一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)防冰傳感器測(cè)溫特性試驗(yàn)研究

張潔珊，朱劍鋆，閔現(xiàn)花，蘇 杰

（中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241）

飛機(jī)結(jié)冰研究始于20世紀(jì)20年代后期，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的三維流動(dòng)和旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰比飛機(jī)結(jié)冰復(fù)雜得多［1?3］。航空發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)冰氣象條件下運(yùn)行時(shí)，其進(jìn)氣區(qū)域易出現(xiàn)結(jié)冰，結(jié)冰會(huì)改變進(jìn)氣零部件的氣動(dòng)外形，冰層脫落可能導(dǎo)致壓氣機(jī)的機(jī)械損傷，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能及飛行安全［4］。隨著冰風(fēng)洞的建立和結(jié)冰軟件的開發(fā)，研究人員也增大了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰防冰問(wèn)題的研究［5?9］。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行有賴于機(jī)載傳感器信號(hào)［10］，如用于監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)各截面溫度參數(shù)的溫度傳感器，其測(cè)試精度對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行非常重要［11］。傳統(tǒng)的傳感器研究主要集中于溫度、壓力及振動(dòng)機(jī)載傳感器的計(jì)量、失效分析、裕度設(shè)計(jì)及優(yōu)化［12?17］。位于進(jìn)氣系統(tǒng)的溫度傳感器，在結(jié)冰氣象環(huán)境中存在結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)，尤其是感溫元件結(jié)冰會(huì)增大感溫元件表面的換熱熱阻，影響感溫元件感受外界環(huán)境溫度的能力。傳感器結(jié)冰將導(dǎo)致傳感器測(cè)溫值與環(huán)境溫度存在差異，引起發(fā)動(dòng)機(jī)的性能變化，甚至引發(fā)飛行事故。因此，存在結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)的傳感器通常需要采用防冰措施，包括結(jié)構(gòu)防冰及熱防冰。傳感器若采用熱氣防冰的結(jié)構(gòu)形式，通常選擇熱氣直通非流量控制的方式進(jìn)行防冰。由于熱氣會(huì)對(duì)傳感器測(cè)試參數(shù)造成擾動(dòng)，因此通常還需要考慮熱氣對(duì)傳感器本身的測(cè)量造成的影響，為此，對(duì)熱氣防冰傳感器在非結(jié)冰條件下的測(cè)量響應(yīng)特性分析也就尤為重要。盡管上述工作也可以通過(guò)數(shù)值仿真手段開展［18?19］，但由于傳感器內(nèi)的熱氣流動(dòng)屬于微小尺度強(qiáng)迫對(duì)流換熱，且與外部氣流存在強(qiáng)摻混影響，流動(dòng)尺度跨越較大，流型復(fù)雜，數(shù)值仿真的精度難以保證，因此，仿真方法通常只能用于趨勢(shì)研究，傳感器防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析仍然需要結(jié)合試驗(yàn)研究開展。

本文對(duì)一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱氣防冰傳感器開展了冰風(fēng)洞試驗(yàn)研究，系統(tǒng)研究了來(lái)流參數(shù)及熱氣參數(shù)變化對(duì)傳感器測(cè)溫結(jié)果的影響，獲得了傳感器測(cè)溫特性隨來(lái)流總溫、熱氣流量、熱氣溫度及水滴參數(shù)變化的結(jié)果，結(jié)果可用于傳感器防冰設(shè)計(jì)及其優(yōu)化。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試驗(yàn)原理

使用冰風(fēng)洞和熱氣系統(tǒng)，模擬熱氣防冰傳感器在航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的運(yùn)行環(huán)境。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)來(lái)流總溫與熱氣防冰傳感器測(cè)量總溫，表明傳感器的測(cè)溫特性。其中，因熱氣對(duì)傳感器測(cè)量值有影響，廣義定義的總溫恢復(fù)系數(shù)可能大于1，因此，定義傳感器測(cè)量偏差度為總溫恢復(fù)系數(shù)與1 的差值，用以表征傳感器的測(cè)溫特性。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在中航工業(yè)武漢航空儀表有限公司的YBF?05 結(jié)冰風(fēng)洞中實(shí)施，該風(fēng)洞為一座臥式回流亞聲速結(jié)冰風(fēng)洞，試驗(yàn)段上游可設(shè)置過(guò)冷水滴噴霧段使試驗(yàn)段達(dá)到所需的云霧條件。冰風(fēng)洞的主要性能參數(shù)如表1 所示。試驗(yàn)段來(lái)流總溫可控制在±2 K 內(nèi)。通過(guò)相位多普勒粒子分析儀標(biāo)定試驗(yàn)段水滴中位體積直徑（Median volume diameter，MVD），使用冰刀法標(biāo)定液態(tài)水含量（Liquid water content，LWC），確保MVD 與目標(biāo)值的不確定度小于10%，LWC 與目標(biāo)值的不確定度小于20%。熱氣系統(tǒng)為試驗(yàn)提供熱氣源，通過(guò)熱式質(zhì)量流量計(jì)及調(diào)節(jié)減壓閥控制供氣總流量；隨后，通過(guò)浮子流量計(jì)及調(diào)節(jié)管路上的高精度針閥，確保供氣流量。電加熱器的加熱功率通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使熱氣溫度控制在±2 K 內(nèi)。試驗(yàn)裝置如圖1 所示。

表1 YBF?05 結(jié)冰風(fēng)洞性能參數(shù)Table 1 YBF?05 ice tunnel performance parameters

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test setup

1.3 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象為一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱氣防冰溫度傳感器，熱氣進(jìn)入傳感器并加熱傳感器前緣后，從氣膜出口排出。在熱氣防冰傳感器實(shí)際工作條件下，傳感器僅測(cè)量段暴露在來(lái)流環(huán)境中，因此，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了矩形保護(hù)罩將傳感器安裝段以及供氣管路進(jìn)行了遮擋，設(shè)計(jì)了前緣導(dǎo)流結(jié)構(gòu)以減緩流動(dòng)渦旋。熱氣防冰傳感器安裝示意如圖2 所示。為了確保熱氣防冰傳感器入口的熱氣溫度，在熱氣引氣管路上布置了1 個(gè)PT100 熱電阻溫度傳感器。試驗(yàn)中所使用的熱氣引氣管路直徑為10 mm，管路外包裹1 層厚度為20 mm 的高溫石英保溫棉，同時(shí)，熱氣防冰傳感器安裝端（置于保護(hù)罩內(nèi)）也采用石英保溫棉進(jìn)行包裹，以減少熱氣傳輸過(guò)程中與周圍環(huán)境的換熱。熱氣防冰傳感器的安裝夾具和熱氣管路安裝示意如圖3 所示。

圖2 熱氣防冰傳感器安裝示意Fig.2 Installation of the anti?icing sensor

圖3 熱氣防冰傳感器夾具及熱氣管路安裝示意Fig.3 Installation of the anti-icing sensor fixture and tube

1.4 試驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)需要測(cè)量的參數(shù)包括試驗(yàn)段來(lái)流總溫、總壓、靜壓，防冰熱氣流量、總溫以及熱氣防冰傳感器測(cè)量溫度等參數(shù)。試驗(yàn)段的主要測(cè)量設(shè)備為：

（1）差壓傳感器，型號(hào)PTX5072?TC?A3?CB?H0?PAt，精度0.04%，測(cè)量0～14 kPa。其中來(lái)流速度通過(guò)試驗(yàn)段總靜壓差換算得到。

（2）防冰總溫傳感器，型號(hào)GZW?4，精度0.1%，量程-40～60 ℃。

熱氣系統(tǒng)測(cè)量設(shè)備：

（1）熱電阻溫度傳感器，型號(hào)PT100，精度為±0.3 ℃，量程-30～300 ℃。

（2）壓力變送器，型號(hào)HB26SA，精度±0.5%，量程0～5 bar。

（3）玻 璃 浮 子 流 量 計(jì)，型 號(hào)LZB?40，精 度±1.5%，量程6～60 m3/h。當(dāng)流量計(jì)中浮子穩(wěn)定在錐管的某一高度時(shí)，讀取氣體體積流量。通過(guò)測(cè)量流入氣體的溫度和壓力，得到氣體密度，進(jìn)而換算氣體的質(zhì)量流量。

熱氣防冰溫度傳感器自帶2 個(gè)測(cè)量通道（通道1 和通道2，對(duì)應(yīng)傳感器測(cè)量溫度為Tm1和Tm2），即2個(gè)感溫元件，用于測(cè)量環(huán)境總溫。

本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為3 個(gè)模塊：風(fēng)洞數(shù)據(jù)采集模塊、氣源數(shù)據(jù)采集模塊以及溫度采集模塊。結(jié)冰風(fēng)洞自帶數(shù)據(jù)采集模塊可以實(shí)時(shí)得到風(fēng)洞內(nèi)壓力和溫度數(shù)據(jù)，采集頻率為1 Hz。氣源數(shù)據(jù)采集模塊主要是熱氣流量的測(cè)量和采集，流量在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中變化較小，流量數(shù)據(jù)通過(guò)目視記錄。試驗(yàn)相關(guān)的溫度數(shù)據(jù)的采集通過(guò)NI 采集儀進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，采集頻率為10 Hz。

1.5 試驗(yàn)工況

由于本熱氣防冰溫度傳感器采用熱氣直通而非流量控制的方式進(jìn)行防冰，在熱氣防冰傳感器實(shí)際工作條件下，除結(jié)冰氣象條件外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)在非結(jié)冰氣象條件中運(yùn)行時(shí)，熱氣仍將通入傳感器中，因此，需要定量研究干空氣和過(guò)冷水的不同來(lái)流參數(shù)及熱氣參數(shù)對(duì)傳感器測(cè)溫結(jié)果的影響。干空氣條件下，變熱氣溫度、變來(lái)流總溫和變熱氣流量的試驗(yàn)工況如表2所示，其中，試驗(yàn)在常壓下進(jìn)行。

表2 干空氣試驗(yàn)工況Table 2 Dry air test conditions

防冰試驗(yàn)工況如表3 所示，其中過(guò)冷水滴中位體積直徑MVD 均為20 μm，噴霧時(shí)間均為600 s。

表3 防冰試驗(yàn)工況Table 3 Anti?icing test conditions

2 結(jié)果與討論

2.1 熱氣溫度對(duì)測(cè)溫特性的影響

在表2 變熱氣溫度工況條件下，熱氣防冰傳感器穩(wěn)定150 s 的溫度響應(yīng)特性曲線如圖4 所示。其中，Th1～Th5對(duì) 應(yīng) 熱 氣 總 溫 分 別 為320、375、400、450 及500 K，T代表溫度結(jié)果，包括傳感器測(cè)量溫度Tm1和Tm2及來(lái)流總溫T0。不同熱氣溫度條件下，傳感器測(cè)量偏差度如圖5 所示。

圖4 傳感器測(cè)溫特性隨熱氣溫度變化曲線Fig.4 Sensor temperature measurement characteristic changing with the heat temperature

圖5 傳感器測(cè)量偏差度隨熱氣溫度變化Fig.5 Sensor measurement deviation changing with the heat temperature

試驗(yàn)結(jié)果表明，熱氣溫度的升高對(duì)熱氣防冰傳感器感溫元件的影響不同，對(duì)比通道1 和通道2 的測(cè)溫值，當(dāng)熱氣溫度為320 K 和350 K 時(shí)，通道2 的測(cè)溫值低于通道1 的測(cè)溫值；當(dāng)熱氣溫度高于375 K 后，通道2 的測(cè)溫值均高于通道1 的測(cè)溫值；同時(shí)，隨著熱氣溫度的升高，通道1 和通道2 的測(cè)溫值差值增大，兩者的平均差值由0.2 K 增大到1.0 K。同時(shí)，由圖5 可以看出，隨著熱氣溫度的升高，傳感器測(cè)量偏差度由0.46%增大到4.48%，說(shuō)明傳感器感溫元件處的溫度變化直接受熱氣溫度變化的影響。當(dāng)熱氣溫度超過(guò)375 K 時(shí)，傳感器測(cè)量偏差度超過(guò)2%。通過(guò)分析可知，雖然傳感器的結(jié)構(gòu)保證熱氣不會(huì)流經(jīng)傳感器測(cè)溫腔，但當(dāng)熱氣溫度較高時(shí)，傳感器測(cè)溫腔壁面會(huì)被熱氣加熱到一定溫度，導(dǎo)致測(cè)溫腔內(nèi)氣體溫度隨之升高，同時(shí)，考慮壁面對(duì)感溫元件的輻射作用，最終影響了傳感器的測(cè)溫結(jié)果。

因傳感器測(cè)量偏差度隨熱氣溫度的增加而增大，且呈現(xiàn)出線性的趨勢(shì)，故使用線性擬合方式，獲得熱氣防冰傳感器測(cè)量偏差度隨熱氣溫度變化趨勢(shì)為

擬合結(jié)果表明，熱氣溫度在320～500 K 范圍內(nèi)，偏差度擬合值與測(cè)量值差值的絕對(duì)值小于0.5%。

需要說(shuō)明的是，因傳感器熱氣參數(shù)受發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的限制，在相同來(lái)流條件（來(lái)流總溫）和熱氣流量的條件下，熱氣溫度僅在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，可避免試驗(yàn)中因熱氣溫度變化較大導(dǎo)致的測(cè)量偏差度過(guò)大。另外，應(yīng)對(duì)傳感器的防冰加熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如設(shè)置隔熱結(jié)構(gòu)避免過(guò)多熱量導(dǎo)入測(cè)溫腔影響測(cè)溫結(jié)果。

2.2 來(lái)流總溫對(duì)測(cè)溫特性的影響

在表2 所示變來(lái)流總溫工況條件下，傳感器穩(wěn)定150 s 的溫度響應(yīng)特性曲線如圖6 所示。其中，T01～T04的 來(lái) 流 總 溫 分 別 對(duì) 應(yīng)250、260、270 及275 K。不同來(lái)流總溫條件下，傳感器測(cè)量偏差度如圖7 所示。

圖7 傳感器測(cè)量偏差度隨來(lái)流總溫變化Fig.7 Sensor measurement deviation changing with the air total temperature

由圖6 可以看出，通道1 和通道2 的測(cè)溫值幾乎重合，通道1 和通道2 測(cè)溫值的平均差值小于0.2 K。同時(shí)，結(jié)合熱氣溫度對(duì)傳感器測(cè)溫特性的影響，在熱氣條件相同時(shí)，來(lái)流總溫越高，熱氣對(duì)傳感器測(cè)量值變化的影響越小。由此可知，來(lái)流總溫的變化對(duì)傳感器的測(cè)量不會(huì)產(chǎn)生較大影響。

圖6 傳感器測(cè)溫特性隨來(lái)流總溫變化曲線Fig.6 Sensor temperature characteristic measurement changing with the air total temperature

因傳感器測(cè)量偏差度隨來(lái)流總溫變化較小，且傳感器測(cè)量偏差度隨來(lái)流總溫的升高呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì)，故使用線性擬合方式，得到傳感器測(cè)量偏差度隨來(lái)流總溫變化趨勢(shì)為

擬合結(jié)果表明，來(lái)流總溫在250～275 K 范圍內(nèi)，偏差度在溫度范圍內(nèi)小于0.04%。

2.3 熱氣流量對(duì)測(cè)溫特性的影響

在表2 變熱氣流量工況條件下，傳感器穩(wěn)定150 s 的溫度響應(yīng)特性曲線如圖8 所示。其中，Mh1～Mh5對(duì) 應(yīng) 熱 氣 流 量 分 別 對(duì) 應(yīng)0、3、5、8 及10 g/s。不同熱氣流量條件下，傳感器測(cè)量偏差度如圖9 所示。

圖8 傳感器測(cè)溫特性隨熱氣流量變化曲線Fig.8 Sensor temperature measurement character?istic changing with the heat flow

圖9 傳感器測(cè)量偏差度隨熱氣流量變化曲線Fig.9 Sensor measurement deviation changing with the heat flow

當(dāng)傳感器未通熱氣時(shí)，即熱氣流量為0 g/s 時(shí)，傳感器測(cè)溫值略小于來(lái)流總溫，此時(shí)，通道1 和通道2 的測(cè)溫值平均差值小于0.1 K。當(dāng)傳感器通入熱氣后，傳感器測(cè)溫特性發(fā)生了變化，此時(shí)，傳感器測(cè)溫值均高于來(lái)流總溫，且通道1 測(cè)溫值均大于通道2 測(cè)溫值，但通道1 和通道2 的測(cè)溫值相差較小，約為0.2 K。

由圖9 可以看出，隨著熱氣流量的升高，傳感器測(cè)量偏差度整體呈現(xiàn)小幅上升趨勢(shì)，但并不單調(diào)，傳感器測(cè)量偏差度均不超過(guò)1.3%。以來(lái)流速度50 m/s、來(lái)流總溫260 K、熱氣總溫320 K 以及熱氣流量5 g/s 為基準(zhǔn)，此時(shí)，傳感器測(cè)量偏差度為0.46%。對(duì)比熱氣流量和熱氣溫度對(duì)傳感器測(cè)溫偏差的影響，可以看出，當(dāng)熱氣總溫從320 K 上升到500 K 時(shí)，熱氣總溫增加0.56 倍，傳感器測(cè)量偏差度上升至4.48%；而當(dāng)熱氣流量從5 g/s 上升到8 g/s 時(shí)，熱氣流量增加0.6 倍，傳感器測(cè)量偏差度僅上升至1.26%。由此可以推測(cè)，相較于熱氣溫度的變化，熱氣流量的變化對(duì)換熱效果的影響較小，且受限于傳感器熱氣通道尺寸的影響，傳感器熱氣流量無(wú)法持續(xù)增大，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)增大，傳感器對(duì)應(yīng)來(lái)流總溫和引氣參數(shù)（溫度、壓力）持續(xù)增大后，傳感器流量幾乎不變，轉(zhuǎn)而主要考慮熱氣溫度對(duì)傳感器測(cè)溫特性的影響。

通過(guò)分析可知，傳感器測(cè)量偏差度隨熱氣流量的增加應(yīng)呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，而試驗(yàn)結(jié)果中，傳感器測(cè)量偏差度隨熱氣流量的增加出現(xiàn)了波動(dòng)上升的趨勢(shì)，線性擬合方式無(wú)法描述其趨勢(shì)變化。為滿足偏差度擬合值與測(cè)量值差值的絕對(duì)值小于0.5%，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，使用冪函數(shù)擬合方式，得到傳感器測(cè)量偏差度隨熱氣流量變化趨勢(shì)為

擬合結(jié)果表明，熱氣流量在10 g/s 內(nèi)，偏差度擬合值與測(cè)量值差值的絕對(duì)值小于0.5%。

傳感器測(cè)溫目標(biāo)是來(lái)流氣體流入測(cè)溫腔到達(dá)傳感器感溫元件過(guò)程中，氣流溫度不受影響，因此，除了設(shè)置隔熱結(jié)構(gòu)避免過(guò)多熱量導(dǎo)入測(cè)溫腔影響測(cè)溫結(jié)果外，還需考慮降低測(cè)溫腔內(nèi)的熱邊界層厚度。另外，來(lái)流氣體在測(cè)溫腔進(jìn)出口流動(dòng)，測(cè)溫腔內(nèi)部必然存在對(duì)流換熱較弱的區(qū)域，此區(qū)域的氣流被測(cè)溫腔壁面加熱，傳感器感溫元件裝載體又被此區(qū)域氣流加熱，此時(shí)，存在部分熱量通過(guò)傳感器感溫元件裝載體傳導(dǎo)至感溫元件處的可能。如若在感溫元件裝載體上設(shè)置隔熱結(jié)構(gòu)，可減少感溫元件裝載體熱量傳導(dǎo)至感溫元件帶來(lái)測(cè)溫偏差。

2.4 防冰對(duì)測(cè)溫特性的影響

2.4.1 工況ANTI_1

在表3 工況ANTI_1 條件下，噴霧開始后，熱氣防冰傳感器測(cè)溫腔入口上下緣處逐漸結(jié)冰，凝結(jié)冰為明冰，而傳感器前緣未出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。結(jié)束噴霧（噴霧600 s）時(shí)，傳感器表面的結(jié)冰狀態(tài)如圖10所示。

圖10 傳感器結(jié)冰情況（ANTI_1，噴霧600 s 結(jié)束后）Fig.10 Sensor ice situation (ANTI_1, after 600 s of spraying)

試驗(yàn)過(guò)程中，防冰引氣溫度和來(lái)流總溫基本穩(wěn)定，溫度偏差不超過(guò)1 K。噴霧前后，傳感器測(cè)溫特性隨時(shí)間變化如圖11 所示。在時(shí)間t=0 s 時(shí)開啟噴霧；噴霧前，受到熱氣的影響，傳感器測(cè)溫值已高于冰點(diǎn)溫度，約為276 K；噴霧開始后，受到過(guò)冷水滴的影響，傳感器測(cè)溫值略有降低，但仍高于冰點(diǎn)溫度；噴霧240 s 內(nèi)，傳感器測(cè)溫值相對(duì)穩(wěn)定；噴霧240 s 后，傳感器測(cè)溫值突然升高，并在通道1 測(cè)溫值約286 K、通道2 測(cè)溫值約284 K 的峰值后逐漸降低直至穩(wěn)定。數(shù)據(jù)采集結(jié)束時(shí)，傳感器測(cè)溫穩(wěn)定在284 K 左右。從結(jié)果可以看出，最終傳感器測(cè)溫值比噴霧前上升了約8 K。

圖11 傳感器總溫測(cè)量特性曲線（ANTI_1）Fig.11 Sensor temperature characteristic curves（ANTI_1）

觀察試驗(yàn)過(guò)程，試驗(yàn)起始階段，傳感器測(cè)溫腔入口下沿溫度較高，沒(méi)有發(fā)生結(jié)冰；隨著時(shí)間推移，結(jié)冰從傳感器測(cè)溫腔入口上沿產(chǎn)生；隨著結(jié)冰增長(zhǎng)逐漸延伸到傳感器測(cè)溫腔入口下沿，最終堵塞了傳感器測(cè)溫腔入口。

通過(guò)分析可知，未開啟噴霧時(shí)，受到防冰熱氣的影響，部分熱量傳導(dǎo)至傳感器測(cè)溫腔，導(dǎo)致傳感器測(cè)溫腔內(nèi)溫度上升，傳感器測(cè)溫結(jié)果略大于來(lái)流溫度。噴霧開啟后，由于傳感器測(cè)溫腔入口處防冰效果薄弱，由此處開始結(jié)冰。傳感器測(cè)溫腔入口結(jié)冰量較少時(shí)，結(jié)冰未對(duì)傳感器測(cè)量造成較大影響；但隨著時(shí)間推移，結(jié)冰量增長(zhǎng)，傳感器測(cè)溫腔入口逐漸被結(jié)冰堵塞，導(dǎo)致進(jìn)入測(cè)溫腔的氣流減少，測(cè)溫腔壁面溫度對(duì)測(cè)溫腔的加熱效應(yīng)大于氣流帶走測(cè)溫腔的熱量，測(cè)溫腔溫度逐漸升高，使得傳感器測(cè)溫值跟隨升高。此時(shí)，測(cè)溫腔內(nèi)溫度雖然高于冰點(diǎn)，可融化部分冰，但冰的融化速率仍小于外部結(jié)冰的速率，結(jié)冰量逐漸增長(zhǎng)。當(dāng)冰完全堵塞傳感器測(cè)溫腔入口，氣流無(wú)法有效帶走傳感器測(cè)溫腔內(nèi)的熱量，傳感器測(cè)溫腔溫度持續(xù)上升。當(dāng)傳感器測(cè)溫腔入口處的結(jié)冰融化，氣流通過(guò)空隙進(jìn)入傳感器測(cè)溫腔，測(cè)溫腔內(nèi)溫度略有降低并逐漸穩(wěn)定。

2.4.2 工況ANTI_2

在表3 工況ANTI_2 條件下，噴霧開始后，熱氣防冰傳感器測(cè)溫腔入口上下緣處逐漸結(jié)冰，而傳感器前緣未出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。結(jié)束噴霧（噴霧600 s）時(shí)，傳感器表面的結(jié)冰狀態(tài)如圖12 所示。

圖12 傳感器結(jié)冰情況（工況ANTI_2，噴霧600 s 結(jié)束后）Fig.12 Sensor ice situation (ANTI_2, after 600 s of spraying)

試驗(yàn)過(guò)程中，防冰引氣溫度和來(lái)流總溫基本穩(wěn)定，溫度偏差不超過(guò)1 K。噴霧前后，傳感器測(cè)溫特性隨時(shí)間變化如圖13 所示。在時(shí)間t=0 s 時(shí)開啟噴霧，噴霧前，傳感器測(cè)溫值約為271 K；噴霧開始后，傳感器測(cè)溫值略有降低；在噴霧90 s 后，傳感器測(cè)溫值出現(xiàn)明顯上升；在噴霧450 s 后，傳感器測(cè)溫值基本達(dá)到穩(wěn)定的282 K。從結(jié)果可以看出，最終傳感器測(cè)溫值比噴霧前上升了約11 K。

圖13 傳感器總溫測(cè)量特性曲線（工況ANTI_2）Fig.13 Sensor temperature characteristic curves（ANTI_2）

試驗(yàn)過(guò)程中，防冰引氣溫度和來(lái)流總溫基本穩(wěn)定，溫度偏差不超過(guò)1 K。噴霧開始后，由于來(lái)流中過(guò)冷水滴的影響，傳感器表面溫度有所降低，但是由于防冰引氣的影響，傳感器前緣各測(cè)點(diǎn)溫度仍大于冰點(diǎn)。工況ANTI_2 與ANTI_1 的試驗(yàn)結(jié)果較為一致，另外，由于工況ANTI_2 較ANTI_1 來(lái)流總溫和防冰引氣溫度更低，將使得傳感器表面溫度維持在更低的水平；工況ANTI_2 的液態(tài)水含量也較小，使得工況ANTI_2 傳感器表面結(jié)冰速率比工況ANTI_1 的更慢，傳感器測(cè)溫腔入口被冰堵塞的時(shí)間延遲了約180 s。

2.4.3 工況ANTI_3

在表3 工況ANTI_3 條件下，噴霧開始后，熱氣防冰傳感器測(cè)溫腔入口上下緣處逐漸結(jié)冰，傳感器前緣熱電偶位置出現(xiàn)少量結(jié)冰。噴霧過(guò)程中，傳感器表面的結(jié)冰狀態(tài)如圖14 所示。

圖14 傳感器結(jié)冰情況（ANTI_3）Fig.14 Sensor ice situation (ANTI_3)

試驗(yàn)過(guò)程中，防冰引氣溫度和來(lái)流總溫基本穩(wěn)定，溫度偏差不超過(guò)1 K。噴霧前后，傳感器測(cè)溫特性隨時(shí)間變化如圖15 所示。在時(shí)間t=0 s 時(shí)開啟噴霧；噴霧開始后，傳感器測(cè)溫值略有降低，隨后，傳感器測(cè)溫值出現(xiàn)明顯上升；噴霧約300 s 時(shí)，傳感器測(cè)溫值略微下降，隨后，傳感器測(cè)溫值持續(xù)上升；在噴霧600 s 后，傳感器測(cè)溫值尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。從結(jié)果可以看出，最終傳感器測(cè)溫值比噴霧前上升了約8 K。

圖15 傳感器總溫測(cè)量特性曲線（ANTI_3）Fig.15 Sensor temperature characteristic curves（ANTI_3）

通過(guò)工況ANTI_1 和ANTI_2 結(jié)果推測(cè)，由于工況ANTI_3 液態(tài)水含量較小，其傳感器測(cè)溫腔入口未被冰完全封住，測(cè)溫腔未形成封閉腔，氣流仍可流進(jìn)測(cè)溫腔，并通過(guò)測(cè)溫腔換熱。測(cè)溫腔溫度始終低于冰點(diǎn)溫度，因此，未出現(xiàn)與工況ANTI_1 和ANTI_2 類似的測(cè)點(diǎn)溫度高于冰點(diǎn)溫度的現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

通過(guò)冰風(fēng)洞試驗(yàn)研究了熱氣防冰溫度傳感器的測(cè)溫特性，主要結(jié)論包括：

（1）在非結(jié)冰條件下，傳感器通熱氣與否對(duì)傳感器測(cè)溫特性影響較大，隨著熱氣溫度的升高，傳感器測(cè)量偏差度單調(diào)增大；來(lái)流總溫越高，熱氣加熱測(cè)溫腔壁面帶來(lái)的影響越小，傳感器測(cè)溫偏差度降低；熱氣流量的變化對(duì)傳感器測(cè)溫的影響較小，隨著熱氣流量的升高，傳感器測(cè)溫偏差度小幅上升；通過(guò)試驗(yàn)定量說(shuō)明了上述參數(shù)對(duì)測(cè)溫特性的影響。

（2）傳感器使用環(huán)境受航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的影響，當(dāng)來(lái)流速度約為50 m 時(shí)，來(lái)流總溫小于275 K、熱氣溫度小于500 K 以及熱氣流量小于10 g/s 時(shí)，傳感器測(cè)量偏差度不超過(guò)1.5%。非結(jié)冰條件下，對(duì)傳感器溫度測(cè)量偏差度進(jìn)行了擬合，偏差度擬合值與測(cè)量值差值的絕對(duì)值小于0.5%。

（3）在結(jié)冰試驗(yàn)條件下，傳感器的內(nèi)部防冰設(shè)計(jì)能保證傳感器前緣溫度高于冰點(diǎn)，但在傳感器測(cè)溫腔入口處存在結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)；傳感器測(cè)溫腔入口少量結(jié)冰對(duì)傳感器的測(cè)溫影響較小，但當(dāng)傳感器入口被冰堵塞，傳感器測(cè)量得到的溫度結(jié)果與外界環(huán)境存在較大偏差，因此需要考慮有效地技術(shù)手段，防止傳感器測(cè)溫口因結(jié)冰發(fā)生堵塞。