發(fā)動機(jī)燃燒室出口溫度分布測試的新型傳感器

王棒　李亦軍　王高　王凱　曾行昌　李鐵林

摘要：發(fā)動機(jī)燃燒室出口的溫度分布對于推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義，而現(xiàn)階段發(fā)動機(jī)內(nèi)部溫度已達(dá)1800℃以上，主要測溫手段輻射測溫和熱電偶受限于限于精度和材料，對這種高溫氧化環(huán)境無法測試。該文依據(jù)超聲測溫原理，設(shè)計(jì)了一套可以在超高溫氧化環(huán)境下用一根藍(lán)寶石光纖測量多點(diǎn)溫度的溫度分布測試系統(tǒng)，并且在20～1800℃范圍內(nèi)進(jìn)行標(biāo)定并多次校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)測量精確、重復(fù)性良好，在1600℃時(shí)靈敏度為0.004μs/℃，重復(fù)性達(dá)98.4%。在加裝滯止罩后將感溫元件封裝于發(fā)動機(jī)燃燒室出口處，經(jīng)過多此實(shí)驗(yàn)，測得了該燃燒室運(yùn)行時(shí)出口處徑向溫度分布。

關(guān)鍵詞：超聲測溫;燃燒室;溫度分布;藍(lán)寶石光纖

中圖分類號：TH811 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）08-0112-06

收稿日期：2019-02-10;收到修改稿日期：2019-03-25

基金項(xiàng)目：航空科學(xué)基金（2017ZD30004）

作者簡介：王棒（1995-），男，山西晉城市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)槌暅y溫技術(shù)。

0 引言

近年來，中國航空發(fā)動機(jī)發(fā)展迅速，進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)燃燒室出口溫度對提高發(fā)動機(jī)推力和效率至關(guān)重要。但是對于燃燒室后面的部件，燃燒室的燃?xì)鉁囟忍岣咭馕吨考诟鼧O端的條件下運(yùn)行[1-2]。最新一代沖壓發(fā)動機(jī)工作溫度達(dá)到2500℃，已經(jīng)超過標(biāo)準(zhǔn)刻度的B型和K型熱電偶的溫度上限[3-4]。光學(xué)溫度測量等非接觸式溫度測量方法受材料發(fā)射率的影響，溫度測量結(jié)果與實(shí)際有很大差異[5]。所以高性能發(fā)動機(jī)運(yùn)行時(shí)燃燒室后高溫燃?xì)饬鳒囟确植嫉臏?zhǔn)確測試就成為關(guān)鍵。

超聲波溫度測量起步于20世紀(jì)60年代，是通過測量在特定溫度下聲波在介質(zhì)中傳播的速度來獲得介質(zhì)溫度的方法2010年受美國能源部、核能源、科學(xué)技術(shù)廳共同資助，美國愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室在熔融的氧化鈾浴中，用鎢絲超聲超高溫傳感器測得溫度達(dá)到3133K[7]。2012年，愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)研制用于測量核反應(yīng)堆內(nèi)溫度的超聲溫度傳感器，用不銹鋼、鉬等作為傳感器材料，不僅對超聲測溫傳感器材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的分析與研究，而且對超聲特征信號的數(shù)據(jù)采集和處理也進(jìn)行了詳細(xì)的分析，推動了超聲測溫傳感器的工業(yè)化應(yīng)用[8-9]。在中國，超聲波溫度測量研究仍處于起步階段[10]，近年來中北大學(xué)與重慶理工大學(xué)在超聲測溫領(lǐng)域展開了相關(guān)研究，取得了一些成果，如2018年中北大學(xué)設(shè)計(jì)了銥銠合金超聲導(dǎo)波傳感器，并用于固體火箭發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑燃燒溫度測試[11]。

本文采用藍(lán)寶石（α-A1203）光纖作為傳感器材料，其熱穩(wěn)定比好，強(qiáng)度高，耐氧化，熔點(diǎn)可達(dá)2045℃。在藍(lán)寶石光纖上刻蝕了多個(gè)測溫區(qū)截，使其可以測量多點(diǎn)溫度分布，而不再是單點(diǎn)溫度傳感器。并且設(shè)計(jì)制作了應(yīng)用于工況環(huán)境的封裝結(jié)構(gòu)，完成了航空發(fā)動機(jī)燃燒室出口的高溫燃?xì)饬鳒囟确植紲y試。

1 基于超聲測溫的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 測溫原理

超聲導(dǎo)波在固體中的傳輸問題可以采用平面聲波線理論模型進(jìn)行研究，該理論可以對超聲波在波導(dǎo)中的傳播過程及各個(gè)波前到達(dá)時(shí)間進(jìn)行分析[12-13]。常溫下，超聲波在固體波導(dǎo)桿中傳播，其傳播模型為式中：C₀——超聲速度，m/s;

E——材料的彈性模量，Pa;

ρ——材料的密度，kg/m³;

但是在超高溫環(huán)境下，波導(dǎo)材料受到周圍環(huán)境超高溫?zé)釕?yīng)力會造成超聲波聲速的變化，超聲波聲速與溫度有關(guān)。當(dāng)不考慮邊界條件時(shí)，固體材料可看作各向同性傳輸介質(zhì)，其聲速可以由材料密度、彈性模量確定。式中：C₀——超聲速度，m/s;

E——材料的彈性模量，Pa;

ρ——材料的密度，kg/m³。

將耐超高溫的藍(lán)寶石制作成桿狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，置人超高溫環(huán)境中，測量出超聲波在波導(dǎo)桿中的聲速即可確定周圍環(huán)境的溫度[14-15]。

1.2 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)上述原理設(shè)計(jì)出測溫系統(tǒng)如圖1所示。脈沖發(fā)生器發(fā)射一個(gè)電脈沖信號經(jīng)過超聲換能器轉(zhuǎn)換為超聲導(dǎo)波信號。超聲換能器是特殊陶瓷材料構(gòu)成，具備壓電效應(yīng)，在壓電陶瓷上加載窄帶脈沖電壓使得壓電陶瓷產(chǎn)生機(jī)械振動，因此激發(fā)出超聲導(dǎo)波。同時(shí)壓電陶瓷也具有逆效應(yīng)，超聲導(dǎo)波信號也可轉(zhuǎn)換成電信號。激發(fā)出的超聲導(dǎo)波在傳感器中傳遞，直到在測溫區(qū)截遇到刻蝕的凹槽，因?yàn)槁曌杩沟牟黄ヅ涠a(chǎn)生反射信號。同時(shí)傳感器端頭由于是不同介質(zhì)的界面也會產(chǎn)生反射信號。反射信號經(jīng)過超聲換能器后再度轉(zhuǎn)化為電信號被數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄。凹槽間的距離和凹槽與端頭間距離是固定的，只需要采集到的反射信號間的時(shí)間差便可計(jì)算出超聲速度v（T）。

2 傳感器設(shè)計(jì)與制備

2.1 藍(lán)寶石光纖的制備與刻蝕

本文傳感器光纖用激光加熱焊臺生長法（LHPG）生產(chǎn)。生長方法如圖2所示，先用高功率激光器熔化原料棒，后將沿單晶軸向生長的籽晶作為種子放入熔化區(qū)，緩慢推進(jìn)原料棒，籽晶會被拉伸。為避免氣流、振動及推進(jìn)速度對光纖直徑均勻性的影響，生長全過程在密閉的惰性氣體中由機(jī)械控制進(jìn)行。生長光纖的直徑是由原材料的直徑以及推進(jìn)速度共同作用的，原料棒直徑和拉制光纖直徑3：1，原料棒和籽晶的推進(jìn)速度為2mm/min[15]。

飛秒激光具有超短的脈沖和超高的峰值功率，依據(jù)此特征，用飛秒激光為藍(lán)寶石刻蝕凹槽。將光纖放置在固定位置，飛秒激光器發(fā)射激光，并且穿過相位掩模的光束聚焦在光纖上以進(jìn)行曝光，從而在光纖上形成凹槽，如圖3所示。

2.2 傳感器測溫區(qū)截設(shè)計(jì)

為了避免超聲波傳播中的分散，傳感器直徑應(yīng)小于超聲導(dǎo)波縱向波長的十分之一。

超聲導(dǎo)波產(chǎn)生反射信號是由于在傳感器凹槽或端頭處聲阻抗不匹配，當(dāng)應(yīng)力波通過面積突變的界面，會發(fā)生部分能量反射與能量透射。

如圖4所示，超聲導(dǎo)波沿傳感器軸向方向傳播時(shí)，其中細(xì)桿的截面積為A₁，在變截面處的面積為A₂。U_i，U_r，U_t分別代表入射波函數(shù)、反射波函數(shù)、透射波函數(shù)。其中阻抗為Z=ρ₀C₀A，可獲得超聲波的反射系數(shù)R，與投射系數(shù)T為其中Z₁、Z₂是凹槽前和凹槽處的聲波阻抗。

反射系數(shù)和透射系數(shù)為：式中：d₁——光纖直徑，mm;

d₂——凹槽處直徑，mm。

由反射系數(shù)可知波導(dǎo)桿直徑與凹槽處直徑的比值：

反射系數(shù)、透射系數(shù)與直徑密切相關(guān)，在凹槽處直徑越小，則超聲波的反射波能量越高，但又要保證足夠多的能量可以繼續(xù)傳遞。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究，當(dāng)反射系數(shù)為0.2時(shí)可以獲得較為明顯的反射信號。現(xiàn)傳感器使用直徑1mm藍(lán)寶石光纖，則凹槽直徑應(yīng)為0.8mm。

凹槽間距應(yīng)符合以下關(guān)系：

式中：v（T）——超聲導(dǎo)波在藍(lán)寶石光纖中的傳播速度，m/s;

t₁——脈沖收發(fā)儀的激勵(lì)時(shí)間，s。

△S——凹槽到端面的距離，mm。

當(dāng)滿足此關(guān)系時(shí)反射信號不會疊加。結(jié)合傳感器直徑與藍(lán)寶石超聲速度可得出兩個(gè)凹槽之間的最小距離是25mm，同時(shí)為便于分辨反射信號，所以在距離端頭28mm處刻蝕一個(gè)反射凹槽，此即第1測溫區(qū)截;在距離第1凹槽25mm處刻蝕第2個(gè)凹槽，此即第2測溫區(qū)截。傳感器敏感元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

3 測試系統(tǒng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

標(biāo)定實(shí)驗(yàn)如圖5所示，主要設(shè)備包括：計(jì)算機(jī)、脈沖收發(fā)儀、超聲收發(fā)儀、100MHz的數(shù)據(jù)采集卡、藍(lán)寶石光纖傳感器組成的溫度分布測試系統(tǒng)和一臺可加熱到1800℃的高溫爐。為了降低校準(zhǔn)誤差，添加了一個(gè)經(jīng)過校準(zhǔn)的一級雙鉑銠熱電偶，精度為0.3%。在連接好實(shí)驗(yàn)裝置后，將藍(lán)寶石光纖傳感器置于高溫爐內(nèi)，并把感溫區(qū)截與雙鉑銠熱電偶耦節(jié)放置在同一位置。高溫爐溫度升高100℃，采集一次數(shù)據(jù)。如上述步驟重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)。

圖6為常溫下采集到的超聲導(dǎo)波信號，可以清晰地分辨出端頭與兩個(gè)凹槽處的超聲導(dǎo)波信號。選取第一區(qū)截信號標(biāo)定傳感器。圖7為取了5個(gè)溫度點(diǎn)（由下向上依次為25，400，900，1400，1800℃）采集到的第一區(qū)截超聲導(dǎo)波傳輸時(shí)差。在常溫（25℃）時(shí)，端波與槽波信號的傳輸時(shí)差為5.38μs。當(dāng)溫度上升到1800℃時(shí)，端波與槽波信號的傳輸時(shí)差為增加至5.81μs。

將3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成曲線，如圖8所示，傳感器重復(fù)性良好，溫度與傳輸時(shí)差具有很好的線性。通過區(qū)截長度和時(shí)差計(jì)算出藍(lán)寶石光纖上的超聲聲速后可以擬合出該傳感器的溫度—聲速曲線，如圖9所示。

傳感器的靈敏度——靈敏度是指儀器最小測量能力。所測的最小量越小，該儀器的靈敏度就越高。用數(shù)學(xué)模型定義就是在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化△y對輸入量變化△x的比值。由于超聲測溫?cái)?shù)學(xué)模型是一個(gè)二次函數(shù)，對該模型各點(diǎn)求導(dǎo)即可獲得傳感器的靈敏度，如圖8所示，從圖可知傳感器靈敏度隨溫度升高而升高，在1000℃時(shí)，靈敏度的變化幅度逐漸劇烈，由公式可得靈敏度達(dá)到0.004μs/℃，靈敏度的計(jì)算公式為

傳感器重復(fù)性——在相同的工作條件下，對同一個(gè)輸入值在短時(shí)間內(nèi)多次連續(xù)測量輸出所獲得的極限值之間的代數(shù)差。傳感器的重復(fù)性則取校準(zhǔn)點(diǎn)處重復(fù)性最大者。重復(fù)性的計(jì)算公式為其中c為95置信條件下的t分布包含因子，即c=t_0.95，S_max為各個(gè)溫度點(diǎn)最大的樣本標(biāo)準(zhǔn)差，Y_FS為傳感器測試量的范圍，進(jìn)而計(jì)算了重復(fù)性最好的溫度點(diǎn)1600℃為重復(fù)度98.4%，則傳感器的重復(fù)性為98.4%。

4 燃燒室出口測試及結(jié)果

4.1 測試環(huán)境

為使測試系統(tǒng)精確測試燃燒室出口的高溫沖擊氣流，設(shè)計(jì)了氧化鋁陶瓷剛玉（氧化鋁陶瓷）管封裝，如圖10示。剛玉管可以在1600℃長期工作，1800℃短期使用，壓縮強(qiáng)度380MPa。將藍(lán)寶石光纖封裝于氧化鋁陶瓷管，后端使用鋁合金工件耦合超聲換能器，前端感溫區(qū)截封人滯止罩內(nèi)。滯止罩在感溫區(qū)截開有3個(gè)孔，便于感溫區(qū)截與燃?xì)鈿饬鞒浞纸佑|，如圖11所示。

實(shí)驗(yàn)所用燃燒室是在單管燃燒室基礎(chǔ)上改造的，如圖12所示，該燃燒室出口溫度理論值可達(dá)1600℃。實(shí)驗(yàn)前，將藍(lán)寶石光纖傳感器通過螺栓裝在發(fā)動機(jī)燃燒室后側(cè)的氣道接孔內(nèi)，如圖13再將與藍(lán)寶石光纖耦合的超聲換能器接入溫度分布系統(tǒng)設(shè)備。同步控制器給出觸發(fā)信號，超聲測溫系統(tǒng)開始工作，同時(shí)給燃燒室點(diǎn)火，采集卡對發(fā)動機(jī)燃?xì)鉁囟冗M(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并存儲在計(jì)算機(jī)中。

4.2 測試結(jié)果及分析

在105min的時(shí)間里燃燒室一共進(jìn)行了8次燃燒噴射，忽略降溫時(shí)間，將采集數(shù)據(jù)繪制成的時(shí)間一溫度曲線如圖14所示。測溫傳感器受限于氣道空間只刻蝕了兩個(gè)區(qū)截，所以采集到了徑向兩個(gè)點(diǎn)的溫度值。第1區(qū)截位于氣道中心位置，第2區(qū)截位于氣道上部近壁位置。燃燒室點(diǎn)火瞬間溫度急劇上升，且經(jīng)過93s中心溫度上升到1532℃，上壁溫度上升到1401℃，中心溫度最高達(dá)到1573℃，上壁溫度最高達(dá)到1470℃。溫差最大141℃，最小21℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明燃燒室出口處高溫燃?xì)鈿饬鞑⒉痪鶆颍瑴囟确植汲尸F(xiàn)中心高，邊緣低的近壁低溫現(xiàn)象。

傳統(tǒng)方法熱電偶測溫耙測試結(jié)果同樣存在此現(xiàn)象，相鄰的兩個(gè)測溫點(diǎn)溫差最大334.13℃，查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)主要原因是：壁面外有循環(huán)冷卻形成了低溫區(qū)域;摻混射流被擠壓貼壁流動且混合較差;忽略了壁面散熱效果。

5 結(jié)束語

為解決燃燒室出口高溫燃?xì)饬鞯臏囟确植紲y試問題，本文設(shè)計(jì)制備了藍(lán)寶石光纖溫度分布傳感器，研制了基于超聲測溫原理的溫度分布測試系統(tǒng)，并完成了1800℃以下的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。根據(jù)傳感器主要靜態(tài)特性指標(biāo)的計(jì)算方法，計(jì)算了傳感器的重復(fù)性，二次曲線擬合情況，靈敏度，分辨率等傳感器靜態(tài)性能。

進(jìn)一步設(shè)計(jì)了在工況環(huán)境中的封裝結(jié)構(gòu)，應(yīng)用在發(fā)動機(jī)燃燒室實(shí)驗(yàn)中，測得燃燒室出口峰值溫度及徑向上兩點(diǎn)的溫度一時(shí)間曲線。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與熱電偶測溫耙方法進(jìn)行了比較，可以得出基于超聲測溫原理的藍(lán)寶石光纖溫度分布傳感器的測試結(jié)果符合實(shí)際溫度。

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（編輯：徐柳）