超燃沖壓發(fā)動機(jī)試驗(yàn)中熱電偶焊接方式對溫度測量影響研究

陳暉

(國防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙410073)

0 引言

在超燃沖壓發(fā)動機(jī)主動冷卻熱防護(hù)結(jié)構(gòu)研究中，溫度的測量顯得格外重要，提供準(zhǔn)確快速的溫度分布是試驗(yàn)研究的重要手段。由于發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)外壁溫度變化快，跨度大，試驗(yàn)過程振動劇烈，使得具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、測量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小等優(yōu)良特性的熱電偶成為首選測量工具。

當(dāng)傳統(tǒng)熱電偶測溫技術(shù)應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動機(jī)試驗(yàn)燃燒室壁面的溫度測量時(shí)，我們遇到了若干技術(shù)難題。由于采用燃料主動冷卻的超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室燃?xì)鉁囟容^高，熱流大，而冷卻燃料流量又小，為了確?？煽坷鋮s，燃燒室冷卻壁面結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，各點(diǎn)溫度分布和冷卻性能也差別很大。因此，詳細(xì)掌握燃燒室壁面上各個位置的溫度分布和冷卻情況對于優(yōu)化燃燒室冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、確保發(fā)動機(jī)工作的可靠性意義重大，需要在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)中對燃燒室壁面上各點(diǎn)處局部溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測量。然而，燃燒室通常都采用薄壁細(xì)長多通道的復(fù)雜冷卻結(jié)構(gòu)，熱電偶安裝十分困難。為此常需要將熱電偶兩根絲分別焊在測溫表面不同位置上，由此會給測量結(jié)果帶來什么影響，是發(fā)動機(jī)試驗(yàn)中溫度測量技術(shù)值得深入研究的問題。

本文通過模擬實(shí)驗(yàn)的方法詳細(xì)研究了在超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室壁面溫度測量中，不同的熱電偶焊接方式對溫度測量結(jié)果的影響，提出了在相應(yīng)條件下熱電偶測溫應(yīng)該遵循的基本原則。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法

為了真實(shí)模擬超燃沖壓發(fā)動機(jī)試驗(yàn)中熱電偶安裝的真實(shí)情況，熱電偶的兩根絲被分別點(diǎn)焊在與發(fā)動機(jī)同樣質(zhì)地的小塊不銹鋼板上;為了反映不同焊點(diǎn)距離對溫度測量的影響，焊點(diǎn)之間的距離L 分別取在0 ～20 mm 之間，如圖1 所示。

圖1 中A，B，C 分別代表熱電偶;+，－代表其熱電偶的正負(fù)兩根絲。

圖1 熱電偶焊接示意圖

實(shí)驗(yàn)采用了石英鍍金標(biāo)定爐作為測溫環(huán)境，標(biāo)定爐尺寸為Φ35 mm ×500 mm，溫度范圍為500 ～1000℃。實(shí)驗(yàn)時(shí)將焊接了熱電偶的金屬板放入標(biāo)定爐恒溫段，焊接用熱電偶絲均為NiCr-NiSi 材料;同時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)鉑-鉑銠熱電偶測量同一表面的溫度作為比較。熱電偶輸出信號經(jīng)放大后由計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)采集。為了分析不同安裝焊接條件下熱電偶的動態(tài)響應(yīng)特性和測溫精度，將熱電偶放在一送進(jìn)機(jī)構(gòu)上，快速送入到測量位置，以確保每次熱電偶所經(jīng)歷的初始加熱過程基本相同。為了反映真實(shí)試驗(yàn)溫度條件，將爐溫選擇在900℃。在25 mm ×30 mm 不銹鋼板上分別焊接不同間距的熱電偶，如表1 所示。同時(shí)對同一材料不同截面積的熱電偶進(jìn)行了比對，分別取直徑為0.4，0.1 mm 熱電偶絲，觀察它們的動態(tài)響應(yīng)。

表1 實(shí)驗(yàn)工況表 mm

表1 中A－0 表示熱電偶A 兩絲之間的距離為0。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)熱電偶中間導(dǎo)體定律，在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，第三種導(dǎo)體的引入不會影響熱電偶的熱電勢。在實(shí)際測溫過程中，由于第三種導(dǎo)體的引入，在達(dá)到熱平衡前，熱電勢的大小還與第三種導(dǎo)體的導(dǎo)熱率有關(guān)。

圖2 給出了分別焊接在不銹鋼板厚度為3 mm (圖2 (a))，5 mm (圖2 (b))的熱電偶受熱曲線，從圖中可以看出焊接在不銹鋼板厚度為5 mm 的熱電偶響應(yīng)明顯比3 mm 厚度的慢，它與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶相差最大可超過50 ℃，而厚度3 mm 的不銹鋼板上的熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶相差最大為30 ℃。在不同厚度下熱電偶的響應(yīng)時(shí)間隨厚度的增加而增大。

圖2 不銹鋼板不同厚度比對

圖3給出了熱電偶絲兩端焊點(diǎn)距離不同時(shí)溫度測量結(jié)果?？梢钥闯鲈诰鶆虻臏囟葓鲋泻更c(diǎn)距離不影響熱平衡后測量結(jié)果;僅僅影響熱電偶的響應(yīng)。圖3(a)中熱電偶焊點(diǎn)距離為20 mm，溫度最大相差30℃，圖3 (b)中熱電偶焊點(diǎn)距離為11 mm，溫度最大相差18 ℃;在同一厚度下熱電偶的響應(yīng)時(shí)間隨兩焊點(diǎn)間距離的增加而成線性增大。對于發(fā)動機(jī)試驗(yàn)時(shí)間短，熱電偶溫度尚未達(dá)到熱平衡的情況，可以通過反演得出被測壁面的溫度。

圖3 不同焊接距離的熱電偶比對

圖4 (a)給出了熱電偶兩焊點(diǎn)受熱程度不同情況下的對照曲線，用熱電偶焊接示意圖1 的小不銹鋼板B 的形式，將熱電偶A 和熱電偶B +端加熱;從圖中可以看出當(dāng)熱電偶兩端點(diǎn)受熱不同時(shí)，存在較大的測量誤差。圖4 (b)所示圖1 的小不銹鋼片B 均勻加熱得到的曲線，可以看出此時(shí)誤差較小，所以在實(shí)際焊接時(shí)應(yīng)盡量保持熱電偶兩端點(diǎn)的溫度變化相同，即兩端點(diǎn)應(yīng)焊在壁面溫度相對均勻處。

圖4 圖1B 形式的結(jié)構(gòu)受熱曲線

圖5 給出了采用不同粗細(xì)熱電偶絲的測溫響應(yīng)曲線，0.1 mm 截面直徑的熱電偶動態(tài)性能遠(yuǎn)好于0.4 mm 截面直徑的熱電偶，后者的熱響應(yīng)時(shí)間是前者的數(shù)倍。熱響應(yīng)時(shí)間是指溫度傳感器在其周圍溫度產(chǎn)生階躍變化時(shí)，它的指示溫度相對值變化到環(huán)境溫度階躍量的10%，50%和90%所需的時(shí)間。所以對動態(tài)溫度測量，在強(qiáng)度允許條件下盡量選用焊接截面積小的熱電偶，以提高響應(yīng)時(shí)間，進(jìn)而提高測量準(zhǔn)確度。

圖5 0.1，0.4mm 截面直徑的熱電偶測溫曲線

3 結(jié)論

本文針對超燃沖壓發(fā)動機(jī)地面試驗(yàn)中再生冷卻燃燒室壁面溫度測量問題，對熱電偶在被測壁面上的不同焊接方式給溫度測量帶來的影響開展了研究分析。結(jié)果表明:

1)不同壁面厚度和熱電偶焊點(diǎn)距離對溫度測量有明顯影響，當(dāng)壁面溫度均勻時(shí)，焊點(diǎn)距離僅影響響應(yīng)特性，對熱平衡后的測量結(jié)果無影響;

2)當(dāng)壁面溫度不均勻時(shí)，焊點(diǎn)距離過大將引起大的測量誤差，因此兩根熱電偶絲應(yīng)盡量焊在壁面局部溫度均勻處;

3)在強(qiáng)度允許條件下盡量選用焊接截面積小的熱電偶，以提高響應(yīng)時(shí)間。

［1］俞佐平. 傳熱學(xué)［M］. 北京:人民教育出版社，1979.

［2］楊永軍，蔡靜. 特殊條件下溫度測量［M］. 北京:中國計(jì)量出版社，2009.

［3］張培仁. 傳感器原理、檢測及應(yīng)用［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，2012.