航空發動機渦輪葉片晶體測溫技術研究

李 楊，殷光明

（中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川江油621703）

航空發動機渦輪葉片晶體測溫技術研究

李 楊，殷光明

（中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川江油621703）

針對航空發動機渦輪葉片溫度測量的技術難題，介紹了1種晶體測溫傳感器的技術特點與技術優勢。結合晶體測溫技術的工作原理簡述了測溫晶體的制造方法，論述了測溫晶體的安裝、拆除工藝和標定試驗方法，并利用測溫晶體測量了渦輪葉片表面溫度。結果表明：測溫晶體在發動機內流高溫、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，未出現脫落的情況，試驗成活率為100%，獲取到了精確測點的溫度值，是解決航空發動機渦輪葉片等熱端部件特殊位置表面溫度測量的1種方法。

測溫晶體；溫度測量；渦輪葉片；航空發動機

0 引言

航空發動機渦輪葉片的溫度測試目前是前沿性熱點及難點研究課題，渦輪葉片上傳熱和表面溫度分布的分析與計算均要求試驗測試來驗證[1-2]。對于渦輪轉子葉片的溫度測量，傳統的埋入式或表面貼裝式熱電偶等接觸式測溫技術引線困難且測點較少，難以獲得氣膜孔附近處的溫度數據；示溫漆測溫只能測量渦輪轉子葉片總體溫度分布；紅外測溫技術視場有限，葉片前緣、尾緣、緣板等特殊位置的溫度難以測量。此外，薄膜熱電偶還處于研制階段，存在著引線技術困難和使用可靠性不高等缺點[3-4]。對于上述溫度測量技術在發動機測量試驗中存在的問題，采用晶體測溫技術是1個較為有效的測試手段。該技術非侵入特征明顯，具有傳感器體積微小、無需測試引線、測溫精度高等優點[5]。

國外的晶體測溫技術研究比較成熟，不管是美國、俄羅斯還是烏克蘭，都有1批專業技術人員從事測溫晶體的制造、標定、應用研究工作，至今已經形成完善的研發及應用體系[6-7]。烏克蘭研制的多型航空發動機均采用晶體測溫技術來測量渦輪葉片溫度。Siemens公司在SGT系列產品上，將1975個測溫晶體布置在發動機熱區，其中有90個測溫晶體安裝在1個葉片上，試驗后測溫晶體有著95%的高存活率。在國內，沈陽發動機研究所和天津大學都在實驗室進行過測溫晶體制作及標定技術研究工作[8-9]。

本文主要從工作原理、制造方法、安裝與拆除、標定試驗以及應用等方面對晶體測溫技術進行研究。

1 晶體測溫技術測量原理

晶體測溫技術是基于自身“溫度記憶效應”的以輻照缺陷的熱穩定性建立起來的1種微型溫度測量傳感器，通過中子輻照碳化硅晶體的晶格常數、測試溫度和測試時間之間的函數關系而形成的測量最高溫度的測試技術。

中子輻照碳化硅晶體測溫技術本質是利用晶體缺陷的熱穩定性，因此制作該傳感器最主要的工序就是輻照，目的是引入具有特定熱穩定性的各種缺陷。在輻照過程中，由于電離、離位、級聯及子級聯碰撞等效應的作用，晶格內部產生大量如間隙原子、空位、間隙原子團、空位團、空洞、位錯、層錯等缺陷，破壞了晶體原子周期性排列的特點，即輻照導致晶體晶格從有序性轉變為無序性。而且輻照劑量越大，輻照缺陷濃度就越大，無序度就越嚴重[10]。

晶體所經歷的最高溫度越高，殘余缺陷濃度就越低。二者具有一一對應的函數關系，知道晶體所經歷的最高溫度，必然能確定殘余缺陷濃度；反之亦然。輻照缺陷的消除取決于晶體所經歷的最高溫度，因此輻照導致的各種性能的變化伴隨著溫度升高的過程中缺陷的消除而逐漸回復到未輻照的水平。在通常情況下，殘余缺陷濃度雖然難以通過常規測試方法確定，但可以測定殘余缺陷對物性的影響間接反映出殘余缺陷濃度。所以，物性和退火溫度也是一一對應的關系，如果物性和晶體所經歷的最高溫度之間的函數關系已經確定，則知道晶體所經歷的最高溫度，便可以確定物性；反之亦然。電阻率、硬度、晶格常數和熱導率等都能用于反映殘余缺陷濃度[11-12]。

2 測溫晶體的制造

測溫晶體的制造過程主要包括晶片的生長、中子輻照、切割、篩選等布置。

首先生長出碳化硅晶錠，對晶錠結晶質量、表面粗糙度、位錯密度、微管密度和晶體彎曲度等指標進行考察，選擇出滿足使用要求的晶錠切割成大小合適的晶片，并對其進行預退火處理，以便消除樣品內固有缺陷，最后選擇合適的晶片用于中子輻照，如圖1所示。

為讓晶片內部產生缺陷，需進行中子輻照。在中子輻照過程中，離位峰效應導致樣品局部區域產生大量缺陷，該區域基本呈非晶態。隨著輻照注量的增大，離位峰發生的次數逐漸增加，非晶態區域的濃度也在不斷增大。當輻照注量增大到非晶化閾值時，非晶態區域便可以疊加到一起，導致整個樣品發生晶態-非晶態轉變[13]。

中子輻照完成后的晶片還需通過切割成一個個小晶體才能滿足使用，在晶片切割的過程中部分小晶體會發生崩邊、斷角的情況，需要從中篩選出各方面完好的晶體，如圖2所示。篩選出的晶體一部分用于標定試驗，另一部分則用于測量試驗。

3 安裝與拆除工藝

測溫晶體的可靠安裝和拆除是測溫晶體應用的關鍵環節，其工藝流程看似簡單，實則在安裝和拆除的過程中，測溫晶體極易丟失或受到損傷，導致在該環節測溫晶體的成活率降低。

測溫晶體可靠安裝與拆除是1個經驗不斷積累的過程，為熟練掌握該工藝，實現測溫晶體的可靠安裝，首先需建立良好的工作環境和配置專用的安裝與拆除設備，包括微操作平臺、立體顯微鏡、專用工具以及配套的專用小附件等，良好的設備是實現測溫晶體可靠安裝與拆除的基礎和前提條件。

雖然安裝與拆除工藝流程較為清楚，但在晶體夾取時容易崩邊和脫落，填充高溫膠時易出現松散和存在氣泡等情況，因此仍然需要通過反復的摸索試驗、實際操作以及工藝驗證試驗來不斷優化和改進實際的工藝方法，才能在該環節盡量不丟失和破壞測溫晶體，提高安裝與拆除的可靠性，提高晶體工作效率。

4 標定試驗方法

4.1 標定方法

對于國外“最高溫等效時間”的標定方法的時間歷程曲線難以獲取的問題，創新性地將“最高溫恒溫時間”作為輸入時間參數來完成微型輻照測溫晶體的標定和溫度判讀，可避免繁瑣的最高溫等效時間的獲取和計算。利用最高溫恒溫時間參數、最高溫平均溫度參數和晶體參數三者的函數關系，建立基于“恒溫時間法”的測溫晶體標定方法。

最高溫恒溫時間參數是測溫晶體標定時最高溫平均溫度的保溫持續時間；最高溫度平均溫度是考慮最高溫溫度在保溫持續時間內的允許范圍內波動的平均溫度值；晶體參數是測溫晶體經歷高溫前后晶格參數的變化。

4.2 標定系統設計

測溫晶體的標定由專用的標定系統來完成，因此標定系統的好壞、精度高低直接決定標定結果的質量。完整的測溫晶體標定系統主要由高精度的加溫爐、溫度控制與采集系統、標定試件、標定數據處理軟件以及配套的附件等組成，如圖3所示。

（1）電源系統。根據加溫爐爐內溫度波動度的要求（恒溫區內溫度波動度優于1℃），對標定爐的供電增加穩壓電源模塊，工作時供電電壓不超過1%，避免因電壓波動造成的溫度波動。

（2）加溫系統。加溫系統是標定設備的核心部分，用于給標定試件提供恒溫環境，根據熱電偶檢定標準裝置配用的熱電偶檢定爐的設計模式。標定爐采用管式加溫爐，要求升降溫快速、升降溫時間可調，恒溫時間精確可調，且控溫準備穩定，恒溫區內任意2點間溫差小于1℃，溫度波動度優于1℃。

（3）控制系統。溫度控制系統為本標定系統的核心，標定試驗時要求加溫爐的超溫量盡量小且加溫、恒溫迅速。因此，溫度控制器采用智能PID調節儀與標定爐構成溫度閉環控制，控制加溫棒對爐體進行加溫。溫度控制系統能夠對加溫、降溫時間進行控制和對恒溫時間精確控制。為避免超溫，要求控制系統的超調量很小，不超過1℃。

（4）采集系統。溫度采集用于采集與標定試件一并放入加溫爐內的B/S型熱電偶的實測溫度值，同時也用于通過實測溫度值的變化記錄加降溫和恒溫時間。可采用市面上成熟的溫度采集系統。

（5）操作臺。主要用于操作測溫晶體的安裝，標定試驗前的準備以及標定系統的溫度控制設置、標定軟件操作等，標定軟件將集成控制、溫度采集、數據處理、預警等功能于一體，實現標定試驗操作、數據處理的半自動化。

4.3 標定試驗流程

在相同的恒溫時間下的全溫度范圍的標定試驗的標定流程如下：

（1）標定準備。在標定試件上用高溫膠封裝3～4個測溫晶體，待高溫膠固化后用于標定試驗。

（2）系統連接。將標定試件與溫度采集電偶固定，并放置于加溫爐的恒溫區內，關閉加溫爐，檢驗系統的完好性。

（3）加溫試驗。設置加溫時間,恒溫時間10 min（以恒溫10 min為例），降溫時間控制為10 min。設置恒溫溫度值900℃（以900℃為例），開啟加溫程序。

（4）晶體參數測量。標定試驗完成后，取出標定試件中的測溫晶體，用X射線衍射儀測量晶體參數。

（5）數據處理。將3～4個測溫晶體的晶體參數的多次測量結果平均處理，作為“恒溫10 min，溫度值900℃”狀態下的晶體參數輸入。這樣就得到獲取標定曲線所需的1個狀態點的3個參數。

（6）曲線擬合。在恒溫10 min，其他溫度點（550～1350℃范圍內整百溫度點）的條件下重復進行步驟（3）～（5），得到全溫度范圍內各狀態點的參數后，通過標定軟件來完成標定曲線的擬合。

為便于分析標定結果的誤差及測量不確定度，在相同狀態點下可多次進行標定試驗，取均值作為曲線擬合的輸入參數，這樣就得到1條更為準確的標定曲線。

4.4 晶體參數測量

測溫晶體標定及應用試驗結束后，需通過X射線衍射儀來測量晶體的晶格參數，為最后的溫度判讀提供輸入參數。在晶體的各種物性參數中，晶格參數最容易獲取，晶格參數利用X射線衍射法來測定[14-15]。

5 應用研究

試驗共采用5點測溫晶體，通過特制的高溫膠將測溫晶體分別安裝于渦輪轉子葉片葉盆和緣板上，如圖4所示。試驗后5個測溫晶體的表面形貌如圖5所示。

測量結果表明，5點測溫晶體在高溫、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，未出現脫落的情況，試驗成活率為100%，獲取到了精確測點的溫度值。

由于測量未安排熱電偶進行測量結果的比對，在后續試驗中將安排晶體測溫結果與熱電偶測量結果的比對試驗。

6 結束語

晶體測溫技術對于測量航空發動機渦輪轉子葉片等熱端部件的特殊位置的表面溫度具有較強的實用性，能夠解決工程實際問題。但該技術對于封裝工藝、標定技術要求較高，還需根據實際工程現場實際情況進行深入、細化的試驗研究工作，進而解決航空發動機渦輪葉片表面溫度測量難題。

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Research on Crystal Temperature Measurement Technology for Aeroengine Turbine Blade

LI Yang,YIN Guang-ming
（AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Jiangyou Sichuan 621703，China）

In order to solve the problem of temperature measurement of aeroengine turbine blade,the characteristics and technical advantages of a kind of crystal temperature sensors were introduced，and the manufacturing methods of crystal temperature sensors were expounded based on whose working principle in temperature measurement.Further more,the installation,dismantling process and the calibration method of the crystal temperature sensors were described in detail.Then the crystal temperature sensors were applied to measure the surface temperature of turbine blade.The results show that those sensors attached to the test blade firmly cannot drop,even under the condition of high temperature,high pressure,the impact of high speed gas flow and high speed rotation.The survival rate of crystal sensors under testing is 100%,and the temperature of target location is obtained after test,which enables crystal temperature measurement technology to be considered as an ideal methodology to measure the surface temperature of hot section components of aeroengine such as turbine blade.

crystal temperature measurement;temperature measurement;turbine blade;aeroengine

V 263.3

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.03.016

2016-10-28 基金項目：航空動力基礎研究項目資助

李楊（1986），男，工程師，主要從事航空發動機測試工作；E-mail：li2313954@163.com。

李楊，殷光明.航空發動機渦輪葉片晶體測溫技術研究 [J].航空發動機，2017，43（3）：83-87.LI Yang，YINGuangming.Research on crystal temperaturemeasurementtechnologyforaeroengineturbineblade[J].Aeroengine，2017，43（3）：83-87.

（編輯：栗樞）