一種熱電偶在燃燒室出口溫度場的測量應(yīng)用

摘要：燃燒器性能試驗是重點試驗,，為自主研發(fā)燃氣輪機提供了保障,。燃燒器出口氣體的溫度分布會對渦輪導(dǎo)向器葉片和轉(zhuǎn)子葉片的壽命帶來明顯的影響，為測量某燃燒器出口氣體溫度分布,，采用B型熱電偶探針測量出口溫度場,，介紹了對其測量的工作原理及測得試驗數(shù)據(jù)的可靠性。
0引言
      在燃氣輪機的研發(fā)過程中,，工作之一就是得到一個性能良好的燃燒室。近年來,，污染排放限制日益嚴格,，燃料適應(yīng)性要求愈加廣泛,，對燃燒室的設(shè)計提出了更大的挑戰(zhàn),。
分析比較目前國際上典型的重型燃機燃燒器,，可以發(fā)現(xiàn)，即使采用了相同的設(shè)計原理,，但在結(jié)構(gòu)實現(xiàn)上，卻差異巨大,。國外所有掌握燃燒室技術(shù)的大公司,，都具備雄厚的自我研發(fā)實力,，同時非常注重與科研院所的密切合作和自主知識產(chǎn)權(quán)的保護，即使是有關(guān)的論文研究中,，一些關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)乃至名稱都嚴加保密,，由此可見燃燒室技術(shù)的關(guān)鍵和研發(fā)的難度。
研發(fā)燃氣輪機,，對燃氣輪機各個部件進行大量的性能試驗,，如圖1所示。該試驗臺可滿足燃燒器常壓試驗和實壓試驗的要求,，為自主開發(fā)燃氣輪機奠定了基礎(chǔ),。到目前為止，一個性能良好的燃燒室都是通過大量的試驗調(diào)整,，才能使其性能逐步到達設(shè)計指標(biāo)的要求而最終定型的[1],。對于燃燒室出口徑向平均溫度分布,，出口溫度沿周向分布的均勻性和最大溫度點的溫度及位置都十分關(guān)心，不僅影響其技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)OTDF和RTDF,，還會對渦輪導(dǎo)向器葉片和轉(zhuǎn)子葉片的壽命帶來明顯影響,，故測量其出口溫度場分布是燃燒器試驗中必須經(jīng)歷的階段,。

1試驗所用的溫度測量耙
1.1熱電偶的型號規(guī)格
      采用B型熱電偶對燃燒器出口溫度場進行測量,，該溫度測量耙為鉑銠30-鉑銠6(B型)熱電偶，正極(BP)的名義化學(xué)成分為鉑銠合金,，其中含銠為30%,，含鉑為70%,負極(BN)為鉑銠合金,含銠為6%。該熱電偶長期最高使用溫度為1600℃,，短期最高使用溫度為1800C左右,。B型熱電偶在熱電偶系列中具有精度最高,，穩(wěn)定性最好，測溫溫區(qū)寬,，使用壽命長,，測溫上限高等優(yōu)點。適用于氧化性和惰性氣氛中,，也可短期用于真空中,，但不適用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸氣氣體中。B型熱電偶一-個明顯的優(yōu)點是不需用補償導(dǎo)線進行補償,，因為在0-50℃范圍內(nèi)熱電勢小于3μV。
1.2熱電偶的結(jié)構(gòu)
       根據(jù)燃燒器排氣出口流道的尺寸,，采用十點的B型熱電偶溫度測量耙,，如圖2所示。由于排氣出口流道尺寸限制,，該測量耙偶絲前端沒有安裝滯止罩,，溫度的損失將通過恢復(fù)系數(shù)進行修正,。單點熱電偶的結(jié)構(gòu)如圖3。該熱電偶的正負極采用球形焊接,，焊接球頭直徑不大于φ1.2mm,球頭圓心距冷卻陶瓷端面為5mm,，陶瓷采用φ1.2mm的圓柱結(jié)構(gòu)。根據(jù)表1鉑銠30-鉑銠6熱電偶的分度表所示,，B型熱電偶產(chǎn)生較大的熱電動勢在450℃以上,，更適合測量較高溫度介質(zhì),。在最高溫度1820℃狀態(tài)下，可輸出熱電動勢13.814mV.


2.B型熱電偶的測量采集模塊
      在燃燒試驗現(xiàn)場,，B型熱電偶到采集模塊使用的連接線為普通銅線,，減少了補償導(dǎo)線產(chǎn)生的費用。在燃燒試驗中,，熱電偶輸出的熱電動勢均用DTS-16數(shù)字熱電偶采集模塊測量,，該采集模塊適合于T型,、K型,、E型,、S型、B型,、R型等多種型號熱電偶,，測量范圍-270~1820℃,測量精度分別為士0.25℃(T/K/E/N/J型)、士1℃(S/R型),、土2℃(B型)。DTS-16熱電偶采集模塊主要組成如圖4所示,。

采集模塊主要技術(shù)特點:
(1)16輸入通道，8Hz/CH的采樣率,，TCP/IP的通訊.協(xié)議,，0-50℃的工作溫度,，24V/2A的電源。
(2)模塊采用單通隔離方式,，隔離電壓達2500V,。
(3)冷端進行絕熱和均溫處理,。
(4)采用溫度補償，提高了工作范圍內(nèi)的精度,。
3測量溫度值的修正
由氣體動力學(xué)可知,，氣體分子無序運動的動能用靜溫T來度量，而分子定向運動的動能則用動溫T,來度量,。氣流的靜溫和動溫之和即為氣流的總溫T,。

      在接觸式測溫中,，靜溫只能在感受器以同樣速度與氣流.一起運動時才能測得,。顯然,，這是困難的,。因此,，氣流溫度測量實際上就是測量氣流的總溫，而靜溫則可根據(jù)測得的總溫和氣流速度公式求得,。
      測量燃燒器出口溫度時，不但存在速度誤差,，而且還存在傳熱誤差,。對于低速(Ma<0.2)高溫氣流的溫度測量，傳熱誤差是主要的,。該試驗的燃燒器氣流出口馬赫數(shù)Ma<0.2，故在測量溫度值修正中不考慮速度的影響,。
       熱交換主要以對流,、輻射和導(dǎo)熱三種形式進行。根據(jù)燃燒器空氣入口壓力P3,，空氣流量M_空,，燃料流量M_燃，燃燒器內(nèi)筒壁溫Tw,，鉑銠偶絲與陶瓷接觸點的溫度Tz如圖5所示,。

由以上條件，可得到溫度修正值T*與測量值T的關(guān)系表達式：
T*=1.047×T+44.58
在空氣流量為850g/s,AFR==41.9,，值班管路2.1g/s,主B閥:主A閥=1.36,，M_燃=20.34g/s下，燃燒器出口測得的試驗數(shù)據(jù),，如圖6所示,。

在空氣流量為850g/s,AFR==40.6,值班管路2.07g/s,主B閥:主A閥=1,M_燃=20.9g/s下,，燃燒器出口測得的試驗數(shù)據(jù),，如圖7所示。

        根據(jù)測量值修正前后,，可計算得出該工況下的平均溫度，OTDF,RTDF等參數(shù),，測量值經(jīng)過修正后，OTDF和RTDF的數(shù)值較修正前更加理想,，見表2,。

4結(jié)語
      燃燒器性能試驗對于戰(zhàn)略發(fā)展起到關(guān)鍵作用，出口溫度場的測量是燃燒器性能試驗重點考察之一,。在燃氣輪機的發(fā)展和研制中,，測試技術(shù)的進步是推動其發(fā)展的一個重要基礎(chǔ)，選擇接觸式測量方式比非接觸式測量在經(jīng)濟費用上更節(jié)省,，更可靠。介紹了B型熱電偶在高溫測量中的應(yīng)用,，其特性較穩(wěn)定,，工藝上易實現(xiàn)，尺寸小,，對流場干擾小,，有較高的時間響應(yīng)，重復(fù)性好,，可靠性高,，從而提高測量的精度。