航空发动机涡轮叶片接触式测温技术应用进展

航空发动机涡轮叶片测温技术能够揭示涡轮叶片的温度分布情况，对其开展性能评估、失效分析和优化设计具有重要意义。涡轮进口温度的不断提升对应用于航空发动机涡轮叶片的测温技术提出了更高的要求。现有的航空发动机涡轮叶片接触式测温技术可采集叶片表面温度和近表面气流温度，本文主要介绍了三种应用于涡轮叶片的接触式测温技术，包括薄膜热电偶、测温晶体和示温漆，简要说明了三种测温技术的工作原理，归纳了国内外应用现状，总结了各自的优势与不足，并对其发展方向进行了展望。     

基于双屏吹气偶的现场K型参考温度传感器设计

以双屏吹气式热电偶为基本结构,采用计算与试验相结合的方式,设计了一种适用于航空发动机试车台现场的K型参考温度传感器,用以对现场测温的传感器进行校准,以期解决涡轮后气流温度传感器的校准问题,并为此类参考温度传感器的设计提供一定的参考。     

航空发动机涡轮叶片晶体测温技术研究

针对航空发动机涡轮叶片温度测量的技术难题,介绍了1种晶体测温传感器的技术特点与技术优势。结合晶体测温技术的工作原理简述了测温晶体的制造方法,论述了测温晶体的安装、拆除工艺和标定试验方法,并利用测温晶体测量了涡轮叶片表面温度。结果表明:测温晶体在发动机内流高温、高压、高速燃气流的冲击下和叶片高速旋转的工况下附着牢靠,未出现脱落的情况,试验成活率为100%,获取到了精确测点的温度值,是解决航空发动机涡轮叶片等热端部件特殊位置表面温度测量的1种方法。     

涡轮叶片表面热电偶集成结构设计与影响因素分析

航空发动机涡轮转子叶片工作在高温、高转速、高气动负荷的极端恶劣环境下，在进行表面温度测量时，热电偶在叶片表面的集成/防护尤为重要，热电偶集成结构各组件之间的结合强度决定了涡轮转子及附加测量结构能否安全稳定运行。本文针对基于增材制造和火焰喷涂的涡轮叶片表面热电偶集成结构，以涂层厚度、热电偶直径及增材结构形式作为设计参数，共设计9种热电偶集成结构，进行有限元仿真和强度分析，研究各变量对组件结合面强度的影响。根据分析结果，从参数矩阵中选择最优的设计构型，进行热电偶集成/防护，并通过高速旋转试验验证了其应用潜力。     

热障涂层在线/离线磷光温度测量技术研究进展

精确测量涡轮叶片表面热障涂层温度对航空发动机和地面燃气轮机设计和研制具有极其重要的意义。近年来,基于热像磷光材料磷光特性的热障传感涂层在线测温技术与热历史磷光涂层离线测温技术得到了迅猛发展。前者通过在线测量高温下磷光信号来获取实时温度信息,后者通过离线测量经高温服役后的磷光材料不可逆磷光信号变化来获取服役温度信息。这两项技术都适用于高温、高腐蚀环境下热障涂层非干涉、非接触式和高精度温度测量,具有广阔的应用前景。从热障涂层在线/离线测温原理与方法、磷光材料与制备及应用3个方面详细介绍了热障涂层在线/离线测温技术的研究现状与技术特点,并对这两种技术的发展进行了展望。     

“热障涂层”主题征稿

选题背景现代航空发动机提高涡轮前进气温度,除了采用单晶高温合金,双层壁冷却技术、气膜冷却等冷却技术之外,还有一个重要技术就是热障涂层。热障涂层可以显著降低涡轮叶片的表面温度,大幅度延长叶片的工作寿命,提高发动机的推力和效率,因此热障涂层与叶片冷却设计技术、单晶高温合金材料技术并列,是先进航空发动机叶片的三大核心技术之一。     

航空发动机热障涂层导电性能研究

传统的航空发动机热障涂层主要关注点是其热绝缘特性及可靠性的研究,并且已经形成了一整套基于YSZ的热障涂层技术,但是缺乏热障涂层高温导电性能的研究。另一方面,基于对航空发动机智能化的要求,需要在涡轮叶片表面制造电学器件(传感器),所以有必要对航空发动机热障涂层的电学性能进行相关的研究。研究了YSZ热障涂层在高温下的电学性能,提出了能提高其高温电绝缘性能的技术方法:可以对YSZ热障涂层喷涂配方进行改良。试验证明,在涂层中加入一定含量的氧化铝可以把热障涂层的高温电绝缘性能提高4个量级,可以满足在涡轮叶片热障涂层之上制作微传感器的实际工程需要。此外,利用计算机仿真技术对高温环境下的热障涂层复合结构进行了电学性能的综合分析,分析的结果证明,在传感器/热障涂层/涡轮叶片基底的复合结构当中,热障涂层表面的传感器电流的高温特性是各层材料的导电性、传感器与热障涂层的结构与尺寸的综合函数。     

航空发动机热电偶传感器稳态测温偏差分析

为了满足航空发动机上高温、高压、高来流马赫数的恶劣工作环境下的使用需求，对某型航空发动机上选用的低压涡轮后热电偶传感器开展热风洞校准试验及测温准确性分析,明确热电偶传感器测温偏差的影响因素，并通过一种基于表面传热系数推导公式的测温偏差修正方法对校准结果进行计算验证，结果表明，计算方法合理可行，计算结果与测量结果一致性良好，在全部试验点偏差量均小于0.6%。针对现有校准设备无法完全模拟航空发动机真实工况的问题，对校准结果进行修正计算，修正计算结果与真实气流温度偏差在0.7%以内，传感器的稳态测温偏差能够满足在该型航空发动机上的使用需求。     

航空发动机涡轮后燃气温度检测系统设计及关键技术研究

航空发动机自动控制系统通过监测发动机涡轮后燃气温度,来实现对发动机涡轮前燃气温度的实时限温控制,从而避免发动机超温故障的出现。针对目前航空发动机涡轮后燃气温度测试精度偏低的工程现状,基于热电偶测温原理,提出了一种高精度涡轮后燃气温度实时检测技术的软、硬件设计方案。设计了一种基于温度校准仪的试验方法对其开展了系列试验,验证了系统的检测精度,并通过数据对比研究了延长导线规格、解算方法等关键因素对航空发动机涡轮后燃气温度检测精度的影响。     

航空发动机涡轮叶片原位集成高温MEMS 传感器的研制

为了满足智能高性能航空发动机高温、高振动、高冲击的苛刻工作要求,采用MEMS(Micro-elect ro-mechanical-syst em,微机电系统)薄膜技术制作了发动机涡轮叶片原位集成高温温度传感器,并进行了高温下的温度试验和振动冲击试验。试验结果表明:热电阻传感器温度的线性良好,可以实现在高温环境下的温度控制;叶片原位温度传感器及其连线系统可以在规定的苛刻的振动与冲击试验指标下安全、可靠地工作,振动与冲击之后连接特性没有变化。将该原位集成传感器应用在涡轮叶片表面,不仅可以原位测量800℃的环境温度,而且具有很高的机械强度,可以承受40g的振动和100g的冲力。     

基于叶尖定时的航空发动机涡轮叶片振动测量

介绍了基于叶尖定时的非接触振动测试系统应用于涡轮转子叶片的技术瓶颈,突破高温传感器结构设计、安装以及冷却等技术难点,通过设置系统触发信号保持时间,解决H型涡轮转子叶片对叶尖定时信号的二次触发问题,并给出核心机状态下转速基准实现方法。将非接触振动测量技术成功应用在某型涡扇发动机高压涡轮转子叶片振动监测中,有效获取涡轮转子叶片共振时的振动频率和幅值,并与应变计测量叶根动应变结果进行比对。结果显示:基于叶尖定时的非接触振动测试系统和接触式动应力测试系统均可监测涡轮转子叶片振动,成功辨识转子叶片8 200 r/min时的12阶激励阶次激发的一弯振动模态,两种分析方法识别共振频率相对误差在4%以内。     

基于整机试车的涡轮叶片高低循环复合疲劳试验技术

针对航空发动机涡轮叶片同时承受高循环载荷和低循环载荷的特征,以小推力涡喷发动机为研究对象,搭建了基于引电器的涡轮叶片动应力测量系统,利用数值模拟和试验测试结合的方法,实现了高度为30mm的涡轮叶片在40000r/min转速、950℃环境温度条件下的动应力测量,并以此为基础发展了整机高低循环复合疲劳试验方法,开展了高压涡轮叶片高低复合疲劳整机试验。研究结果表明,该型发动机转速在34920r/min时,叶片高循环振动应力达到112.7MPa,带来了涡轮叶片的高循环疲劳损伤且是引起涡轮叶片产生裂纹的主要因素,低循环疲劳载荷是导致裂纹扩展的主要因素,两者综合作用会显著影响涡轮叶片寿命。      

基于红外技术的发动机低压涡轮叶片温度场测量

为了解某型发动机整机运行状态下低压涡轮工作叶片的温度分布情况,使用红外测试系统测量了该发动机整机状态低压涡轮工作叶片前缘及盆侧的温度场。试验前对该发动机进行了测试改装,设计了用于实现叶片定位的转速信号分析仪,以及用于提供高压气源的气体增压系统。试验共测得多个状态下发动机涡轮叶片的表面温度分布数据。结果表明:涡轮叶片前缘和叶盆中间位置的温度较高;相同位置下每片叶片的温度有轻微差异;叶片的最高温度位置位于测试区域的下方,与仿真计算结果相吻合。采用红外测温技术可以得到清晰的涡轮叶片表面温度分布云图,结合示温漆标记技术,可用于定位温度最高的叶片和叶片温度最高的位置。     

新型封严涂层高温高速磨耗试验机的研制

为模拟航空涡轮发动机气路封严配副在工作状态下的磨损磨耗现象,研究封严涂层的可磨耗性能,研制了1套新型的可磨耗性能评价试验器。该试验器采用叶片-涂层刮削式磨耗副,使用模拟轮盘带动叶片高速旋转实现叶尖的切线速度;采用封严涂层试样径向进给以模拟叶片刮削切入;使用压电石英晶体3向测力仪定量测量瞬态刮削力;采用高速高温火焰加热试样。考核结果表明:试验器能够完成叶尖切线速度为0~300 m/s、进给速率为1.5~2025μm/s、加热温度为20~800℃条件下的磨耗试验,试验效果良好,数据稳定可靠。     

航天器用薄膜温度传感器的研制及性能研究

飞行器以高超声速飞行时瞬间温升可达1 600℃以上,为了保证飞行器的可靠和运行安全,准确实时测量热防护系统表面温度显得尤为重要。针对高温环境实时测温的技术难题,结合磁控溅射技术和陶瓷烧结技术,提出了一种引线和传感器基底一体化的微小型高温薄膜温度传感器结构。采用高温检定炉对传感器陶瓷基底的高温绝缘性进行了测试,并使用多种微观形貌表征方法对传感器主要结构材料进行筛选,得到薄膜温度传感器制备所需的最佳材料组合。进行了薄膜温度传感器静态标定和综合性能高温考核试验,结果表明,所研制传感器灵敏度、重复性的变化与标准热电偶基本保持一致,在实际环境温度低于1 500℃时,传感器测量误差不超过4‰,可在1 200℃高温环境中连续准确测温6 h以上,且测温上限高达1 800℃,验证了该传感器在高温环境中进行测温的可行性和实用性,为航天器表面温度测量和热防护系统优化提供科学依据。     

小型垂直轴风力机叶片结冰风洞试验与数值计算

利用风洞试验和数值模拟相结合的手段,研究了小型垂直轴风力机叶片在旋转状态下的结冰特性以及结冰后翼型与风力机的气动特性变化,以期为建立较复杂的大型水平轴风力机叶片旋转试验系统和研究其结冰机理、防除冰技术提供参考。试验在东北农业大学自行设计的利用自然低温的结冰风洞中进行,获得了采用NACA0018翼型的小型2叶片垂直轴风力机风轮在5种尖速比下的结冰分布：风力机叶片结冰遍布叶片整个表面,随着尖速比的增大,结冰形状出现不对称性。同时,数值模拟结果表明：叶片结冰后,随着尖速比的增加和结冰量的增多,升力系数降低阻力系数增大的趋势明显,风力机的功率系数也随之下降。分析发现,叶片结冰导致不同旋转角下叶片翼型周围的压力场和速度场发生了不同程度的变化,从而气动特性发生变化,影响了风力机性能。     

航空发动机高温包覆热电偶研制

为实现高温条件下发动机内部部件的温度测试,研制了1种耐温1500℃的高温包覆热电偶。通过对其进行结构设计、材料选取、包覆工艺的研究,确定了1500℃高温包覆热电偶的材料及制作方法。通过耐高温试验、绝缘电阻试验、相容性试验及检定校准与验证,证明了1500℃高温包覆热电偶的发动机测温工程实用性。将包覆热电偶使用温度提高到1500℃,可以部分代替铠装热电偶,解决发动机内部一些高温部件和复杂结构细径铠装热电偶无法测量的难题。     

国外航空发动机薄膜热电偶技术发展研究

分析了薄膜热电偶的性能和技术特点,阐述了敏感膜的制作方法、薄膜热电偶工艺方法和质量控制,以及有关新技术的应用与发展。国内外研究结果表明：先进的薄膜热电偶能够承受恶劣的试验环境,是成功解决航空发动机涡轮叶片表面温度测量的理想方法。     

基于显微组织演变的涡轮叶片损伤分析

涡轮叶片作为航空发动机和燃气轮机重要的热端部件,在复杂温度场、应力场及氧化腐蚀等环境下工作,面临多种损伤失效风险。为了阐明涡轮叶片涂层损伤模式,总结了现阶段涡轮叶片涂层工艺、特点及其显微组织构成。在结合叶片材料热力耦合试验中相的演变规律研究成果基础上,对服役不同时间和类型的涡轮叶片基体和涂层系统的显微组织进行分析,并与原始组织对比;确定了各种服役组织损伤形式,主要包括涂层系统退化、原始缺陷导致的裂纹扩展、过热损伤及γ′相的退化等;初步给出了涡轮叶片损伤机理和服役环境评估,提出后期涡轮叶片工程化应开展的研究工作和注意事项,从而实现由服役叶片失效后分析向使用前预防的转变,完善涡轮叶片正向设计体系。