高速推进系统温度测量技术发展现状

doi:10.13675/j.cnki.tjjs.200319

推进技术 ›› 2020, Vol. 41 ›› Issue (9): 2130-2142.DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200319

高速推进系统温度测量技术发展现状

付蒙¹，张海洲^1,2，殷建锋¹，蒋妮¹，李俊杰¹

1.北京动力机械研究所，北京 100074;2.西北工业大学航天学院，陕西西安 710072

出版日期:2020-09-15 发布日期:2020-09-15
作者简介:付　蒙，博士生，工程师，研究领域为振动及振动主动控制、非标试验设备控制与测量系统设计。E-mail：fumeng@mail.nwpu.edu.cn
基金资助:
两机专项基础研究（2017-IV-0005-0042）。

Development Status of Temperature Measurement Technology for High Speed Propulsion System

1.Beijing Power Machinery Institute,Beijing 100074,China;2.School of Astronautics,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China

Online:2020-09-15 Published:2020-09-15

摘要/Abstract

摘要： 针对高速推进系统温度测量传感器的设计方法、测量误差等核心问题，综述了现阶段高速推进系统接触式和非接触式温度测量的方法。其中，重点综述了辐射与红外测量、可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）、相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）及温度敏感涂料（TSP）等非接触温度测量技术在高速推进系统应用的研究进展和发展趋势，并分析了上述温度测量技术存在的问题。

关键词: 高速推进系统;温度测量;薄膜热电偶;可调谐二极管激光吸收光谱;相干反斯托克斯拉曼散射;温度敏感涂料;非接触式测量

Abstract: Aiming at the key issues such as design method, measurement error of high speed propulsion system temperature measurement sensor, the current method of intrusive and non-intrusive measurement of temperature for high speed propulsion system was summarized. This review is focused on the application of non-intrusive measurement of temperature, such as radiation and infrared imaging, tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS), coherent anti-stokes Raman scattering (CARS) and temperature sensitive paint (TSP) in high speed propulsion system. The existing problems of the above temperature measurement technology were addressed.

Key words: High speed propulsion system;Temperature measurement;Thin film thermocouple;Tunable diode laser absorption spectroscopy(TDLAS);Coherent anti-stokes Raman scattering(CARS);Temperature sensitive paint(TSP);Non-intrusive measurement

付蒙，张海洲，殷建锋，蒋妮，李俊杰. 高速推进系统温度测量技术发展现状[J]. 推进技术, 2020, 41(9): 2130-2142.

FU Meng¹, ZHANG Hai-zhou^1,2, YIN Jian-feng¹, JIANG Ni¹, LI Jun-jie¹. Development Status of Temperature Measurement Technology for High Speed Propulsion System[J]. Journal of Propulsion Technology, 2020, 41(9): 2130-2142.

参考文献

[1] 孙冰, 王太平, 刘迪, 等. 热容燃烧室基于单点温度的热流测量方法研究[J]. 推进技术, 2018, 39(4): 881-887.
[2] 邓进军, 李凯, 王云龙, 等. 航空发动机内壁高温测试技术[J]. 微纳电子技术, 2015, 52(3): 178-184.
[3] 曹向宇，夏智勋，黄利亚. 基于辐射成像的固体燃料燃烧温度测量技术综述[J]. 固体火箭技术, 2018, 41(5): 650-657.
[4] 李龙, 范学军, 王晶. 高温壁面热流与温度一体化测量传感器研究[J]. 实验流体力学， 2012， 26（1）： 93-99.
[5] 刘慧莉, 贾云飞, 曾庆徳, 等. 火箭发动机燃温测试传感器设计[J]. 测试技术学报, 2017, 4(31): 346-351.
[6] 余西龙, 郭颜红, 门们, 等. 应用于固体火箭发动机喷管出口羽流温度测量的光学辐射高温计[J]. 导弹与航天运载技术, 2008, 294(2): 53-55.
[7] 邵靖，段力，王强, 等. MEMS高温温度传感器的研制与测量精度研究[J]. 传感技术学报, 2017, 30(9): 1352-1358.
[8] 孙力, 刘超. 航空发动机涡轮叶片温度非接触测量[C]. 沈阳: 中国航空学会第八届动力年会, 2014.
[9] 赖小皇, 于兵, 马晓东. 基于激光的航空发动机转子部件参数非接触传输系统[J]. 电子器件, 2016, 39(5): 1224-1231.
[10] 胡伟, 杜少辉, 王德友. 基于无转速定位信号的非接触叶片振动测试技术[J]. 航空发动机, 2012, 38(6): 53-57.
[11] 胡成海, 王磊, 朱勇. 叶片型面非接触测量系统设计与实现[J]. 航空精密制造技术, 2016, 52(1): 16-24.
[12] 张校东, 刘忠奎, 薛秀生, 等. 无冷却高温热电偶设计及应用[J]. 航空发动机, 2019, 45(1): 87-91.
[13] 冮强, 王辽, 郭金鑫，等. 基于总温测量的超燃冲压发动机燃烧效率研究[J]. 实验流体力学, 2012, 26(4): 1-5.
[14] 赵俭, 杨永军, 王鹏. 2600K瞬态高温气流温度测量技术研究[J]. 计量学报, 2012, 33(2): 41-44.
[15] Dong Y, Wang E, You Y, et al. Thermal Protection System and Thermal Management for Combined-Cycle Engine: Review and Prospects[J]. Energies, 2019, 12(2): 1-51.
[16] Padture N P. Advanced Structural Ceramics in Aerospace Propulsion[J]. Nature Materials, 2016, 15(8): 804-809.
[17] Glass D E, Capriotti D P, Reimer T, et al. Testing of Refractory Composites for Scramjet Combustors[J]. Journal of Propulsion and Power, 2016, 32: 1550-1556.
[18] 崔云先, 杨琮, 薛生俊, 等. C/SiC复合材料表面高温瞬态温度传感器的研究[J]. 仪器仪表学报, 2019, 40(3): 163-171.
[19] Satish T N, Rakesh K P, Uma G, et al. Functional Validation of K-Type Thin Film Thermocouple on Low Pressure Turbine Nozzle Guide Vane of Gas Turbine Engine[J]. Experimental Techniques, 2016, 41(2): 1-8.
[20] 王伟超, 张军战, 张颖, 等. 薄膜热电偶的研究进展[J]. 表面技术, 2019, 48(10): 139-147.
[21] Gregory O J, Busch E, Fralick G C, et al. Preparation and Characterization of Ceramic Thin Film Thermocouples[J]. Thin Solid Films, 2010, 518(5): 6093-6098.
[22] Trelewicz J, Longtin J P, Gouldstone C. Heat Flux Measurements in a Scramjet Combustor Using Embedded Direct-Write Sensors[J]. Journal of Propulsion and Power, 2015, 31(4): 1003-1013.
[23] 马旭轮, 苑伟政, 马炳和, 等. CFCC-SiC基底NiCr/NiSi薄膜热电偶制备及性能研究[J]. 传感技术学报, 2014, 27(3): 304-307.
[24] Jin X H, Ma B H, Qiu T, et al. ITO Thin Film Thermocouple for Transient High Temperature Measurement in Scramjet Combustor[C]. Kaohsiung: Transducers-19th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, 2017: 1148-1151.
[25] 金新航, 马炳和, 邱涛, 等. 超燃冲压发动机温度及热流测量技术研究进展[J]. 试验流体力学, 2018, 32(2): 74-81.
[26] Liu C L, Von Wolfersdorf J, Zhai Y N. Time-Resolved Heat Transfer Characteristics for Periodically Pulsating Turbulent Flows with Time Varying Flow Temperatures[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2015, 89: 222-233.
[27] Liu Y, Ren W, Shi P, et al. A Highly Thermostable In₂O₃/ITO Thin Film Thermocouple Prepared via Screen Printing for High Temperature Measurements[J]. Sensors, 2018, 18(4): 958-966.
[28] 王棒, 李亦军, 王高, 等. 发动机燃烧室出口温度分布测试的新型传感器[J]. 中国测试, 2019, 45(8): 112-117.
[29] 胡建新, 夏智勋, 张龙, 等. 固体火箭冲压发动机补燃室燃烧过程显示[J]. 推进技术, 2007, 28(4): 337-341.
[30] 刘道平. 固体火箭冲压发动机条件下硼颗粒燃烧过程试验研究[D]. 长沙: 国防科技大学, 2015.
[31] 杨斌, 郭浩然, 桂欣扬, 等. 利用辐射光谱法在线测量固体火箭推进剂燃烧温度[J]. 光谱学与光谱分析, 2018, 38(6): 1958-1962.
[32] 杨斌, 桂欣扬, 周骛, 等. 利用辐射光谱法开展发动机燃烧火焰参数在线测量[J]. 航空动力学报, 2015, 30(12): 2904-2909.
[33] 徐朝启, 何国强, 刘佩进, 等. 固体推进剂燃烧温度的双波长测试方法[J]. 固体火箭技术, 2010, 33(5): 594-598.
[34] 徐峰, 罗军, 彭飞. 火箭发动机试验红外测温技术应用[J]. 火箭推进, 2017, 43(1): 78-84.
[35] 毛羽丰, 李运泽, 王晶, 等. 基于红外热成像的热流分布测量技术[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(8): 27-32.
[36] 陈豪, 李帅辉, 陈涉, 等. 过氧化氢-煤油火箭发动机喷流红外辐射亮度的精确测量[J]. 实验流体力学, 2019, 33(5): 77-81.
[37] 阚瑞峰, 夏晖晖, 许振宇, 等. 激光吸收光谱流场诊断技术应用研究与进展[J]. 中国激光, 2018, 45(9): 67-82.
[38] 符鹏飞, 超星, 侯凌云, 等. 基于TDLAS技术的煤油燃烧温度与组分分布检测[J]. 工程热物理学报, 2019, 40(9): 2176-2182.
[39] 范玮, 严传俊, 张群, 等. 基于可调二极管激光红外吸收的燃烧诊断技术[J]. 推进技术, 2003, 24(2): 186-189.
[40] Krishna Y, O' Byrne S. Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy as a Flow Diagnostic Tool: A Review[J]. Journal of the Indian Institute of Science, 2016, 96(1): 17-28.
[41] 余西龙, 曾徽, 林鑫, 等. 可调谐二极管激光吸收光谱诊断技术: 原理和应用[J]. 气体物理, 2016, 1(5): 52-63.
[42] Rieker G B. Wavelength-Modulation Spectroscopy for Measurements of Gas Temperature and Concentration in Harsh Environments[D]. Stanford: Stanford University, 2009.
[43] 李飞, 余西龙, 陈立红, 等. TDLAS测量甲烷/空气预混平面火焰温度和H₂O浓度[J]. 实验流体力学, 2009, 23(2): 40-44.
[44] Li F, Yu X L, Gu H B, et al. Simultaneous Measurements of Multiple Flow Parameters for Scramjet Characterization Using Tunable Diode-Laser Sensors[J]. Applied Optics, 2011, 50(36): 6697-6707.
[45] 李飞, 余西龙, 林鑫, 等. 基于TDLAS的层析成像技术[J]. 力学学报, 2014, 46(1): 54-59.
[46] 王广宇, 洪延姬, 潘虎, 等. 二极管激光吸收传感器测量超声速流场的温度和速度[J]. 光学学报, 2013, 33(9): 199-205.
[47] 陶波, 王晟, 胡志云, 等. TDLAS 技术二次谐波法测量发动机温度[J]. 实验流体力学, 2015, 29(2): 68-72.
[48] 陶波, 赵新艳, 胡志云, 等. 基于可调谐二极管激光吸收光谱波长调制技术在线测量燃烧场温度[J]. 强激光与粒子束, 2011, 23(6): 1497-1500.
[49] 陶波, 叶景峰, 赵新艳, 等. 基于激光吸收光谱技术测量瞬态超声速流场温度[J]. 中国激光, 2011, 38(12): 222-225.
[50] Busa K M, Rice B E, Fulton J A, et al. Scramjet Combustion Efficiency Measurement via Tomographic Absorption Spectroscopy and Particle Image Velocimetry[J]. AIAA Journal, 2016, 54(8): 2463-2471.
[51] 戴斌, 阮俊, 许振宇, 等. 基于TDLAS技术的燃烧室出口温度场测量[J]. 燃气涡轮试验与研究, 2015, 28(4): 49-56.
[52] 聂伟, 阚瑞峰, 杨晨光, 等. 可调谐二极管激光吸收光谱技术的应用研究进展[J]. 中国激光, 2018, 45(9): 9-29.
[53] 张步强, 许振宇, 刘建国, 等. 基于波长调制技术的高温高压流场温度测量方法[J]. 物理学报, 2019, 68(23).
[54] 陶波, 王晟, 胡志云, 等. TDLAS与CARS共线测量发动机温度[J]. 工程热物理学报, 2015, 36(10): 2282-2286.
[55] 赵俭. 基于CARS的高温燃气温度测量技术[J]. 计测技术, 2015, 35(2): 1-5.
[56] 李仁兵, 苏铁, 张龙, 等. 燃烧流场线CARS测温技术研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2016, 36(12): 3968-3972.
[57] 晏至辉, 肖保国, 何粲, 等. 煤油燃料超燃发动机燃烧室温度测量与计算分析[J]. 航空动力学报, 2019, 34(3): 521-528.
[58] 张立荣, 胡志云, 叶景峰, 等. 移动式CARS系统测量超声速燃烧室出口温度[J]. 中国激光, 2013, 40(4): 206-210.
[59] 尚金奎, 王鹏, 陈柳生, 等. TSP技术在转捩检测中的应用研究[J]. 空气动力学学报, 2015, 33(4): 464-469.
[60] Liu T, Cai Z, Lai J, et al. Analytical Methods for Determination of Heat Transfer Fields from Temperature Sensitive Paint Measurements in Hypersonic Tunnels[C]. Orlando: 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, 2009.
[61] 杨雷超, 王喜超. 高超声速流动中温度敏感涂料测温技术研究[C]. 青岛: 高等学校工程热物理第二十届全国学术会议, 2014.

高速推进系统温度测量技术发展现状

Development Status of Temperature Measurement Technology for High Speed Propulsion System

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 0

编辑推荐

Metrics

本文评价