CN105675158A - 一种同时测量燃气轮机燃烧室出口温度与燃烧产物浓度的装置及方法 - Google Patents

一种同时测量燃气轮机燃烧室出口温度与燃烧产物浓度的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种同时测量燃气轮机燃烧室出口温度与燃烧产物浓度的装置及方法，其属于燃气轮机领域。其将温度测量耙的热电偶丝与取样燃气的取样管进行一体化设计，在陶瓷块上的同一测点位置同时布置两个热电偶丝孔和一个燃气取样孔，并利用引管把热电偶丝和取样的燃气同时引出，分别进行测量，由于把测量耙设计为一个高温合金耙体和一个陶瓷块，利用带冷却的高温合金耙体来承受机械应力，陶瓷块承受热应力，高温合金耙体和陶瓷块之间利用90゜高温合金钩形结构来固定连接。本发明同时对燃气轮机燃烧室出口燃气温度和燃气成分同时进行定量测量，避免了冷却导致的误差，大幅度提高测量精度。试验结果可用于对燃烧室的燃烧效率以及温度分布进行评估。

Description

一种同时测量燃气轮机燃烧室出口温度与燃烧产物浓度的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种同时测量燃气轮机燃烧室出口温度与燃烧产物浓度的装置及方法，其属于燃气轮机以及航空发动机领域。
背景技术：
目前无论地面燃气轮机，还是航空发动机，燃烧室出口温度分布(包括OTDF和RTDF)要符合出口涡轮叶片高温高强度的要求，从而保证涡轮的正常工作和寿命；而燃烧室出口的燃烧产物浓度分布，通过燃气分析法，可以用来测量燃烧室燃烧效率，评价发动机的经济性。
为了测量燃烧室出口的温度分布，一般采用多点温度耙测量其出口燃烧温度，由于燃烧室出口温度非常高，因此目前温度耙一般采用水冷或空气冷却对温度耙进行冷却；由于有水冷或气冷，同时测点与温度耙之间距离比较短，两者的温差导致测点与温度耙之间进行热传导，从而导致测点周围的燃气温度比实际燃烧温度低，特别是水冷，测量出来的燃烧温度比实际燃烧温度能相差100゜以上，具体误差大小跟测点伸出温度耙的距离、冷却方式、冷却流体的流量大小等都相关。燃烧室出口燃烧产物浓度的测量，一般在燃烧室出口布置多点取样管，加工取样耙对出口燃气成分进行取样，把样气引入气体分析仪对其燃气浓度分布进行测量；由于温度耙和取样耙都需要物理安装空间，因此实际测量时，温度测量和燃气浓度测量不能同时测量相同位置下的温度和燃气浓度；目前常用方法是在一个工况下测量出温度分布后，熄火后换装取样耙，再调节到相同工况下进行燃烧，再测量其燃气浓度分布，由于不能保证再点火后的工况与原来温度测量时的工况完全一样，因此两者测量出来的结果有一定的误差；同时由于温度耙和压力耙加工精度误差，不能保证温度耙测点位置与压力耙取样点的测量位置完全吻合。因此目前同时测量其温度和燃气浓度分布，并提高其温度测量精度，无论是国际还是国内都是难点。
发明内容：
本发明为了在燃烧室出口同时测量温度分布和燃气浓度分布，提出了一种同时测量燃气轮机燃烧室出口温度与燃烧产物浓度的装置及方法，该测量装置及方法可以同时对燃气轮机或航空发动机燃烧室出口的燃烧温度和燃气成分同时进行定量测量，并提高其温度测量精度。
本发明采用如下技术方案：一种同时测量燃气轮机燃烧室出口温度与燃烧产物浓度的装置，包括高温合金耙体，套设于高温合金耙体上的测量耙安装座，位于高温合金耙体一侧的且位于测量耙安装座下方的陶瓷块，将陶瓷块挤压在高温合金耙体上的90゜高温合金钩形结构，焊接在高温合金耙体上的冷却水进水管、冷却水出水口以及引管，热电偶支管，燃气取样支管，所述陶瓷块上开设有热电偶丝孔和燃气取样管孔，所述热电偶丝孔的个数为燃气取样管孔的两倍，所述热电偶丝孔中穿设有热电偶丝，所述燃气取样管孔中穿设有燃气取样管，两根热电偶丝和一根燃气取样管为一组，两根热电偶丝在头部焊接为球形，形成一个热电偶测量点，两根热电偶丝和一根燃气取样管从陶瓷块穿出后一起进入引管中，所述热电偶丝和燃气取样管经引管一起引出后，分别连接热电偶支管和燃气取样支管。
进一步地，每个引管中设有一根双孔陶瓷管，两根所述热电偶丝分别穿设于双孔陶瓷管的两个孔中。
进一步地，所述90゜高温合金钩形结构与高温合金耙体相互焊接于一起。
本发明还采用如下技术方案：一种同时测量燃气轮机燃烧室出口温度与燃烧产物浓度的方法，其包括如下步骤：
(1)在开始测量前，把冷却水进水管前的进水阀门打开，调节阀门开度来调节冷气水流量，冷气水对高温合金耙体进行冷气后，从冷却水出水口流出；
(2)开始测量时，利用热电偶测量点对该测量位置的燃气温度进行测量，获得其燃气温度，热电偶测量点的两根热电偶丝经过一对热电偶丝孔穿过陶瓷块上后，经引管，进入热电偶支管引出进行测量；
(3)在测量燃气温度同时，对同一测点位置的燃气进行取样，燃气经陶瓷块上的燃气取样管进行取样，分别流经引管和燃气取样支管，进入气体分析仪进行气体成分测量，从而获得其燃气成分。
本发明具有如下有益效果：
1)目前金属材料的耐热温度有限，因此采用金属材料制作的温度耙不能承受燃烧室出口的燃气温度；陶瓷材料虽然能承受其高温，但不能承受高速气流对耙冲刷所造成的机械应力；本发明在温度耙体前端设计了一个陶瓷块，从而保证在不需要任何冷却的条件下准确测量其燃气温度，而在陶瓷块后端采用高温合金材料加工而成的带水冷却的耙体来承受其机械应力。
2)为了准确测量燃烧室出口的温度分布，避免目前多点温度耙采用水冷或气冷由于导热而导致的测量误差，本发明通过温度耙体前端安装一个铸造的整体陶瓷块，该陶瓷块沿径向布置多对热电偶丝安装孔，每对热电偶丝安装孔，分别把两根热电偶丝穿过后，在其头部焊接为球形，形成一个热电偶测点，因此在径向形成多个温度测点。由于采用的是整体陶瓷块，没有任何水冷或气冷，因此热电偶测点测量出来的温度，即为该点燃气的实际温度，没有采用冷却而导致的测量误差。陶瓷块后端耙体虽然采用的水冷，但该高温合金耙体与热电偶测点之间有整体陶瓷块，距离很远，陶瓷的导热比较差，因此带水冷的高温合金耙体对测点处的燃气温度没有任何影响。所以陶瓷块前端热电偶测点测量出来的温度即为实际燃烧温度。
3)为了同时对燃气轮机或航空发动机燃烧室出口的燃烧温度和燃气成分进行测量，因此在上述的陶瓷块上除了布置热电偶丝安装孔对之外，在温度测点相同位置处，同时布置一个取样孔，在测量温度分布的同时，对相同测量点处的燃气进行取样，再通过气体分析仪对其燃气成分进行分析，然后通过燃气分析法，计算其燃烧效率。
4)同时对燃气轮机(包括地面燃气轮机或航空发动机)燃烧室出口燃气温度和燃气成分同时进行定量测量，并且在现有基础上，由于避免了冷却导致的误差，大幅度提高其测量精度。试验结果可用于对燃烧室的燃烧效率以及温度分布等进行评估。
附图说明：
图1为测量耙体总体结构图。
图2为测量耙体总体结构内部示意图。
图3为测量耙体局部结构图。
图4为测量耙体局部结构内部示意图
图5为陶瓷块结构图。
图中：
1-测量耙安装座，2-冷却水进水管，3-高温合金耙体，4-引管，5-冷却水出水口，6-90゜高温合金钩形结构，7-陶瓷块，8-燃气取样管孔，9-热电偶支管，10-燃气取样支管，11-热电偶丝孔，12-热电偶丝。
具体实施方式：
请参照图1至图5所示，本发明同时测量燃气轮机燃烧室出口温度与燃烧产物浓度的装置(即测量耙体)包括高温合金耙体3，套设于高温合金耙体3上的测量耙安装座1，位于高温合金耙体3一侧的且位于测量耙安装座1下方的陶瓷块7，将陶瓷块7挤压在高温合金耙体3上的90゜高温合金钩形结构6，焊接在高温合金耙体3上的冷却水进水管2、冷却水出水口5以及引管4，陶瓷块7在每个测量位置上穿设有一对热电偶丝孔11和燃气取样管孔8，热电偶丝孔11的个数为燃气取样管孔8的两倍，其中一对热电偶丝孔11和一个燃气取样管孔8为一组，两根热电偶丝12经热电偶丝孔11在头部焊接为球形，形成一个热电偶测量点，测量其燃气室出口温度，两根热电偶丝12经热电偶丝孔11和燃气取样管从陶瓷块7穿出后，一起进入引管4中，引管4为金属材料，为了避免两根热电偶丝12相互接触短路，因此两根热电偶丝12分别穿在一根直径很小的双孔陶瓷管(未图示)中，而双孔陶瓷管(未图示)布置在引管4中，因此引管4既是取样燃气的流通管道，也是双孔陶瓷管的穿过管道。热电偶丝12和燃气取样管经引管4一起引出后，分别连接热电偶支管9和燃气取样支管10，热电偶丝12与热电偶支管9之间利用高温密封胶进行密封，保证不漏气，同时还需要保证两根热电偶丝12之间不能相互接触而导致短路；而取样的燃气经燃气取样支管10进入气体分析仪进行分析，获得测量点处燃烧产物的各种组分浓度。
其中高温合金耙体3形成一个封闭的水套，冷却水进水管2进来的冷却水对耙体进行冷却，通过调节进水流量，保证耙体的温度在高温合金长期工作范围内；冷却水同时对多个引管4内的取样气体进行冷却，降低取样气体的温度，从而使得取样气体中的化学反应停止，保证气体分析仪中测量的燃气浓度为取样点的燃气浓度；经过冷却后冷却水温度升高，从冷却水出水口5流出。
90゜高温合金钩形结构6与高温合金耙体3通过焊接相互连接，从而使得陶瓷块7挤压固定在高温合金耙体3上，陶瓷块7承受热应力，高温合金耙体3承受机械应力；同时由于陶瓷块7具有一定的长度，并且陶瓷块7没有采用任何冷却方式，因此热电偶丝12测量点的温度即为实际燃气温度。
本发明同时测量燃气轮机燃烧室出口温度与燃烧产物浓度的装置(即测量耙体)通过测量耙安装座1安装在燃气轮机燃烧室或航空发动机燃烧室出口测量段上，燃烧室出口的高温高压燃气通过利用陶瓷块7上的多个燃气取样孔和热电偶丝对同时测量同一位置上的燃烧温度和燃气组分浓度。
本发明同时测量燃气轮机燃烧室出口温度与燃烧产物浓度的方法，包括如下步骤：
(1)在开始测量前，把冷却水进水管前的进水阀门打开，调节阀门开度来调节冷气水流量，冷气水对高温合金耙体进行冷气后，从冷却水出水口流出；
(2)开始测量时，利用热电偶测量点对该测量位置的燃气温度进行测量，获得其燃气温度；热电偶测量点的两根热电偶丝穿过陶瓷块上热电偶丝孔后，经引管，进入热电偶支管引出进行测量；
(3)在测量燃气温度同时，对同一测点位置的燃气进行取样，燃气经陶瓷块上的燃气取样管进行取样，分别流经引管和燃气取样支管，进入气体分析仪进行气体成分测量，从而获得其燃气成分。
本发明将温度测量耙和燃气取样耙进行一体化设计与加工，对试验过程和测量试验数据有如下优点：
1)可以保证测量燃烧室出口温度和燃烧产物浓度是在同一工况下同时进行测量的。如果分开进行测量，并不能完全保证是在相同的试验状态进行的。
2)可以保证出口温度测量点和出口燃气收集点是在同一测量位置处，避免了分开加工时造成的加工误差。
3)对于燃烧室出口的温度测量，由于陶瓷块有一定的长度，使得热电偶测量热端距耙体上的冷却水套有一段距离，可以保证测量得到的温度即为燃气的实际温度。如果用温度测量耙单独进行测量，由于温度测量点距离耙体水套太近，测点与冷却水之间会有热传递，从而降低了测点附近燃气的温度，从而造成温度耙测量得到的温度值与实际燃气温度有较大的偏差。
4)将温度测量耙和燃气取样耙设计并加工到一起，可以很大程度上减少试验工作时间、试验费用和工作强度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种同时测量燃气轮机燃烧室出口温度与燃烧产物浓度的装置，其特征在于：包括高温合金耙体(3)，套设于高温合金耙体(3)上的测量耙安装座(1)，位于高温合金耙体(3)一侧的且位于测量耙安装座(1)下方的陶瓷块(7)，将陶瓷块(7)挤压在高温合金耙体(3)上的90゜高温合金钩形结构(6)，焊接在高温合金耙体(3)上的冷却水进水管(2)、冷却水出水口(5)以及引管(4)，热电偶支管(9)，燃气取样支管(10)，所述陶瓷块(7)上开设有热电偶丝孔(11)和燃气取样管孔(8)，所述热电偶丝孔(11)的个数为燃气取样管孔(8)的两倍，所述热电偶丝孔(11)中穿设有热电偶丝(12)，所述燃气取样管孔(8)中穿设有燃气取样管，两根热电偶丝(12)和一根燃气取样管为一组，两根热电偶丝(12)在头部焊接为球形，形成一个热电偶测量点，两根热电偶丝(12)和一根燃气取样管从陶瓷块(7)穿出后一起进入引管(4)中，所述热电偶丝(12)和燃气取样管经引管(4)一起引出后，分别连接热电偶支管(9)和燃气取样支管(10)。
2.如权利要求1所述的同时测量燃气轮机燃烧室出口温度与燃烧产物浓度的装置，其特征在于：每个引管(4)中设有一根双孔陶瓷管，两根所述热电偶丝(12)分别穿设于双孔陶瓷管的两个孔中。
3.如权利要求2所述的同时测量燃气轮机燃烧室出口温度与燃烧产物浓度的装置，其特征在于：所述90゜高温合金钩形结构(6)与高温合金耙体(3)相互焊接于一起。
4.一种同时测量燃气轮机燃烧室出口温度与燃烧产物浓度的方法，其特征在于：包括如下步骤
(1)在开始测量前，把冷却水进水管(2)前的进水阀门打开，调节阀门开度来调节冷气水流量，冷气水对高温合金耙体(3)进行冷气后，从冷却水出水口(5)流出；
(2)开始测量时，利用热电偶测量点对该测量位置的燃气温度进行测量，获得其燃气温度，热电偶测量点的两根热电偶丝(12)经过一对热电偶丝孔(11)穿过陶瓷块(7)上后，经引管(4)，进入热电偶支管(9)引出进行测量；
(3)在测量燃气温度同时，对同一测点位置的燃气进行取样，燃气经陶瓷块(7)上的燃气取样管进行取样，分别流经引管(4)和燃气取样支管(10)，进入气体分析仪进行气体成分测量，从而获得其燃气成分。
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