金-鉑熱電偶的壓氣機(jī)流場測溫分析

趙春雷，趙國昌，宋麗萍，佟顯義

（1.沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部（院），遼寧 沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學(xué)高等教育研究所，遼寧 沈陽 110136）

0 引 言

壓氣機(jī)作為航空發(fā)動機(jī)的五大部件之一，溫度和壓力是壓氣機(jī)試驗(yàn)中兩個重要的測量參數(shù)。近幾年隨著航空業(yè)的發(fā)展和人們對溫度參數(shù)關(guān)注度的提高，傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶已無法滿足航空壓氣機(jī)試驗(yàn)測量的新要求。測溫方法在滿足壓氣機(jī)中小空間溫度測量的要求下，允差＜±0.3℃，工作壽命＞5年。

測溫準(zhǔn)確度的提高有助于提高壓氣機(jī)性能，尤其在測量壓氣機(jī)中小溫升時，這種影響更為突出。

1 傳統(tǒng)測溫方法的準(zhǔn)確度比較

壓氣機(jī)級間溫升可表征壓氣機(jī)部分級的做功能力。單、雙級壓氣機(jī)試驗(yàn)及壓氣機(jī)級間測量的小溫升一般僅為20～50℃，因此測量的相對誤差較大。較高準(zhǔn)確度的測量可準(zhǔn)確反映壓氣機(jī)實(shí)際工作情況，指導(dǎo)進(jìn)一步的壓氣機(jī)設(shè)計(jì)。在壓氣機(jī)效率計(jì)算中，溫度測量誤差占總效率誤差的80%以上[1]。由此可見提高測溫準(zhǔn)確度的重要。

壓氣機(jī)級間間距小，以某型渦扇發(fā)動機(jī)為例，其壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片間距約為3～10 mm；因此，測溫探針的幾何尺寸應(yīng)足夠小，以滿足測量環(huán)境的要求。壓氣機(jī)流場環(huán)境復(fù)雜，測溫探針需滿足一定的方向不敏感性，經(jīng)設(shè)計(jì)后的測溫探針預(yù)留給其中傳感器的安裝尺寸有限。此外，測溫探針的安裝不可影響流場的流動。例如，葉形探針只適用于靜葉高度＞20mm的壓氣機(jī)段[2]。由此，應(yīng)用于壓氣機(jī)測量的傳感器尺寸進(jìn)一步受到限制。

航空壓氣機(jī)的氣流溫度測量廣泛采用熱電偶法和熱電阻法。由于兩者測溫準(zhǔn)確度和適用范圍等優(yōu)于其他測溫方法，一直受到人們青睞。熱電阻主要用于測量航空壓氣機(jī)進(jìn)口氣流溫度，熱電偶主要用于測量航空壓氣機(jī)級間和出口的氣流溫度，與熱敏電阻等其他測溫方法配合使用。

熱電阻準(zhǔn)確度普遍高于熱電偶和熱敏電阻，其準(zhǔn)確度如表1所示。然而，熱電阻的結(jié)構(gòu)形式是將純金屬細(xì)絲纏繞固定在絕緣支架上，外部加保護(hù)套管，因此測量端幾何尺寸較大，其直徑通常大于2mm，不適用航空壓氣機(jī)內(nèi)部氣流溫度測量。

表1 熱電阻參數(shù)

目前，應(yīng)用于壓氣機(jī)氣流溫度測量的熱電偶主要是等級I廉金屬熱電偶，國家計(jì)量檢定規(guī)程顯示其允差為±1.5℃。隨著熱電偶技術(shù)的發(fā)展，廉金屬熱電偶的準(zhǔn)確度有所提高，如美國歐米茄公司生產(chǎn)的廉金屬熱電偶允差改進(jìn)為±1.0～±1.2℃。貴金屬熱電偶在相同的測溫范圍內(nèi)具有較高的準(zhǔn)確度，但實(shí)際使用時，由于熱電勢較低，引入的相對誤差較大，從而影響測量準(zhǔn)確度。因此，貴金屬熱電偶很少在低溫范圍使用，不適用于壓氣機(jī)溫度測量。不同型號的熱電偶參數(shù)如表2所示。

熱敏電阻通常包含在氣動探針中，與氣動探針共同測量壓氣機(jī)中的溫度和壓力參數(shù)。文獻(xiàn)[3]中敘述的帶熱敏電阻的氣動探針測溫范圍0～200℃，測溫允差±0.3℃。目前，熱敏電阻的允差提高到±0.1℃，但測溫范圍仍無明顯改善。由于航空壓氣機(jī)出口氣流溫度較高，一般為 600℃，部分可達(dá) 800～900℃[4]，所以帶熱敏電阻的氣動探針也不能完全滿足目前的航空壓氣機(jī)測溫新要求。

綜上所述，現(xiàn)行最優(yōu)測量航空壓氣機(jī)氣流溫度的方法為熱電偶法，其允差最高可達(dá)±1.0℃。但就準(zhǔn)確度而言，仍未達(dá)到目前的新要求±0.3℃。

2 金-鉑熱電偶的發(fā)展研究

提高熱電偶的測溫準(zhǔn)確度是可能達(dá)到測溫新要求的最好方法。熱電偶材料決定著熱電偶的特性，傳統(tǒng)熱電偶材料由合金組成，其材料的均勻性和穩(wěn)定性都限制了熱電偶的準(zhǔn)確度與壽命。單質(zhì)熱電偶由貴金屬單質(zhì)構(gòu)成，均勻性和穩(wěn)定性都優(yōu)于傳統(tǒng)熱電偶，具有優(yōu)越的熱電特性。金、鈀、鉑、銠、銥、銀、釕等貴金屬是單質(zhì)熱電偶常用的材料，經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，金-鉑、鉑-鈀是較好的熱電偶材料組合。金-鉑熱電偶的準(zhǔn)確度略高于鉑-鈀熱電偶，鉑-鈀熱電偶的測溫上限略高于金-鉑熱電偶[5]。

金-鉑熱電偶采用直徑為0.5mm的高純度金絲與鉑絲，并用0.12 mm的鉑絲（去應(yīng)力線圈）連接而成，如圖1（a）所示。資料顯示，純度為99.999%的金-鉑熱電偶在0～962℃范圍內(nèi)不確定度＜8.3 mK，0～1000℃范圍內(nèi)的不確定度增加到14mK，在963℃下可靠工作1000h以上[6]。韓國標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)研究所采用鉑絲純度為99.9999%的金-鉑熱電偶，在1000℃可穩(wěn)定工作1500h，在銀固定點(diǎn)的漂移量為40mK[7]。埃及國家標(biāo)準(zhǔn)研究所使用金絲純度為99.995%的金-鉑熱電偶，在0～900℃范圍內(nèi)測得溫度的復(fù)現(xiàn)度僅為±4mK；文獻(xiàn)還顯示了相同溫度下金-鉑熱電偶的電動勢是傳統(tǒng)貴金屬熱電偶的2倍以上，介于傳統(tǒng)廉金屬熱電偶和貴金屬之間[8]。由以上研究可知，金-鉑熱電偶是一種高準(zhǔn)確度的測溫方法，優(yōu)于所知的傳統(tǒng)熱電偶。金-鉑熱電偶在0～962℃范圍內(nèi)允差＜8.3mK，在高溫段使用壽命＞1500h。初步可認(rèn)為金-鉑熱電偶符合目前壓氣機(jī)氣流測溫的新要求。

但上述的金-鉑熱電偶由去應(yīng)力線圈連接制成，不適用工業(yè)環(huán)境的測量。如圖1所示，日本玉川大學(xué)對金-鉑熱電偶的結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并與傳統(tǒng)結(jié)點(diǎn)的金-鉑熱電偶進(jìn)行測量準(zhǔn)確度試驗(yàn)對比，結(jié)果顯示無去應(yīng)力線圈的結(jié)構(gòu)仍可長期穩(wěn)定工作[9]；次年澳大利亞國家計(jì)量研究所采用了無去應(yīng)力線圈的類似結(jié)構(gòu)金-鉑熱電偶，如圖2所示，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，漂移量＜10mK[10]。

表2 熱電偶參數(shù)

圖1 日本玉川大學(xué)新結(jié)構(gòu)金-鉑熱電偶圖

圖2 澳大利亞國家計(jì)量研究所金-鉑熱電偶示意圖

近些年隨著人們對金-鉑熱電偶認(rèn)識的提升，有關(guān)金-鉑熱電偶在科研領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸涌現(xiàn)。2003年日本九州大學(xué)研制的微米級金-鉑薄膜熱電偶，改善了熱掃描顯微鏡的測量效果[11]。2011年澳大利亞國家計(jì)量研究所采用金-鉑熱電偶校準(zhǔn)輻射測溫固定點(diǎn)[12]。2012年中國清華大學(xué)利用金-鉑微納米級熱電偶驗(yàn)證了交流加熱-直流檢測貝塞克系數(shù)的方法[13]。隨著人們對金-鉑熱電偶的逐漸認(rèn)識和工業(yè)測溫要求的提高，金-鉑熱電偶的應(yīng)用會從科研應(yīng)用逐漸向工業(yè)應(yīng)用擴(kuò)展。航空工業(yè)作為國家大力支持的領(lǐng)域很有可能成為金-鉑熱電偶邁向工業(yè)應(yīng)用的第一步。

3 試驗(yàn)應(yīng)用與分析

金-鉑熱電偶作為一種測量航空壓氣機(jī)氣流溫度的新方法，需在取代傳統(tǒng)熱電偶前試工作一段時間，待實(shí)際驗(yàn)證可行后可正式使用。由于航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)花費(fèi)較高，不能為驗(yàn)證金-鉑熱電偶單獨(dú)試驗(yàn)，所以實(shí)際驗(yàn)證金-鉑熱電偶的工作應(yīng)在一般航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上完成，且保證驗(yàn)證金-鉑熱電偶的過程中不會影響發(fā)動機(jī)的正常試驗(yàn)工作。結(jié)合航空發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)，具體驗(yàn)證方法步驟如下：

1）確定安裝位置。由于壓氣機(jī)內(nèi)部和出口處空間較小、氣流流速快，若在此處布置傳感器對發(fā)動機(jī)內(nèi)的流場流動影響較明顯。壓氣機(jī)進(jìn)口處空間較大且流速較低，相對于壓氣機(jī)內(nèi)部和出口處而言是較好的選擇。具體安裝位置應(yīng)選在熱電阻傳感器位置相對稱的位置，便于使用熱電阻的測量值檢測金-鉑熱電偶。

2）傳感器制作。改裝金-鉑熱電偶，使其幾何尺寸與傳感器的尺寸相近，并盡可能的小，以減小對流場的影響。

3）試驗(yàn)驗(yàn)證。金-鉑熱電偶裝置安裝后，正常開展航空發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)工作，在采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)的同時采集金-鉑熱電偶的測量數(shù)據(jù)。

4）結(jié)果比較。重復(fù)驗(yàn)證金-鉑熱電偶，將其測量值與相同位置的熱電阻測量值比較分析。

5）得出結(jié)論。若金-鉑熱電偶的測量值與熱電阻的測量值之差在合理的范圍內(nèi)，則可判定金-鉑熱電偶測量值準(zhǔn)確。當(dāng)判定金-鉑熱電偶測量值不再準(zhǔn)確時，統(tǒng)計(jì)金-鉑熱電偶的使用總時間，得出單支金-鉑熱電偶的準(zhǔn)確度與使用壽命。

6）重復(fù)以上步驟。隨機(jī)統(tǒng)計(jì)3支以上的金-鉑熱電偶的準(zhǔn)確度和使用壽命。求平均值并最終確定金-鉑熱電偶是否滿足新的要求。

參照國外的研究進(jìn)展，可初步預(yù)判金-鉑熱電偶滿足航空壓氣機(jī)測溫的要求。若不滿足，應(yīng)首先檢測傳感器的制作過程中是否有誤。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）出售的金-鉑熱電偶價格昂貴（約￥80000），但高純度的金、鉑材料成本遠(yuǎn)低于金-鉑熱電偶價格，所以金-鉑熱電偶價格昂貴的實(shí)質(zhì)原因在于制作加工成本較高。目前，金-鉑熱電偶已作為美國、韓國的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，若國內(nèi)也將其標(biāo)準(zhǔn)化，金-鉑熱電偶將得到加速推廣，制作成本也會降低，最終價格將會與其他貴金屬熱電偶的價格相近。在航空領(lǐng)域，貴金屬熱電偶早已廣泛應(yīng)用于高溫測量，所以金-鉑熱電偶的最終價格也易被接受。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合現(xiàn)今航空壓氣機(jī)的測溫現(xiàn)狀和測溫新要求，提出了應(yīng)用金-鉑熱電偶提高測量準(zhǔn)確度的新方法，分析、歸納了金-鉑熱電偶的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀及分析了實(shí)際應(yīng)用時可能遇到的問題。金-鉑熱電偶準(zhǔn)確度、壽命等均遠(yuǎn)高于目前標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，能夠滿足航空壓氣機(jī)試驗(yàn)的新要求。鑒于試驗(yàn)在航空發(fā)動機(jī)研制環(huán)節(jié)中的重要部分，應(yīng)用金-鉑熱電偶可以推進(jìn)航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)工作的進(jìn)展，為航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)提供更準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

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