熱電偶在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁囟日`差分析

摘要:熱電偶是科研與工業(yè)生產(chǎn)中最常用的測(cè)溫元件之一，其主要特點(diǎn)包括裝配簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍大、使用壽命長(zhǎng)等。本文詳細(xì)介紹了熱電偶在航空發(fā)動(dòng)機(jī)溫度測(cè)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(lǐng)域的研究、生產(chǎn)、試驗(yàn)和應(yīng)用過(guò)程中，常常會(huì)遇到氣流(燃?xì)饬?測(cè)溫問(wèn)題。比如，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中，需要測(cè)量進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、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(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的各部分進(jìn)行溫度測(cè)量。
　　熱電偶測(cè)溫的基本原理是熱電效應(yīng)，即兩種不同的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)兩端接合組成回路，當(dāng)兩個(gè)結(jié)合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，會(huì)在回路產(chǎn)生熱電勢(shì)，即塞貝克電勢(shì)，這一現(xiàn)象稱為熱電現(xiàn)象。用它進(jìn)行溫度的測(cè)量是通過(guò)依賴所產(chǎn)生熱電勢(shì)與兩個(gè)接點(diǎn)溫度差之間的--定關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
1誤差的種類和分析
　　熱電偶測(cè)量氣流溫度時(shí)，在熱平衡條件下，由于傳熱、氣動(dòng)和溫度的動(dòng)態(tài)變化等原因，浸在氣流中熱電偶接點(diǎn)的溫度與氣流溫度之間存在著偏差，這個(gè)差值就是溫度測(cè)量的導(dǎo)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(cè)量端本身的溫度,而不是被測(cè)氣流的溫度。
1.1導(dǎo)熱誤差
　　用熱電偶測(cè)氣體溫度時(shí)，其測(cè)量端除了要與被測(cè)氣流進(jìn)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(cè)量端的溫度就要降低。熱電偶測(cè)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(dǎo)致的誤差就是導(dǎo)熱誤差。
　　用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的高溫?zé)犭娕贾灰ＷC測(cè)量端部冷氣不泄露，且其冷量為最低量，其導(dǎo)熱誤差可忽略不計(jì)。原因包括以下幾點(diǎn):
1)根據(jù)裸絲熱電偶導(dǎo)熱誤差會(huì)隨Ud(L為偶絲伸出長(zhǎng)度，d為偶絲直徑)的增加而減少的試驗(yàn)結(jié)果，可知:當(dāng)L/d=20，電磁干擾Re>1500時(shí)，導(dǎo)熱誤差近似為零。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)加以推廣,航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的熱電偶L/d>50，且使用環(huán)境的Re>>1500，故導(dǎo)熱誤差很小:
2)其選擇罩的材料導(dǎo)熱系數(shù)很小，這將使導(dǎo)熱熱阻增大，導(dǎo)熱誤差減小;
3)屏蔽罩的設(shè)計(jì)采用屏蔽結(jié)構(gòu)，罩內(nèi)流速不減，罩內(nèi)的熱接點(diǎn)具有很強(qiáng)的對(duì)流換熱，所以其導(dǎo)熱誤差很小。
　　因此，在測(cè)量航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度時(shí)，可以認(rèn)為其導(dǎo)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(dòng)機(jī)中的氣體是透明體，所以熱電偶測(cè)量端與氣流之間的輻射換熱可以忽略不計(jì)。為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，假定氣流為穩(wěn)態(tài)，且忽略熱電偶的導(dǎo)熱，則測(cè)量端的輻射誤差為網(wǎng):
 
　　其中，ε為測(cè)量端黑度系數(shù);C0為絕對(duì)黑體的輻射系數(shù);α為對(duì)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(qiáng)對(duì)流換熱和減弱輻射換熱的因素，都可以用來(lái)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(cè)量端與其對(duì)應(yīng)壁面的溫差，最簡(jiǎn)單有效的方法就是對(duì)測(cè)量端加裝屏蔽罩。
2)增大換熱系數(shù)a,如增加流過(guò)測(cè)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(dòng)量沒(méi)有完全恢復(fù)的結(jié)果。氣流流經(jīng)熱電偶測(cè)量端時(shí)，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(dòng)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(shí)，緊貼測(cè)量端壁面的那部分高溫氣體又會(huì)向溫度較低的外層氣體傳熱。當(dāng)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(guò)程達(dá)到熱平衡時(shí)，在測(cè)量端與外界完全絕熱的情況下，測(cè)量端壁面與緊貼壁面的那部分氣體將達(dá)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(dòng)機(jī)中速度誤差可以用如下公式求算:
 
　　其中，r為速度恢復(fù)系數(shù);M為氣流馬赫數(shù);k為絕熱系數(shù)。
2結(jié)束語(yǔ)
　　溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性直接關(guān)系著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能及安全。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試過(guò)程中，經(jīng)常需要準(zhǔn)確地測(cè)量溫度及利用溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的溫度場(chǎng)極度不均勻，且伴有腐蝕性氣流的高速?zèng)_刷，誤差的產(chǎn)生不可避免。本文介紹了測(cè)溫過(guò)程中三種主要的誤差，并闡述了一些簡(jiǎn)單且行之有效的處理方法，借此可以有效提高熱電偶測(cè)溫過(guò)程中的測(cè)量精度，從而保證測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性。