航空發動機高溫包覆熱電偶研制

摘要：為實現高溫條件下發動機內部部件的溫度測試研制了1種耐溫1500℃的高溫包覆熱電偶。通過對其進行結構設計、材料選取、包覆工藝的研究確定了1500℃高溫包覆熱電偶的材料及制作方法。通過耐高溫試驗、絕緣電阻試驗相容性試驗及檢定校準與驗證,證明了1500℃高溫包覆熱電偶的發動機測溫工程實用性。將包覆熱電偶使用溫度提高到1500℃,可以部分代替鎧裝熱電偶解決發動機內部-些高溫部件和復雜結構細徑鎧裝熱電偶無法測量的難題。
0引言
　　航空發動機工作壓力變化范圍約為10~4000kPa、溫度變化范圍約為200-~2200K、轉速為20000r/min或更高具有溫度高、壓力高、轉速高、內流復雜、結構復雜、空間狹小等特點,因此其溫度測試工況環境是非常惡劣的"。主要測溫手段為熱電偶，以前高溫部件的溫度測試常選用鎧裝熱電偶細徑鎧裝熱電偶最高使用溫度為1000℃,但鎧裝熱電偶在發動機裝配過程中易受擠壓而損壞對于1000℃以上測溫以前主要用偶絲串套陶瓷管解決,該管不能彎折在裝配過程中易破碎導致熱電偶失效。而包覆熱電偶具有耐高溫、柔軟易彎曲、結構堅實、耐腐蝕、無需連接補償導線的特點是解決上述問題的較好手段。
　　包覆熱電偶屬于特種熱電偶在國外使用非常廣泛在中國也可以小批量生產。國外有氟塑、玻璃纖維石英纖維、陶瓷纖維等包覆熱電偶使用溫度最高可達1250℃;國內有氟塑、玻璃纖維、石英纖維包覆熱電偶最高使用溫度800℃。
　　為解決航空發動機測試用國產高溫包覆熱電偶使用溫度低的問題通過結構設計、材料選取、包覆工藝的研究研制了1種耐溫1500℃的高溫包覆熱電偶。
1高溫包覆熱電偶研制
1.1高溫包覆熱電偶結構設計
　　熱電偶是1種熱電效應原理的溫度傳感器。高溫包覆熱電偶分為屏蔽型和無屏蔽型2大類外形與石英包覆熱電偶相近其結構如圖1所示。主要由偶絲、包覆層和屏蔽層組成。所設計的1500℃高溫包覆熱電偶的包覆層由內到外依次為繞包層、絕緣層和護套層。
 
1.2熱電偶材料
1.2.1包覆纖維
　　高溫包覆熱電偶的包覆層處于航空發動機的高溫燃氣環境中,并要滿足熱電偶的絕緣電阻的要求。常用的氟塑、玻璃纖維等材料制成的包覆熱電偶在高溫燃氣環境中效果不理想。航空發動機測溫環境選用的耐高溫纖維的性能見表1。
 
　　石英纖維主要由高純SiO2和天然石英晶體制成具有耐高溫、強度高、抗熱振動、電絕緣電阻好的特點,已經用于生產航空發動機測溫用800℃高溫包覆熱電偶在航空發動機高溫燃氣環境和振動條件下的長期工作溫度可達600℃。
　　陶瓷纖維主要由SiO2和Al2O3組成是含有少量.Na2O、K2O、Fe2O3等物質的無機纖維,具有質量輕、耐高溫、絕緣電阻好、抗腐蝕、耐機械振動等特點,已經用于生產航空發動機測溫用1300℃高溫包覆熱電偶在航空發動機高溫燃氣環境和振動條件下的長期.工作溫度可達1200℃。
　　硅基纖維的主要成分為硅、碳、氮,含有少量氧、鈦等元素具有質量輕、強度高耐高溫抗氧化、耐腐蝕等特點耐溫1700℃,試驗表明硅基纖維在航空發動機高溫燃氣環境和振動條件下的工作溫度可達1500℃以上。
1.2.2熱電偶絲
　　標準偶絲材料主要分為貴金屬和廉金屬,在航空發動機測溫中常選用的廉金屬偶絲材料有T、K和N型測溫上限為1300℃,常用的貴金屬偶絲材料為S和B型測溫上限為1700℃。偶絲材料的具體性能見表2。選用S型和B型偶絲作為1500℃高溫包覆熱電偶的熱電偶絲材料。
 
1.3包覆工藝
　　包覆熱電偶的包覆加工是將偶絲、包覆纖維和屏蔽層組合在一起采用編織包覆為成品的一系列工藝過程，其流程如圖2所示。
 
1.3.1編織工藝
　　包覆熱電偶的包覆層-般包括單極絕緣層和護套層,在常規包覆層編織工藝的基礎上增加了繞包層。具體工藝流程為將一定根數硅基纖維合成1錠(股)使用一定股數繞包熱電偶絲形成繞包層然后在此層上按照-定編織節距編織形成絕緣層。將編織有絕緣層的正負2極合并再按照一定編織節距編織形成護套層編織中要控制工藝參數保證包覆熱電偶尺寸、機械強度和絕緣電阻0。試驗表明通常高溫包覆熱電偶的包覆層數和編織股數越多絕緣電阻越大，直徑越大編織節距越小絕緣電阻越小柔軟性越好。按照使用要求確定了1500℃高溫包覆熱電偶的編織工藝。
1.3.2熱處理工藝
　　為消除包覆熱電偶包覆層纖維的散花和飛絮在包覆工藝完成后采用耐高溫涂料浸泡包覆偶的浸膠方法，之后進行烘干熱處理保證包覆層絕緣電阻。
2考核與檢驗.
2.1尺寸檢驗
　　航空發動機測溫對熱電偶的尺寸有非常嚴格的要求研制的包覆熱電偶成品的尺寸檢驗見表3。從表中可見其外徑尺寸誤差小于±0.1mm符合航空發動機測溫的要求。
 
2.2耐高溫試驗
　　耐高溫是高溫包覆熱電偶的主要性能之一。耐高溫試驗采用LINDBERG/BLUE高溫檢定爐,最高加溫到1700℃。將高溫包覆熱電偶樣品插入檢定爐內,在1500℃下進行溫度考核循環試驗,試驗進行3個循環每個循環燒蝕時間為5min。耐高溫考核試驗后檢查包覆熱電偶樣品外觀較好彎曲3次無散花現象表層有少量飛絮如圖3所示。試驗驗證了高溫包覆熱電偶的耐溫.上限可達1500℃。
 
2.3絕緣電阻檢驗
　　絕緣電阻是包覆偶的關鍵指標。依據JB/T9238標準檢驗高溫包覆熱電偶的絕緣電阻”"1其中常溫絕緣電阻值應不小于100MΩ.m。
　　上限溫度絕緣電阻試驗流程為:將1.5m高溫包覆熱電偶纏繞在安裝有S型熱電偶的陶瓷管上,纏繞長度0.3m放入檢驗爐加熱在試驗溫度下保持5min,使用直流10V絕緣電阻表檢測絕緣電阻值,試驗數據見表4。分析試驗數據可知高溫包覆熱電偶的絕緣電阻符合JB/T9238標準。
 
2.4相容性試驗
　　為增加包覆熱電偶的機械強度和延長使用壽命,采用浸膠、加高溫屏蔽層、摻高溫絕緣纖維的工藝手段進行改性以適應發動機內部部件的測溫需求。但是所使用的膠、高溫屏蔽層和高溫絕緣纖維與硅基纖維包覆層、偶絲材料在高溫下有可能發生反應所以要進行相容性試驗研究這些材料上限溫度絕緣電阻,保證使用可靠性。4種工藝手段相容性的絕緣電阻檢測數據如圖4所示。圖中,1號為未浸膠、未加屏蔽層樣品,2號為未浸膠、加屏蔽層樣品3號為浸膠、加屏蔽層樣品A號為摻高溫絕緣纖維、浸膠、加屏蔽層樣品。
 
　　試驗表明浸膠會使高溫包覆熱電偶低溫段的絕緣電阻略微降低加屏蔽層會使高溫包覆熱電偶的絕緣電阻略微降低2種技術手段都使高溫包覆熱電偶的繞韌性略微減弱但機械強度有效提高和使用壽命有效延長摻高溫絕緣纖維會有效提高高溫包覆熱電偶1300℃以下的絕緣電阻。這些技術手段已經推廣應用到1300℃高溫包覆熱電偶上,使其使用壽命延長十幾倍達到30h以上。
3檢定與驗證
　　經中國測試技術研究院檢定,1500℃高溫包覆熱電偶校準數據見表5。檢定結果符合工業I級要求。
 
　　在某試驗件性能考核試驗中,使用1500℃高溫包覆熱電偶測量試驗件內部的溫度,共進行2輪分別歷時302和218min,在最大試驗狀態時測得的最高溫度為1274℃,證明了1500℃高溫包覆熱電偶的耐燃氣燒蝕性能和發動機測溫工程實用性。
4結束語
　　相比于示溫漆、紅外測溫及晶體測溫等其他測溫手段熱電偶在航空發動機溫度測試領域具有不可替代的優勢。研制的1500℃高溫包覆熱電偶更是將絕緣耐溫提高到1500℃,同時具有絕緣好、彎曲半徑小、韌性好、易于測試引線等優點,可以部分代替鎧裝熱電偶為航空發動機復雜內部結構和苛刻工況條件下的高溫測試提供了先進手段。