中国航发湖南动力机械研究所 中国 株洲 412002
摘要：航空发动机的温度测试技术研发与应用对我国航空领域具有极其关键的影响意义，为适应航空发动机技术的发展，必须跟进、了解并掌握当前先进的高温测试技术，并逐步应用到发动机试验测试工程实践中。
关键词：高温测试方法；航空发动机；
航空发动机的热端部件的高温测试技术一直是发动机测试技术的重点和难点，随着航空发动机向高涵道比、高推（功）重比、高涡轮进口温度方向发展，对于工作温度越来越高发动机热端旋转部件，如何准确测量其表面温度，正确评价涡轮叶片的冷却效果和工作状态；如何保证发动机工作在最佳的温度范围，确保发动机的安全等等，这些都对于发动机试验的高温测试技术提出了更新、更高的要求和挑战。随着现代科学技术的进步，尤其是光电器件及信号处理技术的迅猛发展，新型高温测试技术不断出现、发展和成熟，由于辐射测温、光学测温等非接触测温法具有不干扰流场、响应速度快等特点，将成为常规测试的有力补充，为航空发动机的高温测试提供有力的支持。
一、高温测试技术现状
（一）国外高温测试技术现状
由于航空发动机的特殊性质：高温、高压、高转速和高负荷，常规测试方法遇到了许多新问题，因此美、法、德等航空强国的航空发动机研究机构对于辐射测温、激光及光谱探测技术等新型非接触式测量技术方面的应用越来越重视，应该说无论是在测量量程范围、精细化程度还是在测试手段的多样性等方面都要领先于我国。
为了适应航空发动机发展的需要，美国NASA以及其国内各主机厂所及各高校、科研院所都在积极探索新的测温方式。辐射测温具有响应快无测温上限的优点，非常适用于高温的测量，成为关注的焦点。在辐射测温中，单波长光学(电) 高温计、比色温度计及全波长(或带宽) 辐射温度计等，测得的不是物体的真实温度，分别为亮度温度、颜色温度及辐射温度等，必须知道物体的另一参数：材料发射率，才可求得物体真实温度。为了实现目标表面真实温度的测量，这些机构自20世纪20年代就开始研究(比色) 高温计，在两个选定波长下测定目标的辐射亮度比，从而消除材料发射率的影响而得到其真实温度，此法对灰体材料是有效的，但对一般非灰体材料会造成较大的误差。因此在比色的基础上发展了三波长或多波长温度测量系统。到20世纪70 年代末80年代初兴起了多光谱辐射测温技术的热潮。NASA Lewis 研究中心在20世纪初期对多波长光电高温计展开了研究，使用多波长光电高温计测量了氧化铝、氧化铍、氧化镁、氧化钇等陶瓷的表面温度，结果表明这种方法可以替代比色测温仪用于发射率随波长变化的表面温度测量。美国( 纽约工艺研究所、西南研究所等) 、日本、德国等都在大力开展激光测试技术的研究工作，例如：采用脉冲激光作光源，通过石英窗射到室内流场进行测量，从流场中和各点所测到的拉曼散射数据，既可得到温度或浓度的平均值，又可得到它们的脉冲值。火焰温度的确定是利用斯托克斯/ 反斯托克斯强度比来标定的。此种技术不仅能测量流场中不同点的温度和浓度数据，而且能判断流场是湍流还是层流。
（二）国内高温测试技术现状
为了获得航空发动机关键热端部件的温度场，国内各航空发动机研究院所也给予了足够的重视，开展了大量的工作，不断缩小与国外同行的差距。
在高温热电偶研究方面，中航北京长城计量测试技术研究所的荆卓寅等人对铱40铑-铱高温热电偶进行了分度研究。对该热电偶进行分度实验后，热电偶电势值对温度线性度很好，并且和铱铑热电偶提供厂商的分度表进行了对比，偏差在3%以下。国家仪表功能材料工程技术研究中心采用空腔法，利用光学高温计作为标准对钨铼热电偶进行了分度，所得分度与美国NIST所给出的分度最多相差5.6℃，在卧式高温检定炉中和铂铑30-铂铑6热电偶在1200～1600℃内进行比较，二者最多相差2.1℃。
国内开展蓝宝石光纤高温测量的很多，但主要还是集中在静态条件下的使用。虽然对诸如火箭发动机喷口的瞬时温度动态测量开展了一些研究，但其高温测量时间一般很短，要用于航空发动机燃烧室部件试验，对其强度、稳定性和寿命都提出了更高要求，特别是耐高温保护罩的材料。另外也需要考虑辐射误差、导热误差和速度误差的影响，这与热电偶测温方法是一致的。
表面温度高温测试方面，624所研制了多种示温漆能取代进口同类产品，并用热电偶与示温漆判读结果进行了对比分析，但提高示温漆测量精度仍然将是其今后一个重要的课题内容。哈工大、606所、624所近年来相继开展了红外高温计的应用及材料发射率的测量研究。东南大学正在开展激光光谱测温及激光诱导荧光测温技术研究并准备应用到航空发动机的燃烧室部件试验中。608所近年也与国内高校老师开展了辐照晶体高温测试技术研究并取得了一定的工程应用效果。
二、航空发动机高温测量方法
航空发动机是在高温、高压、高转速、高负荷、剧烈振动等极为苛刻的条件下工作，因此应用于航空发动机的高温测量方法，除了要满足量程和准确度的要求外，还需要能够适应发动机试验现场的恶劣环境，能够通过发动机复杂的结构件将信号传输给数据采集系统，当然信号稳定可靠、能在线测量、使用简单高效、自动化程度高也是必需的条件。目前来说，应用于航空发动机的高温测试领域的测量方法可分为接触式测量法和非接触式测量法，其中接触式测量法包括：电量测温方法、接触光电法、热色测温法、辐照晶体测温法等；非接触测温法包括：激光干涉测温、辐射测温、光谱测温、其它新型测温技术等。这些方法在国内有些已经在航空发动机试验中成功应用并相当成熟，有些还仅仅停留在实验室阶段，是今后努力的发展方向。以下就这些方法进行简单介绍.
（一）电量式测温法
电量式测温方法主要利用材料的电势、电阻或其它电性能与温度的单值关系进行温度测量，包括热电偶温度测量、热电阻和热敏电阻温度测量、集成芯片温度测量等。目前能够应用到发动机热端部件的主要是高温热电偶。
国际温标（ITS-90）的标准化分度的热电偶中，测温最高的B 型(铂铑30-铂铑6) 热电偶长期使用最高温度为1600℃，短期最高使用温度为1800℃，已经不满足新一代发动机的测温上限的要求了。在除了铑以外更高的熔点的贵金属中，适合作为热电偶材料的实际上也只有铱可以考虑，因此铱铑-铱系热电偶研究比较多。有关研究表明，铱-铑二元系合金的热电势在含50% 铑处达到最大值，含铑量为40% ~ 60% 的合金与铱配成的热电偶的性能最为满意，热电势大，在很宽的范围内呈线性，而且在该范围内合金的热电势对成份的波动并不灵敏。铱铑-铱作为使用于2000℃氧化气氛下高温测量的热电偶，主要用于发动机燃烧室或火箭喷口气流温度测量。
但是，由于铱在高温下易氧化挥发，因此虽然铱的熔点很高，但在高温下的稳定性和寿命指标并不太好。另外由于纯铱的加工性能不好，因此在测量温度1800~ 1900℃下时，可以考虑使用IrRh40-PtRh40热电偶，该热电偶有更好的稳定性。在使用上述热电偶时，由于高温的微分电势小，因此对测量仪表的准确度要求比较高(各种贵金属热因此对测量仪表的准确度要求比较高，热电偶性能数据见下表（表1）。
钨铼热电偶价格比贵金属热电偶要低得多，测温上限也很高，但是在高温高压环境下容易氧化变脆，机械强度变坏。采用在钨铼热电偶丝表面镀一层氧化物薄膜，可以在氧化气氛下短时间使用，目前已经在固体冲压发动机二次燃烧室的高温测量得到了应用，在航空发动机的应用还没有案例。此外，一些非金属热电偶具有使用温度高，热电势高的特点，在特殊条件的高温测量中有较好的应用前景，但其复现性差，测量准确度不高，还不能满足发动机高温测量的要求。
（二）接触光电法
接触式光电测温方法主要是指通过接触被测对象，将温度变化引起的热辐射或其他光电信号引出，通过光电转换器件检测该信号，从而获得测温结果的方法。由于光纤材料高温的限制，在高温测量中，一般仅仅是将光纤作为导光用，而不能作为敏感元件使用。但由蓝宝石制作的蓝宝石光纤，具有热稳定性好，强度高，本质绝缘，耐腐蚀，使用温度高的特点，适用于高温测量。蓝宝石光纤黑体腔高温计集光纤技术和辐射测温技术结合起来，利用普朗克辐射定律进行高温测量，具有测温范围广、精度高、响应速度快和不受电磁干扰等特点。其测温范围是600℃~ 1800℃，静态条件下标定后准确度可达0.2%~0.3%，并且测量温度越高，其分辨力越好。
（三）热色测温法
热色测温方法主要通过示温敏感材料的颜色在不同温度下发生变化来指示温度的，示温漆和示温液晶都属于热色测温。示温漆可以测量运动物体或其他复杂条件表面的温度分布，使用简单方便，缺点是影响判别温度结果的因素比较多，如涂层厚度、判读方法、样板和示温颗粒大小等，目前主要还是靠人工判读。示温液晶的主要成分是胆甾醇类，这类液晶在一定的温度范围内，其颜色随温度灵敏地变化，改变液晶的成分，可以灵活调整其测温量程和测温灵敏度，与光学摄影仪相结合可实现在线测量。
（四）激光干涉测温法
基于干涉原理的各种光学方法测量介质的温度场，均可以等效为测量介质的折射率分布。它们的测量原理是将流场中各处折射率的变化(即被测介质密度的变化) 转变为各种光参量的变化，记录并处理后可以得到其温度和分布。散斑照相法记录的是偏折位置差，反映的是折射率梯度的变化(即折射率的二阶导数)；纹影法记录的是偏折角度差，反映的是折射率的梯度(即折射率的一阶导数)；干涉仪法记录的是光波相位差，反映的是折射率本身；全息干涉法也是基于干涉仪法的原理，不过它不仅可记录物波波前的振幅信息，同时还记录了波前的相位信息，既有相位信息又有振幅信息，反映的是折射率本身和三维流场的立体信息。由于要严格保证光的相位匹配，因此对现场环境要求比较高。而发动机试验现场高温、振动和噪音影响很大，很难满足其要求。
（五）辐射测温法
经典的热辐射测量高温的方法有全辐射测温法、亮度温度测温法和比色温度测温法。由于发动机燃气燃烧基本完全，属于透明火焰，而热辐射测温方法是依据被测对象的表面辐射能量来进行测量的，因此不适于测量高温气流的温度，而适用于测量高温物体表面的温度。全辐射测温法和亮度测温法都受表面发射率的影响，不能测量低发射率物体表面的温度。相比之下，比色测温法比较适合于低发射率的金属表面温度的测量，将其近似为灰体理论上可以消除发射率的影响，但是，由于背景反射能量的干扰所占比重很大，而比色法是很难消除这种影响的。实际物体往往是非黑体，因此，引入了辐射温度、亮度温度和颜色温度等表观温度的概念，基于以上三种表观温度测量方法的高温计分别称为全辐射高温计、亮度式高温计和比色式高温计。全辐射高温计结构相对简单，但受被测对象发射率和中间介质影响比较大，测温偏差较大，不适合用于测量低发射率目标。亮度温度计结构也比较简单，灵敏度比较高，受被测对象发射率和中间介质影响相对较小，测量的亮度温度与真实温度偏差较小，但也不适用于测量低发射率物体的温度，并且测量时要避开中间介质的吸收带。比色测温法测量结果最接近真实温度，并且适用于低发射率物体的温度测量，但结构比较复杂，价格较贵。
（六）光谱测温法
光谱测温方法主要适用于高温火焰和气流温度的测量。当单色光线照射透明物体时，会发生光的散射现象，散射光包括弹性散射和非弹性散射，弹性散射中的瑞利散射和非弹性散射的拉曼散射的光强都与介质的温度有关。相比而言，拉曼散射光谱测温技术的实用性更好，常用拉曼散射光谱来测量温度。基于激光拉曼光谱测量技术的相干反斯托克斯拉曼光谱(简称CARS) 测温方法，是一种实时、非接触，因而不干扰流场的测量技术，理论上可以提供纳秒级的时间分辨力和微米级的空间分辨力及很高的精度，适用于发动机燃烧这样的恶劣测量环境。但是光路复杂，设备昂贵，另外技术比较复杂，目前仍处在实验室研究阶段。
（七）辐照晶体测温法
辐照晶体测温是一种新型的温度测量技术，其原理是在辐射环境下sic晶格扩张，当经历加热过程时扩张的晶格结构会释放回缩，利用不同的晶格畸变可计算出晶格所经历的最高温度。由于尺寸小且运用方便，可应用于传统高温测试技术中所无法测量到的特殊环节，例如对航空发动机的燃烧室内壁面、高温旋转叶片等都能实现测温操作。它只需在被测位置开孔将辐照晶体传感器埋入并采用高温胶密封进行安装，开孔小（最小直径及深度均为0.5mm）无需任何引线接头。其缺点是不能实现实时测量，只能测量被测位置所经历的最高温度且需要试验完成以后才能对晶体进行温度判读。目前国内已研发出来的测温晶体常规外观尺寸可达0.2x0.2x0.2mm3，测温范围为500~1300℃，测温误差在1.5%~2%范围内。现已处于工程应用阶段。
（八）其他高温测量方法
燃气分析测量温度法是一种间接测量燃气温度的方法，它根据燃气成分来推算燃气温度。利用燃气分析测量的燃气成分计算相应的余气系数与燃烧效率，由燃烧效率与余气系数推算当地燃气温度，这就是效率/余气系数法；利用燃气成分和燃气焓值(等于反应物的焓值) 计算燃气温度的方法称为焓值守恒法。这种方法属于间接测量方法，影响因素比较多，另外难以直接溯源，因此一般作为参考使用。
三、航空发动机高温测试技术的未来研究前景展望
辐照晶体测温技术具有很强的应用性，是现在常规测温方法如热电偶测温技术、示温漆测温技术等无法替代的，该技术是目前唯一能够实现航空发动机高温部件精确测量的方法。未来几年，随着关键环节的深入研究和使用的常规化，我国在辐照晶体测温技术方面将积累大量的经验，测温技术和使用流程也将得到进一步优化，尤其在测温精确度和操作安全性方面。
相比于国内，当前国外的航空发动机高温测试技术研发与应用领域更加深入且全面，例如像不损坏流场的高温测试技术已经出现，它能够实现原位测量与同步在线动态监测测量，主要结合光谱、光纤等非接触测温技术展开技术应用体系设计。新技术的高温测试范围更广且灵敏度、分辨度都更高，同时在测量过程中对温场的干扰最小，适合应用于航空发动机的高温部件测试领域，且它对高温气流场的温度测量把握也非常精确到位。再一方面，目前国内外的二次仪表技术发展快速，二次仪表结构本身相对完善，可利用发动机试验配合各种编程启动发动机，按照试验程序指令记录结果，控制试验工作整个流程并随时做到通过发动机控制安全启停。该技术在一定程度上弥补了计算机系统在传感器方面的缺陷，且它对传感器本身也作出了线性化处理，例如对传感器的自动校正，可随时间进行传感器灵敏度与零点漂移调整，并对环境温度进行补偿，使得计算机系统及发动机都具备一定的自诊断能力。而二次仪表在数据采集与处理自动化方面也有优势，它的测量通道达到2000~4000条，采集速度可达到每秒几十万个。例如目前比较常见的ASTF就拥有2500条通道，32万个点/秒配合各类计算机系统都能实现对航空发动机的功能模块分布与相应数据实时处理。
总结
综上所述，当前全球针对航空发动机的高温测试技术研究进展快速，可应用技术类型越来越多，它们都从不同角度分析了航空发动机的不同部件测量位置、测量技术方法与测量精度，在测温设备的性能、精度、灵敏度、动态响应时间与寿命应用方面都有大幅度优化，基本实现了对新技术的有效改善优化与灵活深入应用。而对于我国来说，针对航空发发动机的高温测试技术研究与应用依然任重而道远，需要在未来不断深入努力研究，提高我国在该方面的技术应用能力与应用效果。
参考文献
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论文作者:童剑,黄梦薇
论文发表刊物:《防护工程》2019年12期
论文发表时间:2019/9/1
标签：测温论文; 测量论文; 高温论文; 温度论文; 热电偶论文; 技术论文; 测试论文; 《防护工程》2019年12期论文;