楊海濱胥繼斌白本奇張 偉黃 颶

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽621000)

高超聲速風(fēng)洞中總溫是其關(guān)鍵參數(shù)之一，而準(zhǔn)確地測量總溫對于風(fēng)洞流場的校測尤其重要[1]。由于總溫變化范圍廣，多數(shù)情況下采用熱電偶測量。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一，其優(yōu)點是:①測量精度高。 因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。 ②測量范圍廣。 常用的熱電偶從-50 ℃～1 600 ℃均可連續(xù)測量。 ③構(gòu)造簡單，使用方便。 熱電偶由兩種不同的金屬絲組成，不受大小和開頭的限制，外有保護套管[2]。 在使用熱電偶測量時，通常將熱電偶裝配在特殊設(shè)計的測量裝置中，將熱電偶頭部作為感溫點正對氣流方向。這種總溫測量裝置一般采用多點測溫的十字或一字排架，將多只熱電偶的感溫點布置在一個截面上，這樣就可以得到同一個截面上不同點的溫度，從而知道流場在此截面溫度分布的均勻性[3]。

高超聲速風(fēng)洞中對這種總溫測量裝置提出了很高的技術(shù)要求，測量裝置的迎風(fēng)面正對高溫、高壓的熱氣流，裝置必須具有高精度、高可靠性、高穩(wěn)定性及響應(yīng)時間短等特點，從而保證總溫數(shù)據(jù)校測的精準(zhǔn)度。 這樣的總溫測量裝置承受的壓力有時達到10 MPa 以上，溫度也接近1 000 ℃。 因此，一般選用具有金屬外套保護管(殼體)的鎧裝熱電偶作為測溫元件，鎧裝熱電偶具有能彎曲、耐高壓和堅固耐用等優(yōu)點。 將鎧裝熱電偶裝配在特殊設(shè)計的裝置中，從而完成流場總溫的測量。

在高超聲速風(fēng)洞中對于總溫的測量要求裝置響應(yīng)時間短并且裝置承受的壓力高，因此裝置的這兩個特征對于風(fēng)洞流場的總溫測量尤其重要。以前的總溫測量裝置為保證與氣流接觸的前端敏感元件有一定的強度，一般采用較粗直徑的接殼型鎧裝熱電偶，因此時間常數(shù)較大，一般在2 s～3 s甚至更長。 如果裝置等待流場穩(wěn)定后再插入進行溫度測量，則裝置的溫度測量值有時會有10 多秒甚至20 s 時間才會與真實值吻合[4]。 另外，裝置在密封形式上采用熱電偶絲穿出法蘭盤時從氟橡膠圓孔中穿出，通過外部螺帽擠壓導(dǎo)致氟橡膠圓孔收縮的方式來密封，這種方式很容易造成氟橡膠圓孔和熱電偶絲之間出現(xiàn)間隙從而導(dǎo)致漏氣。針對以前測量裝置存在的種種缺點，研制了新的總溫測量裝置。

1 總溫測量裝置設(shè)計

1.1 總體設(shè)計思路

用于高超聲速風(fēng)洞總溫測量的裝置主要包括水冷式、氣冷式和干燒式三種結(jié)構(gòu)形式，一般以水冷式的測溫誤差最大，干燒式的測溫誤差最小[5]。 本文研究的總溫測量裝置要求誤差小，因此選擇干燒式的總溫測量裝置。

干燒式總溫測量裝置整體由以下幾部分組成:耙體、屏蔽罩、鎧裝熱電偶、安裝法蘭和出線盒。 設(shè)計測溫點為九點，鎧裝熱電偶絲的頭部感溫點在一條線上等間距分布，屏蔽罩軸線與來流方向平行，總溫測量裝置的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

由于測量裝置工作環(huán)境溫度接近1 000 ℃[6]，鎧裝熱電偶材料選用K 型。 同時考慮到測量裝置的響應(yīng)時間要求，因此選用鎧裝露端型熱電偶。 九根熱電偶絲頭部正對氣流方向，固定于屏蔽罩內(nèi)，鎧裝熱電偶從耙體內(nèi)部穿出安裝法蘭后，經(jīng)出線盒引出到外部接線端子。 耙體外殼因處于高溫高壓的流場中，因此選用高溫合金GH3044。 安裝法蘭選用普通304 不銹鋼。

圖1 總溫測量裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 各部件設(shè)計

1.2.1 測溫元件選型

在測溫裝置中，測溫敏感元件采用鎧裝熱電偶。對于總溫測量裝置，主要關(guān)心其綜合測溫偏差，考慮到氣流的溫度變化范圍相當(dāng)大，而且高溫時氣流溫度接近1 000 ℃，因此選用K 型I 級精度的鎧裝熱電偶。鎧裝熱電偶外徑Φ3 mm，絲徑為Φ0.5 mm，外保護管為高溫合金材料GH3044。 這種鎧裝熱電偶長期使用溫度為900 ℃，短期使用溫度為1 000 ℃。 鎧裝熱電偶分絕緣型、接殼型和露端型三種。 為保證敏感元件的響應(yīng)時間短，選用露端型鎧裝熱電偶。 為減小溫度的導(dǎo)熱誤差，需保證偶絲伸出鎧裝部分的長度足夠長，即保持較大的長徑比。 根據(jù)理論計算，偶絲伸出部分長度取8 mm。

鎧裝熱電偶外保護管與偶絲之間填充緊實的無機絕緣材料，該材料一般為氧化鎂粉，是一種優(yōu)良的絕緣材料而且該材料的導(dǎo)熱性能良好，能保證熱電偶的外保護管和偶絲在流場中溫度均勻，整個鎧裝熱電偶各部分無溫差。 總溫測量裝置在高溫氣流通道中工作，按要求布置總溫測點9 個，各個溫度測點采用等間距布置，熱電偶絲的頭部感溫點排列在一條線上[7]。

1.2.2 屏蔽罩設(shè)計

屏蔽罩的主要作用是減小鎧裝熱電偶的輻射誤差和速度誤差，另外，還可以對鎧裝熱電偶的偶絲進行保護。 為減小導(dǎo)熱誤差，設(shè)計較長的屏蔽罩，在保證強度的情況下盡量地減小導(dǎo)熱誤差[8]。

屏蔽罩與鎧裝熱電偶的配合見圖2 所示。 在屏蔽罩材料的選擇上，由于溫度較高，選用高溫合金GH3044 為屏蔽罩殼體材料[9]。 屏蔽罩尺寸根據(jù)鎧裝熱電偶尺寸確定，最終確定內(nèi)徑為Φ3.2 mm，壁厚1 mm。 為減小導(dǎo)熱誤差，屏蔽罩的長徑比應(yīng)設(shè)計得盡量大，同時兼顧鎧裝熱電偶的安裝尺寸要求。 因偶絲伸出部分長度為8mm，為保護伸出部分偶絲，確定屏蔽罩伸出長度為10 mm。

圖2 屏蔽罩與鎧裝熱電偶配合圖

另外，屏蔽罩的進、出氣口面積比對熱電偶的測溫誤差有較大影響。 根據(jù)理論計算，出氣口為兩個Φ2 mm 的小孔，兩孔對稱分布。 出氣口的位置選取，需保證氣流充分地沖刷熱電偶的偶絲，因此，出氣口選擇與鎧裝偶鎧裝頂端相切的位置，偶絲正對出氣口孔位。

1.2.3 安裝及出線設(shè)計

總溫測量裝置由于承受高溫高壓氣流沖刷，該裝置以法蘭形式與風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)聯(lián)接，法蘭示意圖如圖3 所示。 法蘭材料選用304 不銹鋼，厚為28 mm，采用榫槽密封結(jié)構(gòu)[10]，法蘭榫面高度6 mm。同時法蘭設(shè)計有6 個均布的壓緊螺釘孔，用于壓緊銅密封圈。

圖3 安裝法蘭示意圖

鎧裝熱電偶采集的溫度信號采用補償導(dǎo)線由法蘭出線孔以裸線形式輸出。 補償導(dǎo)線前300 mm 采用不銹鋼軟管保護出線，防止折死彎，同時也防止補償導(dǎo)線和偶絲焊點直接受力。 補償導(dǎo)線后200 mm 分線，以標(biāo)號區(qū)分測點，以絕緣套管顏色區(qū)分正負(fù)極。

1.3 技術(shù)難點及解決措施

總溫測量裝置研制的主要技術(shù)難點在于:工作環(huán)境總壓達到12 MPa，而且鎧裝熱電偶比較細(xì)，它與測量裝置耙體之間的裝配也比較難。 要保證在這樣的結(jié)構(gòu)和壓差下，不發(fā)生任何熱氣泄漏。 分析認(rèn)為，該裝置中容易發(fā)生泄露的位置有:屏蔽罩與耙體接縫，屏蔽罩與鎧裝熱電偶的連接處，耙體前后部分接縫和耙體與法蘭連接處。

針對以上難點，采取了兩個技術(shù)措施。 首先，在加工設(shè)計上，耙體和屏蔽罩采用一體化加工，雖然增加了加工難度，但是可以完全避免該處的泄露隱患，減少焊縫，增強密封。 同時，耙體采用前后部設(shè)計，保證焊縫對稱分布，減少焊接變形。

同時，我們認(rèn)為焊接的密封性最好，根據(jù)不同位置的特點選擇合適的焊接方法或結(jié)構(gòu)。 屏蔽罩與鎧裝熱電偶的密封分為兩部分，因為采用了鎧裝熱電偶，偶絲與鎧裝外殼之間已填充緊實的無機絕緣材料，無需擔(dān)心泄露；鎧裝熱電偶外殼與屏蔽罩之間因為位置有限，采用合適釬料進行密封焊接，釬料熔焊溫度低于不銹鋼熔點，高于工作環(huán)境溫度，既能保證焊接效果，又能有效進行密封。 前后耙體的焊接位置在外面，焊接條件優(yōu)秀，但是采用傳統(tǒng)氬弧焊，會導(dǎo)致變形量過大，所以，采用了電子束焊接的方式，減少耙體變形，同時能保證較好的焊接效果。 耙體與法蘭采用常規(guī)氬弧焊。

所有焊縫在焊接后都進行著色探傷，避免存在焊接缺陷。 在傳感器的出線處，采用高溫柔性膠填充，既對信號線進行保護又進行了二次密封。

2 總溫測量裝置的校準(zhǔn)

2.1 密封性能驗證

為驗證總溫測量裝置的密封性能，研制了液態(tài)密封試驗器。 該試驗器以壓力校準(zhǔn)裝置為增壓系統(tǒng)，壓力罐為試驗用壓力腔，采用變壓器油為壓力介質(zhì)，圖4 為密封性能驗證示意圖。

試驗時，先將總溫測量裝置安裝在壓力罐上，安裝時油液溢出。 然后通過壓力校準(zhǔn)裝置加壓，腔內(nèi)壓力達到12 MPa 時，保持此狀態(tài)20 min，如果沒有油液從測量裝置上端溢出，則認(rèn)為無壓力泄露。

總溫測量裝置按照該方法進行密封性能測試，順利通過12 MPa 測試試驗。

圖4 密封性能驗證示意圖

2.2 時間常數(shù)測試

2.2.1 測試步驟

時間常數(shù)是指對于按一階系統(tǒng)處理的溫度傳感器，當(dāng)溫度出現(xiàn)階躍變化時，溫度傳感器的輸出溫度值變化到相當(dāng)于該溫度階躍量的63.2%所需要的時間[11]，記為τ。

根據(jù)被?？倻販y量裝置的工況要求，測試試驗在某熱校準(zhǔn)風(fēng)洞上進行，校準(zhǔn)裝置示意圖見圖5。測試采用的總壓傳感器量程100 kPa，精度0.15 級；數(shù)字無汞氣壓計精度±40 Pa；數(shù)采模塊最大誤差為±0.03%×讀數(shù)。 按技術(shù)要求將被校總溫測量裝置固定在試驗段的安裝座上，按照以下步驟測試裝置的時間常數(shù):

圖5 時間常數(shù)校準(zhǔn)裝置示意圖

①打開氣源，通過穩(wěn)定段前端的閥門系統(tǒng)調(diào)節(jié)壓力，用壓力傳感器的示值作為氣源總壓P0，用數(shù)字無汞氣壓計讀取大氣壓力值作為氣流靜壓PS，用P0和PS來計算氣流馬赫數(shù)[12]。

②調(diào)節(jié)閥門系統(tǒng)的同時將氣流加熱，將氣流馬赫數(shù)控制在(0.14±0.005)，記錄初始狀態(tài)的氣流總壓、靜壓、大氣壓、總溫、被校裝置溫度。

③壓下彈射機構(gòu)注入冷氣，使冷熱氣流充分混合均勻，調(diào)節(jié)冷氣流流量使被?？倻販y量裝置溫度穩(wěn)定在(580±20)℃；彈開彈射機構(gòu)，使被?？倻販y量裝置直接裸露在熱氣流中，產(chǎn)生200 ℃左右的溫度上升階躍，此時用示波器記錄溫度響應(yīng)曲線，取階躍量的63.2%所對應(yīng)的時間作為時間常數(shù)[13]，即為總溫測量裝置在氣流馬赫數(shù)為0.14 工況下的時間常數(shù)。

2.2.2 測試結(jié)果及不確定度評定

總溫測量裝置共有九點，利用校準(zhǔn)裝置測試了有代表性的三個點的時間常數(shù)，即距離法蘭最遠(yuǎn)的鎧裝熱電偶1D、距離最近的9D 以及中間點5D，每個測溫點分別測試了馬赫數(shù)0.14 和馬赫數(shù)0.29 狀態(tài)下的時間常數(shù)。 每個馬赫數(shù)重復(fù)做3 次，時間常數(shù)取其平均值τave。

總溫測量裝置動態(tài)特性校準(zhǔn)不確定度的主要來源有[14]:重復(fù)性帶來的不確定度分量u1、階躍起點的選取帶來的不確定度分量u2、馬赫數(shù)帶來的不確定度分量u3、有效溫度波動帶來的不確定度分量u4。

得出各不確定度分量以后，按下列公式計算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(τ)。

在得出合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(τ)以后，按下列公式計算相對擴展不確定度Urel。

式中:k為氣體絕熱指數(shù)，k＝2。

總溫測量裝置時間常數(shù)校準(zhǔn)結(jié)果與不確定度計算結(jié)果見表1 所示。

表1 總溫測量裝置時間常數(shù)與不確定度

將總溫測量裝置時間與溫度的關(guān)系簡化為一階線性關(guān)系[15]，通過簡單計算，τ≤1.39 s 時，滿足測量裝置時間常數(shù)在要求的指標(biāo)范圍內(nèi)(≤2 s)。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)洞中應(yīng)用結(jié)果

研制后的總溫測量裝置已經(jīng)成功應(yīng)用于某高超聲速風(fēng)洞中，經(jīng)過了風(fēng)洞所有狀態(tài)的試驗考驗，風(fēng)洞的六個典型試驗狀態(tài)見表2。 馬赫數(shù)從5 到10，總溫范圍從80 ℃到800 ℃[16]。

表2 風(fēng)洞的6 個典型試驗狀態(tài)

表3 為馬赫數(shù)5、7、9 三個典型工態(tài)(也就是表1 的1＃、3＃、5＃工態(tài))下該裝置的測量值(鎧裝熱電偶從距離法蘭由遠(yuǎn)及近依次為1D～9D)。

表3 典型狀態(tài)裝置的溫度測量值 單位:℃

表中的測量值均為相應(yīng)狀態(tài)下流場穩(wěn)定時各個測點的溫度值。 從表中的測值可以看出，首先三個馬赫數(shù)下各點測值滿足表1 中的總溫范圍要求。 測點5D 位于流場正中心，所以該點溫度最高。 從5D依次向1D 和9D 方向看，溫度值依次降低，說明流場從中心向邊緣地方溫度梯度是合理的。 而且從對稱的兩個點來看，測值是基本一致的(比如4D 和6D 測值一致，3D 和7D 測值一致等)，也就是距離流場中心位置相同距離的點溫度值是一致的，從而也說明了風(fēng)洞的流場品質(zhì)是較好的。

結(jié)果證明，該裝置測溫覆蓋范圍廣、性能可靠、測值準(zhǔn)確、同一狀態(tài)數(shù)據(jù)重復(fù)性較好、溫度響應(yīng)速度快。 同時，總溫測量裝置在風(fēng)洞中經(jīng)歷了很多次總壓高達12 MPa 的試驗，經(jīng)檢測裝置無泄漏。 而且，經(jīng)過這些試驗并拆卸總溫測量裝置后，經(jīng)檢查，裝置的測量端偶絲無損壞。

3.2 結(jié)果分析

分析認(rèn)為，裝置測量端采用一體化加工和特殊的焊接工藝，對于保證裝置的密封性能是有效的。裝置在經(jīng)過很多次試驗后，測量端偶絲無損壞，這和合理的屏蔽罩設(shè)計是分不開的，說明了屏蔽罩在實際工況時能保證氣流正對偶絲(這和校準(zhǔn)時的工況是完全一致的)，這樣高溫高壓的正向氣流因而能保證偶絲無損壞同時又保證了測量的時間常數(shù)。 另外，時間常數(shù)校準(zhǔn)試驗是在常壓環(huán)境下進行，總溫測量裝置實際使用環(huán)境是帶壓環(huán)境，溫度傳感器的傳熱效率在壓力環(huán)境下要高于常壓環(huán)境，因此，在實際工況環(huán)境下，總溫測量裝置的時間常數(shù)要優(yōu)于表1給出的校準(zhǔn)結(jié)果。

對于普通熱電偶的響應(yīng)時間，在不承壓的情況下比較小[17]。 但對于高超聲速風(fēng)洞來說，不僅要求時間常數(shù)小，還要承受很高的壓力，這對熱電偶和結(jié)構(gòu)裝配都是難點，國內(nèi)外相關(guān)的報道有一些，但比較少[18-19]。 文獻10 指出，熱電偶的瞬態(tài)響應(yīng)時間取決于熱電偶測量端直徑和測量區(qū)域的熱擴散性。 本研究項目中，對鎧裝熱電偶而言，除外保護管影響外，熱電偶的測量端直徑是其主要因素，即偶絲越細(xì)，測量端直徑越小，其熱響應(yīng)時間越短。 但測量端直徑越小，其強度就降低，抗高壓氣流沖刷的能力變?nèi)?，其測量端就越容易損壞[20]。 本裝置中測量端偶絲的直徑取為Φ0.5 mm，在考慮其結(jié)構(gòu)承壓12 MPa的同時，又滿足了指標(biāo)要求的時間常數(shù)(≤2 s)。 應(yīng)該說，能達到這樣整體性能的總溫測量裝置和國內(nèi)外其他高超聲速風(fēng)洞的總溫測量裝置相比的話，還是處于領(lǐng)先水平的。

4 結(jié)論

研制的總溫測量裝置不同于以前的測量裝置，采用耙體和屏蔽罩的一體化加工，鎧裝熱電偶外殼與屏蔽罩之間采用合適釬料進行密封焊接，前后耙體的焊接采用了電子束焊接，保證了整個總溫測量裝置的密封性。 另外，該裝置采用露端型K 型鎧裝熱電偶，測量端采用較小直徑的偶絲配合屏蔽罩的方式，既能達到快速響應(yīng)的目的，又能承受高壓氣流的沖刷，滿足了使用要求。

經(jīng)過多項試驗運行，證明了該裝置滿足各項技術(shù)指標(biāo)要求，目前該裝置已經(jīng)成功應(yīng)用于風(fēng)洞中，保障了風(fēng)洞試驗的順利開展。 在整套總溫測量裝置研制過程中采用的方法和技術(shù)工藝，具有一定的借鑒意義。