陳暉

(國(guó)防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410073)

0 引言

在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)冷卻熱防護(hù)結(jié)構(gòu)研究中，溫度的測(cè)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(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)外壁溫度變化快，跨度大，試驗(yàn)過程振動(dòng)劇烈，使得具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、測(cè)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(cè)量工具。

當(dāng)傳統(tǒng)熱電偶測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)燃燒室壁面的溫度測(cè)量時(shí)，我們遇到了若干技術(shù)難題。由于采用燃料主動(dòng)冷卻的超燃沖壓發(fā)動(dòng)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(gè)位置的溫度分布和冷卻情況對(duì)于優(yōu)化燃燒室冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、確保發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性意義重大，需要在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中對(duì)燃燒室壁面上各點(diǎn)處局部溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。然而，燃燒室通常都采用薄壁細(xì)長(zhǎng)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(cè)溫表面不同位置上，由此會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來什么影響，是發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中溫度測(cè)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(dòng)機(jī)燃燒室壁面溫度測(cè)量中，不同的熱電偶焊接方式對(duì)溫度測(cè)量結(jié)果的影響，提出了在相應(yīng)條件下熱電偶測(cè)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(dòng)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(dòng)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(duì)溫度測(cè)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(cè)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(cè)量同一表面的溫度作為比較。熱電偶輸出信號(hào)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(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和測(cè)溫精度，將熱電偶放在一送進(jìn)機(jī)構(gòu)上，快速送入到測(cè)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(duì)同一材料不同截面積的熱電偶進(jìn)行了比對(duì)，分別取直徑為0.4，0.1 mm 熱電偶絲，觀察它們的動(dòng)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(huì)影響熱電偶的熱電勢(shì)。在實(shí)際測(cè)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(shì)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(duì)

圖3給出了熱電偶絲兩端焊點(diǎn)距離不同時(shí)溫度測(cè)量結(jié)果?？梢钥闯鲈诰鶆虻臏囟葓?chǎng)中焊點(diǎn)距離不影響熱平衡后測(cè)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(duì)于發(fā)動(dòng)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(cè)壁面的溫度。

圖3 不同焊接距離的熱電偶比對(duì)

圖4 (a)給出了熱電偶兩焊點(diǎn)受熱程度不同情況下的對(duì)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(cè)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(duì)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(cè)溫響應(yīng)曲線，0.1 mm 截面直徑的熱電偶動(dòng)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(duì)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(duì)動(dòng)態(tài)溫度測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確度。

圖5 0.1，0.4mm 截面直徑的熱電偶測(cè)溫曲線

3 結(jié)論

本文針對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)中再生冷卻燃燒室壁面溫度測(cè)量問題，對(duì)熱電偶在被測(cè)壁面上的不同焊接方式給溫度測(cè)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(duì)溫度測(cè)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(duì)熱平衡后的測(cè)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(cè)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(cè)量［M］. 北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2009.

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