發(fā)動機燃燒室出口溫度分布測試的新型傳感器

王棒　李亦軍　王高　王凱　曾行昌　李鐵林

摘要：發(fā)動機燃燒室出口的溫度分布對于推進技術的發(fā)展具有重要意義，而現階段發(fā)動機內部溫度已達1800℃以上，主要測溫手段輻射測溫和熱電偶受限于限于精度和材料，對這種高溫氧化環(huán)境無法測試。該文依據超聲測溫原理，設計了一套可以在超高溫氧化環(huán)境下用一根藍寶石光纖測量多點溫度的溫度分布測試系統(tǒng)，并且在20～1800℃范圍內進行標定并多次校準。實驗結果表明該系統(tǒng)測量精確、重復性良好，在1600℃時靈敏度為0.004μs/℃，重復性達98.4%。在加裝滯止罩后將感溫元件封裝于發(fā)動機燃燒室出口處，經過多此實驗，測得了該燃燒室運行時出口處徑向溫度分布。

關鍵詞：超聲測溫;燃燒室;溫度分布;藍寶石光纖

中圖分類號：TH811 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）08-0112-06

收稿日期：2019-02-10;收到修改稿日期：2019-03-25

基金項目：航空科學基金（2017ZD30004）

作者簡介：王棒（1995-），男，山西晉城市人，碩士研究生，專業(yè)方向為超聲測溫技術。

0 引言

近年來，中國航空發(fā)動機發(fā)展迅速，進一步提高發(fā)動機燃燒室出口溫度對提高發(fā)動機推力和效率至關重要。但是對于燃燒室后面的部件，燃燒室的燃氣溫度提高意味著部件在更極端的條件下運行[1-2]。最新一代沖壓發(fā)動機工作溫度達到2500℃，已經超過標準刻度的B型和K型熱電偶的溫度上限[3-4]。光學溫度測量等非接觸式溫度測量方法受材料發(fā)射率的影響，溫度測量結果與實際有很大差異[5]。所以高性能發(fā)動機運行時燃燒室后高溫燃氣流溫度分布的準確測試就成為關鍵。

超聲波溫度測量起步于20世紀60年代，是通過測量在特定溫度下聲波在介質中傳播的速度來獲得介質溫度的方法2010年受美國能源部、核能源、科學技術廳共同資助，美國愛達荷國家實驗室在熔融的氧化鈾浴中，用鎢絲超聲超高溫傳感器測得溫度達到3133K[7]。2012年，愛達荷國家實驗室繼續(xù)研制用于測量核反應堆內溫度的超聲溫度傳感器，用不銹鋼、鉬等作為傳感器材料，不僅對超聲測溫傳感器材料和結構進行詳細的分析與研究，而且對超聲特征信號的數據采集和處理也進行了詳細的分析，推動了超聲測溫傳感器的工業(yè)化應用[8-9]。在中國，超聲波溫度測量研究仍處于起步階段[10]，近年來中北大學與重慶理工大學在超聲測溫領域展開了相關研究，取得了一些成果，如2018年中北大學設計了銥銠合金超聲導波傳感器，并用于固體火箭發(fā)動機推進劑燃燒溫度測試[11]。

本文采用藍寶石（α-A1203）光纖作為傳感器材料，其熱穩(wěn)定比好，強度高，耐氧化，熔點可達2045℃。在藍寶石光纖上刻蝕了多個測溫區(qū)截，使其可以測量多點溫度分布，而不再是單點溫度傳感器。并且設計制作了應用于工況環(huán)境的封裝結構，完成了航空發(fā)動機燃燒室出口的高溫燃氣流溫度分布測試。

1 基于超聲測溫的系統(tǒng)設計

1.1 測溫原理

超聲導波在固體中的傳輸問題可以采用平面聲波線理論模型進行研究，該理論可以對超聲波在波導中的傳播過程及各個波前到達時間進行分析[12-13]。常溫下，超聲波在固體波導桿中傳播，其傳播模型為式中：C₀——超聲速度，m/s;

E——材料的彈性模量，Pa;

ρ——材料的密度，kg/m³;

但是在超高溫環(huán)境下，波導材料受到周圍環(huán)境超高溫熱應力會造成超聲波聲速的變化，超聲波聲速與溫度有關。當不考慮邊界條件時，固體材料可看作各向同性傳輸介質，其聲速可以由材料密度、彈性模量確定。式中：C₀——超聲速度，m/s;

E——材料的彈性模量，Pa;

ρ——材料的密度，kg/m³。

將耐超高溫的藍寶石制作成桿狀波導結構，置人超高溫環(huán)境中，測量出超聲波在波導桿中的聲速即可確定周圍環(huán)境的溫度[14-15]。

1.2 測試系統(tǒng)設計

依據上述原理設計出測溫系統(tǒng)如圖1所示。脈沖發(fā)生器發(fā)射一個電脈沖信號經過超聲換能器轉換為超聲導波信號。超聲換能器是特殊陶瓷材料構成，具備壓電效應，在壓電陶瓷上加載窄帶脈沖電壓使得壓電陶瓷產生機械振動，因此激發(fā)出超聲導波。同時壓電陶瓷也具有逆效應，超聲導波信號也可轉換成電信號。激發(fā)出的超聲導波在傳感器中傳遞，直到在測溫區(qū)截遇到刻蝕的凹槽，因為聲阻抗的不匹配而產生反射信號。同時傳感器端頭由于是不同介質的界面也會產生反射信號。反射信號經過超聲換能器后再度轉化為電信號被數據采集設備記錄。凹槽間的距離和凹槽與端頭間距離是固定的，只需要采集到的反射信號間的時間差便可計算出超聲速度v（T）。

2 傳感器設計與制備

2.1 藍寶石光纖的制備與刻蝕

本文傳感器光纖用激光加熱焊臺生長法（LHPG）生產。生長方法如圖2所示，先用高功率激光器熔化原料棒，后將沿單晶軸向生長的籽晶作為種子放入熔化區(qū)，緩慢推進原料棒，籽晶會被拉伸。為避免氣流、振動及推進速度對光纖直徑均勻性的影響，生長全過程在密閉的惰性氣體中由機械控制進行。生長光纖的直徑是由原材料的直徑以及推進速度共同作用的，原料棒直徑和拉制光纖直徑3：1，原料棒和籽晶的推進速度為2mm/min[15]。

飛秒激光具有超短的脈沖和超高的峰值功率，依據此特征，用飛秒激光為藍寶石刻蝕凹槽。將光纖放置在固定位置，飛秒激光器發(fā)射激光，并且穿過相位掩模的光束聚焦在光纖上以進行曝光，從而在光纖上形成凹槽，如圖3所示。

2.2 傳感器測溫區(qū)截設計

為了避免超聲波傳播中的分散，傳感器直徑應小于超聲導波縱向波長的十分之一。

超聲導波產生反射信號是由于在傳感器凹槽或端頭處聲阻抗不匹配，當應力波通過面積突變的界面，會發(fā)生部分能量反射與能量透射。

如圖4所示，超聲導波沿傳感器軸向方向傳播時，其中細桿的截面積為A₁，在變截面處的面積為A₂。U_i，U_r，U_t分別代表入射波函數、反射波函數、透射波函數。其中阻抗為Z=ρ₀C₀A，可獲得超聲波的反射系數R，與投射系數T為其中Z₁、Z₂是凹槽前和凹槽處的聲波阻抗。

反射系數和透射系數為：式中：d₁——光纖直徑，mm;

d₂——凹槽處直徑，mm。

由反射系數可知波導桿直徑與凹槽處直徑的比值：

反射系數、透射系數與直徑密切相關，在凹槽處直徑越小，則超聲波的反射波能量越高，但又要保證足夠多的能量可以繼續(xù)傳遞。結合實驗結果研究，當反射系數為0.2時可以獲得較為明顯的反射信號?，F傳感器使用直徑1mm藍寶石光纖，則凹槽直徑應為0.8mm。

凹槽間距應符合以下關系：

式中：v（T）——超聲導波在藍寶石光纖中的傳播速度，m/s;

t₁——脈沖收發(fā)儀的激勵時間，s。

△S——凹槽到端面的距離，mm。

當滿足此關系時反射信號不會疊加。結合傳感器直徑與藍寶石超聲速度可得出兩個凹槽之間的最小距離是25mm，同時為便于分辨反射信號，所以在距離端頭28mm處刻蝕一個反射凹槽，此即第1測溫區(qū)截;在距離第1凹槽25mm處刻蝕第2個凹槽，此即第2測溫區(qū)截。傳感器敏感元件的結構參數見表1。

3 測試系統(tǒng)標定實驗

標定實驗如圖5所示，主要設備包括：計算機、脈沖收發(fā)儀、超聲收發(fā)儀、100MHz的數據采集卡、藍寶石光纖傳感器組成的溫度分布測試系統(tǒng)和一臺可加熱到1800℃的高溫爐。為了降低校準誤差，添加了一個經過校準的一級雙鉑銠熱電偶，精度為0.3%。在連接好實驗裝置后，將藍寶石光纖傳感器置于高溫爐內，并把感溫區(qū)截與雙鉑銠熱電偶耦節(jié)放置在同一位置。高溫爐溫度升高100℃，采集一次數據。如上述步驟重復3次實驗。

圖6為常溫下采集到的超聲導波信號，可以清晰地分辨出端頭與兩個凹槽處的超聲導波信號。選取第一區(qū)截信號標定傳感器。圖7為取了5個溫度點（由下向上依次為25，400，900，1400，1800℃）采集到的第一區(qū)截超聲導波傳輸時差。在常溫（25℃）時，端波與槽波信號的傳輸時差為5.38μs。當溫度上升到1800℃時，端波與槽波信號的傳輸時差為增加至5.81μs。

將3次實驗結果繪制成曲線，如圖8所示，傳感器重復性良好，溫度與傳輸時差具有很好的線性。通過區(qū)截長度和時差計算出藍寶石光纖上的超聲聲速后可以擬合出該傳感器的溫度—聲速曲線，如圖9所示。

傳感器的靈敏度——靈敏度是指儀器最小測量能力。所測的最小量越小，該儀器的靈敏度就越高。用數學模型定義就是在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化△y對輸入量變化△x的比值。由于超聲測溫數學模型是一個二次函數，對該模型各點求導即可獲得傳感器的靈敏度，如圖8所示，從圖可知傳感器靈敏度隨溫度升高而升高，在1000℃時，靈敏度的變化幅度逐漸劇烈，由公式可得靈敏度達到0.004μs/℃，靈敏度的計算公式為

傳感器重復性——在相同的工作條件下，對同一個輸入值在短時間內多次連續(xù)測量輸出所獲得的極限值之間的代數差。傳感器的重復性則取校準點處重復性最大者。重復性的計算公式為其中c為95置信條件下的t分布包含因子，即c=t_0.95，S_max為各個溫度點最大的樣本標準差，Y_FS為傳感器測試量的范圍，進而計算了重復性最好的溫度點1600℃為重復度98.4%，則傳感器的重復性為98.4%。

4 燃燒室出口測試及結果

4.1 測試環(huán)境

為使測試系統(tǒng)精確測試燃燒室出口的高溫沖擊氣流，設計了氧化鋁陶瓷剛玉（氧化鋁陶瓷）管封裝，如圖10示。剛玉管可以在1600℃長期工作，1800℃短期使用，壓縮強度380MPa。將藍寶石光纖封裝于氧化鋁陶瓷管，后端使用鋁合金工件耦合超聲換能器，前端感溫區(qū)截封人滯止罩內。滯止罩在感溫區(qū)截開有3個孔，便于感溫區(qū)截與燃氣氣流充分接觸，如圖11所示。

實驗所用燃燒室是在單管燃燒室基礎上改造的，如圖12所示，該燃燒室出口溫度理論值可達1600℃。實驗前，將藍寶石光纖傳感器通過螺栓裝在發(fā)動機燃燒室后側的氣道接孔內，如圖13再將與藍寶石光纖耦合的超聲換能器接入溫度分布系統(tǒng)設備。同步控制器給出觸發(fā)信號，超聲測溫系統(tǒng)開始工作，同時給燃燒室點火，采集卡對發(fā)動機燃氣溫度進行實時采集，并存儲在計算機中。

4.2 測試結果及分析

在105min的時間里燃燒室一共進行了8次燃燒噴射，忽略降溫時間，將采集數據繪制成的時間一溫度曲線如圖14所示。測溫傳感器受限于氣道空間只刻蝕了兩個區(qū)截，所以采集到了徑向兩個點的溫度值。第1區(qū)截位于氣道中心位置，第2區(qū)截位于氣道上部近壁位置。燃燒室點火瞬間溫度急劇上升，且經過93s中心溫度上升到1532℃，上壁溫度上升到1401℃，中心溫度最高達到1573℃，上壁溫度最高達到1470℃。溫差最大141℃，最小21℃。實驗結果表明燃燒室出口處高溫燃氣氣流并不均勻，溫度分布呈現中心高，邊緣低的近壁低溫現象。

傳統(tǒng)方法熱電偶測溫耙測試結果同樣存在此現象，相鄰的兩個測溫點溫差最大334.13℃，查閱相關文獻發(fā)現主要原因是：壁面外有循環(huán)冷卻形成了低溫區(qū)域;摻混射流被擠壓貼壁流動且混合較差;忽略了壁面散熱效果。

5 結束語

為解決燃燒室出口高溫燃氣流的溫度分布測試問題，本文設計制備了藍寶石光纖溫度分布傳感器，研制了基于超聲測溫原理的溫度分布測試系統(tǒng)，并完成了1800℃以下的標定實驗。根據傳感器主要靜態(tài)特性指標的計算方法，計算了傳感器的重復性，二次曲線擬合情況，靈敏度，分辨率等傳感器靜態(tài)性能。

進一步設計了在工況環(huán)境中的封裝結構，應用在發(fā)動機燃燒室實驗中，測得燃燒室出口峰值溫度及徑向上兩點的溫度一時間曲線。將實驗結果與熱電偶測溫耙方法進行了比較，可以得出基于超聲測溫原理的藍寶石光纖溫度分布傳感器的測試結果符合實際溫度。

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（編輯：徐柳）