CN1210258A - 测压装置 - Google Patents

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Abstract

一种测压装置(10),用于测量在一个充满第一温度(T1)热气体的室(15)中的压力波动,该室借助至少一个壁(12,14)与一个处于较低第二温度(T3)的外室(28)相隔开;以下述方式简便地获得高测量精度:在测量管(16)上采取第一措施,这些措施能防止在测量管(16)中的温度跃变处在测量管(16)中形成的压力波有干扰性的反射,或者说在压力波进入压力传感器(18)之前,使之成为无害的。

Description

测压装置
本发明涉及测压技术领域。它涉及一种测压装置，用于测量在一个充满第一温度热气体的室中的压力波动，该室通过至少一个壁而与一个处于较低的第二温度的外室相隔开；该测压装置尤其适用于测量燃气透平燃烧室中的压力波动。在这种测压装置上一支相对于压力波动来说无端部反射影响的测量管被导入前述的室，穿过至少一个壁，进入外室；而且在这种测压装置上，在外室中在至少一个壁的后面，一个用于接收压力波动的压力传感器被连接在上述测量管上。
这样一种测压装置原理上从技术现状看是已知的。
人们都知道，可用一种比较简易的装置以很高的精度测量出燃烧室中的压力波动，燃烧室中存在着处于不断变化的压力状态下的热气体。上述装置包含一根约20m长的细长管子，该管子的一端在应该测量压力或压力波动的地方连接在燃烧室上。真正的压力传感器在热的燃烧室外面的明显较冷环境中从一侧连接到细的测量管上。这样，可以使用一种不需要经受燃烧室中高温的较便宜的压力传感器。同时，人们容易接近安装在外面的压力传感器，因而使得维修工作简化了而且也节约了费用。
在所述测压装置依据一个重要的思想是，将构成待测压力振荡所用声导管的测量管进行如此设计，使得在一个大的频率范围内实际上在测量管中没有被反射的压力波，从而不致使以压力传感器进行的侧量失真。细长的测量管的用途在于将从测量进入该管子的压力波按指数地加以阻尼，从而大大避免从该管子返回到压力传感器的反射。
尽管有了测量管的依指数的阻尼，但仍可能出现压力波反射的问题。如果在测量管的长度上存在比较突然的温度跃变，如同在将测量管从一燃烧室通过一个多重屏蔽的中间室而强制地向外引导的时候产生的那种温度跃变一样，就有可能在这些温度跃变点上引起在测量管中行进的压力波的反射，这种反射返回到压力传感器，并在此使测量失真。测量失真的程度这时随着压力振荡频率的增加而递增。
本发明的任务是提供一种测压装置，这种装置能避免或至少能大大减小压力测量由于反射的压力波所造成的失真。
就开头提及的那种测压装置来说，本发明的任务是通过采取下述措施加以解决的：在测量管上采取第一措施，这些措施能防止在测量管上的温度跃变点处发生在测量管中的压力波的干扰性反射，或者在这种反射进入压力传感器之前使之成为无害的。从原理上讲，也可以这样设想：将沿着测量管的温度跃变点产生的压力波反射通过一个数学-物理模型加以描述，并在对测量数据进行分析计算时把模型引入，以资校正。这一解决方案却是很费事费钱的，而且在应用中不灵活。借助本发明提出的在测量管上采取第一措施，就能直接在测量管内抑制住压力波反射，或者使之变为无害的，这样，在压力传感器上便有直接来自测量点的未失真的信号供使用。
按照本发明的测压装置的第一个优选改进形式，其特点在于：在测量管内存在温度跃变；在测量管内的温度跃变点上产生的压力波反射，通过在测量管内壁上相应直径跃变点处的反射而被补偿了；测量管中的直径跃变点均设置在温度跃变点处；以及直径跃变点的各直径是如此加以选择的，使得一个直径跃变点的各直径的比例等于所属温度跃变点的各温度的反比例的4次方根。直径跃变点可以不费很大的事而被置入测量管中。但其缺点是，在固定的直径跃变条件下的全部补偿也只有针对固定的温度跃变才能达到。
按照本发明的测压装置的第二个优选实施形式，其特点在于：第一措施是如此加以设计的，使得它们能防止在测量管内出现温度跃变。这样，不对已产生的反射补偿，而是直接消除产生反射的原因。于是，在一个很宽的频率范围内可以达到本系统的高测量精度，而且实际上与存在的温度无关。
在上述实施形式的第一优选改进中，第一措施包括一个冷却气源，冷却气从冷却气源出来，通过测量管，从外室流入热气体室；使用一种惰性气体作冷却气。这样，与待测量的室无关，可以实现为在测量管中达到均匀的温度分布所需的冷却，而且冷却是加以控制的。不过这需要一个单独分离的冷却气源，它要求增加设备安装费用。
在上述实施形式的第二优选改进中，热气体室便是燃气透平的燃烧室(15)，经过压缩的助燃空气被输送给该燃烧室，压缩的助燃空气一部分被分流，并作为冷却空气，经测量管从外室流入热气体室。在这种情况下，不需要单的冷却气源了，从而大大简化了测压装置。
其它的结构形式在所附的权利要求书中提出来了。
下面结合附图按照一些实施例对本发明做较详细的说明。附图是：
图1本发明提出的测压装置的第一个优选实施例的截面图，其测量管具有直径跃变以补偿或补偿在温度跃变处产生的压力波反射；
图2图1所示的一个放大截面图，其中绘出了测量管的不同直径；
图3本发明提出的测压装置的第二个优选实施例，配有测量管冷却系统，由外部的冷却气源供给冷却气体，借以达到避免温度跃变的目的；及
图4配合图3的一个特别适用于燃气透平的方案，其中，在上游从一集气室拾取助燃压缩空气，用于冷却测量管，该助燃空气穿过一个冷却器送出并送进该测量管中。
图1中以截面形式示明本发明提出的测压装置的第一个优选实施例，其测量管具有直径跃变，借以补偿在温度跃变处的压力波反射。测压装置10测量出燃烧室15中的压力波动或压力振荡，该燃烧室通过一个燃烧室壁14而与集气室13分开，该集气室被安置在燃烧室壁14和燃气透平11的外壳12之间。在燃气透平11的压缩机部分中压缩了的助燃空气流入集气室13中，处于温度T2(图2)的助燃空气的温度明显低于燃烧室15中的温度T1。在透平外壳12的外面，在外室28中存在另一温度T3，该温度又明显低于集气室13中的温度T2。
测压装置10包含一根长(例如20m)而细(例如4mm粗)的测量管16，该测量管的一端在测量点通入燃烧室15中，通过燃烧室壁14、通过集气室13、再通过透平机外壳12而被引入外室28中，在这里，该测量管以它的另一端终止在例如一个终端体17中。在外室28中，正好在燃气透平机外壳12的后面，在测量管16侧面安置一个压力传感器18，并且经过连接管19将其连接到测量管16上。
如在图1和2上可以很容易看出的，测量管16在壁12和14的范围内其时处在一个相对突然的温度跃变T3→T2和T2→T1之下，(如果不采取对付措施的话)这种温度跃变可能会导致从燃烧室15进入测量管16的压力波的反射，从而会导致出现测量误差。为了补偿或消除在温度跃变点产生的压力波的反射，使测量管16依照温度跃变点分别具有直径上的跃变：在从T3过渡到T2的情况下，测量管的直径从D3减小到D2；在从T2过渡到T1的情况下，测量管的直径从D2减小到D1(图2)。
为了能如愿地消除在温度跃变点产生的压力波反射，必须依据温度T1,…,T3或它们的比例来适当选择直径D1,…,D3或它们的比例。对直径的选择是从以下的分析做出的：
测量管16分成为三个管段1、2和3，它们所具有的直径分别为D1,D2和D3。每个管段的起始点(从燃烧室15方向观看)分别以1A,2A和3A表示；每个管段的终止点分别以1B,2B和3B表示。假定观察一对李曼不变量(Riemann-Invarianten)f和g，就可在测量管16的朝向外室的端部，亦即在3B处，根据一开口管的边界条件，得出下式：
(1)    f3B=g3B(=h),
李曼不变量可以在不同的地点1A至3B如下地彼此联系起来：
(2)    f3A=f3Bexp(α3L3)exp(i[α3+ω/C3]L3),
(3)    g3A=g3Bexp(-α3L3)exp(-i[α3+ω/C3]L3),
(4)    2f2B=(C2/C3+D3 2/D2 2)f3A-(C2/C3-D3 2/D2 2)g3A,
(5)    2g2B=-(C2/C3-D3 2/D2 2)f3A+(C2/C3+D3 2/D2 2)g3A,
(6)    f2A=f2Bexp(α2L2)exp(i[α2+ω/C2]L2),
(7)    g2A=g2Bexp(-α2L2)exp(-i[α2+ω/C2]L2),
(8)    2f1B=(C1/C2+D2 2/D1 2)f2A-(C1/C2-D2 2/D1 2)g2A,
(9)    2g1B=-(C1/C2-D2 2/D1 2)f2A+(C1/C2+D2 2/D1 2)g2A,
(10)    f1A=f1Bexp(α1L1)exp(i[α1+ω/C1]L1),
(11)    g1A=g1Bexp(-α1L1)exp(-i〔α1+ω/C1]L1),
(12)    2ΔP1A/P1C1=f1A-g1A,在上式中L1,L2,L3分别表示长度；D1,D2,D3分别表示直径；C1,C2,C3分别表示声速；而d1,d2,d3则根据管段1、2、3的施托克(Stokes)-边界层分别表示阻尼系数；ω表示角速度，P1表示管段1中的密度，而ΔP1A则表示在点1A处待测量的压力。对于阻尼系数α，亦可写成
(13)    α=√(2ων)/DC[1+(γ-1)/√Pr],在上式中的V表示动粘度，γ表示各比热之比，Pr表示普朗特数(Prandtzahl)。等式(13)表示一种近似，只要下式适用于Stokes-边界层的厚度，则上述近似是非常精确的：
(14)    δSTOKES=√(ν/ω)＜＜D.不难看出，对技术意义上的任何情况都需要的这一条件得到了很好的满足。截止频率典型地在1 Hz以下。从等式(4)、(5)、(8)和(9)可以立即看出：在图1和2所示情况下，压力波反射可以得到抑制，如果下式有效的话：
(15)    C2/C3-D3 2/D2 2=0,
和
(16)    C1/C2-D2 2/D1 2=0.
这些条件能准确地得到满足，如果采用例如符合下面的表的量的话，这个表对于燃气透平机的燃烧器来说是典型的：
表：
频率范围    1000Hz(赫兹)
压力        16bar(巴)
第1管段
温度T1     1673k
直径D1     2.577mm
长度L1     0.1m
 γ       1.3
 Pr       0.71
第2管段
温度T2   673k
直径D2   3.235mm
长度L2   0.4m
γ        1.4
Pr        0.71
第3管段
温度T3   288k
直径D3   4mm
长度L3   50m
γ        1.4
Pr        0.71不言而喻，在另外的边界条件下可以相应地选择相应的直径比。
本发明提出的一种测压装置的另一个优选实施例见图3所示。在此情况下，测压装置20也包含一测量管21，该测量管从燃烧室15中引出，通过燃烧室壁14、集气室13及燃气透平11的外壳12，引入外室28中。在这里，也是在燃气透平外壳12的后面，压力传感器18经过一连接管19而被连接在测量管21上。在这里，温度比(温度跃变)又可以是与图1或图2所示实施例中相同的温度比。与图1所示实施例不同之处是，图3中所示的测量管是具有恒定直径(没有直径跃变)加以设计的。在这种情况下，因测量管中的温度跃变而产生的压力波反射未被补偿，而是根本不许有压力波反射。为此，从一(外部的)冷却气源29送出惰性冷却气体，经过测量管21，再送往燃烧室15。冷却气体(如果气体流具有足够的大小)保持测量管21在其全长上处于一致的温度(例如288k)，这样就没有温度跃变，从而相应地就不会出现压力波反射。对一根直径为4mm的测量管21，在上述温度条件下，100W的冷却能力就足够了。冷却气体在测量管21中的流速这时应达到大约1m/s(1米/秒)的值。
另一个优选的实施例，它也配有测量管的冷却系统，但放弃了外部的冷却气源，见图4所示。在这种情况下，测量管23被引导经过外室而返回到燃气透平11，它的自由端在测量点上游用进气孔27连接到集气室13上。在集气室13中流动的压缩的助燃空气一部分被分流，并作为冷却空气通过测量管23从外室28送入燃烧室15。所提供的冷却空气在输送时最好通过一冷却器24来降低其温度，该冷却器在供气点后面包围着测量管23。冷却器24有一个入口25和一个出口26，例如作为冷却剂的水便通过此出入口引进和排出。但也可以设想采用其它形式的冷却，使所提供的压缩空气获得符合要求的温度。
总起来说，本发明提出一种测压装置，可用来测量处于高温下的热气体室中的压力波动或压力振荡，配有比较简单而经济的压力传感器，不影响测量精度。
标号表
10,20,22    测压装置
11          燃气透平
12          燃气透平外壳
13          集气室
14          燃烧室壁
15          燃烧室
16,21,23    测量管
17          终端体
18          压力传感器
19          连接管(压力传感器)
24          冷却器
25          入口(冷却器)
26          出口(冷却器)
27          进气孔(冷却空气)
28          外室
29          冷却气源
D1,…,D3  内径(测量管)
L           长度(测量管)
T1         温度(燃烧室)
T2         温度(集气室)
T3         温度(外室)

Claims (10)

1．测压装置(10,20,22)，用于测量充满第一温度(T1)热气体的室(15)中的压力波动，该室借助至少一个壁(12,14)而与一个处于较低的第三温度(T3)的外室(28)相隔开；本测压装置特别适用于测量燃气透平(11)的燃烧室(15)中的压力波动；在本测压装置(10,20,22)上，相对压力波动来说无端部反射的测量管(16,21,23)从室(15)开始穿过至少一个壁(12,14)通入外室(28)；在本测量装置上，在外室(28)中，在至少一个壁(12,14)的后面一个压力传感器(18)连接在测量管(16,21,23)上以用于测量压力波动；其特征在于：在测量管(16,21,23)上采取第一措施，这措施能防止在测量管(16,21,23)中的温度跃变点处测量管(16,21,23)中传播的压力波干扰性反射，或者说在压力波进入压力传感器(18)之前使之成为无害的。
2．按照权利要求1中所述的测压装置，其特征在于：在测量管(16)中存在温度跃变(T1→T2；T2→T3)；其特征在还在于：在测量管(16)中的温度跃变点(T1→T2；T2→T3)出现的压力波反射通过在测量管(16)内壁上相应的直径跃变处(D1→D2；D2→D3)的反射加以补偿。
3．按照权利要求2中所述的测压装置，其特征在于：测量管(16)上的直径跃变点(D1→D2；D2→D3)都安排在温度跃变点(T1→T2；T2→T3)的地方。
4．按照权利要求3中所述的测压装置，其特征在于：直径跃变点(D1,D2及D2,D3)的各直径是这样选定的，使得一个直径跃变点(D3/D2或D2/D1)的直径比等于所属温度跃变点的温度反比的4次方根([T2/T3]1/4或[T1/T2]1/4)。
5．按照权利要求1中所述的测压装置，其特征在于：第一措施(24,…,27；29)是如此设计的，使它们能防止在测量管(21,23)中产生温度跃变。
6．按照权利要求5中所述的测压装置，其特征在于：第一措施包括一个冷却气源(29)，冷却气体从该冷却气源出来，穿过测量管(21)，从外室(28)流入热气体室(15)。
7．按照权利要求6中所述的测压装置，其特征在于：使用一种惰性气体作为冷却气体。
8．按照权利要求5中所述的测压装置，其特征在于：热气体室就是燃气透平(11)的燃烧室(15)；其特征还在于：向燃烧室(15)输供压缩的助燃空气；其特征还在于：压缩的助燃空气一部分被分流，并作为冷却空气通过测量管(23)，从外室(28)进入热气体室(15)。
9．按照权利要求8中所述的测压装置，其特征在于：燃烧室(15)由一集气室(13)所包围，压缩的助燃空气流过该集气室；冷却空气在测量管(23)的测量点上游从集气室(13)取出；被排出的冷却空气通过一个冷却器(24)送出，以达到降低其温度的目的。
10．按照权利要求9中所述的测压装置，其特征在于：为了供给冷却空气，测量管(23)以它的自由端直接连接在集气室(13)上；冷却器(24)在冷却空气排出点的后方包围住测量管(23)。
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