張校東，劉忠奎，薛秀生，王曉良

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的研制離不開地面試驗(yàn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，往往要求測(cè)量主燃燒室出口、加力燃燒室等高溫測(cè)試截面的燃?xì)鉁囟?。高溫部件?zhǔn)確可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)是進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)部件設(shè)計(jì)、改進(jìn)和選材的重要依據(jù)。因此，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件溫度測(cè)量的精度，高溫?zé)犭娕嫉难兄坪蜏y(cè)試精度控制一直是發(fā)動(dòng)機(jī)高溫燃?xì)鉁y(cè)試技術(shù)研究領(lǐng)域的重要方向[1-3]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫燃?xì)饬鞯臏y(cè)量主要采用接觸式測(cè)量法[4-5]，即測(cè)點(diǎn)直接置于高溫燃?xì)鈿饬髦校瑢⒏惺艿降臏囟纫噪妷夯蚰芰啃盘?hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入端，該方法簡(jiǎn)單、可靠、受環(huán)境影響較小、精度較高。

常規(guī)高溫?zé)犭娕夹枰ㄟ^(guò)氣冷或水冷的方式對(duì)測(cè)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(jī)試驗(yàn)中冷卻介質(zhì)的流量無(wú)法精確控制，致使熱電偶?xì)んw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(dǎo)致燃?xì)鉁囟扰c熱電偶?xì)んw之間存在明顯的溫度差，給熱電偶測(cè)量結(jié)果帶來(lái)較大的傳熱誤差[6-8]。另外，由于熱電偶結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，要冷卻其承力殼體對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架冷卻設(shè)備要求較高。文獻(xiàn)[9-10]基于陶瓷承力設(shè)計(jì)了1種用于校準(zhǔn)的無(wú)冷卻單點(diǎn)高溫?zé)犭娕?，但是這種結(jié)構(gòu)僅限用于試驗(yàn)室校準(zhǔn)使用，無(wú)法真正用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)工程試驗(yàn)。

某型核心機(jī)加溫加壓試驗(yàn)噴管進(jìn)口燃?xì)鉁囟雀哌_(dá)1400℃左右，針對(duì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試需求，本文采用高強(qiáng)度和耐高溫的承力材料研制了1種無(wú)冷卻高溫?zé)犭娕?，消除常?guī)冷卻式熱電偶中冷卻介質(zhì)對(duì)溫度測(cè)量結(jié)果的影響，并將其成功應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，獲得了良好的工程使用效果。

1 無(wú)冷卻高溫?zé)犭娕挤桨冈O(shè)計(jì)

1.1 無(wú)冷卻高溫?zé)犭娕技夹g(shù)方案

鉭鎢合金是目前惟一能夠在1400℃以上具有較高強(qiáng)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[11-14]。本文設(shè)計(jì)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(biāo)定滿足I級(jí)精度。殼體內(nèi)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。

圖1 無(wú)冷卻高溫?zé)犭娕冀Y(jié)構(gòu)

1.2 承力殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

由于高溫?zé)犭娕汲辛んw采用的鉭鎢合金受高溫極易氧化，零件在機(jī)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?zé)犭娕妓匦璧臏y(cè)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(jī)徑向布置，相互獨(dú)立，高溫?zé)犭娕汲辛んw結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了防止熱沖擊導(dǎo)致殼體表面的抗氧化涂層開裂，消除零件尖邊應(yīng)力，在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)接處均進(jìn)行倒圓處理。

圖2 殼體結(jié)構(gòu)

由于鉭鎢合金首次應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫燃?xì)鉁y(cè)試，為保證熱電偶承力殼體以及抗氧化涂層高溫?zé)崃W(xué)性能滿足熱電偶設(shè)計(jì)要求，對(duì)殼體材料進(jìn)行以下性能試驗(yàn)。

（1）基體材料高溫強(qiáng)度試驗(yàn)。為驗(yàn)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(shù)，選用2個(gè)Φ28 mm×110 mm的棒材為試驗(yàn)件，在抽真空、充氬氣保護(hù)環(huán)境下，將試驗(yàn)件充電加熱至1400℃，完成力學(xué)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 性能試驗(yàn)結(jié)果

（2）抗氧化涂層耐高溫試驗(yàn)。為驗(yàn)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(yàn)件，將其表面涂覆抗氧化涂層后，加熱至1400℃，并持續(xù)保溫30 h，試驗(yàn)后檢查，試驗(yàn)件表面涂層未見明顯損壞。

（3）抗氧化涂層熱沖擊試驗(yàn)。為驗(yàn)證抗氧化涂層高溫?zé)釠_擊耐受能力，選用70 mm×10 mm×1 mm規(guī)格的板材為試驗(yàn)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74 s，循環(huán)次數(shù)1500次，試驗(yàn)后檢查，試驗(yàn)件表面涂層未見明顯損壞。

1.3 內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

熱電偶偶絲在殼體內(nèi)部的定位和固定主要靠?jī)?nèi)支撐件實(shí)現(xiàn)。針對(duì)其實(shí)現(xiàn)的功能，對(duì)熱電偶的內(nèi)支撐材料強(qiáng)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(shè)計(jì)的無(wú)冷卻高溫?zé)犭娕純?nèi)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(duì)殼體內(nèi)支撐進(jìn)行分體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)

內(nèi)支撐組件由3個(gè)高溫陶瓷件組成，為更好保護(hù)殼體表面抗氧化涂層，內(nèi)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?zé)犭娕紡?qiáng)度計(jì)算

2.1 靜強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)高溫?zé)犭娕荚诎l(fā)動(dòng)機(jī)上的實(shí)際安裝條件，將其等效為1個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)，沿發(fā)動(dòng)機(jī)徑向承受一定的均布?xì)鈩?dòng)載荷，熱電偶承力殼體上最大徑應(yīng)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(jù)文獻(xiàn)[7]所述，測(cè)試受感部在發(fā)動(dòng)機(jī)流道內(nèi)受到的氣動(dòng)載荷P為

式中：Cx為裕度系數(shù)，取為1.3；F為支桿迎風(fēng)面積；κ為絕熱指數(shù)，取為 1.33；P*為來(lái)流總壓；ε（λ）為燃?xì)饷芏群瘮?shù)

λ為氣流速度系數(shù)

式中：V為氣流速度；R為氣體常數(shù)，取為287.4 J/（kg·K）。

抗彎截面模量W可根據(jù)受感部承力殼體的橫截面幾何形狀和尺寸計(jì)算得出，即

式中：I為慣性矩；ymax為中性軸至最遠(yuǎn)點(diǎn)距離。

根據(jù)某核心噴管進(jìn)口最大氣流工況，按照式（2）～（4）得出高溫?zé)犭娕加L(fēng)面所受的氣動(dòng)載荷和殼體彎矩，根據(jù)熱電偶?xì)んw的具體幾何尺寸得到殼體的抗彎截面模量。帶入式（1）得出高溫?zé)犭娕紤?yīng)力最大點(diǎn)處于迎風(fēng)面殼體根部，最大應(yīng)力值σmax=17.1 MPa。根據(jù)表1可知，高溫?zé)犭娕細(xì)んw具有足夠的靜強(qiáng)度裕度，滿足受感部設(shè)計(jì)要求。

2.2 動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)高溫?zé)犭娕荚诎l(fā)動(dòng)機(jī)上的具體安裝條件，采用workbench軟件對(duì)高溫?zé)犭娕歼M(jìn)行固有頻率計(jì)算，前4階固有頻率計(jì)算結(jié)果見表2。

由文獻(xiàn)[7]可知，發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)測(cè)試受感部的動(dòng)強(qiáng)度校核應(yīng)以固有頻率（3階內(nèi)）與激振頻率差值是否大于25%作為主要判據(jù)，即

|Δf/f|×100%≥25%

式中：f為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)頻率；Δf為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)頻率與受感部自振頻率之差。

結(jié)合某核心機(jī)高、低壓轉(zhuǎn)子主要工況的工作轉(zhuǎn)速范圍，高溫?zé)犭娕记?階固有頻率的裕度均大于25%，滿足受感部設(shè)計(jì)要求。

3 誤差分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)參數(shù)測(cè)量中，高溫?zé)犭娕嫉臏y(cè)量誤差主要由速度誤差、輻射誤差和導(dǎo)熱誤差3部分組成。

3.1 速度誤差

高溫燃?xì)獾乃俣日`差為

式中：κ=1.33；由于高溫?zé)犭娕紟в袦故遥鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)取熱電偶偶絲熱結(jié)點(diǎn)復(fù)溫系數(shù)r=0.95；Ma為狀態(tài)工況下高溫燃?xì)怦R赫數(shù)。將各值帶入式（6）得速度誤差σv=0.15%。

3.2 輻射誤差

高溫燃?xì)鉁囟葴y(cè)量的輻射誤差估算為

式中：Kr為輻射修正系數(shù)，對(duì)于滯止式熱電偶，可取為（28.6±3.2）×10-4；Tj為測(cè)量端溫度，可近似為燃?xì)饬骺倻豑*；Ps為高溫燃?xì)饬黛o壓，根據(jù)燃?xì)饬魉俣群涂倝嚎傻?/p>

將滯止室看作熱電偶溫度測(cè)量端，則根據(jù)復(fù)溫系數(shù)的定義，滯止室內(nèi)壁溫度Tw可近似為

表2 高溫?zé)犭娕脊逃蓄l率

這里將滯止室看作裸漏測(cè)量端，總溫恢復(fù)系數(shù)r=0.86。將高溫燃?xì)饬髯畲蠊r條件代入式（7）得輻射誤差σr=0.014%。

3.3 導(dǎo)熱誤差

根據(jù)樞軸的導(dǎo)熱原理，在氣流穩(wěn)定狀態(tài)忽略高溫輻射換熱，熱電偶的導(dǎo)熱誤差與測(cè)量端長(zhǎng)徑比有關(guān)?？紤]偶絲沿軸線方向的傳熱，熱端為偶絲熱結(jié)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1 mm的絕緣套管，整個(gè)測(cè)量組件長(zhǎng)徑比約為50，一般情況下當(dāng)偶絲長(zhǎng)徑比超過(guò)20~50，即認(rèn)為導(dǎo)熱誤差可以忽略不計(jì)[15]。

4 無(wú)冷卻高溫?zé)犭娕脊こ虘?yīng)用

在某核心機(jī)加溫加壓試驗(yàn)噴管進(jìn)口布置2支無(wú)冷卻高溫?zé)犭娕迹结樉幪?hào)T7-1和T7-2，每支探針沿發(fā)動(dòng)機(jī)徑向布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別標(biāo)記為1、2、3，累計(jì)試驗(yàn)時(shí)間3.5 h。試驗(yàn)后無(wú)冷卻高溫?zé)犭娕既鐖D4所示。對(duì)2支熱電偶測(cè)點(diǎn)通斷性和絕緣性進(jìn)行檢查未發(fā)現(xiàn)異常，熱電偶?xì)んw未出現(xiàn)明顯損壞，在滯止室尖邊處抗氧化涂層輕微脫落，對(duì)殼體性能無(wú)影響。

2支高溫?zé)犭娕荚诤诵臋C(jī)加溫加壓試驗(yàn)性能錄取試車的測(cè)試結(jié)果如圖5、6所示。從圖中可見，熱電偶各測(cè)點(diǎn)溫度測(cè)試結(jié)果與同截面的機(jī)載熱電偶T7-D測(cè)試結(jié)果幾乎吻合，與發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)狀態(tài)變化一致性較好，能夠真實(shí)地反映發(fā)動(dòng)機(jī)噴管進(jìn)口測(cè)試截面高溫燃?xì)鉁囟茸兓?。由于本文所設(shè)計(jì)熱電偶熱結(jié)點(diǎn)直接與燃?xì)饨佑|，與機(jī)載熱電偶結(jié)構(gòu)形式相比，時(shí)間常數(shù)較小，因此對(duì)溫度變化響應(yīng)較快?？紤]到測(cè)試截面沿發(fā)動(dòng)機(jī)徑向存在一定的溫度梯度以及熱電偶3個(gè)測(cè)點(diǎn)自身測(cè)量誤差，同一支熱電偶上3個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中存在一定的差異。

圖4 試驗(yàn)后熱電偶實(shí)物

圖5 T7-1熱電偶測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6 T7-2熱電偶測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

通過(guò)本次某核心機(jī)噴管進(jìn)口高溫?zé)o冷卻熱電偶設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證及工程應(yīng)用，可得出以下結(jié)論：

（1）本文設(shè)計(jì)的熱電偶承力殼體在1400℃高溫環(huán)境下具有足夠的強(qiáng)度和抗熱沖擊能力，滿足高溫?zé)o冷卻熱電偶的設(shè)計(jì)需求；

（2）熱電殼體強(qiáng)度計(jì)算表明，本文設(shè)計(jì)的高溫?zé)o冷卻熱電偶靜強(qiáng)度和動(dòng)強(qiáng)度安全系數(shù)較高，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)受感部設(shè)計(jì)要求；

（3）由于受當(dāng)前條件所限，未對(duì)熱電偶進(jìn)行高溫標(biāo)定，按照經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)高溫?zé)犭娕紲y(cè)量誤差進(jìn)行綜合評(píng)估，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)需求；

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果顯示，熱電偶測(cè)試結(jié)果與機(jī)載熱電偶測(cè)試結(jié)果基本吻合，與發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)狀態(tài)變化一致性較好，能夠真實(shí)地反映發(fā)動(dòng)機(jī)噴管進(jìn)口測(cè)試截面高溫燃?xì)鉁囟茸兓?/p>