燃气轮机测试-第1章 燃气轮机试验与测试技术

燃气轮机试验与测试技术主编许传龙·机械工业出版社机械工业出版社·教材配套课件01第1章

CHAPTERONE概论燃气轮机的发展史，就是一个设计、制造、试验、设计修改后再制造、再试验的不断摸索和反复完善的过程。本章先把"为什么测、测什么、怎么建测量系统"讲清楚。1试验测试的作用与意义（1.1）——研发三大支撑技术之一2技术发展趋势（1.2）——五个方向发展3本书的内容体系（1.3）——三大模块4测量与测量系统基础（1.4–1.8）——五节基础机械工业出版社·教材配套课件第1章

概论燃气轮机试验与测试技术1.1试验测试的作用与意义图1-2国产300MWF级重型燃气轮机（国家电力投资集团有限公司供图）。2024年2月28日首台样机总装下线，是国内首次实现大功率重型燃气轮机自主设计制造。燃气轮机研发的三大支撑技术试验与测试·设计·材料工艺1燃气轮机是集气动、热力、材料、结构、制造及测试等多学科的高技术复杂机电系统。2部分工作过程和特性仍不能从理论上详尽描述，只能依靠试验。3它也是考核新材料、新技术、新结构、新工艺的有效途径。燃气轮机水平取决于试验测试技术水平。机械工业出版社·教材配套课件第1章

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燃气轮机试验与测试技术1.1国际水平与自主发展以H级和J级燃气轮机为代表的新一代燃气轮机技术日趋成熟，已投入商业运行。64%联合循环效率2019年通用电气9HA.02重型燃气轮机创造的世界纪录826MW输出功率与64%的联合循环效率记录同属一项世界纪录1650℃透平进口温度2020年三菱重工J级机组，联合循环效率超过64%我国在先进燃气轮机特别是重型燃气轮机核心技术上长期依赖国外，产业尚未实现完全自主发展。2016年我国启动"航空发动机和燃气轮机"国家科技重大专项，燃气轮机同时被列入"十四五"规划和2035年远景目标纲要。300MW2024年首台样机总装下线机械工业出版社·教材配套课件第1章

概论燃气轮机试验与测试技术1.2燃气轮机试验测试技术发展趋势1.2技术发展趋势五个发展方向试验和测试技术是将试验件、试验设备、传感器、测控系统、控制器与执行器耦合在一起的综合性、前沿性技术。目标是实现参数测量—数据处理—试验过程控制—试验管理的全自动化。随着现代传感器、电子、通信、控制、计算机等技术的发展，燃气轮机试验和测试技术向自动化、无线化、虚拟化、网络化和智能化等方向发展。11.2.1非接触多维全场动态测试技术激光诊断·PIV·层析成像21.2.2智能化传感器技术自主校零·自动补偿·自诊断31.2.3无线传感器技术布置灵活·实时性好·低维护41.2.4虚拟仪器技术软件定义仪器·软测量51.2.5分布式网络化测试技术资源共享·控制分散·信息集中先进测试技术可加速试验进程、提高试验质量，显著缩短新机研制周期。机械工业出版社·教材配套课件第1章

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燃气轮机试验与测试技术1.2.1非接触多维全场动态测试技术压气机、燃烧室和透平是燃气轮机三大关键部件，其内部流场具有非定常性、强三维性和强湍流脉动等特点。传统接触式探针现有常规测量手段·点测量只能对流场、燃烧场的宏观性能参数和少量空间点的速度、温度、燃气组分浓度进行测量。无法为内部复杂流道、燃烧室的设计和计算方法验证提供真实的流场、燃烧场信息。探针对流场、燃烧场测量会产生严重干扰。激光诊断技术非接触式测试·场测量对燃烧流场基本没有扰动，测量结果能更好地反映真实的燃烧流动过程。时间分辨率可达纳秒级甚至飞秒级，空间分辨率可达毫米级甚至微米级。可获取速度场、温度场及组分浓度场，实现流场与燃烧场的可视化测量。发展非接触式多维全场动态测试技术对真实反映流场、燃烧场状态极为重要，已成为重要发展方向之一。机械工业出版社·教材配套课件第1章

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燃气轮机试验与测试技术1.2.2–1.2.3智能化传感器与无线传感器智能化传感器技术传感器+微处理器+数据挖掘/深度学习普通传感器只有感知—输出的单一功能，失效后无法及时判定。与微处理器、数据挖掘、深度学习结合后，兼有检测、变换、数据处理、故障自诊断等功能。具备自主校零、自主标定、自校正与自动补偿功能，自主传感器成为可能。显著提高燃气轮机测试效率、测试精度与测试安全性。无线传感器技术检测物理量+无线通信模块传输布置灵活、成本低廉、实时性好、易于扩展。不受布线限制，维护难度低。能耗问题：可能电池耗尽。信号干扰与传输距离受限。智能化解决"测得准"，无线化解决"测得着"，二者互补构成新一代燃气轮机测试网络。机械工业出版社·教材配套课件第1章

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燃气轮机试验与测试技术1.2.4–1.2.5虚拟仪器与分布式网络化测试1.2.4–1.2.5虚拟化与网络化虚拟化是用软件实现硬件功能；网络化是把测试分散到网络中。信息技术的发展推动传感器本身发生质的飞跃。1.2.4虚拟仪器技术以通用硬件平台+软件和算法实现传感器的特定硬件功能。虚拟示波器、虚拟多功能电源、虚拟信号发生器、虚拟数据采集仪。1.2.5分布式网络化测试技术软硬件分布在网络中的计算机上，通过消息传递实现远程监控。资源共享、控制分散、信息集中，测量由集中模式变为分布模式。测试网络由集中变分布、由本地变远程，具备开放性、互操作性与智能化。机械工业出版社·教材配套课件第1章

概论·燃气轮机试验与测试技术1.3本书的内容体系图1-3燃气轮机试验与测试技术内容体系三大模块构成全书内容测试技术基础/参数测量方法与仪器仪表/燃气轮机试验技术测试技术基础：测量基本概念、测量误差与不确定度分析。参数测量方法与仪器仪表：温度、压力、流量、燃气组分、参数场等。燃气轮机试验技术：试验测试标准规范和整机试验技术。强化原理阐述并导向应用实践，体现本领域最新需求与发展。机械工业出版社·教材配套课件第1章

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燃气轮机试验与测试技术1.4测量的基本概念图1-4燃气轮机性能测试系统简图（图中仅列出主要测量参数的测点位置）测量是借助专门工具、通过试验获得数据并分析计算，将被测量X0以测量单位U的倍数μ显示出来的过程：X0=μU（1-1）；实测时X0≈xU（1-2），μ

为被测量的真实数值，简称真值。机械工业出版社·教材配套课件第1章

概论燃气轮机试验与测试技术1.4.2测量方法及其分类（1）直接测量法将被测量直接与测量单位比较，或直接从仪器获得被测量数值。（2）间接测量法轴功率P（1-3），式中M为转矩，n为主轴转速。（3）组合测量法R=R0（1+at+bt²）（1-4），联立求解a和b。按比较方式：偏差测量法Δp=ρgΔh（1-5）、零差测量法、微差测量法D=L+ΔL（1-6）；间接测量法一般用于无法直接测量或直接测量困难、误差较大的情况。图1-5

U形管液柱式压力计（偏差法）原理示意图：管中液柱偏离初始零刻度点，偏离量就代表了被测压力值。机械工业出版社·教材配套课件第1章

概论燃气轮机试验与测试技术1.5测量仪表的组成图1-9干簧管浮球液位计测量原理（浮球内磁铁、分压电路与转换电路共同组成转换器）被测对象→传感器→转换器→显示器传感器直接与被测对象联系，提取被测量变化并转换成输出信号。转换器把输出信号转换成便于传输和处理的规范信号，如4~20mA。显示器向测试人员显示测量结果，分指示式、记录式、数字式和信号式。三者可以是单一部件也可由多部件组成，通过管路或信号线路连接实现信息传递。机械工业出版社·教材配套课件第1章

概论燃气轮机试验与测试技术1.5.1–1.5.2显示器与现代测试系统图1-12现代测试系统的基本形式：被测量→传感器→信号调理→数据采集卡→计算机显示器四类指示式（指针与标尺相对位置显示瞬时值，无法记录随时间的变化）；记录式（有笔与无纸记录仪，无纸记录仪是动态数据采集系统最常采用的显示器）；数字式（机械式与电子式，精度高、速度快、无读数误差）；信号式（超限报警并与安全保护装置联动）。标准接口型（GPIB/VXI/PXI）结合数据处理软件，使高度自动化和智能化的现代测试系统成为现实，即虚拟仪器。机械工业出版社·教材配套课件第1章

概论燃气轮机试验与测试技术1.6信号传输开环系统（直接变换式仪表）各环节开环串联，信号沿一个方向传输，按偏差测量法工作：X=K1K2K3I=KI（1-7），K为仪表传递系数；要保证指示准确，必须保持每个环节的灵敏度不变。闭环系统（平衡式仪表）输入电动势e与反馈电压U相减，Δe经放大推动伺服电动机，直至Δe=0，θ=Ke（1-9）。K只与反馈环节K3有关，与K1、K2无关，故模拟式仪表准确度高。测试系统间的信号传输分三类：有线传输（基带式或调制方式）、无线传输（只能采用调制方式：连续波、脉冲、脉码、数字调制；多路有频分制与时分制）、光输系统（带宽和信息容量比微波传输高10万倍）。图1-16电子电位差计各环节的信号传输图1-17按传输方式的信号传输分类：有线传输采用基带式传输或调制方式，无线传输只能采用调制方式机械工业出版社·教材配套课件第1章

概论燃气轮机试验与测试技术1.7测量系统的基本特性图1-29一阶系统模型：力学、电学与热学范畴的一阶系统，其输入-输出关系均可用τ·dy/dt+y=Kx（1-25）表示静态特性量程A；灵敏度S=Δy/Δx（1-10）；准确度（示值误差δ=x-μ（1-11））；分辨率；线性度δL；回程误差δH；重复性、稳定性、可靠性、灵敏阈与漂移。动态特性传递函数H(s)=Y(s)/X(s)（1-18）；频率响应函数H(jω)（1-19）；幅频特性A(ω)与相频特性φ(ω)。不失真条件：A(ω)=K为常数且φ(ω)=-ωτ0；实际只能在满足精度的某一频率范围内近似不失真。机械工业出版社·教材配套课件第1章

概论燃气轮机试验与测试技术1.8测量系统的检定与校验检定：评定仪表的计量性能，并与规定的指标比较，以确定其是否合格。校验：比较实际值与测量系统的输出值，并对系统进行修正。检定管“系统是否可信”，校验管“输出是否要修正”，二者共同保障测量结果有意义。检定方法定点法（标准状态法）：提供被检仪表测量所需的标准量值来确定示值误差，如用物质的状态转变点温度检定温度计。示值比较法：被检仪表与标准仪表同时测量同一被测量；标准仪表的允