先进计测技术在航空发动机温度分析中的应用

作者：于霄 张兴 周建军

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 摘 要：对常用温度测试方法的优、缺点进行了详细对比说明，并结合航空发动机高温、高压、高转速和高负荷的特点，对先进计测技术在航空发动机温度测试中的应用进行了分析和介绍，归纳总结了航空发动机温度测试的基本原则。 关键词： 温度测试，红外测温，光学测温，激光测试，旋转测试 1 引言 现代航空技术经过 100 多年的发展已经成为人类科学技术的重要组成部分，成为社会发展的动力，同时也是一个国家工业发展程度的重要指标。在航空技术的发展中，航空发动机不仅是飞机的动力，而且是航空技术发展的推动力，人类在航空领域中取得的每一次重大革命性进展，无不与航空动力技术的突破和进步相关，飞机的需求和发展又促使航空发动机向更高水平迈进，两者相得益彰，促进了整个航空事业的蓬勃发展，所以航空发动机设计水平已成为一个国家科学技术、军事实力和综合国力的重要标志之一。 现代航空发动机是一种典型的旋转热力机械，其追求的是高推重比、低耗油率及高可靠性和耐久性，所以航空发动机内部流场、温度场和应力场的设计验证是航空发动机设计的核心技术，其中航空发动机部件的温度分布尤为重要，其先进性和协调性决定了航空发动机的综合设计水平。 传热与流体动力设计分析技术解决的是航空发动机部件温度场及与其相关流场的问题；同时，传热与流体动力设计，在航空发动机设计流程中处于总体气动热力循环方案确定，涡轮、压气机、燃烧室初步设计结束之后，应力分析、寿命分析之前，作为设计流程中重要一环的传热与流体动力设计技术的提高，对航空发动机整体设计技术水平的提高具有重要意义。 传热和流体动力设计在进行大量复杂、细致地计算的同时，需要进行大量的实验测试，通过对实验测试结果的整理和分析，对理论分析计算的结果进行修正，以保证能够充分和精确地反映航空发动机的实际工作情况，温度测试则是传热和流体动力设计实验验证中的重要内容。 常规的温度测试方法在航空发动机的温度测试中被大量应用，并取得了许多有用的结果，但由于航空发动机的特殊性质：高温、高压、高转速和高负荷，常规测试方法遇到了许多新问题，需要通过方法改进和引入先进的计测方法以满足航空发动机的设计需要。 2 常规温度测试方法 在航空发动机温度测量中，常规温度测试方法实际应用的有三种，即热电偶测温法、示温漆测温法和示温片测温法。这三种方法的选用原则是：按照《航空发动机型号规范》的要求，结合发动机的实际测试需要，根据不同测试方法的特点，单独采用某种测温方法或联合采用多种测温方法进行测试。 2.1 测温方法特点 三种测温方法在航空发动机上的应用范例如图1 所示，测试部位分别位于加力筒体、盘和机匣表面： 热电偶测温法特点： 优点：精度高，应用范围广泛，能够反映发动机工作过程中的温度变化历程（过渡态变化）。 缺点：需要进行测试改装，并且在旋转部件的温度测试中受到限制，提供的是热电偶所在点的温度值，无法提供温度场的分布。 示温漆测温法特点： 优点：测试范围宽；不受结构的限制，能够直观地反映所测部件温度，并提供温度场的信息，在航空发动机的温度测试中应用广泛。 缺点：测试精度有限，并且仅能反映试车过程中的最高温度。同时容易受到污染；同时温度判读工作需要有丰富的经验才能保证准确。 示温片测温法特点： 优点：方法简单，读数方便。 缺点：测量范围有限，并且不宜应用于旋转部件。 2.2 温度分析中的应用 图 2 显示了应用不同方法获得的同一机匣表面温度值（同一试车历程）。 示温漆测试结果显示了机匣表面的完整温度场信息，温度场的不均匀性非常明显，对于航空发动机零组件的三维热分析和整机热弯曲分析有重要的指导意义，但是其精度有限，误差范围5～10℃，可以定性分析，不能用于定量分析，多用于航空发动机原型机设计阶段。 热电偶测试结果显示了机匣表面温度随发动机试车历程的变化规律，精度是±1℃，不但显示了定性的变化规律，而且可以直接应用于航空发动机的瞬态热分析（定量分析），为航空发动机零组件的寿命分析提供温度边界条件，是航空发动机验证机及其后续阶段应用的（技术设计阶段和详细设计阶段）主要测试方法。 相对于以上两种方法，示温片测温法则操作简单、成本低廉、无需改装，多用于机匣等静止低温部件的温度预估。 2.3 测温方法选用原则 根据航空发动机研制阶段、测量部件、测量要求的不同选择一个或多个测试方法完成温度测试任务： a) 原型机设计阶段多用示温漆和示温片测量和预估部件温度，辅助以热电偶测量主流温度。 b) 验证机及其后续阶段则主要应用热电偶详细测量部件的温度变化，应用于空气系统和热分析的详细设计中，局部辅助以示温漆研究其温度不均匀性。 c) 涡轮叶片等旋转部件，由于其高温、冷却结构复杂、温度分布不均匀，多采用示温漆测温。 d) 机匣等静止部件则采用热电偶测量其温度变化，尤其是过渡态温度变化。 e) 同时应根据试车历程的特点和要求选择不同的测温方法。 3 先进计测方法： 随着现代科学技术的进步，尤其是近现代光电技术的迅猛发展，先进计测方法不断涌现，红外测温技术、光学测温技术、液晶测温技术、激光测温技术成为测温技术的主流，并在工程设计中得到应用。 航空发动机是典型的高温旋转机械，高温、高压、高转速和高负载是其特点，为适应航空发动机技术的发展，许多先进的计测方法在航空发动机温度测试上应用，极大的推动了航空技术的发展。 3.1 光学高温技术 随着航空发动机性能的提高，燃烧室出口的温度逐渐提高，在2000K 的高温燃气流中，即使选用铂铑铂等贵金属热电偶材料，仍然会有热电势不稳定和使用寿命短等问题，同时插入燃气流中的受感部会影响流场，一旦损害，则会对后面的旋转部件造成极大的影响。于是一种不干扰流场的、而且测量精度较高的方法――光学高温计被广泛应用于航空发动机的研制。 其原理是通过收集某一表面的热辐射，然后通过光学方法传递给探测器以产生正比于辐射强度的电信号，求解斯蒂芬－玻尔兹曼定律并对表面辐射率加以修正便可建立起该电信号于表面温度的关系，进而获得所需要的温度值。 优点：非接触式，不干扰流场，可以连续测量，遥感，提供多点温度值。 缺点：价格昂贵，需要不断修正以减小误差。 3.2 红外测温技术 对于燃烧室出口火焰，不但温度高而且分布不均匀性（航空发动机专业称为OTDF），为获得燃烧室出口完整温度场的实时信息，红外辐射测温法是近期发展的测量燃气温度的新方法，该方法接收辐射能量大，又是选择性吸收，因此灵敏度高，测温适用范围广。 其原理是：采用高温燃气在某一波长附近红外光谱有一强辐射吸收谱带，且不与其他成分吸收谱带重合，选择此谱带设计红外测温设备，吸收光谱辐射亮度，通过黑体辐射的PLACK 定律和气体辐射的KIRCHHOF 定律，就可以获得燃气温度。 尤为可贵的是，由于红外测温技术的广泛适用性，它也常被用来测量航空发动机壁面温度。 优点：非接触式，不干扰流场，实时，遥感，提供连续的温度场信息。 缺点：价格昂贵，误差较大。 3.3 激光技术 激光诱导荧光法（LIF）是一种非接触式测量方法，其特点是快速、高精度及高灵敏度。主要应用于流体速度测量、浓度测量、火焰温度测量和液滴温度测量，也可以用于可压缩流体的压力测量、液滴粒径及其内部温度分布的研究，甚至可以同时进行流体的浓度和温度测量。 其原理是利用某些荧光染料具有对溶液温度非常敏感的荧光特性实现溶液温度测量。实验中，通过配制均匀、低浓度的荧光染料溶液以避免荧光自吸收及激发光沿程衰减的影响，并选择适当的激发光波长，就可以通过荧光发射强度与溶液温度的关系来测量溶液温度。 优点：非接触式，不干扰流场，实时，可以测量一些特殊流体。 缺点：价格昂贵，设备应用复杂，精确度有限。 图 3 显示了激光诱导荧光技术测温的原理和应用，该技术已经应用于航空发动防冰系统设计中，可以获得航空发动机风扇进口气流中的水滴团温度，为克服这一困扰防冰系统多年的技术难题提供了较好解决方案。 3.4 旋转测试技术 航空发动机是典型的旋转机械，在温度场测量中必须考虑旋转信号的传输问题，现有的传统方法是应用滑环引电器，将旋转的热电偶信号转换成静止信号进行采集。 滑环引电器特点： 优点：可靠，技术成熟。 缺点：受使用周期限制，容易损坏，贵金属接触点昂贵。 近十几年来，现代无线遥测技术的诞生促进了旋转测试技术的巨大发展，图4 和图5 是应用模拟电信号的遥测技术，已经应用于航空发动机部件实验。 该技术的应用使旋转部件的大规模测温成为可能，在航空发动机的技术设计阶段和详细设计阶段其作用尤为明显。获得详细的旋转部件温度分布，使旋转部件的强度和寿命分析更加准确。 3.5 温度分析中的应用 先进计测技术在航空发动机的温度分析中有其适用范围，应该根据其特点和测温需求进行具体选择，其选用原则如下： a) 光学高温计和红外辐射测试方法多用于燃烧室出口温度场测试，光学高温计获得的是单点温度，红外辐射测试方法则可以获得完整的温度场信息，对于研究燃烧室出口的温度不均匀度具有重要意义。 b) 红外测试方法也可以用于测量航空发动机表面壁温，以完成航空发动机对飞机短舱放热量计算。 c) 激光测试方法多用于防冰部件的设计和防冰系统的分析，测量航空发动机进口气流的温度，尤其是其中的水滴团温度，保证防冰系统的可靠性。 d) 上述三种方法都是非接触测量方法，不需要测试改装或者测试改装量很小，对航空发动机的影响几乎可以忽略。 e) 旋转测试技术保证了旋转部件温度测试的准确性，但需要较大规模的测试改装，安装配套测试装备，多用于详细设计阶段，以提供航空发动机的可靠性和耐久性。 4 总结与展望： 航空发动机的复杂性决定了其温度测量技术的复杂性，所以在航空发动机温度测试中应遵循如下原则： 详细分析航空发动机特有属性，制定满足不同测试要求的测试历程，综合应用多种测量方法，并充分应用先进的计测方法，详细完整记录测试结果，同时强化理论分析方法，对测试结果进行分析，对测试方法不断进行修正，以提供航空发动机整体温度测试水平。 随着现代科学技术的发展，尤其是光电子技术和计算机技术的发展，先进的计测方法不断涌现，在航空发动机温度测试中可以预见的先进计测技术有： a) 晶体测温技术、 b) 光电遥测技术 c) 无线蓝牙测试技术等 随着这些先进计测技术的应用，航空发动机温度测试技术水平和测试精度将大幅提高，进而为祖国航空技术的提高提供坚实基础。 致谢：感谢北京航空航天大学航空发动机气动热力国防科技重点实验室和人机与环境工程系在先进计测技术上的创新探索。 参考文献 1．《航空发动机设计手册》，航空工业出版社，2001 2．杨世铭，《传热学》，高等教育出版社，1997 3．张宝诚，《航空发动机试验和测试技术》，北京航空航天大学出版社，2005 4．于霄，《径向内流旋转盘腔流动与换热研究》，北京航空航天大学博士论文，2009

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/17/2012)