熊慶榮，徐毅，李華東

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)峰值時(shí)間對(duì)示溫漆測(cè)溫的影響

熊慶榮，徐毅，李華東

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

采用示溫漆和熱電偶兩種方式，在全溫全壓試驗(yàn)中對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)陣列預(yù)混燃燒室火焰筒壁溫進(jìn)行測(cè)試，獲得火焰筒的壁溫分布，并對(duì)不同峰值時(shí)間下示溫漆判讀結(jié)果與熱電偶測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。研究表明：陣列預(yù)混燃燒室火焰筒壁溫小于所用材料的許用工作溫度；火焰筒試驗(yàn)峰值時(shí)間是影響示溫漆測(cè)溫判讀的主要原因，為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)嚴(yán)格要求試驗(yàn)峰值時(shí)間與示溫漆標(biāo)定的峰值時(shí)間一致。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；示溫漆；峰值時(shí)間；陣列預(yù)混燃燒室；火焰筒；熱電偶；壁溫

1　引言

示溫漆是一種溫度敏感涂料，涂敷在物體表面，當(dāng)物體溫度發(fā)生變化時(shí)其涂層顏色也會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)顏色變化來(lái)指示物體表面溫度及溫度分布。示溫漆的優(yōu)勢(shì)是，在連續(xù)旋轉(zhuǎn)部件、大面積表面、復(fù)雜構(gòu)件表面上使用時(shí)不受任何限制，且不破壞被測(cè)物體表面形狀、不影響氣流狀態(tài)、使用方便、測(cè)量結(jié)果直觀；示溫漆的缺點(diǎn)是不能在線監(jiān)測(cè)，需測(cè)試后判讀。西方發(fā)達(dá)國(guó)家普遍采用示溫漆測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件的表面溫度，并且在測(cè)量前都要對(duì)研制的示溫漆進(jìn)行1 min、3 min、15 min和30 min等峰值時(shí)間的標(biāo)定，做出校準(zhǔn)標(biāo)定表，試驗(yàn)件試驗(yàn)后按校準(zhǔn)標(biāo)定表相對(duì)應(yīng)的峰值時(shí)間給出判讀結(jié)果。如羅-羅公司的示溫漆均附有不同峰值時(shí)間的校準(zhǔn)標(biāo)定表[1]。國(guó)內(nèi)測(cè)試人員用示溫漆測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件的表面溫度時(shí)，很少考慮試驗(yàn)峰值時(shí)間對(duì)示溫漆測(cè)試判讀的影響。因此，有必要開(kāi)展試驗(yàn)峰值時(shí)間對(duì)示溫漆測(cè)試判讀影響的研究。

目前先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，針對(duì)燃燒室火焰筒這種高溫部件，在其性能試驗(yàn)及數(shù)值模擬計(jì)算預(yù)測(cè)壁溫場(chǎng)時(shí)，一般都需采用熱電偶和示溫漆進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證[2-3]。本文以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)陣列預(yù)混燃燒室火焰筒為測(cè)試載體，為準(zhǔn)確掌握火焰筒表面溫度及溫度分布梯度[4-5]，以便計(jì)算火焰筒強(qiáng)度和預(yù)估壽命[6-8]，在其表面涂布熱電偶和示溫漆[9-11]后進(jìn)行了全溫全壓試驗(yàn)，測(cè)量了火焰筒表面溫度和溫度梯度分布。通過(guò)測(cè)試研究了該火焰筒試驗(yàn)峰值時(shí)間對(duì)示溫漆判讀的影響，以期為測(cè)試人員用示溫漆測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件表面溫度提供參考。

2　示溫漆選擇

試驗(yàn)前根據(jù)預(yù)估的火焰筒溫度范圍500～900℃，選擇了6個(gè)型號(hào)的單、多變色示溫漆[12-13]，并按示溫漆使用技術(shù)要求進(jìn)行峰值時(shí)間3 min和30 min的標(biāo)定校準(zhǔn)。示溫漆型號(hào)及等溫線變色溫度標(biāo)定校準(zhǔn)結(jié)果見(jiàn)表1。標(biāo)準(zhǔn)試片等溫線溫度值見(jiàn)圖1、圖2。

表1　示溫漆型號(hào)及溫度范圍Table 1 The temperature range and types of temperature-sensitive paint

圖1　標(biāo)準(zhǔn)試片3 min峰值時(shí)間標(biāo)定Fig.1 Peak time of standard specimen calibration is 3 minutes

圖2　標(biāo)準(zhǔn)試片30 min峰值時(shí)間標(biāo)定Fig.2 Peak time of standard specimen calibration is 30 minutes

3　試驗(yàn)狀態(tài)

燃燒室全溫全壓試驗(yàn)采用天然氣燃料。試驗(yàn)件為逆流式扇形單管燃燒室，火焰筒外工作環(huán)境為來(lái)流空氣，火焰筒內(nèi)工作環(huán)境為燃?xì)馊紵h(huán)境，火焰筒設(shè)計(jì)壁溫不大于860℃，最大試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)見(jiàn)表2?；鹧嫱脖诿鏈囟葴y(cè)試試驗(yàn)在燃燒室試驗(yàn)器上進(jìn)行，燃燒室試驗(yàn)件臺(tái)架安裝示意圖見(jiàn)圖3。

表2　最大試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)Table 2 Parameters under the maximum operating conditions

圖3　燃燒室試驗(yàn)件安裝示意圖Fig.3 Installation diagram ofcombustor test specimen

4　火焰筒結(jié)構(gòu)

火焰筒結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。頭部安裝一體式噴嘴和旋流器，左右兩側(cè)各有1個(gè)聯(lián)焰管和1個(gè)定位銷襯套?；鹧嫱采霞庸び幸粋€(gè)火焰探測(cè)孔，周向分布6個(gè)摻混孔，定位銷襯套和摻混孔之間軸向分布8排氣膜孔(孔徑為1.0～1.5 mm)，摻混孔下端有三排氣膜孔。

圖4　火焰筒結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of flame tube

5　測(cè)試結(jié)果及分析

5.1測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)前陣列預(yù)混燃燒室火焰筒壁面噴涂的示溫漆型號(hào)及顏色見(jiàn)圖5。試驗(yàn)后陣列預(yù)混燃燒室火焰筒壁面示溫漆判讀結(jié)果見(jiàn)圖6，圖中上面一排溫度為峰值3 min判讀結(jié)果，下面一排溫度為峰值30 min判讀結(jié)果。

圖5　火焰筒壁面示溫漆原色Fig.5 The original color of TSP on the wall of flame tube

從圖6中看出，峰值時(shí)間不同，溫度差異很大。由于最大試驗(yàn)狀態(tài)峰值時(shí)間約40 min，因此測(cè)試結(jié)果以峰值標(biāo)定30 min判讀為準(zhǔn)。判讀結(jié)果為：

(1)圖6(a)中，火焰筒摻混孔上方有兩小塊區(qū)域溫度大于610℃外，其余均小于610℃；摻混孔下方兩排氣膜孔部位除兩小塊區(qū)域溫度小于610℃外，其余均大于610℃。

(2)圖6(b)中，火焰筒摻混孔上方480℃等溫線以上部位溫度小于480℃；摻混孔下方兩排氣膜孔部位除兩小塊區(qū)域溫度小于480℃外，其余均大于480℃。

(3)圖6(c)中，火焰筒摻混孔上方除三個(gè)條塊區(qū)域溫度為580℃＜T＜693℃外，其余部分溫度為390℃＜T＜580℃；摻混孔附近580℃等溫線以下部位溫度為580℃＜T＜693℃。

(4)圖6(d)中，火焰筒摻混孔上方除三個(gè)條塊區(qū)域溫度為605℃＜T＜675℃外，其余部分溫度小于605℃；摻混孔附近605℃等溫線以下部位溫度為605℃＜T＜675℃。

圖6　火焰筒壁面示溫漆判讀結(jié)果Fig.6 The interpretation results of TSP on the wall of flame tube

圖7　火焰筒壁面熱電偶測(cè)試位置Fig.7 The testing position of thermocouple on the wall of flame tube

(5)圖6(e)中，火焰筒摻混孔上方除兩個(gè)條塊區(qū)域溫度為565℃＜T＜593℃外，其余部分溫度小于440℃；摻混孔附近565℃等溫線以下部位溫度為565℃＜T＜593℃。

(6)圖6(f)中，火焰筒聯(lián)焰管下方除一小塊區(qū)域溫度大于710℃外，其余部分溫度小于710℃；摻混孔710℃等溫線以下部位溫度為710℃＜T＜850℃。

圖7示出了測(cè)量火焰筒壁溫時(shí)熱電偶的安裝位置。熱電偶最大工作狀態(tài)下的測(cè)試溫度見(jiàn)表3。

表3　熱電偶最大工作狀態(tài)測(cè)試溫度℃Table 3 The testing temperature of thermocouple under the maximum operating conditions

5.2結(jié)果分析

綜合上述判讀結(jié)果，火焰筒摻混孔以上大部分區(qū)域的溫度為390℃＜T＜440℃，溫度較低且分布較均勻。這主要是因?yàn)樵搮^(qū)域有大量密布的氣膜孔，二股氣流穿過(guò)壁面氣膜孔進(jìn)入火焰筒內(nèi)，使冷氣層均勻鋪開(kāi)，有效降低了燃?xì)鈱?duì)壁面的對(duì)流換熱，將燃?xì)鈱?duì)壁面的輻射熱量帶走，因此溫度較低。從表3中熱電偶1#～3#的測(cè)試結(jié)果也可看出，其最高溫度小于440℃?；鹧嫱矒交炜滓韵麓蟛糠謪^(qū)域的溫度為610℃＜T＜675℃，但分布不均；火焰筒有一個(gè)側(cè)面兩個(gè)摻混孔以下部位溫度最高，見(jiàn)圖6(f)。這是因?yàn)樵搮^(qū)域沒(méi)有冷卻氣膜孔，且高溫燃?xì)鈿饬鞑痪谷紵幕鹧嫫驌交炜紫路絽^(qū)域，造成該區(qū)域溫度最高。用峰值30 min判讀，示溫漆判讀結(jié)果與熱電偶測(cè)試結(jié)果吻合。2#熱電偶記錄了一個(gè)最大值為464℃，試驗(yàn)后分解發(fā)現(xiàn)是因?yàn)楣潭犭娕紲y(cè)量端的不銹鋼片脫落(圖8)，測(cè)量端測(cè)試的溫度有部分是燃?xì)鈿饬鳒囟人?。若用峰? min判讀，則火焰筒摻混孔以上大部分區(qū)域的溫度為435℃＜T＜490℃(圖6(c)、圖6(e))，火焰筒摻混孔以下大部分區(qū)域的溫度為680℃＜T＜766℃(圖6(a)、圖6(c))。與峰值30 min判讀相比，摻混孔以上溫度增高了50℃，摻混孔以下溫度增高了91℃，與熱電偶測(cè)試結(jié)果相差較大。

圖8　固定2#熱電偶不銹鋼片脫落Fig.8 The stainless steel skin which fixed thermocouple 2# dropped off

6　試驗(yàn)峰值時(shí)間對(duì)變色溫度的影響

由峰值時(shí)間對(duì)變色溫度影響的經(jīng)驗(yàn)公式(式(1))[1]可知，峰值時(shí)間越長(zhǎng)，變色溫度越低。以TSP-S01為例，計(jì)算該示溫漆的a、b值，采用峰值3 min、30 min的變色溫度值，得出a＝713.40，b＝70.00。由此算出TSP-S01峰值40 min變色溫度值為601.26℃，比峰值3 min的溫度低78.74℃，這說(shuō)明試驗(yàn)峰值時(shí)間對(duì)示溫漆測(cè)試判讀的影響很大。按此公式還可得出其他型號(hào)示溫漆在不同峰值時(shí)間下的溫度變化。此外，圖6(b)示溫漆TSP-S09在火焰筒上峰值30 min判讀結(jié)果和表3熱電偶測(cè)試結(jié)果，也證明試驗(yàn)峰值時(shí)間對(duì)示溫漆判讀的影響不可低估。

θ=a-b lg t(1)式中：θ為變色溫度(℃)，a、b為某一種示溫漆常數(shù)(實(shí)測(cè))，t為峰值時(shí)間(min)。

7　結(jié)論

以陣列預(yù)混燃燒室火焰筒壁溫測(cè)量為研究對(duì)象，用不可逆示溫漆錄取了該燃燒室火焰筒的表面溫度及溫度場(chǎng)分布，由峰值3 min和30 min判讀結(jié)果及熱電偶測(cè)試結(jié)果，得出如下結(jié)論：

(1)標(biāo)定試驗(yàn)不同峰值時(shí)間下，溫度數(shù)據(jù)判讀結(jié)果差異較大。以S01為例，峰值3 min和30 min判讀溫度差異達(dá)到70℃。

(2)利用示溫漆測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，為保證測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確有效，需要求試驗(yàn)峰值時(shí)間與示溫漆標(biāo)定時(shí)間保持一致。

(3)該陣列預(yù)混燃燒室火焰筒壁面最高溫度未超過(guò)860℃，符合設(shè)計(jì)要求。

[1]熊慶榮，鐘明，李楊.真空環(huán)境下高壓渦輪盤(pán)表面溫度測(cè)試研究[J].測(cè)控技術(shù)，2013，32(S1)：79—82.

[2]宋雙文，胡好生，王梅娟，等.全環(huán)渦輪級(jí)間燃燒室性能試驗(yàn)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2012，27(10)：2175—2179.

[3]董紅，聞雪友，李名家，等.環(huán)管型燃燒室火焰筒壁溫氣熱耦合數(shù)值模擬[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2014，29(5)：1071—1078.

[4]王倚陽(yáng)，宋雙文，陳延庚.某折流燃燒室火焰筒壁溫試驗(yàn)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2011，26(11)：2480—2484.

[5]蔡靜，楊永軍，趙儉，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端表面溫度場(chǎng)測(cè)量[J].計(jì)測(cè)技術(shù)，2009，29(1)：1—3.

[6]耿小亮，郭運(yùn)強(qiáng)，張克實(shí)，等.火焰筒熱疲勞分析與壽命估計(jì)[J].機(jī)械強(qiáng)度，2007，29(2)：305—309.

[7]李名家，錢程，何萬(wàn)國(guó)，等.燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室故障分析及試驗(yàn)研究[J].熱能動(dòng)力工程，2010，25(5)：478—481.

[8]Bruno F，Lorenzo T.Investigation of circular and shaped effusion cooling arrays for combustor liner application part l:experiment analysis[R].ASME GT2009-60037，2009.

[9]張興，薛秀生，陳斌，等.示溫漆在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中的應(yīng)用與研究[J].測(cè)控技術(shù)，2008，27(1)：18—20.

[10]熊慶榮，石小江，徐芳，等.基于示溫漆的高壓渦輪導(dǎo)向器表面溫度測(cè)試[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2014，27 (3)：44—48.

[11]侯曉春，季鶴鳴，劉國(guó)慶，等.高性能航空燃?xì)廨啓C(jī)燃燒技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

[12]熊慶榮，石小江，侯敏杰，等.基于等溫線辨識(shí)的單變色不可逆示溫漆及制造涂層的方法：中國(guó)，ZL 200910124282.5[P].2012-03-14.

[13]熊慶榮，石小江，侯敏杰，等.基于等溫線辨識(shí)的五變色不可逆示溫漆及制造涂層的方法：中國(guó)，ZL 200910124285.9[P].2012-03-14.

Effect of peak time for aero-engine tests on temperature-sensitive paint temperature measurement

XIONG Qing-rong，XU Yi，LI Hua-dong
(China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

Temperature-sensitive paint(TSP)was adopted to measure the wall temperature of flame tube for an array premixed combustor under the maximum operating conditions as well as thermocouple at the same time.The wall temperature distribution of flame tube was measured,and then the results of the TSP and thermocouple in different peak time were compared and analyzed.Studies show that the wall temperature of flame tube is less than the allowable operating temperature of the materials,the peak time of flame tube testing is the main reason effect the temperature interpretation of TSP.In order to ensure the accuracy of the test results,the peak time of engine test should be strictly consistent with the peak time of calibration required for TSP.

aero-engine；TSP(temperature-sensitive paint)；peak time；array premixed combustor；flame tube；thermocouple；wall temperature

V231.1；TK311

A

1672-2620(2016)05-0030-05

2015-12-09；

2016-10-18

熊慶榮(1959-)，男，貴州修文人，高級(jí)工程師，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試技術(shù)研究。