航空發動機渦輪葉片溫度測量修正方法研究*

李昶威，溫德豐，景 帥

（沈陽航空航天大學 航空發動機學院，遼寧 沈陽110136）

航空發動機實現高性能和高推重的一個重要途徑就是提升渦輪前燃氣溫度。預期未來渦輪葉片進口溫度可以達到2000~2250K。渦輪葉片長期在非設計條件下工作會造成嚴重的后果（見圖1）。為了能夠在提高渦輪前燃氣溫度的同時保證發動機的工作性能和可靠性，需要對渦輪葉片的溫度進行準確的測量，確保其工作在正常溫度范圍內。

圖1 渦輪葉片燒蝕

本文主要對接觸式測溫法中的熱電偶溫度測量技術進行分析。

1 接觸式測溫方法-熱電偶測溫

熱電偶溫度計由熱電偶、連接導線和顯示儀器等組成，其原理基于溫差電效應。它的優點是準確度較高，測溫范圍較廣，動態范圍較快，結構簡單和維護方便。其缺點是熱電偶插入被測介質中會破壞溫度場而引入測量誤差，這也是本文主要論述的問題以及對此提出的解決方案。

2 三種傳熱方式對測量結果的影響

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

圖2 熱電偶測量壁面溫度示意圖

（1）和熱電偶受感部接觸的不僅僅是被測壁面，還包括緊貼被測壁面附近的流體。由傳熱學的溫度邊界層理論可知，流體溫度在壁面附近邊界層內發生劇烈的變化，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果。

（2）熱電偶給出的測溫結果，實際上只是熱電偶受感部的本身溫度，而非被測壁面的實際壁溫值。只有當被測壁面與熱電偶受感部之間的傳熱方式只有導熱而無其他傳熱方式時，熱電偶受感部溫度和被測壁面的溫度才相同。

（3）在實際測溫時，熱電偶受感部的溫度是受壁面導熱、熱電偶引線導熱、與其周圍流體的對流換熱以及環境輻射換熱等一系列傳熱過程的共同作用下，達到熱平衡時的溫度。

因此，只有建立熱電偶受感部的熱平衡方程，才能夠根據熱電偶的溫度讀數來反推被測壁面的溫度。

3 熱電偶溫度測量結果偏離被測點溫度機理研究

通過軟件建立結構化網格，對熱電偶測量溫度的傳熱流動過程進行數值模擬。通過研究直板葉片不同安裝角度對流場的作用，進而分析流場對溫度的影響，確定熱電偶溫度測量結果偏離被測點溫度的機理，明確航空發動機真實工況下熱電偶溫度測量結果偏離的原因。

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

圖3 30°安裝角的流場

圖4 45°安裝角的流場

圖5 60°安裝角的流場

在安裝角為30°和60°時，葉片表面的速度比安裝角為45°時的大，速度場對溫度場影響較大，熱電偶測溫結果偏離被測點溫度較大。在非穩定條件下，熱電偶的安裝影響了葉片中截面處溫度場，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定流動造成的。

4 熱電偶溫度測量結果修正方法研究

綜合考慮導熱、對流和輻射等因素，分析節點與渦輪葉片壁面導熱、節點與來流的對流換熱，節點與熱電偶線的導熱，節點與環境的輻射換熱以及燃氣對節點的熱輻射，建立熱電偶溫度測量熱平衡模型。根據熱電偶的尺寸和安裝工藝建立輻射傳熱計算式。根據計算式建立包括節點與渦輪葉片壁面導熱、節點與來流的對流換熱，節點與熱電偶線的導熱，節點與環境的輻射換熱以及燃氣對節點的熱輻射，求解被測點溫度，獲得溫度測量修正方法。

在熱電偶測量渦輪葉片溫度時，若流場處于穩態，則溫度示數不隨時間改變，此時節點的能量守恒分析如下。

如圖6 所示，圖中Q1為節點與渦輪葉片壁面的導熱，Q2為節點與熱電偶引線間的導熱，Q3為節點與周圍流體的對流換熱，Q4為節點吸收周圍流體的熱輻射，Q5為節點與環境壁面的輻射換熱。

圖6 熱電偶節點傳熱模型

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

圖7 熱電偶節點

5 結束語

本文通過對接觸式測溫法中的熱電偶溫度測量技術進行介紹以及分析在熱電偶測溫技術中導熱、對流和輻射對熱電偶壁面溫度測量結果的影響，并且綜合考慮三種傳熱方式等因素，在節點能量平衡中考慮燃氣對節點的熱輻射以及節點與環境的輻射換熱，建立了熱電偶溫度測量熱平衡模型。