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铂铑热电偶

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一种热电偶在燃烧室出口温度场的测量应用

来源:www.camelsaust.com作者:发表时间:2019-10-14

    摘要:燃烧器性能试验是本公司重点试验,为自主研发燃气轮机提供了保障。燃烧器出口气体的温度分布会对涡轮导向器叶片和转子叶片的寿命带来明显的影响,为测量某燃烧器出口气体温度分布,采用B型热电偶探针测量出口温度场,本文介绍了对其测量的工作原理及测得试验数据的可靠性。

    0 引言
    在燃气轮机的研发过程中,最重要的工作之一就是得到一个性能良好的燃烧室。近年来,污染排放限制日益严格,燃料适应性要求愈加广泛,对燃烧室的设计提出了更大的挑战。

    分析比较目前国际上典型的重型燃机燃烧器,可以发现,即使采用了相同的设计原理,但在结构实现上,却差异巨大。国外所有掌握先进燃烧室技术的大公司,都具备雄厚的自我研发实力,同时非常注重与科研院所的密切合作和自主知识产权的保护,即使是有关的论文研究中,一些关键的结构数据乃至名称都严加保密,由此可见燃烧室技术的关键和研发的难度。

    本公司大力研发燃气轮机,对燃气轮机各个部件进行大量的性能试验,如图 1 所示。该试验台可满足燃烧器常压试验和实压试验的要求,为本公司自主开发燃气轮机奠定了基础。到目前为止,一个性能良好的燃烧室都是通过大量的试验调整,才能使其性能逐步到达设计指标的要求而最终定型的 [1]。对于燃烧室出口径向平均温度分布,出口温度沿周向分布的均匀性和最大温度点的温度及位置都十分关心,不仅影响其技术经济指标 OTDF 和 RTDF,还会对涡轮导向器叶片和转子叶片的寿命带来明显影响,故测量其出口温度场分布是燃烧器试验中必须经历的阶段。

 

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    1 试验所用的温度测量耙
    1.1 热电偶的型号规格
    采用 B 型热电偶对燃烧器出口温度场进行测量,该温度测量耙为铂铑 30- 铂铑 6(B 型)热电偶,正极(BP)的名义化学成分为铂铑合金,其中含铑为 30%,含铂为 70%,负极(BN)为铂铑合金,含铑为 6%。该热电偶长期最高使用温度为 1600℃,短期最高使用温度为 1800℃左右。B 型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高,稳定性最好,测温温区宽,使用寿命长,测温上限高等优点。适用于氧化性和惰性气氛中,也可短期用于真空中,但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气气体中。B 型热电偶一个明显的优点是不需用补偿导线进行补偿,因为在 0-50℃范围内热电势小于 3μV。

    1.2 热电偶的结构
    根据燃烧器排气出口流道的尺寸,采用十点的 B 型热电偶温度测量耙,如图 2 所示。由于排气出口流道尺寸限制,该测量耙偶丝前端没有安装滞止罩,温度的损失将通过恢复系数进行修正。单点热电偶的结构如图 3。该热电偶的正负极采用球形焊接,焊接球头直径不大于 φ1.2mm, 球头圆心距冷却陶瓷端面为 5mm,陶瓷采用 φ1.2mm 的圆柱结构。根据表 1 铂铑 30- 铂铑 6 热电偶的分度表所示,B型热电偶产生较大的热电动势在 450℃以上,更适合测量较高温度介质。在最高温度 1820℃状态下,可输出热电动势13.814mV。

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    2 B 型热电偶的测量采集模块
    在燃烧试验现场,B 型热电偶到采集模块使用的连接线为普通铜线,减少了补偿导线产生的费用。在燃烧试验中,热电偶输出的热电动势均用 DTS-16 数字热电偶采集模块测量,该采集模块适合于 T 型、K 型、E 型、S 型、B 型、R 型等多种型号热电偶,测量范围 -270 ~ 1820℃,测量精度分别为±0.25 ℃(T/K/E/N/J 型)、±1 ℃(S/R 型)、±2℃(B 型)。DTS-16 热电偶采集模块主要组成如图 4 所示。

 

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    采集模块主要技术特点:
   (1)16 输入通道,8Hz/CH 的采样率,TCP/IP 的通讯协议,0-50℃的工作温度,24V/2A 的电源。
   (2) 模块采用单通隔离方式,隔离电压达 2500V。
   (3) 冷端进行绝热和均温处理。
   (4) 采用温度补偿,提高了工作范围内的精度。

    3 测量温度值的修正
    由气体动力学可知,气体分子无序运动的动能用静温 T来度量,而分子定向运动的动能则用动温 Tv 来度量。气流的静温和动温之和即为气流的总温 T*。

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    在接触式测温中,静温只能在感受器以同样速度与气流一起运动时才能测得。显然,这是困难的。因此,气流温度测量实际上就是测量气流的总温,而静温则可根据测得的总温和气流速度公式求得 [2]。

    测量燃烧器出口温度时,不但存在速度误差,而且还存在传热误差。对于低速(Ma < 0.2)高温气流的温度测量,传热误差是主要的。该试验的燃烧器气流出口马赫数 Ma< 0.2,故在测量温度值修正中不考虑速度的影响。

    热交换主要以对流、辐射和导热三种形式进行。根据燃烧器空气入口压力 P3,空气流量 M 空,燃料流量 M 燃,燃烧器内筒壁温 TW,铂铑偶丝与陶瓷接触点的温度 TZ 如图5 所示。

 

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    根据测量值修正前后,可计算得出该工况下的平均温度,OTDF,RTDF等参数,测量值经过修正后,OTDF和RTDF 的数值较修正前更加理想,见表 2。

 

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    4 结语
    燃烧器性能试验对于本公司战略发展起到关键作用,出口温度场的测量是燃烧器性能试验重点考察之一。在燃气轮机的发展和研制中,测试技术的进步是推动其发展的一个重要基础,选择接触式测量方式比非接触式测量在经济费用上更节省,更可靠 [3]。本文介绍了 B 型热电偶在高温测量中的应用,其特性较稳定,工艺上易实现,尺寸小,对流场干扰小,有较高的时间响应,重复性好,可靠性高,从而提高测量的准确度。

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