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燃气涡轮发动机高温燃气温度测量技术一、引言现代军用飞机对发动机提高推重比的要求持续增加提高压气机 压比以提高循环效率、增加涡轮进口温度以提高单位推力是提高推重 比最直接和最有效的方法因此，燃烧室部件设计将向高温升高热容 方向发展，燃烧室进出口平均温度不断提高，在研和新研制的第四代 涡扇发动机推重比为10. O一级，燃烧室进口平均温度为850K，出口 平均温度为1850K，按热点系数O. 3计算，热点温度可达2150K，正在 预研的第五代发动机以涡扇发动机为主，交循环及组合，推重比12. 0 一级燃烧室出口平均温度为2000K，推重比15. 0一级燃烧室出口平均 出口温度为2150K，热点温度当然更高现代航空发动机测试是航空推进技术的支撑性技术，是整个发动 机预研试验研究和工程发展阶段的重要技术环节发动机高温燃气测 量是最重要的测试技术之一，温度是确定热端部件性能和寿命的最关 键参数将有助于燃气涡轮设计师和工艺师正确了解在燃烧室中所发 生的燃烧过程这使得高温燃气温度测量成为发动机测试中特别重 要、难度较大的关键技术传统的燃烧室出口温度场测试手段是铂铑系列热电偶新型燃烧 室燃气的高温、高速、高压条件已经超过常规铂铑系列热电偶的应用 范围。

为了获得燃烧室出口温度场的关键数据，必须寻求新的适用于 燃烧室部件性能试验的高温燃气温度测试手段与方法气体温度测量，尤其是动态气体温度测量技术经历了一个发展过 程从20世纪50年代到70年代，主要工作是集中于采用热电偶在测量 气流温度时所遇到的几个误差的确定，如辐射误差、导热误差、速度 恢复误差以及在气流温度发生阶跃变化时，热电偶时间响应的研究 为了解决脉动气体温度的测试问题，曾经力图将热电偶做得很细，80 年代以后，各种新技术、新的探针和手段应用于气流温度测量，主要 有先进的探针技术、燃气分析技术、光纤温度传感器、光谱技术以及 采用数字信号处理技术的动态气体温度测量系统目前，提高高温应 变能力的研究也在进行之中二、燃气分析鉴于在发动机燃烧室压力和温升越来越高的情况下，用热电偶法 测量出口温度，计算燃烧效率和温度分布系数越来越困难由于贵金 属偶丝对未燃烧成份的催化作用和高温下的传热误差，使得测得的结 点温度TJ与T之间的差别越来越大，不能准确地测出燃烧效率和温 度分布系数因此一种用于燃气温度测量的燃气分析技术（TBGA， Temperature By Gas Analysis应运而生燃气分析测温法就是通过 分析燃气中各种组分的含量来推算燃气温度的方法，具有工程实用性 强、测温范围宽、测温精度高，在1800K以上优于热电偶等优点，尤 其适合在燃烧室部件试验中测取出口温度场分布。

此方法在国外已得 到广泛的研究与应用20世纪70年代初，GE公司就开始探索用燃气分析方法测量燃烧室 出口燃气温度，并指出在测温范围大于1750K时，宜采用燃气分析方 法来测量80年代，NASA刘易斯研究中心对燃气分析方法进行了深入 研究，建立了分析计算程序，使燃气分析成为超出热电偶测温范围的 一种燃气高温常规测量技术90年代，英国研究了采用全成份推算燃 气温度的方法，考虑了燃气成份在高温下的裂解问题，分析了各种因 素对测量误差的影响，编制了相应的实用计算程序，提高了燃气分析 测温精度用TBGA技术测温，可以突破用热电偶法测温的限制，可以准确快 捷地换算出燃气的温度，虽不能完全代替热电偶法(单点取样分析需 花费长的取样时间)，但在某些状态、某些区域实施测量，燃烧室出 口温度在T,二1400〜1600K范围内，用电偶法测得燃烧效率最高可达 110%的不可信程度另外，在航空发动机燃烧室、加力燃烧室部件 研究以及整机性能研究和鉴定评价过程中，用燃气分析法求算喷气推 力、发动机效率、发动机空气流量以及测量高温排气发散，分析其正 常和有害的气体成份是一件必不可少的重要工作燃气分析测温的一般方法是对抽取的样气进行分析，计算其成 份，从而可计算出温度。

这〜方法取决于：(1) 抽取燃气/燃料混合物有代表性的样品：(2) 立即淬熄样气，避免在采样探头中迸一步发生反应；(3) 把样气传输到分析仪(CO、COz、NO0z等气体成份分析仪)；(4) 对样气进行精密分析；(5) 用计算机按全成份分析法或补燃法等快捷可靠的算法技术计算， 测量得出燃烧效率和余气系数，并以此推算出燃气温度如同热电偶一样，燃气分析方法也需要把取样探头插入燃气流 中，并力求减少对气流的干扰探头通常采用6点或7点水冷，总压进气采样耙（图1）与移动机构 结合，可在全排气截面进行测量较早的采样耙可用于最高温度 1800K、压力1. 4MpR，单点取样探头轴向伸出的部分不用水冷然而，当试验的平均排气温度达到2200K、峰值温度高达2650K 时，采样耙的每只取样管部必须水冷到顶端50 T1•,出 口图1高温燃气分析采样探头高温采样时，为防止样气在探头里继续燃烧，需要对样气“快速 淬熄”快速粹熄的方法有：(1) 水冷探头；(2) 探头之后有一段扩张通道；(3) 用真空泵抽空采样管路，使样气流经取样探头前端有5： l或更高 的压比依据不同的试验目的，可采用实验室单机或联机燃气分析系统。

现在最新一代的联机燃气分析系统，主要由世界上著名的Backman仪 器公司和英国Ruston燃气涡轮公司新品部研制，均可完全实现自动化 操作，即时将取样成份值输入计算机，从终端显示主要成份值、燃烧 效率及余气系数其中，美国Backman仪器公司研制的联机燃气分析 系统，造价约20万美元分析装置基本上由5台气体色谱仪和l台碳氢 分析仪组成，色谱仪用于分析112、02、Nz、CO、C02，而碳氢分析仪 则用来测量未燃碳氢化合物仔£公司有两套联机燃气分析系统，现正 在使用之中用燃气分析测量燃烧室排气温度的算法技术得到了迅速发展，它 将严密的热力学、数值解技术和程序没计等科学技术紧密结合起来， 工作的重点是要研制一种能够应用在实际燃烧试验的新方法，其目的 是用来测量燃烧室出口的温度分布通常，燃烧是指燃料和氧化剂之间产生的反应，并得出燃烧产物 要想计算出燃烧室燃气温度，就需要测量其热力学状态、反应物的浓 度和燃烧过程的产物燃烧产物的成份可以通过对燃气的取样的化学 组成分析来得到，本文所叙述的这项新技术主要是基于排气组份的测 量，如C02、CO、如、毗、NO°KDUHC同时，还必须知道燃料的组份、 温度、热值、比热，以及氧化剂的温度和成份。

最常见的氧化剂是空气，由于干空气的成份是已知的，因此，可 以通过测量其中水的含量来求得氧化剂的成份在国内虽然早在70年代，中国燃气涡轮研究院和北京航空航天大 学等都开展了燃气分析应用技术研究，但曾因中断而进展缓慢，目前 仍处于起步阶段，表现在测温速度慢，计算误差大，还不能真正测得 整个燃烧室出口温度场最近，中国燃气涡轮研究院引进了TBGA技术的关键设备，在APTD 计划中开展试验研究，并在新机研制中发挥了重要作用三、激光技术在航空发动机研究中，燃烧诊断主要涉及温度和各种成分在空间 的分布以及它们随时问变化的过程，特别是精确地测量温度的空间分 布，对于了解并控制燃烧过程是十分必要传统的接触式测温技术， 由于探头的介入，不可避免会破坏燃烧体系温度场的固有特性，光学 测温尤其是激光技术测温在非接触远距离探测体现了独特的优越性科学家们已经做了许多有意义的研究工作将非接触激光诊断技 术用于测量燃烧环境中的速度、温度和组份浓度已研发的激光技术 与仪表有：激光多谱勒测速仪(LDV)、激光诱导荧光(LIF)、自发拉曼 散射(SRS)、非线性拉曼散射技术和相干反斯托克斯拉曼光谱法 (CARS)这几项技术都十分复杂，并且其制造、操作和维修费用高， 还需配备先进的计算机。

在这些技术中，CARS是唯一的可用于多烟实 际燃烧系统中的湍流火焰燃气温度和成份瞬态及空间分布非接触式 激光诊断技术特别适应于检测具有光亮背景燃烧过程的温度分布在CARS（Coherent Anti—stokes Raman Scattering）技 术中，有 两束不同频率的大功率激光脉冲（伯浦Pump和斯托克斯Stokes激光束） 在被测介质中聚焦在一起在这里，通过分子中的非线性过程互相作 用产生第三柬类似于CARS光束的偏振光最后，通过对测验光谱与已 知其温度的理论光谱的比较，就可求得温度通过与已配置的标准浓 度的光谱的比较，可得到气体组份的浓度要执行这些反复迭代的最 小二乘法计算程序，还需要具备相当的计算能力CARS技术已在内燃机和燃烧风洞中获得应用在喷气发动机试验 中应用CARS进行测量时仪器主要包括变送器、接受器和在试验台上装 在发动机附近的测量用仪表以及装在测量间光谱仪检测器和计算机 设备，这些设备用以采集和处理CARS数据最近，美国加利福利亚大 学燃烧实验室采用CARS技术对贴壁射流筒形燃烧室（町CC）进行了试 验单脉冲多路CARS技术在微微秒量级的单一脉冲中能获取整幅CARS 谱图，可应用于燃烧的动力学过程研究。

四、声学振荡器图2典型的射流振荡器声学振荡器(Acoustic Oscillator)如图2所示，这种射流温度传感器的原理是，射流振荡器的特性频率取决于：(1) 振荡器共振腔的几何尺寸；(2) 共振腔里气体密度振荡器共振腔是用耐高温陶瓷材料制成的振荡器的频率可通过 改变空腔内气体密度来控制但这样做的困难是：难于区别温度和燃气实际成份所引起的密度 变化，也就是需要准确地知道燃气成份假若已经知道燃气的精确成 份的话，那么，不用复杂的振荡器，通过计算燃气分析方法同样可确 定燃气的温度五、光谱线自蚀技术光谱线自蚀(Spectrum Line Reversal)这种非干涉光学技术方法 快捷、精确、实用，现已广泛地用于实验室燃气温度的准确测量使用最广泛的谱线是Na的黄色谱线，实际上它是两波谱线 (doublete，波长为5890A和5896A)如果在将要测量其温度的热燃气 中加入少量钠盐，那么就会发射出Na的D谱线其方法就是根据通过 热燃气区的明亮背景光源来检测光的强弱由气体激发的Na谱线呈现 在监定器上，不是以连续为背景的吸收黑线，就是以连续为背景的突 出发射亮线是呈现吸收黑线还是发射亮线取决于背景光源的温度与 燃气温度相比，是高还是低。

当燃气温度与背景光源的温度相等时， 谱线就看不见了，这是通过改变背景源亮度温度而找到的零辐射当这 个条件找到之后，背景源的温度就可用光学高温计来确定如果被测量燃气的温度都处处相等，那么上述方法基本上是一种 简单而又精确的测温方法如果各处燃气的温度都不相等，那么测量 将受表面层温度的严重影响因此，从实验室温度测量到燃气涡轮高 温燃气温度测量还需要突破许多关键技术六、热电偶温度探针在燃气高温测量中，热电偶温度探针测温仍然占有重要地位其 研究工作的重点主要放在热电偶丝（如Pt—Rh、Ir—Rh）、探针材料、 探针结构、制造工艺和测温修正等方面热电偶用于气体温度测量，通常只能测得气流总温，欲需静温可 通过换算得到由于在实际气流温度测量中存在着辐射误差、导热误 差、速度误差和动态响应误差等因素影响，因此测温探头必须采用特 殊的结构形式以减少这些误差，并进行必要的校准与补偿修正，方能 测得较准确的气流温度回顾热电偶测温技术，已经历数十载的发展随着科学技术的发 展，新材料、新工艺的出现，一些先前的探针得到改进，还设计出了 新型探针如吸气式探针和一种基于暂态薄膜热传递技术的快速响应 高空问分辩率总温探针。

开发了各种形式的水冷、气冷和干烧的高温 热电偶测温探针，建立了相应的高温热电偶探针设计、制造校准和测 温误差。