李宏宇，劉緒鵬，張校東，張 龍，方明磊

（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

燃燒室是航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)3 大核心部件之一，是發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的主要來(lái)源。燃燒室性能研究是先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)研制的先決條件，而燃燒室出口溫場(chǎng)分布測(cè)量及燃燒效率計(jì)算是燃燒室性能研究的主要手段，因此，安全可靠、精度滿足使用要求的高溫測(cè)量技術(shù)尤為重要[1]。

目前，學(xué)者們已對(duì)燃燒室測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究。毛茂華等[2]詳細(xì)地?cái)⑹隽巳紵覝囟葓?chǎng)激光測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)，并對(duì)具體的測(cè)量技術(shù)原理、方法進(jìn)行了介紹；王培勇等[3]使用可見光拉曼散射系統(tǒng)對(duì)管形火焰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)場(chǎng)和溫場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，證明了試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與CFD 數(shù)值模擬具有較好的一致性；許琳等[4]利用超聲測(cè)溫原理設(shè)計(jì)了1套基于銥銠合金傳感器的超聲測(cè)溫系統(tǒng)，應(yīng)用于模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室出口溫場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)中，并與熱電偶測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析；Wei[5]等同樣采用銥銠合金設(shè)計(jì)了超聲溫度測(cè)量系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗(yàn)，該裝置可獲得1600°C 以下的超聲波信號(hào)，其溫度擬合曲線為室溫至1600°C；王燕山等[6]對(duì)紅外光譜測(cè)溫技術(shù)原理及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析；楊勇軍等[7]對(duì)光纖測(cè)溫技術(shù)的使用條件、限制和影響進(jìn)行了分析和總結(jié)；王明瑞等[8]對(duì)比分析了4 種高溫測(cè)量技術(shù)，指出燃?xì)夥治鰷y(cè)試方法在燃燒室出口溫場(chǎng)測(cè)量方面具有可測(cè)量高溫、高壓環(huán)境性能可靠、成本低等優(yōu)勢(shì)；劉巖等[9]設(shè)計(jì)了一種適用于燃燒室出口溫度測(cè)量的氣冷探針，并利用CFD 軟件對(duì)探針的冷卻效果進(jìn)行了詳細(xì)分析，最終應(yīng)用于某單頭部燃燒室試驗(yàn)件出口溫場(chǎng)測(cè)量中，實(shí)現(xiàn)最高測(cè)溫2005 K。然而，在上述各種測(cè)量手段中，除接觸式的受感部測(cè)量方法外，其他幾種均有各自的弊端，但目前所使用的常規(guī)氣冷受感部在試驗(yàn)過程中需引入冷卻介質(zhì)對(duì)殼體進(jìn)行降溫處理以保證強(qiáng)度，導(dǎo)致燃?xì)馀c殼體之間存在明顯的溫度差異，進(jìn)而造成測(cè)量結(jié)果具有較大的傳熱誤差；同時(shí)，由于前緣冷卻效果不理想[10-11]，經(jīng)常造成屏蔽罩損壞返修，耽誤試驗(yàn)進(jìn)度；而且在實(shí)現(xiàn)冷卻結(jié)構(gòu)的同時(shí)，極大的增加了設(shè)計(jì)及裝配復(fù)雜度，并在使用時(shí)需臺(tái)架提供額外的冷卻設(shè)備；同時(shí)在諸如燃?xì)廨啓C(jī)低排放燃燒室等出口較小且需布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試條件下，常規(guī)氣冷受感部在結(jié)構(gòu)上根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)，不能滿足測(cè)量要求。

某型燃?xì)廨啓C(jī)低排放燃燒室綜合燃燒性能試驗(yàn)出口溫度場(chǎng)最高溫度超過1200 ℃，要求在極其有限的空間內(nèi)布置5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，按等環(huán)面分布。結(jié)構(gòu)上，常規(guī)氣冷受感部測(cè)點(diǎn)無(wú)法排布，不能滿足試驗(yàn)要求。針對(duì)該問題，本文基于高溫陶瓷復(fù)合材料研制了一種用于測(cè)量燃燒室出口性能參數(shù)的無(wú)冷卻高溫受感部，并成功應(yīng)用于燃燒室試驗(yàn)中。

1 無(wú)冷卻高溫受感部設(shè)計(jì)方案

1.1 主承力件設(shè)計(jì)及相關(guān)試驗(yàn)

高溫陶瓷復(fù)合材料在高超聲速飛行器等領(lǐng)域已得到一定程度的驗(yàn)證[12-14]，其高溫強(qiáng)度、熱震性以及高溫抗氧化性等關(guān)鍵指標(biāo)比較適合高溫受感部的研制，因此本文將其作為受感部主承力件即支桿的使用材料。該材料的屬性和制備工藝決定了其不適合焊接，因此支桿需進(jìn)行一體化加工，首次采用“內(nèi)埋”式屏蔽罩結(jié)構(gòu)，主承力件設(shè)計(jì)方案如圖1 所示?！皟?nèi)埋”式屏蔽罩相較于常規(guī)的受感部屏蔽罩結(jié)構(gòu)能夠使測(cè)量端距屏蔽罩進(jìn)口的距離盡可能大，保證受感部測(cè)量端的屏蔽效果，減小輻射誤差，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁囟葴y(cè)量領(lǐng)域，這一距離一般取為屏蔽罩內(nèi)徑的1～4 倍[15]，既能保證裝配的可操作性又盡可能減小了輻射誤差。

圖1 主承力件設(shè)計(jì)方案

由于高溫陶瓷復(fù)合材料首次應(yīng)用于燃燒室出口高溫燃?xì)鉁y(cè)量，為保證其作為承力件的高溫力學(xué)性能滿足試驗(yàn)需求，特對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，高溫陶瓷復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 高溫陶瓷復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

此外，對(duì)該材料進(jìn)行了氧化規(guī)律試驗(yàn)，高溫陶瓷復(fù)合材料氧化規(guī)律試驗(yàn)結(jié)果見表2。在1100～1800°C氧化溫度下，材料的氧化層厚度隨著時(shí)間的推移在相同量級(jí)上有較大差別，但是相對(duì)整個(gè)支桿厚度而言，高溫形成的氧化層厚度并不大，經(jīng)過計(jì)算，氧化層厚度變化不大于5×10-5mm/s 便能滿足設(shè)計(jì)要求，且文中所做的燃燒室試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)在4 h以內(nèi)，因此，可以預(yù)見在試驗(yàn)過程中形成的氧化層是可接受的，不影響試驗(yàn)正常進(jìn)行。

表2 高溫陶瓷復(fù)合材料氧化規(guī)律試驗(yàn)結(jié)果

1.2 受感部總體方案設(shè)計(jì)

由于高溫陶瓷復(fù)合材料不具備焊接條件，本文采用壓接的形式固定陶瓷支桿，安裝座采用GH3044 材料，偶絲采用I 級(jí)精度S 偶，為保證絕緣性，偶絲正負(fù)極穿套氧化鋁增韌陶瓷管并在支桿內(nèi)部灌注耐高溫水泥對(duì)其進(jìn)行固定，尾部灌注高溫阻燃密封膠進(jìn)行密封，無(wú)冷卻高溫受感部方案如圖2所示。

圖2 無(wú)冷卻高溫受感部方案

2 無(wú)冷卻高溫受感部強(qiáng)度計(jì)算

本文設(shè)計(jì)的無(wú)冷卻高溫受感部應(yīng)用于某型燃機(jī)低排放燃燒室出口，該截面溫度、壓力均較高，需對(duì)設(shè)計(jì)的受感部進(jìn)行強(qiáng)度校核，以保證能夠安全有效地完成相關(guān)試驗(yàn)。燃燒室出口附近無(wú)轉(zhuǎn)子件，且受感部安裝截面無(wú)顯著激勵(lì)因素，因此只對(duì)受感部進(jìn)行靜強(qiáng)度校核。根據(jù)安裝條件，可將受感部等效為懸臂梁結(jié)構(gòu)，沿燃燒室出口徑向承受均勻氣動(dòng)載荷P為

式中：Cx為裕度系數(shù)，取1.3；k為絕熱指數(shù)，取1.33；P*為來(lái)流總壓；ε(λ)為燃?xì)饷芏群瘮?shù)

基于時(shí)間模型模擬生成阿什河干流河岸植被緩沖帶，其河岸植被緩沖帶最窄區(qū)域僅5m寬，最寬區(qū)域則能達(dá)到41m，其中，河岸植被緩沖帶寬度主要分布在5m至8m之間（圖5）。根據(jù)模擬結(jié)果，阿什河干流兩側(cè)還需劃定2.21km的河岸帶區(qū)域作為其河岸植被緩沖帶。

式中：λ為氣流速度系數(shù)

式中：V為氣流速度；R為氣體常數(shù)；T*為來(lái)流總溫。

根據(jù)燃燒室出口氣動(dòng)參數(shù)及式（1）～（3）計(jì)算得到試驗(yàn)最大狀態(tài)時(shí)支桿前緣所受的氣動(dòng)載荷。利用Workbench 軟件對(duì)支桿進(jìn)行強(qiáng)度分析，支桿靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 支桿靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

從圖中可見，支桿所受最大應(yīng)力在根部，為26.5 MPa，對(duì)照表1高溫陶瓷復(fù)合材料力學(xué)性能參數(shù)可知，設(shè)計(jì)的支桿結(jié)構(gòu)具有足夠的靜強(qiáng)度裕度儲(chǔ)備，滿足使用要求。

3 無(wú)冷卻高溫受感部誤差分析

用于燃燒室出口穩(wěn)態(tài)溫場(chǎng)測(cè)量的測(cè)試受感部，其誤差構(gòu)成主要包括速度誤差、輻射誤差、導(dǎo)熱誤差、靜態(tài)誤差4部分。

3.1 速度誤差

測(cè)量高溫燃?xì)獾氖芨胁克俣日`差為

3.2 輻射誤差

在高溫燃?xì)鉁y(cè)量領(lǐng)域，輻射誤差可利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算

式中：Ma為燃?xì)怦R赫數(shù)；Kr為輻射修正系數(shù)，對(duì)于屏蔽罩結(jié)構(gòu)受感部，Kr可?。?9.1±1.6）×10-4；Tj為測(cè)量端溫度，可近似為氣流總溫；Ps為氣流靜壓；Tw為滯止室壁溫

由于屏蔽罩壁溫與裸漏熱電偶測(cè)得的氣流溫度一致，因此，此時(shí)式（6）中r取0.86。將本文試驗(yàn)最大狀態(tài)參數(shù)帶入式（6）可計(jì)算出輻射誤差為0.056 K。

3.3 導(dǎo)熱誤差

根據(jù)無(wú)限長(zhǎng)樞軸熱傳導(dǎo)理論，在穩(wěn)態(tài)、且忽略輻射換熱的條件下，電偶的導(dǎo)熱誤差為

式中：Tg為氣流有效溫度；Tb為熱匯溫度；L為熱電極的浸入長(zhǎng)度；λm為熱電極的導(dǎo)熱系數(shù)；d為偶絲直徑，為燃?xì)鈱?duì)熱電極表面的換熱系數(shù)。

一般來(lái)講，增加熱電極的浸入長(zhǎng)度或減小偶絲直徑均能減小導(dǎo)熱誤差，但偶絲直徑受到強(qiáng)度、壽命和工藝性等因素的限制不易改變，可通過增加浸入長(zhǎng)度減小導(dǎo)熱誤差。在測(cè)試精度要求較高的環(huán)境中，浸入長(zhǎng)度與偶絲直徑的比值大于20 便可忽略導(dǎo)熱誤差，本文設(shè)計(jì)的無(wú)冷卻高溫受感部其偶絲浸入流場(chǎng)的長(zhǎng)徑比已達(dá)到220，可完全忽略導(dǎo)熱帶來(lái)的測(cè)試誤差。

3.4 靜態(tài)誤差

本文設(shè)計(jì)的無(wú)冷卻高溫受感部采用I級(jí)精度S型熱電偶，其在使用溫度范圍內(nèi)的鉑銠10-鉑S 偶允許偏差見表3[16]。

表3 鉑銠10-鉑S偶允許偏差

因此，在受感部的最高使用狀態(tài)下，可以計(jì)算得到所用偶絲的靜態(tài)誤差為ΔTs。

3.5 綜合誤差

受感部的綜合誤差由速度誤差、輻射誤差、導(dǎo)熱誤差和偶絲靜態(tài)誤差共同構(gòu)成

得到受感部的綜合誤差與最高使用溫度的最大相對(duì)誤差為-0.128%，滿足±1%的測(cè)試精度要求。

4 無(wú)冷卻高溫受感部應(yīng)用

在某型燃?xì)廨啓C(jī)低排放燃燒室出口溫度場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)中，使用本文設(shè)計(jì)的受感部共4 支，每支受感部沿出口徑向布置5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，累計(jì)試驗(yàn)130 min。試驗(yàn)后的受感部如圖4 所示，對(duì)4 支受感部測(cè)點(diǎn)進(jìn)行絕緣性和通斷性檢查未發(fā)現(xiàn)異常。但發(fā)現(xiàn)受感部支桿表面泛白，這是由于高溫陶瓷復(fù)合材料氧化后在表面形成致密保護(hù)膜造成的，屬于該種材料的正常屬性。支桿前緣的氧化膜經(jīng)過高溫燃?xì)獾臎_刷已經(jīng)脫落，受感部前緣細(xì)節(jié)如圖5所示?？梢娫谘趸っ撀浜?，支桿表面無(wú)異常，不影響正常使用。通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，所測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)變化規(guī)律與試驗(yàn)狀態(tài)變化規(guī)律一致，測(cè)得的最高溫度大于1200 ℃。

圖4 試驗(yàn)后受感部

圖5 受感部前緣細(xì)節(jié)

5 結(jié)論

（1）高溫陶瓷復(fù)合材料會(huì)在支桿表面形成氧化膜，但并不影響正常使用，可滿足在1200 ℃以上的高溫環(huán)境下作為受感部主承力件的使用要求。

（2）采用高溫陶瓷復(fù)合材料及“內(nèi)埋”式屏蔽罩結(jié)構(gòu)，減小了受感部的傳熱誤差，所設(shè)計(jì)的受感部綜合誤差完全滿足測(cè)試精度要求；且由于支桿采用一體化加工，大大降低了設(shè)計(jì)及裝配復(fù)雜度。

（3）燃燒室出口溫場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果表明，利用設(shè)計(jì)的無(wú)冷卻高溫受感部所測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)變化情況與試驗(yàn)狀態(tài)變化情況一致，能夠反映燃燒室出口溫度分布規(guī)律。

（4）在測(cè)試截面空間有限且需布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境中，基于高溫陶瓷復(fù)合材料的受感部具有較大的應(yīng)用前景和價(jià)值。但考慮該材料的脆性問題，在振動(dòng)較大的場(chǎng)合應(yīng)充分考慮受感部動(dòng)強(qiáng)度裕度，做好受感部使用壽命的評(píng)估分析。