熱電偶在航空發動機燃氣溫度誤差分析

摘要:熱電偶是科研與工業生產中最常用的測溫元件之一，其主要特點包括裝配簡單、測量范圍大、使用壽命長等。本文詳細介紹了熱電偶在航空發動機溫度測量中的誤差種類,并分析可能產生的影響，以及探討了誤差的處理方法。
　　在工業生產以及航空、航天等領域的研究、生產、試驗和應用過程中，常常會遇到氣流(燃氣流)測溫問題。比如，在航空發動機研制過程中，需要測量進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和加力燃燒室等位置的氣流溫度，一般情況下，選擇熱電偶對航空發動機的各部分進行溫度測量。
　　熱電偶測溫的基本原理是熱電效應，即兩種不同的導體(或半導體)兩端接合組成回路，當兩個結合點的溫度不同時，會在回路產生熱電勢，即塞貝克電勢，這一現象稱為熱電現象。用它進行溫度的測量是通過依賴所產生熱電勢與兩個接點溫度差之間的--定關系來實現的。
1誤差的種類和分析
　　熱電偶測量氣流溫度時，在熱平衡條件下，由于傳熱、氣動和溫度的動態變化等原因，浸在氣流中熱電偶接點的溫度與氣流溫度之間存在著偏差，這個差值就是溫度測量的導熱誤差、輻射誤差和速度誤差之和"，故其指示溫度只是熱電偶測量端本身的溫度,而不是被測氣流的溫度。
1.1導熱誤差
　　用熱電偶測氣體溫度時，其測量端除了要與被測氣流進行熱交換外，還要向熱電偶溫度較低的根部以及底座傳熱，故測量端的溫度就要降低。熱電偶測量端向外界傳遞熱量越劇烈，其溫度偏離氣流溫度就越大，這種因熱電偶傳熱所導致的誤差就是導熱誤差。
　　用于航空發動機上的高溫熱電偶只要保證測量端部冷氣不泄露，且其冷量為最低量，其導熱誤差可忽略不計。原因包括以下幾點:
1)根據裸絲熱電偶導熱誤差會隨Ud(L為偶絲伸出長度，d為偶絲直徑)的增加而減少的試驗結果，可知:當L/d=20，電磁干擾Re>1500時，導熱誤差近似為零。將試驗數據加以推廣,航空發動機上的熱電偶L/d>50，且使用環境的Re>>1500，故導熱誤差很小:
2)其選擇罩的材料導熱系數很小，這將使導熱熱阻增大，導熱誤差減小;
3)屏蔽罩的設計采用屏蔽結構，罩內流速不減，罩內的熱接點具有很強的對流換熱，所以其導熱誤差很小。
　　因此，在測量航空發動機內部溫度時，可以認為其導熱誤差△Tc約為0。
1.2輻射誤差
　　輻射誤差是熱電偶與其周圍環境之間輻射換熱的結果。由于發動機中的氣體是透明體，所以熱電偶測量端與氣流之間的輻射換熱可以忽略不計。為簡明起見，假定氣流為穩態，且忽略熱電偶的導熱，則測量端的輻射誤差為網:
 
　　其中，ε為測量端黑度系數;C0為絕對黑體的輻射系數;α為對流換熱系數;Tj為熱電偶感受的溫度;Tw為屏蔽罩的壁溫。
　　原則上，凡是能增強對流換熱和減弱輻射換熱的因素，都可以用來減小輻射誤差。由上式可以看出，減小輻射誤差的具體方法有:
1)減小測量端與其對應壁面的溫差，最簡單有效的方法就是對測量端加裝屏蔽罩。
2)增大換熱系數a,如增加流過測量端、屏蔽罩的氣流速度，減小熱電極直徑等。
3)減小黑度ε。
1.3速度誤差
　　速度誤差是氣體動量沒有完全恢復的結果。氣流流經熱電偶測量端時，由于氣體有粘性，所以在附面層內氣流將被滯止，從而使動能轉化為熱能，引起附面層內靜溫升高，并在附面層內產生溫度梯度網，同時，緊貼測量端壁面的那部分高溫氣體又會向溫度較低的外層氣體傳熱。當氣流滯止引起氣體溫度上升與附面層內傳熱引起氣體溫度下降這兩種過程達到熱平衡時，在測量端與外界完全絕熱的情況下，測量端壁面與緊貼壁面的那部分氣體將達到某-平衡溫度，稱為氣流的有效溫度用。氣流總溫7*與氣流的有效溫度Tg之差就是速度誤差。在航空發動機中速度誤差可以用如下公式求算:
 
　　其中，r為速度恢復系數;M為氣流馬赫數;k為絕熱系數。
2結束語
　　溫度測量的準確性直接關系著航空發動機的性能及安全。在航空發動機測試過程中，經常需要準確地測量溫度及利用溫度進行自動調節和控制。由于航空發動機中的溫度場極度不均勻，且伴有腐蝕性氣流的高速沖刷，誤差的產生不可避免。本文介紹了測溫過程中三種主要的誤差，并闡述了一些簡單且行之有效的處理方法，借此可以有效提高熱電偶測溫過程中的測量精度，從而保證測試數據的可靠性。