超燃沖壓發動機試驗中熱電偶焊接方式對溫度測量影響研究

陳暉

(國防科技大學航天科學與工程學院，湖南 長沙410073)

0 引言

在超燃沖壓發動機主動冷卻熱防護結構研究中，溫度的測量顯得格外重要，提供準確快速的溫度分布是試驗研究的重要手段。由于發動機燃燒室內外壁溫度變化快，跨度大，試驗過程振動劇烈，使得具有結構簡單、制作方便、測量范圍寬、準確度高、熱慣性小等優良特性的熱電偶成為首選測量工具。

當傳統熱電偶測溫技術應用于超燃沖壓發動機試驗燃燒室壁面的溫度測量時，我們遇到了若干技術難題。由于采用燃料主動冷卻的超燃沖壓發動機燃燒室燃氣溫度較高，熱流大，而冷卻燃料流量又小，為了確保可靠冷卻，燃燒室冷卻壁面結構十分復雜，各點溫度分布和冷卻性能也差別很大。因此，詳細掌握燃燒室壁面上各個位置的溫度分布和冷卻情況對于優化燃燒室冷卻結構設計、確保發動機工作的可靠性意義重大，需要在發動機試驗中對燃燒室壁面上各點處局部溫度進行準確測量。然而，燃燒室通常都采用薄壁細長多通道的復雜冷卻結構，熱電偶安裝十分困難。為此常需要將熱電偶兩根絲分別焊在測溫表面不同位置上，由此會給測量結果帶來什么影響，是發動機試驗中溫度測量技術值得深入研究的問題。

本文通過模擬實驗的方法詳細研究了在超燃沖壓發動機燃燒室壁面溫度測量中，不同的熱電偶焊接方式對溫度測量結果的影響，提出了在相應條件下熱電偶測溫應該遵循的基本原則。

1 實驗系統和方法

為了真實模擬超燃沖壓發動機試驗中熱電偶安裝的真實情況，熱電偶的兩根絲被分別點焊在與發動機同樣質地的小塊不銹鋼板上;為了反映不同焊點距離對溫度測量的影響，焊點之間的距離L 分別取在0 ～20 mm 之間，如圖1 所示。

圖1 中A，B，C 分別代表熱電偶;+，－代表其熱電偶的正負兩根絲。

圖1 熱電偶焊接示意圖

實驗采用了石英鍍金標定爐作為測溫環境，標定爐尺寸為Φ35 mm ×500 mm，溫度范圍為500 ～1000℃。實驗時將焊接了熱電偶的金屬板放入標定爐恒溫段，焊接用熱電偶絲均為NiCr-NiSi 材料;同時用標準鉑-鉑銠熱電偶測量同一表面的溫度作為比較。熱電偶輸出信號經放大后由計算機采集系統采集。為了分析不同安裝焊接條件下熱電偶的動態響應特性和測溫精度，將熱電偶放在一送進機構上，快速送入到測量位置，以確保每次熱電偶所經歷的初始加熱過程基本相同。為了反映真實試驗溫度條件，將爐溫選擇在900℃。在25 mm ×30 mm 不銹鋼板上分別焊接不同間距的熱電偶，如表1 所示。同時對同一材料不同截面積的熱電偶進行了比對，分別取直徑為0.4，0.1 mm 熱電偶絲，觀察它們的動態響應。

表1 實驗工況表 mm

表1 中A－0 表示熱電偶A 兩絲之間的距離為0。

2 實驗結果與分析

根據熱電偶中間導體定律，在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要第三種導體的兩端溫度相同，第三種導體的引入不會影響熱電偶的熱電勢。在實際測溫過程中，由于第三種導體的引入，在達到熱平衡前，熱電勢的大小還與第三種導體的導熱率有關。

圖2 給出了分別焊接在不銹鋼板厚度為3 mm (圖2 (a))，5 mm (圖2 (b))的熱電偶受熱曲線，從圖中可以看出焊接在不銹鋼板厚度為5 mm 的熱電偶響應明顯比3 mm 厚度的慢，它與標準熱電偶相差最大可超過50 ℃，而厚度3 mm 的不銹鋼板上的熱電偶與標準熱電偶相差最大為30 ℃。在不同厚度下熱電偶的響應時間隨厚度的增加而增大。

圖2 不銹鋼板不同厚度比對

圖3給出了熱電偶絲兩端焊點距離不同時溫度測量結果。可以看出在均勻的溫度場中焊點距離不影響熱平衡后測量結果;僅僅影響熱電偶的響應。圖3(a)中熱電偶焊點距離為20 mm，溫度最大相差30℃，圖3 (b)中熱電偶焊點距離為11 mm，溫度最大相差18 ℃;在同一厚度下熱電偶的響應時間隨兩焊點間距離的增加而成線性增大。對于發動機試驗時間短，熱電偶溫度尚未達到熱平衡的情況，可以通過反演得出被測壁面的溫度。

圖3 不同焊接距離的熱電偶比對

圖4 (a)給出了熱電偶兩焊點受熱程度不同情況下的對照曲線，用熱電偶焊接示意圖1 的小不銹鋼板B 的形式，將熱電偶A 和熱電偶B +端加熱;從圖中可以看出當熱電偶兩端點受熱不同時，存在較大的測量誤差。圖4 (b)所示圖1 的小不銹鋼片B 均勻加熱得到的曲線，可以看出此時誤差較小，所以在實際焊接時應盡量保持熱電偶兩端點的溫度變化相同，即兩端點應焊在壁面溫度相對均勻處。

圖4 圖1B 形式的結構受熱曲線

圖5 給出了采用不同粗細熱電偶絲的測溫響應曲線，0.1 mm 截面直徑的熱電偶動態性能遠好于0.4 mm 截面直徑的熱電偶，后者的熱響應時間是前者的數倍。熱響應時間是指溫度傳感器在其周圍溫度產生階躍變化時，它的指示溫度相對值變化到環境溫度階躍量的10%，50%和90%所需的時間。所以對動態溫度測量，在強度允許條件下盡量選用焊接截面積小的熱電偶，以提高響應時間，進而提高測量準確度。

圖5 0.1，0.4mm 截面直徑的熱電偶測溫曲線

3 結論

本文針對超燃沖壓發動機地面試驗中再生冷卻燃燒室壁面溫度測量問題，對熱電偶在被測壁面上的不同焊接方式給溫度測量帶來的影響開展了研究分析。結果表明:

1)不同壁面厚度和熱電偶焊點距離對溫度測量有明顯影響，當壁面溫度均勻時，焊點距離僅影響響應特性，對熱平衡后的測量結果無影響;

2)當壁面溫度不均勻時，焊點距離過大將引起大的測量誤差，因此兩根熱電偶絲應盡量焊在壁面局部溫度均勻處;

3)在強度允許條件下盡量選用焊接截面積小的熱電偶，以提高響應時間。

［1］俞佐平. 傳熱學［M］. 北京:人民教育出版社，1979.

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