国外晶体测温技术研究与应用

张 娜，郑天慧，李 杨，王巍巍

(中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 610500)

1 引言

航空发动机/燃气轮机涡轮转子叶片的温度测量一直是业内难题，也是影响航空发动机/燃气轮机研制的一个重要因素。由于传统测温技术大多存在测点少、难以获得关键数据、精度低，特殊位置温度难以测量等缺点，为了准确测量转子叶片温度，需在发动机研制过程中引入可打破传统测温技术局限性的新测试方法。目前，国外已普遍采用一种创新型测温技术——晶体测温技术[1-2]。该技术是用于测量试验件表面/气流最高温度的特种技术，其工作原理基于晶体释放的温度记忆效应[3]。相较于传统测温技术，晶体测温技术不仅传感器尺寸微小、无需测试引线，且还可在不影响待测零件气动流场的同时保证高测试精度。国内晶体测温技术研究起步较晚，从上世纪90 年代末期才开始接触，目前仍处于理论研究与实验室验证阶段，急需掌握晶体在实际测温试验中的具体应用方法和效果。因此，有必要对国外晶体测温技术现状、使用方法及效果开展研究，为国内该领域科研工作提供支撑[4-6]。

本文简述了国外晶体测温技术研究概况，分析了该项技术在国外航空发动机/燃气轮机涡轮叶片上的测试案例及应用效果，提出了国内应用测温晶体可供参考的意见，为国内航空发动机/燃气轮机应用晶体测温技术提供了借鉴与支撑。

2 国外晶体测温技术研究概况

晶体测温技术最早由苏联研发，后推广至美国、德国、日本、瑞士、瑞典等国。国外在晶体测温技术研究方面知名度较高的有俄罗斯的库尔恰托夫I.V.原子能研究所(以下简称库尔恰托夫研究所)和美国的LG Tech-Link 公司。这两家机构研制的晶体传感器已在多个领域得到应用。

2.1 库尔恰托夫研究所

库尔恰托夫研究所是最早研发晶体测温技术的机构。其研究的晶体传感器，是低温条件(～80℃)下在核反应堆经一定能量和强度的中子辐照后的立方体碳化硅单晶(β相)，其主要性能指标见表1[7]。与示温漆相比，晶体传感器在高温范围内测量精度更高，抗外界腐蚀能力更强，已广泛应用于航空、航天、机械制造和能源领域。主要用于测量涡喷发动机涡轮叶片和涡轮盘、航天飞行器防热材料、内燃机阀门和活塞环、滚珠轴承滚珠等的温度。图1 示出了多个国家采用标准热电偶与库尔恰托夫研究所的晶体传感器同一时间、同样位置测得的结果对比，可见两种测温方式所测结果吻合较好[7]。

表1 库尔恰托夫研究所晶体传感器的主要性能指标Table 1 Crystal sensor characteristics of Kurchatov institute

2.2 LG Tech-Link公司

LG Tech-Link公司是一家专门研究晶体温度传感器技术并提供相关支撑服务的公司，其研制的晶体传感器已在航空燃气涡轮发动机、燃气轮机、火箭发动机、涡轮增压器、燃料电池和往复式发动机中得到广泛应用。LG Tech-Link公司晶体传感器的主要性能指标见表2[8]。近十多年来，随着中子物理、晶体增长技术和X 射线辐照技术的突破，促进了晶体传感器在精度、可靠性和用户友好性方面的发展。晶体传感器现已可用于发动机所有研制阶段与传热和耐久性相关的项目，如传热稳态分析模型、冷却设计方案、耐久性和裂纹扩展预测等。

图1 晶体传感器与标准热电偶所测结果对比Fig.1 Results comparison between crystal sensors and standard thermocouple

表2 LG Tech-Link公司晶体传感器的主要性能指标Table 2 Crystal sensors technical characteristics of LG Tech-Link

3 国外应用案例

3.1 AI-25TL涡扇发动机排故

AI-25TL发动机使用过程中涡轮第一级导叶叶身出现了氧化和积碳故障，故障原因疑似与导叶冷却系统工作不稳定和冷却效果较差有关。排故时采用了一种对部件改动最小的导向器冷却系统改进方案，图2示出了改进前、后导向器的结构和外观。使用晶体传感器及示温漆两种方式对改进前后导向器冷却系统实施了对比测温，图3给出了晶体传感器安装位置及改进前、后叶片晶体测温平均结果对比[1]。结果表明，改进后叶片冷却效果最佳位置为叶盆、叶背和前缘处，效果最差位置为尾缘中间截面。此次测温结果为该型发动机后续改进提供了参考。

图2 导向器叶片结构外观Fig.2 Configuration of guide vane

图3 晶体传感器安装位置及测温结果Fig.3 Installed position and temperature measurement result of crystal sensor

采取上述改进措施后，导向器内缘板又出现了腐蚀-侵蚀性损耗及积碳故障。排故时对导向器进口内机匣进行吹气以补充气膜冷却，进而达到有效冷却内缘板、降低第一级导叶内缘板温度的目的。排故方案确定后，针对吹送空气量、吹气孔几何尺寸及其周向布置开展了流体计算工作；对发动机进行了专门的补加工和测试改装；开展专门试验评估了补充吹气对第一级导叶内缘板温度场、第一级工作叶片温度场、第一级导向器内外机匣温度场及对燃烧室出口燃气温度场的影响。试验分两个阶段：第一阶段在发动机原有叶型上试验，第二阶段在同一发动机经过补加工的叶型上试验，且两个阶段试验时均未拆除燃烧室。采用晶体传感器测量了第一级导叶内缘板温度、第一级工作叶片叶身型面温度和燃烧室出口燃气温度。采用示温漆评估了导向器内外机匣热状态。测试结果表明，补充冷却内缘板使得涡轮第一级导叶内缘板、第一级工作叶片榫头、根部截面、中间截面、叶尖截面等多部位温度明显降低，且未导致燃烧室出口燃气温度场恶化和涡轮第一级工作叶片温度场恶化[2]，排故改进措施可行。

3.2 霍尼韦尔发动机高压涡轮叶片排故

2008年，霍尼韦尔公司某发动机试验中出现了高压涡轮第二级静子(S2)氧化破裂、第一级转子(R1)叶冠氧化缺损、TBC涂层及金属损失等故障[9]，故障根本原因是吸入了主流路的高温燃气。排故中进行了CFD 分析和台架试验，并将两者的结果进行了对比。在台架试验中，为测量叶冠腔不同位置的金属温度，试验发动机上共使用了350多个碳化硅晶体传感器。其中，23个位于R1和S2之间的外径腔，其余的位于R1盘、叶盆、叶背以及缘板上[8]。图4 为试验中R1 和S2 间的总温图，图中★表示晶体传感器。通过对比，晶体测温试验数据进一步证实了CFD分析的置信度和可靠性，同时也验证了通过减少高压涡轮R1叶冠和S2外端壁间轴向间隙达到腔体降温的排故改进措施的可行性。

图4 R1和S2间的总温图Fig.4 Total temperature pattern between R1 and S2

3.3 GTX100燃气轮机温度测量

为完成寿命预测，在真实的燃气轮机条件下，使用晶体传感器在同一次试验中测量静子部件和转子叶片处气体与金属表面的温度，并将测量结果与同一组件的三维传热耦合模型的计算温度场进行比较。在GTX100 燃气轮机测温试验中，测点超过2 300个，包括1 975个晶体传感器，237个热电偶和110 个压力探头，同时辅以示温漆测量。测温范围为20～1 400℃，高温下暴露的时间有限。采用的晶体传感器直径为0.2 mm，精度达+10℃[10]。

测量金属温度的晶体传感器安装在叶片上直径0.5 mm、深度0.5 mm 的圆形槽内，并使用高温粘合剂固定。与热电偶安装不同，晶体传感器安装后叶片表面完全光滑；可以在一个工件上安装多个晶体传感器测量温度梯度，避免了从几个组件上测温后再进行拼接的繁琐。试验中，晶体传感器的存活率高达95%。

测量进入叶片气流温度的晶体传感器安装在叶片前缘的小陶瓷棒顶端。由于陶瓷棒传热率较低，对气流热传导不敏感，晶体传感器得以测出气流温度。晶体传感器实测温度与其他测温方式所得气流温度差异很小，仅为4℃。此种情况下120个晶体传感器存活率只有80%，小于叶片表面测温时的晶体传感器存活率。

此次晶体测温试验证明了晶体传感器是一种可靠的测试方法，能实施精确测温并获取温度梯度，极有利于在旋转叶片上使用。同时也证实了耦合传热计算的可信度，并确定多个区域可以考虑减少冷却空气量。

4 结束语

基于晶体测温技术的技术优势和实用性，针对我国晶体测温技术的发展现状，建议从以下几个方面进行深入研究和探讨：

(1) 加强标定判读技术的探索及应用研究。通过自主研发攻克该技术，以避免在获取测量结果上受制于国外和关键测试数据流入国外的风险。

(2) 科学合理地选用晶体测温技术。晶体测温仅能测出整个测试过程中所经历的最高温度，使用时应根据实际测试要求和目的，综合选择和评估测温部位和合理确定晶体传感器使用数量。

(3) 加强晶体传感器的安装与拆除工艺研究。依托专业设备反复摸索试验、多次实际操作以及工艺验证试验不断优化、改进晶体传感器的安装和拆除工艺，以保证在测试各环节中尽量不丢失、破坏晶体传感器，提高安装与拆除的可靠性，以及晶体传感器的工作效率。

(4) 使用时应合理搭配其他测试手段。与其他测试方式(热电偶或示温漆)搭配使用不仅可得到待测零件各个时间点的温度和关键点的温度裕度，而且还可验证不同测试方法的实际测量效果。