無(wú)冷卻高溫熱電偶設計及應用

摘要:為了滿(mǎn)足某型核心機高溫測量需求，基于多種耐高溫材料研制了1種無(wú)冷卻高溫熱電偶。在國內首次將承力殼體和滯止室采用一體化設計,完成高溫熱電偶的結構強度計算。通過(guò)對熱電偶速度、輻射和導熱誤差分析,使熱電偶測量精度滿(mǎn)足設計要求。將無(wú)冷卻高溫熱電偶應用于某型核心機試驗中,結果表明:該熱電偶在高溫燃氣中結構可靠,測量數據能夠真實(shí)反映高溫燃氣溫度的變化規律。
0引言
      航空發(fā)動(dòng)機和燃氣輪機的研制離不開(kāi)地面試驗。在發(fā)動(dòng)機試驗中,往往要求測量主燃燒室出口、加力燃燒室等高溫測試截面的燃氣溫度。高溫部件可靠的測量數據是進(jìn)行發(fā)動(dòng)機部件設計、改進(jìn)和選材的重要依據。因此,為保證發(fā)動(dòng)機高溫部件溫度測量的精度，高溫熱電偶的研制和測試精度控制一直是發(fā)動(dòng)機高溫燃氣測試技術(shù)研究領(lǐng)域的重要方向-3。目前，國內外對發(fā)動(dòng)機高溫燃氣流的測量主要采用接觸式測量法,即測點(diǎn)直接置于高溫燃氣氣流中,將感受到的溫度以電壓或能量信號傳輸到數據采集系統的輸人端,該方法簡(jiǎn)單、可靠、受環(huán)境影響較小、精度較高。
常規高溫熱電偶需要通過(guò)氣冷或水冷的方式對測試受感部殼體進(jìn)行冷卻,才能保證熱電偶的正常工作。但是在發(fā)動(dòng)機試驗中冷卻介質(zhì)的流量無(wú)法正確控制，致使熱電偶殼體冷卻效果不佳，熱電偶使用壽命十分有限。高溫冷卻式熱電偶由于殼體冷卻介質(zhì)直接冷卻導致燃氣溫度與熱電偶殼體之間存在明顯的溫度差,給熱電偶測量結果帶來(lái)較大的傳熱誤差6-81。另外，由于熱電偶結構較復雜，要冷卻其承力殼體對試驗臺架冷卻設備要求較高?；谔沾沙辛υO計了1種用于校準的無(wú)冷卻單點(diǎn)高溫熱電偶,但是.這種結構僅限用于試驗室校準使用,無(wú)法真正用于航空發(fā)動(dòng)機工程試驗。
某型核心機加溫加壓試驗噴管進(jìn)口燃氣溫度高達1400℃左右，針對該型發(fā)動(dòng)機試驗測試需求,本文采用高強度和耐高溫的承力材料研制了1種無(wú)冷卻高溫熱電偶,消除常規冷卻式熱電偶中冷卻介質(zhì)對溫度測量結果的影響，并將其成功應用于發(fā)動(dòng)機臺架試驗，,獲得了良好的工程使用效果。
1無(wú)冷卻高溫熱電偶方案設計
1.1無(wú)冷卻高溫熱電偶技術(shù)方案
      鉭鎢合金是目前惟--能夠在1400℃以上具有較高強度的功能性材料，但其在高溫環(huán)境下極易氧化,為保證其高溫力學(xué)性能,在零件表面涂覆抗氧化涂層。本文設計熱電偶主承力件殼體采用鉭鎢合金,偶絲為S型,經(jīng)過(guò)標定滿(mǎn)足I級精度。殼體內部支撐采用自行研制的高溫氧化鋁增韌陶瓷。無(wú)冷卻熱電偶整體技術(shù)方案如圖1所示。

1.2承力殼體結構設計及試驗
      由于高溫熱電偶承力殼體采用的鉭鎢合金受高溫極易氧化,零件在機械加工完成后在所有表面涂覆抗氧化涂層,因此殼體表面無(wú)法焊接,高溫熱電偶所.必需的測點(diǎn)滯止室與承力殼體采用一體化加工成型,滯止室在殼體上沿發(fā)動(dòng)機徑向布置,相互獨立，高溫熱電偶承力殼體結構如圖2所示。為了防止熱沖擊導致殼體表面的抗氧化涂層開(kāi)裂，消除零件尖邊應力，在結構轉接處均進(jìn)行倒圓處理。

       由于鉭鎢合金首次應用于航空發(fā)動(dòng)機高溫燃氣測試，為保證熱電偶承力殼體以及抗氧化涂層高溫熱力學(xué)性能滿(mǎn)足熱電偶設計要求,對殼體材料進(jìn)行以下性能試驗。
(1)基體材料高溫強度試驗。為驗證鉭鎢合金的
       耐高溫能力,并獲取在高溫條件下的力學(xué)性能參數，選用2個(gè)?28mmx110mm的棒材為試驗件在抽真空、充氬氣保護環(huán)境下，將試驗件充電加熱至1400℃,完成力學(xué)性能試驗。試驗結果見(jiàn)表1。

(2)抗氧化涂層耐高溫試驗。為驗證抗鉭鎢合金表面抗氧化涂層的高溫耐受能力，選用板材試驗件,將其表面涂覆抗氧化涂層后,加熱至1400℃，并持續保溫30h,試驗后檢查,試驗件表面涂層未見(jiàn)明顯損壞。
(3)抗氧化涂層熱沖擊試驗。為驗證抗氧化涂層高溫熱沖擊耐受能力，選用70mmx10mmx1mm規格的板材為試驗件，將其表面涂覆抗氧化涂層后,進(jìn)行室溫至1400℃循環(huán)加熱,循環(huán)周期74s,循環(huán)次數1500次,試驗后檢查,試驗件表面涂層未見(jiàn)明顯損壞。
1.3內支撐結構設計及試驗
       熱電偶偶絲在殼體內部的定位和固定主要靠?jì)?支撐件實(shí)現。針對其實(shí)現的功能，對熱電偶的內支撐材料強度要求不高,但其必須有足夠的絕緣性和耐高溫性能。本文設計的無(wú)冷卻高溫熱電偶內支撐材料選用自行研制的高溫氧化鋁增韌陶瓷,基于整個(gè)熱電偶的裝配可行性對殼體內支撐進(jìn)行分體結構設計，具體結構如圖3所示。

      內支撐組件由3個(gè)高溫陶瓷件組成，為更好保護殼體表面抗氧化涂層，內支撐與殼體配合間隙較大，所有表面均作打磨拋光處理，裝配時(shí)所有配合間隙均用高溫膠填充。
2無(wú)冷卻高溫熱電偶強度計算
2.1靜強度計算
      根據高溫熱電偶在發(fā)動(dòng)機上的實(shí)際安裝條件,將其等效為1個(gè)懸臂梁結構,沿發(fā)動(dòng)機徑向承受一定的均布氣動(dòng)載荷,熱電偶承力殼體上最大徑應力為

      式中:Mw為熱電偶承力殼體所受的彎矩;W為抗彎截面模量。
      根據文獻[7]所述,測試受感部在發(fā)動(dòng)機流道內受到的氣動(dòng)載荷P為

      式中:Cx為裕度系數，取為1.3;F為支桿迎風(fēng)面積;K為絕熱指數,取為1.33;P"為來(lái)流總壓;ε(λ)為燃氣密度函數

     式中:V為氣流速度;R為氣體常數，取為287.4J/.(kg.K)。
     抗彎截面模量W可根據受感部承力殼體的橫截面幾何形狀和尺寸計算得出,即.

式中:I為慣性矩;ymax為中性軸至最遠點(diǎn)距離。
      根據某核心噴管進(jìn)口最大氣流工況，按照式(2)~(4)得出高溫熱電偶迎風(fēng)面所受的氣動(dòng)載荷和殼體彎矩,根據熱電偶殼體的具體幾何尺寸得到殼體的抗彎截面模量。帶人式(1)得出高溫熱電偶應力最大點(diǎn)處于迎風(fēng)面殼體根部,最大應力值σmax=17.1MPa。根據表1可知，高溫熱電偶殼體具有足夠的靜強度裕度，滿(mǎn)足受感部設計要求。
2.2動(dòng)強度計算
      根據高溫熱電偶在發(fā)動(dòng)機上的具體安裝條件,采用workbench軟件對高溫熱電偶進(jìn)行固有頻率計算,前4階固有頻率計算結果見(jiàn)表2。

 
      由文獻[7]可知,發(fā)動(dòng)機穩態(tài)測試受感部的動(dòng)強度校核應以固有頻率(3階內)與激振頻率差值是否大于25%作為主要判據,即
|Δƒ/ƒ|×100%≥25%
      式中:ƒ為發(fā)動(dòng)機轉子轉速對應頻率;△ƒ為發(fā)動(dòng)機轉子轉速對應頻率與受感部自振頻率之差。
結合某核心機高、低壓轉子主要工況的工作轉速范圍，高溫熱電偶前3階固有頻率的裕度均大于25%,滿(mǎn)足受感部設計要求。
3誤差分析
      在發(fā)動(dòng)機穩態(tài)參數測量中，高溫熱電偶的測量誤差主要由速度誤差、輻射誤差和導熱誤差3部分組成。
3.1速度誤差
      高溫燃氣的速度誤差為.

      式中:k=1.33;由于高溫熱電偶帶有滯止室,根據經(jīng)驗.取熱電偶偶絲熱結點(diǎn)復溫系數r=0.95;Ma為狀態(tài)工況下高溫燃氣馬赫數。將各值帶人式(6)得速度誤差σv=0.15%。
3.2輻射誤差
      高溫燃氣溫度測量的輻射誤差估算為

      式中:Kr為輻射修正系數,對于滯止式熱電偶,可取.為(28.6+3.2)×10^-4+;Ti為測量端溫度,可近似為燃.氣流總溫T";P:為高溫燃氣流靜壓,根據燃氣流速度和總壓可得

      將滯止室看作熱電偶溫度測量端，則根據復溫系數的定義，滯止室內壁溫度Tw可近似為

      這里將滯止室看作裸漏測量端，總溫恢復系數r=0.86。將高溫燃氣流最大工況條件代人式(7)得輻射誤差σr=0.014%。
3.3導熱誤差
      根據樞軸的導熱原理,在氣流穩定狀態(tài)忽略高溫輻射換熱，熱電偶的導熱誤差與測量端長(cháng)徑比有關(guān)?？紤]偶絲沿軸線(xiàn)方向的傳熱，熱端為偶絲熱結點(diǎn)位置,冷端為偶絲進(jìn)入殼體部分,偶絲外面穿套有直徑為1mm的絕緣套管，整個(gè)測量組件長(cháng)徑比約為50,一般情況下當偶絲長(cháng)徑比超過(guò)20~50,即認為導熱誤差可以忽略不計。
4無(wú)冷卻高溫熱電偶工程應用
      在某核心機加溫加壓試驗噴管進(jìn)口布置2支無(wú)冷卻高溫熱電偶,探針編號T7-1和T7-2,每支探針沿發(fā)動(dòng)機徑向布置3個(gè)測點(diǎn)，分別標記為1、2、3,累計試驗時(shí)間3.5h。試驗后無(wú)冷卻高溫熱電偶如圖4所示。對2支熱電偶測點(diǎn)通斷性和絕緣性進(jìn)行檢查未發(fā)現異常，熱電偶殼體未出現明顯損壞，在滯止室尖邊處抗氧化涂層輕微脫落,對殼體性能無(wú)影響。

      2支高溫熱電偶在核心機加溫加壓試驗性能錄取試車(chē)的測試結果如圖5、6所示。從圖中可見(jiàn),熱電偶各測點(diǎn)溫度測試結果與同截面的機載熱電偶T7-D測試結果幾乎吻合,與發(fā)動(dòng)機試驗狀態(tài)變化一致性較好，能夠真實(shí)地反映發(fā)動(dòng)機噴管進(jìn)口測試截面高溫燃氣溫度變化。由于本文所設計熱電偶熱結點(diǎn)直接與燃氣接觸,與機載熱電偶結構形式相比，時(shí)間常數較小，因此對溫度變化響應較快?？紤]到測試截面沿發(fā)動(dòng)機徑向存在一定的溫度梯度以及熱電偶3個(gè)測點(diǎn)自身測量誤差，同一支熱電偶上3個(gè)測點(diǎn)溫度在發(fā)動(dòng)機試驗中存在一定的差異。
 

5結論
      通過(guò)本次某核心機噴管進(jìn)口高溫無(wú)冷卻熱電偶設計試驗驗證及工程應用，可得出以下結論:
(1)本文設計的熱電偶承力殼體在1400℃高溫環(huán)境~下具有足夠的強度和抗熱沖擊能力,滿(mǎn)足高溫無(wú).冷卻熱電偶的設計需求;
(2)熱電殼體強度計算表明,本文設計的高溫無(wú)冷卻熱電偶靜強度和動(dòng)強度安全系數較高,滿(mǎn)足發(fā)動(dòng).機受感部設計要求;
(3)由于受當前條件所限,未對熱電偶進(jìn)行高溫標定,按照經(jīng)驗公式對高溫熱電偶測量誤差進(jìn)行綜合評估,滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機試驗需求;
(4)發(fā)動(dòng)機試驗結果顯示,熱電偶測試結果與機載熱電偶測試結果基本吻合,與發(fā)動(dòng)機試驗狀態(tài)變化一致性較好，能夠真實(shí)地反映發(fā)動(dòng)機噴管進(jìn)口測試截面高溫燃氣溫度變化。