航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片溫度測(cè)量修正方法研究*

李昶威，溫德豐，景 帥

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110136）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)高性能和高推重的一個(gè)重要途徑就是提升渦輪前燃?xì)鉁囟取ｎA(yù)期未來(lái)渦輪葉片進(jìn)口溫度可以達(dá)到2000~2250K。渦輪葉片長(zhǎng)期在非設(shè)計(jì)條件下工作會(huì)造成嚴(yán)重的后果（見(jiàn)圖1）。為了能夠在提高渦輪前燃?xì)鉁囟鹊耐瑫r(shí)保證發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能和可靠性，需要對(duì)渦輪葉片的溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，確保其工作在正常溫度范圍內(nèi)。

圖1 渦輪葉片燒蝕

本文主要對(duì)接觸式測(cè)溫法中的熱電偶溫度測(cè)量技術(shù)進(jìn)行分析。

1 接觸式測(cè)溫方法-熱電偶測(cè)溫

熱電偶溫度計(jì)由熱電偶、連接導(dǎo)線和顯示儀器等組成，其原理基于溫差電效應(yīng)。它的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度較高，測(cè)溫范圍較廣，動(dòng)態(tài)范圍較快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和維護(hù)方便。其缺點(diǎn)是熱電偶插入被測(cè)介質(zhì)中會(huì)破壞溫度場(chǎng)而引入測(cè)量誤差，這也是本文主要論述的問(wèn)題以及對(duì)此提出的解決方案。

2 三種傳熱方式對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

熱電偶測(cè)量壁面溫度時(shí)，在其受感部及被測(cè)壁面附近流體和固體溫度分布示意圖如圖2 所示。三種傳熱方式對(duì)熱電偶壁面溫度測(cè)量結(jié)果的影響分析如下：

圖2 熱電偶測(cè)量壁面溫度示意圖

（1）和熱電偶受感部接觸的不僅僅是被測(cè)壁面，還包括緊貼被測(cè)壁面附近的流體。由傳熱學(xué)的溫度邊界層理論可知，流體溫度在壁面附近邊界層內(nèi)發(fā)生劇烈的變化，熱電偶受感部的溫度是其與壁面以及流體傳熱共同作用下的結(jié)果。

（2）熱電偶給出的測(cè)溫結(jié)果，實(shí)際上只是熱電偶受感部的本身溫度，而非被測(cè)壁面的實(shí)際壁溫值。只有當(dāng)被測(cè)壁面與熱電偶受感部之間的傳熱方式只有導(dǎo)熱而無(wú)其他傳熱方式時(shí)，熱電偶受感部溫度和被測(cè)壁面的溫度才相同。

（3）在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，熱電偶受感部的溫度是受壁面導(dǎo)熱、熱電偶引線導(dǎo)熱、與其周圍流體的對(duì)流換熱以及環(huán)境輻射換熱等一系列傳熱過(guò)程的共同作用下，達(dá)到熱平衡時(shí)的溫度。

因此，只有建立熱電偶受感部的熱平衡方程，才能夠根據(jù)熱電偶的溫度讀數(shù)來(lái)反推被測(cè)壁面的溫度。

3 熱電偶溫度測(cè)量結(jié)果偏離被測(cè)點(diǎn)溫度機(jī)理研究

通過(guò)軟件建立結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)熱電偶測(cè)量溫度的傳熱流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)研究直板葉片不同安裝角度對(duì)流場(chǎng)的作用，進(jìn)而分析流場(chǎng)對(duì)溫度的影響，確定熱電偶溫度測(cè)量結(jié)果偏離被測(cè)點(diǎn)溫度的機(jī)理，明確航空發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)工況下熱電偶溫度測(cè)量結(jié)果偏離的原因。

假設(shè)葉片材料為DD6 高溫合金。將模型進(jìn)口總壓設(shè)置為290kPa，出口靜壓設(shè)置270kPa。考慮到瞬態(tài)換熱計(jì)算的精度，設(shè)置最大網(wǎng)格尺寸為1mm。設(shè)置邊界條件為無(wú)滑移壁面。湍流模型采用k-omega（2eqn）SST 模型。模擬結(jié)果如圖3、圖4、圖5 所示。

圖3 30°安裝角的流場(chǎng)

圖4 45°安裝角的流場(chǎng)

圖5 60°安裝角的流場(chǎng)

在安裝角為30°和60°時(shí)，葉片表面的速度比安裝角為45°時(shí)的大，速度場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)影響較大，熱電偶測(cè)溫結(jié)果偏離被測(cè)點(diǎn)溫度較大。在非穩(wěn)定條件下，熱電偶的安裝影響了葉片中截面處溫度場(chǎng)，且在熱電偶的前后緣形成局部的高溫集中，這主要是由于局部氣流的不穩(wěn)定流動(dòng)造成的。

4 熱電偶溫度測(cè)量結(jié)果修正方法研究

綜合考慮導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射等因素，分析節(jié)點(diǎn)與渦輪葉片壁面導(dǎo)熱、節(jié)點(diǎn)與來(lái)流的對(duì)流換熱，節(jié)點(diǎn)與熱電偶線的導(dǎo)熱，節(jié)點(diǎn)與環(huán)境的輻射換熱以及燃?xì)鈱?duì)節(jié)點(diǎn)的熱輻射，建立熱電偶溫度測(cè)量熱平衡模型。根據(jù)熱電偶的尺寸和安裝工藝建立輻射傳熱計(jì)算式。根據(jù)計(jì)算式建立包括節(jié)點(diǎn)與渦輪葉片壁面導(dǎo)熱、節(jié)點(diǎn)與來(lái)流的對(duì)流換熱，節(jié)點(diǎn)與熱電偶線的導(dǎo)熱，節(jié)點(diǎn)與環(huán)境的輻射換熱以及燃?xì)鈱?duì)節(jié)點(diǎn)的熱輻射，求解被測(cè)點(diǎn)溫度，獲得溫度測(cè)量修正方法。

在熱電偶測(cè)量渦輪葉片溫度時(shí)，若流場(chǎng)處于穩(wěn)態(tài)，則溫度示數(shù)不隨時(shí)間改變，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的能量守恒分析如下。

如圖6 所示，圖中Q1為節(jié)點(diǎn)與渦輪葉片壁面的導(dǎo)熱，Q2為節(jié)點(diǎn)與熱電偶引線間的導(dǎo)熱，Q3為節(jié)點(diǎn)與周圍流體的對(duì)流換熱，Q4為節(jié)點(diǎn)吸收周圍流體的熱輻射，Q5為節(jié)點(diǎn)與環(huán)境壁面的輻射換熱。

圖6 熱電偶節(jié)點(diǎn)傳熱模型

由于熱電偶受感部的尺寸較小，換熱系數(shù)較大，所以可以認(rèn)為受感部溫度均勻。熱電偶節(jié)點(diǎn)（如圖7 所示）的能量平衡離散方程如下：

圖7 熱電偶節(jié)點(diǎn)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)接觸式測(cè)溫法中的熱電偶溫度測(cè)量技術(shù)進(jìn)行介紹以及分析在熱電偶測(cè)溫技術(shù)中導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射對(duì)熱電偶壁面溫度測(cè)量結(jié)果的影響，并且綜合考慮三種傳熱方式等因素，在節(jié)點(diǎn)能量平衡中考慮燃?xì)鈱?duì)節(jié)點(diǎn)的熱輻射以及節(jié)點(diǎn)與環(huán)境的輻射換熱，建立了熱電偶溫度測(cè)量熱平衡模型。