超燃沖壓發(fā)動(dòng)機試驗中熱電偶焊接對溫度影響

摘要:針對超燃沖壓發(fā)動(dòng)機地面試驗中主動(dòng)冷卻燃燒室璧面溫度測量問(wèn)題，對熱電偶在被測壁面上不同焊接方式給測量帶來(lái)的影響開(kāi)展了試驗研究，結果表明壁面厚度和熱電偶焊點(diǎn)距離對溫度測量的動(dòng)態(tài)響應有明顯影響;對于非均勻溫度測量熱電偶絲應盡量焊在壁面局部溫度相對均勻處，并且焊點(diǎn)距離不宜過(guò)大，以保證兩個(gè)端點(diǎn)受熱一致。
0引言
　　在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機主動(dòng)冷卻熱防護結構研究中，溫度的測量顯得格外重要，提供正確快速的溫度分布是試驗研究的重要手段。由于發(fā)動(dòng)機燃燒室內外壁溫度變化快，跨度大,試驗過(guò)程振動(dòng)劇烈，使得具有結構簡(jiǎn)單、制作方便、測量范圍寬、精度高、熱慣性小等優(yōu)良特性的熱電偶成為首選測量工具。
　　當傳統熱電偶測溫技術(shù)應用于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機試驗燃燒室壁面的溫度測量時(shí)，遇到了若干技術(shù)難題。由于采用燃料主動(dòng)冷卻的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機燃燒室燃氣溫度較高，熱流大，而冷卻燃料流量又小，為了確?？煽坷鋮s，燃燒室冷卻壁面結構十分復雜，各點(diǎn)溫度分布和冷卻性能也差別很大。因此，詳細掌握燃燒室壁面上各個(gè)位置的溫度分布和冷卻情況對于優(yōu)化燃燒室冷卻結構設計、確保發(fā)動(dòng)機工作的可靠性意義重大，需要在發(fā)動(dòng)機試驗中對燃燒室壁面上各點(diǎn)處局部溫度進(jìn)行測量。然而，燃燒室通常都采用薄壁細長(cháng)多通道的復雜冷卻結構，熱電偶安裝十分困難。為此常需要將熱電偶兩根絲分別焊在測溫表面不同位置上，由此會(huì )給測量結果帶來(lái)什么影響，是發(fā)動(dòng)機試驗中溫度測量技術(shù)值得深入研究的問(wèn)題。
　　通過(guò)模擬實(shí)驗的方法詳細研究了在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機燃燒室壁面溫度測量中，不同的熱電偶焊接方式對溫度測量結果的影響，提出了在相應條件下熱電偶測溫應該遵循的基本原則。
1實(shí)驗系統和方法
　　為了真實(shí)模擬超燃沖壓發(fā)動(dòng)機試驗中熱電偶安裝的真實(shí)情況，熱電偶的兩根絲被分別點(diǎn)焊在與發(fā)動(dòng)機同樣質(zhì)地的小塊不銹鋼板上;為了反映不同焊點(diǎn)距離對溫度測量的影響，焊點(diǎn)之間的距離L分別取在0~20mm之間，如圖1所示。
 
　　圖1中A,B,C分別代表熱電偶;+，-代表其熱電偶的正負兩根絲。
　　實(shí)驗采用了石英鍍金標定爐作為測溫環(huán)境，標定爐尺寸為φ35mmx500mm，溫度范圍為500~1000℃。實(shí)驗時(shí)將焊接了熱電偶的金屬板放人標定爐恒溫段，焊接用熱電偶絲均為NiCr-NiSi材料;同時(shí)用標準鉑-鉑銠熱電偶測量同一表面的溫度作為比較。熱電偶輸出信號經(jīng)放大后由計算機采集系統采集。為了分析不同安裝焊接條件下熱電偶的動(dòng)態(tài)響應特性和測溫精度，將熱電偶放在一送進(jìn)機構上，快速送人到測量位置，以確保每次熱電偶所經(jīng)歷的初始加熱過(guò)程基本相同。為了反映真實(shí)試驗溫度條件，將爐溫選擇在900℃。在25mmx30mm不銹鋼板上分別焊接不同間距的熱電偶，如表1所示。同時(shí)對同一材料不同截面積的熱電偶進(jìn)行了比對，分別取直徑為0.4,0.1mm熱電偶絲，觀(guān)察它們的動(dòng)態(tài)響應。
 
　　表1中A-0表示熱電偶A兩絲之間的距離為0。
2實(shí)驗結果與分析.
　　根據熱電偶中間導體定律，在熱電偶回路中接人第三種材料的導體，只要第三種導體的兩端溫度相同，第三種導體的引人不會(huì )影響熱電偶的熱電勢。在實(shí)際測溫過(guò)程中，由于第三種導體的引人，在達到熱平衡前，熱電勢的大小還與第三種導體的導熱率有關(guān)。圖2給出了分別焊接在不銹鋼板厚度為3mm(圖2(a)),5mm(圖2(b))的熱電偶受熱曲線(xiàn),從圖中可以看出焊接在不銹鋼板厚度為5mm的熱電偶響應明顯比3mm厚度的慢，它與標準熱電偶相差最大可超過(guò)50℃，而厚度3mm的不銹鋼板上的熱電偶與標準.熱電偶相差最大為30℃。在不同厚度下熱電偶的響應時(shí)間隨厚度的增加而增大。
 
　　圖3給出了熱電偶絲兩端焊點(diǎn)距離不同時(shí)溫度測量結果?？梢钥闯鲈诰鶆虻臏囟葓?chǎng)中焊點(diǎn)距離不影響熱平衡后測量結果;僅僅影響熱電偶的響應。圖3(a)中熱電偶焊點(diǎn)距離為20mm，溫度最大相差30℃，圖3(b)中熱電偶焊點(diǎn)距離為11mm,溫度最大相差18℃;在同一厚度下熱電偶的響應時(shí)間隨兩焊點(diǎn)間距離的增加而成線(xiàn)性增大。對于發(fā)動(dòng)機試驗時(shí)間短，熱電偶溫度尚未達到熱平衡的情況，可以通過(guò)反演得出被測壁面的溫度。
 
　　圖4(a)給出了熱電偶兩焊點(diǎn)受熱程度不同情況下的對照曲線(xiàn)，用熱電偶焊接示意圖1的小不銹鋼板B的形式，將熱電偶A和熱電偶B+端加熱;從圖中可以看出當熱電偶兩端點(diǎn)受熱不同時(shí)，存在較大的測量誤差。圖4(b)所示圖1的小不銹鋼片B均勻加熱得到的曲線(xiàn)，可以看出此時(shí)誤差較小，所以在實(shí)際焊接時(shí)應盡量保持熱電偶兩端點(diǎn)的溫度變化相同，即兩端點(diǎn)應焊在壁面溫度相對均勻處。
 
　　圖5給出了采用不同粗細熱電偶絲的測溫響應曲線(xiàn)，0.1mm截面直徑的熱電偶動(dòng)態(tài)性能遠好于0.4mm截面直徑的熱電偶，后者的熱響應時(shí)間是前者的數倍。熱響應時(shí)間是指溫度傳感器在其周?chē)鷾囟犬a(chǎn)生階躍變化時(shí)，它的指示溫度相對值變化到環(huán)境溫度階躍量的10%，50%和90%所需的時(shí)間。所以對動(dòng)態(tài)溫度測量，在強度允許條件下盡量選用焊接截面積小的熱電偶，以提高響應時(shí)間，進(jìn)而提高測量精度。
 
3結論
　　針對超燃沖壓發(fā)動(dòng)機地面試驗中再生冷卻燃燒室壁面溫度測量問(wèn)題，對熱電偶在被測壁面上的不同焊接方式給溫度測量帶來(lái)的影響開(kāi)展了研究分析。
結果表明:
1)不同壁面厚度和熱電偶焊點(diǎn)距離對溫度測量有明顯影響，當壁面溫度均勻時(shí)，焊點(diǎn)距離僅影響響應特性，對熱平衡后的測量結果無(wú)影響;
2)當璧面溫度不均勻時(shí)，焊點(diǎn)距離過(guò)大將引起大的測量誤差，因此兩根熱電偶絲應盡量焊在壁面局部溫度均勻處;
3)在強度允許條件下盡量選用焊接截面積小的熱電偶，以提高響應時(shí)間。