航空发动机试验峰值时间对示温漆测温的影响

熊庆荣，徐毅，李华东

(中国燃气涡轮研究院，四川江油621703)

航空发动机试验峰值时间对示温漆测温的影响

熊庆荣，徐毅，李华东

(中国燃气涡轮研究院，四川江油621703)

采用示温漆和热电偶两种方式，在全温全压试验中对航空发动机阵列预混燃烧室火焰筒壁温进行测试，获得火焰筒的壁温分布，并对不同峰值时间下示温漆判读结果与热电偶测试结果进行对比分析。研究表明：阵列预混燃烧室火焰筒壁温小于所用材料的许用工作温度；火焰筒试验峰值时间是影响示温漆测温判读的主要原因，为保证测试结果的准确性，应严格要求试验峰值时间与示温漆标定的峰值时间一致。

航空发动机；示温漆；峰值时间；阵列预混燃烧室；火焰筒；热电偶；壁温

1　引言

示温漆是一种温度敏感涂料，涂敷在物体表面，当物体温度发生变化时其涂层颜色也会发生变化，通过颜色变化来指示物体表面温度及温度分布。示温漆的优势是，在连续旋转部件、大面积表面、复杂构件表面上使用时不受任何限制，且不破坏被测物体表面形状、不影响气流状态、使用方便、测量结果直观；示温漆的缺点是不能在线监测，需测试后判读。西方发达国家普遍采用示温漆测量发动机高温部件的表面温度，并且在测量前都要对研制的示温漆进行1 min、3 min、15 min和30 min等峰值时间的标定，做出校准标定表，试验件试验后按校准标定表相对应的峰值时间给出判读结果。如罗-罗公司的示温漆均附有不同峰值时间的校准标定表[1]。国内测试人员用示温漆测量发动机高温部件的表面温度时，很少考虑试验峰值时间对示温漆测试判读的影响。因此，有必要开展试验峰值时间对示温漆测试判读影响的研究。

目前先进航空发动机设计中，针对燃烧室火焰筒这种高温部件，在其性能试验及数值模拟计算预测壁温场时，一般都需采用热电偶和示温漆进行测试验证[2-3]。本文以某型航空发动机阵列预混燃烧室火焰筒为测试载体，为准确掌握火焰筒表面温度及温度分布梯度[4-5]，以便计算火焰筒强度和预估寿命[6-8]，在其表面涂布热电偶和示温漆[9-11]后进行了全温全压试验，测量了火焰筒表面温度和温度梯度分布。通过测试研究了该火焰筒试验峰值时间对示温漆判读的影响，以期为测试人员用示温漆测量发动机高温部件表面温度提供参考。

2　示温漆选择

试验前根据预估的火焰筒温度范围500～900℃，选择了6个型号的单、多变色示温漆[12-13]，并按示温漆使用技术要求进行峰值时间3 min和30 min的标定校准。示温漆型号及等温线变色温度标定校准结果见表1。标准试片等温线温度值见图1、图2。

表1　示温漆型号及温度范围Table 1 The temperature range and types of temperature-sensitive paint

图1　标准试片3 min峰值时间标定Fig.1 Peak time of standard specimen calibration is 3 minutes

图2　标准试片30 min峰值时间标定Fig.2 Peak time of standard specimen calibration is 30 minutes

3　试验状态

燃烧室全温全压试验采用天然气燃料。试验件为逆流式扇形单管燃烧室，火焰筒外工作环境为来流空气，火焰筒内工作环境为燃气燃烧环境，火焰筒设计壁温不大于860℃，最大试验状态参数见表2。火焰筒壁面温度测试试验在燃烧室试验器上进行，燃烧室试验件台架安装示意图见图3。

表2　最大试验状态参数Table 2 Parameters under the maximum operating conditions

图3　燃烧室试验件安装示意图Fig.3 Installation diagram ofcombustor test specimen

4　火焰筒结构

火焰筒结构见图4。头部安装一体式喷嘴和旋流器，左右两侧各有1个联焰管和1个定位销衬套。火焰筒上加工有一个火焰探测孔，周向分布6个掺混孔，定位销衬套和掺混孔之间轴向分布8排气膜孔(孔径为1.0～1.5 mm)，掺混孔下端有三排气膜孔。

图4　火焰筒结构Fig.4 Structure of flame tube

5　测试结果及分析

5.1测试结果

试验前阵列预混燃烧室火焰筒壁面喷涂的示温漆型号及颜色见图5。试验后阵列预混燃烧室火焰筒壁面示温漆判读结果见图6，图中上面一排温度为峰值3 min判读结果，下面一排温度为峰值30 min判读结果。

图5　火焰筒壁面示温漆原色Fig.5 The original color of TSP on the wall of flame tube

从图6中看出，峰值时间不同，温度差异很大。由于最大试验状态峰值时间约40 min，因此测试结果以峰值标定30 min判读为准。判读结果为：

(1)图6(a)中，火焰筒掺混孔上方有两小块区域温度大于610℃外，其余均小于610℃；掺混孔下方两排气膜孔部位除两小块区域温度小于610℃外，其余均大于610℃。

(2)图6(b)中，火焰筒掺混孔上方480℃等温线以上部位温度小于480℃；掺混孔下方两排气膜孔部位除两小块区域温度小于480℃外，其余均大于480℃。

(3)图6(c)中，火焰筒掺混孔上方除三个条块区域温度为580℃＜T＜693℃外，其余部分温度为390℃＜T＜580℃；掺混孔附近580℃等温线以下部位温度为580℃＜T＜693℃。

(4)图6(d)中，火焰筒掺混孔上方除三个条块区域温度为605℃＜T＜675℃外，其余部分温度小于605℃；掺混孔附近605℃等温线以下部位温度为605℃＜T＜675℃。

图6　火焰筒壁面示温漆判读结果Fig.6 The interpretation results of TSP on the wall of flame tube

图7　火焰筒壁面热电偶测试位置Fig.7 The testing position of thermocouple on the wall of flame tube

(5)图6(e)中，火焰筒掺混孔上方除两个条块区域温度为565℃＜T＜593℃外，其余部分温度小于440℃；掺混孔附近565℃等温线以下部位温度为565℃＜T＜593℃。

(6)图6(f)中，火焰筒联焰管下方除一小块区域温度大于710℃外，其余部分温度小于710℃；掺混孔710℃等温线以下部位温度为710℃＜T＜850℃。

图7示出了测量火焰筒壁温时热电偶的安装位置。热电偶最大工作状态下的测试温度见表3。

表3　热电偶最大工作状态测试温度℃Table 3 The testing temperature of thermocouple under the maximum operating conditions

5.2结果分析

综合上述判读结果，火焰筒掺混孔以上大部分区域的温度为390℃＜T＜440℃，温度较低且分布较均匀。这主要是因为该区域有大量密布的气膜孔，二股气流穿过壁面气膜孔进入火焰筒内，使冷气层均匀铺开，有效降低了燃气对壁面的对流换热，将燃气对壁面的辐射热量带走，因此温度较低。从表3中热电偶1#～3#的测试结果也可看出，其最高温度小于440℃。火焰筒掺混孔以下大部分区域的温度为610℃＜T＜675℃，但分布不均；火焰筒有一个侧面两个掺混孔以下部位温度最高，见图6(f)。这是因为该区域没有冷却气膜孔，且高温燃气气流不均使燃烧的火焰偏向掺混孔下方区域，造成该区域温度最高。用峰值30 min判读，示温漆判读结果与热电偶测试结果吻合。2#热电偶记录了一个最大值为464℃，试验后分解发现是因为固定热电偶测量端的不锈钢片脱落(图8)，测量端测试的温度有部分是燃气气流温度所致。若用峰值3 min判读，则火焰筒掺混孔以上大部分区域的温度为435℃＜T＜490℃(图6(c)、图6(e))，火焰筒掺混孔以下大部分区域的温度为680℃＜T＜766℃(图6(a)、图6(c))。与峰值30 min判读相比，掺混孔以上温度增高了50℃，掺混孔以下温度增高了91℃，与热电偶测试结果相差较大。

图8　固定2#热电偶不锈钢片脱落Fig.8 The stainless steel skin which fixed thermocouple 2# dropped off

6　试验峰值时间对变色温度的影响

由峰值时间对变色温度影响的经验公式(式(1))[1]可知，峰值时间越长，变色温度越低。以TSP-S01为例，计算该示温漆的a、b值，采用峰值3 min、30 min的变色温度值，得出a＝713.40，b＝70.00。由此算出TSP-S01峰值40 min变色温度值为601.26℃，比峰值3 min的温度低78.74℃，这说明试验峰值时间对示温漆测试判读的影响很大。按此公式还可得出其他型号示温漆在不同峰值时间下的温度变化。此外，图6(b)示温漆TSP-S09在火焰筒上峰值30 min判读结果和表3热电偶测试结果，也证明试验峰值时间对示温漆判读的影响不可低估。

θ=a-b lg t(1)式中：θ为变色温度(℃)，a、b为某一种示温漆常数(实测)，t为峰值时间(min)。

7　结论

以阵列预混燃烧室火焰筒壁温测量为研究对象，用不可逆示温漆录取了该燃烧室火焰筒的表面温度及温度场分布，由峰值3 min和30 min判读结果及热电偶测试结果，得出如下结论：

(1)标定试验不同峰值时间下，温度数据判读结果差异较大。以S01为例，峰值3 min和30 min判读温度差异达到70℃。

(2)利用示温漆测温技术进行测试时，为保证测试结果准确有效，需要求试验峰值时间与示温漆标定时间保持一致。

(3)该阵列预混燃烧室火焰筒壁面最高温度未超过860℃，符合设计要求。

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Effect of peak time for aero-engine tests on temperature-sensitive paint temperature measurement

XIONG Qing-rong，XU Yi，LI Hua-dong
(China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

Temperature-sensitive paint(TSP)was adopted to measure the wall temperature of flame tube for an array premixed combustor under the maximum operating conditions as well as thermocouple at the same time.The wall temperature distribution of flame tube was measured,and then the results of the TSP and thermocouple in different peak time were compared and analyzed.Studies show that the wall temperature of flame tube is less than the allowable operating temperature of the materials,the peak time of flame tube testing is the main reason effect the temperature interpretation of TSP.In order to ensure the accuracy of the test results,the peak time of engine test should be strictly consistent with the peak time of calibration required for TSP.

aero-engine；TSP(temperature-sensitive paint)；peak time；array premixed combustor；flame tube；thermocouple；wall temperature

V231.1；TK311

A

1672-2620(2016)05-0030-05

2015-12-09；

2016-10-18

熊庆荣(1959-)，男，贵州修文人，高级工程师，主要从事发动机测试技术研究。