УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ВОЗДУХА В КАНАЛЕ ОХЛАЖДЕНИЯ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ЛОПАТКИ ТУРБОМАШИНЫ

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована для измерения расхода воздуха в системах охлаждения лопаток работающих турбомашин, например газотурбинных двигателей (ГТД) и определения неполадок в системе охлаждения турбин.
Одним из путей улучшения основных параметров турбомашин является увеличение температуры газа перед турбиной, поэтому при проектировании турбомашин большое внимание уделяется эффективности работы системы охлаждения.
Неполадки из-за уменьшения расхода воздуха в системе охлаждения могут возникать из-за засорения каналов охлаждения лопаток частицами, находящимися в продуктах сгорания, увеличения зазоров в лабиринтных уплотнениях турбины, прогаров рабочих лопаток турбины и другим причинам.
Для исключения возникновения неполадок необходим непрерывный или периодический контроль расхода воздуха в системе охлаждении лопаток, как при их изготовлении, так и при работе.
Известен термоанемометрический расходомер газа (SU №135247, МПК G01F 1/68, 1960) с применением проволоки, нагреваемой электрическим током, включенной в мостовую измерительную схему, и вертикальное сопло, через которое осуществляется истечение контролируемого потока газа. В расходомере проволока превышает по длине диаметр сопла и натянута горизонтально на выходе из сопла, а поток газа направлен снизу вверх. Расходомер обеспечивает расширение диапазона и снижает погрешность измерений. Однако расходомер не позволяет измерять расход газа в условиях вращения.
Известен термоанемометрический датчик массового расхода воздуха (патент RU №16792, МПК G01P 5/12, 1999). Датчик содержит установленный в трубе чувствительный зонд, состоящий из кольца, терморезистора, V-образной нагреваемой нити, каждый конец которой с помощью токопроводящих опор жестко соединен с кольцом. Середина нагреваемой нити подвешена через пружинящий крючок, установленный в кольце при помощи сварки. Предложенный датчик устраняет нестабильность выходной характеристики, обусловленной шунтирующим действием металлического крючка на токопроводящую нить, так как натяжение нити может изменяться во времени вследствие температурных факторов, а также из-за появления оксидных пленок на поверхности металлического крючка, что приводит к изменению шунтирующего воздействия на токопроводящую нагретую нить. Однако недостатками таких датчиков являются сложность изготовления и нестабильность работы в условиях вибрации и вращения.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели по технической сущности и назначению являются способ и устройство для обнаружения отказов в системе охлаждения турбины (патент ЕР 1580537, G01F 1/68, 2005-09-28). Устройство для обнаружения отказов в системе охлаждения турбины содержит, по меньшей мере, один чувствительный элемент проволочного типа, который имеет характеристику, зависящую от температуры. Этой характеристикой является зависимость электрического сопротивления проволочного элемента или падения напряжения на нем. Для определения характеристики зависящей от температуры на чувствительный элемент подают постоянный ток от источника питания. Чувствительный элемент закреплен на определенном участке канала охлаждения лопатки. Эту характеристику определяют с помощью блока программирования и обработки сигналов. Чувствительный элемент может быть резистором. Кроме того, устройство содержит источник постоянного тока, вольтметр, амперметр и рассматривается как датчик расхода воздуха. Падение напряжения на чувствительном элементе или сопротивления этого элемента является указателем расхода воздуха. Проволочный элемент изготавливается из материала тантал или сплава инвара.
Техническое решение обеспечивает обнаружение отказов в системе охлаждения турбины в статических условиях. Данное техническое решение невозможно использовать для вращающихся одновременно рядом установленных лопаток из-за больших габаритов приборной части и отсутствия токосъемника.
Задачами заявляемого технического решения являются:
- повышение надежности контроля охлаждения рабочих лопаток турбомашин;
- расширение диапазона измерений и снижение погрешности измерений параметров охлаждения рабочих лопаток турбомашины в условиях их вращения;
- измерение параметров охлаждения нескольких рабочих лопаток в условиях их вращения;
- наглядность отображения измеренных параметров охлаждения нескольких рабочих лопаток в условиях их вращения.
Поставленные задачи решаются тем, что устройство измерения расхода воздуха в канале охлаждения вращающейся лопатки турбомашины содержит термоанемометр с чувствительным элементом и блок программирования и обработки сигналов. Чувствительный элемент включен в мостовую измерительную схему термоанемометра. Вход канала охлаждения расположен в хвостовике лопатки. Чувствительный элемент выполнен в виде нагреваемой током нити, установленной на входе в канал охлаждения лопатки. Канал охлаждения лопатки выполнен с выпускными отверстиями.
В соответствие с полезной моделью устройство дополнительно содержит, по меньшей мере, еще одну нагреваемой током нить другой лопатки, блок ввода первичных данных, токосъемник, усилители-преобразователи сигналов, переключатель, датчик частоты вращения ротора турбомашины и индикатор. Нагреваемые током нити включены в мостовую измерительную схему термоанемометра через установочные провода, токосъемник, усилители-преобразователи сигналов и переключатель. Блок ввода первичных данных, датчик частоты вращения и термоанемометр подключены установочными проводами к блоку программирования и обработки сигналов. Выход блока программирования и обработки сигналов соединен с входом индикатора. Входы каналов охлаждения выполнены со стороны передних торцов хвостовиков лопаток, а нагреваемые током нити установлены на входах в каналы охлаждения лопаток радиально.
Существенные признаки заявленного технического решения позволяют получить следующие технические результаты:
- наличие, по меньшей мере, еще одной нагреваемой током нити другой лопатки, блока ввода первичных данных, токосъемника, усилителя-преобразователя сигналов, датчика частоты вращения ротора турбомашины и индикатора обеспечивает расширение диапазона измерений и снижение погрешности измерений параметров охлаждения рабочих лопаток турбомашины;
- включение нагреваемых током нитей в цепь термоанемометра через токосъемник и усилитель-преобразователь сигналов обеспечивает измерение температуры нагретых нитей в зависимости от скорости обтекающего их воздушного потока в условиях вращения рабочих лопаток турбомашины;
- включение нагреваемых током нитей в цепь термоанемометра через переключатель позволяет раздельно подключать нагреваемые током нити к термоанемометру, что обусловлено конструкцией термоанемометра.
- подключение блока ввода первичных данных, датчика частоты вращения и термоанемометра установочными проводами к блоку программирования и обработки сигналов обеспечивает снижение погрешностей измерений параметров охлаждения рабочих лопаток;
- соединение выхода блока программирования и обработки сигналов с входом индикатора обеспечивает отображение измеренных параметров охлаждения в форме удобной для восприятия;
- выполнение входов каналов охлаждения со стороны передних торцов хвостовиков лопаток и установка в них радиально на входе нагреваемых током нитей обеспечивает одинаковые параметры воздушного потока одновременно для нескольких измеряемых рабочих лопаток в условиях их вращения.
Развитие и уточнение совокупности существенных признаков полезной модели для частных случаев ее выполнения дано далее:
- установка токосъемника по оси ротора турбомашины обеспечивает нагревание током нитей устройств измерения расхода воздуха в рабочих лопатках турбомашины от источника питания и передачу на индикатор сигналов с нагреваемых нитей об изменении электрического сопротивления при обдуве нитей охлаждающим воздухом;
- снабжение устройства дополнительным контуром установочных проводов, расположенных аналогично установочным проводам подключения нагреваемой током нити одной из лопаток, где дополнительный контур установочных проводов соединен с блоком программирования и обработки сигналов через токосъемник, и усилитель-преобразователь сигналов обеспечивает учет изменения сопротивления проводов в зависимости от изменения рабочей температуры потока охлаждающего воздуха;
- выполнение блока программирования и обработки сигналов на базе персонального компьютера позволяет оперативно изменять алгоритм обработки сигналов;
- использование в качестве блока ввода первичных данных интерфейса и устройства ввода персонального компьютера позволяет использовать набор проверенных унифицированных, аппаратных и программных средств;
- выполнение индикатора в виде набора цифровых индикаторных ламп обеспечивает визуальное отображение информации в виде светящихся изображений цифр или других символов;
- выполнение индикатора в виде принтера обеспечивает автоматическую печать результатов обработки измеренных параметров охлаждения рабочих лопаток в блоке программирования и обработки информации;
- выполнение индикатора в виде монитора персонального компьютера расширяет возможности визуального отображения информации;
- выполнение нагреваемой током нити из вольфрама допускает рабочую температуру в потоке до 730К. Нить из вольфрама работает в атмосфере водорода, нейтрального газа или в вакууме;
- выполнение нагреваемой током нити из платины допускает рабочую температуру в потоке до 1000К. Нить из платины имеет стабильные электротехнические, термоэлектрические и механические свойства и высокую коррозионную и термическую стойкость.
Следует отметить, что нагрев нитей из вольфрама или платины выполняется в режиме поддержания постоянной температуры нитей.
Таким образом, решены поставленные в полезной модели задачи.
- повышена надежность контроля охлаждения рабочих лопаток турбомашин;
- расширен диапазон измерений и снижены погрешности измерений параметров охлаждения рабочих лопаток турбомашины в условиях их вращения;
- измеряются параметры систем охлаждения нескольких рабочих лопаток в условиях их вращения;
- наглядно отображены измеряемые параметры охлаждения нескольких рабочих лопаток в условиях их вращения.
Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием устройства измерения расхода воздуха в канале охлаждения вращающейся лопатки турбомашины и его работы со ссылкой, на иллюстрации, представленные на фиг. 1-5, где:
на фиг. 1 представлен схематично продольный разрез турбомашины;
на фиг. 2 - вид А на передний торец хвостовика лопатки;
на фиг. 3 - электрическая схема термоанемометра:
на фиг. 4 - зависимость критерия Рейнольдса (Re) от критерия Нуссельта (Nu);
на фиг. 5 - структурная схема устройства измерения расхода воздуха.
Устройство измерения расхода воздуха в канале 1 охлаждения вращающейся лопатки 2 турбомашины содержит (см. фиг. 1-5) термоанемометр 3 с чувствительным элементом 4 и блок 5 программирования и обработки сигналов. Чувствительный элемент 4 включен в мостовую измерительную схему 6 термоанемометра 3.
Вход канала 1 охлаждения расположен в хвостовике лопатки 2. Чувствительный элемент 4 выполнен в виде нагреваемой током нити, установленной на входе в канале 1 охлаждения лопатки 2. Канал 1 охлаждения лопатки 2 выполнен с выпускными отверстиями. Устройство дополнительно содержит, по меньшей мере, еще одну нагреваемую током нить 7 другой лопатки 2, блок 8 ввода первичных данных, токосъемник 9, усилители-преобразователи 10, 11 сигналов, датчик 12 частоты вращения ротора турбомашины и индикатор 13. Нагреваемые током нити 4 или 7 включены в электрическую цепь термоанемометра 3 через установочные провода соответственно 14 или 15, токосъемник 9, соответственно усилители-преобразователи 10 или 11 сигналов и переключатель 16. Блок 8 ввода первичных данных и датчик 12 частоты вращения подключены соответственно установочными проводами 17 и 18 к блоку 5 программирования и обработки сигналов. Выход блока 5 программирования и обработки сигналов соединен с входом индикатора 13. При этом входа каналов 1 охлаждения выполнены со стороны передних торцов хвостовиков лопаток 2. Нагреваемые током нити 4 или 7 установлены на входе в каналы 1 охлаждения лопаток 2 радиально (см. фиг. 2). Токосъемник 9 установлен по оси ротора турбомашины.
Устройство снабжено дополнительным контуром установочных проводов 19 расположенных аналогично установочным проводом 14, 15 подключения нагреваемых током нитей 4 или 7 лопаток 2. Дополнительный контур установочных проводов 19 соединен с блоком 5 программирования и обработки сигналов через токосъемник 9, усилитель-преобразователь 20 сигналов и установочный провод 21. Дополнительный контур установочных проводов 19 предназначен для определения изменения электрического сопротивления установочных проводов 14, 15 в широком диапазоне рабочих температур. Индикатор 13 может быть выполнен в виде набора цифровых индикаторных ламп, принтера или монитора персонального компьютера. Нагреваемые током нити 4 или 7 могут быть выполнены из вольфрама или платины диаметром порядка 10 мкм и длиной 3,5-4 мм в зависимости от температурного режима и условий их работы.
Принцип действия термоанемометра 3 основан на зависимости силы тока, протекающего через нагретые нити 4 или 7 от скорости обтекающего их потока воздуха в каналах 1 охлаждения лопаток 2. Функциональная схема термоанемометра 3 с нагретыми до постоянной температуры нитями 4, 7 дана на фиг. 3. Нагреваемые от источника постоянного тока нити 4 или 7 соединены с одним из плеч измерительного моста сопротивления 6.
Термоанемометр 3, кроме нагреваемых током нитей 4 или 7 и измерительного моста сопротивления 6, включает блок 22 автоматического регулирования температуры нагреваемых нитей 4 или 7. Нагреваемые током нити 4 или 7 и блок 22 автоматического регулирования температуры соединены (см. фиг. 3) электрически между собой в электрическую цепь в термоанемометре 3. Термоанемометр 3 соединен с блоком 5 программирования и обработки сигналов установочным проводом 23.
Для определения расхода охлаждающего воздуха выполняются тарировки нагреваемых током нитей 4 или 7 в составе термоанемометра 3, работающих в комплекте с рабочими лопатками 2 в статических условиях (без вращения).
Результаты расчета показали, что влиянием центробежных сил, возникающих вследствие вращения лопаток 2, на теплообмен нагреваемых нитей 4, 7 можно пренебречь.
Вследствие этого результаты тарировки в статических условиях (см. фиг. 4) могут использоваться для определения расхода охлаждающего воздуха через рабочие лопатки в условиях их вращения.
Высокая точность измерений обеспечивается использованием в блоке 5 программирования и обработки сигналов алгоритма состоящего в вычислении зависимости коэффициента теплоотдачи нитей 4 или 7 от скорости потока охлаждающего воздуха:
где критерий Нуссельта - ; критерий Рейнольдса - ;
А, В- коэффициенты, определяемые экспериментальным путем;
α - коэффициент теплоотдачи;
λ - коэффициент теплопроводности;
ρ - плотность потока;
u - скорость потока;
d - диаметр нагреваемой током нити;
µ - коэффициент вязкости воздуха.
Коэффициент теплоотдачи определяется из условий теплового баланса:
где α - коэффициент теплоотдачи;
;
I - сила тока, протекающего в проволочной нити «датчика»;
R - сопротивление нагреваемой нити;
п
о
ΔT - разность между температурой нагреваемой нити Т и температурой заторможенного потока воздух Т;
l, d - длина и диаметр нагреваемой током нити соответственно. Разность температур вычисляется через сопротивление нагреваемой нити по формуле:
o
где R - сопротивление нагреваемой током нити при температуре торможения потока;
n
R - сопротивление нагреваемой током нити при перегреве (перегрев на 50%);
-3
a - коэффициент, зависящий от материала нагреваемой током нити, для вольфрама a=3,5·10.
Результаты тарировки нагреваемой током нити расхода воздуха (см. фиг. 4) согласуются с обобщенной зависимостью
построенной при различных скоростях обдува нагреваемой током нити и при скорости потока u=0
o
В экспериментах для исключения влияния температурного изменения сопротивления подводящей цепи на сопротивление нагреваемой током нити последнее вычислялось по разности сопротивлений основной цепи (установочные провода 14, 15 с нагреваемыми током нитями 4,7) и дополнительной цепи (установочный провод 19 проложенный рядом с проводами 14, 15) не имеющей нагреваемой током нити. По значению сопротивления R нагреваемых нитей 4 или 7 и силы тока можно рассчитать напряжение, что дает возможность определить значение числа Нуссельта (Nu). Затем по тарировочной зависимости (фиг. 4) определить значение числа Re и далее - расход воздуха по соотношению:
н
где Re - число Рейнольдса;
g - ускорение силы тяжести:
µ - коэффициент вязкости воздуха;
k
F - площадь отверстий в приемной части лопатки;
н
d - диаметр нагреваемой током нити.
Перед началом испытаний в блок 5 программирования и обработки сигналов вводятся параметры расчета и индикации с помощью блока 8 ввода первичных данных. К параметрам расчета, например, относятся номера лопаток, на которых установлены нагреваемые нити. Так же вводится алгоритм вычисления формул (a, b, c, d, е) и зависимость критерия Re от критерия Nu (см. фиг. 4) для каждой лопатки 2 с нагреваемой током нитью 4 или 7, а также - константы вычислений и параметры индикации. К параметрам индикации относится, например режим отображения информации на индикаторе.
В качестве усилителей-преобразователей 10, 11, 20 могут быть использованы, например усилители 2210A производителя VISHAY. Блок 5 программирования и обработки сигналов может быть выполнен, например, на базе персонального компьютера. В качестве блока 8 ввода первичных данных могут быть использованы, например интерфейс и устройства ввода персонального компьютера.
Устройство работает следующим образом (см. фиг. 1-5). По мере изменения теплообмена между нитями 4 или 7 и воздушным потоком в канале 1 каждой измеряемой лопатки 2 изменяется электрическое сопротивление нитей 4 или 7. Переключателем 16 включается нагреваемая нить 4 или 7. На измерительной диагонали моста сопротивлений 6 появляется напряжение дисбаланса, которое подается на вход блока регулирования 22. С выхода блока 22 ток по цепи 24 обратной связи поступает на питающую диагональ моста 6. Этим выравнивается дисбаланс в цепи моста 6.
Любые изменения температуры нагреваемых током нитей 4 или 7 вследствие теплоотдачи к потоку воздуха восполняются энергией электрического тока протекающего в нитях, что фиксируется термоанемометром 3. Измерение расхода воздуха обеспечивается (см. фиг. 4) предварительной тарировкой нагреваемых нитей 4 или 7 в стационарных условиях в комплексе с рабочими лопатками 2, в которых эти нити установлены.
Наличие нагреваемых током нитей 4 или 7 на нескольких лопатках 2 позволяет выполнять измерение расхода охлаждающего воздуха в этих лопатках раздельно через переключатель 16.
Во время проведения испытаний, регистрируют сигналы значений расходов охлаждаемого воздуха нагреваемых током нитей в лопатках, частоты вращения ротора испытуемого изделия и через токосъемник 9, усилители-преобразователи 10, 11, переключатель 16 и термоанемометр 3 эти сигналы передаются на обработку в блок 5 программирования и обработки сигналов.
Обработка сигналов выполняется с использованием первичных данных, алгоритма (формулы a, b, c, d, е). Результаты обработки сигналов выводятся на индикатор 13.
Таким образом, устройство измерения представляет собой наглядный инструмент для получения картины распределения расхода воздуха по вращающимся рабочим лопаткам турбомашин, например ГТД. Это дает необходимую информацию при доводке эксплуатируемых и проектируемых перспективных систем охлаждения рабочих лопаток роторов турбомашин.