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氣動測溫熱電偶探針誤差分析及解決辦法

來源:www.kimmosasi.net作者:發表時間:2018-02-27 10:45:16

 摘 要:渦輪前溫度是衡量航空發動機性能的重要參數,精確的溫度測量對於發動機研發實驗具有重要意義。氣動測溫探針相對於傳統測量方法具有結構簡單,成本低,可以使用量程小精度高的測溫熱電偶間接測量高溫燃氣溫度等優點。然而在實驗中發現存在較大偏差,本文結合探針的結構對誤差產生原因進行分析,進而探討探針測溫誤差的解決方法。

 
1 氣動探針測溫原理
  圖 1 是雙喉道氣動測溫探針結構簡圖。探針通過製造進出口壓差使待測燃氣通過截麵 1 進入探針並在第一喉道截麵 2 處達到雍塞狀態。燃氣通過 2—3 截麵時通過水冷腔體對高溫燃氣流進行冷卻使燃氣溫度降到 3 截麵熱電偶的許用量程內。燃氣再次以雍塞狀態通過第二喉道截麵 4 處,由通過前後兩個喉道燃氣質量流量相等的原理及雙喉道均達到雍塞狀態來測量燃氣總問 T 0。
探針結構圖
假定氣流通過前後兩個喉道時是假定氣流為平衡、等熵、定常的一維均質流。噴管一維等熵流動的流量關係式為 :
20180227104617.jpg
當喉道出雍塞時,由氣動函數可把公式(1)可簡化為:
20180227104651.jpg
其中
20180227104655.jpg
式中 w 為氣體質量流量, P 為氣流總壓,p 為氣流靜壓,A 為噴管喉道橫截麵積,T 為氣流總溫,γ 為氣流比熱比,R 為氣體常數。  定義流量係數 C 為實際流量am 與理想流量im 之比。在穩態流動條件下,由探頭的前後兩個限流截麵的流量相等,則:
20180227104734.jpg
角標 0-4 為探針工作原理圖 1 中所劃分截麵。
  解得上遊噴管前溫度:
20180227104739.jpg
當忽略燃氣比熱比影響時 ( 取燃氣比熱比為定值 γ=1.33) 。
20180227104742.jpg
C 為探針係數在常溫下(0 3T T = )由公式(6)標定得到。
 
2 探針測溫誤差及原因分析
  (1)熱電偶產生的測量誤差。測溫探針工作依據公式(6),探針熱電偶所在截麵如圖 2 所示。冷卻後氣流總溫 T 3 的測量的準確性對探針測量準確性影響較大。氣動探針由於為水套冷卻結構,限於尺寸,探針中熱電偶隻得采用裸露型,由高溫燃氣與水冷內壁麵產生的溫差必然導致輻射誤差的產生。由於探針支杆內部氣流速度較高,局部位置達到聲速,而裸露的熱電偶對高速氣流隻有一定的滯止作用,並非完全絕熱滯止。因此熱電偶會引入一定的速度誤差對測量結果造成影響。
 
(2)燃氣比熱比的影響。探針計算公式(6)是取燃氣比熱比為常數,即該探針在測量燃氣溫度時喉道 2、4 截麵的比熱比為燃氣工程常用數值 1.33。但在實際探針工作中,由於經過探針的燃氣經水冷冷卻,喉道截麵 2 與 4 經冷卻水冷卻後溫度相差較大,並且燃氣成分比隨著空燃比的不同也會發生變化,燃氣比熱比並非常數。
  (3)探針第一喉道熱變形的影響。當探針進行溫度測量時,探針頭部浸入高溫燃氣流中,由於探針頭部收到高溫氣流衝擊,難以避免的第一喉道截麵麵積會發生變化。有公式(6)可知第一喉道的麵積變化也會對探針測量引入誤差。
 
3 探針測溫誤差的修正
  (1)對熱電偶的修正。在一般熱點偶中對於輻射誤差一般使用遮熱罩,對於速度誤差使用滯止罩等措施來避免或減弱誤差。然而對與該探針由於結構尺寸的原因上述方法不能采用,隻能進行數值修正。對熱電偶結點進行傳熱分析知其熱量傳遞有三種方式,熱點偶結點與燃氣流的對流換熱,與流道內壁的輻射傳熱,與保護瓷管的導熱。在熱電偶使用、安裝正確的情況下其導熱誤差可以忽略不計。設燃氣溫度為 T g ,熱電偶測溫示值為 T 3 ,探針支杆內壁麵溫度為 T w ,高溫燃氣主要以對流換熱方式傳熱給熱電偶,忽略燃氣對熱電偶的導熱和輻射換熱,其傳熱量為:
20180227104832.jpg
其中,α 是燃氣對熱電偶的對流傳熱係數;A 是熱電偶的傳熱表麵積。
  熱電偶與探針支杆內壁麵的熱交換,主要以輻射方式進行。
20180227104838.jpg
其中,ε n 為熱電偶的輻射率;σ 為波爾茲曼常數。
  當熱電偶測溫達到穩態時 Q a =Q R ,即:
20180227104843.jpg
熱電偶測溫產生的輻射誤差為:20180227104854.jpg

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