熱電偶在燃燒室出口溫度場(chǎng)應用

摘要:燃燒器性能試驗是重點(diǎn)試驗，為燃氣輪機提供了保障。燃燒器出口氣體的溫度分布會(huì )對渦輪導向器葉片和轉子葉片的壽命帶來(lái)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(chǎng)，本文介紹了對其測量的工作原理及測得試驗數據的可靠性。
0引言
　　在燃氣輪機的研發(fā)過(guò)程中，最重要的工作之一就是得到一個(gè)性能良好的燃燒室。近年來(lái)，污染排放限制日益嚴格，燃料適應性要求愈加廣泛，對燃燒室的設計提出了更大的挑戰。
　　分析比較目前國際上典型的重型燃機燃燒器，可以發(fā)現，即使采用了相同的設計原理，但在結構實(shí)現上，卻差異巨大。國外所有掌握先進(jìn)燃燒室技術(shù)的大公司，都具備雄厚的自我研發(fā)實(shí)力，同時(shí)非常注重與科研院所的密切合作和的保護，即使是有關(guān)的論文研究中，一些關(guān)鍵的結構數據乃至名稱(chēng)都嚴加保密，由此可見(jiàn)燃燒室技術(shù)的關(guān)鍵和研發(fā)的難度。
　　對燃氣輪機各個(gè)部件進(jìn)行大量的性能試驗，如圖1所示。該試驗臺可滿(mǎn)足燃燒器常壓試驗和實(shí)壓試驗的要求，為燃氣輪機奠定了基礎。到目前為止，一個(gè)性能良好的燃燒室都是通過(guò)大量的試驗調整，才能使其性能逐步到達設計指標的要求而最終定型的”。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(diǎn)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(huì )對渦輪導向器葉片和轉子葉片的壽命帶來(lái)明顯影響，故測量其出口溫度場(chǎng)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熱電偶的型號規格
　　采用B型熱電偶對燃燒器出口溫度場(chǎng)進(jìn)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(cháng)期最高使用溫度為1600℃,短期最高使用溫度為1800℃左右。
　　B型熱電偶在熱電偶系列中具有精度高，穩定性最好，測溫溫區寬，使用壽命長(cháng)，測溫上限高等優(yōu)點(diǎn)。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(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)是不需用補償導線(xiàn)進(jìn)行補償，因為在0-50℃范圍內熱電勢小于3μV。
 
1.2熱電偶的結構
　　根據燃燒器排氣出口流道的尺寸，采用十點(diǎn)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(méi)有安裝滯止罩，溫度的損失將通過(guò)恢復系數進(jìn)行修正。單點(diǎn)熱電偶的結構如圖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的圓柱結構。根據表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(dòng)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(dòng)勢13.814mV。
 
2B型熱電偶的測量采集模塊
　　在燃燒試驗現場(chǎng)，B型熱電偶到采集模塊使用的連接線(xiàn)為普通銅線(xiàn)，減少了補償導線(xiàn)產(chǎn)生的費用。在燃燒試驗中，熱電偶輸出的熱電動(dòng)勢均用DTS-16數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°C，測量精度分別為±0.25℃(T/K/E/N/J型)、±1℃(S/R型)±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(diǎn):
(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(jìn)行絕熱和均溫處理。
(4)采用溫度補償，提高了工作范圍內的精度。
3測量溫度值的修正
　　由氣體動(dòng)力學(xué)可知，氣體分子無(wú)序運動(dòng)的動(dòng)能用靜溫T來(lái)度量，而分子定向運動(dòng)的動(dòng)能則用動(dòng)溫T,來(lái)度量。氣流的靜溫和動(dòng)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(dòng)時(shí)才能測得。顯然，這是困難的。因此，氣流溫度測量實(shí)際.上就是測量氣流的總溫，而靜溫則可根據測得的總溫和氣流速度公式求得口。
　　測量燃燒器出口溫度時(shí)，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(jìn)行。根據燃燒器空氣入口壓力P3，空氣流量M空,燃料流量M燃;燃燒器內筒壁溫Tw，鉑銠偶絲與陶瓷接觸點(diǎn)的溫度Tz如圖5所示。
 
　　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，Mg=20.34g/s下，燃燒器出口測得的試驗數據，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地=20.9g/s下，燃燒器出口測得的試驗數據，如圖7所示。
 
　　根據測量值修正前后，可計算得出該工況下的平均溫度，OTDF,RTDF等參數，測量值經(jīng)過(guò)修正后，OTDF和RTDF的數值較修正前更加理想，見(jiàn)表2。.
 
4結語(yǔ)
　　燃燒器性能試驗對于戰略發(fā)展起到關(guān)鍵作用，出口溫度場(chǎng)的測量是燃燒器性能試驗重點(diǎn)考察之一。在燃氣輪機的發(fā)展和研制中，測試技術(shù)的進(jìn)步是推動(dòng)其發(fā)展的一-個(gè)重要基礎，選擇接觸式測量方式比非接觸式測量在經(jīng)濟費用上更節省，更可靠3。本文介紹了B型熱電偶在高溫測量中的應用，其特性較穩定，工藝上易實(shí)現，尺寸小，對流場(chǎng)干擾小，有較高的時(shí)間響應，重復性好，可靠性高，從而提高測量的精度。