熊慶榮，徐毅，李華東

(中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

航空發(fā)動機試驗峰值時間對示溫漆測溫的影響

熊慶榮，徐毅，李華東

(中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

采用示溫漆和熱電偶兩種方式，在全溫全壓試驗中對航空發(fā)動機陣列預混燃燒室火焰筒壁溫進行測試，獲得火焰筒的壁溫分布，并對不同峰值時間下示溫漆判讀結果與熱電偶測試結果進行對比分析。研究表明：陣列預混燃燒室火焰筒壁溫小于所用材料的許用工作溫度；火焰筒試驗峰值時間是影響示溫漆測溫判讀的主要原因，為保證測試結果的準確性，應嚴格要求試驗峰值時間與示溫漆標定的峰值時間一致。

航空發(fā)動機；示溫漆；峰值時間；陣列預混燃燒室；火焰筒；熱電偶；壁溫

1　引言

示溫漆是一種溫度敏感涂料，涂敷在物體表面，當物體溫度發(fā)生變化時其涂層顏色也會發(fā)生變化，通過顏色變化來指示物體表面溫度及溫度分布。示溫漆的優(yōu)勢是，在連續(xù)旋轉部件、大面積表面、復雜構件表面上使用時不受任何限制，且不破壞被測物體表面形狀、不影響氣流狀態(tài)、使用方便、測量結果直觀；示溫漆的缺點是不能在線監(jiān)測，需測試后判讀。西方發(fā)達國家普遍采用示溫漆測量發(fā)動機高溫部件的表面溫度，并且在測量前都要對研制的示溫漆進行1 min、3 min、15 min和30 min等峰值時間的標定，做出校準標定表，試驗件試驗后按校準標定表相對應的峰值時間給出判讀結果。如羅-羅公司的示溫漆均附有不同峰值時間的校準標定表[1]。國內(nèi)測試人員用示溫漆測量發(fā)動機高溫部件的表面溫度時，很少考慮試驗峰值時間對示溫漆測試判讀的影響。因此，有必要開展試驗峰值時間對示溫漆測試判讀影響的研究。

目前先進航空發(fā)動機設計中，針對燃燒室火焰筒這種高溫部件，在其性能試驗及數(shù)值模擬計算預測壁溫場時，一般都需采用熱電偶和示溫漆進行測試驗證[2-3]。本文以某型航空發(fā)動機陣列預混燃燒室火焰筒為測試載體，為準確掌握火焰筒表面溫度及溫度分布梯度[4-5]，以便計算火焰筒強度和預估壽命[6-8]，在其表面涂布熱電偶和示溫漆[9-11]后進行了全溫全壓試驗，測量了火焰筒表面溫度和溫度梯度分布。通過測試研究了該火焰筒試驗峰值時間對示溫漆判讀的影響，以期為測試人員用示溫漆測量發(fā)動機高溫部件表面溫度提供參考。

2　示溫漆選擇

試驗前根據(jù)預估的火焰筒溫度范圍500～900℃，選擇了6個型號的單、多變色示溫漆[12-13]，并按示溫漆使用技術要求進行峰值時間3 min和30 min的標定校準。示溫漆型號及等溫線變色溫度標定校準結果見表1。標準試片等溫線溫度值見圖1、圖2。

表1　示溫漆型號及溫度范圍Table 1 The temperature range and types of temperature-sensitive paint

圖1　標準試片3 min峰值時間標定Fig.1 Peak time of standard specimen calibration is 3 minutes

圖2　標準試片30 min峰值時間標定Fig.2 Peak time of standard specimen calibration is 30 minutes

3　試驗狀態(tài)

燃燒室全溫全壓試驗采用天然氣燃料。試驗件為逆流式扇形單管燃燒室，火焰筒外工作環(huán)境為來流空氣，火焰筒內(nèi)工作環(huán)境為燃氣燃燒環(huán)境，火焰筒設計壁溫不大于860℃，最大試驗狀態(tài)參數(shù)見表2。火焰筒壁面溫度測試試驗在燃燒室試驗器上進行，燃燒室試驗件臺架安裝示意圖見圖3。

表2　最大試驗狀態(tài)參數(shù)Table 2 Parameters under the maximum operating conditions

圖3　燃燒室試驗件安裝示意圖Fig.3 Installation diagram ofcombustor test specimen

4　火焰筒結構

火焰筒結構見圖4。頭部安裝一體式噴嘴和旋流器，左右兩側各有1個聯(lián)焰管和1個定位銷襯套?；鹧嫱采霞庸び幸粋€火焰探測孔，周向分布6個摻混孔，定位銷襯套和摻混孔之間軸向分布8排氣膜孔(孔徑為1.0～1.5 mm)，摻混孔下端有三排氣膜孔。

圖4　火焰筒結構Fig.4 Structure of flame tube

5　測試結果及分析

5.1測試結果

試驗前陣列預混燃燒室火焰筒壁面噴涂的示溫漆型號及顏色見圖5。試驗后陣列預混燃燒室火焰筒壁面示溫漆判讀結果見圖6，圖中上面一排溫度為峰值3 min判讀結果，下面一排溫度為峰值30 min判讀結果。

圖5　火焰筒壁面示溫漆原色Fig.5 The original color of TSP on the wall of flame tube

從圖6中看出，峰值時間不同，溫度差異很大。由于最大試驗狀態(tài)峰值時間約40 min，因此測試結果以峰值標定30 min判讀為準。判讀結果為：

(1)圖6(a)中，火焰筒摻混孔上方有兩小塊區(qū)域溫度大于610℃外，其余均小于610℃；摻混孔下方兩排氣膜孔部位除兩小塊區(qū)域溫度小于610℃外，其余均大于610℃。

(2)圖6(b)中，火焰筒摻混孔上方480℃等溫線以上部位溫度小于480℃；摻混孔下方兩排氣膜孔部位除兩小塊區(qū)域溫度小于480℃外，其余均大于480℃。

(3)圖6(c)中，火焰筒摻混孔上方除三個條塊區(qū)域溫度為580℃＜T＜693℃外，其余部分溫度為390℃＜T＜580℃；摻混孔附近580℃等溫線以下部位溫度為580℃＜T＜693℃。

(4)圖6(d)中，火焰筒摻混孔上方除三個條塊區(qū)域溫度為605℃＜T＜675℃外，其余部分溫度小于605℃；摻混孔附近605℃等溫線以下部位溫度為605℃＜T＜675℃。

圖6　火焰筒壁面示溫漆判讀結果Fig.6 The interpretation results of TSP on the wall of flame tube

圖7　火焰筒壁面熱電偶測試位置Fig.7 The testing position of thermocouple on the wall of flame tube

(5)圖6(e)中，火焰筒摻混孔上方除兩個條塊區(qū)域溫度為565℃＜T＜593℃外，其余部分溫度小于440℃；摻混孔附近565℃等溫線以下部位溫度為565℃＜T＜593℃。

(6)圖6(f)中，火焰筒聯(lián)焰管下方除一小塊區(qū)域溫度大于710℃外，其余部分溫度小于710℃；摻混孔710℃等溫線以下部位溫度為710℃＜T＜850℃。

圖7示出了測量火焰筒壁溫時熱電偶的安裝位置。熱電偶最大工作狀態(tài)下的測試溫度見表3。

表3　熱電偶最大工作狀態(tài)測試溫度℃Table 3 The testing temperature of thermocouple under the maximum operating conditions

5.2結果分析

綜合上述判讀結果，火焰筒摻混孔以上大部分區(qū)域的溫度為390℃＜T＜440℃，溫度較低且分布較均勻。這主要是因為該區(qū)域有大量密布的氣膜孔，二股氣流穿過壁面氣膜孔進入火焰筒內(nèi)，使冷氣層均勻鋪開，有效降低了燃氣對壁面的對流換熱，將燃氣對壁面的輻射熱量帶走，因此溫度較低。從表3中熱電偶1#～3#的測試結果也可看出，其最高溫度小于440℃?；鹧嫱矒交炜滓韵麓蟛糠謪^(qū)域的溫度為610℃＜T＜675℃，但分布不均；火焰筒有一個側面兩個摻混孔以下部位溫度最高，見圖6(f)。這是因為該區(qū)域沒有冷卻氣膜孔，且高溫燃氣氣流不均使燃燒的火焰偏向摻混孔下方區(qū)域，造成該區(qū)域溫度最高。用峰值30 min判讀，示溫漆判讀結果與熱電偶測試結果吻合。2#熱電偶記錄了一個最大值為464℃，試驗后分解發(fā)現(xiàn)是因為固定熱電偶測量端的不銹鋼片脫落(圖8)，測量端測試的溫度有部分是燃氣氣流溫度所致。若用峰值3 min判讀，則火焰筒摻混孔以上大部分區(qū)域的溫度為435℃＜T＜490℃(圖6(c)、圖6(e))，火焰筒摻混孔以下大部分區(qū)域的溫度為680℃＜T＜766℃(圖6(a)、圖6(c))。與峰值30 min判讀相比，摻混孔以上溫度增高了50℃，摻混孔以下溫度增高了91℃，與熱電偶測試結果相差較大。

圖8　固定2#熱電偶不銹鋼片脫落Fig.8 The stainless steel skin which fixed thermocouple 2# dropped off

6　試驗峰值時間對變色溫度的影響

由峰值時間對變色溫度影響的經(jīng)驗公式(式(1))[1]可知，峰值時間越長，變色溫度越低。以TSP-S01為例，計算該示溫漆的a、b值，采用峰值3 min、30 min的變色溫度值，得出a＝713.40，b＝70.00。由此算出TSP-S01峰值40 min變色溫度值為601.26℃，比峰值3 min的溫度低78.74℃，這說明試驗峰值時間對示溫漆測試判讀的影響很大。按此公式還可得出其他型號示溫漆在不同峰值時間下的溫度變化。此外，圖6(b)示溫漆TSP-S09在火焰筒上峰值30 min判讀結果和表3熱電偶測試結果，也證明試驗峰值時間對示溫漆判讀的影響不可低估。

θ=a-b lg t(1)式中：θ為變色溫度(℃)，a、b為某一種示溫漆常數(shù)(實測)，t為峰值時間(min)。

7　結論

以陣列預混燃燒室火焰筒壁溫測量為研究對象，用不可逆示溫漆錄取了該燃燒室火焰筒的表面溫度及溫度場分布，由峰值3 min和30 min判讀結果及熱電偶測試結果，得出如下結論：

(1)標定試驗不同峰值時間下，溫度數(shù)據(jù)判讀結果差異較大。以S01為例，峰值3 min和30 min判讀溫度差異達到70℃。

(2)利用示溫漆測溫技術進行測試時，為保證測試結果準確有效，需要求試驗峰值時間與示溫漆標定時間保持一致。

(3)該陣列預混燃燒室火焰筒壁面最高溫度未超過860℃，符合設計要求。

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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

熊慶榮(1959-)，男，貴州修文人，高級工程師，主要從事發(fā)動機測試技術研究。