四孔楔形气动探针标定与灵敏度分析-.pdf

第 4 2卷第 3期 2 0 1 3年 9月 Va 1 ． 4 2 No ． 3 Se p． 2 01 3 四孔楔形 气动探针标 定与灵敏 度分析 黎石竹， 蔡小舒， 徐 呈泽， 周 骛， 金娜 上海理工大学颗粒与两相流测量研究所， 上海 2 0 0 0 9 3 摘要 在汽轮机末级湿蒸汽测量中， 采用四孔楔形探针对流场进行测量。探针上布置有4个测压孔， 通过对 压力信号的分析与计算， 能够反演出气流速度的方向与大小。首先用 F l u e n t 进行数值模拟， 计算了探针不同 楔形角 7 0 。 、 9 0 。 、 1 2 0 。 对气流偏转方向的敏感性能， 对其进行对比得 出了在 7 O 。 楔形角的情况下， 探针对气 流偏转灵敏度最高， l 。 的变化就可以测得， 考虑坐标架的转动控制， 实际可以控制在 2 。 以内。在德 国斯 图加 特大学热力透平与机械研究所标准风洞中对 7 0 。 楔形角探针进行气动标定和灵敏度验证， 获得该探针流场测 量的标定 系数 ， 证 实了数值模拟 的结果 。 关 键词 四孔楔 形探 针 ； 风 洞标 定 ； 灵敏度 中图分类号 T K 2 6 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 5 5 4 9 2 0 1 3 0 3 0 1 6 1 0 4 Ca l i br a t i o n a nd S e ns i t i v i t y Ana l y s i s o f 4- Ho l e W e dg e Pne u ma t i c Pr o b e L ／S h i z h u ， C A IXi a o s h u， XU C h e n g z e ， Z HOU Wu ， J I N Na I n s t it u t e o f P a r t i c l e a n d T wo - p h a s e F lo w Me a s u r e me n t ，U n iv e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e＆T e c h n o lo g y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3 ， C h i n a Abs t r a c t Th e me a s u r e me n t o f fl o w f i e l d i n t h e l a s t s t a g e o f w e t s t e a m t u r b i n e i s d i ffic u l t b u t i mp o r t a n t ．Th e 4 一 h o l e w e d g e p n e u ma t i c p r o b e w a s wi d e l y u t i l i z e d t o me a s u r e a n d c a l c u l a t e t h e p n e u ma t i c p a r a me t e r s o f t h e fl o w fi e l d d e p e n d i n g o n t h e f o u r p r e s s u r e s d e t e c t e d b y t h e p r o b e ． Nu me ri c a l s i mu l a t i o n s f o r t h e p r o b e s e n s i t i v i t y t o t h e s l i g h t c h a n g e o f f l o w d i r e c t i o n w a s c a r r i e d o u t f o r t h r e e p r o b e s w i t h d i f f e r e n t w e d g e a n g l e s 7 O 。 ， 9 0 。 ， 1 2 0 。 ．T h e r e s u l t s s h o we d t h a t p r o b e w i t h 7 0 。 we d g e a n g l e h a d a mu c h h i g h e r s e n s i t i v i t y a mo n g t h r e e p r o b e s a n d wa s s e n s i t i v e t o a mi n i mu m fl o w d i r e c t i o n c h a n g e o f 2 d e g r e e ．Al s o ，t h e e x p e r i me n t al c ali b r a t i o n o f 7 0 。w e d g e p r o b e w a s c a r r i e d o u t i n t h e s p e c i a l d e s i g n e d wi n d t u n n e l b u i l t a t I T S M ，Un i v e r s i t y o f S t u t t g a r t ．F i v e c a l i b r a t i o n p a r a me t e r s we r e o b t a i n e d a f t e r t h e c a l i b r a t i o n t o mo d i f y t h e r e a l me a s u r e me n t o f fl o w fi e l d ． T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s a l s o c o n fi r me d t h e s e n s i t i v i t y c o n c l u s i o n ． Ke y wo r d s p n e u ma t i c we d g e p r o b e ；c ali b r a t i o n；s e n s i t i v i t y 在大型电站汽轮机低压缸 内， 湿蒸气流动呈 现出复杂的三元 流动特性 ⋯ ， 为探究其流动过程 以及变化特点 ， 指导汽轮机的理论研究与设计 ， 国 内外学者做 过很 多研 究 。 J ， 其 中实验方法 能够 最为直接与真实地反映出低压缸 内的三元流动。 四孑 L 楔形气动探针测量作为常规 的、 简单 可 靠而且经济的流场测量方法在汽轮机研究 中有着 广泛的应用。四孔楔形探针的尖锐楔形边对来 流 方向非常敏感 ， 适用于汽轮机内高马赫数气流的 测量。但在测量探针周围， 由于探针结构将不可 避免地引起局部 流场的扰动 ， 从 而使压力 的测量 值与真实值产生偏差 ， 因此需在实验测量之前 ， 在 标准风洞中对探针进行标定H ] 。通过标定建 立 4 个无量纲标定系数 ， 为实际测量提供可靠 的修正 。 本文提供的楔形气动探针测量方法可 以方便地应 用于汽轮机的流场测量。 1 探针结构及测量原理介绍 如图 1 所示 ， 该探针正前方有一个测压小孔 P ， 斜面上有一个测压小孔 P ， 左 右分别有 2个 测压t J , L P 3 和 尸 4 。根据气动力学原理， 当探针正 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 7 ． 1 2 修订 日期 2 0 1 3 ． 0 7 2 0 作者简介 黎石竹 1 9 8 7 - ， 男， 上海理工大学硕士研究生， 助理工程师， 从事汽轮机湿蒸汽测量及两相流在线测量技术研究。 ． 1 1 1 圜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3期 四孔楔形气动探针标定与灵敏度分析 2 0 鎏 曩 4 结 论 8 1 通过 F l u e n t 模拟证明4孔楔形探针的楔形 一蒌 图6 攻角特性系数 c P 随攻角和马赫数的变化 3 与 c P 相似 ， 由图 7可知， 删 P严格地随 被描述参数 马赫 数 Ma 单调变化 ， 其 中在马赫 数 0 ． 3～ 0 ． 7 范围内， 几乎随马赫数线性变 化。F MP随攻角变化很小 ， 相对于随马赫数变化 几乎可以忽略不计 。 塞 oJ 薰 0 8 O ． J 5 o ． 1 O ． 0 5 图7 马赫数特性系数 肼 P随攻角和马赫数的变化 灵敏度分析 对标定数据 Ma 0 ． 6的标 定工况 ， 得 到表 2 数据 ， 由表 2可知， 在探针没有对准来 流时， 探针 测量数据将有大幅波动 ， 与 F l u e n t 模拟结果类似 ， 在实际测量 中， 可 以在汽轮机内的复杂工况条件 下得到较为准确 的气流偏转角 。但 由于探针坐标 架系统的角度转动精度为 1 。 ， 降低了探针的准确 度 ， 实际为 2 。 以内。 表2 7 0 。 楔形角探针偏转角与对应 △ P P a 能够进一步增加楔形探针的灵敏度 ； 2 标 定 系数 C P。 攻 角特 性 系数 、 F MP 马赫数特性系数 、 C P 总压特性 系数 、 C P 动压特性系数 绘制的曲面光滑 ， 对探针实、 贝 4 参 数通过曲面插值的方法进行修正， 然后计算出汽 轮机内较为准确 的三维流场。 参考文献 [ 1 ]B O HN D， K E R P I C C I H， R E N J ， e t a 1 ．H e t e r o g e n e o u s E f f e c t s i n t h e D r o p l e t N u c l e a t i o nP r o c e s s i nL PS t e a m T u r b i nes [ M] ． T h e 4 Eu r o p e a n Co n f e r e n c e O ff Tu r b o ma c h i n e r y． F i r e n z e ， I t a ly l s ． n ． ] ， 2 0 0 1 7 8 3 7 9 2 ． [ 2 ]G YA R MA T HY G，L E S C H F ．F o g D r o p l e t O b s e r v a t i o n s i n L a v a l N o z z l e s a n d i n a n E x p e r i m e n t a l T u r b i n e [ c ] ．P r o c e e d i n g s o f t h e I n s t i t u t i o n o f Me c h a nic al En g i n e e r s ， Co n f e r e n c e P r o c e e d i n g s ． T u r b i n e Te s t i n g De p a r t me n t ．Ba d e n，S w i t z e r l a n d Br o wn Bo v e r i a n d C o ．，L t d，S e p t e mb e r 1 9 6 9， 1 8 42 9 3 6 ． [ 3 ]E Y B G ．E x p e r i m e n t e l l e U n t e r s u c h u n g e n d e s S t r o e mu n g sf e l d e s a m Mo d e l l e i ner N D D a m p fiu r b i nen E n d s t [ D] ． S t u t t g a r t De u t s c h l a n d Un i v e r s i t a e t S t u t t g a r t ，1 9 8 9． [ 4 ]苏海林． 实验汽轮机内湿蒸汽两相流的实验研究[ D ] ． 上海 上海理工大学 ， 2 0 0 4 ． [ 5 ] 苏海林． 蔡小舒， M E S S N E R J ． 等熵系数和雷诺数对四孔楔形 探针气动测量影响的研究[ J ] ． 中国电机工程学报， 2 0 0 3 ， 2 3 1 2 1 9 4 - 1 9 8 ． [ 6]张 晶晶．湿 蒸 汽联 合 探针 的风 洞标 定 和 数值 模 拟 的 比较 [ J ] ． 工程热物理学报 ， 2 0 1 1 ， 3 2 6 9 3 7 9 4 0 ． 短讯 国内首家燃气余热电厂新疆投运 据2 0 1 3年 8 月 2 0日北极星电力网报道， 国内首个利用燃气尾气余热发电项 目已在新疆霍城县投入运行。据位于霍城 县莫乎尔牧场的利霍能源有限公司总经理刘章华向记者介绍说， 利霍能源的原料来 自西气东输二线霍尔果斯压气首站燃 气加压过程中产生的高温尾气 高温尾气进人利霍能源的锅炉， 锅炉每小时产生的 1 1 0吨蒸汽通过管道驱动 2 ． 5万千瓦汽 轮机， 热能转换成了电能， 再由该企业 1 1 0千伏升压站将电流源源不断送往附近的电网。总投资2亿多元的利霍能源， 目前 已安装两台2 ． 5万千瓦汽轮机 ， 其中一台今年6月投入运行， 另一台预备用来利用西气东输三线燃气加压产生的余热。 刘还谈到 ， 利霍能源的母公司西拓能源计划沿西气东输二线新疆至甘肃段建设 2 3 家类似的燃气余热电厂。利 霍能源由于处在西气东输二线首站， 自然而然成了国内第一家建成投产的燃气余热电厂。另外还有 8家在建燃气余热 电厂， 5家在新疆， 3家在甘肃。利用燃气余热发电属于国家倡导的节能环保项 目， 生产过程中不产生任何污染。经过处 理的锅炉用水十分干净 ， 可以循环使用。 l 圜 I一 雾 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m