航空发动机涡轮叶片温度测量修正方法研究*

2022-01-14李昶威温德丰

科技创新与应用 2022年2期

李昶威，温德丰，景帅

（沈阳航空航天大学航空发动机学院，辽宁沈阳110136）

航空发动机实现高性能和高推重的一个重要途径就是提升涡轮前燃气温度。预期未来涡轮叶片进口温度可以达到2000~2250K。涡轮叶片长期在非设计条件下工作会造成严重的后果（见图1）。为了能够在提高涡轮前燃气温度的同时保证发动机的工作性能和可靠性，需要对涡轮叶片的温度进行准确的测量，确保其工作在正常温度范围内。

图1 涡轮叶片烧蚀

本文主要对接触式测温法中的热电偶温度测量技术进行分析。

1 接触式测温方法-热电偶测温

热电偶温度计由热电偶、连接导线和显示仪器等组成，其原理基于温差电效应。它的优点是准确度较高，测温范围较广，动态范围较快，结构简单和维护方便。其缺点是热电偶插入被测介质中会破坏温度场而引入测量误差，这也是本文主要论述的问题以及对此提出的解决方案。

2 三种传热方式对测量结果的影响

热电偶测量壁面温度时，在其受感部及被测壁面附近流体和固体温度分布示意图如图2 所示。三种传热方式对热电偶壁面温度测量结果的影响分析如下：

图2 热电偶测量壁面温度示意图

（1）和热电偶受感部接触的不仅仅是被测壁面，还包括紧贴被测壁面附近的流体。由传热学的温度边界层理论可知，流体温度在壁面附近边界层内发生剧烈的变化，热电偶受感部的温度是其与壁面以及流体传热共同作用下的结果。

（2）热电偶给出的测温结果，实际上只是热电偶受感部的本身温度，而非被测壁面的实际壁温值。只有当被测壁面与热电偶受感部之间的传热方式只有导热而无其他传热方式时，热电偶受感部温度和被测壁面的温度才相同。

（3）在实际测温时，热电偶受感部的温度是受壁面导热、热电偶引线导热、与其周围流体的对流换热以及环境辐射换热等一系列传热过程的共同作用下，达到热平衡时的温度。

因此，只有建立热电偶受感部的热平衡方程，才能够根据热电偶的温度读数来反推被测壁面的温度。

3 热电偶温度测量结果偏离被测点温度机理研究

通过软件建立结构化网格，对热电偶测量温度的传热流动过程进行数值模拟。通过研究直板叶片不同安装角度对流场的作用，进而分析流场对温度的影响，确定热电偶温度测量结果偏离被测点温度的机理，明确航空发动机真实工况下热电偶温度测量结果偏离的原因。

假设叶片材料为DD6 高温合金。将模型进口总压设置为290kPa，出口静压设置270kPa。考虑到瞬态换热计算的精度，设置最大网格尺寸为1mm。设置边界条件为无滑移壁面。湍流模型采用k-omega（2eqn）SST 模型。模拟结果如图3、图4、图5 所示。

图3 30°安装角的流场

图4 45°安装角的流场

图5 60°安装角的流场

在安装角为30°和60°时，叶片表面的速度比安装角为45°时的大，速度场对温度场影响较大，热电偶测温结果偏离被测点温度较大。在非稳定条件下，热电偶的安装影响了叶片中截面处温度场，且在热电偶的前后缘形成局部的高温集中，这主要是由于局部气流的不稳定流动造成的。

4 热电偶温度测量结果修正方法研究

综合考虑导热、对流和辐射等因素，分析节点与涡轮叶片壁面导热、节点与来流的对流换热，节点与热电偶线的导热，节点与环境的辐射换热以及燃气对节点的热辐射，建立热电偶温度测量热平衡模型。根据热电偶的尺寸和安装工艺建立辐射传热计算式。根据计算式建立包括节点与涡轮叶片壁面导热、节点与来流的对流换热，节点与热电偶线的导热，节点与环境的辐射换热以及燃气对节点的热辐射，求解被测点温度，获得温度测量修正方法。

在热电偶测量涡轮叶片温度时，若流场处于稳态，则温度示数不随时间改变，此时节点的能量守恒分析如下。

如图6 所示，图中Q1为节点与涡轮叶片壁面的导热，Q2为节点与热电偶引线间的导热，Q3为节点与周围流体的对流换热，Q4为节点吸收周围流体的热辐射，Q5为节点与环境壁面的辐射换热。