航空發(fā)動機高溫測試技術的研究進展

張宇翔 馮銳莉

摘? 要：航空發(fā)動機是一種熱力機械，是飛機中最為核心的部件，與其飛行的動力息息相關。想要讓飛機安全穩(wěn)定的飛行，就要保證發(fā)動機能夠處于正常運行的狀態(tài)。高溫容易引起發(fā)動機故障，因此航空發(fā)動機的高溫測量技術極為重要。本篇文章從航空發(fā)動機入手，對熱電偶測溫、示溫漆測溫、紅外光譜測溫以及警惕測溫的原理和發(fā)展進行了分析，然后對高溫測試技術發(fā)展趨勢進行了闡述。

關鍵詞：航空;發(fā)動機;高溫測試技術

一、航空發(fā)動機高溫測試工作原理

（一）熱電偶測溫

熱電偶測溫屬于非接觸式測溫，它在工業(yè)測溫中有著舉足輕重的地位，熱電偶結構簡單，在測溫方面具有一定的優(yōu)勢，具體如下表一所示。從表一可以看出熱電偶測溫范圍廣、誤差小、響應較為迅速。同時，熱電偶的成本不高，可以有效的實現(xiàn)對復雜部件的測溫。但是航空發(fā)動機的溫度超出了傳統(tǒng)熱電偶的測溫范圍。近幾年來，有關學者對熱電偶進行改進優(yōu)化，催生了薄膜熱電偶，其有著顯著的優(yōu)勢，可以用于航空發(fā)動機溫度的測量。薄膜熱電偶利用真空蒸餾以及化學涂層等技術，在相應金屬的表面鍍上了一層金屬薄膜，這樣熱電偶就具有了一層絕緣材料。通過對熱電動勢的測量來完成測溫是薄膜熱電偶的工作原理，下圖一為熱電偶的工作原理，圖一的A、B兩端為不同導體構成的回路，兩個接觸點的溫度存在差異時，就會在閉合回路中產(chǎn)生電動勢，對電動勢的差進行測量，就可以間接得到溫度。薄膜熱電偶安裝非常簡單，其體積較小，能夠輕松地安裝在測量對象的表面。但是這種熱電偶引線上存在一定的問題，難以進行大面積安裝，其不可以用來測量渦輪葉片，因為葉片處于旋轉狀態(tài)。

（二）示溫漆測溫

示溫漆測溫方式較為特殊，通過在被測對象表面涂具有一定的功能的涂料來完成測溫，屬于非侵入式的測溫方式。示溫漆具有一定的特性，對于不同的溫度，能夠顯示出不同的顏色，通過不同的顏色可以確定被測對象的溫度。示溫漆測溫方式無需用引線連接，其測溫原理與變色原理有關。而變色原理有三種形式。一是化學變化，二是物理變化，三是化學和物理變化并存。示溫漆本身具有一定的物理化學特性。利用示溫漆進行測溫時，會受到溫度恒定的時間、溫度升高的速度以及被測環(huán)境的影響。示溫漆是一種感溫顏料，隨著溫度的升高，該顏料會發(fā)生升華、轉變以及固相反應等，進而導致顏色改變，間接分析出被測對象的溫度。示溫漆測溫有兩個明顯的優(yōu)勢。一是不會破壞被測對象的結構。僅僅需要將顏料涂在被測對象表面即可，操作較為簡單。二是可以在惡劣條件下測試溫度，渦輪葉片表面具有容易附著的性質，所以示溫漆可以用于測量航空飛機的渦輪葉片。除此之外，示溫漆具有不可逆性，也就是說只能測量高溫，且在被測對象恢復到低溫狀態(tài)時，所顯示的顏色不會發(fā)生改變，所以，可以根據(jù)不同的顏色來判斷不同部件的溫度。但是，示溫漆也具有一定的缺點，其具有一次性的性質，無法實時顯示溫度，同時也不能進行二次使用。另外，示溫漆的測溫精度也不高。

（三）紅外光譜測溫

對于具有一定溫度的物體而言，都能夠朝周圍的環(huán)境發(fā)射紅外熱輻射。波爾茲曼定律表示：在一定的時間內，被測對象發(fā)出的熱輻射和被測對象溫度的四次方與發(fā)射率的乘積是正比例關系。如果知道被測對象的發(fā)射率，然后在相應的時間內測出被測對象的熱輻射，就可以結合熱輻射和發(fā)射率計算出被測對象的溫度。紅外光譜測溫原理是通過光學系統(tǒng)收集被測對象外表面紅外輻射信號，將這些信號集中到熱像儀內部，然后利用光電轉化器將紅外信號轉化成電線號，然后求出被測對象和已知物體的輻射強度差值，經(jīng)過計算分析，可以得到被測對象的溫度。與紅外測溫儀相比，熱像儀增加了兩個系統(tǒng)，一是掃描系統(tǒng)，二是成像系統(tǒng)。具體的測量方式為掃描系統(tǒng)對被測對象進行掃描，然后探測器對信號進行接收，經(jīng)過轉化放大后，能夠得到被測對象的溫度。成像系統(tǒng)的作用是顯示溫度分布的圖像。與熱電偶相同，其也屬于非接觸式測溫，不會影響到被測對象的溫度場，同時具有實時監(jiān)控的功能。紅外管普測溫具有范圍大、靈敏度強等優(yōu)點，可以在惡劣的條件下測溫，比如測量正在運轉的對象的溫度。該種測溫方式和被測對象的發(fā)射率息息相關，因而會受到發(fā)射率的影響，所以測量的精度難以保證。同時測溫探頭需要在發(fā)動機上進行安裝較為困難，所以在航空發(fā)動機測溫上有所限制。

（四）晶體測溫

高溫環(huán)境能夠修復晶體缺陷，這就是晶體測溫的原理。時間以及溫度會幫助晶體缺陷進行復原。晶體本身是沒有缺陷的，在一定的輻射之下，晶體的內部結構就會發(fā)生形變，從而形成一定的缺陷。然后在高溫的作用下，晶體的缺陷會慢慢恢復。在這個恢復的過程中，被測對象的溫度和缺陷的濃度會形成線性關系，進而得到被測對象的溫度。在進行測溫時，需要將測量晶體安裝在被測對象的表面。當晶體的溫度達到被測對象的溫度之后，晶體的缺項開始逐漸復原，然后通過X射線測量晶體復原程度形成相關曲線，然后和預定曲線對比，就能得出被測對象的溫度。晶體測溫范圍較廣，最高可以測到1450攝氏度，并且精度極高，同時其小巧的外形可以用于飛機發(fā)動機表面以及內部溫度的測量。與傳統(tǒng)的熱電偶測溫相比，其可以有效的測量被測對象的外表溫度。與紅外光譜測溫相比，其可以輕松地測量相關對象被遮住的部分的溫度。當然，晶體測溫也具有一定的缺點，就是其僅能測試被測對象的最高溫度，無法實時顯示溫度。

二、航空發(fā)動機高溫測試技術應用現(xiàn)狀

（一）熱電偶測溫技術

隨著對熱電偶測溫的深入研究，薄膜熱電偶在一定的程度上得到了發(fā)展。美國的相關研究人員通過一定的技術將薄膜熱電偶鑲嵌到渦輪葉片上，讓發(fā)動機進行工作，在航空發(fā)動機正常運轉的情況下完成測溫工作，溫度測量較為準確，說明該實驗取得了成功。在1990年左右，美國又有學者通過薄膜熱電偶對航天發(fā)動機進行溫度測試，也達到了理想的效果。目前，我國也已經(jīng)開始了對薄膜熱電偶對航空發(fā)動機的測溫研究，實驗顯示，薄膜熱電偶能夠進行一千攝氏度的溫度測量，同時也開始了對航空發(fā)動機葉片的鍍膜研究[1]。1C0C11B8-032D-47ED-8878-3ADC1056112F

（二）示溫漆測溫技術

對于示溫漆測溫技術而言，歐洲在這一方面有著不錯的發(fā)展。其對示溫漆的研究在世界上都處于領先地位[2]。日本對于示溫漆也有一定的研究，他們的研究方向是想要改變示溫漆的可逆性，讓其在低溫時也會發(fā)生變化。無論是國內的研究，還是國外的研究，都沒有突破示溫漆的限制，即溫度恒定的時間以及溫度上升的速度。對于國內而言，示溫漆技術是根據(jù)顏色的變化來獲得溫度，這種方式具有一定的誤差。國內的示溫漆最多有六個變色點，同時其在工藝上不具有明確的規(guī)范，干燥的方式是自然風干。對于國外的示溫漆而言，具有一定的優(yōu)勢，其通過等溫線的方式獲取溫度，變色點最多可以達到十個，與國內相比，誤差相對較小。國外示溫漆在工藝是上具有明確的規(guī)范，其干燥方式為加溫箱升溫干燥。

（三）晶體測溫技術

晶體測溫技術優(yōu)勢較多，所以很多國家對對其進行深入的研究。比如，在西門子的SGT-800發(fā)動機的每個葉片上都固定了幾十個晶體，從而得到了發(fā)動機的溫度分布圖，并且測量的結果較為準確[3]。結合所測得的溫度，相關的設計人員改進了發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)，讓其在測溫上更為精準，讓不同部位的相鄰溫度的梯度有所降低，同時讓冷卻氣體減少了四分之一。國內對于晶體測溫技術的研究還不夠成熟。研究晶體測溫技術的單位很少。僅有個別單位在國家政策的支持下對碳化硅晶體進行了研究。完成了1400攝氏度的溫度測量。

（四）紅外光譜測溫技術

對于紅外光譜測溫技術而言，可以說其在非接觸式測溫中具有最大的潛力。很多國家都在積極的對紅外光譜測溫技術進行研究，希望能夠有所突破。早期的時候，美國就率先對光譜測溫技術展開了分析和研究。目前，一些歐美國家的科研人員真正不斷的利用紅外光譜測溫技術進行發(fā)動機的溫度測試實驗。截止到目前，對于燃燒流場的速度以及濃度等對進行了深度的分析，并且進行了相關的測試實驗。美國的科研學校與發(fā)動機研究實驗室進行了多年的合作，對紅外光譜測溫技術進行分析，對其應用的前景進行了科學的分析。在紅外光譜測溫技術的研究上，法國和德國也在不斷的進行航空發(fā)動機高溫測試實驗，利用紅外光譜測溫技術對渦輪葉片的溫度展開了科學的測試，得到了相應的溫度分布圖像，圖像的溫度最高可以達到兩千攝氏度[4]。

三、航空發(fā)動機高溫測試技術發(fā)展趨勢研究

通過查閱大量的文獻以及對相關科研人員的咨詢，對國內外的高溫測試技術有了一定的分析。隨著科學技術的不斷發(fā)展，無論是發(fā)動機的制造技術，還是工藝設計都在很大程度上有所提高。在這樣的背景下，發(fā)動機對高溫測試技術也有了越來越高的要求。一是實時在線監(jiān)測，二是對流場不具有破環(huán)性質，三是原位測量。這些都是目前航空高溫測試技術需要研究的重點。對于非接觸式測溫技術而言，光譜測溫具有一定的優(yōu)勢，其溫度范圍大，同時分辨率也能達到相關的要求。因此，我認為紅外港普測溫技術在未來會成為重點研究的對象。對于接觸式測溫技術而言，其需要固定安裝，在安裝的過程中可能會對溫度場造成破壞，同時也不利于對高速運轉的對象的溫度測量，使用中有所限制，并且這種測溫方式還存在一定的誤差。所以接觸式測溫未來的發(fā)展不會超過非接觸式測溫。非接觸式測溫無需在被測對象上固定，基本上不會對溫度場產(chǎn)生相關的干擾，有助于對航空發(fā)動機的測量。在將來，該種測溫方式會在我國的各個領域中應用。

將來，相關的研究人員應該加大對測溫范圍、精度以及分辨率等的研究力度，在原有的技術基礎上，對測溫技術進行改良優(yōu)化。同時，航空發(fā)動機正在不斷的優(yōu)化，那么相應的測溫技術必須跟上發(fā)動機的發(fā)展，擴大測溫范圍勢在必行。

結束語：

綜上所述，對于航空發(fā)動機而言，其燃氣溫度的升高，有助于發(fā)動機性能的提升，比如可以顯著的增加推力等等。但是，在燃氣升高的情況下，可能損傷發(fā)動機的內部元件。所以，研究人員應該加大對高溫測試技術的研究。

參考文獻：

[1]林啟敬，伍子榮，趙娜，田邊，蔣莊德. 用于航空發(fā)動機的光纖F-P溫度傳感器及其信號解調系統(tǒng)研究[J]. 機械工程學報，2019，55（18）：1-7.

[2]張再德，文華. 渦軸發(fā)動機燃氣渦輪葉片動應力測試技術研究及驗證[J]. 燃氣渦輪試驗與研究，2019，32（03）：8-12.1C0C11B8-032D-47ED-8878-3ADC1056112F