航空發(fā)動機(jī)高溫壁面熱電偶測溫應(yīng)用

摘要:高溫壁面溫度的準(zhǔn)確測量是航空發(fā)動機(jī)研制過程中的重要環(huán)節(jié)。熱電偶是航空發(fā)動機(jī)高溫壁面測溫領(lǐng)域中使用廣泛的溫度傳感器。提高熱電偶的測溫極限、測溫精度以及測溫可靠性,是航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)和測試領(lǐng)域迫切需要攻克和解決的技術(shù)難題。從鎧裝熱電偶測溫技術(shù)、薄膜熱電偶測溫技術(shù)和熱電偶壁面測溫技術(shù)修正3個(gè)方面,對航空發(fā)動機(jī)高溫壁面熱電偶測溫技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。建立熱電偶高溫壁面測溫修正方法將是今后航空發(fā)動機(jī)高溫壁面測溫領(lǐng)域需要重點(diǎn)關(guān)注的研究方向。
引言
　　現(xiàn)代高性能航空發(fā)動機(jī)為了達(dá)到更高的推重比和熱效率，渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟炔粩嗌?使得航空發(fā)動機(jī)的燃燒室、渦輪和尾噴管等熱端部件的工作溫度變得越來越高，對航空發(fā)動機(jī)熱端部件的壽命以及安全性提出了更大的挑戰(zhàn)。在運(yùn)行過程中所處的高溫環(huán)境對航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)、研制和試驗(yàn)研究都提出了更嚴(yán)苛的要求。
　　準(zhǔn)確獲得航空發(fā)動機(jī)部件高溫壁面的溫度,才能夠正確評估航空發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)以保障發(fā)動機(jī)安全可靠運(yùn)行，也是計(jì)算性能和壽命的重要依據(jù)。提高溫度傳感器的測溫極限、測溫精度以及測溫可靠性，是航空發(fā)動機(jī)研制中迫切需要攻克和解決的技術(shù)難題。
　　航空發(fā)動機(jī)及其部件的性能試驗(yàn)所使用的溫度傳感器數(shù)量相當(dāng)多。如美國E3航空發(fā)動機(jī)的核心機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)時(shí)，需要475個(gè)溫度傳感器。由于溫度傳感器的測溫范圍從室溫到2000K左右,所以溫度傳感器需要具有相當(dāng)高的測量精度和良好的動態(tài)響應(yīng)特性，并且尺寸要求也相當(dāng)嚴(yán)格,還需面臨高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、燃?xì)馇治g及空間狹小等惡劣工作環(huán)境的考驗(yàn)。
　　航空發(fā)動機(jī)高溫壁面的溫度測量方法主要分為接觸式測量和非接觸式測量兩大類。接觸式壁溫測量方法是將溫度傳感器與被測固壁表面直接接觸達(dá)到熱平衡從而測量壁面溫度,主要包括熱電偶測溫、示溫漆測溫?zé)嵘壕y溫、晶體測溫和傳感型光纖測溫技術(shù)等。非接觸式壁溫測量方法則不需要溫度傳感器與被測壁面進(jìn)行直接接觸,主要包括輻射測溫、熒光測溫、傳光型光纖測溫和聲學(xué)測溫等方式。在選擇特定的壁面溫度測量方法時(shí)，通常要綜合考慮需要測量溫度的范圍、精度、靈敏度壽命、尺寸、成本、制造約束、動態(tài)響應(yīng)特性以及可靠性等因素。測量技術(shù)的準(zhǔn)確性取決于多種因素，如對絕對溫標(biāo)的校準(zhǔn)、安裝方法引起的傳熱干擾、傳感齬輸出監(jiān)測和不穩(wěn)定影響等。
　　熱電偶是當(dāng)前壁面溫度測量領(lǐng)域使用廣泛的溫度傳感器,其測溫的基本原理是塞貝克效應(yīng)。利用熱電偶進(jìn)行壁面溫度測量時(shí),將熱電偶與被測壁面直接接觸,因此不會受到中間介質(zhì)的影響,具有較高的精度。熱電偶因其測溫范圍廣、工作壽命較長體積小、質(zhì)量輕、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)而在高溫測量領(lǐng)域得到廣泛使用。熱電偶也被用來校驗(yàn)輻射式測溫、熱色液晶等其他測溫方式的壁面測溫準(zhǔn)確性。從鎧裝熱電偶測溫技術(shù)、薄膜熱電偶測溫技術(shù)和熱電偶壁面測溫技術(shù)修正3個(gè)方面,對航空發(fā)動機(jī)高溫壁面熱電偶測溫技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述,并對航空發(fā)動機(jī)高溫壁面熱電偶測溫技術(shù)的發(fā)展方向提出了建議。
1鎧裝熱電偶測溫技術(shù)
1.1鎧裝結(jié)構(gòu)材料的改進(jìn).
　　由于裸露式熱電偶難以承受航空發(fā)動機(jī)內(nèi)部高溫高壓的嚴(yán)苛工作環(huán)境,研究者通過設(shè)計(jì)不同材料及結(jié)構(gòu)型式的鎧裝保護(hù)結(jié)構(gòu),提升鎧裝熱電偶對高溫工作環(huán)境的適應(yīng)性,提高鎧裝熱電偶高溫壁面溫度測量的精度。
　　一種用于航空燃?xì)廨啓C(jī)高溫壁面溫度測量的新型雙層壁鎳基鎧裝熱電偶,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。雙層壁鎧裝熱電偶內(nèi)的偶絲受到的污染大大減少,因而其漂移性能得到了顯著改善。在1250C時(shí),雙壁結(jié)構(gòu)不受熱循環(huán)引起的漂移影響,而對于常規(guī)熱電偶漂移的影響較大,且隨循環(huán)次數(shù)的增加而漂移明顯。對雙壁結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)后,可實(shí)現(xiàn)在高達(dá)1300℃的溫度下安全使用。
 
　　針對火箭噴管、超音速燃燒室和再人飛行器等超高溫壁面測量的需要,結(jié)合了二硼化鋯和釔穩(wěn)定二氧化鋯兩種不同的高溫陶瓷的優(yōu)點(diǎn),提出了一種用于超高溫測量的新型熱電偶,如圖2所示。二硼化鋯提供抗氧化、熱沖擊和流動剪切的保護(hù)，而釔穩(wěn)定二氧化鋯提供所需的Pt-Rh合金導(dǎo)線絕緣。所提出的熱電偶材料系統(tǒng)可應(yīng)用于熱流密度高達(dá)2.5MW/m²的高焓流中工作,且持續(xù)時(shí)間高達(dá)120s,并具有良好的靈敏度3μV/K,可以在超高溫高達(dá)2500K的氧化環(huán)境中使用熱電偶。
 
　　測試N型熱電偶持續(xù)暴露于1000~1300℃溫度范圍內(nèi)以及溫度循環(huán)交變下的穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果表明,鎳-鉻-硅(Nicrosil)合金作為保護(hù)套管的N型熱電偶測溫.上限,比鉻-鎳-鐵(Inconel)合金作為保護(hù)套管的K型熱電偶測溫上限高100℃。
　　NASA埃姆斯研究中心”設(shè)計(jì)了一種用于極端環(huán)境高溫測量的小型鎧裝熱電偶,用于測量高超聲速飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)材料的溫度測量。該鎧裝熱電偶的保護(hù)套管由耐3000℃超高溫的鉭金屬制成。通過試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬方法證明,該熱電偶在極端環(huán)境下,熱保護(hù)系統(tǒng)溫度測量的響應(yīng)時(shí)間非常短,并且具有非常小的熱量人侵。
1.2熱電偶技術(shù)的改進(jìn)
　　由于合金成分的選擇性蒸發(fā)和熱電元件的再結(jié)晶,鎢-錸熱電偶在1800℃以上超高溫測量時(shí)會出現(xiàn)熱電不穩(wěn)定現(xiàn)象,對于一些超高溫測量應(yīng)用準(zhǔn)確性不夠。新型石墨基熱電偶的設(shè)計(jì)，如圖3所示。給出了新型石墨基熱電偶在溫度高達(dá)1950℃條件下的試驗(yàn)結(jié)果。以等靜壓碳和玻璃碳作為熱電偶是最佳組合,在1500℃下使用時(shí),漂移率可達(dá)到0.1K/h以下在金屬熱電偶.不能可靠使用的特定應(yīng)用中短期使用石墨基熱電偶。
 
　　陶瓷基復(fù)合材料具有耐高溫、強(qiáng)度高、重量輕等優(yōu)異性能,因而具有替代金屬成為新一代高溫結(jié)構(gòu)材料的潛力,是替代高溫合金的發(fā)動機(jī)熱端結(jié)構(gòu)材料的理想材料。NASA蘭利研究中心[9]利用熱電偶測量碳-碳化硅和碳/碳陶瓷基平板的溫度,如圖4所示在氫燃料雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒器中模擬飛行馬赫數(shù)為5和6工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試,平板內(nèi)壁的瞬態(tài)最高溫度高達(dá)1400℃。
 
　　為了提高熱電偶的延展性、可靠性和分辨率,應(yīng)用摻雜鉬和鈮的合金開發(fā)了高溫抗輻射的鎧裝熱電偶，并在1500℃高溫下進(jìn)行了長達(dá)4000h的試驗(yàn)測試。比較了鍛造、拉伸裝配和松散裝配等制造方法下熱電偶的測溫誤差。結(jié)果表明，松散裝配的鎧裝熱電偶具有更高的分辨率和穩(wěn)定性。
　　為了探索C型熱電偶在高溫下產(chǎn)生漂移的機(jī)制,在1500℃高溫下對8個(gè)C型熱電偶進(jìn)行了一項(xiàng)長時(shí)間測試。結(jié)果表明,對C型熱電偶的漂移產(chǎn)生不利影響的主要是由于氧氣的進(jìn)人。如果測試環(huán)境中沒有發(fā)生氧氣進(jìn)人,熱電偶在1500℃下工作1000h后信號仍可穩(wěn)定輸出。
　　為了將鎢錸熱電偶的適用性擴(kuò)展到超氧化環(huán)境,研究了用于高超聲速飛行器表面超高溫現(xiàn)場測量的鎢-錸熱電偶抗氧化涂層。采用溶膠-凝膠法在鎢錸合金表面成功地生長出了高質(zhì)量的抗氧化涂層,并選擇了ZrO2、HfO2、ZrB,和SiC作為涂層的主要復(fù)合材料。在氧化環(huán)境下，用2500℃氧乙炔火焰對該鎢-錸熱電偶進(jìn)行了測試,發(fā)現(xiàn)熱電偶工作時(shí)間可達(dá)1800s以上。
　　針對航空燃?xì)廨啓C(jī)中使用的高溫?zé)犭娕继岢隽艘环N新的壽命預(yù)測方法。該方法將基于鹽沉積法的加速實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果與其他來源獲得的信息相結(jié)合,其他來源數(shù)據(jù)包括燃燒室試驗(yàn)臺測試、發(fā)動機(jī)維修后返回的探頭的冶金分析以及安裝在航空燃?xì)廨啓C(jī)的傳感器在長期運(yùn)行過程中獲得的溫度數(shù)據(jù)。高溫?zé)犭娕級勖男路椒転闊犭娕嫉母倪M(jìn)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。
2薄膜熱電偶測溫技術(shù)
　　與傳統(tǒng)的金屬絲線式熱電偶不同,薄膜熱電偶不需要對被測高溫表面進(jìn)行任何加工，可保持表面結(jié)構(gòu)完整。薄膜熱電偶直接濺射沉積在表面上,厚度僅在幾微米的數(shù)量級上,比熱電偶絲的尺寸要小多個(gè)數(shù)量級。薄膜熱電偶在表面上增加的質(zhì)量可以忽略不計(jì),并且對流過表面的氣體流動產(chǎn)生相當(dāng)小的干擾,對工作環(huán)境的溫度影響很小。薄膜熱電偶的時(shí)間常數(shù)很小，熱響應(yīng)速度相當(dāng)快,能夠?qū)Ρ粶y高溫壁面進(jìn)行較為正確的動態(tài)溫度測量。
　　薄膜熱電偶在不同材料基底上的制造過程需要定制,以確保熱電偶和基底之間良好的粘附性和無化學(xué)相互作用。圖5顯示了在導(dǎo)電和不導(dǎo)電基板上制備的薄膜熱電偶層結(jié)構(gòu)示意圖[14。由圖5(a)可知,對于導(dǎo)電金屬基板,如高溫合金材料,首先通過電子束蒸發(fā)或?yàn)R射沉積將MCrAlY涂層沉積到基板上(M可表示Fe、Co、Ni或Co和Ni的組合)。通過熱處理,這種涂層形成穩(wěn)定的、粘附的電絕緣氧化鋁層。另外一層氧化鋁濺射沉積或電子束蒸發(fā)到表面,以填補(bǔ)生長氧化物中可能出現(xiàn)的針孔或裂紋。由圖5(b)可知,對于導(dǎo)電性陶瓷材料(如碳化硅)，則首先通過熱氧化以形成穩(wěn)定的、粘附的二氧化硅層,然后是另一層用來絕緣的氧化鋁層。熱電偶的感應(yīng)層被制作到氧化鋁層上。由圖5(c)可知,對于不導(dǎo)電材料,如氮化硅、氧化鋁和莫來石,薄膜傳感器是直接在不導(dǎo)電材料表面制造的。根據(jù)感應(yīng)層材料的不同,可將薄膜熱電偶分為金屬合金類薄膜熱電偶、陶瓷及復(fù)合類薄膜熱電偶。
 
2.1金屬及合金類薄膜熱電偶
　　NASA劉易斯研究中心[15]在渦輪葉片表面制備了K型薄膜熱電偶,并與傳統(tǒng)的絲線式熱電偶在室溫至1050K溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了對比驗(yàn)證。結(jié)果發(fā)現(xiàn),兩種方法測得的溫度具有良好的一致性。在1020K的穩(wěn)定溫度水平下,薄膜熱電偶的溫度比參考熱電偶的溫度低約9K。在瞬態(tài)運(yùn)行過程中,薄膜熱電偶的測量值最多比基準(zhǔn)熱電偶低25K。
　　應(yīng)用s型薄膜熱電偶測量了發(fā)動機(jī)實(shí)際渦輪葉片的表面溫度。試驗(yàn)在溫度為1250K,馬赫數(shù)為0.5的燃燒室排氣裝置中進(jìn)行，持續(xù)時(shí)間達(dá)60h,熱循環(huán)71次。6個(gè)薄膜熱電偶的平均失效時(shí)間為47h。在真實(shí)的發(fā)動機(jī)測試中,增大薄膜厚度和增加保護(hù)層是減少薄膜熱電偶漂移的有效措施。
　　NASA格倫研究中心先后在鎳基高溫合金、碳化硅、氮化硅、莫來石、氧化鋁陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料及金屬間化合物等基體系統(tǒng)上制備和測試了-系列金屬及合金類薄膜熱電偶,該型熱電偶先后應(yīng)用在運(yùn)載火箭、太空飛行器和地面試驗(yàn)系統(tǒng)等的高溫測量中。圖6為在航天飛機(jī)主發(fā)動機(jī)渦輪葉片上制備的R型薄膜熱電偶。
 
　　采用射頻濺射技術(shù)分別在氧化鋁和莫來石表面制備了鉑一鈀薄膜熱電偶,并在高溫氧化環(huán)境下對熱電偶進(jìn)行了表征。試驗(yàn)結(jié)果表明,該薄膜熱電偶在1000℃下確實(shí)表現(xiàn)出了優(yōu)良的穩(wěn)定性,漂移率與商用K型絲線熱電偶相當(dāng)。鉑-鈀薄膜熱電偶在燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的高溫測量領(lǐng)域有相當(dāng)大的應(yīng)用潛力。
　　一種鎢-鎢錸的超高溫薄膜熱電偶,用于導(dǎo)彈噴嘴和火箭內(nèi)表面的溫度測量，并對薄膜熱電偶的測溫過程進(jìn)行了建模和仿真。薄膜熱電偶能在300~2900K的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行溫度測量。
為了避免熱電偶探頭在高溫環(huán)境下使用時(shí)發(fā)生成分分離,在熱電偶探頭尖端濺射沉積了純金和鉑薄膜,并將其安裝在F117渦扇發(fā)動機(jī)上監(jiān)測其壓縮機(jī)區(qū)域引氣通道的溫度。該薄膜熱電偶的響應(yīng)速度比傳統(tǒng)的嵌人式K型熱電偶更快。
　　使用電子束蒸發(fā)工藝在鎳基高溫合金渦輪導(dǎo)向葉片表面沉積制成K型薄膜熱電偶,如圖7所示。該K型薄膜熱電偶的時(shí)間常數(shù)為1.11784ms、漂移率為0.4℃/h、塞貝克系數(shù)為42μV/℃。該薄膜熱電偶與絲線式K型熱電偶在熱電特性、響應(yīng)特性等方面具有良好的一致性。
 
　　采用曲面MEMS技術(shù)在葉片表面原位集成R型薄膜熱電偶傳感器陣列,如圖8所示。該薄膜熱電偶陣列能夠測量不低于800℃的高溫,靈敏度為12μV/℃,并能夠快速檢測瞬態(tài)溫度分布,響應(yīng)速度小于10μs。。該薄膜熱電偶陣列可用于紅外熱像儀等其他測溫方法的校準(zhǔn),也可用于優(yōu)化渦輪葉片設(shè)計(jì)的冷卻效果驗(yàn)證。
 
2.2陶瓷及復(fù)合類薄膜熱電偶
　　金屬及合金類的薄膜熱電偶在1000℃以上的高溫環(huán)境中因揮發(fā)和氧化而導(dǎo)致其性能不穩(wěn)定。陶瓷材料則能承受更高的溫度,并且抗高溫氧化性能更好,因此,陶瓷類薄膜熱電偶和陶瓷-金屬復(fù)合類薄膜熱電偶近年來逐漸成為研究熱點(diǎn)。
　　NASA格倫研究中心從高溫碳化物和硅化物中遴選出CrSi2和TaC作為薄膜熱電偶材料,并進(jìn)行了高溫試驗(yàn)測試。研究結(jié)果顯示了陶瓷材料作為超高溫?zé)犭娕嫉闹匾熬啊８邷匮趸姆€(wěn)定性是薄膜熱電偶要解決的重要問題,因此,需要對添加額外的保護(hù)層進(jìn)行研究。
　　陶瓷類薄膜熱電偶在高溫下的熱電響應(yīng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)測試。利用靶材射頻濺射法制備的含有NiCoCrAlY和氧化鋁的納米復(fù)合材料被證明是最有前途的薄膜熱電偶材料,其形成的AL2O3保護(hù)層通過減少氧的擴(kuò)散來限制進(jìn)一步氧化，并最終提供了薄膜熱電偶更高的高溫穩(wěn)定性。
　　采用磁控濺射法在氧化鋁陶瓷基體上沉積了具有多層結(jié)構(gòu)的ITO/PtRh:PtRh薄膜熱.電偶。在進(jìn)行多次靜態(tài)校準(zhǔn)后,其測量溫度最高可達(dá)1000℃,具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和重復(fù)性。在惡劣環(huán)境下的使用壽命超過30h,在航空發(fā)動機(jī)熱端部件表面溫度精確測量領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
　　研制了由In2O3和多種ITO合金組成的陶瓷類和陶瓷-鉑復(fù)合類薄膜熱電偶,用于航空渦輪發(fā)動機(jī)熱端部件的溫度監(jiān)測,如圖9所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,所有陶瓷熱電偶在室溫至1300℃的熱循環(huán)中均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和持久性,并且可靠工作時(shí)間均超過50h。在所有的熱電偶中,以In2O3和In2O3:SnO2(質(zhì)量百分比為95:5)組成的雙陶瓷熱電偶性能最好。
 
　　針對目前超高溫環(huán)境下渦輪葉片.上的薄膜熱電偶信號存在的問題,研究了耐高溫鎳合金通孔引線連接技術(shù),驗(yàn)證了所提出的通孔引線連接技術(shù)能夠滿足渦輪葉片表面溫度1000℃的試驗(yàn)要求。
　　開發(fā)了一種新型ITO-SiC陶瓷薄膜熱電偶,將被測SiC陶瓷材料本身的SiC作為熱電偶的一極,而ITO則作為熱電偶的另一極,如圖10所示。該薄膜熱電偶的漂移速率為3.28C/h。通過反應(yīng)濺射沉積的ITON保護(hù)涂層使這些薄膜熱電偶在1000℃下穩(wěn)定工作。
 
　　制備了一種用于高溫測量的新型探針型薄膜熱電偶。熱電偶采用WRe26和In2O,熱電材料,實(shí)現(xiàn)了高熱電輸出和耐高溫;利用磁控濺射技術(shù)將薄膜沉積在圓柱形襯底上;研究了熱電偶的退火工藝,以達(dá)到最佳性能。標(biāo)定結(jié)果表明,WRe26-In203薄膜熱電偶在溫差為566.2℃時(shí)的熱電勢達(dá)到93.6mV,靈敏度為165.5μV/℃。
3熱電偶壁面測溫技術(shù)修正
　　當(dāng)利用熱電偶測量航空發(fā)動機(jī)高溫壁面溫度時(shí),熱電偶受感部與周邊流體進(jìn)行對流換熱,與環(huán)境之間進(jìn)行輻射換熱，并與引線之間進(jìn)行導(dǎo)熱,如圖11所示。因此,熱電偶測量航空發(fā)動機(jī)高溫壁面溫度的過程會伴隨著對流誤差、導(dǎo)熱誤差和輻射誤差,這導(dǎo)致熱電偶所顯示的溫度并不能準(zhǔn)確的表示被測壁面的實(shí)際溫度，降低了熱電偶的測溫精度。因此,研究并分析熱電偶高溫壁面測溫過程的誤差組成以及進(jìn)行必要的修正,對于準(zhǔn)確測量航空發(fā)動機(jī)高溫壁面溫度具有重要意義。
 
　　試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)熱電偶正常放置在表面并暴露在環(huán)境流體中時(shí),熱電偶引線的電氣絕緣不能有效地減少所涉及的誤差。熱電偶引線長度大于其直徑50倍時(shí)，熱電偶引線誤差基本可以忽略。高溫測量需要考慮不同長度引線導(dǎo)熱以及強(qiáng)迫對流的影響。
　　由于存在熱電偶結(jié)點(diǎn)位移、接觸熱阻以及對周圍環(huán)境換熱的影響,在使用熱電偶時(shí)經(jīng)常會出現(xiàn)誤差。基于熱電偶與厚固壁的理想接觸模型,利用拉普拉斯積分將熱電偶的響應(yīng)溫度與真實(shí)基底表面溫度聯(lián)系起來。所得到的熱電偶修正曲線與已有的解析表達(dá)式很好地吻合。
　　為了提高鎧裝熱電偶測量瞬態(tài)溫度的精度，在給定熱電偶內(nèi)部測量溫度的情況下，求解屏蔽層表面溫度的逆熱傳導(dǎo)問題,用于估算被測表面的溫度,從而可以補(bǔ)償熱電偶測量中的測溫誤差。沿?zé)犭娕家€長度方向存在一個(gè)溫度梯度,從而導(dǎo)致測溫誤差。當(dāng)信號通過保護(hù)套管材料傳播時(shí),存在時(shí)滯和阻尼效應(yīng)。
　　預(yù)測了在輻射加熱裝置中熱電偶測量陶瓷材料表面溫度的誤差,分析了熱電偶在被測壁面上的不同安裝方式對測溫誤差的影響規(guī)律。結(jié)果表明，熱電偶測溫誤差最小的方案是將熱電偶絲對焊成結(jié)點(diǎn)固定在被測壁面上,并將熱電偶置于薄保護(hù)層內(nèi)部。
　　一種評估熱電偶測量陶瓷平板表面溫度誤差的理論和計(jì)算方法。該方法基于二維瞬態(tài)傳熱模型，用于單邊加熱條件下平面陶瓷試樣表面溫度的熱電偶測量。通過理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比,驗(yàn)證了該方法的有效性。
　　通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了熱電偶導(dǎo)線絕緣對表面溫度測量的影響。結(jié)果表明,熱電偶引線的臨界熱絕緣半徑?jīng)]有特定的值,即使大于臨界半徑,熱電偶引線周圍的熱流率也隨著導(dǎo)線直徑的增大而不斷增大。較小的熱電偶絲直徑有更準(zhǔn)確的測溫結(jié)果。
　　基于傳熱網(wǎng)絡(luò)圖法,建立了預(yù)測熱.電偶引線沿等溫線布置時(shí)的壁面溫度測量誤差的理論模型。根據(jù)只考慮主要傳熱路徑的解析解分析結(jié)果,給出了降低熱電偶測量固壁表面溫度誤差的有效方法,即降低粘結(jié)材料的導(dǎo)熱系數(shù),減小熱電偶的偶絲直徑,熱電偶暴露長度與直徑比為100左右,盡量讓熱電偶引線與被測壁面緊密接觸。
　　針對用于航天器隔熱材料的高孔隙率纖維復(fù)合材料,研究了熱電偶測量其表面溫度誤差形成的主要影響因素及其形成機(jī)理。影響熱電偶溫度讀數(shù)誤差的主要機(jī)制是,熱電偶的接觸熱電阻及其與周圍環(huán)境的輻射傳熱,并且這兩種影響因素造成了熱電偶固有溫度的相反偏差。在高熱流密度下，輻射熱量會穿透到高孔隙率材料的深層，并對位于那里的熱電偶的熱狀態(tài),引人額外的擾動,這可直接影響到最接近材料受熱表面的熱電偶測溫結(jié)果。
4總結(jié)與展望
　　熱電偶作為傳統(tǒng)的測溫技術(shù)之一,因技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn),在航空發(fā)動機(jī)高溫壁面測溫領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。未來，隨著航空發(fā)動機(jī)熱端部件的工作溫度越來越高，熱電偶測溫技術(shù)仍將發(fā)揮重要作用。
(1)鎧裝熱電偶具有測量精度高、動態(tài)響應(yīng)速度快、測溫范圍廣、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)。隨著一些新工藝.新材料和新技術(shù)的不斷出現(xiàn)和發(fā)展，鎧裝熱電偶在航空發(fā)動機(jī)高溫壁面穩(wěn)態(tài)溫度測量領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也將會更加拓展。
(2)薄膜熱電偶具有厚度薄響應(yīng)速度快、不干擾被測壁面附近氣流運(yùn)動、測溫精度高等優(yōu)點(diǎn)，已被開發(fā)應(yīng)用在高溫合金、陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料等各種航空發(fā)動機(jī)材料表面溫度的測量,在高溫壁面的動態(tài)溫度測量領(lǐng)城展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。與金屬合金類薄膜熱電偶相比,陶瓷類薄膜熱電偶具有更強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性,塞貝克系數(shù)也更大,在航空發(fā)動機(jī)熱端部件表面的超高溫測量領(lǐng)城更具發(fā)展?jié)摿Α?br /> (3)薄膜熱電偶在航空發(fā)動機(jī)高溫壁面溫度測量領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)是,進(jìn)一步開發(fā)專用的薄膜傳感器系統(tǒng)封裝和組件測試設(shè)備，不斷開發(fā)復(fù)雜表面的薄膜熱電偶制備工藝,提高薄膜熱電偶的高溫穩(wěn)定性和耐久性,并解決極端溫度壁面測溫應(yīng)用的需求
(4)熱電偶測量航空發(fā)動機(jī)高溫壁面溫度時(shí)存在對流誤差、導(dǎo)熱誤差和輻射誤差。熱電偶高溫壁面溫度測量誤差預(yù)測及修正方面的理論和試驗(yàn)研究尚需完善,尤其是面向高溫測量工程實(shí)際應(yīng)用的鎧裝熱電偶測溫修正方法尚未真正建立。熱電偶高溫壁面測溫修正方法的建立,將是今后航空發(fā)動機(jī)高溫壁面測溫領(lǐng)域需要重點(diǎn)關(guān)注的方向。