張志學(xué)，張 興，趙迎松，王 維

航空發(fā)動機(jī)高溫包覆熱電偶研制

張志學(xué)，張 興，趙迎松，王 維

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015）

為實(shí)現(xiàn)高溫條件下發(fā)動機(jī)內(nèi)部部件的溫度測試，研制了1種耐溫1 500℃的高溫包覆熱電偶。通過對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選取、包覆工藝的研究，確定了1 500℃高溫包覆熱電偶的材料及制作方法。通過耐高溫試驗(yàn)、絕緣電阻試驗(yàn)、相容性試驗(yàn)及檢定校準(zhǔn)與驗(yàn)證，證明了1 500℃高溫包覆熱電偶的發(fā)動機(jī)測溫工程實(shí)用性。將包覆熱電偶使用溫度提高到1 500℃，可以部分代替鎧裝熱電偶，解決發(fā)動機(jī)內(nèi)部一些高溫部件和復(fù)雜結(jié)構(gòu)細(xì)徑鎧裝熱電偶無法測量的難題。

熱電偶；溫度測試；包覆工藝；絕緣電阻；航空發(fā)動機(jī)

0 引言

航空發(fā)動機(jī)工作壓力變化范圍約為10～4000 kPa、溫度變化范圍約為200～2200 K、轉(zhuǎn)速為20000 r/min或更高，具有溫度高、壓力高、轉(zhuǎn)速高、內(nèi)流復(fù)雜、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹小等特點(diǎn)，因此，其溫度測試工況環(huán)境是非常惡劣的[1]。主要測溫手段為熱電偶，以前高溫部件的溫度測試常選用鎧裝熱電偶，細(xì)徑鎧裝熱電偶最高使用溫度為1000℃[2]，但鎧裝熱電偶在發(fā)動機(jī)裝配過程中易受擠壓而損壞，對于1000℃以上測溫以前主要用偶絲串套陶瓷管解決，該管不能彎折，在裝配過程中易破碎導(dǎo)致熱電偶失效。而包覆熱電偶具有耐高溫、柔軟易彎曲、結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)、耐腐蝕、無需連接補(bǔ)償導(dǎo)線的特點(diǎn)，是解決上述問題的較好手段。

包覆熱電偶屬于特種熱電偶，在國外使用非常廣泛，在中國也可以小批量生產(chǎn)。國外有氟塑、玻璃纖維、石英纖維、陶瓷纖維等包覆熱電偶，使用溫度最高可達(dá)1250℃；國內(nèi)有氟塑、玻璃纖維、石英纖維包覆熱電偶，最高使用溫度800℃[3]。

本文為解決航空發(fā)動機(jī)測試用國產(chǎn)高溫包覆熱電偶使用溫度低的問題，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選取、包覆工藝的研究，研制了1種耐溫1500℃的高溫包覆熱電偶。

1 高溫包覆熱電偶研制

1.1 高溫包覆熱電偶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

熱電偶是1種熱電效應(yīng)原理的溫度傳感器。高溫包覆熱電偶分為屏蔽型和無屏蔽型2大類，外形與石英包覆熱電偶相近，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由偶絲、包覆層和屏蔽層組成。所設(shè)計(jì)的1500℃高溫包覆熱電偶的包覆層由內(nèi)到外依次為繞包層、絕緣層和護(hù)套層。

圖1 包覆熱電偶結(jié)構(gòu)

1.2 熱電偶材料

1.2.1 包覆纖維

高溫包覆熱電偶的包覆層處于航空發(fā)動機(jī)的高溫燃?xì)猸h(huán)境中，并要滿足熱電偶的絕緣電阻的要求。常用的氟塑、玻璃纖維等材料制成的包覆熱電偶在高溫燃?xì)猸h(huán)境中效果不理想。航空發(fā)動機(jī)測溫環(huán)境選用的耐高溫纖維的性能見表1[4-5]。

表1 耐高溫包覆纖維的性能比較

石英纖維主要由高純SiO2和天然石英晶體制成，具有耐高溫、強(qiáng)度高、抗熱振動、電絕緣電阻好的特點(diǎn)，已經(jīng)用于生產(chǎn)航空發(fā)動機(jī)測溫用800℃高溫包覆熱電偶，在航空發(fā)動機(jī)高溫燃?xì)猸h(huán)境和振動條件下的長期工作溫度可達(dá)600℃。

陶瓷纖維主要由SiO2和Al2O3組成，是含有少量Na2O、K2O、Fe2O3等物質(zhì)的無機(jī)纖維，具有質(zhì)量輕、耐高溫、絕緣電阻好、抗腐蝕、耐機(jī)械振動等特點(diǎn)，已經(jīng)用于生產(chǎn)航空發(fā)動機(jī)測溫用1300℃高溫包覆熱電偶，在航空發(fā)動機(jī)高溫燃?xì)猸h(huán)境和振動條件下的長期工作溫度可達(dá)1200℃。

硅基纖維的主要成分為硅、碳、氮，含有少量氧、鈦等元素，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等特點(diǎn)，耐溫1700℃，試驗(yàn)表明硅基纖維在航空發(fā)動機(jī)高溫燃?xì)猸h(huán)境和振動條件下的工作溫度可達(dá)1500℃以上。

1.2.2 熱電偶絲

標(biāo)準(zhǔn)偶絲材料主要分為貴金屬和廉金屬，在航空發(fā)動機(jī)測溫中常選用的廉金屬偶絲材料有T、K和N型，測溫上限為1300℃，常用的貴金屬偶絲材料為S和B型，測溫上限為1700℃。偶絲材料的具體性能見表2[6-7]。選用S型和B型偶絲作為1500℃高溫包覆熱電偶的熱電偶絲材料。

基于柴油機(jī)發(fā)電機(jī)煙氣干燥垃圾的海島生活垃圾處置路線見圖2。垃圾處理站應(yīng)建在柴油電站附近，避免煙氣管路過長造成余熱浪費(fèi)。生活垃圾收集轉(zhuǎn)運(yùn)至處理站，簡單分揀后送入干燥器，將垃圾含水率降至10%以下，制成垃圾衍生燃料。干燥后垃圾具有以下特點(diǎn)：①熱值提高，焚燒時無需添加輔助燃料；②有利于提高焚燒爐內(nèi)燃燒溫度，減少煙氣有害污染物；③基本消除垃圾滲瀝液，減少垃圾集中處置點(diǎn)環(huán)境污染及滲瀝液處置費(fèi)用；④減少垃圾堆放體積；⑤高溫加熱能對垃圾進(jìn)行滅菌，便于較長時間內(nèi)存貯，有利于垃圾焚燒量及運(yùn)行時間的調(diào)節(jié)。

表2 航空發(fā)動機(jī)測溫常用標(biāo)準(zhǔn)偶絲材料

1.3 包覆工藝

包覆熱電偶的包覆加工是將偶絲、包覆纖維和屏蔽層組合在一起，采用編織包覆為成品的一系列工藝過程[8-9]，其流程如圖2所示。

圖2 包覆加工工藝流程

1.3.1 編織工藝

包覆熱電偶的包覆層一般包括單極絕緣層和護(hù)套層，在常規(guī)包覆層編織工藝的基礎(chǔ)上增加了繞包層。具體工藝流程為：將一定根數(shù)硅基纖維合成1錠（股），使用一定股數(shù)繞包熱電偶絲形成繞包層，然后在此層上按照一定編織節(jié)距編織形成絕緣層。將編織有絕緣層的正負(fù)2極合并，再按照一定編織節(jié)距編織形成護(hù)套層，編織中要控制工藝參數(shù)，保證包覆熱電偶尺寸、機(jī)械強(qiáng)度和絕緣電阻[10]。試驗(yàn)表明：通常高溫包覆熱電偶的包覆層數(shù)和編織股數(shù)越多，絕緣電阻越大，直徑越大；編織節(jié)距越小，絕緣電阻越小，柔軟性越好。按照使用要求確定了1500℃高溫包覆熱電偶的編織工藝。

1.3.2 熱處理工藝

為消除包覆熱電偶包覆層纖維的散花和飛絮，在包覆工藝完成后采用耐高溫涂料浸泡包覆偶的浸膠方法，之后進(jìn)行烘干熱處理保證包覆層絕緣電阻。

2 考核與檢驗(yàn)

2.1 尺寸檢驗(yàn)

航空發(fā)動機(jī)測溫對熱電偶的尺寸有非常嚴(yán)格的要求，研制的包覆熱電偶成品的尺寸檢驗(yàn)見表3。從表中可見，其外徑尺寸誤差小于±0.1 mm，符合航空發(fā)動機(jī)測溫的要求。

表3 高溫包覆熱電偶尺寸 mm

2.2 耐高溫試驗(yàn)

耐高溫是高溫包覆熱電偶的主要性能之一。耐高溫試驗(yàn)采用LINDBERG/BLUE高溫檢定爐,最高加溫到1700℃。將高溫包覆熱電偶樣品插入檢定爐內(nèi)，在1500℃下進(jìn)行溫度考核循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)行3個循環(huán)，每個循環(huán)燒蝕時間為5 min。耐高溫考核試驗(yàn)后檢查包覆熱電偶樣品，外觀較好，彎曲3次，無散花現(xiàn)象，表層有少量飛絮，如圖3所示。試驗(yàn)驗(yàn)證了高溫包覆熱電偶的耐溫上限可達(dá)1500℃。

圖3 耐高溫考核試驗(yàn)后的高溫包覆熱電偶

2.3 絕緣電阻檢驗(yàn)

絕緣電阻是包覆偶的關(guān)鍵指標(biāo)。依據(jù)JB/T 9238標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)高溫包覆熱電偶的絕緣電阻[11]，其中常溫絕緣電阻值應(yīng)不小于100 MΩ·m。

上限溫度絕緣電阻試驗(yàn)流程為：將1.5 m高溫包覆熱電偶纏繞在安裝有S型熱電偶的陶瓷管上，纏繞長度0.3 m放入檢驗(yàn)爐加熱，在試驗(yàn)溫度下保持5 min，使用直流10 V絕緣電阻表檢測絕緣電阻值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，高溫包覆熱電偶的絕緣電阻符合JB/T 9238標(biāo)準(zhǔn)。

表4 上限溫度絕緣電阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4 相容性試驗(yàn)

為增加包覆熱電偶的機(jī)械強(qiáng)度和延長使用壽命，采用浸膠、加高溫屏蔽層、摻高溫絕緣纖維的工藝手段進(jìn)行改性，以適應(yīng)發(fā)動機(jī)內(nèi)部部件的測溫需求。但是所使用的膠、高溫屏蔽層和高溫絕緣纖維與硅基纖維包覆層、偶絲材料在高溫下有可能發(fā)生反應(yīng)，所以要進(jìn)行相容性試驗(yàn)，研究這些材料上限溫度絕緣電阻，保證使用可靠性。4種工藝手段相容性的絕緣電阻檢測數(shù)據(jù)如圖4所示。圖中，1號為未浸膠、未加屏蔽層樣品，2號為未浸膠、加屏蔽層樣品，3號為浸膠、加屏蔽層樣品，4號為摻高溫絕緣纖維、浸膠、加屏蔽層樣品。

圖4 高溫包覆熱電偶相容性絕緣電阻檢測數(shù)據(jù)

試驗(yàn)表明：浸膠會使高溫包覆熱電偶低溫段的絕緣電阻略微降低，加屏蔽層會使高溫包覆熱電偶的絕緣電阻略微降低，2種技術(shù)手段都使高溫包覆熱電偶的繞韌性略微減弱，但機(jī)械強(qiáng)度有效提高和使用壽命有效延長，摻高溫絕緣纖維會有效提高高溫包覆熱電偶1300℃以下的絕緣電阻。這些技術(shù)手段已經(jīng)推廣應(yīng)用到1300℃高溫包覆熱電偶上，使其使用壽命延長十幾倍，達(dá)到30 h以上。

3 檢定與驗(yàn)證

經(jīng)中國測試技術(shù)研究院檢定，1500℃高溫包覆熱電偶校準(zhǔn)數(shù)據(jù)見表5。檢定結(jié)果符合工業(yè)Ⅱ級要求[12]。

表5 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

在某試驗(yàn)件性能考核試驗(yàn)中，使用1500℃高溫包覆熱電偶測量試驗(yàn)件內(nèi)部的溫度，共進(jìn)行2輪，分別歷時302和218 min，在最大試驗(yàn)狀態(tài)時測得的最高溫度為1274℃，證明了1500℃高溫包覆熱電偶的耐燃?xì)鉄g性能和發(fā)動機(jī)測溫工程實(shí)用性。

4 結(jié)束語

相比于示溫漆、紅外測溫及晶體測溫等其他測溫手段，熱電偶在航空發(fā)動機(jī)溫度測試領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢。研制的1500℃高溫包覆熱電偶更是將絕緣耐溫提高到1500℃，同時具有絕緣好、彎曲半徑小、韌性好、易于測試引線等優(yōu)點(diǎn)，可以部分代替鎧裝熱電偶，為航空發(fā)動機(jī)復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)和苛刻工況條件下的高溫測試提供了先進(jìn)手段。

[1]王振華,王亮.航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)測試技術(shù)發(fā)展探討[J].航空發(fā)動機(jī),2014,40（6）:47-51.WANG Zhenhua,WANG Liang.Discussion on development of aeroengine experiments and measurement techniques [J].Aeroengine,2014,40（6）:47-51.(in Chinese)

[2]張寶誠.航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)和測試技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2005：16-56.ZHANG Baocheng.Aeroengine experiments and measurement techniques[M].Beijing:Beihang University Press,2005：16-56.(in Chinese)

[3]王魁漢.溫度測量實(shí)用技術(shù) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006,84-230.WANG Kuihan.Practical technology for temperature measurement[M].Beijing:China Machine Press,2006:84-230.(in Chinese)

[4]李剛,歐書方,趙敏健.石英玻璃纖維的性能和用途[J].玻璃纖維,2007（4）:10-16.LI Gang,OU Shufang,ZHAO Minjian.Properties and uses of quartz glass fiber[J].Fiber Glass,2007（4）:10-16.(in Chinese)

[5]王超.高溫環(huán)境下硅酸鋁纖維的隔熱性能[J].宇航材料工藝,2014（6）:56-60.WANG Chao.Heat-shielding properties of aluminum silicate fiber in high temperature environment[J].Aerospace Materials&Technology,2014（6）:56-60.(in Chinese)

[6]范鎧,張繼培.GB/T 16839-1997.熱電偶[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.1997：16-89.FAN Kai,ZHANG Jipei.GB/T 16839-1997,Thermocouple[S].Beijing:Standards Press of China,1997:16-89.(in Chinese)

[7]王健石,朱炳林.熱電偶與熱電阻技術(shù)手冊[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012:15-86.WANG Jianshi,ZHU Binglin.Thermocouple and RTD technical manual[M].Beijing:Standard Press of China,2012：15-86.(in Chinese)

[8]王建國.纖維世界[M].蕪湖：安徽師范大學(xué)出版社,2012：33-106.WANG Jianguo.Fiber world[M].WUhu:Anhui Normal University Press,2012:33-106.(in Chinese)

[9]張旺璽.纖維材料工藝學(xué)[M].鄭州：黃河水利出版社,2010：52-121.ZHANG Wangxi.Fiber materials technology[M].Zhengzhou:The Yellow River Water Conservancy Press,2010：52-121.(in Chinese)

[10]王衛(wèi)東.電纜工藝技術(shù)原理及應(yīng)用 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011：118-253.WANG Weidong.The principle and application of cable technology[M].Beijing:China Machinery Press,2011,118-253.(in Chinese)

[11]范鎧.JB/T 9238-1999工業(yè)熱電偶技術(shù)條件[S]..北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.1997：4-6.FAN Kai.JB/T 9238-1999 Specification for industrial thermocouples assemblies[S].Standards Press of China,1997：4-6.(in Chinese)

[12]賀宗琴.表面溫度測量[M].北京：中國計(jì)量出版社,2009:53-73.HE Zongqin.Surface temperature measurement[M].Beijing:China Metrology Press,2009：53-73.（in Chinese）

Investigation on High Temperature Coated Thermocouple for Aeroengine

ZHANG Zhi-xue,ZHANG Xing,ZHAO Ying-song,WANG Wei
（AECC Shenyang Engine Research Institute,Shengyang 110015,China）

In order to realize temperature measurement of the internal parts inside engine under high temperature,a high temperature thermocouple with high temperature resistance of 1500℃was designed.The material and making method of the thermocouple were determined through structural design,material selection and cladding technology.After a series of temperature test,insulation resistance test,compatibility test and calibration and verification test,the practicality of engine temperature measurement engineering was proved.This kind of thermocouple will raise the operating temperature of coated thermocouple to 1500℃.It can partially replace armored thermocouple,and solve the problem that can't be measured by some internal high temperature comperature components of engine and small-diameter armored thermocouple with complex structure.

thermocouple;temperature test;coating technology;insulation resistance;aeroengine

V 241.7

A

1 0.1 3477/j.cnki.aeroengine.201 7.02.01 3

2016-12-11 基金項(xiàng)目：國家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

張志學(xué)（1982），男，碩士，工程師，主要從事航空發(fā)動機(jī)測試技術(shù)研究及工程應(yīng)用工作；E-mail:zzx606@163.com。

張志學(xué)，張興，趙迎松，等.航空發(fā)動機(jī)高溫包覆熱電偶研制[J].航空發(fā)動機(jī)，2017，43（2）：81-84.ZHANG Zhixue,ZHANG Xing,ZHAO Yingsong，etal.Reasearch ofhigh temperature coated thermocouple foraeroengine temperature measurement[J].Aeroengine，2017，43（2）：81-84.

（編輯：張寶玲）