CN111649848A - 一种温度恢复系数测定方法 - Google Patents

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史军党
段纪成
周向民
毛若明
程凯
李晓辉
赵天权
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    • G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
    • G01K13/02—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow

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Abstract

本发明提出一种温度恢复系数测定方法，通过自动采集气流总温、气流有效温度、气流总压、气流静压来间接计算温度恢复系数。按照本发明的方法，引入温度恢复系数，对温度传感器的指示温度加以修正，能对流体总温，尤其是高速气流总温达到准确计算的目的。对于不同的温度传感器而言，只需要使用本发明的方法，对其温度恢复系数进行标定即可。

Description

一种温度恢复系数测定方法
技术领域
本发明涉及气流温度测量，尤其涉及高速气流温度测量，具体涉及一种温度恢复系数测定方法。
背景技术
温度是表征物体状态的特征参数之一，温度测量，在空气动力学试验中有着广泛的应用。为了确定空气的密度、粘性系数和流动速度等,通常都需要测量温度。
气流的总温Tst由静温Ts和动温Td两部分组成即Tst＝Ts+Td，其中动温的大小与气流速度的二次方呈正相关关系。在空气动力学领域，高速气流温度的测量一般指气体总温的测量，即气流在绝热滞止状态下所能达到的温度。实测过程中完全绝热滞止是无法实现的，因此即使不存在使用误差的情况下，温度传感器的指示温度也总是小于总温而高于静温。因此，温度的准确测量在空气动力学试验中具有重要的意义。
目前，透平机械行业温度的测量，主要有以下几种类型：
1、对于低速气流(马赫数小于0.15)时：由于气流速度较小，通常可以忽略总温与静温之间的差异，即忽略掉动温，可以认为所测温度等于总温或静温；
2、对于高速气流(马赫数大于0.15)时：
a、管道中安装总温探针，直接测量气流的总温。该总温探针感温元件前带有滞止腔，以使感温元件处的速度最大可能的趋于零。对于滞止式总温探针，气流因未全部滞止使得仍有一部分动温未全部恢复成总温，对测试结果有一定的影响。且由于其感温元件长期暴露在高速气流中，十分容易损坏，造成试验成本的增加。
b、管道中安装温度传感器。由于插入气流的温度传感器(保护套)，总是对气流有扰动作用，且与气流之间存在相对速度，改变了温度传感器周围气流的局部速度，所以直接测出气流总温是无法实现的。实际应用中无法实现气流总温的测量，所测温度实际为气流有效温度。
在透平机械行业应用中，多数情况下，通常都忽略总温与静温之间的差异，即忽略掉动温。但在基础研究中，尤其是在航空发动机、燃气轮机、压缩机基本级等基础研究方面，温度作为性能计算中关键技术参数，直接影响设备的性能计算，总温与静温之间的差异，则不能忽略。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种温度恢复系数测定方法，提高高速气流总温测量精度。
为实现上述目的，本发明拟采取如下技术手段：
一种温度恢复系数测定方法，采用如下公式对温度恢复系数γ进行测定：
Figure BDA0002515541670000021
其中，Tst为气流总温；
Tp为气流有效温度；
pst为气流总压；
ps为气流静压；
k为气流绝热指数，取值界于1-2之间。
本发明还公开一种温度恢复系数数据采集系统，包括风室，待测气流经连接管道引入风室，在所述风室后接有收敛喷嘴，风室容积远大于收敛喷嘴面积，风室上接有总温变送器和总压变送器，分别用于测量权利要求1所述气流总温Tst和气流总压pst，收敛喷嘴出口接有被校温度变送器和大气压力变送器，分别用于测量权利要求1所述气流有效温度Tp和气流静压ps；总温变送器、总压变送器、被校温度变送器和大气压力变送器的输出信号通过数字采集系统进行测量记录后输入上位机。
优选的，连接管道内设置有出口调节阀，用于改变进入风室和收敛喷嘴气流的流量、压力及温度。
与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
气流总温测试在压缩机基本级、航空发动机、燃气轮机等透平行业试验中广泛应用，按照本发明的方法，引入温度恢复系数，对温度传感器的指示温度加以修正，能对流体总温，尤其是高速气流总温达到准确计算的目的。对于不同的温度传感器而言，只需要使用本发明的方法，对其温度恢复系数进行标定即可。
附图说明
图1为温度恢复系数数字采集装置示意图。
其中：1为压缩机，2为出口调节阀，3为总温变送器，4为总压变送器，5为被校温度变送器，6为大气压力变送器，7为风室，8为连接管道，9为数字采集系统，10为上位机。
以下结合附图以及实施例对本发明的方案进一步进行说明。
具体实施方式
本发明所述气流总温Tst是指，气流在绝热滞止状态下所能达到的温度。滞止温度的变化可以用来衡量热或功的转移。
本发明所述气流静温Ts是指，插入管道中的无散热温度传感器随气流一起移动(感温元件与气流没有相对运动)时的平衡温度。
本发明所述气流动温Td，是气流的总温Tst与静温Ts的差值部分。
本发明所述温度恢复系数γ，表示感受器对气流动能转变为热能的接受程度。
本发明所述有效温度Tp定义为温度变送器所读出介于气流总温Tst和气流静温Ts之间的一个有效温度值。
变送器是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号(或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源)的转换器。传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号源。
本发明所述的数字采集系统采用陕鼓目前现有的数采系统即可，或者其他起到采集、记录数据等类似功能的数采系统均可，例如SCADAS III 305,316,317，本发明不做限定。
实施例1：
本实施例进一步说明本发明的方法实现所依据的原理。
气流总温与气流静温之间的关系为：
Figure BDA0002515541670000041
即：
Figure BDA0002515541670000042
Figure BDA0002515541670000043
其中：Tst：气流总温,Ts：气流静温,c：气流速度,Cp：定压比热,k：绝热指数,M：气流马赫数。
在实际测量过程中，温度传感器的感温元件与气流之间总是存在相对速度，所以温度变送器所读出的有效温度Tp，Ts<Tp<Tst，
本发明为了更加准确的测定气流的总温，引入温度恢复系数γ，其定义为：
Figure BDA0002515541670000051
它表示感受器对气流动能转变为热能的接受程度。
则，热感受器的温度表示式为：
Figure BDA0002515541670000052
根据伯努利方程式，气流速度为：
Figure BDA0002515541670000053
则，温度恢复系数可表示为：
Figure BDA0002515541670000054
其中：pst：气流总压，ps：气流静压，气流马赫数：
Figure BDA0002515541670000055
其中：R为气体常数，试验中测出Tst、Tp、pst、ps，根据上面的公式即可求得该温度计的温度恢复系数。同时可以德奥被校热电阻传感器的温度恢复系数γ对应气流马赫数M的特性曲线，即温度传感器的速度特性。
实施例2：
本实施例提供一种温度恢复系数测定以及自动数采系统，利用一台压缩机1为其提供风源，压缩机出口接调节阀2和连接管道8，用管道将气流引入风室(序号7，为了得到相对稳定的流场和很低的气流速度(＜10m/s),风室的容积需要设计的较大(远远大于后面喷嘴的面积)，在风室末端有一个收敛喷嘴，使出口产生一个均匀的流场，气流由喷嘴流向大气，可以得到较高的稳速气流，由于在风室和喷嘴之间无外加功，在忽略风室和喷嘴散热(稳压筒和喷嘴进行保温)的情况下，由于风室中的气流速度很小，因此在风室内测得气流总温3和气流总压4。被校热电阻温度传感器5置于喷嘴出口，所读出的温度值即为有效温度。由于风室进行保温和忽略了收敛段的摩檫损失，所以，喷嘴出口的总压和总温，就等于风室内的总压和总温。气流静压为大气压力6。
标定试验时，通过调节压缩机的转速和压缩机出口管道上的调节阀门开度，从而改变进入风室和喷嘴气流的流量、压力、温度，可以测得不同工况点的试验参数。由数采系统记录原始数据，气流总温3、气流总压4、被校热电阻温度传感器5、气流静压6、风机转速1等，利用温度恢复系数的计算公式进行编程、计算，绘制出被校热电阻传感器的温度恢复系数γ对应气流马赫数M的特性曲线，即温度传感器的速度特性。具体见附图1。
按照以上原理，进行效果验证。某温度计恢复系数标定试验数据如下：
Figure BDA0002515541670000061
通过上述温度恢复系数值以及马赫数，完成特性曲线绘制，实现利用热电阻(或热电偶)温度传感器进行气流总温的测量技术，从而指导实验室压缩机基本级和压缩机性能测试工作。

Claims (3)

1.一种温度恢复系数测定方法，其特征在于，采用如下公式计算温度恢复系数γ：
Figure FDA0002515541660000011
其中，Tst为气流总温；
Tp为气流有效温度；
pst为气流总压；
ps为气流静压；
k为气流绝热指数，取值界于1-2之间。
2.一种温度恢复系数数据采集系统，包括风室，待测气流经连接管道引入风室，其特征在于，在所述风室后接有收敛喷嘴，风室容积远大于收敛喷嘴面积，风室上接有总温变送器和总压变送器，分别用于测量权利要求1所述气流总温Tst和气流总压pst，收敛喷嘴出口接有被校温度变送器和大气压力变送器，分别用于测量权利要求1所述气流有效温度Tp和气流静压ps；总温变送器、总压变送器、被校温度变送器和大气压力变送器的输出信号通过数字采集系统进行测量记录后输入上位机计算所述温度恢复系数。
3.如权利要求2所述温度恢复系数数据采集系统，其特征在于，所述连接管道内设置有出口调节阀，用于改变进入风室和收敛喷嘴气流的流量、压力及温度。
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