一種熱電偶在燃燒室出口溫度場的測量應用

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OTDF和RTDF，還會對渦輪導向器葉片和轉(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，重復性好，可靠性高，從而提高測量的精度。