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4688美高美游戏,www.4688..com,美高美游戏4688网址航空发动机高温传感器的应用

来源:发表时间:2020-03-10

随着航空发动机技术的发展,发动机的推重比、涡轮前温度和总增压比等性能参数得到显著提升。其中,涡轮前温度不但是航空发动机的重要性能参数,还关系到涡轮叶片表面温度、涡轮冷却、延寿控制等各个方面,极大地影响到航空发动机工作的可靠性。实现对涡轮前温度进行直接准确测量是满足上述技术要求的前提条件,而研制适用于航空发动机的大量程、高精度、高稳定性的温度传感器是具体的实现途径。


4688美高美游戏,www.4688..com,美高美游戏4688网址高温传感器的工作原理和分类


温度传感器是能感受温度信号并按一定传感原理转换成可用电信号的器件或装置,通常包含敏感元件和转换元件。根据测量原理性质的不同,温度传感器可分为接触式测温和非接触式测温两类(如图1所示)。接触式测温是指温度传感器的敏感元件与被测对象直接接触,通过热传导的方式达到热平衡状态,用敏感元件的温度代表被测对象的实际温度并进行测量。在航空发动机中正在使用或探索使用的接触式传感器包括热电偶温度传感器、示温漆、晶体高温传感器和光纤高温传感器等。


非接触式测温是指温度传感器


的敏感元件与被测对象不发生直接接触,而是通过获取被测对象的热辐射信息,根据与温度的对应关系计算出被测对象的温度信息,实现对被测对象的温度测量。在航空发动机中正在使用或探索使用中的非接触式传感器主要是辐射式高温传感器。


接触式高温传感器热电偶温度传感器

     4688美高美游戏,www.4688..com,美高美游戏4688网址热电偶是航空发动机中最为常用的温度传感器,具有结构简单、可靠性高、技术成熟的优点。热电偶的敏感元件是由两根不同材质的金属丝焊接而成的,称为工作端或热端,两根金属丝的另一端称为自由端或冷端,通过连接补偿导线和测量仪表构成回路。其测温原理称为塞贝克效应(Seebeck effect),即在热电偶的热端和冷端存在温度差时,两金属丝之间会产生热电势并在回路中形成电流,通过测量热电势的大小并进行冷端温度补偿即可计算出热电偶工作端的温度值。不同材质的热电偶具有不同的测温范围,可用于航空发动机涡轮前温度测量的热电偶为铂铑30-铂铑6热电偶(分度号B),长期使用最高温度为1873K,短期使用最高温度可达2073K。


热电偶在发动机中的安装方式主要包括埋入式、火焰喷涂式和薄膜式3种。埋入式热电偶是指预先在被测对象表面开槽,将铠装热电偶埋入槽中后通过等离子喷涂固定,这种方法对热电偶的制作工艺要求较低,然而破坏了被测对象的表面结构,影响了被测对象的强度 ;火焰喷涂式热电偶是通过火焰喷涂涂层的方法将热电偶丝固定在被测对象表面,这种方法避免了对被测对象结构上的破坏,但产生了对表面流场的干扰 ;薄膜式热电偶是通过电镀、真空蒸镀、真空溅射等技术,令金属和绝缘材料分层附着在被测对象表面形成热电偶 [1] ,薄膜式热电偶的膜层厚度可以低至数微米,将对被测对象结构强度和表面流场的影响降至最低,然而在高温环境下容易受热应力的影响而产生脱落。


示温漆


示温漆测温是一种非干涉式测温方法。作为一种颜色随温度发生变化的功能性涂料,示温漆具有不破坏被测对象表面形貌、不改变气流状态、无须测量引线、无须测量窗口、结果直观等优点 [2] 。根据涂料颜色随温度发生变化后再回到变色前的温度环境下是否恢复原色,示温漆可分为可逆与不可逆两类,航空发动机测温中一般使用不可逆的示温漆 [3] 。而根据涂料随温度上升发生的变色次数,示温漆又可以分为单色和多色示温漆,单色示温漆随温度升高只产生一种颜色变化,多用于超温警示功能 ;多色示温漆随温度升高会产生多次变色,变色次数越多,每一种颜色指示的温度变化范围越小,测温结果精度越高。因此,航空发动机测试应用中一般使用多变色不可逆示温漆。


得益于非干涉、无须测量引线及窗口的特性,示温漆特别适宜在旋转部件和复杂结构件的表面进行测温,此类部件往往受到安装方式和测量引线的制约而难以应用4688美高美游戏,www.4688..com,美高美游戏4688网址其他温度传感器进行温度测量。同时,示温漆可以在被测对象表面进行大面积涂覆而不影响表面形貌与气流状态,适宜测量被测对象表面温度分布。示温漆的测量特性在带来便利性的同时,还带来了相应的局限性 :示温漆受到加热速度、加热时间、环境污染等使用条件的影响较大 ;需要通过颜色比对读取温度数值,因此测量的主观误差较大 ;需要将被测对象拆卸后才能进行温度数值读取,因此只适宜进行发动机测试时使用,无法进行在线监测等。


综合上述特征,示温漆测温常用于航空发动机测试中对燃烧室和涡轮部件表面温度分布的测量。目前对多色不可逆示温漆的研究主要集中于提高示温漆温度值的判读精度、增大示温漆的涂层强度和使用范围等方面,今后仍有广阔的发展前景。


晶体高温传感器


4688美高美游戏,www.4688..com,美高美游戏4688网址晶体高温传感器是利用晶体辐照缺陷热稳定性来进行温度测量的传感器。当碳化硅晶体受到中子辐照时,由于电离、离位等效应的作用,晶格内部产生大量如间隙原子、空位等缺陷,破坏了晶体原子排列的周期性 [4] 。而经过中子辐照的碳化硅晶体所产生的热稳定性缺陷会在高温环境下被修复,其修复程度与晶体的退火温度存在对应关系。因此,利用X射线衍射(XRD)检测出晶体辐照缺陷的修复状态,参照预先标定的温度对应曲线,便可计算出晶体的退火温度,即被测对象所经历的最高温度。


晶体测温方法具有尺寸小、精度高、可分布式测量和不需要引线等 优 点, 美 国LG Tech-Link公 司开 发 的UCTS测 温 晶 体 体 积 仅 有0.20mm×0.20mm×0.38 mm, 可实现测温范围为423 ~ 1703K,且测温精度为±3.3K。晶体测温在测试方法上和示温漆测温具有一定的相似性,例如,晶体测温与示温漆测温无须测量引线和测量窗口 ;可以用于测量被测对象表面温度分布 ;只能测量被测对象表面所经历的最高温度,适合在发动机测试阶段使用,无法进行在线监测。晶体测温方法与示温漆测温的最重要区别在于采用XRD检测方法对晶体的辐照缺陷进行精确表征,极大地提高了温度测量精度,然而测温晶体的安装往往需要侵入被测对象内部或黏附在被测对象表面(如图2所示),对被测对象的结构强度或表面气流具有一定影响。


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