Устройство для определения температуры газа в полых высокотемпературных элементах газотурбинных двигателей
DEVICE FOR DETERMINING GAS TEMPERATURE IN HOLLOW HIGH-TEMPERATURE ELEMENTS OF GAS TURBINE ENGINES

Изобретение относится к области контактных измерений температуры высокотемпературных газов, в частности к средствам измерения температуры газа и распределения ее значений в полостях высокотемпературных элементов газотурбинных двигателей, и может быть применено для экспериментальных исследований рабочего процесса силовых установок при проведении аэродинамических испытаний.
Источником погрешностей при измерении термопарами температуры прозрачных для теплового излучения сред является теплообмен излучением между спаем термопары и окружающей средой, содержащей газ, стенки и некоторые другие элементы конструкции, если температура газа в месте измерений отличается от температуры этих элементов. Например, при измерении термопарами температуры газа на выходе из камеры сгорания газотурбинного двигателя температура спаев термопар может отличаться от температуры газа в месте измерений из-за лучистого теплообмена спая с более горячими элементами фронтового устройства или с более холодными охлаждаемыми стенками камеры сгорания.
Известно устройство для определения температуры газа в полых высокотемпературных элементах, содержащее размещенные в высокотемпературном элементе термоприемник, подключенный через блоки регистрации к электронному сумматору (патент US 4919542). В известном устройстве в качестве термоприемника используется полупроводниковая пластина, выполненная предпочтительно из кремния. Устройство снабжено дополнительным источником излучения, прерывистый сигнал от которого отражается от полупроводниковой пластины и подается через блок регистрации к электронному сумматору.
Такое выполнение устройства позволяет точно определять температуру полупроводниковой пластины по величине ее излучения за счет того, что при измерении температуры учитывается степень отражающей способности поверхности полупроводниковой пластины и излучение от стенок камеры высокотемпературного элемента.
Однако использовать подобное устройство для определения температуры газа в полых высокотемпературных элементах газотурбинного двигателя, например в камере сгорания или проточном тракте, практически невозможно в связи с его сложностью (наличие в устройстве герметичной камеры, наполненной инертным газом).
Известно устройство для определения температуры потока газа в полых высокотемпературных элементах, содержащее размещенные в высокотемпературном элементе корпус с цилиндрической державкой, установленные в корпусе основную и по меньшей мере одну компенсационную термопары, подключенные к блоку регистрации, причем термоспаи всех термопар выполнены с поверхностным слоем из однотипных материалов, а термоэлектроды термопар термоизолированы между собой (SU 469897).
В известном устройстве три термопары, объединенные в одном корпусе, выполнены с разными диаметрами термоспаев, величины которых соотносятся как геометрическая прогрессия. Такое выполнение устройства позволяет повысить точность измерения температуры за счет исключения влияния параметров потока измеряемого газа.
Однако в известном устройстве не учитывается теплообмен излучением между спаем термопары и газовой средой, если температура газа в месте измерений отличается от температуры излучающих элементов, что значительно снижает точность измерения.
Наиболее близким аналогом описываемого является устройство для определения температуры газа в полых высокотемпературных элементах газотурбинных двигателей, содержащее размещенные в высокотемпературном элементе корпус с цилиндрической державкой, установленные в державке основную и по меньшей мере одну компенсационную термопары, подключенные через блоки регистрации к электронному сумматору, причем термоспаи основной и компенсационной термопар выполнены одинаковыми по размерам и теплоизолированы между собой (SU 800693).
В известном устройстве все термопары выполнены одинаковыми, а точность измерения температуры повышается за счет исключения искажения в показаниях термопар от термической инерции и потерь энергии на излучение термоспаями термопар. Поэтому применение этого устройства ограничивается теми объектами, в которых отсутствует мощный источник излучения. При наличии такого источника излучения, например в камерах сгорания и проточных трактах газотурбинных двигателей, потери энергии от излучения термопарами будут существенно ниже притока энергии от излучения элементов камеры сгорания и стенок проточного тракта двигателя, т.е. показания термопар будут значительно отличаться от реальной температуры газа.
Задачей изобретения является повышение точности измерения температуры газов в полых высокотемпературных элементах газотурбинных двигателей.
Технический результат изобретения заключается в том, что при измерении температуры газа в полых высокотемпературных элементах газотурбинных двигателей, имеющих мощные источники излучения, исключаются искажения показаний термопар, связанные с лучистым теплообменом их термоспаев.
Технический результат изобретения достигается тем, что устройство для определения температуры газа в полых высокотемпературных элементах газотурбинных двигателей содержит размещенные в высокотемпературном элементе корпус с цилиндрической державкой, установленные в державке основную и по меньшей мере одну компенсационную термопары, подключенные через блоки регистрации к электронному сумматору, причем термоспаи основной и компенсационной термопар выполнены одинаковыми по размерам и теплоизолированы между собой. Согласно изобретению устройство снабжено источником постоянного излучения, выполненным с возможностью размещения его в полости высокотемпературного элемента и перемещения относительно корпуса устройства, который установлен в высокотемпературном элементе с возможностью возвратно-поступательного перемещения, державка установлена в корпусе с возможностью поворота вокруг своей оси и снабжена приводом, а поверхностный слой термоспая компенсационной термопары выполнен из материала, коэффициент поглощения которого отличается по значению от коэффициента поглощения материала поверхностного слоя термоспая основной термопары.
Существенность отличительных признаков устройства для определения температуры газа в полых высокотемпературных элементах газотурбинных двигателей подтверждается тем, что только совокупность всех существенных конструктивных признаков, описывающая изобретение, позволяет решить задачу повышения точности измерения температуры газов в полых высокотемпературных элементах газотурбинных двигателей с достижением технического результата – с обеспечением возможности при измерении температуры газа в полых высокотемпературных элементах газотурбинных двигателей, имеющих мощные источники теплового излучения, исключить искажения показаний термопар, связанные с лучистым теплообменом их термоспаев. При этом известные из уровня техники существенные признаки устройства проявляют в описываемой совокупности признаков новые свойства.
В частности, признак описываемого устройства, касающийся наличия источника постоянного излучения, известен (патент US 4919542), но в отличие от описываемого устройства в известном устройстве он предназначен для определения отражательной способности термочувствительного элемента. В описываемом устройстве источник постоянного излучения предназначен для определения зависимости электрического сигнала термопары от коэффициента поглощения поверхностного слоя термоспая, что позволяет исключить влияние лучистого теплообмена термоспаев с внешним источником излучения на результаты измерений.
Пример реализации устройства для определения температуры газа в полых высокотемпературных элементах газотурбинных двигателей поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показана общая функциональная схема устройства для определения температуры газа в полых высокотемпературных элементах газотурбинных двигателей с двумя термопарами;
на фиг. 2 показано выполнение устройства с тремя термопарами;
на фиг. 3 показан график нелинейной зависимости электрического сигнала термопары от коэффициента поглощения поверхностного слоя термоспая.
Устройство для определения температуры газа в полых высокотемпературных элементах газотурбинных двигателей содержит размещенные в стенке 1 полого высокотемпературного элемента 2 корпус 3 с цилиндрической державкой 4, установленной в корпусе 3 с возможностью поворота вокруг своей оси X и имеющей привод 5. В державке 4 размещены основная термопара 6 с термоспаем 7 и компенсационная термопара 8 с термоспаем 9, расположенные симметрично относительно оси X и подключенные через блоки регистрации 10 к электронному сумматору 11.
Термоспаи 7 и 9 основной 6 и компенсационной 8 термопар выполнены одинаковыми по размерам и теплоизолированы между собой перегородкой 12, а поверхностный слой термоспая 9 компенсационной термопары 8 выполнен из материала, коэффициент поглощения которого отличается по значению от коэффициента поглощения материала поверхностного слоя термоспая 7 основной термопары 6.
Устройство снабжено источником постоянного излучения 13, выполненным с возможностью размещения его в полости высокотемпературного элемента 2 и имеющим координатный привод 14 для перемещения его относительно корпуса 3 устройства. Движущийся возвратно-поступательно элемент координатного привода 14 через датчик положения 15 подключен к входу микропроцессора 16, связанного своим выходом с блоком управления 17, подключенного к приводу 5 державки 4 и координатному приводу 14. На вход микропроцессора 16 поступает сигнал от электронного сумматора 11.
Устройство может быть выполнено с дополнительной компенсационной термопарой с термоспаем 18, установленной в державке 4 таким образом, как это показано на фиг. 2, причем коэффициент поглощения материала поверхностного слоя термоспая 18 отличается по значению от значений коэффициента поглощения материалов поверхностных слоев термоспаев 7 и 9 основной термопары 6 и компенсационной термопары 8.
Перед проведением измерения температуры газа в полых высокотемпературных элементах газотурбинных двигателей производится предварительная калибровка поверхностных слоев термоспаев 7, 9 и 18 всех термопар для определения точного значения их коэффициентов поглощения. Несмотря на то что коэффициенты поглощения материалов, из которого сделаны термоспаи термопар, известны, технологические особенности их изготовления, а также условия, в которых используются термопары, могут вносить довольно существенные поправки в их значения. Калибровку проводят путем сравнения свойств, проявляемых поверхностными слоями всех термопар с учетом того, что отношение коэффициентов поглощения обратно пропорционально отношению лучистых потоков, попадающих на термоспаи, находящиеся при одинаковой температуре и в одинаковом положении относительно объекта измерений.
эт
Калибровка проводится с помощью источника постоянного излучения 13, стабильно работающего на выбранном режиме. Для этого предварительно эталонную термопару с известным коэффициентом поглощения спая устанавливают на некотором расстоянии от излучателя и фиксируют ее термоЭДС и расстояние L до излучателя.
1
Непосредственно перед измерением температуры газов в элементах газотурбинных двигателей источник постоянного излучения 13 размещают в полости высокотемпературного элемента 2, устанавливают державку 4 так, что термоспай 7 основной термопары 6 обращен в сторону источника постоянного излучения 13, и перемещают его относительно корпуса 3 до совпадения значений термоЭДС основной термопары 6 и термоЭДС эталонной термопары, фиксируя расстояние L от источника постоянного излучения 13 до основной термопары 6.
2
3
Поворачивают державку на 120° для совпадения положения термоспая 9 компенсационной термопары 8 с положением, в котором до поворота находился термоспай 7 основной термопары 6, и, перемещая источник постоянного излучения 13, устанавливают на расстоянии L, при котором термоЭДС второго спая совпадает с термоЭДС первого спая. Поворачивают державку еще на 120° и повторяют операцию перемещения источника постоянного излучения 13, устанавливая расстояние L для термоспая 18.
1
2
3
эт
Исходя из полученных расстояний L, L и L и их соотношений с L рассчитывают (например, методом Монте-Карло) потоки излучения, падающие на каждый спай для выбранных расстояний между излучателем и спаем с учетом изменения излучения, проходящего через газ, и определяют коэффициенты поглощения каждого из термоспаев 7, 9 и 18 с учетом обратной пропорциональной зависимости значений коэффициентов поглощения величине потока излучения.
После этого отключают источник постоянного излучения 13, извлекают его из полости высокотемпературного элемента 2, включают штатную аппаратуру газотурбинного двигателя или стенда для его испытания и при установившемся ламинарном режиме течения газа измеряют температуру газа в точке, где установлен термоспай 7 основной термопары 6, путем фиксации электрического сигнала от нее блоком регистрации 10. По сигналу блока управления 17 последовательно поворачивают державку 4 на угол 120° (при выполнении устройства с двумя компенсационными термопарами) и фиксируют сигналы от термоспаев 9 и 18 компенсационных термопар. При этом результаты этих измерений отличаются между собой на величину, зависящую от разницы значений коэффициентов поглощения термоспаев 7, 9 и 18, влияющих на их лучистый теплообмен с окружающим пространством.
a
По результатам измерений определяют зависимость значения термоЭДС от величины коэффициента поглощения поверхностного слоя каждого из термоспаев 7, 9 и 18, которые на графике фиг. 3 обозначены точками , b и c. По указанным точкам проводят экстраполяцию сигналов термопар, результаты которой показаны на фиг. 3 линией 19.
На линии 19 находят значение термоЭДС, соответствующее сигналу термопары с нулевым коэффициентом поглощения поверхностного слоя термоспая, на которую не влияет лучистый теплообмен. Это значение термоЭДС, обозначенное на графике фиг. 3 точкой d, соответствует реальной температуре газа в точке нахождения термоспая в полости высокотемпературного элемента 2. Конкретное значение температуры газа определяется из кодификационных таблиц, заложенных в программу измерения.
Перемещая корпус 3 устройства по сечению полости высокотемпературного элемента 2, можно определить картину распределения значений температуры в потоке газа в полых высокотемпературных элементах газотурбинных двигателей, исключив влияние лучистого теплообмена термоспаев с внешним источником излучения на результаты измерений.