1种用于涡轮出口总温测量的新型热电偶设计

刘绪鹏，刘忠奎，孙　琪

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

1种用于涡轮出口总温测量的新型热电偶设计

刘绪鹏，刘忠奎，孙琪

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

针对在测量某型燃气轮机涡轮出口截面的总温时出现的热电偶失效、使用寿命短的问题，对故障电偶进行了分解和能谱分析，发现故障是由偶丝氧化及碎裂的填充水泥的影响导致偶丝断裂造成的。结合涡轮出口的特定测量环境，研制了1种能够在高温氧化环境中长期可靠使用的总温测量热电偶。介绍了新型热电偶结构、感温元件以及采用的支杆填充方式，并对新型热电偶进行结构和精度分析。通过发动机考核试验，证明新型热电偶工作可靠，测量数据准确有效，可用于燃气涡轮发动机涡轮出口总温测量。

热电偶；总温测量；涡轮出口截面；铠装热电偶；燃气轮机

0　引言

航空发动机及燃气轮机涡轮出口温度测量可间接反映涡轮前的燃气温度场情况，是评估发动机性能的重要指标之一。由于涡轮出口工作环境恶劣，要求测量设备在具有较高的测量精度的同时保持较高的可靠性。

目前测量涡轮出口总温的手段主要有非接触法和接触法2类。在非接触法中比较有代表性的有：光学测温、红外测温和激光测温技术。国内外对非接触测量技术均有较多研究，并在某些热端部件试验中实际应用［1-11］。但该技术因普遍存在设备复杂、可靠性较差、易受环境辐射影响、测量精度较差等问题，目前并不适用于整机状态下的燃气温度测量。接触法测量通过将测试受感部（例如热电偶）插入被测介质中进行。该方法在目前国内外对于航空发动机和燃气轮机整机状态下流程参数的总温测量广泛采用。

中国对于涡轮出口温度场的测试手段主要采用多点K型热电偶。本文介绍了1种针对其特定的工作环境而研制的1种高可靠性、高精度的多点总温热电偶，对于整机状态下的涡轮出口总温测量工作具有重要意义。

1　研制背景

在多个型号的航空发动机及燃气轮机涡轮出口总温测量过程中，均出现过测量电偶失效、部分测点使用寿命短的问题。针对这一普遍存在的现象，进行了故障电偶分析，并根据故障原因，制定排故方案。

1.1故障电偶简介

图1　故障电偶结构

（1）电偶的感温元件均为I级精度K型偶丝；

（2）受感部支杆插入流道内的远端测点，一般深入流道100 mm以上；

（3）杆腔内灌注水泥以固定偶丝。

1.2故障现象

在工作过程中，测点1、2的使用寿命明显小于其余测点的，例如：在某型涡喷发动机上安装的电偶在使用了15 h后发生故障，在某型燃气轮机上安装的电偶在使用了20 h左右也发生了故障。分解用于某型燃气轮机涡轮出口总温测试的故障电偶，其偶丝如图2所示。

图2　故障偶丝外观

总结3种型号发动机的故障电偶材料及结构特点，可以归纳出故障电偶的基本结构，如图1所示。故障电偶的基本特征如下：

从图中可见，偶丝热接点周围表面有严重的氧化积炭现象；在距离热接点30～50 mm处，负极偶丝断裂。

1.3故障原因分析

1.3.1偶丝断口微观形貌分析

宏观检查断口齐平，呈深灰色，边缘未见明显塑性变形。进一步放大观察，断口均可见明显的沿晶特征，断口表面已氧化。断口微观形貌如图3所示。

图3　偶丝断口微观形貌

1.3.2偶丝断口能谱分析

分别对故障偶丝断口处和未受污染处进行能谱分析，2种分析结果对比见表1。

表1　断口处材料成分　W%

从表中可见，断口处偶丝已经被氧化；偶丝受到来自燃气或者支杆内的填充物的杂质污染。

1.3.3支杆填充物的影响

为固定和保护偶丝，支杆内部需要灌注水泥，固结后的水泥质地脆硬。在发动机试验时，需要频繁地改变发动机运行状态，涡轮出口截面的温度在室温～800℃的范围内不规律变化。在温度骤变和发动机振动的共同作用下，水泥会逐渐出现大量裂纹直至碎裂，如图4所示。填充水泥碎裂会损害本来需要其保护的偶丝。

图4　填充水泥碎裂

水泥碎块将偶丝分段包裹，在发动机工作时，热电偶将产生振动，在偶丝与碎块的交界处产生疲劳应力，如图5所示。而测点1、2处于悬臂支杆的端部，振幅最大，偶丝产生的疲劳应力最大，因此故障也多发生于1、2测点。在1.3.2节中的分析已经指出，由于氧化作用及其他污染导致了偶丝的晶间腐蚀，强度已被大幅削弱。在二者综合作用下，偶丝断裂失效。

图5　受感部故障

1.4故障原因

根据前文分析，涡轮出口总温热电偶产生故障的原因如下：

在高温氧化氛围的燃气内工作的偶丝由于接触燃气被氧化，且被其它杂质污染，强度下降。因发动机温度骤变和振动等导致支杆填充物水泥碎裂。在试验过程中，在偶丝与水泥碎块交界处受到较大的疲劳应力。

强度已被削弱的偶丝在疲劳应力的作用下最终发生沿晶断裂，导致故障发生。

2　新型热电偶设计

针对上述故障原因，在某型燃气轮机参数测量工作中，采用新设计的1种适用于整机测量的耐高温氧化抗振动的新型热电偶。

2.1新型电偶外部结构设计

新型热电偶采用带罩式结构，可有效减小总温测量的速度误差和辐射误差，提高测试精度。涡轮出口流道较高，主流区测点按等环面分布，插入高温燃气流中的耙臂较长，考虑到热电偶的安全性，支杆选用高温合金制作。在兼顾强度的同时，这种结构对流道的堵塞作用最小，其模型如图6所示。

图6　新型电偶外部结构

2.2新型电偶内部结构设计

根据1.4节分析的故障原因，新型热电偶内部结构设计主要目的是提升测温元件的抗氧化能力以及防止支杆填充物对测量元件的不利影响。为此，需解决3方面的问题：选择合适的测温元件；设计支杆填充方案；尾部补偿导线的转接。

2.2.1感温元件的选择

新型热电偶选用高温合金外壳的K型绝缘封头铠装热电偶。测温元件直接接触高温氧化氛围的燃气，必须具有较高的抗高温氧化能力。铠装热电偶的高温合金外壳，在800℃以下具有很好的热强性和塑性，并具有良好的抗氧化、热疲劳、冷冲压和焊接工艺性能［12］，能够保护偶丝免受燃气的氧化和污染。

铠偶内部填充氧化镁粉，具有以下性能：在工作时具有较高的导热性能，能够迅速使偶丝接近外壳温度，提高铠偶的响应速度；当工作温度在1000℃以下时，绝缘性较好；具有一定的颗粒度易于灌注；在常温及高温情况下对偶丝及外壳均无腐蚀作用。

偶丝分度号为K型，精度能够达到I级。

该测温元件具有耐高温、抗氧化、响应速度快、精度高等优点。

2.2.2支杆填充方案的设计

在设计新型热电偶填充方案中，选用了1种耐高温绝缘材料代替水泥对支杆进行填充。该材料是1种纤维状轻质耐火材料，具有质量轻、耐高温（最高使用温度可达1300℃）、热稳定性高、导热率低、绝缘性能好、比热小及耐机械振动等优点，能够有效固定测温元件，避免发生1.3.3节所述的问题。

2.2.3尾部补偿导线的转接方案

新型热电偶采用铠偶作为测温元件，需要处理好热电偶尾部铠偶与补偿导线之间的转接设计，避免因转接处处理不好影响到热电偶的可靠性。对于新型热电偶尾部的处理方法是，将偶丝与补偿导线焊接到一起，再在转接段内灌胶固化，以保护焊点，转接方案如图7所示。

图7　热电偶尾部转接方案

2.2.4新型热电偶最终结构方案

新型热电偶的最终设计方案如图8所示。新型电偶的支杆采用高温合金材料，测点采用带罩式结构。既能保证测量精度和结构强度，又具有较好的气动性能。

易发生故障的测点1、2采用铠装热电偶作为感温元件，第3、4、5测点采用精度较高的偶丝作为感温元件，并在偶丝外部穿套陶瓷管，起到绝缘和保护偶丝的作用；支杆采用1种耐高温绝缘材料纤维作为填充物，既能保护支杆内部的铠偶和偶丝，又可以避免脆性填充物碎裂对偶丝造成伤害，且陶瓷材料的绝热性能极好，可有效消除铠偶之间导热造成的测量误差；设计了尾部的转接方案，有效地提高了电偶工作的可靠性。

3　新型电偶结构分析

在发动机工作过程中，新型电偶插入流道内部处于最恶劣的工作环境，需对插入流道内部分进行结构分析，包括2方面内容：

（1）静强度校核。热电偶在高温条件下持续受到气流冲刷而产生沿支杆正面均布的气动阻力，静强度校核的目的是分析在上述条件下受感部的静强度是否满足使用要求，且是否具有足够的强度储备。

（2）动强度校核。在发动机工作过程中，当发动机的激振频率与热电偶的自振频率相近时，将发生共振，极易损坏热电偶，不但无法进行正常的测量工作，还会危及发动机的试车安全。因此，设计中应考虑热电偶的特征频率，以保证热电偶的自振频率避开发动机的激振频率。

3.1静强度计算

在发动机工作时，热电偶所受的载荷主要是支杆正面均布的气动阻力，支杆所受的均布载荷为

式中：Cx为阻力系数；为气流的动压头。

根据发动机最大工况下气动参数，可计算出热电偶支杆所受的均布载荷PL=24902 Pa。

对新型电偶进行有限元分析。对承受载荷部分建模，建模结果如图9所示；对电偶划分单元格，并对应力较大处单元格进行细化，单元划分结果如图10所示；将模型划分为42852个单元、70722个节点。设置材料属性。根据热电偶的实际安装情况加载并计算，得到的等效应力如图11、12所示。

图9　支杆及安装座建模结果

图10　单元格划分结果

图11　等效应力

图12　等效应力局部放大

从图11中可见，应力的最大值出现在支杆与安装座连接处，σmax=37.7 MPa。查材料手册，支杆材料在工作温度的许用应力σ0.2=240 MPa，可计算出材料的安全系数为：

继续计算可得出在发动机最大工况下，热电偶的变形情况，如图13所示。

从图中可见，热电偶最大位移发生在支杆末端，Δl=0.059 mm。可计算出热电偶的挠度

图13　热电偶的变形情况

可见，新型电偶安全系数较大，挠度较小，静强度能够满足使用要求。

3.2动强度分析

仍采用上述模型及参数设置，进行热电偶特征频率有限元分析，得出5阶频率，见表2。

表2　新型热电偶特征频率

热电偶振动的主要激振源来自发动机转子的转动以及最后1级涡轮工作叶片引起的激振频率。将新型热电偶的5阶自振频率与发动机转子激振频率和由发动机的转子叶片引起的激振频率进行比较，可知新型传感器自振频率处于安全范围，即超出激振源频率的±10%。

结合3.1节中计算结果，可确定新型热电偶的静强度与动强度均满足安全性要求。

4　误差分析

新型热电偶主要用于测量涡轮出口截面的总温参数，不做瞬态温度记录，在精度分析中可忽略由于热电偶测量端的热惯性造成的动态误差，只进行稳态误差分析。对于稳态测试，其误差来自速度误差、辐射误差、导热误差和测试元件自身静态误差4个方面［13］。

用某型燃气轮机设计点参数计算得出偶丝测点最大相对误差为γ=-0.78%，能够满足测量系统对热电偶的精度要求。

由于结构上的原因，铠偶测点的导热误差比偶丝测点的大。下面用某型燃气轮机设计点参数对铠偶测点的误差进行详细分析，以准确评估新型热电偶的性能。

4.1铠偶测点速度误差

新型热电偶采用的滞止室能够使热电偶的复温系数r提高到0.95～0.99，这里取0.95。

速度误差

代入发动机的气动参数，计算出ΔTv=-0.698 K。

4.2铠偶测点导热误差

根据燃气轮机最大工况下的气动参数，计算出流过铠偶测量端的燃气流速度V=43.15 m/s，文献［14］的雷诺数计算公式

式中：d为准则方程的定性尺寸，这里取铠偶测量端的直径；v为工作截面处气流的运动黏性系数。

根据式（5）计算出Re=1850.3。根据换热准则方程

计算出Nu=13.60，将Nu带入对流换热公式

式中：d为铠偶测量端直径；λf为燃气的导热系数。可算出铠偶测点对流换热系数α=787.3 W/m2·K，将将该值代入热电偶导热误差公式

式中：L为铠偶浸入气流长度；Tb为热汇温度；Tg气体有效温度；λm铠偶壳体材料的导热系数；d为铠偶直径。

计算可得ΔΤc=-2.36 K。

4.3铠偶测点辐射误差

由于新型热电偶采用带罩结构，测量端的辐射误差主要产生在测点与其周围的屏蔽罩间。

热电偶辐射误差经验公式

式中：ε为测量端黑度；c0为绝对黑体辐射系数；Tj为支杆壳体感受的温度（取气流总温）；Tw为屏蔽罩温度。

代入已知参数得ΔΤr=-2.14 K。

4.4静态误差

新型热电偶采用I级精度K形热电偶，其在使用温度范围内的允许误差见表3［15］。

表3　镍铬－镍硅热电偶在使用温度范围内允许偏差

从表中数据可知，在燃气轮机设计点温度下，新型热电偶的静态误差ΔΤr=±3.0℃。

4.5综合误差

新型热电偶采用的铠偶测量端的综合误差由速度误差、导热误差和辐射误差构成，根据上述计算可知

即新型热电偶的最大误差ΔΤ=-7.5℃，计算得出铠偶测点最大相对误差γ1=-1%，偶丝测点的测试精度满足设计要求。

5　新型热电偶的应用

在2010～2011年进行某型燃气轮机涡轮出口截面的总温测量时，安装8支新型热电偶，共40个测点。随燃气轮机进行了5次试车，累计无故障运行近60 h。使用后的电偶如图14所示，探头部分细节如图15所示。

图14　试车使用后的新型电偶

图15　试车使用后的新型电偶探头

6　结束语

（1）航空发动机和燃气轮机涡轮出口总温接近800℃，测量介质为高温燃气。在使用常规热电偶进行测量时多次发生故障，其原因是由于偶丝被高温燃气氧化污染导致强度降低，在发动机振动的影响下断裂失效；

（2）针对故障原因，研制了新型热电偶，新型热电偶的结构合理、测量精度高、气动性能优异、工作可靠。实际应用证明可用于发动机涡轮出口总温测量。

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（编辑：赵明菁）

Design of Thermocouple Probe for Measurement of Turbine Outlet Total Temperature

LIU Xu-peng,LIU Zhong-kui,SUN Qi
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang 110015，China）

In the process of measuring of total temperature for the outlet of a turbine，it was found that the life of some thermocouple probe was very short.To solve this problem，the fault thermocouple probe was decomposed and an energy-spectrum analysis was taken，it was found that the fault was caused by oxidized thermocouple wire and broken concrete.In consideration of the special surrounding of the outlet of the turbine，a total temperature measurement thermocouple probe was developed which could be used in high temperature and oxidized atmosphere for long term.The structure of a new thermocouple probe，a new sensor and a new fitting method were introduced，the structure and precision of the thermocouple probe were analyzed.By the actual use in engine test，the new thermocouple probe was proved to be reliable and accurate，it could be used in measurement for total outlet temperature of gas turbine engine.

thermocouple probe；total temperature measurement；outlet of turbine；sheathed thermocouple；gas turbine

V 235.1

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.02.015

2015-04-09基金项目：燃气轮机工程研究项目资助

刘绪鹏（1982），男，工程师，从事航空发动机稳态参数测试工作；E-mail：goodbf82@126.com。

引用格式：刘绪鹏，刘忠奎，孙琪.1种用于涡轮出口总温测量的新型热电偶设计［J］.航空发动机，2016，42（2）：77-82.LIUXupeng，LIUZhongkui，SUNQi. Designofthermocoupleprobeformeasurementofturbineoutlettotaltemperature［J］.Aeroengine，2016，42（2）：77-82.