楊海濱胥繼斌白本奇張 偉黃 颶
(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心,四川 綿陽(yáng)621000)
高超聲速風(fēng)洞中總溫是其關(guān)鍵參數(shù)之一,而準(zhǔn)確地測(cè)量總溫對(duì)于風(fēng)洞流場(chǎng)的校測(cè)尤其重要[1]。由于總溫變化范圍廣,多數(shù)情況下采用熱電偶測(cè)量。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一,其優(yōu)點(diǎn)是:①測(cè)量精度高。 因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸,不受中間介質(zhì)的影響。 ②測(cè)量范圍廣。 常用的熱電偶從-50 ℃~1 600 ℃均可連續(xù)測(cè)量。 ③構(gòu)造簡(jiǎn)單,使用方便。 熱電偶由兩種不同的金屬絲組成,不受大小和開(kāi)頭的限制,外有保護(hù)套管[2]。 在使用熱電偶測(cè)量時(shí),通常將熱電偶裝配在特殊設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置中,將熱電偶頭部作為感溫點(diǎn)正對(duì)氣流方向。這種總溫測(cè)量裝置一般采用多點(diǎn)測(cè)溫的十字或一字排架,將多只熱電偶的感溫點(diǎn)布置在一個(gè)截面上,這樣就可以得到同一個(gè)截面上不同點(diǎn)的溫度,從而知道流場(chǎng)在此截面溫度分布的均勻性[3]。
高超聲速風(fēng)洞中對(duì)這種總溫測(cè)量裝置提出了很高的技術(shù)要求,測(cè)量裝置的迎風(fēng)面正對(duì)高溫、高壓的熱氣流,裝置必須具有高精度、高可靠性、高穩(wěn)定性及響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn),從而保證總溫?cái)?shù)據(jù)校測(cè)的精準(zhǔn)度。 這樣的總溫測(cè)量裝置承受的壓力有時(shí)達(dá)到10 MPa 以上,溫度也接近1 000 ℃。 因此,一般選用具有金屬外套保護(hù)管(殼體)的鎧裝熱電偶作為測(cè)溫元件,鎧裝熱電偶具有能彎曲、耐高壓和堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)。 將鎧裝熱電偶裝配在特殊設(shè)計(jì)的裝置中,從而完成流場(chǎng)總溫的測(cè)量。
在高超聲速風(fēng)洞中對(duì)于總溫的測(cè)量要求裝置響應(yīng)時(shí)間短并且裝置承受的壓力高,因此裝置的這兩個(gè)特征對(duì)于風(fēng)洞流場(chǎng)的總溫測(cè)量尤其重要。以前的總溫測(cè)量裝置為保證與氣流接觸的前端敏感元件有一定的強(qiáng)度,一般采用較粗直徑的接殼型鎧裝熱電偶,因此時(shí)間常數(shù)較大,一般在2 s~3 s甚至更長(zhǎng)。 如果裝置等待流場(chǎng)穩(wěn)定后再插入進(jìn)行溫度測(cè)量,則裝置的溫度測(cè)量值有時(shí)會(huì)有10 多秒甚至20 s 時(shí)間才會(huì)與真實(shí)值吻合[4]。 另外,裝置在密封形式上采用熱電偶絲穿出法蘭盤(pán)時(shí)從氟橡膠圓孔中穿出,通過(guò)外部螺帽擠壓導(dǎo)致氟橡膠圓孔收縮的方式來(lái)密封,這種方式很容易造成氟橡膠圓孔和熱電偶絲之間出現(xiàn)間隙從而導(dǎo)致漏氣。針對(duì)以前測(cè)量裝置存在的種種缺點(diǎn),研制了新的總溫測(cè)量裝置。
用于高超聲速風(fēng)洞總溫測(cè)量的裝置主要包括水冷式、氣冷式和干燒式三種結(jié)構(gòu)形式,一般以水冷式的測(cè)溫誤差最大,干燒式的測(cè)溫誤差最小[5]。 本文研究的總溫測(cè)量裝置要求誤差小,因此選擇干燒式的總溫測(cè)量裝置。
干燒式總溫測(cè)量裝置整體由以下幾部分組成:耙體、屏蔽罩、鎧裝熱電偶、安裝法蘭和出線盒。 設(shè)計(jì)測(cè)溫點(diǎn)為九點(diǎn),鎧裝熱電偶絲的頭部感溫點(diǎn)在一條線上等間距分布,屏蔽罩軸線與來(lái)流方向平行,總溫測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
由于測(cè)量裝置工作環(huán)境溫度接近1 000 ℃[6],鎧裝熱電偶材料選用K 型。 同時(shí)考慮到測(cè)量裝置的響應(yīng)時(shí)間要求,因此選用鎧裝露端型熱電偶。 九根熱電偶絲頭部正對(duì)氣流方向,固定于屏蔽罩內(nèi),鎧裝熱電偶從耙體內(nèi)部穿出安裝法蘭后,經(jīng)出線盒引出到外部接線端子。 耙體外殼因處于高溫高壓的流場(chǎng)中,因此選用高溫合金GH3044。 安裝法蘭選用普通304 不銹鋼。
圖1 總溫測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖
1.2.1 測(cè)溫元件選型
在測(cè)溫裝置中,測(cè)溫敏感元件采用鎧裝熱電偶。對(duì)于總溫測(cè)量裝置,主要關(guān)心其綜合測(cè)溫偏差,考慮到氣流的溫度變化范圍相當(dāng)大,而且高溫時(shí)氣流溫度接近1 000 ℃,因此選用K 型I 級(jí)精度的鎧裝熱電偶。鎧裝熱電偶外徑Φ3 mm,絲徑為Φ0.5 mm,外保護(hù)管為高溫合金材料GH3044。 這種鎧裝熱電偶長(zhǎng)期使用溫度為900 ℃,短期使用溫度為1 000 ℃。 鎧裝熱電偶分絕緣型、接殼型和露端型三種。 為保證敏感元件的響應(yīng)時(shí)間短,選用露端型鎧裝熱電偶。 為減小溫度的導(dǎo)熱誤差,需保證偶絲伸出鎧裝部分的長(zhǎng)度足夠長(zhǎng),即保持較大的長(zhǎng)徑比。 根據(jù)理論計(jì)算,偶絲伸出部分長(zhǎng)度取8 mm。
鎧裝熱電偶外保護(hù)管與偶絲之間填充緊實(shí)的無(wú)機(jī)絕緣材料,該材料一般為氧化鎂粉,是一種優(yōu)良的絕緣材料而且該材料的導(dǎo)熱性能良好,能保證熱電偶的外保護(hù)管和偶絲在流場(chǎng)中溫度均勻,整個(gè)鎧裝熱電偶各部分無(wú)溫差。 總溫測(cè)量裝置在高溫氣流通道中工作,按要求布置總溫測(cè)點(diǎn)9 個(gè),各個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)采用等間距布置,熱電偶絲的頭部感溫點(diǎn)排列在一條線上[7]。
1.2.2 屏蔽罩設(shè)計(jì)
屏蔽罩的主要作用是減小鎧裝熱電偶的輻射誤差和速度誤差,另外,還可以對(duì)鎧裝熱電偶的偶絲進(jìn)行保護(hù)。 為減小導(dǎo)熱誤差,設(shè)計(jì)較長(zhǎng)的屏蔽罩,在保證強(qiáng)度的情況下盡量地減小導(dǎo)熱誤差[8]。
屏蔽罩與鎧裝熱電偶的配合見(jiàn)圖2 所示。 在屏蔽罩材料的選擇上,由于溫度較高,選用高溫合金GH3044 為屏蔽罩殼體材料[9]。 屏蔽罩尺寸根據(jù)鎧裝熱電偶尺寸確定,最終確定內(nèi)徑為Φ3.2 mm,壁厚1 mm。 為減小導(dǎo)熱誤差,屏蔽罩的長(zhǎng)徑比應(yīng)設(shè)計(jì)得盡量大,同時(shí)兼顧鎧裝熱電偶的安裝尺寸要求。 因偶絲伸出部分長(zhǎng)度為8mm,為保護(hù)伸出部分偶絲,確定屏蔽罩伸出長(zhǎng)度為10 mm。
圖2 屏蔽罩與鎧裝熱電偶配合圖
另外,屏蔽罩的進(jìn)、出氣口面積比對(duì)熱電偶的測(cè)溫誤差有較大影響。 根據(jù)理論計(jì)算,出氣口為兩個(gè)Φ2 mm 的小孔,兩孔對(duì)稱(chēng)分布。 出氣口的位置選取,需保證氣流充分地沖刷熱電偶的偶絲,因此,出氣口選擇與鎧裝偶鎧裝頂端相切的位置,偶絲正對(duì)出氣口孔位。
1.2.3 安裝及出線設(shè)計(jì)
總溫測(cè)量裝置由于承受高溫高壓氣流沖刷,該裝置以法蘭形式與風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)聯(lián)接,法蘭示意圖如圖3 所示。 法蘭材料選用304 不銹鋼,厚為28 mm,采用榫槽密封結(jié)構(gòu)[10],法蘭榫面高度6 mm。同時(shí)法蘭設(shè)計(jì)有6 個(gè)均布的壓緊螺釘孔,用于壓緊銅密封圈。
圖3 安裝法蘭示意圖
鎧裝熱電偶采集的溫度信號(hào)采用補(bǔ)償導(dǎo)線由法蘭出線孔以裸線形式輸出。 補(bǔ)償導(dǎo)線前300 mm 采用不銹鋼軟管保護(hù)出線,防止折死彎,同時(shí)也防止補(bǔ)償導(dǎo)線和偶絲焊點(diǎn)直接受力。 補(bǔ)償導(dǎo)線后200 mm 分線,以標(biāo)號(hào)區(qū)分測(cè)點(diǎn),以絕緣套管顏色區(qū)分正負(fù)極。
總溫測(cè)量裝置研制的主要技術(shù)難點(diǎn)在于:工作環(huán)境總壓達(dá)到12 MPa,而且鎧裝熱電偶比較細(xì),它與測(cè)量裝置耙體之間的裝配也比較難。 要保證在這樣的結(jié)構(gòu)和壓差下,不發(fā)生任何熱氣泄漏。 分析認(rèn)為,該裝置中容易發(fā)生泄露的位置有:屏蔽罩與耙體接縫,屏蔽罩與鎧裝熱電偶的連接處,耙體前后部分接縫和耙體與法蘭連接處。
針對(duì)以上難點(diǎn),采取了兩個(gè)技術(shù)措施。 首先,在加工設(shè)計(jì)上,耙體和屏蔽罩采用一體化加工,雖然增加了加工難度,但是可以完全避免該處的泄露隱患,減少焊縫,增強(qiáng)密封。 同時(shí),耙體采用前后部設(shè)計(jì),保證焊縫對(duì)稱(chēng)分布,減少焊接變形。
同時(shí),我們認(rèn)為焊接的密封性最好,根據(jù)不同位置的特點(diǎn)選擇合適的焊接方法或結(jié)構(gòu)。 屏蔽罩與鎧裝熱電偶的密封分為兩部分,因?yàn)椴捎昧随z裝熱電偶,偶絲與鎧裝外殼之間已填充緊實(shí)的無(wú)機(jī)絕緣材料,無(wú)需擔(dān)心泄露;鎧裝熱電偶外殼與屏蔽罩之間因?yàn)槲恢糜邢?,采用合適釬料進(jìn)行密封焊接,釬料熔焊溫度低于不銹鋼熔點(diǎn),高于工作環(huán)境溫度,既能保證焊接效果,又能有效進(jìn)行密封。 前后耙體的焊接位置在外面,焊接條件優(yōu)秀,但是采用傳統(tǒng)氬弧焊,會(huì)導(dǎo)致變形量過(guò)大,所以,采用了電子束焊接的方式,減少耙體變形,同時(shí)能保證較好的焊接效果。 耙體與法蘭采用常規(guī)氬弧焊。
所有焊縫在焊接后都進(jìn)行著色探傷,避免存在焊接缺陷。 在傳感器的出線處,采用高溫柔性膠填充,既對(duì)信號(hào)線進(jìn)行保護(hù)又進(jìn)行了二次密封。
為驗(yàn)證總溫測(cè)量裝置的密封性能,研制了液態(tài)密封試驗(yàn)器。 該試驗(yàn)器以壓力校準(zhǔn)裝置為增壓系統(tǒng),壓力罐為試驗(yàn)用壓力腔,采用變壓器油為壓力介質(zhì),圖4 為密封性能驗(yàn)證示意圖。
試驗(yàn)時(shí),先將總溫測(cè)量裝置安裝在壓力罐上,安裝時(shí)油液溢出。 然后通過(guò)壓力校準(zhǔn)裝置加壓,腔內(nèi)壓力達(dá)到12 MPa 時(shí),保持此狀態(tài)20 min,如果沒(méi)有油液從測(cè)量裝置上端溢出,則認(rèn)為無(wú)壓力泄露。
總溫測(cè)量裝置按照該方法進(jìn)行密封性能測(cè)試,順利通過(guò)12 MPa 測(cè)試試驗(yàn)。
圖4 密封性能驗(yàn)證示意圖
2.2.1 測(cè)試步驟
時(shí)間常數(shù)是指對(duì)于按一階系統(tǒng)處理的溫度傳感器,當(dāng)溫度出現(xiàn)階躍變化時(shí),溫度傳感器的輸出溫度值變化到相當(dāng)于該溫度階躍量的63.2%所需要的時(shí)間[11],記為τ。
根據(jù)被??倻販y(cè)量裝置的工況要求,測(cè)試試驗(yàn)在某熱校準(zhǔn)風(fēng)洞上進(jìn)行,校準(zhǔn)裝置示意圖見(jiàn)圖5。測(cè)試采用的總壓傳感器量程100 kPa,精度0.15 級(jí);數(shù)字無(wú)汞氣壓計(jì)精度±40 Pa;數(shù)采模塊最大誤差為±0.03%×讀數(shù)。 按技術(shù)要求將被??倻販y(cè)量裝置固定在試驗(yàn)段的安裝座上,按照以下步驟測(cè)試裝置的時(shí)間常數(shù):
圖5 時(shí)間常數(shù)校準(zhǔn)裝置示意圖
①打開(kāi)氣源,通過(guò)穩(wěn)定段前端的閥門(mén)系統(tǒng)調(diào)節(jié)壓力,用壓力傳感器的示值作為氣源總壓P0,用數(shù)字無(wú)汞氣壓計(jì)讀取大氣壓力值作為氣流靜壓PS,用P0和PS來(lái)計(jì)算氣流馬赫數(shù)[12]。
②調(diào)節(jié)閥門(mén)系統(tǒng)的同時(shí)將氣流加熱,將氣流馬赫數(shù)控制在(0.14±0.005),記錄初始狀態(tài)的氣流總壓、靜壓、大氣壓、總溫、被校裝置溫度。
③壓下彈射機(jī)構(gòu)注入冷氣,使冷熱氣流充分混合均勻,調(diào)節(jié)冷氣流流量使被??倻販y(cè)量裝置溫度穩(wěn)定在(580±20)℃;彈開(kāi)彈射機(jī)構(gòu),使被校總溫測(cè)量裝置直接裸露在熱氣流中,產(chǎn)生200 ℃左右的溫度上升階躍,此時(shí)用示波器記錄溫度響應(yīng)曲線,取階躍量的63.2%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間作為時(shí)間常數(shù)[13],即為總溫測(cè)量裝置在氣流馬赫數(shù)為0.14 工況下的時(shí)間常數(shù)。
2.2.2 測(cè)試結(jié)果及不確定度評(píng)定
總溫測(cè)量裝置共有九點(diǎn),利用校準(zhǔn)裝置測(cè)試了有代表性的三個(gè)點(diǎn)的時(shí)間常數(shù),即距離法蘭最遠(yuǎn)的鎧裝熱電偶1D、距離最近的9D 以及中間點(diǎn)5D,每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)分別測(cè)試了馬赫數(shù)0.14 和馬赫數(shù)0.29 狀態(tài)下的時(shí)間常數(shù)。 每個(gè)馬赫數(shù)重復(fù)做3 次,時(shí)間常數(shù)取其平均值τave。
總溫測(cè)量裝置動(dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)不確定度的主要來(lái)源有[14]:重復(fù)性帶來(lái)的不確定度分量u1、階躍起點(diǎn)的選取帶來(lái)的不確定度分量u2、馬赫數(shù)帶來(lái)的不確定度分量u3、有效溫度波動(dòng)帶來(lái)的不確定度分量u4。
得出各不確定度分量以后,按下列公式計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(τ)。
在得出合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(τ)以后,按下列公式計(jì)算相對(duì)擴(kuò)展不確定度Urel。
式中:k為氣體絕熱指數(shù),k=2。
總溫測(cè)量裝置時(shí)間常數(shù)校準(zhǔn)結(jié)果與不確定度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1 所示。
表1 總溫測(cè)量裝置時(shí)間常數(shù)與不確定度
將總溫測(cè)量裝置時(shí)間與溫度的關(guān)系簡(jiǎn)化為一階線性關(guān)系[15],通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算,τ≤1.39 s 時(shí),滿足測(cè)量裝置時(shí)間常數(shù)在要求的指標(biāo)范圍內(nèi)(≤2 s)。
研制后的總溫測(cè)量裝置已經(jīng)成功應(yīng)用于某高超聲速風(fēng)洞中,經(jīng)過(guò)了風(fēng)洞所有狀態(tài)的試驗(yàn)考驗(yàn),風(fēng)洞的六個(gè)典型試驗(yàn)狀態(tài)見(jiàn)表2。 馬赫數(shù)從5 到10,總溫范圍從80 ℃到800 ℃[16]。
表2 風(fēng)洞的6 個(gè)典型試驗(yàn)狀態(tài)
表3 為馬赫數(shù)5、7、9 三個(gè)典型工態(tài)(也就是表1 的1#、3#、5#工態(tài))下該裝置的測(cè)量值(鎧裝熱電偶從距離法蘭由遠(yuǎn)及近依次為1D~9D)。
表3 典型狀態(tài)裝置的溫度測(cè)量值 單位:℃
表中的測(cè)量值均為相應(yīng)狀態(tài)下流場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度值。 從表中的測(cè)值可以看出,首先三個(gè)馬赫數(shù)下各點(diǎn)測(cè)值滿足表1 中的總溫范圍要求。 測(cè)點(diǎn)5D 位于流場(chǎng)正中心,所以該點(diǎn)溫度最高。 從5D依次向1D 和9D 方向看,溫度值依次降低,說(shuō)明流場(chǎng)從中心向邊緣地方溫度梯度是合理的。 而且從對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)點(diǎn)來(lái)看,測(cè)值是基本一致的(比如4D 和6D 測(cè)值一致,3D 和7D 測(cè)值一致等),也就是距離流場(chǎng)中心位置相同距離的點(diǎn)溫度值是一致的,從而也說(shuō)明了風(fēng)洞的流場(chǎng)品質(zhì)是較好的。
結(jié)果證明,該裝置測(cè)溫覆蓋范圍廣、性能可靠、測(cè)值準(zhǔn)確、同一狀態(tài)數(shù)據(jù)重復(fù)性較好、溫度響應(yīng)速度快。 同時(shí),總溫測(cè)量裝置在風(fēng)洞中經(jīng)歷了很多次總壓高達(dá)12 MPa 的試驗(yàn),經(jīng)檢測(cè)裝置無(wú)泄漏。 而且,經(jīng)過(guò)這些試驗(yàn)并拆卸總溫測(cè)量裝置后,經(jīng)檢查,裝置的測(cè)量端偶絲無(wú)損壞。
分析認(rèn)為,裝置測(cè)量端采用一體化加工和特殊的焊接工藝,對(duì)于保證裝置的密封性能是有效的。裝置在經(jīng)過(guò)很多次試驗(yàn)后,測(cè)量端偶絲無(wú)損壞,這和合理的屏蔽罩設(shè)計(jì)是分不開(kāi)的,說(shuō)明了屏蔽罩在實(shí)際工況時(shí)能保證氣流正對(duì)偶絲(這和校準(zhǔn)時(shí)的工況是完全一致的),這樣高溫高壓的正向氣流因而能保證偶絲無(wú)損壞同時(shí)又保證了測(cè)量的時(shí)間常數(shù)。 另外,時(shí)間常數(shù)校準(zhǔn)試驗(yàn)是在常壓環(huán)境下進(jìn)行,總溫測(cè)量裝置實(shí)際使用環(huán)境是帶壓環(huán)境,溫度傳感器的傳熱效率在壓力環(huán)境下要高于常壓環(huán)境,因此,在實(shí)際工況環(huán)境下,總溫測(cè)量裝置的時(shí)間常數(shù)要優(yōu)于表1給出的校準(zhǔn)結(jié)果。
對(duì)于普通熱電偶的響應(yīng)時(shí)間,在不承壓的情況下比較小[17]。 但對(duì)于高超聲速風(fēng)洞來(lái)說(shuō),不僅要求時(shí)間常數(shù)小,還要承受很高的壓力,這對(duì)熱電偶和結(jié)構(gòu)裝配都是難點(diǎn),國(guó)內(nèi)外相關(guān)的報(bào)道有一些,但比較少[18-19]。 文獻(xiàn)10 指出,熱電偶的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間取決于熱電偶測(cè)量端直徑和測(cè)量區(qū)域的熱擴(kuò)散性。 本研究項(xiàng)目中,對(duì)鎧裝熱電偶而言,除外保護(hù)管影響外,熱電偶的測(cè)量端直徑是其主要因素,即偶絲越細(xì),測(cè)量端直徑越小,其熱響應(yīng)時(shí)間越短。 但測(cè)量端直徑越小,其強(qiáng)度就降低,抗高壓氣流沖刷的能力變?nèi)?,其測(cè)量端就越容易損壞[20]。 本裝置中測(cè)量端偶絲的直徑取為Φ0.5 mm,在考慮其結(jié)構(gòu)承壓12 MPa的同時(shí),又滿足了指標(biāo)要求的時(shí)間常數(shù)(≤2 s)。 應(yīng)該說(shuō),能達(dá)到這樣整體性能的總溫測(cè)量裝置和國(guó)內(nèi)外其他高超聲速風(fēng)洞的總溫測(cè)量裝置相比的話,還是處于領(lǐng)先水平的。
研制的總溫測(cè)量裝置不同于以前的測(cè)量裝置,采用耙體和屏蔽罩的一體化加工,鎧裝熱電偶外殼與屏蔽罩之間采用合適釬料進(jìn)行密封焊接,前后耙體的焊接采用了電子束焊接,保證了整個(gè)總溫測(cè)量裝置的密封性。 另外,該裝置采用露端型K 型鎧裝熱電偶,測(cè)量端采用較小直徑的偶絲配合屏蔽罩的方式,既能達(dá)到快速響應(yīng)的目的,又能承受高壓氣流的沖刷,滿足了使用要求。
經(jīng)過(guò)多項(xiàng)試驗(yàn)運(yùn)行,證明了該裝置滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求,目前該裝置已經(jīng)成功應(yīng)用于風(fēng)洞中,保障了風(fēng)洞試驗(yàn)的順利開(kāi)展。 在整套總溫測(cè)量裝置研制過(guò)程中采用的方法和技術(shù)工藝,具有一定的借鑒意義。