热辐射环境对燃气轮机涡轮叶片辐射测温影响研究

Turbine blade is an important part of gas turbine. In order to improve the thermal efficiency of power plant, the most direct and effective way is to increase the inlet temperature of gas turbine rotor, and the temperature of turbine blade increases with the inlet temperature, which brings higher heat load to turbine blade. Therefore, the accurate measurement of the blade temperature with great significance to ensure the safe operation and improve the operation efficiency. The theory of radiation temperature measurement has been relatively maturity. However, due to the lack of research on the special working environment, there are still some problems when using the radiation pyrometer to measure the turbine blade temperature. This program analysis focuses on two aspects through the blade thermal work environment: the reflection mechanism of high temperature background radiation formed on the blade surface and correction of the temperature measurement results; on the other hand, research on the radiation of high temperature and pressure mixed gas, analysis the influence on absorption and radiation characteristics of combustion gases products, and error correction and compensation in the blade radiation temperature results. The research of the program can provide a more accurate data base for gas turbine blade fault diagnosis, and also provide a basis for the radiation temperature measurement in high temperature mixed gas under the background of high temperature. The results have broad application prospects and scientific significance.

涡轮叶片是燃气轮机的重要部件。为提高动力装置的热效率，最直接有效的途径是提高燃机转子进口温度，而涡轮叶片的温度也随着进口温度而升高，为叶片带来了更高的热负荷。因此，准确测量叶片温度，对保证燃机安全运行以及提高运行效率具有重要意义。辐射测温理论已较为成熟，但由于缺少对叶片所处特殊工作环境的研究，在使用辐射高温计对涡轮叶片测温时仍存在一些问题。本项目拟通过对叶片工作时的热辐射环境进行分析，重点对两方面问题进行研究：一方面研究热端部件辐射量在叶片表面形成反射的机理，建立相应反射模型，修正测温结果；另一方面研究高温高压混合气体辐射原理，分析不同的气体燃烧产物成分的吸收与辐射特性，实现叶片辐射温度结果中对燃气影响误差修正和补偿的目标。项目的研究可为燃气轮机涡轮叶片的故障诊断提供更准确的数据基础，同时也为高温背景下辐射测温及高温混合气体中的辐射测温提供方法依据，成果具有广阔的应用前景及以科学意义。

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。由于缺少对叶片所处特殊工作环境的研究，在使用辐射高温计对涡轮叶片测温时仍存在一些问题。本项目中针叶片周围高温燃气的辐射与吸收，高温背景辐射反射进行研究，提出考虑运行环境影响的涡轮叶片辐射测温方法，以提高涡轮叶片在线测温精度。.（1）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，研究中提出了一种高温背景下辐射温度计算方法。该方法中使用三角面元模型结合围道积分计算系数描述反射量，进而建立反射影响下的辐射测温数学模型，降低其对测温结果造成的影响。.（2）涡轮叶片周围的高温高压燃气自身会产生辐射，也会吸收叶片的辐射量。研究中通过研究高温燃气的辐射特性，分析不同工况下燃气辐射与吸收特性的变化，结合HITRAN与HITEMP数据库提出了光谱窗计算方法，提高计算精度和计算速度，对叶片测温时燃气的影响加以修正。.（3）针对现有亮度与比色测温法进行涡轮叶片温度测量时，缺乏有效数据处理方法进行反射辐射修正的问题。提出基于有效发射率的亮度测温法和基于有效发射率的比色测温法，将热端部件反射辐射引入的测温误差通过有效发射率进行修正，降低亮度与比色测温数据处理复杂度。分析涡轮叶片相对位置与辐射测温波长选择对有效发射率与测温误差计算的影响。.（4）针对现有多光谱测温数据处理方法不能准确描述涡轮叶片所处辐射测温环境的特征，导致测温误差较大的问题，通过研究涡轮叶片表面发射率特征，结合反射辐射模型，建立考虑反射辐射影响的多光谱测温数学模型，分析热端部件反射辐射对多光谱测温引入的误差。提出基于改进量子遗传算法的多光谱数据处理方法，有效降低了多光谱测温误差。同时，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。