熱電偶在航空發(fā)動機燃氣溫度誤差分析

摘要:熱電偶是科研與工業(yè)生產(chǎn)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(fā)動機溫度測量中的誤差種類,并分析可能產(chǎn)生的影響，以及探討了誤差的處理方法。
　　在工業(yè)生產(chǎn)以及航空、航天等領域的研究、生產(chǎn)、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(fā)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(fā)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(jié)合點的溫度不同時，會在回路產(chǎn)生熱電勢，即塞貝克電勢，這一現(xiàn)象稱為熱電現(xiàn)象。用它進行溫度的測量是通過依賴所產(chǎn)生熱電勢與兩個接點溫度差之間的--定關系來實現(xiàn)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(tài)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(fā)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(jù)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(jié)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(shù)據(jù)加以推廣,航空發(fā)動機上的熱電偶L/d>50，且使用環(huán)境的Re>>1500，故導熱誤差很小:
2)其選擇罩的材料導熱系數(shù)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(jié)構(gòu)，罩內(nèi)流速不減，罩內(nèi)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(fā)動機內(nèi)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(huán)境之間輻射換熱的結(jié)果。由于發(fā)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(wěn)態(tài)，且忽略熱電偶的導熱，則測量端的輻射誤差為網(wǎng):
 
　　其中，ε為測量端黑度系數(shù);C0為絕對黑體的輻射系數(shù);α為對流換熱系數(shù);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(shù)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(jié)果。氣流流經(jīng)熱電偶測量端時，由于氣體有粘性，所以在附面層內(nèi)氣流將被滯止，從而使動能轉(zhuǎn)化為熱能，引起附面層內(nèi)靜溫升高，并在附面層內(nèi)產(chǎn)生溫度梯度網(wǎng)，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(nèi)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(fā)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(shù);M為氣流馬赫數(shù);k為絕熱系數(shù)。
2結(jié)束語
　　溫度測量的準確性直接關系著航空發(fā)動機的性能及安全。在航空發(fā)動機測試過程中，經(jīng)常需要準確地測量溫度及利用溫度進行自動調(diào)節(jié)和控制。由于航空發(fā)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(chǎn)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(shù)據(jù)的可靠性。