航空发动机涡轮叶片晶体测温技术研究

李 杨，殷光明

（中国航发四川燃气涡轮研究院，四川江油621703）

航空发动机涡轮叶片晶体测温技术研究

李 杨，殷光明

（中国航发四川燃气涡轮研究院，四川江油621703）

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。

测温晶体；温度测量；涡轮叶片；航空发动机

0 引言

航空发动机涡轮叶片的温度测试目前是前沿性热点及难点研究课题，涡轮叶片上传热和表面温度分布的分析与计算均要求试验测试来验证[1-2]。对于涡轮转子叶片的温度测量，传统的埋入式或表面贴装式热电偶等接触式测温技术引线困难且测点较少，难以获得气膜孔附近处的温度数据；示温漆测温只能测量涡轮转子叶片总体温度分布；红外测温技术视场有限，叶片前缘、尾缘、缘板等特殊位置的温度难以测量。此外，薄膜热电偶还处于研制阶段，存在着引线技术困难和使用可靠性不高等缺点[3-4]。对于上述温度测量技术在发动机测量试验中存在的问题，采用晶体测温技术是1个较为有效的测试手段。该技术非侵入特征明显，具有传感器体积微小、无需测试引线、测温精度高等优点[5]。

国外的晶体测温技术研究比较成熟，不管是美国、俄罗斯还是乌克兰，都有1批专业技术人员从事测温晶体的制造、标定、应用研究工作，至今已经形成完善的研发及应用体系[6-7]。乌克兰研制的多型航空发动机均采用晶体测温技术来测量涡轮叶片温度。Siemens公司在SGT系列产品上，将1975个测温晶体布置在发动机热区，其中有90个测温晶体安装在1个叶片上，试验后测温晶体有着95%的高存活率。在国内，沈阳发动机研究所和天津大学都在实验室进行过测温晶体制作及标定技术研究工作[8-9]。

本文主要从工作原理、制造方法、安装与拆除、标定试验以及应用等方面对晶体测温技术进行研究。

1 晶体测温技术测量原理

晶体测温技术是基于自身“温度记忆效应”的以辐照缺陷的热稳定性建立起来的1种微型温度测量传感器，通过中子辐照碳化硅晶体的晶格常数、测试温度和测试时间之间的函数关系而形成的测量最高温度的测试技术。

中子辐照碳化硅晶体测温技术本质是利用晶体缺陷的热稳定性，因此制作该传感器最主要的工序就是辐照，目的是引入具有特定热稳定性的各种缺陷。在辐照过程中，由于电离、离位、级联及子级联碰撞等效应的作用，晶格内部产生大量如间隙原子、空位、间隙原子团、空位团、空洞、位错、层错等缺陷，破坏了晶体原子周期性排列的特点，即辐照导致晶体晶格从有序性转变为无序性。而且辐照剂量越大，辐照缺陷浓度就越大，无序度就越严重[10]。

晶体所经历的最高温度越高，残余缺陷浓度就越低。二者具有一一对应的函数关系，知道晶体所经历的最高温度，必然能确定残余缺陷浓度；反之亦然。辐照缺陷的消除取决于晶体所经历的最高温度，因此辐照导致的各种性能的变化伴随着温度升高的过程中缺陷的消除而逐渐回复到未辐照的水平。在通常情况下，残余缺陷浓度虽然难以通过常规测试方法确定，但可以测定残余缺陷对物性的影响间接反映出残余缺陷浓度。所以，物性和退火温度也是一一对应的关系，如果物性和晶体所经历的最高温度之间的函数关系已经确定，则知道晶体所经历的最高温度，便可以确定物性；反之亦然。电阻率、硬度、晶格常数和热导率等都能用于反映残余缺陷浓度[11-12]。

2 测温晶体的制造

测温晶体的制造过程主要包括晶片的生长、中子辐照、切割、筛选等布置。

首先生长出碳化硅晶锭，对晶锭结晶质量、表面粗糙度、位错密度、微管密度和晶体弯曲度等指标进行考察，选择出满足使用要求的晶锭切割成大小合适的晶片，并对其进行预退火处理，以便消除样品内固有缺陷，最后选择合适的晶片用于中子辐照，如图1所示。

为让晶片内部产生缺陷，需进行中子辐照。在中子辐照过程中，离位峰效应导致样品局部区域产生大量缺陷，该区域基本呈非晶态。随着辐照注量的增大，离位峰发生的次数逐渐增加，非晶态区域的浓度也在不断增大。当辐照注量增大到非晶化阈值时，非晶态区域便可以叠加到一起，导致整个样品发生晶态-非晶态转变[13]。

中子辐照完成后的晶片还需通过切割成一个个小晶体才能满足使用，在晶片切割的过程中部分小晶体会发生崩边、断角的情况，需要从中筛选出各方面完好的晶体，如图2所示。筛选出的晶体一部分用于标定试验，另一部分则用于测量试验。

3 安装与拆除工艺

测温晶体的可靠安装和拆除是测温晶体应用的关键环节，其工艺流程看似简单，实则在安装和拆除的过程中，测温晶体极易丢失或受到损伤，导致在该环节测温晶体的成活率降低。

测温晶体可靠安装与拆除是1个经验不断积累的过程，为熟练掌握该工艺，实现测温晶体的可靠安装，首先需建立良好的工作环境和配置专用的安装与拆除设备，包括微操作平台、立体显微镜、专用工具以及配套的专用小附件等，良好的设备是实现测温晶体可靠安装与拆除的基础和前提条件。

虽然安装与拆除工艺流程较为清楚，但在晶体夹取时容易崩边和脱落，填充高温胶时易出现松散和存在气泡等情况，因此仍然需要通过反复的摸索试验、实际操作以及工艺验证试验来不断优化和改进实际的工艺方法，才能在该环节尽量不丢失和破坏测温晶体，提高安装与拆除的可靠性，提高晶体工作效率。

4 标定试验方法

4.1 标定方法

对于国外“最高温等效时间”的标定方法的时间历程曲线难以获取的问题，创新性地将“最高温恒温时间”作为输入时间参数来完成微型辐照测温晶体的标定和温度判读，可避免繁琐的最高温等效时间的获取和计算。利用最高温恒温时间参数、最高温平均温度参数和晶体参数三者的函数关系，建立基于“恒温时间法”的测温晶体标定方法。

最高温恒温时间参数是测温晶体标定时最高温平均温度的保温持续时间；最高温度平均温度是考虑最高温温度在保温持续时间内的允许范围内波动的平均温度值；晶体参数是测温晶体经历高温前后晶格参数的变化。

4.2 标定系统设计

测温晶体的标定由专用的标定系统来完成，因此标定系统的好坏、精度高低直接决定标定结果的质量。完整的测温晶体标定系统主要由高精度的加温炉、温度控制与采集系统、标定试件、标定数据处理软件以及配套的附件等组成，如图3所示。

（1）电源系统。根据加温炉炉内温度波动度的要求（恒温区内温度波动度优于1℃），对标定炉的供电增加稳压电源模块，工作时供电电压不超过1%，避免因电压波动造成的温度波动。

（2）加温系统。加温系统是标定设备的核心部分，用于给标定试件提供恒温环境，根据热电偶检定标准装置配用的热电偶检定炉的设计模式。标定炉采用管式加温炉，要求升降温快速、升降温时间可调，恒温时间精确可调，且控温准备稳定，恒温区内任意2点间温差小于1℃，温度波动度优于1℃。

（3）控制系统。温度控制系统为本标定系统的核心，标定试验时要求加温炉的超温量尽量小且加温、恒温迅速。因此，温度控制器采用智能PID调节仪与标定炉构成温度闭环控制，控制加温棒对炉体进行加温。温度控制系统能够对加温、降温时间进行控制和对恒温时间精确控制。为避免超温，要求控制系统的超调量很小，不超过1℃。

（4）采集系统。温度采集用于采集与标定试件一并放入加温炉内的B/S型热电偶的实测温度值，同时也用于通过实测温度值的变化记录加降温和恒温时间。可采用市面上成熟的温度采集系统。

（5）操作台。主要用于操作测温晶体的安装，标定试验前的准备以及标定系统的温度控制设置、标定软件操作等，标定软件将集成控制、温度采集、数据处理、预警等功能于一体，实现标定试验操作、数据处理的半自动化。

4.3 标定试验流程

在相同的恒温时间下的全温度范围的标定试验的标定流程如下：

（1）标定准备。在标定试件上用高温胶封装3～4个测温晶体，待高温胶固化后用于标定试验。

（2）系统连接。将标定试件与温度采集电偶固定，并放置于加温炉的恒温区内，关闭加温炉，检验系统的完好性。

（3）加温试验。设置加温时间,恒温时间10 min（以恒温10 min为例），降温时间控制为10 min。设置恒温温度值900℃（以900℃为例），开启加温程序。

（4）晶体参数测量。标定试验完成后，取出标定试件中的测温晶体，用X射线衍射仪测量晶体参数。

（5）数据处理。将3～4个测温晶体的晶体参数的多次测量结果平均处理，作为“恒温10 min，温度值900℃”状态下的晶体参数输入。这样就得到获取标定曲线所需的1个状态点的3个参数。

（6）曲线拟合。在恒温10 min，其他温度点（550～1350℃范围内整百温度点）的条件下重复进行步骤（3）～（5），得到全温度范围内各状态点的参数后，通过标定软件来完成标定曲线的拟合。

为便于分析标定结果的误差及测量不确定度，在相同状态点下可多次进行标定试验，取均值作为曲线拟合的输入参数，这样就得到1条更为准确的标定曲线。

4.4 晶体参数测量

测温晶体标定及应用试验结束后，需通过X射线衍射仪来测量晶体的晶格参数，为最后的温度判读提供输入参数。在晶体的各种物性参数中，晶格参数最容易获取，晶格参数利用X射线衍射法来测定[14-15]。

5 应用研究

试验共采用5点测温晶体，通过特制的高温胶将测温晶体分别安装于涡轮转子叶片叶盆和缘板上，如图4所示。试验后5个测温晶体的表面形貌如图5所示。

测量结果表明，5点测温晶体在高温、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。

由于测量未安排热电偶进行测量结果的比对，在后续试验中将安排晶体测温结果与热电偶测量结果的比对试验。

6 结束语

晶体测温技术对于测量航空发动机涡轮转子叶片等热端部件的特殊位置的表面温度具有较强的实用性，能够解决工程实际问题。但该技术对于封装工艺、标定技术要求较高，还需根据实际工程现场实际情况进行深入、细化的试验研究工作，进而解决航空发动机涡轮叶片表面温度测量难题。

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Research on Crystal Temperature Measurement Technology for Aeroengine Turbine Blade

LI Yang,YIN Guang-ming
（AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Jiangyou Sichuan 621703，China）

In order to solve the problem of temperature measurement of aeroengine turbine blade,the characteristics and technical advantages of a kind of crystal temperature sensors were introduced，and the manufacturing methods of crystal temperature sensors were expounded based on whose working principle in temperature measurement.Further more,the installation,dismantling process and the calibration method of the crystal temperature sensors were described in detail.Then the crystal temperature sensors were applied to measure the surface temperature of turbine blade.The results show that those sensors attached to the test blade firmly cannot drop,even under the condition of high temperature,high pressure,the impact of high speed gas flow and high speed rotation.The survival rate of crystal sensors under testing is 100%,and the temperature of target location is obtained after test,which enables crystal temperature measurement technology to be considered as an ideal methodology to measure the surface temperature of hot section components of aeroengine such as turbine blade.

crystal temperature measurement;temperature measurement;turbine blade;aeroengine

V 263.3

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.03.016

2016-10-28 基金项目：航空动力基础研究项目资助

李杨（1986），男，工程师，主要从事航空发动机测试工作；E-mail：li2313954@163.com。

李杨，殷光明.航空发动机涡轮叶片晶体测温技术研究 [J].航空发动机，2017，43（3）：83-87.LI Yang，YINGuangming.Research on crystal temperaturemeasurementtechnologyforaeroengineturbineblade[J].Aeroengine，2017，43（3）：83-87.

（编辑：栗枢）