微型晶體測溫技術發展

■ 李楊 石小江 張娜 李志敏/中國航發渦輪院

將微型晶體測溫技術應用于航空發動機的溫度測量試驗一直是前沿性的熱點研究方向。微型晶體測溫技術能夠在航空發動機復雜的試驗環境中取得高試驗成活率，是解決航空發動機表面、氣流溫度測量的理想方法。

在航空發動機研制過程中，高溫測量是航空發動機測試中難度較大的關鍵技術，準確測量熱端部件的表面和氣流溫度對設計驗證與優化、故障診斷及壽命評估等都是十分重要和必要的[1]，微型晶體測溫技術被廣泛應用于航空發動機溫度測量試驗中，尤其是渦輪工作葉片的溫度測量，對解決測溫難題有著重要的現實意義[2]。大量的研究成果表明，微型晶體測溫技術是在高溫、高速、高壓氣流環境下葉片、盤、軸等旋轉部件表面和氣流溫度測量的理想方法，能夠解決渦輪葉片氣膜孔間、緣板、榫頭、渦輪葉片進出口燃氣、氣冷葉片內部冷氣、節流孔等航空發動機典型位置的表面或氣流溫度測量，具有較強的工程實用性[3]。

微型晶體測溫技術被廣泛應用在航空、航天、航海等領域，美國、俄羅斯、烏克蘭、英國等國家的大量技術人員對微型測溫晶體的制造方法及應用進行了大量的研究工作，取得了卓有成效的進展，并成為一種主流的航空發動機測溫技術[4]。

微型晶體測溫技術與特點

工作原理

晶體測溫技術是一種基于溫度記憶效應并以晶體材料輻照缺陷的熱穩定性為基礎建立起來的測溫技術。

晶體測溫傳感器所用材料為碳化硅單晶體。通過中子輻照后，晶體原子被撞擊，導致原子離位，能夠產生大量、穩定的非平衡缺陷。當晶體經歷高溫后，缺陷將逐步回復至輻照前的狀態。這一過程中，在所經歷的最高溫度持續時間一定的條件下，缺陷的回復程度與所經歷的最高溫度成單一函數關系。通過對缺陷濃度的檢測則可以獲取所經歷的最高溫度。

輻照缺陷的濃度可通過材料的多種物性表征，例如，晶格間距、電阻率、熱導率等晶體參數，建立起與所經歷最高溫度的關系，晶體參數可以利用X射線衍射儀（XRD）進行精確測量。

在測溫晶體傳感器研制過程中，需要建立不同恒溫時間條件下，晶體參數和溫度之間的標定曲線，以便當傳感器使用后，利用測量得到的晶體參數值來查詢標定曲線就可以獲取到溫度值。

應用方式

當測溫晶體傳感器的外形尺寸小于0.4mm×0.4mm×0.4mm時，被稱為微型測溫晶體，能夠在航空發動機等工程實際中應用。

微型測溫晶體技術具有傳感器尺寸微小、無須測試引線、可高密度陣列式布點獲取溫度云圖、實際測量精度高、試驗成活率高等優點，滿足溫度測試技術的小型化、陣列化、系統化、智能化的發展趨勢。特別適用于旋轉、運動部件，小空間間隙以及密閉/半密閉腔體等部位的溫度測量，在眾多領域都有著廣泛應用。

通過使用專用設備和工具來完成對微型測溫晶體在試驗件上的不同安裝方式，可以實現測量表面溫度或氣流溫度，屬于非干涉、非侵入測試。其中，通過嵌入式的安裝可測量表面溫度，通過支撐式安裝可測量氣流溫度，如圖1所示[5]。

圖1 微型測溫晶體的兩種安裝方式

發展概況

俄羅斯庫爾恰托夫研究所

俄羅斯庫爾恰托夫研究所作為俄羅斯重點科研機構，在核能、基礎物理、納米、生物和信息技術等領域具有雄厚的科研實力。晶體測溫技術是由庫爾恰托夫研究所發現并加以利用，曾榮獲全蘇聯國民經濟展覽中心金獎并獲得蘇聯部長委員會獎金。其研究的經中子輻照后的金剛石為第一代晶體測溫傳感器材料，經中子輻照后的碳化硅為第二代晶體測溫傳感器材料。庫爾恰托夫研究所晶體測溫傳感器的主要技術性能如表1所示。

庫爾恰托夫研究所研發的晶體測溫傳感器廣泛應用于航空、航天、機械制造和能源領域，包括用于測量航空發動機渦輪葉片、渦輪盤，航天飛行器防熱材料，內燃機閥門和活塞環、滾珠軸承等的溫度。與此同時，庫爾恰托夫研究所的碳化硅晶體傳感器也被推廣應用到了多個國家。俄羅斯、美國、瑞典、日本、瑞士等5個國家采用熱電偶與庫爾恰托夫研究所晶體傳感器同時在同樣位置測得的結果對比如圖2所示，可見兩種測溫方式測得的結果吻合較好。

美國LG Tech-Link公司

美國LG Tech-Link公司是一家專營均勻晶體溫度傳感器（UCTS）的公司。由于UCTS具有可高密度安裝及可用于難以接近的特殊位置和旋轉件上的優點，已在航空燃氣渦輪發動機、燃氣輪機、火箭發動機、渦輪增壓器、燃料電池和往復式發動機中得到廣泛應用。該公司生產的測溫晶體的主要性能指標如表2所示。

LG Tech-Link公司還研發有一款軟件，該軟件可根據測量出的晶格參數的變化、時間歷史圖表和標定曲線圖，確定晶體傳感器所經歷的最高溫度。通過實際中已實施完成的成功項目，總結出了一套處理晶體傳感器應用中系統誤差的方法，即先確定潛在的誤差來源，接著使用有限元法分析建模，然后通過改變傳感器布局、改進安裝技術等方法減小或消除誤差，如無法消除誤差，則定量評估誤差。

烏克蘭前進設計局

烏克蘭前進設計局使用微型測溫晶體技術有約30年的歷史，該技術被大量廣泛地用來測量表面、氣流溫度，積累了十分豐富的工程應用經驗，并形成了標準化的應用體系。

表2 LG Tech-Link公司的UCTS主要性能指標

表1 庫爾恰托夫研究所晶體測溫傳感器主要技術指標

圖2 庫爾恰托夫研究所微型測溫晶體應用效果

前進設計局在AI-25TL排故方案的兩輪驗證試驗中均使用了該技術。AI-25TL發動機在使用過程中渦輪第一級導葉葉身部位出現了氧化和積炭故障，故障原因疑似與導向器葉片冷卻系統工作不穩定和冷卻效果較差有關。

在第一輪驗證試驗中，烏克蘭前進設計局開發的一種方法對原始和改進后的導向器冷卻系統實施了對比測溫，測溫過程中使用了晶體傳感器。測溫結果表明，改進后葉片冷卻效果最好的位置在葉盆、葉背和前緣處，冷卻效果最差的位置在尾緣中間截面。測試結果表明，AI-25TL排故方案驗證試驗采用晶體測溫技術可行且有效，晶體測溫數據驗證了計算結果，試驗結果對發動機后續改進提供了參考。在第一輪驗證試驗后，導向器內緣板上又出現了腐蝕/侵蝕性損耗及積炭的故障。

在第二輪驗證試驗中，決定通過在導向器進口內機匣處吹送空氣進行補充氣膜冷卻，達到更有效冷卻內緣板、降低其溫度的目的。第二輪試驗分兩個階段開展：第一階段在發動機原有葉型上進行試驗；第二階段在同一發動機經過補加工的葉型上進行試驗，試驗時不拆除燃燒室，所采用的測溫手段為晶體傳感器。同樣采用晶體傳感器測量了第一級導向器葉片內緣板溫度、第一級工作葉片葉身型面溫度和燃燒室出口燃氣溫度場。測試結果表明，補充冷卻內緣板使得渦輪第一級導向器葉片內緣板、第一級工作葉片榫頭、根部截面、中間截面、葉尖截面等多部位溫度明顯降低，并未導致燃燒室出口燃氣溫度場惡化和渦輪第一級工作葉片溫度狀態惡化。晶體傳感器測量結果充分驗證了采取補充吹入空氣來降低渦輪第一級導向器內緣板溫度的措施可行且值得進一步推廣。

德國西門子公司

德國西門子公司在其研發的系列燃氣輪機中，均大量使用了微型晶體測溫技術[6]。在GTX100燃氣輪機的一次測溫試驗中，使用約2000個微型晶體傳感器，其中的3個葉片上每個安裝有90個晶體傳感器，如圖3所示，試驗中微型晶體傳感器存活率達95%。

該公司還開展了微型晶體測量氣流溫度的應用。在GTX100燃氣輪機進行的試驗中，第3級渦輪的葉片上安裝了晶體傳感器，測量氣流溫度的晶體傳感器安裝在前緣尖端的小陶瓷棒尖部，如圖4所示。測得的溫度和實際溫度之間差異最大僅為4℃，對轉子葉片的氣體測溫，晶體傳感器存活率低于金屬測溫和葉輪測溫，120個晶體傳感器成活率為80%。

圖3 安裝微型晶體測量表面溫度的渦輪葉片

圖4 安裝微型晶體測量氣流溫度的渦輪葉片

美國霍尼韋爾公司

2008年，霍尼韋爾公司發動機試驗中出現了高壓渦輪第2級導向器氧化破裂、第1級工作葉片葉冠氧化缺損、涂層及金屬損失等故障。排故中進行了計算流體力學（CFD）仿真和試驗測試分析，將CFD的溫度分析與采用晶體傳感器測溫數據進行了對比。

在試驗中，采用了350多個碳化硅微型晶體傳感器測量葉冠腔不同處，盤、葉片、葉盆、葉背以及緣板上的金屬溫度。在此次高溫燃氣吸入導致渦輪故障的排除中，同步開展了CFD和碳化硅晶體傳感器測量，晶體測溫試驗數據進一步證實了分析的置信度，證明CFD耦合分析方法是可靠的。同時也驗證了通過減少高渦葉冠和外端壁間的軸向間隙達到腔體降溫的排故改進措施是可行的。

中國微型測溫晶體技術的研究

我國晶體測溫技術研究于21世紀初起步，高校和科研院所開展了技術研究工作，并進行了探索性研究，開展了大量的理論研究及實驗室驗證試驗工作。

圖5 微型晶體測溫技術應用發展方向

天津大學在測溫晶體技術方面開展了理論研究工作，對中子輻照后晶體的材料的導電、電學等物理性能進行了研究，并利用X射線衍射儀對中子輻照 6H-SiC 的缺陷及退火特性進行了研究分析[7-8]。中國航發動力所研究了基于SiC 晶體材料的測溫技術，對退火特性、溫度判讀方法等進行研究[9]。

本文作者聯合山東交通學院對晶體測溫技術的全技術鏈進行了研究，包括工作原理、制造方法、安裝與拆除工藝、標定試驗以及應用技術等方面。并利用外形尺寸不大于0.2mm×0.2 mm×0.3 mm的微型晶體傳感器在國內首次應用于航空發動機高壓渦輪工作葉片等轉動件的高空模擬試驗中，在高溫、高壓、高速燃氣流的沖擊下和葉片高速旋轉的工況下附著牢靠，試驗成活率為100%。通過技術研究，形成了標準化的研制與應用體系，編制了技術規范。

發展展望

基于微型晶體測溫技術的特殊優勢和工程實用性，隨著研究的深入和工程應用的展開，近年來微型晶體測溫技術方面的研究取得了令人鼓舞的進展。隨著航空發動機對測試技術需求的不斷提高，微型晶體測溫技術還需從以下幾個方面進行深入研究：加快微型晶體測溫技術行業標準的編制，規范技術的應用與發展，為推廣應用提供技術指導；加速國產微型測溫晶體傳感器的批量化生產，全面實現技術國產化，打破國外技術封鎖，進一步降低技術應用成本；進一步拓寬現有微型晶體測溫技術的測溫范圍，提高實際測溫精度；開展微型測溫晶體測量試驗件沿壁面深度方向的梯度測溫，帶涂層葉片的測溫應用研究，如圖5所示；探索氮化鋁等新材料晶體測溫的研究，發展第三代微型晶體測溫傳感器，為復合材料的測溫奠定基礎。

結束語

航空發動機表面及氣流溫度的分析與計算均須通過試驗測試進行驗證。研究表明，基于微型晶體測溫技術的自身優勢特點，能夠解決其他測溫方法難以實現的高溫轉動、運動部件以及其他特殊條件下的測溫難題，能夠在惡劣的工況下，得到高試驗成活率和高測試精度，實現待測位置的精確點測溫，并通過陣列式布點得到溫度云圖，為設計優化提供關鍵的溫度數據。

（李楊，中國航發渦輪院，高級工程師，主要從航空發動機特種測試技術研究）