張宇翔 馮銳莉

摘? 要：航空發(fā)動機(jī)是一種熱力機(jī)械，是飛機(jī)中最為核心的部件，與其飛行的動力息息相關(guān)。想要讓飛機(jī)安全穩(wěn)定的飛行，就要保證發(fā)動機(jī)能夠處于正常運(yùn)行的狀態(tài)。高溫容易引起發(fā)動機(jī)故障，因此航空發(fā)動機(jī)的高溫測量技術(shù)極為重要。本篇文章從航空發(fā)動機(jī)入手，對熱電偶測溫、示溫漆測溫、紅外光譜測溫以及警惕測溫的原理和發(fā)展進(jìn)行了分析，然后對高溫測試技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：航空;發(fā)動機(jī);高溫測試技術(shù)

一、航空發(fā)動機(jī)高溫測試工作原理

（一）熱電偶測溫

熱電偶測溫屬于非接觸式測溫，它在工業(yè)測溫中有著舉足輕重的地位，熱電偶結(jié)構(gòu)簡單，在測溫方面具有一定的優(yōu)勢，具體如下表一所示。從表一可以看出熱電偶測溫范圍廣、誤差小、響應(yīng)較為迅速。同時，熱電偶的成本不高，可以有效的實現(xiàn)對復(fù)雜部件的測溫。但是航空發(fā)動機(jī)的溫度超出了傳統(tǒng)熱電偶的測溫范圍。近幾年來，有關(guān)學(xué)者對熱電偶進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，催生了薄膜熱電偶，其有著顯著的優(yōu)勢，可以用于航空發(fā)動機(jī)溫度的測量。薄膜熱電偶利用真空蒸餾以及化學(xué)涂層等技術(shù)，在相應(yīng)金屬的表面鍍上了一層金屬薄膜，這樣熱電偶就具有了一層絕緣材料。通過對熱電動勢的測量來完成測溫是薄膜熱電偶的工作原理，下圖一為熱電偶的工作原理，圖一的A、B兩端為不同導(dǎo)體構(gòu)成的回路，兩個接觸點的溫度存在差異時，就會在閉合回路中產(chǎn)生電動勢，對電動勢的差進(jìn)行測量，就可以間接得到溫度。薄膜熱電偶安裝非常簡單，其體積較小，能夠輕松地安裝在測量對象的表面。但是這種熱電偶引線上存在一定的問題，難以進(jìn)行大面積安裝，其不可以用來測量渦輪葉片，因為葉片處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

（二）示溫漆測溫

示溫漆測溫方式較為特殊，通過在被測對象表面涂具有一定的功能的涂料來完成測溫，屬于非侵入式的測溫方式。示溫漆具有一定的特性，對于不同的溫度，能夠顯示出不同的顏色，通過不同的顏色可以確定被測對象的溫度。示溫漆測溫方式無需用引線連接，其測溫原理與變色原理有關(guān)。而變色原理有三種形式。一是化學(xué)變化，二是物理變化，三是化學(xué)和物理變化并存。示溫漆本身具有一定的物理化學(xué)特性。利用示溫漆進(jìn)行測溫時，會受到溫度恒定的時間、溫度升高的速度以及被測環(huán)境的影響。示溫漆是一種感溫顏料，隨著溫度的升高，該顏料會發(fā)生升華、轉(zhuǎn)變以及固相反應(yīng)等，進(jìn)而導(dǎo)致顏色改變，間接分析出被測對象的溫度。示溫漆測溫有兩個明顯的優(yōu)勢。一是不會破壞被測對象的結(jié)構(gòu)。僅僅需要將顏料涂在被測對象表面即可，操作較為簡單。二是可以在惡劣條件下測試溫度，渦輪葉片表面具有容易附著的性質(zhì)，所以示溫漆可以用于測量航空飛機(jī)的渦輪葉片。除此之外，示溫漆具有不可逆性，也就是說只能測量高溫，且在被測對象恢復(fù)到低溫狀態(tài)時，所顯示的顏色不會發(fā)生改變，所以，可以根據(jù)不同的顏色來判斷不同部件的溫度。但是，示溫漆也具有一定的缺點，其具有一次性的性質(zhì)，無法實時顯示溫度，同時也不能進(jìn)行二次使用。另外，示溫漆的測溫精度也不高。

（三）紅外光譜測溫

對于具有一定溫度的物體而言，都能夠朝周圍的環(huán)境發(fā)射紅外熱輻射。波爾茲曼定律表示：在一定的時間內(nèi)，被測對象發(fā)出的熱輻射和被測對象溫度的四次方與發(fā)射率的乘積是正比例關(guān)系。如果知道被測對象的發(fā)射率，然后在相應(yīng)的時間內(nèi)測出被測對象的熱輻射，就可以結(jié)合熱輻射和發(fā)射率計算出被測對象的溫度。紅外光譜測溫原理是通過光學(xué)系統(tǒng)收集被測對象外表面紅外輻射信號，將這些信號集中到熱像儀內(nèi)部，然后利用光電轉(zhuǎn)化器將紅外信號轉(zhuǎn)化成電線號，然后求出被測對象和已知物體的輻射強(qiáng)度差值，經(jīng)過計算分析，可以得到被測對象的溫度。與紅外測溫儀相比，熱像儀增加了兩個系統(tǒng)，一是掃描系統(tǒng)，二是成像系統(tǒng)。具體的測量方式為掃描系統(tǒng)對被測對象進(jìn)行掃描，然后探測器對信號進(jìn)行接收，經(jīng)過轉(zhuǎn)化放大后，能夠得到被測對象的溫度。成像系統(tǒng)的作用是顯示溫度分布的圖像。與熱電偶相同，其也屬于非接觸式測溫，不會影響到被測對象的溫度場，同時具有實時監(jiān)控的功能。紅外管普測溫具有范圍大、靈敏度強(qiáng)等優(yōu)點，可以在惡劣的條件下測溫，比如測量正在運(yùn)轉(zhuǎn)的對象的溫度。該種測溫方式和被測對象的發(fā)射率息息相關(guān)，因而會受到發(fā)射率的影響，所以測量的精度難以保證。同時測溫探頭需要在發(fā)動機(jī)上進(jìn)行安裝較為困難，所以在航空發(fā)動機(jī)測溫上有所限制。

（四）晶體測溫

高溫環(huán)境能夠修復(fù)晶體缺陷，這就是晶體測溫的原理。時間以及溫度會幫助晶體缺陷進(jìn)行復(fù)原。晶體本身是沒有缺陷的，在一定的輻射之下，晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會發(fā)生形變，從而形成一定的缺陷。然后在高溫的作用下，晶體的缺陷會慢慢恢復(fù)。在這個恢復(fù)的過程中，被測對象的溫度和缺陷的濃度會形成線性關(guān)系，進(jìn)而得到被測對象的溫度。在進(jìn)行測溫時，需要將測量晶體安裝在被測對象的表面。當(dāng)晶體的溫度達(dá)到被測對象的溫度之后，晶體的缺項開始逐漸復(fù)原，然后通過X射線測量晶體復(fù)原程度形成相關(guān)曲線，然后和預(yù)定曲線對比，就能得出被測對象的溫度。晶體測溫范圍較廣，最高可以測到1450攝氏度，并且精度極高，同時其小巧的外形可以用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)表面以及內(nèi)部溫度的測量。與傳統(tǒng)的熱電偶測溫相比，其可以有效的測量被測對象的外表溫度。與紅外光譜測溫相比，其可以輕松地測量相關(guān)對象被遮住的部分的溫度。當(dāng)然，晶體測溫也具有一定的缺點，就是其僅能測試被測對象的最高溫度，無法實時顯示溫度。

二、航空發(fā)動機(jī)高溫測試技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）熱電偶測溫技術(shù)

隨著對熱電偶測溫的深入研究，薄膜熱電偶在一定的程度上得到了發(fā)展。美國的相關(guān)研究人員通過一定的技術(shù)將薄膜熱電偶鑲嵌到渦輪葉片上，讓發(fā)動機(jī)進(jìn)行工作，在航空發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下完成測溫工作，溫度測量較為準(zhǔn)確，說明該實驗取得了成功。在1990年左右，美國又有學(xué)者通過薄膜熱電偶對航天發(fā)動機(jī)進(jìn)行溫度測試，也達(dá)到了理想的效果。目前，我國也已經(jīng)開始了對薄膜熱電偶對航空發(fā)動機(jī)的測溫研究，實驗顯示，薄膜熱電偶能夠進(jìn)行一千攝氏度的溫度測量，同時也開始了對航空發(fā)動機(jī)葉片的鍍膜研究[1]。1C0C11B8-032D-47ED-8878-3ADC1056112F

（二）示溫漆測溫技術(shù)

對于示溫漆測溫技術(shù)而言，歐洲在這一方面有著不錯的發(fā)展。其對示溫漆的研究在世界上都處于領(lǐng)先地位[2]。日本對于示溫漆也有一定的研究，他們的研究方向是想要改變示溫漆的可逆性，讓其在低溫時也會發(fā)生變化。無論是國內(nèi)的研究，還是國外的研究，都沒有突破示溫漆的限制，即溫度恒定的時間以及溫度上升的速度。對于國內(nèi)而言，示溫漆技術(shù)是根據(jù)顏色的變化來獲得溫度，這種方式具有一定的誤差。國內(nèi)的示溫漆最多有六個變色點，同時其在工藝上不具有明確的規(guī)范，干燥的方式是自然風(fēng)干。對于國外的示溫漆而言，具有一定的優(yōu)勢，其通過等溫線的方式獲取溫度，變色點最多可以達(dá)到十個，與國內(nèi)相比，誤差相對較小。國外示溫漆在工藝是上具有明確的規(guī)范，其干燥方式為加溫箱升溫干燥。

（三）晶體測溫技術(shù)

晶體測溫技術(shù)優(yōu)勢較多，所以很多國家對對其進(jìn)行深入的研究。比如，在西門子的SGT-800發(fā)動機(jī)的每個葉片上都固定了幾十個晶體，從而得到了發(fā)動機(jī)的溫度分布圖，并且測量的結(jié)果較為準(zhǔn)確[3]。結(jié)合所測得的溫度，相關(guān)的設(shè)計人員改進(jìn)了發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)，讓其在測溫上更為精準(zhǔn)，讓不同部位的相鄰溫度的梯度有所降低，同時讓冷卻氣體減少了四分之一。國內(nèi)對于晶體測溫技術(shù)的研究還不夠成熟。研究晶體測溫技術(shù)的單位很少。僅有個別單位在國家政策的支持下對碳化硅晶體進(jìn)行了研究。完成了1400攝氏度的溫度測量。

（四）紅外光譜測溫技術(shù)

對于紅外光譜測溫技術(shù)而言，可以說其在非接觸式測溫中具有最大的潛力。很多國家都在積極的對紅外光譜測溫技術(shù)進(jìn)行研究，希望能夠有所突破。早期的時候，美國就率先對光譜測溫技術(shù)展開了分析和研究。目前，一些歐美國家的科研人員真正不斷的利用紅外光譜測溫技術(shù)進(jìn)行發(fā)動機(jī)的溫度測試實驗。截止到目前，對于燃燒流場的速度以及濃度等對進(jìn)行了深度的分析，并且進(jìn)行了相關(guān)的測試實驗。美國的科研學(xué)校與發(fā)動機(jī)研究實驗室進(jìn)行了多年的合作，對紅外光譜測溫技術(shù)進(jìn)行分析，對其應(yīng)用的前景進(jìn)行了科學(xué)的分析。在紅外光譜測溫技術(shù)的研究上，法國和德國也在不斷的進(jìn)行航空發(fā)動機(jī)高溫測試實驗，利用紅外光譜測溫技術(shù)對渦輪葉片的溫度展開了科學(xué)的測試，得到了相應(yīng)的溫度分布圖像，圖像的溫度最高可以達(dá)到兩千攝氏度[4]。

三、航空發(fā)動機(jī)高溫測試技術(shù)發(fā)展趨勢研究

通過查閱大量的文獻(xiàn)以及對相關(guān)科研人員的咨詢，對國內(nèi)外的高溫測試技術(shù)有了一定的分析。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無論是發(fā)動機(jī)的制造技術(shù)，還是工藝設(shè)計都在很大程度上有所提高。在這樣的背景下，發(fā)動機(jī)對高溫測試技術(shù)也有了越來越高的要求。一是實時在線監(jiān)測，二是對流場不具有破環(huán)性質(zhì)，三是原位測量。這些都是目前航空高溫測試技術(shù)需要研究的重點。對于非接觸式測溫技術(shù)而言，光譜測溫具有一定的優(yōu)勢，其溫度范圍大，同時分辨率也能達(dá)到相關(guān)的要求。因此，我認(rèn)為紅外港普測溫技術(shù)在未來會成為重點研究的對象。對于接觸式測溫技術(shù)而言，其需要固定安裝，在安裝的過程中可能會對溫度場造成破壞，同時也不利于對高速運(yùn)轉(zhuǎn)的對象的溫度測量，使用中有所限制，并且這種測溫方式還存在一定的誤差。所以接觸式測溫未來的發(fā)展不會超過非接觸式測溫。非接觸式測溫?zé)o需在被測對象上固定，基本上不會對溫度場產(chǎn)生相關(guān)的干擾，有助于對航空發(fā)動機(jī)的測量。在將來，該種測溫方式會在我國的各個領(lǐng)域中應(yīng)用。

將來，相關(guān)的研究人員應(yīng)該加大對測溫范圍、精度以及分辨率等的研究力度，在原有的技術(shù)基礎(chǔ)上，對測溫技術(shù)進(jìn)行改良優(yōu)化。同時，航空發(fā)動機(jī)正在不斷的優(yōu)化，那么相應(yīng)的測溫技術(shù)必須跟上發(fā)動機(jī)的發(fā)展，擴(kuò)大測溫范圍勢在必行。

結(jié)束語：

綜上所述，對于航空發(fā)動機(jī)而言，其燃?xì)鉁囟鹊纳?，有助于發(fā)動機(jī)性能的提升，比如可以顯著的增加推力等等。但是，在燃?xì)馍叩那闆r下，可能損傷發(fā)動機(jī)的內(nèi)部元件。所以，研究人員應(yīng)該加大對高溫測試技術(shù)的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]林啟敬，伍子榮，趙娜，田邊，蔣莊德. 用于航空發(fā)動機(jī)的光纖F-P溫度傳感器及其信號解調(diào)系統(tǒng)研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報，2019，55（18）：1-7.

[2]張再德，文華. 渦軸發(fā)動機(jī)燃?xì)鉁u輪葉片動應(yīng)力測試技術(shù)研究及驗證[J]. 燃?xì)鉁u輪試驗與研究，2019，32（03）：8-12.1C0C11B8-032D-47ED-8878-3ADC1056112F