谐振腔法蒸汽湿度测量不确定度及水膜厚度测量研究

摘要

湿蒸汽两相流对汽轮机的安全经济运行具有较严重的影响。蒸汽湿度的准确测量可为湿蒸汽级工作状况和低压缸运行效率的确定、叶片除湿和防护装置设计、通流结构优化等提供指导。微波谐振腔介质微扰法是一种具有发展前景的蒸汽湿度测量新方法，系统结构简单，操作方便，测量精度高，环境适应性强，可实现蒸汽湿度的在线连续监测。文章基于谐振腔介质微扰理论，分析了腔体热变形对蒸汽湿度测量的影响及微波蒸汽湿度测量系统的不确定度；基于低频同轴谐振腔等效电路，理论分析了低频同轴谐振腔在线监测水膜厚度的可行性，并设计了可用于在线监测水膜厚度测量传感器，对汽轮机机组的安全运行具有重要指导意义。具体内容如下：
　　1.采用流固耦合方法，分析了谐振腔热变形对蒸汽湿度测量的影响。仿真计算了不同蒸汽参数及流速条件下谐振腔的温度场及热变形。根据谐振腔有效部分内表面变形值，利用TE011模式圆柱谐振腔谐振频率计算式，分析了腔体变形对谐振腔谐振频率的影响。随着腔体变形增大，谐振频率偏移量增大，且腔体变形会对蒸汽湿度的正常测量带来较大影响。应进一步从谐振腔的结构设计、测量方案等方面改进，减小腔体热变形对蒸汽湿度测量的影响。
　　2.推导了蒸汽湿度测量关系式的灵敏度系数,分析了微波蒸汽湿度测量系统的压力、谐振腔谐振频率等直接测量参数的不确定度。以不同蒸汽压力及湿度条件为例，分析了湿度测量系统合成标准不确定度的变化。系统合成标准不确定度≤0.004％，且随着蒸汽湿度、压力增大，系统合成标准不确定度和扩展不确定度变大,且呈线性趋势增长。考虑谐振腔热变形、腔体内壁沉积水膜或盐垢、大水滴穿腔、谐振腔取样偏差等因素，湿度测量系统的综合不确定度≤0.764%。谐振腔热变形和取样误差，对蒸汽湿度的准确测量影响较大。
　　3.根据低频同轴谐振腔等效电路，建立了水膜厚度测量数学模型，推导了水膜厚度测量关系式，并设计了用于水膜厚度测量的传感器。传感器测量精度较高，结构简单，尺寸较小，易于安装布置，测量范围约为0~1 mm。随着水膜厚度增加，同轴谐振腔的谐振频率减小，衰减增大，且水膜厚度测量分辨力逐渐下降。水膜厚度测量传感器可用于监测汽轮机静叶片、汽缸壁、导流环等结构处的水膜。低频同轴谐振腔水膜厚度测量技术，有待于进一步实验研究。

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第1章 绪 论

1.1课题研究的背景及意义

1.2湿蒸汽测量技术现状及进展

1.3本文主要的研究内容

第2章 谐振腔法蒸汽湿度测量理论

2.1湿蒸汽介电性质

2.2微波谐振腔介质微扰理论

2.3谐振腔的工作模式选择

2.4蒸汽湿度测量关系式推导

2.5蒸汽湿度测量流程

2.6本章小结

第3章 流固耦合传热对湿度测量传感器的影响分析

3.1流固耦合传热计算模型及边界条件

3.2计算结果分析

3.3本章小结

第4章 微波谐振腔蒸汽湿度测量系统不确定度分析

4.1蒸汽湿度测量系统的主要影响因素

4.2蒸汽湿度测量系统的数学模型

4.3蒸汽湿度测量系统的不确定度评定

4.4湿度测量系统的综合不确定度分析

4.5本章小结

第5章 微波同轴谐振腔水膜厚度测量理论研究

5.1微波同轴谐振腔水膜厚度测量原理

5.2水膜厚度测量传感器设计

5.3同轴谐振腔水膜厚度测量仿真

5.4水膜厚度测量关系式确定

5.5本章小结

第6章 结论和展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果

致谢