涡轴发动机动力涡轮前温度测量技术研究

涡轴发动机动力涡轮前温度测量技术研究

朱洪基1 ,陆林2,李丹1,胡佳锐1

1.中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，黑龙江省哈尔滨市150066；

2.2.中国人民解放军93156部队，黑龙江省哈尔滨市150066

摘要：动力涡轮入口温度是参与涡轴发动机控制的重要参数，本文综合考虑热电偶的测温范围、灵敏度和经济性，对热电偶丝的材料进行了选型。对比各种常见冷端补偿的方法，研究了适用于涡轴发动机使用的延引热电极法和修正法相结合的冷端补偿方案。最后，按照涡轴发动机动力涡轮前温度测量要求，设计了一套双余度测温方案，可以保证在任何一支热电偶出现故障时，测温系统仍能够正常工作。

关键词：涡轴发动机 温度测量 热电偶 

1  引言

动力涡轮前温度是涡轴发动机监测与控制的重要参数，参与起动和运行过程中的超温监测、状态控制，关系到涡轮的使用寿命和整机翻修间隔。随着设计水平和材料性能的提升，涡轴发动机动力涡轮前温度也不断提升，这也给动力涡轮前温度的测量带来了挑战。航空发动机对温度的测量有着精度高、不可干扰流道并且可经济地更换使用的严苛要求，使得光学测温、红外测温和光纤测量系统等手段难以普遍地应用在航空发动机上，对于涡轴发动机，常采用热电偶测量动力涡轮前温度（以下简称T45），可以经济地满足控制系统的使用要求。本文研究了涡轴发动机动力涡轮前温度的测量技术，并设计了涡轴发动机动力涡轮前温度的测量方案。

2 热电偶测温原理

热电偶的工作机理建立在导体的热电效应上，包括帕尔贴效应和汤姆逊效应[2]。图1 给出了热电偶的原理结构与热电势示意图， 选用两种不同导体材料A和B ，将A和B的两端紧密地连接在一起，组成一个闭合电路，将电路的一端放置在温度为T的环境中，并定义该端为测量端或热端，将电路的另一端放在温度为T0 的环境中，并定义该端为参考端或冷端。当两端存在温度差时时( T >T0 )， 回路中就会产生热电势，从而形成电流，这就是热电偶的工作机理。

各种类型热点偶的优缺点如下[3]：

铜-铜镍、铁-铜镍以及镍铬-铜镍热电偶具有灵敏度高、热电势大和价格低的优点，但是最高测温范围相对较低，可以测量排气温度相对较低的涡桨和涡扇发动机，或者测量压气机出口总温。

铂铑-铂热电偶具有测量精度高、能耐高温的优点。缺点是热电势较小、热电特性不是线性的，不便于测量，其价格也高于其他类型热电偶。另外，在高温环境下长期使用后，材料中的铑分子会逐渐挥发，导致铂丝受到污染而变质，从而引起热电偶的特性变化失去测量的准确性。铂铑-铂铑热电偶优缺点与铂铑-铂热电偶一致，但是其产生的热电势更小。此类热电偶常用于精密温度测量和作为标准热电偶。

镍铬-镍铝（镍铬-镍硅）热电偶的优点灵敏度高、稳定性好、价格经济。其灵敏度是铂铑-铂热电偶的4倍，平均灵敏度为0.041mv/℃；由于该型热电偶材料中的镍含量高，所以抗氧化性及抗腐蚀性强，化学稳定性高，复制性好；热电特性近于线性关系。缺点是在还原性气体（如CO2、H2S等）中易腐蚀变质，必须加装保护套管，测量精度低于铂铑-铂热电偶。

综合考虑各种类型热电偶的测温范围、灵敏度、热电势和经济性，根据涡轴发动机动力涡轮前最高温度可达到1300K以上，并考虑到冷端补偿导线使用同种材料的经济性，选定热电偶丝的材料为镍铬-镍铝。根据其使用环境，选用铠装热电偶（也称缆式热电偶），特点是测量结热容量小、热惯性小、动态响应快、挠性好、强度高、抗震性好的优点。

4 冷端补偿方案

在热电偶实际使用过程中，一般保持其冷端的温度恒定，其输出的热电势才是测量端（热端）温度的单值函数。但是在实际测量中，例如在飞机内部或发动机舱内，冷端温度容易受到热源温度和周围环境温度的影响，不能保持0℃或者其他恒定值，由此将引入系统误差。该误差的补偿方法主要由0℃恒温法、补偿电桥法、延引热电极法和修正法。

恒温法是将热电偶的冷端保持在0℃的器皿中，虽然准确度高，但实际操作麻烦，不适合航空使用。

补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，一般是在室温20℃达到平衡，适用于-25℃~80℃的测温范围[4]，在温度梯度变化较大时，补偿效果容易受到影响。

延引热电极法是指使用补偿导线将热电偶输出的热电势传输到位置较远、温度变化平缓的环境，再与其他方式结合进行补偿。

修正法是利用中间温度定律，根据冷端温度和热电偶分度表查得电势值，对热端热电势进行修正。

在航空上，常采用延引热电极法和修正法相结合的方法，当热电极材料选用廉价材料时，补偿导线可以与热电偶使用同一种材料。冷端安装其他类型的温度传感器采集冷端温度，根据热电偶分度表获得冷端补偿电势值，然后在计算机或电子控制器内与热电偶实际输出电势进行代数迭加，通过热电偶分度表，便可由该代数和换算出热电偶实测温度[1]。根据冷端温度采集点的不同，通常有以下两种办法：

内部补偿法：该方法是直接采集计算机内部温度传感器，即集成温度传感器，温度传感器芯片内部集成了温度传感部分、放大电路、驱动电路和信号处理电路，如LM35测温范围可达0~100℃、AD590测温范围可达-50℃~150℃，具有线性度好、精度适中、灵敏度高、体积小的优点，测得的计算机运行环境温度，实现冷端补偿，比较方便、经济。

外部补偿法：外部补偿法为通过热电阻测量热电偶冷端温度，板内提供恒流源供电电流源，如普惠公司PW210S发动机，采用滑油温度作为热电偶的冷端补偿，冷端镶嵌于主滑油温度传感器之中。

热电偶采集系统软件采用热电势相加法进行计算，包括以下几个步骤：

1)热电偶测量端毫伏值测量Vt，ADC转换后结果由计算机或电子控制器读取；

2)热电偶冷端按内部补偿法或外部补偿法测得温度，通过热电偶分度表反查冷端温度对应的毫伏值V0；

3)计算热电偶总电动势E=Vt+V0;利用E值查分度表获得最终热电偶温度。

5 动力涡轮前温度测量方案

涡轴发动机要求动力涡轮前温度的测量采用双余度设计方案，考虑到安装和维护的便捷性，采用发动机左侧和右侧各设置一条动力涡轮测温电缆，每条电缆均包含3个双通道热电偶探针，每个探针都由两个独立热电偶组成。热电偶受感部（热端）位于动力涡轮进口的过渡段，冷端设置在发动机电子控制器上，冷端和热端之间的发动机控制电缆、飞机电缆座位补偿导线，补偿导线采用和热电偶一样的导体材料，即镍铬-镍铝，同时在电子控制器内部集成一个温度传感器，用于测量冷端的实时温度。

发动机运行时，电子控制器可实时采集或计算出热端和冷端的热电势，经过滤波、放大以及AD转换后，便可计算得到动力涡轮前温度的测量值。而双余度的设计方案，可以保证在任何一支热电偶出现故障时，发动机仍能才剩余热电偶的测量值，保证发动机正常运行。

总结

本文对涡轴发动机的动力涡轮前温度测量方法进行了深入研究，对热电偶和补偿导线的材料进行了选型，研究了适用于航空发动机使用的延引热电极法和修正法相结合的冷端补偿方案，并设计了一套涡轴发动机动力涡轮前温度双余度测温方案，可以满足涡轴发动机控制系统的使用要求。

参考文献

[1] 刘夏青，吴斌等， 高精度发动机温度采集系统  《山西电子技术》，2018年第3期；

[2] 樊尚春，周浩敏等，《信号与测试技术》，北京航空航天大学出版社，2002年

[3] 曾令可， 热电偶测温方法，华南理工学院，1983.05.011

[4] 胡春红，郝军等，热电偶冷端补偿方法研究，《科学之友》，2011年9月