饒芊芊

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南?株洲?412002）

氣流溫度是發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的重要熱力參數(shù)。在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)常需要準(zhǔn)確地測(cè)量氣流溫度及利用溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制。溫度的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、生產(chǎn)使用都有重要意義。溫度受感器作為溫度測(cè)量的一次儀表，其設(shè)計(jì)和加工直接影響到溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性及發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)件的安全[1]。

所內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)研制型號(hào)多，測(cè)量參數(shù)多，由于每個(gè)型號(hào)要求的測(cè)量截面、測(cè)點(diǎn)位置不一樣，安裝結(jié)構(gòu)、安裝方式不一樣，也為了保證針對(duì)不同氣動(dòng)參數(shù)、不同結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)，溫度受感器均能達(dá)到最佳測(cè)量效果（最高精度）。通常情況下，針對(duì)不同型號(hào)的不同測(cè)點(diǎn)都會(huì)設(shè)計(jì)探針。

某型輔助動(dòng)力裝置排氣段溫度場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)給出如下技術(shù)要求：

（1）工作壓力Pt≤0.05 MPa；

（2）工作溫度Tt≤1063 K；

（3）馬赫數(shù)Ma≤0.5；

（4）額定轉(zhuǎn)速N=48800 r/min；

（5）排氣段流道內(nèi)3個(gè)測(cè)點(diǎn)位置按等環(huán)面分布，且±10 mm可調(diào)；

（6）設(shè)計(jì)點(diǎn)測(cè)試精度±5℃。

1 受感器方案設(shè)計(jì)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝座的形式確定受感器安裝座形式。發(fā)動(dòng)機(jī)研究過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)上下臺(tái)次數(shù)多，需保證受感器能在發(fā)動(dòng)機(jī)上方便地拆裝。研制過(guò)程中需盡量小地改變發(fā)動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)，使之對(duì)流道內(nèi)氣流場(chǎng)產(chǎn)生較小的影響。在高速旋轉(zhuǎn)件上，插入流道內(nèi)部分需有一定機(jī)械強(qiáng)度保證安全。所以在保證測(cè)量精度、試驗(yàn)安全的前提下，受感器的尺寸盡量小。

常見(jiàn)的熱電偶受感器形式為裸露式、帶罩式、鎧裝式。根據(jù)測(cè)試技術(shù)要求，綜合考慮測(cè)量精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素，選用帶罩式熱電偶形式。根據(jù)《90溫標(biāo)手冊(cè)》，常用1級(jí)精度K分度偶絲。在測(cè)試要求、測(cè)溫范圍內(nèi)，偶絲最細(xì)線(xiàn)徑0.3 mm，偶絲越細(xì)，換熱系數(shù)越大，時(shí)間常數(shù)越小。但在實(shí)際應(yīng)用中，0.3 mm的偶絲易被氣流吹歪，較易斷裂。因此，在受感器尺寸允許的條件下，盡量選用0.5 mm的偶絲。

2 受感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

此測(cè)點(diǎn)位置排氣段上的安裝座為法蘭式，受感器安裝時(shí)，用螺釘將受感器固定在排氣段上。因?yàn)樾枵{(diào)深度，所以將支桿單獨(dú)設(shè)計(jì)，相對(duì)安裝座可旋轉(zhuǎn)和提拉。為了保證探針的可靠連接，采用了壓緊螺母、緊固圈和墊圈相互配合的方式。受感器總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖 1??受感器總圖

2.2 安裝座結(jié)構(gòu)

插入深度可調(diào)節(jié)的關(guān)鍵在于安裝座的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。安裝座與排氣段和支桿均可靠連接。安裝座支桿孔的最上端倒一個(gè)斜角，緊固圈外邊反向倒角，兩個(gè)面可以緊貼壓緊。緊固圈均布開(kāi)槽，增加形變，緊固圈結(jié)構(gòu)如圖3所示。

???圖 2??安裝座三維圖

?圖 3??緊固圈三維圖

調(diào)節(jié)深度時(shí)，將支桿上的刻線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)安裝座下端面，用一對(duì)扳手卡住六邊形安裝節(jié)和緊固螺母進(jìn)行固定。

2.3 支桿結(jié)構(gòu)

支桿的迎風(fēng)面積是流道內(nèi)的最大阻塞和受力來(lái)源。為了減小流道內(nèi)的阻塞比，多點(diǎn)的溫度熱電偶經(jīng)常采用腰形管，由于需調(diào)節(jié)深度，這里采用圓形支桿。支桿內(nèi)需裝配3對(duì)熱電偶絲，考慮絕緣材料填充保證其絕緣性，支桿內(nèi)徑不宜過(guò)小。

2.4 保護(hù)罩結(jié)構(gòu)

帶罩式總溫受感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為熱接點(diǎn)提供一個(gè)合適的環(huán)境條件，使誤差值在熱電偶允許的誤差范圍內(nèi)，并能直接測(cè)取氣流總溫。對(duì)高速低溫氣流溫度測(cè)量所帶的保護(hù)罩稱(chēng)為滯止罩，罩和熱接點(diǎn)對(duì)來(lái)流進(jìn)行2次滯止；對(duì)于低速高溫氣流所帶的保護(hù)罩稱(chēng)為屏蔽罩，減小熱接點(diǎn)與產(chǎn)生輻射換熱的機(jī)匣之間的溫差。采用帶罩式結(jié)構(gòu)，可有效減小總溫測(cè)量的速度誤差和輻射誤差[2]。保護(hù)罩既能減小誤差，又能對(duì)熱電偶接點(diǎn)起保護(hù)作用。

屏蔽罩開(kāi)設(shè)排氣孔是必須的，如果沒(méi)有排氣孔，那么屏蔽罩內(nèi)的氣體就不能流通，亦即測(cè)量接點(diǎn)周?chē)臍怏w就不能更替。此時(shí)由于傳熱的緣故，測(cè)量接點(diǎn)的溫度就趨于屏蔽罩的溫度，誤差更大。

為了減小速度誤差，將氣流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，罩內(nèi)應(yīng)采用小的內(nèi)流速度；為了減小輻射誤差，增加對(duì)流換熱，則應(yīng)該采用大的內(nèi)流速度。屏蔽罩進(jìn)排氣孔的面積比將影響屏蔽罩內(nèi)的氣流速度，考慮兩種誤差，需得到一個(gè)最佳內(nèi)流速度使受感器具有最小的測(cè)溫誤差。

當(dāng)屏蔽罩內(nèi)徑，亦即接點(diǎn)所在截面的面積已經(jīng)選定，則實(shí)現(xiàn)最佳內(nèi)流速度的關(guān)鍵便在于排氣孔的直徑。測(cè)溫誤差為輻射誤差和速度誤差之和：

式中：Fj為屏蔽罩的進(jìn)氣面積減去熱接點(diǎn)面積；

為最佳馬赫數(shù)；

n為排氣孔數(shù)量；

k為絕熱指數(shù)，k=1.33。

圖 4??屏蔽罩結(jié)構(gòu)圖

為保證響應(yīng)速度，熱接點(diǎn)直徑應(yīng)等于偶絲直徑的2～2.5倍左右。為了避免屏蔽罩入口處流線(xiàn)收縮的影響以及能有較好的屏蔽效應(yīng)，測(cè)量接點(diǎn)距屏蔽罩入口需有一定距離。屏蔽罩加有90°倒角，可以增大受感器的不敏感角，屏蔽罩結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 強(qiáng)度分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，溫度受感器是直接插入發(fā)動(dòng)機(jī)流道中來(lái)測(cè)量溫度，所以必須具有足夠的強(qiáng)度和剛性[3]。

（1）靜強(qiáng)度校核。熱電偶在高溫條件下持續(xù)受到氣流沖刷而產(chǎn)生沿支桿正面均布的氣動(dòng)阻力，靜強(qiáng)度校核的目的是分析在上述條件下受感器的靜強(qiáng)度是否滿(mǎn)足使用要求。受感器的強(qiáng)度用安全系數(shù)ηT來(lái)表示，時(shí)，受感器的強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足使用要求（σ0.2為名義流動(dòng)極限下的材料屈服強(qiáng)度，σmax為受感器最大應(yīng)力）。

（2）剛度計(jì)算。計(jì)算受感器在橫向氣動(dòng)力的作用下的最大撓度（變形）是否滿(mǎn)足剛度條件L為浸入氣流中的支桿長(zhǎng)度）。尤其是安裝在轉(zhuǎn)子前的受感器，決不允許因剛度條件偏小不滿(mǎn)足，致使受感器碰到轉(zhuǎn)子而引起重大事故發(fā)生。受感器必須同時(shí)滿(mǎn)足靜強(qiáng)度條件及剛度條件時(shí)方可使用。

（3）動(dòng)強(qiáng)度校核。受感器本身是個(gè)彈性體系，有一系列的自振頻率，因此需要計(jì)算支桿的自振頻率（固有頻率），保證受感器不會(huì)與試驗(yàn)件發(fā)生共振。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮熱電偶的特征頻率，以保證熱電偶的自振頻率避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率。

4 誤差分析

在穩(wěn)態(tài)測(cè)量時(shí)，由于氣流動(dòng)能不完全恢復(fù)以及熱電偶與環(huán)境之間的傳熱，熱電偶的示值將偏離氣流總溫而出現(xiàn)速度誤差、輻射誤差及導(dǎo)熱誤差。

（1）速度誤差。通常用恢復(fù)系數(shù)（或復(fù)溫系數(shù)）來(lái)描述氣流動(dòng)能恢復(fù)為熱能的程度。裸露裸絲的恢復(fù)系數(shù)為0.86。熱電偶采用的滯止室能夠使熱電偶的復(fù)溫系數(shù)r提高到0.95～0.99，這里取0.95。速度誤差為：

（2）輻射誤差。由于測(cè)量端與環(huán)境之間的輻射換熱，引起受感器溫度偏離氣流總溫，根據(jù)熱平衡方程[4]和經(jīng)驗(yàn)公式，輻射誤差為：

式中：Kr為輻射修正系數(shù)，對(duì)于帶罩式熱電偶，可取為（28.6±3.2）×10-4；Tj為測(cè)量端溫度，可近似為燃?xì)饬骺倻?；將屏蔽罩看作熱電偶溫度測(cè)量端，則根據(jù)地復(fù)溫系數(shù)的定義，取r=0.86，屏蔽罩內(nèi)壁溫度Tw可近似地通過(guò)速度誤差公式算出；M為氣流馬赫數(shù)；P為氣流靜壓[5]。

（3）導(dǎo)熱誤差。導(dǎo)熱誤差是由熱電偶向環(huán)境導(dǎo)熱引起的。當(dāng)增加罩內(nèi)熱電偶絲的浸入長(zhǎng)度L時(shí)，將使對(duì)流換熱面積和導(dǎo)熱熱阻增加，減小其直徑d，則使換熱系數(shù)和導(dǎo)熱熱阻增加。由此可見(jiàn)，增加浸入長(zhǎng)度L與減小直徑d都會(huì)使導(dǎo)熱誤差減小。一般情況下，L/d＞ 10時(shí)，導(dǎo)熱誤差已經(jīng)很小了，可忽略。

K分度熱電偶絲的靜態(tài)誤差為±1.5℃，速度誤差計(jì)

算值為-0.35℃，輻射誤差計(jì)算值為-2.3℃，導(dǎo)熱誤差忽略不計(jì)，可知總溫?zé)犭娕嫉恼w誤差：

最大誤差為-4.15℃，此溫度受感器精度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)點(diǎn)要求。

5 結(jié)????論

溫度受感器的測(cè)量誤差是整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)中的最大誤差來(lái)源，由于能量不能完全轉(zhuǎn)化，熱電偶測(cè)溫的示值一般都偏低。屏蔽罩的進(jìn)排氣面積比是控制誤差的關(guān)鍵因素。由于熱電偶對(duì)絕緣性的要求，為減小受感器尺寸，可研究更好的裝配方法和絕緣材料。經(jīng)過(guò)安全系數(shù)分析和誤差分析，此排氣段探針精度滿(mǎn)足測(cè)試技術(shù)要求，可調(diào)節(jié)深度的結(jié)構(gòu)一定程度上節(jié)約了加工成本。