基于双屏吹气偶的现场K型参考温度传感器设计

　　0　引言

　　在航空发动机的研制过程中,各单位根据自身的需要,研制了大量不同结构类型的温度传感器,用来对气流温度进行测量。由于接触式气流温度传感器在测量时存在各种稳态与动态误差,需要对其进行校准。当前的校准一般是在热校准风洞上,以双屏吸气式热电偶作为参考温度传感器,模拟现场的工况进行。但国内现有的热校准风洞都是常压,并且风洞的内壁温度与实际的环境壁温也不尽相同,与发动机试车台现场温度传感器的实际使用条件有差别,所以在热风洞上校准的结果有时不能令人信服。本文即针对此问题,设计一种适用于航空发动机现场的参考温度传感器——双屏吹气式热电偶(简称双屏吹气偶),用于对发动机试车台上使用的气流温度传感器进行现场校准。

　　1　传感器结构设计

　　现场K型双屏吹气偶的设计,首先是根据现场试车台的结构尺寸与安装尺寸等确定传感器的总体结构尺寸,再根据理论计算与经验数据设计偶丝接点的尺寸、偶丝裸露长度等基本参数,依据用于实验室的K型参考温度传感器优化设计结果确定内屏的进出气口面积比,然后通过数值计算,确定外屏的结构参数以及内外屏之间的环形流道尺寸等。

　　现场K型双屏吹气偶的外形结构简图如图1所示。

　　传感器有内屏和外屏两层屏蔽罩,内屏和外屏之间形成一个环形通道(简称环道),热电偶绝缘套管封装在内屏里。在外屏头部附近有一个进气孔,外屏出气孔与外界大气相通,高温气流在来流压力的作用下,由外屏进气孔进入双屏偶内部。靠近热电偶丝根部位置附近的内屏壁面上开有出气的小孔,内屏的头部附近设计有3个翅片,用于支撑内屏,同时可以使内屏头部附近环道内的气流加速。

　　1·1　热电偶设计

　　由于内屏内部气流速度较低,兼顾动态特性和机械强度两个因素,偶丝选用0·5mm的K型偶丝。由于现场的安装孔直径较小,为节省空间,并考虑到现场的机械振动情况,选用铠装偶。偶丝采用氩弧焊,头部焊接成球形,焊球直径控制在偶丝直径的2~2·5倍;偶丝露出端面的长度与偶丝直径之比(长径比)将直接影响到导热误差的大小,根据以往的计算和试验结果,选择长径比为20。由于偶丝部分是传感器主要的感温元件,因此在加工时应严格控制尺寸精度,以减小由于加工误差引入的系统测温误差。

　　1·2　内屏的设计

　　双屏偶在测量气流温度时,会存在辐射误差、导热误差和速度误差。增加热电偶接点周围的气流速度以及提高屏蔽罩的温度可有效减小辐射误差和导热误差,速度太高时又会增大速度误差,因此为有效减小测温误差,在一定的来流条件下,双屏偶内屏内存在一个最佳的内流速度使传感器测温误差最小。在双屏偶结构设计中,内屏蔽罩排气孔面积决定了内屏蔽罩内气流速度。在前期进行实验室K型双屏吸气偶的设计时,对内屏最佳进出气口面积比进行了研究,并通过风洞试验进行验证,确定了使得综合测温误差最小的最佳内屏进出气口面积比,本设计将引用该研究结果。