一種熱電偶在燃燒室出口溫度場(chǎng)的測(cè)量應(yīng)用

摘要：燃燒器性能試驗(yàn)是重點(diǎn)試驗(yàn)，為自主研發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)提供了保障。燃燒器出口氣體的溫度分布會(huì)對(duì)渦輪導(dǎo)向器葉片和轉(zhuǎn)子葉片的壽命帶來(lái)明顯的影響，為測(cè)量某燃燒器出口氣體溫度分布，采用B型熱電偶探針測(cè)量出口溫度場(chǎng)，介紹了對(duì)其測(cè)量的工作原理及測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。
0引言
      在燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)過(guò)程中，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(yán)格，燃料適應(yīng)性要求愈加廣泛，對(duì)燃燒室的設(shè)計(jì)提出了更大的挑戰(zhàn)。
分析比較目前國(guó)際上典型的重型燃機(jī)燃燒器，可以發(fā)現(xiàn)，即使采用了相同的設(shè)計(jì)原理，但在結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上，卻差異巨大。國(guó)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(shí)力，同時(shí)非常注重與科研院所的密切合作和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，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(yán)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。
研發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)各個(gè)部件進(jìn)行大量的性能試驗(yàn)，如圖1所示。該試驗(yàn)臺(tái)可滿足燃燒器常壓試驗(yàn)和實(shí)壓試驗(yàn)的要求，為自主開(kāi)發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)奠定了基礎(chǔ)。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(yàn)調(diào)整，才能使其性能逐步到達(dá)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求而最終定型的[1]。對(duì)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(jì)指標(biāo)OTDF和RTDF，還會(huì)對(duì)渦輪導(dǎo)向器葉片和轉(zhuǎn)子葉片的壽命帶來(lái)明顯影響，故測(cè)量其出口溫度場(chǎng)分布是燃燒器試驗(yàn)中必須經(jīng)歷的階段。

1試驗(yàn)所用的溫度測(cè)量耙
1.1熱電偶的型號(hào)規(guī)格
      采用B型熱電偶對(duì)燃燒器出口溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，該溫度測(cè)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(fù)極(BN)為鉑銠合金,含銠為6%。該熱電偶長(zhǎng)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(cè)溫溫區(qū)寬，使用壽命長(zhǎng)，測(cè)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(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行補(bǔ)償，因?yàn)樵?-50℃范圍內(nèi)熱電勢(shì)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(diǎn)的B型熱電偶溫度測(cè)量耙，如圖2所示。由于排氣出口流道尺寸限制，該測(cè)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(fù)系數(shù)進(jìn)行修正。單點(diǎn)熱電偶的結(jié)構(gòu)如圖3。該熱電偶的正負(fù)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(dòng)勢(shì)在450℃以上，更適合測(cè)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(shì)13.814mV.


2.B型熱電偶的測(cè)量采集模塊
      在燃燒試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，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(bǔ)償導(dǎo)線產(chǎn)生的費(fèi)用。在燃燒試驗(yàn)中，熱電偶輸出的熱電動(dòng)勢(shì)均用DTS-16數(shù)字熱電偶采集模塊測(cè)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(hào)熱電偶，測(cè)量范圍-270~1820℃,測(cè)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(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(dá)2500V。
(3)冷端進(jìn)行絕熱和均溫處理。
(4)采用溫度補(bǔ)償，提高了工作范圍內(nèi)的精度。
3測(cè)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(yùn)動(dòng)的動(dòng)能用靜溫T來(lái)度量，而分子定向運(yùn)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(cè)溫中，靜溫只能在感受器以同樣速度與氣流.一起運(yùn)動(dòng)時(shí)才能測(cè)得。顯然，這是困難的。因此，氣流溫度測(cè)量實(shí)際上就是測(cè)量氣流的總溫，而靜溫則可根據(jù)測(cè)得的總溫和氣流速度公式求得。
      測(cè)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(duì)于低速(Ma<0.2)高溫氣流的溫度測(cè)量，傳熱誤差是主要的。該試驗(yàn)的燃燒器氣流出口馬赫數(shù)Ma<0.2，故在測(cè)量溫度值修正中不考慮速度的影響。
       熱交換主要以對(duì)流、輻射和導(dǎo)熱三種形式進(jìn)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(diǎn)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(cè)量值T的關(guān)系表達(dá)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(cè)得的試驗(yàn)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(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖7所示。

        根據(jù)測(cè)量值修正前后，可計(jì)算得出該工況下的平均溫度，OTDF,RTDF等參數(shù)，測(cè)量值經(jīng)過(guò)修正后，OTDF和RTDF的數(shù)值較修正前更加理想，見(jiàn)表2。

4結(jié)語(yǔ)
      燃燒器性能試驗(yàn)對(duì)于戰(zhàn)略發(fā)展起到關(guān)鍵作用，出口溫度場(chǎng)的測(cè)量是燃燒器性能試驗(yàn)重點(diǎn)考察之一。在燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展和研制中，測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步是推動(dòng)其發(fā)展的一個(gè)重要基礎(chǔ)，選擇接觸式測(cè)量方式比非接觸式測(cè)量在經(jīng)濟(jì)費(fèi)用上更節(jié)省，更可靠。介紹了B型熱電偶在高溫測(cè)量中的應(yīng)用，其特性較穩(wěn)定，工藝上易實(shí)現(xiàn)，尺寸小，對(duì)流場(chǎng)干擾小，有較高的時(shí)間響應(yīng)，重復(fù)性好，可靠性高，從而提高測(cè)量的精度。