航空發動機進口動態溫度場測試耙設計

張校東，孫海龍，王曉良，薛秀生

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

隨著中國航空發動機試驗技術的完善與成熟，各種特殊環境下的發動機流場測試技術逐漸成為發動機試驗亟需解決的技術難題。發動機在飛機起飛時進氣道吸入高溫水蒸氣，其進口產生一定的溫度畸變，對其穩定性造成嚴重影響。因此，在發動機研制過程中亟需1種測量發動機進口動態溫度場的方法，計算發動機吸入高溫水蒸氣時的溫度場畸變，并評估發動機特殊工況下的穩定性。

航空發動機氣動參數測量條件惡劣，測試元件長時間處于高溫、高壓、強振動的氣動環境中工作。為保證動態溫度測試系統工作的可靠性，提高其使用壽命，經常在感溫元件外加裝保護套管，致使傳感器存在較大的熱慣性[1-4]。當測量的溫度隨時間變化較快時，上述溫度傳感器所測溫度信號總是滯后于被測對象真實溫度變化，從而產生較大的測溫誤差[5-7]。文獻[8]用鎳鉻-考銅材料制作片狀熱電偶，介紹了時間常數的校準和確定方法；文獻[9-10]在國內首次利用多裕度細絲熱電偶實現了動態溫度的單點測量，并在飛機武器發射試驗中獲得成功應用。

本文以細絲熱電偶為溫敏元件研制1種發動機進口動態溫度場測試耙，并將其成功應用于航空發動機水蒸氣吸入試驗中發動機進口動態溫度場測試，獲得了良好的測量效果。

1 動態溫度場測試耙設計與分析

目前國內主要針對小尺寸發動機或者小型飛機進氣道設計并使用測量耙進行畸變場測試，而針對大涵道發動機試驗用的大尺寸測量耙的研制和使用尚屬于起步階段，研制需求十分迫切[11]。文獻[12-15]設計了1種發動機進氣畸變測量耙，詳細介紹了畸變耙的結構設計和測試改裝方法，并完成了相關的振動、動應力等基礎驗證試驗。

1.1 動態溫度場測試耙整體方案設計

本文設計的動態溫度場測試耙（如圖1所示）安裝在發動機進口進氣測量截面，周向采用“水”字形布置，包括6支小慣性熱電偶耙臂和1個支撐內環。小慣性熱電偶耙臂以及支撐內環橫截面均設計成前大后小的翼型結構，不僅可以減小整個測試受感部的氣動載荷，也大大降低了受感部對后面發動機進口流場的干擾[16]。

每支小慣性熱電偶耙臂上按照等環面分布5個動態溫度測點，通過4個螺釘緊固在機匣安裝座上。由于每支耙臂較長，為更好地抑制耙臂的振動情況，提高整個溫度測試耙的整體抗振能力，在內環上盲孔和耙臂端部圓柱利用浮動連接的方式將周向6支耙熱電偶耙臂連接。耙臂和內環的連接結構如圖2所示。

圖1 動態溫度測試耙布置

圖2 臂和內環的浮動連接

1.2 動態溫度場測試耙結構強度計算

對于航空發動機進口的測試受感部的設計，強度計算是極其重要的環節。根據動態溫度場測試耙在發動機機匣上的實際安裝結構，將小慣性熱電偶耙臂與支撐內環之間的連接定義為剛性接觸碰撞，建立動態溫度場測試耙的有限元分析模型，并對其進行靜強度和動強度計算。

在動態溫度場測試耙設計工況條件下，靜強度計算結果如圖3所示。從圖中可見，最大應力位于小慣性熱電偶耙臂根部，根據動態溫度場測試耙的耙臂和內環材承力部件材料性能可知，整個測試耙靜強度裕度系數nb滿足受感部強度設計要求。

圖3 受感部最大應力分布

對動態溫度場測試耙進行特征頻率計算，計算結果見表1。

表1 動態溫度場測試耙固有頻率

本文設計的動態溫度場測試耙安裝在發動機進氣測量段上，承受發動機進氣機匣的振動載荷，進氣機匣振動頻率可近視等效為低壓轉子的轉動頻率。由文獻[17]可知，對于發動機穩態測試受感部的動強度校核，應以固有頻率（3階內）與激振頻率差值是否大于25%作為主要判據，動態溫度場測試耙前3階固有頻率的裕度均大于25%，動態溫度場測試耙動強度裕度滿足受感部設計要求。

2 小慣性熱電偶設計與標定

2.1 小慣性熱電偶結構設計

為了測得氣流的瞬間溫升，本文設計的小慣性熱電偶響應時間要求毫秒級別。根據對細偶絲時間常數的相關試驗結果，本文選用Φ=0.08 mm K型偶絲作為溫敏元件，時間常數為0.04 s。考慮到發動機進口氣流環境較為惡劣，小慣性熱電偶測溫探頭必須具有可修復性，本文所設計的測溫探頭采用Φ=0.08、Φ=0.5 mm 2種K型偶絲搭接而成，具體結構如圖4所示。

測溫探頭安裝座以及耙臂內部均采用Φ=0.5 mm的偶絲，保證整個小慣性熱電偶內部灌封偶絲的使用壽命。測溫探頭外露感溫處局部采用Φ=0.08 mm的偶絲，與Φ=0.5 mm的偶絲采用儲能點焊焊接。由于Φ=0.08 mm偶絲強度較弱，使用壽命十分有限，試驗中可直接將Φ=0.08 mm偶絲快速更換，并與Φ=0.5 mm偶絲重新焊接。

圖4 測溫探頭結構

2.2 小慣性熱電偶的標定

根據K型偶絲的工程應用經驗可知，I級K型偶絲在200℃以上具有較高的精度，在200℃以下的低溫區域工程應用較少。另外，為研究2種規格偶絲相互焊接以及細絲熱電偶修復性焊接是否對偶絲精度產生影響，應當對小慣性熱電偶進行低溫區域的對比標定。分別取2組本文設計的小慣性熱電偶和1組常規的Φ=0.5 mm K型熱電偶進行對比標定試驗，標定結果見表2。

表2 對比標定結果

從表中可見，在各標定溫度下本文設計的小慣性熱電偶與常規Φ=0.5 mm偶絲的熱電勢基本一致，與標準熱電勢相比，最大偏差為-1.5℃，滿足K型偶絲I級精度要求；2組小慣性熱電偶標定結果幾乎完全相同，本文設計的細絲熱電偶重復更換并與Φ=0.5 mm偶絲焊接對測溫性能無影響。

3 試驗測試結果

3.1 測試系統簡介

本次試驗動態壓力測試系統原理如圖5所示。

圖5 動態溫度測試系統

信號放大器選用VISHBY公司ModelA2信號放大器，具有溫度測試模塊，多路擴展，自帶溫度補償功能，溫度測試方便快捷，最高響應頻率為110 kHz，符合此次試驗要求。數據采集卡選用凌華DAQe-2208高速數據采集卡，可進行多路高速高精度數據采集，相關參數符合發動機進口動態溫度場測試要求。

3.2 數據處理

采集到的原始數據噪聲較大，為了滿足動態測量誤差的修正，必須對原始數據進行濾波處理，提高信號的信噪比。采用的濾波器為Butterworth低通濾波器，截止頻率為1 kHz，對原始數據進行濾波。

由于熱電偶本身具有熱慣性，當氣流溫度變化時，熱電偶測量端的變化在時間上滯后于氣流溫度的變化，所以要對測量到的溫度數據進行動態誤差的修正，修正公式為[17]

式中：Tt為t時刻修正后的實際溫度值；Tit為t時刻瞬態指示溫度，為了減少部分噪聲的干擾，Tit用t時刻前2個數據與t時刻后2個數據瞬時算術平均值代替；τ為熱電偶時間常數；（dT/dt）i為t時刻瞬態指示溫升率，是5點瞬時值經最小二乘法直線擬合的斜率。

該測試耙在某型發動機高溫水蒸氣吸入試驗累計使用時間17 h 12 min。由于試驗中高溫水蒸氣被發動機吸入后瞬間液化，對小慣性熱電偶測點造成較大的沖擊載荷，使小慣性熱電偶測點壽命受限。在整個試驗中對小慣性熱電偶個別測點進行多次修復，取得了較好的動態溫度場測試效果。2種狀態下水蒸氣吸入瞬間發動機進口30個測點動態溫度的變化如圖6、7所示。

根據試驗結果可知，本文設計的發動機進口動態溫度場測試耙測量數據能夠有效地反映發動機進口在高溫水蒸氣吸入瞬間的溫度場變化情況，對于后續高溫水蒸氣吸入位置的變化情況、吸入量的變化規律以及發動機進口溫度畸變持續時間的計算提供基礎測試數據支撐。

圖6 狀態1動態溫度曲線

圖7 狀態2動態溫度曲線

4 結論

通過航空發動機進口動態溫度場耙的設計及應用，得出以下結論：

（1）基于浮動連接結構設計的發動機進口流場測試耙具有足夠的強度裕度，滿足發動機測試受感部設計要求；

（2）通過細絲搭接法設計的小慣性熱電偶測溫性能滿足動態溫度測試要求。