考虑运行环境影响的燃气轮机涡轮叶片辐射测温方法研究

摘要

准确测量涡轮叶片温度，对保证燃气轮机安全运行具有重要意义。涡轮叶片温度测量一般采用辐射测温法，而叶片周围高温燃气的辐射与吸收，高温背景辐射反射会影响辐射测温精度。本课题针对这两个工作环境影响因素进行研究，提高涡轮叶片在线测温精度，最终提出考虑运行环境影响的涡轮叶片辐射测温方法。
　　涡轮叶片周围的高温燃气自身会产生辐射，也会吸收叶片的辐射量。设计辐射高温计时通常选择避开气体辐射光谱，但是随着多光谱测温技术的发展以及光学器件的限制，难以选择完全不受影响的测量光谱。本文通过研究混合气体在高温高压条件下的辐射特点，分析不同工况下燃气辐射与吸收特性的变化，使用k分布模型将剧烈变化的光谱吸收系数重新排列成平滑单调上升的函数，并结合HITEMP数据库提出了光谱窗计算方法。与已有气体辐射计算方法相比，该方法的计算精度和计算速度均有优势，可对叶片测温时燃气的影响加以修正，并为测量光谱优化选择提供依据。
　　工作环境的高温背景辐射在涡轮叶片表面所形成的反射量会直接影响测温结果。针对该问题，本文提出了一种高温背景下辐射温度计算方法。该方法中使用角系数描述反射量，建立反射影响下的辐射测温数学模型，进而降低其对测温结果造成的影响。辐射测温数学模型加入反射量后，难以对模型直接求解，本文在多光谱测温理论基础之上，结合改进后的多目标遗传算法对模型进行求解，提高了搜索效率和计算精度。通过对处于高温背景下目标的辐射测温实验，证明了所提出的方法可有效降低反射对测温精度的影响。
　　涡轮叶片工作环境复杂，叶片在旋转到不同位置时所受到的反射影响不同，难以直接获取反射量。本文建立了涡轮叶片的背景辐射反射模型，用以准确描述叶片工作时反射量对测温精度的影响。在建模过程中，采用高次多项式拟合的方法替代叶片设计参数进而构造叶片型线方程，可在保证计算精度的前提下简化计算过程。同时，使用曲线网格结合面元化方法分析邻近热端部件的反射量，该方法与简化模型相比，充分考虑了叶片表面的非规则结构，并准确描述了工作环境反射量变化规律。通过半实物仿真实验，验证了反射模型具有较高的计算精度。
　　在上述研究工作基础上，提出了考虑运行环境影响的燃气轮机涡轮叶片辐射测温方法。该方法对已有辐射测温数据处理方法加以改进，在数据处理过程中加入高温燃气辐射特性以及高温背景辐射反射影响计算，降低测温过程中涡轮叶片运行环境的影响，提高测温精度。最后，分析了涡轮叶片辐射测温数据处理过程中测温系统以及工作环境引入的测量不确定度。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 涡轮叶片温度测量技术研究现状

1.3 涡轮叶片辐射测温技术研究现状

1.4 涡轮叶片辐射测温工作环境影响因素

1.5 本文主要研究内容

第2章 基于光谱窗计算方法的高温燃气辐射特性研究

2.1 引言

2.2 高温气体辐射特性计算方法

2.3 光谱窗计算方法及其验证

2.4 高温燃气辐射特性计算及其对叶片测温影响分析

2.5 本章小结

第3章 基于反射传热模型的高温背景下辐射温度计算方法

3.1 引言

3.2 高温背景对辐射测温的影响分析

3.3 高温背景反射影响下的辐射测温数学模型

3.4基于多目标遗传算法的高温背景下辐射测温计算方法

3.5 本章小结

第4章 涡轮叶片背景辐射反射模型研究

4.1 引言

4.2 涡轮叶片温度分布仿真与分析

4.3 涡轮叶片工作环境分析

4.4 涡轮叶片的背景辐射反射建模方法

4.5 环境反射量对叶片测温结果的影响分析

4.6 反射模型的半实物验证

4.7 本章小结

第5章 涡轮叶片辐射测温计算方法及不确定度分析

5.1 引言

5.2 涡轮叶片温度测量方案

5.3 高温计标定

5.4 涡轮叶片温度辐射测温数据处理方法

5.5 涡轮叶片温度测量结果分析

5.6 温度测量的不确定度分析

5.7 本章小结

结论

参考文献

附 录1

附 录2

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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