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據的可靠性。
0引言
      在燃氣輪機的研發過程中，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，可以發現，即使采用了相同的設計原理，但在結構實現上，卻差異巨大。國外所有掌握燃燒室技術的大公司，都具備雄厚的自我研發實力，同時非常注重與科研院所的密切合作和自主知識產權的保護，即使是有關的論文研究中，一些關鍵的結構數據乃至名稱都嚴加保密，由此可見燃燒室技術的關鍵和研發的難度。
研發燃氣輪機，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，為自主開發燃氣輪機奠定了基礎。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整，才能使其性能逐步到達設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心，不僅影響其技術經濟指標OTDF和RTDF，還會對渦輪導向器葉片和轉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，穩定性最好，測溫溫區寬，使用壽命長，測溫上限高等優點。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-個明顯的優點是不需用補償導線進行補償，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進行修正。單點熱電偶的結構如圖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型熱電偶產生較大的熱電動勢在450℃以上，更適合測量較高溫度介質。在最高溫度1820℃狀態下，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。

采集模塊主要技術特點:
(1)16輸入通道，8Hz/CH的采樣率，TCP/IP的通訊.協議，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_燃=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，測量值經過修正后，OTDF和RTDF的數值較修正前更加理想，見表2。

4結語
      燃燒器性能試驗對于戰略發展起到關鍵作用，出口溫度場的測量是燃燒器性能試驗重點考察之一。在燃氣輪機的發展和研制中，測試技術的進步是推動其發展的一個重要基礎，選擇接觸式測量方式比非接觸式測量在經濟費用上更節省，更可靠。介紹了B型熱電偶在高溫測量中的應用，其特性較穩定，工藝上易實現，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。