压气机作为航空发动机的五大部件之一, 温度和压力是压气机试验中两个重要的测量参数。近几年随着航空业的发展和人们对温度参数关注度的提高, 传统标准化热电偶已无法满足航空压气机试验测量的新要求。测温方法在满足压气机中小空间温度测量的要求下, 允差<±0.3℃, 工作寿命>5年。

测温准确度的提高有助于提高压气机性能, 尤其在测量压气机中小温升时, 这种影响更为突出。

压气机级间温升可表征压气机部分级的做功能力。单、双级压气机试验及压气机级间测量的小温升一般仅为20~50℃, 因此测量的相对误差较大。较高准确度的测量可准确反映压气机实际工作情况, 指导进一步的压气机设计。在压气机效率计算中, 温度测量误差占总效率误差的80%以上[1]。由此可见提高测温准确度的重要。

压气机级间间距小, 以某型涡扇发动机为例, 其压气机转子叶片和静子叶片间距约为3~10 mm;因此, 测温探针的几何尺寸应足够小, 以满足测量环境的要求。压气机流场环境复杂, 测温探针需满足一定的方向不敏感性, 经设计后的测温探针预留给其中传感器的安装尺寸有限。此外, 测温探针的安装不可影响流场的流动。例如, 叶形探针只适用于静叶高度>20 mm的压气机段[2]。由此, 应用于压气机测量的传感器尺寸进一步受到限制。

航空压气机的气流温度测量广泛采用热电偶法和热电阻法。由于两者测温准确度和适用范围等优于其他测温方法, 一直受到人们青睐。热电阻主要用于测量航空压气机进口气流温度, 热电偶主要用于测量航空压气机级间和出口的气流温度, 与热敏电阻等其他测温方法配合使用。

热电阻准确度普遍高于热电偶和热敏电阻, 其准确度如表1所示。然而, 热电阻的结构形式是将纯金属细丝缠绕固定在绝缘支架上, 外部加保护套管, 因此测量端几何尺寸较大, 其直径通常大于2 mm, 不适用航空压气机内部气流温度测量。

目前, 应用于压气机气流温度测量的热电偶主要是等级I廉金属热电偶, 国家计量检定规程显示其允差为±1.5℃。随着热电偶技术的发展, 廉金属热电偶的准确度有所提高, 如美国欧米茄公司生产的廉金属热电偶允差改进为±1.0~±1.2℃。贵金属热电偶在相同的测温范围内具有较高的准确度, 但实际使用时, 由于热电势较低, 引入的相对误差较大, 从而影响测量准确度。因此, 贵金属热电偶很少在低温范围使用, 不适用于压气机温度测量。不同型号的热电偶参数如表2所示。

热敏电阻通常包含在气动探针中, 与气动探针共同测量压气机中的温度和压力参数。文献[3]中叙述的带热敏电阻的气动探针测温范围0~200℃, 测温允差±0.3℃。目前, 热敏电阻的允差提高到±0.1℃, 但测温范围仍无明显改善。由于航空压气机出口气流温度较高, 一般为600℃, 部分可达800~900℃[4], 所以带热敏电阻的气动探针也不能完全满足目前的航空压气机测温新要求。

综上所述, 现行最优测量航空压气机气流温度的方法为热电偶法, 其允差最高可达±1.0℃。但就准确度而言, 仍未达到目前的新要求±0.3℃。

提高热电偶的测温准确度是可能达到测温新要求的最好方法。热电偶材料决定着热电偶的特性, 传统热电偶材料由合金组成, 其材料的均匀性和稳定性都限制了热电偶的准确度与寿命。单质热电偶由贵金属单质构成, 均匀性和稳定性都优于传统热电偶, 具有优越的热电特性。金、钯、铂、铑、铱、银、钌等贵金属是单质热电偶常用的材料, 经实验研究发现, 金-铂、铂-钯是较好的热电偶材料组合。金-铂热电偶的准确度略高于铂-钯热电偶, 铂-钯热电偶的测温上限略高于金-铂热电偶[5]。

金-铂热电偶采用直径为0.5 mm的高纯度金丝与铂丝, 并用0.12 mm的铂丝 (去应力线圈) 连接而成, 如图1 (a) 所示。资料显示, 纯度为99.999%的金-铂热电偶在0~962℃范围内不确定度<8.3 m K, 0~1 000℃范围内的不确定度增加到14 m K, 在963℃下可靠工作1 000 h以上[6]。韩国标准科学研究所采用铂丝纯度为99.999 9%的金-铂热电偶, 在1 000℃可稳定工作1500h, 在银固定点的漂移量为40 m K[7]。埃及国家标准研究所使用金丝纯度为99.995%的金-铂热电偶, 在0~900℃范围内测得温度的复现度仅为±4 m K;文献还显示了相同温度下金-铂热电偶的电动势是传统贵金属热电偶的2倍以上, 介于传统廉金属热电偶和贵金属之间[8]。由以上研究可知, 金-铂热电偶是一种高准确度的测温方法, 优于所知的传统热电偶。金-铂热电偶在0~962℃范围内允差<8.3 m K, 在高温段使用寿命>1 500 h。初步可认为金-铂热电偶符合目前压气机气流测温的新要求。

但上述的金-铂热电偶由去应力线圈连接制成, 不适用工业环境的测量。如图1所示, 日本玉川大学对金-铂热电偶的结点结构进行改进, 并与传统结点的金-铂热电偶进行测量准确度试验对比, 结果显示无去应力线圈的结构仍可长期稳定工作[9];次年澳大利亚国家计量研究所采用了无去应力线圈的类似结构金-铂热电偶, 如图2所示, 改进后的结构坚固, 漂移量<10 m K[10]。

近些年随着人们对金-铂热电偶认识的提升, 有关金-铂热电偶在科研领域的应用也逐渐涌现。2003年日本九州大学研制的微米级金-铂薄膜热电偶, 改善了热扫描显微镜的测量效果[11]。2011年澳大利亚国家计量研究所采用金-铂热电偶校准辐射测温固定点[12]。2012年中国清华大学利用金-铂微纳米级热电偶验证了交流加热-直流检测贝塞克系数的方法[13]。随着人们对金-铂热电偶的逐渐认识和工业测温要求的提高, 金-铂热电偶的应用会从科研应用逐渐向工业应用扩展。航空工业作为国家大力支持的领域很有可能成为金-铂热电偶迈向工业应用的第一步。

金-铂热电偶作为一种测量航空压气机气流温度的新方法, 需在取代传统热电偶前试工作一段时间, 待实际验证可行后可正式使用。由于航空发动机试验花费较高, 不能为验证金-铂热电偶单独试验, 所以实际验证金-铂热电偶的工作应在一般航空发动机试验的基础上完成, 且保证验证金-铂热电偶的过程中不会影响发动机的正常试验工作。结合航空发动机的试验, 具体验证方法步骤如下:

1) 确定安装位置。由于压气机内部和出口处空间较小、气流流速快, 若在此处布置传感器对发动机内的流场流动影响较明显。压气机进口处空间较大且流速较低, 相对于压气机内部和出口处而言是较好的选择。具体安装位置应选在热电阻传感器位置相对称的位置, 便于使用热电阻的测量值检测金-铂热电偶。

2) 传感器制作。改装金-铂热电偶, 使其几何尺寸与传感器的尺寸相近, 并尽可能的小, 以减小对流场的影响。

3) 试验验证。金-铂热电偶装置安装后, 正常开展航空发动机的试验工作, 在采集试验数据的同时采集金-铂热电偶的测量数据。

4) 结果比较。重复验证金-铂热电偶, 将其测量值与相同位置的热电阻测量值比较分析。

5) 得出结论。若金-铂热电偶的测量值与热电阻的测量值之差在合理的范围内, 则可判定金-铂热电偶测量值准确。当判定金-铂热电偶测量值不再准确时, 统计金-铂热电偶的使用总时间, 得出单支金-铂热电偶的准确度与使用寿命。

6) 重复以上步骤。随机统计3支以上的金-铂热电偶的准确度和使用寿命。求平均值并最终确定金-铂热电偶是否满足新的要求。

参照国外的研究进展, 可初步预判金-铂热电偶满足航空压气机测温的要求。若不满足, 应首先检测传感器的制作过程中是否有误。

美国国家标准与技术研究院 (NIST) 出售的金-铂热电偶价格昂贵 (约￥80000) , 但高纯度的金、铂材料成本远低于金-铂热电偶价格, 所以金-铂热电偶价格昂贵的实质原因在于制作加工成本较高。目前, 金-铂热电偶已作为美国、韩国的标准热电偶, 若国内也将其标准化, 金-铂热电偶将得到加速推广, 制作成本也会降低, 最终价格将会与其他贵金属热电偶的价格相近。在航空领域, 贵金属热电偶早已广泛应用于高温测量, 所以金-铂热电偶的最终价格也易被接受。

本文结合现今航空压气机的测温现状和测温新要求, 提出了应用金-铂热电偶提高测量准确度的新方法, 分析、归纳了金-铂热电偶的研究和应用现状及分析了实际应用时可能遇到的问题。金-铂热电偶准确度、寿命等均远高于目前标准化热电偶, 能够满足航空压气机试验的新要求。鉴于试验在航空发动机研制环节中的重要部分, 应用金-铂热电偶可以推进航空发动机试验工作的进展, 为航空发动机的设计提供更准确的试验数据支持。