劉志剛，賀 元，張 帥，鄒遠祿，吳曉東

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，四川 綿陽 621000)

1 引言

渦輪葉片作為航空發(fā)動機的重要熱端部件，其工作環(huán)境十分惡劣，工作溫度高達2 000 K 甚至更高[1]，已遠超葉片材料可承受的極限溫度，且隨著發(fā)動機推重比和性能的不斷提高，渦輪葉片的工作溫度還在不斷增加[2]。為此，必須采用先進的冷卻技術(shù)對葉片進行降溫及保護，防止葉片在高溫條件下出現(xiàn)燒蝕、掉塊、裂紋等故障。因此，渦輪葉片表面溫度的測量及其準確性，對于準確識別高溫區(qū)域和結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要意義[3]。

在渦輪葉片表面溫度測量方面，國內(nèi)使用較多的測溫方式有傳統(tǒng)的接觸式熱電偶測溫、示溫漆測溫和紅外輻射測溫三種[4-5]。其中，示溫漆測溫僅能反映試驗過程中的最高溫度，測溫準確度相對較低，且只能一次性使用；紅外輻射測溫價格昂貴，誤差較大，空間分辨率不高，且測溫精度受表面發(fā)射率影響大，數(shù)據(jù)錄取范圍易受測試結(jié)構(gòu)影響[6]；接觸式熱電偶測溫具有精度高、響應(yīng)快、成本低和技術(shù)相對成熟等特點，在渦輪葉片表面溫度測量方面具有較大的使用比例，在今后很長一段時間內(nèi)依然會是發(fā)動機高溫測量的主要手段。因此，針對廣泛使用的接觸式熱電偶測溫，有必要對其開展測溫誤差分析與研究。

目前，熱電偶測溫誤差研究多集中在熱電偶自身及所處環(huán)境的影響因素等方面，如研究了沿測溫元件導(dǎo)熱引起的誤差，接點導(dǎo)熱誤差，熱輻射引起的誤差，熱慣性引起的誤差，熱電偶對被測溫度場的影響帶來的誤差，參考端溫度變化導(dǎo)致的誤差，外界因素如磁場等干擾帶來的誤差，熱電偶使用性能衰減帶來的誤差等，且研究的方法多種多樣。但是針對敷設(shè)工藝帶來的影響尚無公開報道，缺少熱電偶在工程應(yīng)用場合下的測溫誤差研究。本文以渦輪葉片冷效試驗中的侵入式熱電偶敷設(shè)為出發(fā)點，就溫度測量結(jié)果能否作為葉片表面溫度使用這一問題進行研究，分析熱電偶敷設(shè)工藝與溫度測量之間存在的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2 熱電偶測溫影響因素研究現(xiàn)狀

國外研究方面，NASA 劉易斯研究中心在1974年總結(jié)出了開槽侵入式熱電偶在葉片溫度場測量中的安裝規(guī)范[7]，在槽道深度、熱電偶結(jié)構(gòu)等方面也做了大量研究工作，但成果未對外公開。Tarnopolsky等[8]研究了熱電偶導(dǎo)線對葉片溫度測量造成的誤差，發(fā)現(xiàn)熱傳導(dǎo)引起的誤差比熱輻射和熱對流高一個數(shù)量級。Hu等[9]對熱電偶插入物體表面因外流造成的測量誤差進行了數(shù)值仿真分析，結(jié)果表明熱電偶測溫處因沿熱電偶導(dǎo)熱造成局部過度冷卻，導(dǎo)致測量結(jié)果偏低。Kuznetsoy等[10]用數(shù)值計算的方法研究了使用不同導(dǎo)熱系數(shù)填料下的表面溫度場，表明額外熱阻對溫度測量的準確性影響明顯。Roberts等[11]對熱電偶測流體溫度時熱輻射帶來的誤差進行了分析，結(jié)果顯示，在高溫流體溫度測量中熱輻射帶來的誤差大于10%，且隨著雷諾數(shù)變化。Ishihara[12]關(guān)于熱電偶測燃燒表面溫度的研究表明，采用更小的熱電偶頭部可以減小自身導(dǎo)熱帶來的誤差。Alwaaly等[13]對熱電偶絕緣層導(dǎo)熱影響開展了研究，指出高溫范圍下絕緣層導(dǎo)熱造成的影響可以忽略。

國內(nèi)研究方面，楊世銘對熱電偶導(dǎo)熱測溫誤差問題進行了理論求解[14]，給出了不同邊界條件下測溫誤差的無因次公式。楊斌等[15]針對導(dǎo)熱、輻射、熱慣性等引起的誤差進行了分析，對一些可以減小的誤差提出了相應(yīng)措施。馬計等[16]開展了接觸長度對熱電偶測溫精度影響的研究，得出熱電偶測溫線接觸比點接觸誤差小、靈敏度高的結(jié)論，并且增加接觸長度可以減小誤差。陳暉[17]在超燃沖壓發(fā)動機地面試驗主動冷卻燃燒室壁面溫度測量中，開展了熱電偶在被測壁面上以不同方式焊接對測量帶來的影響研究，結(jié)果表明不同壁面厚度和熱電偶焊點距離對溫度測量有明顯影響，減小誤差應(yīng)盡量減小焊接面積。

航空發(fā)動機渦輪葉片溫度場測試中多采用熱電偶測溫，但國內(nèi)外研究中關(guān)于熱電偶埋設(shè)方式對壁面測溫精度影響的研究很少有學(xué)者提及。

3 侵入式熱電偶敷設(shè)方案

接觸式熱電偶測溫主要有露端型敷設(shè)和侵入式敷設(shè)兩種方式。露端型敷設(shè)是將測溫熱電偶固定在被測物體表面，采用薄片將熱電偶頭部壓在測點位置實現(xiàn)測溫。由于熱電偶敷設(shè)在被測物體表面，在物體表面流動換熱較為復(fù)雜時，會造成近壁面氣體流動發(fā)生變化，影響被測物體的溫度分布。在渦輪葉片冷效試驗中，這種影響會造成實際溫度場與預(yù)期溫度場產(chǎn)生偏差，不利于冷卻效果評定。為消除熱電偶對近壁面氣體流動的影響，衍生出了侵入式敷設(shè)方式。侵入式敷設(shè)是將測溫熱電偶埋入預(yù)先在被測物體表面加工的槽道中，固定熱電偶后再對埋入位置表面進行處理，保證被測物體表面連續(xù)完整，以消除對流動換熱的影響，進而進行溫度測量。

目前，在渦輪葉片冷效試驗中，葉片表面溫度通常選用直徑0.5 mm的K型鎧裝熱電偶測試，熱電偶測試精度等級為Ⅰ級。葉片侵入式熱電偶敷設(shè)方式見圖1。在測試葉片表面加工出深度0.5 mm、寬度0.5 mm 的槽道，槽道端部為預(yù)定的測點位置；將熱電偶埋入槽道中，其頭部緊貼槽道頂端，沿程使用不銹鋼絲點焊固定；對埋設(shè)熱電偶的槽道采用等離子噴涂工藝噴涂金屬涂層，填充熱電偶與槽道之間的間隙；對噴涂完畢后的葉片表面進行打磨拋光，保證槽道與葉片表面型面完整、過渡連續(xù)；將熱電偶沿葉片緣板處集束引出，接入試驗器溫度測試系統(tǒng)。

圖1 葉片侵入式熱電偶敷設(shè)方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of blade intrusive thermocouple embedding method

4 關(guān)鍵因素分析

針對侵入式熱電偶敷設(shè)方式，結(jié)合該測溫方式的工藝操作過程(圖2)，對其制備流程進行全周期分析。結(jié)合實際操作過程及使用過程中暴露的問題，整理出操作工序引入額外熱阻、熱電偶埋入深度、熱電偶埋入間隙三個主要影響因素。

圖2 侵入式熱電偶敷設(shè)流程Fig.2 The layout process of intrusive thermocouple

4.1 操作工序引入額外熱阻

侵入式熱電偶敷設(shè)方式需要預(yù)先在測試物體表面加工槽道，埋入熱電偶后再進行噴涂和打磨，這雖然保證了測試葉片表面的完整和連續(xù)，但是對被測基體內(nèi)部造成了破壞。參照熱電偶敷設(shè)放大圖(圖3)可以看出，加工槽道去掉了槽道處的基體材料，埋入熱電偶后熱電偶與槽道下方形成了空腔，而噴涂鎳鉻-碳化鉻金屬涂層工序并不能將該空腔完全填充。加之熱電偶外殼通常為不銹鋼或高溫合金，熱電偶絕緣層通常為氧化鎂、氧化鋁等材料。據(jù)此，槽道埋入熱電偶后，引入了空氣、鎳鉻-碳化鉻、不銹鋼或高溫合金、氧化鎂或氧化鋁這幾種材料。在測試葉片與熱電偶本體的導(dǎo)熱測溫過程中，這些材料都會形成不同的導(dǎo)熱熱阻，從而影響被測物體的實際溫度場以及熱電偶感受到的溫度。為此，需評定新引入材料對整個溫度場的影響程度。

圖3 熱電偶敷設(shè)放大圖Fig.3 Magnification of buried couple position

為研究這一影響，可建立平板模型進行數(shù)值計算，建模時主要考慮被測物體、金屬涂層、空氣腔、熱電偶外殼、熱電偶絕緣層幾個區(qū)域。根據(jù)實際使用工作狀態(tài)，設(shè)置不同的法向溫度梯度進行數(shù)值仿真。采用單一變量法固定其他變量參數(shù)，分別研究不同導(dǎo)熱系數(shù)條件下，金屬涂層、熱電偶外殼、熱電偶絕緣層對整個被測區(qū)域溫度場的影響以及測試溫度與表面溫度之間的關(guān)系。在試驗驗證方面，由于熱電偶是成品件，其外殼、絕緣層都是不變的，而空氣腔是必定存在的，也無法改變，因此只有被測物體導(dǎo)熱系數(shù)和金屬涂層導(dǎo)熱系數(shù)兩個可研究變量?？刹捎镁仃嚪ù_定不同導(dǎo)熱系數(shù)組合，進行金屬涂層導(dǎo)熱系數(shù)影響的試驗驗證。

4.2 熱電偶埋入深度

渦輪葉片表面熱電偶敷設(shè)槽道通常采用電火花放電腐蝕的方式加工，電極厚度0.5 mm。實際加工過程中，受被測物體表面平整度、電火花加工機床控制精度、電極制造精度等影響，槽道會出現(xiàn)深淺不一的現(xiàn)象，無法完全保證槽道深度為0.5 mm。而渦輪葉片的溫度場很復(fù)雜，沿壁面厚度方向溫度梯度變化較大，且壁面厚度較薄(通常為2.0～3.0 mm)，據(jù)此可確定槽道中存在一定的溫度梯度。在熱電偶埋入深度不一的情況下，熱電偶所測溫度沿著深度會如何變化，與葉片表面溫度之間會呈現(xiàn)何種關(guān)系，就需要研究和評定，以便于后期對試驗結(jié)果進行修正。

針對這一影響因素，建立不同的平板導(dǎo)熱模型(參照圖4)，主要考慮被測物體、熱電偶和槽道深度三個因素。結(jié)合實際使用工況，設(shè)置不同的法向溫度梯度進行數(shù)值計算。采用單一變量法固定其他參數(shù)，研究不同熱電偶埋入深度條件下測量溫度與表面溫度之間的關(guān)系。在試驗驗證方面，結(jié)合數(shù)值計算條件，設(shè)計加工平板試驗件，在相同工況下開展試驗，并以紅外熱像儀測量的表面溫度為基準值。在平板試驗件上加工不同深度的槽道，埋入熱電偶，對平板表面進行噴涂打磨。試驗中，通過熱電偶測量數(shù)據(jù)，檢驗數(shù)值計算結(jié)果，并與基準值進行對比，總結(jié)熱電偶埋入深度對表面溫度測量的影響規(guī)律。

圖4 埋入深度研究模型Fig.4 Embedded depth study model

試驗平板兩側(cè)單獨通過熱氣和冷氣形成換熱邊界，熱氣狀態(tài)為馬赫數(shù)0.4，溫度700 K；冷氣狀態(tài)為馬赫數(shù)0.4，溫度360，390，420，450 K。埋入深度分別為0，0.25，0.50，0.75 mm，埋入間隙分別為0.5，1.0，1.5，2.0 mm。試驗測試方法如圖5所示。

圖5 平板測溫試驗示意圖Fig.5 Schematic diagram of plate temperature measurement test

研究結(jié)果顯示，直接敷設(shè)在表面的熱電偶所測溫度高于表面實際溫度，其差異高達7%，故熱電偶直接敷設(shè)在表面測溫方式不可用于表面溫度測量。開槽埋入方式敷設(shè)的熱電偶所測溫度在數(shù)值方面與表面溫度較為接近(略低于表面溫度)，不同氣體溫差下其差異在0.6%以內(nèi)，且隨著埋入深度的增加而降低。圖6、圖7為試驗測試典型結(jié)果。

圖6 不同埋入深度下的典型紅外圖像Fig.6 Infrared image of different embedded depth

圖7 不同埋入深度下的熱電偶溫度Fig.7 Thermocouple temperature with different embedded depth

基于試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，結(jié)合研究模型的主要換熱參數(shù)，形成埋入深度條件下的溫度熱電偶測量溫度修正關(guān)系式：

式中：L為葉片壁面厚度，x為埋入深度，a、b為經(jīng)驗系數(shù)，Tth為熱電偶測量溫度，TI為葉片表面真實溫度，Tg為葉片燃氣溫度，Tc為葉片冷氣溫度。經(jīng)驗系數(shù)取值為：埋入深度0 mm 時，a=0，b=1.167；埋入深度0.25 mm 時，a=-0.055 5，b=0.029；埋入深度0.50 mm和0.75 mm時，a=-0.060 2，b=-0.067。

4.3 熱電偶埋入間隙

熱電偶采用人工手動操作方式埋入。將熱電偶放入槽道中并保持其頭部挨著槽道端部，之后采用不銹鋼絲點焊固定，再將埋完熱電偶的葉片噴涂鎳鉻-碳化鉻涂層。在此期間，因運輸、包裝等影響，熱電偶頭部會出現(xiàn)不同程度的松動、滑移，最終與槽道端部之間形成不同尺寸的間隙，即熱電偶埋入間隙，造成熱電偶遠離測點位置。在后續(xù)的打磨過程中，這種情況會被保留并帶入到試驗中。在不同的間隙條件下，熱電偶所測溫度與測點位置處的表面溫度會呈現(xiàn)何種關(guān)系需要評定，以便修正測量數(shù)據(jù)和完善埋偶工藝。在此基礎(chǔ)上，如果被測物體表面噴涂熱障涂層，其材料會部分進入間隙中，在熱障涂層隔熱性能測試中，會對測量結(jié)果造成怎樣的影響，也需要開展研究進行評定。

針對這一影響因素，建立不同的平板導(dǎo)熱模型(參照圖8)，主要考慮被測物體、熱電偶和埋入間隙三個因素。結(jié)合實際使用工況，設(shè)置不同的法向溫度梯度進行數(shù)值計算。采用單一變量法固定其他參數(shù)，研究不同熱電偶埋入間隙條件下，測量溫度與表面溫度之間的關(guān)系。在試驗驗證方面，可進行平板換熱測溫試驗。固定埋入深度，在不同的溫度梯度和埋入間隙下進行試驗，并以紅外熱像儀測量的表面溫度為基準值。通過熱電偶測量數(shù)據(jù)，檢驗數(shù)值計算結(jié)果，并與基準值進行對比，總結(jié)埋入間隙對表面溫度測量的影響規(guī)律。

圖8 埋入間隙研究模型Fig.8 Embedded gap study model

試驗結(jié)果顯示，埋入間隙有臨界值，熱電偶所測溫度會高于表面實際溫度，其差異為1.4%，埋入間隙增強了局部換熱導(dǎo)致熱電偶頭部溫度升高；不同氣體溫差條件下，隨著埋入間隙的增加，熱電偶測量溫度與表面溫度的差異無明顯變化，即間隙的影響是一致的，與具體數(shù)值關(guān)聯(lián)度不大。圖9、圖10為試驗測試典型結(jié)果。

圖9 不同埋入間隙下的典型紅外圖像Fig.9 Infrared image of different embedded gap

圖10 不同埋入間隙下的熱電偶溫度Fig.10 Thermocouple temperature with different embedded gap

基于試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，結(jié)合研究模型的主要換熱參數(shù)，形成埋入間隙條件下的溫度熱電偶測量溫度修正關(guān)系式：

式中：H為埋入間隙，y為熱電偶直徑。

5 結(jié)論

通過對熱電偶敷設(shè)工藝中影響溫度測量的三個關(guān)鍵因素進行理論分析、數(shù)值仿真及流動加溫環(huán)境下的試驗研究，得出以下結(jié)論：

(1) 埋入深度對熱電偶測溫的影響較為明顯，不宜采用熱電偶直接敷設(shè)在葉片表面的測溫方式，宜采用開槽埋入的方式敷設(shè)熱電偶，且開槽深度等于熱電偶直徑時其綜合測溫效果最佳。

(2) 埋入間隙的存在增強了局部換熱，導(dǎo)致熱電偶測量溫度偏高，在熱電偶敷設(shè)工藝流程中應(yīng)避免出現(xiàn)埋入間隙。

(3) 掌握熱電偶敷設(shè)操作工序引入額外熱阻對被測物體溫度場的影響規(guī)律，有助于完善埋偶工藝，為熱電偶材料和金屬涂層材料選擇提供技術(shù)支持。后續(xù)需開展相應(yīng)試驗研究。