國(guó)外晶體測(cè)溫技術(shù)研究與應(yīng)用

張 娜，鄭天慧，李 楊，王巍巍

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)/燃?xì)廨啓C(jī)渦輪轉(zhuǎn)子葉片的溫度測(cè)量一直是業(yè)內(nèi)難題，也是影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)/燃?xì)廨啓C(jī)研制的一個(gè)重要因素。由于傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)大多存在測(cè)點(diǎn)少、難以獲得關(guān)鍵數(shù)據(jù)、精度低，特殊位置溫度難以測(cè)量等缺點(diǎn)，為了準(zhǔn)確測(cè)量轉(zhuǎn)子葉片溫度，需在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中引入可打破傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)局限性的新測(cè)試方法。目前，國(guó)外已普遍采用一種創(chuàng)新型測(cè)溫技術(shù)——晶體測(cè)溫技術(shù)[1-2]。該技術(shù)是用于測(cè)量試驗(yàn)件表面/氣流最高溫度的特種技術(shù)，其工作原理基于晶體釋放的溫度記憶效應(yīng)[3]。相較于傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)，晶體測(cè)溫技術(shù)不僅傳感器尺寸微小、無需測(cè)試引線，且還可在不影響待測(cè)零件氣動(dòng)流場(chǎng)的同時(shí)保證高測(cè)試精度。國(guó)內(nèi)晶體測(cè)溫技術(shù)研究起步較晚，從上世紀(jì)90 年代末期才開始接觸，目前仍處于理論研究與實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段，急需掌握晶體在實(shí)際測(cè)溫試驗(yàn)中的具體應(yīng)用方法和效果。因此，有必要對(duì)國(guó)外晶體測(cè)溫技術(shù)現(xiàn)狀、使用方法及效果開展研究，為國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域科研工作提供支撐[4-6]。

本文簡(jiǎn)述了國(guó)外晶體測(cè)溫技術(shù)研究概況，分析了該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)/燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片上的測(cè)試案例及應(yīng)用效果，提出了國(guó)內(nèi)應(yīng)用測(cè)溫晶體可供參考的意見，為國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)/燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用晶體測(cè)溫技術(shù)提供了借鑒與支撐。

2 國(guó)外晶體測(cè)溫技術(shù)研究概況

晶體測(cè)溫技術(shù)最早由蘇聯(lián)研發(fā)，后推廣至美國(guó)、德國(guó)、日本、瑞士、瑞典等國(guó)。國(guó)外在晶體測(cè)溫技術(shù)研究方面知名度較高的有俄羅斯的庫爾恰托夫I.V.原子能研究所(以下簡(jiǎn)稱庫爾恰托夫研究所)和美國(guó)的LG Tech-Link 公司。這兩家機(jī)構(gòu)研制的晶體傳感器已在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

2.1 庫爾恰托夫研究所

庫爾恰托夫研究所是最早研發(fā)晶體測(cè)溫技術(shù)的機(jī)構(gòu)。其研究的晶體傳感器，是低溫條件(～80℃)下在核反應(yīng)堆經(jīng)一定能量和強(qiáng)度的中子輻照后的立方體碳化硅單晶(β相)，其主要性能指標(biāo)見表1[7]。與示溫漆相比，晶體傳感器在高溫范圍內(nèi)測(cè)量精度更高，抗外界腐蝕能力更強(qiáng)，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械制造和能源領(lǐng)域。主要用于測(cè)量渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片和渦輪盤、航天飛行器防熱材料、內(nèi)燃機(jī)閥門和活塞環(huán)、滾珠軸承滾珠等的溫度。圖1 示出了多個(gè)國(guó)家采用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與庫爾恰托夫研究所的晶體傳感器同一時(shí)間、同樣位置測(cè)得的結(jié)果對(duì)比，可見兩種測(cè)溫方式所測(cè)結(jié)果吻合較好[7]。

表1 庫爾恰托夫研究所晶體傳感器的主要性能指標(biāo)Table 1 Crystal sensor characteristics of Kurchatov institute

2.2 LG Tech-Link公司

LG Tech-Link公司是一家專門研究晶體溫度傳感器技術(shù)并提供相關(guān)支撐服務(wù)的公司，其研制的晶體傳感器已在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪增壓器、燃料電池和往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。LG Tech-Link公司晶體傳感器的主要性能指標(biāo)見表2[8]。近十多年來，隨著中子物理、晶體增長(zhǎng)技術(shù)和X 射線輻照技術(shù)的突破，促進(jìn)了晶體傳感器在精度、可靠性和用戶友好性方面的發(fā)展。晶體傳感器現(xiàn)已可用于發(fā)動(dòng)機(jī)所有研制階段與傳熱和耐久性相關(guān)的項(xiàng)目，如傳熱穩(wěn)態(tài)分析模型、冷卻設(shè)計(jì)方案、耐久性和裂紋擴(kuò)展預(yù)測(cè)等。

圖1 晶體傳感器與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶所測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.1 Results comparison between crystal sensors and standard thermocouple

表2 LG Tech-Link公司晶體傳感器的主要性能指標(biāo)Table 2 Crystal sensors technical characteristics of LG Tech-Link

3 國(guó)外應(yīng)用案例

3.1 AI-25TL渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)排故

AI-25TL發(fā)動(dòng)機(jī)使用過程中渦輪第一級(jí)導(dǎo)葉葉身出現(xiàn)了氧化和積碳故障，故障原因疑似與導(dǎo)葉冷卻系統(tǒng)工作不穩(wěn)定和冷卻效果較差有關(guān)。排故時(shí)采用了一種對(duì)部件改動(dòng)最小的導(dǎo)向器冷卻系統(tǒng)改進(jìn)方案，圖2示出了改進(jìn)前、后導(dǎo)向器的結(jié)構(gòu)和外觀。使用晶體傳感器及示溫漆兩種方式對(duì)改進(jìn)前后導(dǎo)向器冷卻系統(tǒng)實(shí)施了對(duì)比測(cè)溫，圖3給出了晶體傳感器安裝位置及改進(jìn)前、后葉片晶體測(cè)溫平均結(jié)果對(duì)比[1]。結(jié)果表明，改進(jìn)后葉片冷卻效果最佳位置為葉盆、葉背和前緣處，效果最差位置為尾緣中間截面。此次測(cè)溫結(jié)果為該型發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)改進(jìn)提供了參考。

圖2 導(dǎo)向器葉片結(jié)構(gòu)外觀Fig.2 Configuration of guide vane

圖3 晶體傳感器安裝位置及測(cè)溫結(jié)果Fig.3 Installed position and temperature measurement result of crystal sensor

采取上述改進(jìn)措施后，導(dǎo)向器內(nèi)緣板又出現(xiàn)了腐蝕-侵蝕性損耗及積碳故障。排故時(shí)對(duì)導(dǎo)向器進(jìn)口內(nèi)機(jī)匣進(jìn)行吹氣以補(bǔ)充氣膜冷卻，進(jìn)而達(dá)到有效冷卻內(nèi)緣板、降低第一級(jí)導(dǎo)葉內(nèi)緣板溫度的目的。排故方案確定后，針對(duì)吹送空氣量、吹氣孔幾何尺寸及其周向布置開展了流體計(jì)算工作；對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了專門的補(bǔ)加工和測(cè)試改裝；開展專門試驗(yàn)評(píng)估了補(bǔ)充吹氣對(duì)第一級(jí)導(dǎo)葉內(nèi)緣板溫度場(chǎng)、第一級(jí)工作葉片溫度場(chǎng)、第一級(jí)導(dǎo)向器內(nèi)外機(jī)匣溫度場(chǎng)及對(duì)燃燒室出口燃?xì)鉁囟葓?chǎng)的影響。試驗(yàn)分兩個(gè)階段：第一階段在發(fā)動(dòng)機(jī)原有葉型上試驗(yàn)，第二階段在同一發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過補(bǔ)加工的葉型上試驗(yàn)，且兩個(gè)階段試驗(yàn)時(shí)均未拆除燃燒室。采用晶體傳感器測(cè)量了第一級(jí)導(dǎo)葉內(nèi)緣板溫度、第一級(jí)工作葉片葉身型面溫度和燃燒室出口燃?xì)鉁囟取２捎檬緶仄嵩u(píng)估了導(dǎo)向器內(nèi)外機(jī)匣熱狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果表明，補(bǔ)充冷卻內(nèi)緣板使得渦輪第一級(jí)導(dǎo)葉內(nèi)緣板、第一級(jí)工作葉片榫頭、根部截面、中間截面、葉尖截面等多部位溫度明顯降低，且未導(dǎo)致燃燒室出口燃?xì)鉁囟葓?chǎng)惡化和渦輪第一級(jí)工作葉片溫度場(chǎng)惡化[2]，排故改進(jìn)措施可行。

3.2 霍尼韋爾發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片排故

2008年，霍尼韋爾公司某發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中出現(xiàn)了高壓渦輪第二級(jí)靜子(S2)氧化破裂、第一級(jí)轉(zhuǎn)子(R1)葉冠氧化缺損、TBC涂層及金屬損失等故障[9]，故障根本原因是吸入了主流路的高溫燃?xì)?。排故中進(jìn)行了CFD 分析和臺(tái)架試驗(yàn)，并將兩者的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。在臺(tái)架試驗(yàn)中，為測(cè)量葉冠腔不同位置的金屬溫度，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上共使用了350多個(gè)碳化硅晶體傳感器。其中，23個(gè)位于R1和S2之間的外徑腔，其余的位于R1盤、葉盆、葉背以及緣板上[8]。圖4 為試驗(yàn)中R1 和S2 間的總溫圖，圖中★表示晶體傳感器。通過對(duì)比，晶體測(cè)溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步證實(shí)了CFD分析的置信度和可靠性，同時(shí)也驗(yàn)證了通過減少高壓渦輪R1葉冠和S2外端壁間軸向間隙達(dá)到腔體降溫的排故改進(jìn)措施的可行性。

圖4 R1和S2間的總溫圖Fig.4 Total temperature pattern between R1 and S2

3.3 GTX100燃?xì)廨啓C(jī)溫度測(cè)量

為完成壽命預(yù)測(cè)，在真實(shí)的燃?xì)廨啓C(jī)條件下，使用晶體傳感器在同一次試驗(yàn)中測(cè)量靜子部件和轉(zhuǎn)子葉片處氣體與金屬表面的溫度，并將測(cè)量結(jié)果與同一組件的三維傳熱耦合模型的計(jì)算溫度場(chǎng)進(jìn)行比較。在GTX100 燃?xì)廨啓C(jī)測(cè)溫試驗(yàn)中，測(cè)點(diǎn)超過2 300個(gè)，包括1 975個(gè)晶體傳感器，237個(gè)熱電偶和110 個(gè)壓力探頭，同時(shí)輔以示溫漆測(cè)量。測(cè)溫范圍為20～1 400℃，高溫下暴露的時(shí)間有限。采用的晶體傳感器直徑為0.2 mm，精度達(dá)+10℃[10]。

測(cè)量金屬溫度的晶體傳感器安裝在葉片上直徑0.5 mm、深度0.5 mm 的圓形槽內(nèi)，并使用高溫粘合劑固定。與熱電偶安裝不同，晶體傳感器安裝后葉片表面完全光滑；可以在一個(gè)工件上安裝多個(gè)晶體傳感器測(cè)量溫度梯度，避免了從幾個(gè)組件上測(cè)溫后再進(jìn)行拼接的繁瑣。試驗(yàn)中，晶體傳感器的存活率高達(dá)95%。

測(cè)量進(jìn)入葉片氣流溫度的晶體傳感器安裝在葉片前緣的小陶瓷棒頂端。由于陶瓷棒傳熱率較低，對(duì)氣流熱傳導(dǎo)不敏感，晶體傳感器得以測(cè)出氣流溫度。晶體傳感器實(shí)測(cè)溫度與其他測(cè)溫方式所得氣流溫度差異很小，僅為4℃。此種情況下120個(gè)晶體傳感器存活率只有80%，小于葉片表面測(cè)溫時(shí)的晶體傳感器存活率。

此次晶體測(cè)溫試驗(yàn)證明了晶體傳感器是一種可靠的測(cè)試方法，能實(shí)施精確測(cè)溫并獲取溫度梯度，極有利于在旋轉(zhuǎn)葉片上使用。同時(shí)也證實(shí)了耦合傳熱計(jì)算的可信度，并確定多個(gè)區(qū)域可以考慮減少冷卻空氣量。

4 結(jié)束語

基于晶體測(cè)溫技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和實(shí)用性，針對(duì)我國(guó)晶體測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，建議從以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究和探討：

(1) 加強(qiáng)標(biāo)定判讀技術(shù)的探索及應(yīng)用研究。通過自主研發(fā)攻克該技術(shù)，以避免在獲取測(cè)量結(jié)果上受制于國(guó)外和關(guān)鍵測(cè)試數(shù)據(jù)流入國(guó)外的風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 科學(xué)合理地選用晶體測(cè)溫技術(shù)。晶體測(cè)溫僅能測(cè)出整個(gè)測(cè)試過程中所經(jīng)歷的最高溫度，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際測(cè)試要求和目的，綜合選擇和評(píng)估測(cè)溫部位和合理確定晶體傳感器使用數(shù)量。

(3) 加強(qiáng)晶體傳感器的安裝與拆除工藝研究。依托專業(yè)設(shè)備反復(fù)摸索試驗(yàn)、多次實(shí)際操作以及工藝驗(yàn)證試驗(yàn)不斷優(yōu)化、改進(jìn)晶體傳感器的安裝和拆除工藝，以保證在測(cè)試各環(huán)節(jié)中盡量不丟失、破壞晶體傳感器，提高安裝與拆除的可靠性，以及晶體傳感器的工作效率。

(4) 使用時(shí)應(yīng)合理搭配其他測(cè)試手段。與其他測(cè)試方式(熱電偶或示溫漆)搭配使用不僅可得到待測(cè)零件各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度和關(guān)鍵點(diǎn)的溫度裕度，而且還可驗(yàn)證不同測(cè)試方法的實(shí)際測(cè)量效果。