國外晶體測溫技術研究與應用

張 娜，鄭天慧，李 楊，王巍巍

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都 610500)

1 引言

航空發動機/燃氣輪機渦輪轉子葉片的溫度測量一直是業內難題，也是影響航空發動機/燃氣輪機研制的一個重要因素。由于傳統測溫技術大多存在測點少、難以獲得關鍵數據、精度低，特殊位置溫度難以測量等缺點，為了準確測量轉子葉片溫度，需在發動機研制過程中引入可打破傳統測溫技術局限性的新測試方法。目前，國外已普遍采用一種創新型測溫技術——晶體測溫技術[1-2]。該技術是用于測量試驗件表面/氣流最高溫度的特種技術，其工作原理基于晶體釋放的溫度記憶效應[3]。相較于傳統測溫技術，晶體測溫技術不僅傳感器尺寸微小、無需測試引線，且還可在不影響待測零件氣動流場的同時保證高測試精度。國內晶體測溫技術研究起步較晚，從上世紀90 年代末期才開始接觸，目前仍處于理論研究與實驗室驗證階段，急需掌握晶體在實際測溫試驗中的具體應用方法和效果。因此，有必要對國外晶體測溫技術現狀、使用方法及效果開展研究，為國內該領域科研工作提供支撐[4-6]。

本文簡述了國外晶體測溫技術研究概況，分析了該項技術在國外航空發動機/燃氣輪機渦輪葉片上的測試案例及應用效果，提出了國內應用測溫晶體可供參考的意見，為國內航空發動機/燃氣輪機應用晶體測溫技術提供了借鑒與支撐。

2 國外晶體測溫技術研究概況

晶體測溫技術最早由蘇聯研發，后推廣至美國、德國、日本、瑞士、瑞典等國。國外在晶體測溫技術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(以下簡稱庫爾恰托夫研究所)和美國的LG Tech-Link 公司。這兩家機構研制的晶體傳感器已在多個領域得到應用。

2.1 庫爾恰托夫研究所

庫爾恰托夫研究所是最早研發晶體測溫技術的機構。其研究的晶體傳感器，是低溫條件(～80℃)下在核反應堆經一定能量和強度的中子輻照后的立方體碳化硅單晶(β相)，其主要性能指標見表1[7]。與示溫漆相比，晶體傳感器在高溫范圍內測量精度更高，抗外界腐蝕能力更強，已廣泛應用于航空、航天、機械制造和能源領域。主要用于測量渦噴發動機渦輪葉片和渦輪盤、航天飛行器防熱材料、內燃機閥門和活塞環、滾珠軸承滾珠等的溫度。圖1 示出了多個國家采用標準熱電偶與庫爾恰托夫研究所的晶體傳感器同一時間、同樣位置測得的結果對比，可見兩種測溫方式所測結果吻合較好[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并提供相關支撐服務的公司，其研制的晶體傳感器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。LG Tech-Link公司晶體傳感器的主要性能指標見表2[8]。近十多年來，隨著中子物理、晶體增長技術和X 射線輻照技術的突破，促進了晶體傳感器在精度、可靠性和用戶友好性方面的發展。晶體傳感器現已可用于發動機所有研制階段與傳熱和耐久性相關的項目，如傳熱穩態分析模型、冷卻設計方案、耐久性和裂紋擴展預測等。

圖1 晶體傳感器與標準熱電偶所測結果對比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Table 2 Crystal sensors technical characteristics of LG Tech-Link

3 國外應用案例

3.1 AI-25TL渦扇發動機排故

AI-25TL發動機使用過程中渦輪第一級導葉葉身出現了氧化和積碳故障，故障原因疑似與導葉冷卻系統工作不穩定和冷卻效果較差有關。排故時采用了一種對部件改動最小的導向器冷卻系統改進方案，圖2示出了改進前、后導向器的結構和外觀。使用晶體傳感器及示溫漆兩種方式對改進前后導向器冷卻系統實施了對比測溫，圖3給出了晶體傳感器安裝位置及改進前、后葉片晶體測溫平均結果對比[1]。結果表明，改進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。此次測溫結果為該型發動機后續改進提供了參考。

圖2 導向器葉片結構外觀Fig.2 Configuration of guide vane

圖3 晶體傳感器安裝位置及測溫結果Fig.3 Installed position and temperature measurement result of crystal sensor

采取上述改進措施后，導向器內緣板又出現了腐蝕-侵蝕性損耗及積碳故障。排故時對導向器進口內機匣進行吹氣以補充氣膜冷卻，進而達到有效冷卻內緣板、降低第一級導葉內緣板溫度的目的。排故方案確定后，針對吹送空氣量、吹氣孔幾何尺寸及其周向布置開展了流體計算工作；對發動機進行了專門的補加工和測試改裝；開展專門試驗評估了補充吹氣對第一級導葉內緣板溫度場、第一級工作葉片溫度場、第一級導向器內外機匣溫度場及對燃燒室出口燃氣溫度場的影響。試驗分兩個階段：第一階段在發動機原有葉型上試驗，第二階段在同一發動機經過補加工的葉型上試驗，且兩個階段試驗時均未拆除燃燒室。采用晶體傳感器測量了第一級導葉內緣板溫度、第一級工作葉片葉身型面溫度和燃燒室出口燃氣溫度。采用示溫漆評估了導向器內外機匣熱狀態。測試結果表明，補充冷卻內緣板使得渦輪第一級導葉內緣板、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，且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場惡化[2]，排故改進措施可行。

3.2 霍尼韋爾發動機高壓渦輪葉片排故

2008年，霍尼韋爾公司某發動機試驗中出現了高壓渦輪第二級靜子(S2)氧化破裂、第一級轉子(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氣。排故中進行了CFD 分析和臺架試驗，并將兩者的結果進行了對比。在臺架試驗中，為測量葉冠腔不同位置的金屬溫度，試驗發動機上共使用了350多個碳化硅晶體傳感器。其中，23個位于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 為試驗中R1 和S2 間的總溫圖，圖中★表示晶體傳感器。通過對比，晶體測溫試驗數據進一步證實了CFD分析的置信度和可靠性，同時也驗證了通過減少高壓渦輪R1葉冠和S2外端壁間軸向間隙達到腔體降溫的排故改進措施的可行性。

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

3.3 GTX100燃氣輪機溫度測量

為完成壽命預測，在真實的燃氣輪機條件下，使用晶體傳感器在同一次試驗中測量靜子部件和轉子葉片處氣體與金屬表面的溫度，并將測量結果與同一組件的三維傳熱耦合模型的計算溫度場進行比較。在GTX100 燃氣輪機測溫試驗中，測點超過2 300個，包括1 975個晶體傳感器，237個熱電偶和110 個壓力探頭，同時輔以示溫漆測量。測溫范圍為20～1 400℃，高溫下暴露的時間有限。采用的晶體傳感器直徑為0.2 mm，精度達+10℃[10]。

測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，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；可以在一個工件上安裝多個晶體傳感器測量溫度梯度，避免了從幾個組件上測溫后再進行拼接的繁瑣。試驗中，晶體傳感器的存活率高達95%。

測量進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，對氣流熱傳導不敏感，晶體傳感器得以測出氣流溫度。晶體傳感器實測溫度與其他測溫方式所得氣流溫度差異很小，僅為4℃。此種情況下120個晶體傳感器存活率只有80%，小于葉片表面測溫時的晶體傳感器存活率。

此次晶體測溫試驗證明了晶體傳感器是一種可靠的測試方法，能實施精確測溫并獲取溫度梯度，極有利于在旋轉葉片上使用。同時也證實了耦合傳熱計算的可信度，并確定多個區域可以考慮減少冷卻空氣量。

4 結束語

基于晶體測溫技術的技術優勢和實用性，針對我國晶體測溫技術的發展現狀，建議從以下幾個方面進行深入研究和探討：

(1) 加強標定判讀技術的探索及應用研究。通過自主研發攻克該技術，以避免在獲取測量結果上受制于國外和關鍵測試數據流入國外的風險。

(2) 科學合理地選用晶體測溫技術。晶體測溫僅能測出整個測試過程中所經歷的最高溫度，使用時應根據實際測試要求和目的，綜合選擇和評估測溫部位和合理確定晶體傳感器使用數量。

(3) 加強晶體傳感器的安裝與拆除工藝研究。依托專業設備反復摸索試驗、多次實際操作以及工藝驗證試驗不斷優化、改進晶體傳感器的安裝和拆除工藝，以保證在測試各環節中盡量不丟失、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) 使用時應合理搭配其他測試手段。與其他測試方式(熱電偶或示溫漆)搭配使用不僅可得到待測零件各個時間點的溫度和關鍵點的溫度裕度，而且還可驗證不同測試方法的實際測量效果。