熱電偶敷設工藝與渦輪葉片表面溫度測量的關聯分析

劉志剛，賀 元，張 帥，鄒遠祿，吳曉東

(中國航發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動機的重要熱端部件，其工作環境十分惡劣，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對葉片進行降溫及保護，防止葉片在高溫條件下出現燒蝕、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域和結構優化具有重要意義[3]。

在渦輪葉片表面溫度測量方面，國內使用較多的測溫方式有傳統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射率影響大，數據錄取范圍易受測試結構影響[6]；接觸式熱電偶測溫具有精度高、響應快、成本低和技術相對成熟等特點，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依然會是發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境的影響因素等方面，如研究了沿測溫元件導熱引起的誤差，接點導熱誤差，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。但是針對敷設工藝帶來的影響尚無公開報道，缺少熱電偶在工程應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為出發點，就溫度測量結果能否作為葉片表面溫度使用這一問題進行研究，分析熱電偶敷設工藝與溫度測量之間存在的關聯關系。

2 熱電偶測溫影響因素研究現狀

國外研究方面，NASA 劉易斯研究中心在1974年總結出了開槽侵入式熱電偶在葉片溫度場測量中的安裝規范[7]，在槽道深度、熱電偶結構等方面也做了大量研究工作，但成果未對外公開。Tarnopolsky等[8]研究了熱電偶導線對葉片溫度測量造成的誤差，發現熱傳導引起的誤差比熱輻射和熱對流高一個數量級。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值仿真分析，結果表明熱電偶測溫處因沿熱電偶導熱造成局部過度冷卻，導致測量結果偏低。Kuznetsoy等[10]用數值計算的方法研究了使用不同導熱系數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%，且隨著雷諾數變化。Ishihara[12]關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熱帶來的誤差。Alwaaly等[13]對熱電偶絕緣層導熱影響開展了研究，指出高溫范圍下絕緣層導熱造成的影響可以忽略。

國內研究方面，楊世銘對熱電偶導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、靈敏度高的結論，并且增加接觸長度可以減小誤差。陳暉[17]在超燃沖壓發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，減小誤差應盡量減小焊接面積。

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

3 侵入式熱電偶敷設方案

接觸式熱電偶測溫主要有露端型敷設和侵入式敷設兩種方式。露端型敷設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測溫。由于熱電偶敷設在被測物體表面，在物體表面流動換熱較為復雜時，會造成近壁面氣體流動發生變化，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期溫度場產生偏差，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方式。侵入式敷設是將測溫熱電偶埋入預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；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。

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

4 關鍵因素分析

針對侵入式熱電偶敷設方式，結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

侵入式熱電偶敷設方式需要預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，但是對被測基體內部造成了破壞。參照熱電偶敷設放大圖(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熱測溫過程中，這些材料都會形成不同的導熱熱阻，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域。根據實際使用工作狀態，設置不同的法向溫度梯度進行數值仿真。采用單一變量法固定其他變量參數，分別研究不同導熱系數條件下，金屬涂層、熱電偶外殼、熱電偶絕緣層對整個被測區域溫度場的影響以及測試溫度與表面溫度之間的關系。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熱系數和金屬涂層導熱系數兩個可研究變量。可采用矩陣法確定不同導熱系數組合，進行金屬涂層導熱系數影響的試驗驗證。

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，槽道會出現深淺不一的現象，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何種關系，就需要研究和評定，以便于后期對試驗結果進行修正。

針對這一影響因素，建立不同的平板導熱模型(參照圖4)，主要考慮被測物體、熱電偶和槽道深度三個因素。結合實際使用工況，設置不同的法向溫度梯度進行數值計算。采用單一變量法固定其他參數，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系。在試驗驗證方面，結合數值計算條件，設計加工平板試驗件，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，通過熱電偶測量數據，檢驗數值計算結果，并與基準值進行對比，總結熱電偶埋入深度對表面溫度測量的影響規律。

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

試驗平板兩側單獨通過熱氣和冷氣形成換熱邊界，熱氣狀態為馬赫數0.4，溫度700 K；冷氣狀態為馬赫數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

研究結果顯示，直接敷設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。開槽埋入方式敷設的熱電偶所測溫度在數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，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

基于試驗數據進行統計和分析，結合研究模型的主要換熱參數，形成埋入深度條件下的溫度熱電偶測量溫度修正關系式：

式中：L為葉片壁面厚度，x為埋入深度，a、b為經驗系數，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。經驗系數取值為：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何種關系需要評定，以便修正測量數據和完善埋偶工藝。在此基礎上，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。結合實際使用工況，設置不同的法向溫度梯度進行數值計算。采用單一變量法固定其他參數，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。通過熱電偶測量數據，檢驗數值計算結果，并與基準值進行對比，總結埋入間隙對表面溫度測量的影響規律。

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

試驗結果顯示，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，與具體數值關聯度不大。圖9、圖10為試驗測試典型結果。

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

基于試驗數據進行統計和分析，結合研究模型的主要換熱參數，形成埋入間隙條件下的溫度熱電偶測量溫度修正關系式：

式中：H為埋入間隙，y為熱電偶直徑。

5 結論

通過對熱電偶敷設工藝中影響溫度測量的三個關鍵因素進行理論分析、數值仿真及流動加溫環境下的試驗研究，得出以下結論：

(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在葉片表面的測溫方式，宜采用開槽埋入的方式敷設熱電偶，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，導致熱電偶測量溫度偏高，在熱電偶敷設工藝流程中應避免出現埋入間隙。

(3) 掌握熱電偶敷設操作工序引入額外熱阻對被測物體溫度場的影響規律，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支持。后續需開展相應試驗研究。