the iridium ultrasonic temperature sensor

圖 10 熱電偶實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experimental results of platinum rhodium thermocouple

時(shí)間/s200431993超聲測(cè)溫傳感器/℃1 2441 3751 490雙鉑銠熱電偶/℃1 2101 3631 527

5 結(jié) 論

為解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度的測(cè)量問(wèn)題，依據(jù)超聲測(cè)溫原理，選取銥銠合金作為波導(dǎo)材料，制作了超聲測(cè)溫傳感器.在 1 600 ℃ 高溫爐內(nèi)對(duì)傳感器進(jìn)行多次重復(fù)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，獲得不同溫度下的聲速.設(shè)計(jì)了應(yīng)用于模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的封裝結(jié)構(gòu)，將銥銠合金超聲測(cè)溫傳感器應(yīng)用在燃燒室溫度測(cè)量中，測(cè)得溫度-時(shí)間曲線.將銥銠合金超聲測(cè)溫傳感器測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)與雙鉑銠熱電偶測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析.測(cè)試結(jié)果表明，銥銠合金超聲測(cè)溫傳感器可以對(duì)高溫高速環(huán)境下燃燒室出口溫度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，且測(cè)量準(zhǔn)確度高達(dá)97%.解決了熱電偶不能長(zhǎng)時(shí)間高溫連續(xù)測(cè)量和輻射式測(cè)溫受環(huán)境因素影響較大的問(wèn)題，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度的測(cè)量提供了一種新手段.