航空发动机高温测试技术的研究进展

张宇翔 冯锐莉

摘  要：航空发动机是一种热力机械，是飞机中最为核心的部件，与其飞行的动力息息相关。想要让飞机安全稳定的飞行，就要保证发动机能够处于正常运行的状态。高温容易引起发动机故障，因此航空发动机的高温测量技术极为重要。本篇文章从航空发动机入手，对热电偶测温、示温漆测温、红外光谱测温以及警惕测温的原理和发展进行了分析，然后对高温测试技术发展趋势进行了阐述。

关键词：航空;发动机;高温测试技术

一、航空发动机高温测试工作原理

（一）热电偶测温

热电偶测温属于非接触式测温，它在工业测温中有着举足轻重的地位，热电偶结构简单，在测温方面具有一定的优势，具体如下表一所示。从表一可以看出热电偶测温范围广、误差小、响应较为迅速。同时，热电偶的成本不高，可以有效的实现对复杂部件的测温。但是航空发动机的温度超出了传统热电偶的测温范围。近几年来，有关学者对热电偶进行改进优化，催生了薄膜热电偶，其有着显著的优势，可以用于航空发动机温度的测量。薄膜热电偶利用真空蒸馏以及化学涂层等技术，在相应金属的表面镀上了一层金属薄膜，这样热电偶就具有了一层绝缘材料。通过对热电动势的测量来完成测温是薄膜热电偶的工作原理，下图一为热电偶的工作原理，图一的A、B两端为不同导体构成的回路，两个接触点的温度存在差异时，就会在闭合回路中产生电动势，对电动势的差进行测量，就可以间接得到温度。薄膜热电偶安装非常简单，其体积较小，能够轻松地安装在测量对象的表面。但是这种热电偶引线上存在一定的问题，难以进行大面积安装，其不可以用来测量涡轮叶片，因为叶片处于旋转状态。

（二）示温漆测温

示温漆测温方式较为特殊，通过在被测对象表面涂具有一定的功能的涂料来完成测温，属于非侵入式的测温方式。示温漆具有一定的特性，对于不同的温度，能够显示出不同的颜色，通过不同的颜色可以确定被测对象的温度。示温漆测温方式无需用引线连接，其测温原理与变色原理有关。而变色原理有三种形式。一是化学变化，二是物理变化，三是化学和物理变化并存。示温漆本身具有一定的物理化学特性。利用示温漆进行测温时，会受到温度恒定的时间、温度升高的速度以及被测环境的影响。示温漆是一种感温颜料，随着温度的升高，该颜料会发生升华、转变以及固相反应等，进而导致颜色改变，间接分析出被测对象的温度。示温漆测温有两个明显的优势。一是不会破坏被测对象的结构。仅仅需要将颜料涂在被测对象表面即可，操作较为简单。二是可以在恶劣条件下测试温度，涡轮叶片表面具有容易附着的性质，所以示温漆可以用于测量航空飞机的涡轮叶片。除此之外，示温漆具有不可逆性，也就是说只能测量高温，且在被测对象恢复到低温状态时，所显示的颜色不会发生改变，所以，可以根据不同的颜色来判断不同部件的温度。但是，示温漆也具有一定的缺点，其具有一次性的性质，无法实时显示温度，同时也不能进行二次使用。另外，示温漆的测温精度也不高。

（三）红外光谱测温

对于具有一定温度的物体而言，都能够朝周围的环境发射红外热辐射。波尔兹曼定律表示：在一定的时间内，被测对象发出的热辐射和被测对象温度的四次方与发射率的乘积是正比例关系。如果知道被测对象的发射率，然后在相应的时间内测出被测对象的热辐射，就可以结合热辐射和发射率计算出被测对象的温度。红外光谱测温原理是通过光学系统收集被测对象外表面红外辐射信号，将这些信号集中到热像仪内部，然后利用光电转化器将红外信号转化成电线号，然后求出被测对象和已知物体的辐射强度差值，经过计算分析，可以得到被测对象的温度。与红外测温仪相比，热像仪增加了两个系统，一是扫描系统，二是成像系统。具体的测量方式为扫描系统对被测对象进行扫描，然后探测器对信号进行接收，经过转化放大后，能够得到被测对象的温度。成像系统的作用是显示温度分布的图像。与热电偶相同，其也属于非接触式测温，不会影响到被测对象的温度场，同时具有实时监控的功能。红外管普测温具有范围大、灵敏度强等优点，可以在恶劣的条件下测温，比如测量正在运转的对象的温度。该种测温方式和被测对象的发射率息息相关，因而会受到发射率的影响，所以测量的精度难以保证。同时测温探头需要在发动机上进行安装较为困难，所以在航空发动机测温上有所限制。

（四）晶体测温

高温环境能够修复晶体缺陷，这就是晶体测温的原理。时间以及温度会帮助晶体缺陷进行复原。晶体本身是没有缺陷的，在一定的辐射之下，晶体的内部结构就会发生形变，从而形成一定的缺陷。然后在高温的作用下，晶体的缺陷会慢慢恢复。在这个恢复的过程中，被测对象的温度和缺陷的浓度会形成线性关系，进而得到被测对象的温度。在进行测温时，需要将测量晶体安装在被测对象的表面。当晶体的温度达到被测对象的温度之后，晶体的缺项开始逐渐复原，然后通过X射线测量晶体复原程度形成相关曲线，然后和预定曲线对比，就能得出被测对象的温度。晶体测温范围较广，最高可以测到1450摄氏度，并且精度极高，同时其小巧的外形可以用于飞机发动机表面以及内部温度的测量。与传统的热电偶测温相比，其可以有效的测量被测对象的外表温度。与红外光谱测温相比，其可以轻松地测量相关对象被遮住的部分的温度。当然，晶体测温也具有一定的缺点，就是其仅能测試被测对象的最高温度，无法实时显示温度。

二、航空发动机高温测试技术应用现状

（一）热电偶测温技术

随着对热电偶测温的深入研究，薄膜热电偶在一定的程度上得到了发展。美国的相关研究人员通过一定的技术将薄膜热电偶镶嵌到涡轮叶片上，让发动机进行工作，在航空发动机正常运转的情况下完成测温工作，温度测量较为准确，说明该实验取得了成功。在1990年左右，美国又有学者通过薄膜热电偶对航天发动机进行温度测试，也达到了理想的效果。目前，我国也已经开始了对薄膜热电偶对航空发动机的测温研究，实验显示，薄膜热电偶能够进行一千摄氏度的温度测量，同时也开始了对航空发动机叶片的镀膜研究[1]。1C0C11B8-032D-47ED-8878-3ADC1056112F

（二）示温漆测温技术

对于示温漆测温技术而言，欧洲在这一方面有着不错的发展。其对示温漆的研究在世界上都处于领先地位[2]。日本对于示温漆也有一定的研究，他们的研究方向是想要改变示温漆的可逆性，让其在低温时也会发生变化。无论是国内的研究，还是国外的研究，都没有突破示温漆的限制，即温度恒定的时间以及温度上升的速度。对于国内而言，示温漆技术是根据颜色的变化来获得温度，这种方式具有一定的误差。国内的示温漆最多有六个变色点，同时其在工艺上不具有明确的规范，干燥的方式是自然风干。对于国外的示温漆而言，具有一定的优势，其通过等温线的方式获取温度，变色点最多可以达到十个，与国内相比，误差相对较小。国外示温漆在工艺是上具有明确的规范，其干燥方式为加温箱升温干燥。

（三）晶体测温技术

晶体测温技术优势较多，所以很多国家对对其进行深入的研究。比如，在西门子的SGT-800发动机的每个叶片上都固定了几十个晶体，从而得到了发动机的温度分布图，并且测量的结果较为准确[3]。结合所测得的温度，相关的设计人员改进了发动机的冷却系统，让其在测温上更为精准，让不同部位的相邻温度的梯度有所降低，同时让冷却气体减少了四分之一。国内对于晶体测温技术的研究还不够成熟。研究晶体测温技术的单位很少。仅有个别单位在国家政策的支持下对碳化硅晶体进行了研究。完成了1400摄氏度的温度测量。

（四）红外光谱测温技术

对于红外光谱测温技术而言，可以说其在非接触式测温中具有最大的潜力。很多国家都在积极的对红外光谱测温技术进行研究，希望能够有所突破。早期的时候，美国就率先对光谱测温技术展开了分析和研究。目前，一些欧美国家的科研人员真正不断的利用红外光谱测温技术进行发动机的温度测试实验。截止到目前，对于燃烧流场的速度以及浓度等对进行了深度的分析，并且进行了相关的测试实验。美国的科研学校与发动机研究实验室进行了多年的合作，对红外光谱测温技术进行分析，对其应用的前景进行了科学的分析。在红外光谱测温技术的研究上，法国和德国也在不断的进行航空发动机高温测试实验，利用红外光谱测温技术对涡轮叶片的温度展开了科学的测试，得到了相应的温度分布图像，图像的温度最高可以达到两千摄氏度[4]。

三、航空发动机高温测试技术发展趋势研究

通过查阅大量的文献以及对相关科研人员的咨询，对国内外的高温测试技术有了一定的分析。随着科学技术的不断发展，无论是发动机的制造技术，还是工艺设计都在很大程度上有所提高。在这样的背景下，发动机对高温测试技术也有了越来越高的要求。一是实时在线监测，二是对流场不具有破环性质，三是原位测量。这些都是目前航空高温测试技术需要研究的重点。对于非接触式测温技术而言，光谱测温具有一定的优势，其温度范围大，同时分辨率也能达到相关的要求。因此，我认为红外港普测温技术在未来会成为重点研究的对象。对于接触式测温技术而言，其需要固定安装，在安装的过程中可能会对温度场造成破坏，同时也不利于对高速运转的对象的温度测量，使用中有所限制，并且这种测温方式还存在一定的误差。所以接触式测温未来的发展不会超过非接触式测温。非接触式测温无需在被测对象上固定，基本上不会对温度场产生相关的干扰，有助于对航空发动机的测量。在将来，该种测温方式会在我国的各个领域中应用。

将来，相关的研究人员应该加大对测温范围、精度以及分辨率等的研究力度，在原有的技术基础上，对测温技术进行改良优化。同时，航空发动机正在不断的优化，那么相应的测温技术必须跟上发动机的发展，扩大测温范围势在必行。

结束语：

综上所述，对于航空发动机而言，其燃气温度的升高，有助于发动机性能的提升，比如可以顯著的增加推力等等。但是，在燃气升高的情况下，可能损伤发动机的内部元件。所以，研究人员应该加大对高温测试技术的研究。

参考文献：

[1]林启敬，伍子荣，赵娜，田边，蒋庄德. 用于航空发动机的光纤F-P温度传感器及其信号解调系统研究[J]. 机械工程学报，2019，55（18）：1-7.

[2]张再德，文华. 涡轴发动机燃气涡轮叶片动应力测试技术研究及验证[J]. 燃气涡轮试验与研究，2019，32（03）：8-12.1C0C11B8-032D-47ED-8878-3ADC1056112F