一种测量湿蒸汽湿度的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种汽轮机湿蒸汽湿度测量装置及方法。
【背景技术】
[0002] 蒸汽透平中的一个主要问题就是有湿蒸汽的产生，凝汽式汽轮机的低压级和核电 站汽轮机的全部级都在湿蒸汽区工作。首先，由于湿蒸汽中水份的存在，干蒸汽的工作受到 一定的影响，该种影响表现为一种能量损失一-湿汽损失。其次，湿蒸汽会引起动叶水蚀， 影响蒸汽透平运行的安全性。
[0003] 对于蒸汽透平来说，由于末级的排汽处于湿蒸汽区，所W蒸汽的压力和温度不再 是各自独立的参数，不能通过该两者的测量来确定湿蒸汽的状态，也就不能来进行汽轮机 的热经济指标的计算。但是我们可W通过湿蒸汽的湿度来确定排汽状态。
[0004] 综上所述，湿蒸汽会对汽轮机的经济性和安全性产生影响，显然湿度大小能反应 影响的严重程度，还可W通过湿度来确定汽轮机的热经济性指标，为运行指导和设备的状 态检修提供依据，可见对汽轮机湿蒸汽湿度的测量具有重要意义。
[0005] 目前广泛应用的湿度测量方法主要有热力学法和光学法。热力学法可W分为节流 法、加热法、凝结法、空气-蒸汽混合法等，热力学湿度探针在测量时几乎都采用的是抽汽 采样法，测湿探针的体积较大，测量不方便，而且湿蒸汽在探针中由于压力损失大会引起流 动不畅，其中加热法在加热段还会有加热量和散热损失引起的误差。光学法分为角散射法 和全散射法，光学法不仅能测出湿蒸汽的湿度而且还能测出液滴的直径，但是光学法测湿 的设备造价高，而且对环境的要求高，还会受到多重散射等因素的影响。
【发明内容】
[0006] 本发明所依据的机理是；湿蒸汽的湿度是指湿蒸汽中液态水的质量与湿蒸汽总质 量的比值，所W湿度不同，湿蒸汽中所含的液滴质量不一样，湿度越大，液滴质量就越大，根 据动量定理可知，具有相同速度的液滴群撞击到一块平板上，液体群的质量越大，平板受到 的动量力就越大，据此，可W根据平板受到的动量力的大小，判断出湿蒸汽湿度的大小。我 们对此还进行了数值模拟，发现结论是可靠的，流动速度相同的湿蒸汽，湿度越大，平板受 到的动量力越大；流动速度相同的湿蒸汽，且湿度相同但是液滴尺寸分布不同，平板受到的 动量力是相同的，实验也验证了该一点。据此，我们就可W根据平板受到的力的不同，判断 出湿蒸汽的湿度大小。
[0007] 本发明的目的是提供一种基于上述机理的用于汽轮机湿蒸汽湿度的测量装置及 方法。为达到W上目的，本发明是采取如下技术方案予W实现的：
[000引一种测量湿蒸汽湿度的装置，包括排汽缸内装配结构、皮托管W及排汽缸外的应 变仪，其特征在于，所述排汽缸内装配结构包括一倒过来的"L"结构的支柱，其水平自由端 端面连接一方形平板，该支柱的立柱自由端端面连接一块固定板，所述支柱立柱中部外周 贴有电阻应变片，电阻应变片与排汽缸外的应变仪相连；所述排汽缸内装配结构通过固定 板连接在在汽轮机排汽缸出口凝汽器上方内壁的一侧，使平板对着湿蒸汽来流方向；所述 皮托管安装在排汽缸出口凝汽器上方内壁相对排汽缸内装配结构的另一侧。
[0009] 上述方案中，所述支柱与方形平板、固定板之间的连接均采用连接板相连。所述的 电阻应变片为两片，分别贴在立柱中部外周直径对向的两侧。
[0010] 一种测量湿蒸汽湿度的方法，采用前述湿蒸汽测量装置实现，其特征在于，包括下 述步骤：
[0011] 1)将装置通过固定板固定在汽轮机凝汽器入口前的排汽缸内壁上，使装置的平板 正对湿蒸汽来流方向；
[001引。湿蒸汽撞击平板，平板受到汽体和液滴的动量力，使得支柱的立柱发生弯曲应 变，贴在上面的电阻应变片将该弯曲应变传送给应变仪，应变仪测出立柱的弯曲应变的数 据；
[001引扣根据应变仪测出的立柱的弯曲变的数据e，依据公式（1)算出平板受到的力：
[0014] F = 小 (1)
[00巧]其中，W是立柱的弯矩系数；r = (2)式中； E是立柱材料的弹性模量，1是电阻应变片中屯、位置与支柱横向部分轴线的距离，d为立柱 的直径；
[0016] 4)计算所得的F，包括蒸汽撞击产生的力Fi和液滴撞击产生的力F 2,为了得到 用皮托管所测量得到的汽轮机尾部不同汽流速度来制作蒸汽速度V与Fi的关系表，获得拟 合公式：
[0017] Fi= 0. 0004v'-0. 0019v (3)
[0018] 5)根据F2= F-F 1，即可得到湿蒸汽中液滴撞击平板的力F2,根据F2与湿蒸汽湿度 对应关系，就能获得湿蒸汽的湿度。
[0019] 上述方法中，所述F2与湿蒸汽湿度Y的对应关系，可用Y = a ? F 2表示，式中a与 蒸汽速度V有关，其中系数a由拟合公（4)式表示：
[0020] a = 0. 0059v"-105954v+110. 68 (4) 〇
[0021] 本发明的优点是，湿蒸汽撞击到平板上之后，贴在下面支柱上的应变片能实时反 映出动量力的大小，即能实时反映出湿蒸汽的湿度。本发明结构简单，无活动部件，制造成 本低，对环境要求不高，无散热损失。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明湿蒸汽湿度测量装置缸内结构示意图。其中，（a)图为整体剖视图； 化）图为（a)图中沿A-A截面的剖视图；（C)图为（a)图中沿B-B截面的剖视图。
[0023] 图2为本发明装置安装示意图。
[0024] 图1、图2中；1、平板，2、支柱，3、连接板，4、固定板，5、电阻应变片；6、排汽缸；7、 测量装置缸内结构；8、皮托管；9、凝汽器；10、湿蒸汽来流方向。
【具体实施方式】
[0025] W下结合附图及具体实例对本发明作进一步的详细描述。
[0026] 参考图1，一种测量湿蒸汽湿度的装置，包括排汽缸内结构：平板1，支柱2,连接 板3,固定板4,电阻应变片5。除了图中所画部分，该装置还包括皮托管（用来测量汽流速 度）和应变仪。平板1是一块边长100mm，厚度20mm的方形板，支柱2由两个直径（2r)均 为40mm的圆柱体组成，是一个倒过来的"L"结构，它的水平自由端端面通过焊接与连接板 3相连，连接板直径（2R)为70mm，厚度为5mm，通过四个螺钉与平板相连。支柱的立柱自由 端（下端）端面也是通过焊接与固定板（与连接板的尺寸相同）相连，支柱的固定是靠固 定板上的四个螺钉孔（配螺钉）实现的。支柱、连接板W及固定板都是圆柱形的，用的是45 号钢制成巧=210Gpa);电阻应变片5贴在支柱立柱中部的外周上，左右两侧各贴一片，该 样能消除温度对应变的影响，并与应变仪相连。应变仪是由测量电桥、放大器、显示仪表和 读数机构等组成，它是用来测量电阻应变片的应变。
[0027] 参考图2,将图1测量装置缸内结构7通过固定板4固定在汽轮机排汽缸出口凝 汽器上方内壁的一侧，使平板1对着湿蒸汽来流方向10,该里的湿蒸汽比末级叶片出口处 更加稳定。皮托管8安装在排汽缸出口凝汽器上方内壁相对图1结构的另一侧，W避免图 1结构对皮托管测量来流速度产生影响。
[002引采用上述测量装置来测量湿蒸汽湿度的具体方法是，湿蒸汽撞击平板1，使平板受 到气体和液滴的动量力，使得支柱2中的立柱发生弯曲，产生应变，贴在上面的电阻应变片 将应变反映给应变仪，应变仪测出立柱的弯曲应变。其中电阻应变片采用半桥连接，即如图 1所示，立柱的左右两边各贴一片，该样能消除温度对应变的影响，并且电阻应变片最好贴 在立柱的中部位置，因为中部位置方便电阻应变片的安装与接线。根据应变仪测出的立柱 的弯曲应变，再依据公式（1)、（2)就可W算出平板受到的力：
【主权项】
1. 一种测量湿蒸汽湿度的装置，包括排汽缸内装配结构、皮托管w及排汽缸外的应变 仪，其特征在于，所述排汽缸内装配结构包括一倒过来的"L"结构的支柱，其水平自由端端 面连接一方形平板，该支柱的立柱自由端端面连接一块固定板，所述支柱立柱中部外周贴 有电阻应变片，电阻应变片与排汽缸外的应变仪相连；所述排汽缸内装配结构通过固定板 连接在在汽轮机排汽缸出口凝汽器上方内壁的一侧，使平板对着湿蒸汽来流方向；所述皮 托管安装在排汽缸出口凝汽器上方内壁相对排汽缸内装配结构的另一侧。
2. 如权利要求1所述的测量湿蒸汽湿度的装置，其特征在于，所述支柱与方形平板、固 定板之间的连接均采用连接板相连。
3. 如权利要求1所述的测量湿蒸汽湿度的装置，其特征在于，所述的电阻应变片为两 片，分别贴在立柱中部外周直径对向的两侧。
4. 一种测量湿蒸汽湿度的方法，采用权利要求1所述的测量湿蒸汽湿度的装置实现， 其特征在于，包括下述步骤： 1) 将装置通过固定板固定在汽轮机凝汽器入口前的排汽缸内壁上，使装置的平板正对 湿蒸汽来流方向； 2) 湿蒸汽撞击平板，平板受到汽体和液滴的动量力，使得支柱的立柱发生弯曲应变，贝占 在上面的电阻应变片将该弯曲应变传送给应变仪，应变仪测出立柱的弯曲应变的数据； 3) 根据应变仪测出的立柱的弯曲变的数据e，依据公式（1)算出平板受到的力： F 二早 (1) 其中，W是立柱的弯矩系数；r = (2) 式中；E是立柱材料的弹性模量，1是电阻应变片中屯、位置与支柱横向部分轴线的距 离，d为立柱的直径； 4) 计算所得的F，包括蒸汽撞击产生的力Fi和液滴撞击产生的力F 2,为了得到用皮 托管所测量得到的汽轮机尾部不同汽流速度来制作蒸汽速度V与Fi的关系表，获得拟合公 式： Fi= 0. 0004v'-0. 0019v (3) 5) 根据F2= F-F 1，即可得到湿蒸汽中液滴撞击平板的力F2,根据F2与湿蒸汽湿度对应 关系，就能获得湿蒸汽的湿度。
5. 如权利要求1所述的测量湿蒸汽湿度的方法，其特征在于，所述F 2与湿蒸汽湿度Y 的对应关系，可用Y = a ? F2表示，式中a与蒸汽速度V有关，其中系数a由拟合公（4)式 表不： a 二 0? 0059v2-105954v+110. 68 (4) 〇
【专利摘要】本发明公开了一种测量湿蒸汽湿度的装置及方法，根据动量定理，相同速度的湿蒸汽，湿度不同，所含的液滴的质量就不同，其撞击到平板上产生的动量力就不一样，力的大小不同反映到立柱上，就是立柱产生的应变不一样，再通过应变仪得到应变的大小，最后算出力的大小。本发明的优点是，湿蒸汽撞击到平板上之后，贴在下面支柱上的应变片能实时反映出动量力的大小，即能实时反映出湿蒸汽的湿度。本发明结构简单，无活动部件，制造成本低，对环境要求不高，无散热损失。
【IPC分类】G01N19-10
【公开号】CN104596928
【申请号】CN201510026277
【发明人】高铁瑜, 徐佳敏, 刘昌伟, 李军, 李国君, 栾海峰
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月19日