一种用于超高温试验条件下的热电偶测温装置及修正方法

1.本发明属于燃气涡轮领域，具体涉及一种用于超高温试验条件下的热电偶测温装置及修正方法。


背景技术：

2.燃气透平机械广泛用于电力、航空、动力机械驱动等领域，燃气透平的布雷顿循环表明提高燃烧室的出口温度是提高燃气透平性能的主要途径之一，目前先进的燃气涡轮燃烧室出口的燃气平均温度已超过2000k，这使得透平热负荷不断升高。保证涡轮零部件在高温、高负荷下的正常工作及较长寿命成为燃气涡轮发展的技术难题，燃气涡轮设计需要使用许多冷却技术，关于冷却技术的实验评估对涡轮设计至关重要。
3.在传热冷却实验中，燃气透平叶片叶栅通道的热负荷主要由对流传热和辐射换热两部分组成。当燃气温度不高时，由于其流速较大，通道内对流传热的效果很强，此时辐射换热在叶片总热负荷的占比相对较小。随着燃烧室出口燃气温度的提高，辐射换热的影响越来越大，所占热负荷的份额也随之增大。
4.传热冷却实验的主要目的是通过实验确定燃气与其流过壁面之间的换热系数、燃气换热温度以及壁面温度，从而计算燃气与壁面之间的换热量，很多实验的难点集中在表面换热系数的确定上。在燃气涡轮的传热实验中，热电偶常被用来测量流道中的燃气温度，其通过将接收到的热能转换为电能，利用产生的电动势测量温度。但在实际测量中，热电偶接触点会与周围环境辐射换热，导致所测燃气温度低于实际燃气温度，且随燃气温度提高，二者误差逐步增大。
5.因此，对高温试验条件下的热电偶实测燃气温度的修正对其在传热冷却实验中的应用具有十分重要的工程应用价值。
6.在王俊芳在《机械管理开发》的2017年第1期上发表的《简析高温热电偶的测量误差及处理方案》中，将高温下热电偶的测温误差原因归结于结构变质，现有的燃气涡轮传热实验中，则忽略了热电偶与周遭环境的辐射换热损失，故使得实验数据误差加大。
7.因此，现有技术在使用热电偶测量通道内高温燃气的温度时，未能考虑热电偶与通道壁面间的辐射换热而导致测温产生较大误差的问题。


技术实现要素：

8.要解决的技术问题：
9.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于超高温试验条件下的热电偶测温装置及修正方法，通过考虑热电偶与通道壁面间的辐射换热，运用对流换热理论和经验关联式对所测温度进行修正，结果可认为是真实的主流温度，以保障实验数据的准确性。
10.本发明的技术方案是：一种用于超高温试验条件下的热电偶测温装置，其特征在于：包括实验通道、主流热电偶、皮托管、壁面热电偶；所述主流热电偶用于测量主流的温度，皮托管用于测量来流速度，多个壁面热电偶热电偶沿实验通道周向布置，用于测量壁面
温度。
11.本发明的进一步技术方案是：所述壁面热电偶的数量为8个，沿周向均布，即实验通道的四个壁面上均设置两个壁面热电偶。
12.本发明的进一步技术方案是：同壁面的2个热电偶分别位于沿主流方向主流测温热电偶探头的上下游7d处，d为热电偶探头直径。
13.一种用于超高温试验条件下的热电偶测温装置的修正方法，其特征在于具体步骤如下：
14.步骤1：求解主流热电偶与高温燃气的对流换热量：
15.φh＝ha1(t
f-t1)
16.式中，a2为通道壁面面积，tf为主流实际温度，t1为主流测量温度，h为流体外掠圆球的平均表面换热系数；
17.步骤2：求解主流热电偶与通道内壁面的辐射换热量：
[0018][0019]
式中，a1为热电偶探头表面积，tw为壁面温度，ε为热电偶发射率；
[0020]
步骤3：当处于稳态时，φh＝φr，即此时即可得到第一次修正后的主流实际温度t2；
[0021]
步骤4：通过查表得到第一次修正后温度t2下的普朗特数pr、流体导热系数λ、动力粘度μ
∞
以及运动粘度ν；
[0022]
重复3、4步骤，经过3次迭代计算后主流温度tf的残差小于1％，此时得到真实的主流温度。
[0023]
本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，公式φh＝ha1(t
f-t1)的流体外掠圆球的平均表面换热系数h用以下经验关联式确定：
[0024][0025]
式中，u为主流速度、l为通道长度，pr为普朗特数，λ为流体导热系数、μ
∞
为动力粘度，ν为运动粘度，μw为动力粘度。
[0026]
本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中，主流热电偶探头表面积a1《《通道内壁面积a2。
[0027]
本发明的进一步技术方案是：所述tw为多个壁面热电偶测量壁面温度的平均值。
[0028]
有益效果
[0029]
本发明的有益效果在于：在燃气涡轮的传热实验中，热电偶常被用来测量流道中的燃气温度，其通过将接收到的热能转换为电能，利用产生的电动势测量温度。但在实际测量中，热电偶接触点会与周围环境辐射换热，导致所测燃气温度低于实际燃气温度，且随燃气温度提高，二者误差逐步增大。因此，本发明提出的用于超高温试验条件下的热电偶测温
修正的方法，通过考虑热电偶与通道内壁面间的辐射换热，运用对流换热理论和经验关联式等进行3次迭代计算加以修正，最终得到更贴近通道内真实值的主流温度，大幅减小实验测量误差，保证实验数据的准确性，该热电偶实测燃气温度修正方法在高温传热实验中的应用具有十分重要的工程应用价值，也具有良好的普遍适用性。
[0030]
在进行陶瓷基复合材料平板端壁气膜冷却特性实验时，采用如上方法，对主流温度进行修正，如图4所示，可以看出修正前后主流温度相差较大，且修正后所得展向平均冷却效率相较于修正前更加贴近实验结果，故证实该方法的可行性。
附图说明
[0031]
图1是本发明的用于超高温试验条件下的热电偶测温修正的通道结构示意图；
[0032]
图2是实验通道结构a截面剖面图；
[0033]
图3是实验通道结构正等测剖面图；
[0034]
图4是修正前后的实验数据对比图；
[0035]
图5是迭代计算的流程图；
[0036]
附图标记说明：1-皮托管，2-主流热电偶，3-10壁面热电偶。
具体实施方式
[0037]
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0038]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0039]
本发明一种用于超高温试验条件下的热电偶测温修正的方法。参见图1图2，实验装置包括实验通道、用于测量来流速度的皮托管1、用于测量主流温度的热电偶2、以及八个用于测量壁面温度的热电偶(3-10)。
[0040]
其中，热电偶发射率ε、热电偶探头直径d、热电偶探头表面积a1、通道壁面面积a2、主流测量温度t1、主流速度u、通道长度l、壁面温度主流实际温度tf。已知主流测量温度t1，通过查表可得该温度下，普朗特数pr、流体导热系数λ、动力粘度μ
∞
以及运动粘度ν。已知壁面温度tw，通过查表可得该温度下，动力粘度μw。
[0041]
步骤(1)主流热电偶与高温燃气的对流换热量φh＝ha1(t
f-t1)。
[0042]
步骤(2)因为主流热电偶探头表面积a1《《通道内壁面积a2，所以主流热电偶与通道内壁面的辐射换热量
[0043]
步骤(3)其中，步骤(1)中的公式φh＝ha1(t
f-t1)的流体外掠圆球的平均表面换热系数h可以用以下经验关联式来确定：
[0044]
其中，
[0045]
步骤(4)当处于稳态时，φh＝φr，即此时即可得到第一次修正后的主流实际温度t2。
[0046]
步骤(5)通过查表得到第一次修正后温度t2下的普朗特数pr、流体导热系数λ、动力粘度μ
∞
以及运动粘度ν，重复(3)(4)(5)步骤，经过3次迭代计算后主流温度tf的残差小于1％，此时可认为是真实的主流温度。
[0047]
本发明在实施中，因为通道共有上、下、左、右四个内壁面，所以采取每个面各2个热电偶的布置方式，且同壁面2个热电偶分别位于沿主流方向主流测温热电偶的上下游7d处，最后将共8个热电偶的平均值作为壁面温度tw，进一步减小误差。
[0048]
同时，考虑了通道壁面与主流测温热电偶之间的辐射换热，运用对流换热理论和经验关联式对所测温度进行修正，以获得更贴近真实值的主流温度。
[0049]
本发明的技术原理如下：
[0050]
参见图示，通过考虑热电偶与通道内壁面间的辐射换热，运用对流换热理论和经验关联式进行多次迭代计算，对所测温度进行修正，最终得到更贴近真实值的主流温度，大大减小实验测量误差，保障实验数据的准确性。
[0051]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。