CN115718975A - 一种燃气轮机涡轮叶片温度测量误差的估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气轮机涡轮叶片温度测量误差的估计方法，包括以下步骤：根据叶片外表面的几何特征和试验工况，计算叶片的外表面换热系数和换热温度、内表面换热系数和换热温度；将叶片外表面换热系数和换热温度、内表面换热系数和换热温度导入热电偶填埋模型，进行导热计算，得到第一温度测量结果；本发明通过建立理想的热电偶填埋模型，计算第一温度测量结果，根据热电偶安装工艺，建立考虑了安装偏差的三组叶片的热电偶填入模型，得到第二温度测量结果，基于第一温度测量结果和第二温度测量结果得到热电偶安装偏差导致的金属温度测量结果的偏差，对热电偶安装偏差进行综合考虑，提高燃气轮机试验中涡轮叶片的温度测量准确度。

Description

一种燃气轮机涡轮叶片温度测量误差的估计方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机试验技术领域，尤其涉及一种燃气轮机涡轮叶片温度测量误差的估计方法。

背景技术

涡轮叶片是燃气轮机的核心零件之一，而叶片的冷却设计是叶片设计的关键。叶片外换热系数试验、叶片冷效试验、涡轮部件试验、燃机整机试验等都涉及对涡轮叶片温度的测量，这些测量能为叶片冷却设计提供重要信息，同时也是叶片性能评价的重要参考。目前国内外大多采用微细热电偶来测量叶片温度，由于热电偶制造、标定、试验技术的提高，热电偶本身的测量误差已经很小，且误差范围十分明确，有大量试验数据和文献可供参考。但针对热电偶埋入误差导致的温度测量误差目前鲜见有相关报道。因此亟需建立一种燃气轮机涡轮叶片热电偶温度测量的误差范围的预估方法，以帮助叶片设计者更加准确、精细地进行试验数据分析，提高叶片冷却设计水平。

例如，中国专利CN201510937374.0公开了一种基于空气喷涂的涡轮叶片温度测量方法，首先对涡轮叶片表面进行预处理，除去叶片表面异物；其次，采用空气喷涂工艺喷涂高温绝缘胶黏剂制备绝缘层；再次，在叶片上固定热电偶；最后再次喷涂高温绝缘胶粘剂制备保护层；该申请中的涡轮叶片温度测量由于没有考虑热电偶的安装偏差及其安装偏差导致的温度测量误差问题，导致最终的涡轮叶片温度测量结果误差大，准确率低。

发明内容

本发明主要解决现有的涡轮叶片温度测量试验中无法对热电偶安装偏差导致的测量结果误差进行估计的问题；提供一种燃气轮机涡轮叶片温度测量误差的估计方法，针对燃气轮机试验中涡轮叶片的温度测量问题，对热电偶安装偏差进行综合考虑，提高燃气轮机试验中涡轮叶片的温度测量准确度。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种燃气轮机涡轮叶片温度测量误差的估计方法，包括以下步骤：根据叶片外表面的几何特征和试验工况，计算叶片的外表面换热系数和换热温度、内表面换热系数和换热温度；将叶片外表面换热系数和换热温度、内表面换热系数和换热温度导入热电偶填埋模型，进行导热计算，得到第一温度测量结果；根据热电偶安装工艺，确定热电偶安装的深度方向、宽度方向、叶高方向的偏差范围，分别对三个方向的热电偶安装偏差进行采样，建立考虑了安装偏差的三组叶片的热电偶填入模型；对热电偶填入模型进行导热计算，得到考虑了热电偶埋入偏差的第二温度测量结果；通过对第一温度测量结果和第二温度测量结果进行对比计算，得到热电偶安装偏差导致的金属温度测量结果的偏差。

作为优选，外表面换热系数和内表面换热系数的计算方法为：

其中，h_g表示外表面换热系数，h_c表示内表面换热系数，C₀，C₁为常数；Re_g、Pr_g、k_g、L_g分别为试验工况下的燃气流动雷诺数、燃气普朗特数、燃气导热系数、燃气流动特征长度；Re_c、Pr_c、k_c、L_c分别为试验工况下的冷气流动雷诺数、冷气普朗特数、冷气导热系数、冷气流动特征长度。

作为优选，所述的第一温度测量结果的测算方法为：在叶片上建立3个相互正交的方向：深度方向H、宽度方向L、叶高方向R，设热电偶槽的尺寸为H1毫米×L1毫米；理想状态下热电偶的安装尺寸为：深度方向H0、宽度方向L0、叶高方向R0，得到热电偶填埋模型；将热电偶填埋模型分为三部分：叶片、热电偶和固定热电偶的涂层；对热电偶填埋模型划分网格；设置热电偶填埋模型三个组成部分的材料的热物理性质；将叶片外表面换热系数和换热温度、叶片内表面换热系数和换热温度作为换热边界条件导入热电偶填埋模型，进行导热计算，得到填埋模型的第一温度测量结果T0。

作为优选，所述的热电偶填入模型的建立方法为：根据热电偶安装的最大偏差得到：热电偶安装的深度方向偏差为±ΔH、宽度方向偏差为±ΔL和叶高方向偏差为±ΔR；取样得到三个方向上热电偶安装位置的样本集合依次为{H}、{L}、{R}，其中

n、m、s为正整数，三个方向的采样点数依次为2n+1、2m+1、2s+1，建立考虑了安装偏差的热电偶填入模型，共三组模型。

作为优选，对热电偶填入模型进行网格划分，并进行导热计算；

得到考虑了热电偶深度方向埋入偏差的第二温度测量结果为：

{TH}＝{TH₁，TH₂,……，TH_2n+1}；

考虑了热电偶宽度方向埋入偏差的第二温度测量结果为：

{TL}＝{TH₁，TH₂,……，TH_2m+1}；

考虑了热电偶叶高方向埋入偏差的第二温度测量结果为：

{TR}＝{TR₁，TR₂,……，TR_2s+1}；

其中，{TH}、{TL}、{TR}分别为三个方向上热电偶埋入偏差的温度测量结果集合。

作为优选，根据第一温度测量结果T0和深度方向埋入偏差的第二温度测量结果、宽度方向埋入偏差的第二温度测量结果以及叶高方向埋入偏差的第二温度测量结果计算热电偶安装偏差导致的金属温度测量结果的偏差以及最大偏差值。

本发明的有益效果是：本发明在相关应用和领域中首次提出了一种热电偶误差范围的评估方法，通过建立理想的热电偶填埋模型，计算第一温度测量结果，根据热电偶安装工艺，建立考虑了安装偏差的三组叶片的热电偶填入模型，得到第二温度测量结果，基于第一温度测量结果和第二温度测量结果得到热电偶安装偏差导致的金属温度测量结果的偏差，对热电偶安装偏差进行综合考虑，提高燃气轮机试验中涡轮叶片的温度测量准确度，帮助叶片设计者更加准确、精细地进行试验数据分析，提高叶片冷却设计水平；可适用于各种试验工况和各种热电偶埋入方式。

附图说明

图1是本发明实施例的测量误差估计方法的流程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，通过下述实施例并结合附图，对本发明实施例中的技术方案的进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

实施例：一种燃气轮机涡轮叶片温度测量误差的估计方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤(1)：叶片的外表面换热温度T_g和内表面换热温度T_c按照试验工况确定，可直接测量得到。叶片的外表面换热系数h_g和内表面换热系数h_c，按照如下公式计算：

其中C₀，C₁为常数；Re_g、Pr_g、k_g、L_g分别为试验工况下的燃气流动雷诺数、燃气普朗特数、燃气导热系数、燃气流动特征长度；Re_c、Pr_c、k_c、L_c分别为试验工况下的冷气流动雷诺数、冷气普朗特数、冷气导热系数、冷气流动特征长度。

步骤(2)：首先分析理想的热电偶填埋模型。在叶片上建立3个相互正交的方向：深度方向H、宽度方向L、叶高方向R。设热电偶开槽尺寸为H0毫米(深度方向)×L0毫米(宽度方向)。将热电偶填埋模型分为三部分：叶片、热电偶、固定热电偶的涂层。对热电偶填埋模型划分网格。在计算程序中设置三个组成部分的材料的热物理性质。将步骤(1)中所得的叶片外表面换热系数和换热温度、内表面换热系数和换热温度作为换热边界条件加载至理想的热电偶填埋模型，进行导热计算，即得到理想模型的温度测量结果T0。

步骤(3)：根据热电偶安装工艺，确定热电偶安装的深度方向偏差为±ΔH、宽度方向偏差为±ΔL、叶高方向偏差为ΔR。按照如下取样方式得到每个方向上热电偶安装位置的样本集合{H}、{L}、{R}。其中，n，m，s为正整数，三个方向的采样点数依次为2n+1、2m+1、2s+1。

针对上述三个集合中的每个元素，建立热电偶的埋入模型。共得到三组模型，其个数依次为2n+1、2m+1、2s+1。

步骤(4)：对步骤(3)中所得的三组模型划分网格，并对每个模型按照步骤(2)进行导热计算。

得到考虑了热电偶深度方向埋入偏差的温度测量结果如下：

{TH}＝{TH₁，TH₂,……，TH_2n+1}；

考虑了热电偶宽度方向埋入偏差的温度测量结果如下：

{TL}＝{TH₁，TH₂,……，TH_2m+1}；

考虑了热电偶叶高方向埋入偏差的温度测量结果如下：

{TR}＝{TR₁，TR₂,……，TR_2s+1}；

其中，{TH}、{TL}、{TR}分别为三个方向上热电偶埋入偏差的温度测量结果集合。

步骤(5)：热电偶安装的深度方向的安装偏差导致的温度测量偏差按照下式计算，{ΔTH}为热电偶安装的深度方向的安装偏差导致的温度测量偏差值集合，该集合中最大值即为热电偶安装的深度方向的安装偏差导致的最大温度测量偏差。

{ΔTH}＝{TH₁-T0，TH₂-T0,……，TH_2n+1-T0}；

热电偶安装的宽度方向的安装偏差导致的温度测量偏差按照下式计算，{ΔTL}为热电偶安装的宽度方向的安装偏差导致的温度测量偏差值集合，该集合中最大值即为热电偶安装的宽度方向的安装偏差导致的最大温度测量偏差。

{ΔTL}＝{TH₁-T0，TH₂-T0,……，TH_2m+1-T0}；

热电偶安装的叶高方向的安装偏差导致的温度测量偏差按照下式计算，{ΔTR}为热电偶安装的叶高方向的安装偏差导致的温度测量偏差值集合，该集合中最大值即为热电偶安装的叶高方向的安装偏差导致的最大温度测量偏差。

{ΔTR}＝{TR₁-T0，TR₂-T0,……，TR_2s+1-T0}。

本发明可适用于各种试验工况，和各种热电偶埋入方式。针对不同的试验工况，只需要修改步骤(1)、(2)中的相关参数即可，针对不同的热电偶型号、热电偶埋入工艺，只需要修改步骤(3)、(4)中的相关参数即可。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (6)

1.一种燃气轮机涡轮叶片温度测量误差的估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据叶片外表面的几何特征和试验工况，计算叶片的外表面换热系数和换热温度、内表面换热系数和换热温度；

将叶片外表面换热系数和换热温度、内表面换热系数和换热温度导入热电偶填埋模型，进行导热计算，得到第一温度测量结果；

根据热电偶安装工艺，确定热电偶安装的深度方向、宽度方向、叶高方向的偏差范围，分别对三个方向的热电偶安装偏差进行采样，建立考虑了安装偏差的三组叶片的热电偶填入模型；对热电偶填入模型进行导热计算，得到考虑了热电偶埋入偏差的第二温度测量结果；

通过对第一温度测量结果和第二温度测量结果进行对比计算，得到热电偶安装偏差导致的金属温度测量结果的偏差。

2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机涡轮叶片温度测量误差的估计方法，其特征在于，外表面换热系数和内表面换热系数的计算方法为：

其中，h_g表示外表面换热系数，h_c表示内表面换热系数，C₀，C₁为常数；Re_g、Pr_g、k_g、L_g分别为试验工况下的燃气流动雷诺数、燃气普朗特数、燃气导热系数、燃气流动特征长度；Re_c、Pr_c、k_c、L_c分别为试验工况下的冷气流动雷诺数、冷气普朗特数、冷气导热系数、冷气流动特征长度。

3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机涡轮叶片温度测量误差的估计方法，其特征在于，所述第一温度测量结果的测算方法为：在叶片上建立3个相互正交的方向：深度方向H、宽度方向L、叶高方向R，设热电偶槽的尺寸为H1毫米×L1毫米；理想状态下热电偶的安装尺寸为：深度方向H0、宽度方向L0、叶高方向R0，得到热电偶填埋模型；

将热电偶填埋模型分为三部分：叶片、热电偶和固定热电偶的涂层；

对热电偶填埋模型划分网格；

设置热电偶填埋模型三个组成部分的材料的热物理性质；

将叶片外表面换热系数和换热温度、叶片内表面换热系数和换热温度作为换热边界条件导入热电偶填埋模型，进行导热计算，得到填埋模型的第一温度测量结果T0。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种燃气轮机涡轮叶片温度测量误差的估计方法，其特征在于，

所述热电偶填入模型的建立方法为：根据热电偶安装的最大偏差得到：热电偶安装的深度方向偏差为±ΔH、宽度方向偏差为±ΔL和叶高方向偏差为±ΔR；取样得到三个方向上热电偶安装位置的样本集合依次为{H}、{L}、{R}，其中

n、m、s为正整数，三个方向的采样点数依次为2n+1、2m+1、2s+1，建立考虑了安装偏差的热电偶填入模型，共三组模型。

5.根据权利要求4所述的一种燃气轮机涡轮叶片温度测量误差的估计方法，其特征在于，对热电偶填入模型进行网格划分，并进行导热计算；

得到考虑了热电偶深度方向埋入偏差的第二温度测量结果为：

{TH}＝{TH₁，TH₂,……，TH_2n+1}；

考虑了热电偶宽度方向埋入偏差的第二温度测量结果为：

{TL}＝{TH₁，TH₂,……，TH_2m+1}；

考虑了热电偶叶高方向埋入偏差的第二温度测量结果为：

{TR}＝{TR₁，TR₂,……，TR_2s+1}；

其中，{TH}、{TL}、{TR}分别为三个方向上热电偶埋入偏差的温度测量结果集合。

6.根据权利要求5所述的一种燃气轮机涡轮叶片温度测量误差的估计方法，其特征在于，根据第一温度测量结果T0和深度方向埋入偏差的第二温度测量结果、宽度方向埋入偏差的第二温度测量结果以及叶高方向埋入偏差的第二温度测量结果计算热电偶安装偏差导致的金属温度测量结果的偏差以及最大偏差值。

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