СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА В УСЛОВИЯХ ВРАЩЕНИЯ

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована для измерения давлений в системах охлаждения роторов газотурбинных двигателей (ГТД), в межлопаточных каналах роторов турбомашин, для определения разности давления в различных полостях ротора, в экспериментальных исследованиях, для определения давления среды на вращающемся элементе конструкции.
Одним из путей улучшения основных параметров газотурбинных двигателей является увеличение температуры газа перед турбиной, поэтому при проектировании ГТД большое внимание уделяется эффективности системы охлаждения. Охлаждение рабочих лопаток турбины, как деталей, подверженных наибольшему тепловому и силовому воздействию, является одной из основных задач при проектировании ГТД. В большинстве случаев для охлаждения лопаток применяется открытая схема, при которой воздух, отбираемый от компрессора, охлаждая лопатки, поступает в проточную часть. Однако применение такой схемы заставляет заботиться о рациональном использовании охлаждающего воздуха, так как чем больше его расход, тем меньше выигрыш от повышения температуры газа, поступающего в турбину.
При проектировании системы охлаждения ГТД необходимо знать распределение параметров (давления и температуры) воздуха по тракту охлаждения. Расчетный метод не дает достаточной точности из-за неопределенности коэффициентов потерь в условиях вращения и сложности учета утечек в элементах конструкции. Для правильной оценки эффективности охлаждения рабочих лопаток и рационального использования охлаждающего воздуха необходимо проводить экспериментальное определение давления во вращающихся каналах системы охлаждения ГТД.
Известен датчик давления в составе систем измерения нестационарных давлений в рабочих полостях винтового компрессора, содержащий мембрану с тензорезисторами и подводящий канал. Датчик давления устанавливается таким образом, что мембрана ориентируется по нормали к оси вращения винта компрессора (патент RU 1796940, МПК G01L 19/02, опубл. 1993). Такая конструкция снижает влияние центробежных сил, но не обеспечивает достаточной точности измерений при высоких оборотах и температурах, требуемых для работы ГТД.
Известно устройство для измерения давлений на вращающихся элементах машин компенсационным способом, содержащее жестко связанные с вращающимся элементом пневмоприемники, пневмокомпенсатор с источником компенсирующего давления, индикатор нулевой разности давлений, регистрирующий манометр, связанный с пневмокомпенсатором и токосъемник, соединяющий индикатор нулевой разности давлений с электрическими выходами сигнализаторов разности давлений, причем подвижные элементы токосъемника жестко связаны с сигнализаторами разности давлений и размещены на общем валу, механически связанном с вращающимся элементом с помощью муфты, соединяющей пневмоприемники с сигнализаторами разности давлений. (Авторское свидетельство SU 556362, G01L 9/02, опубл. 1975)
Такая конструкция позволяет измерять давление на роторах машин, в том числе и в системах охлаждения газотурбинных двигателей. Однако, давление в различных точках вращающихся элементов машины измеряется последовательно, с использованием одного и того же пневмокомпенсатора. Поэтому, данное устройство не позволяет измерять давление в нескольких точках одновременно, а применение пневмокомпенсатора усложняет конструкцию, увеличивает габариты устройства и требует источника воздуха с давлением равным измеряемому давлению. Для достижения высокой точности измерений требуется точная регулировка компенсирующего давления, что может потребовать длительного времени проведения замеров.
Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является обеспечение возможности проведения замеров давления на роторах турбомашин, с возможностью одновременного измерения давления в нескольких точках с высокой точностью, упрощение конструкции и наглядность отображения полученных результатов.
Для решения поставленной задачи система измерения давления содержит пневмоприемники, датчики давления и токосъемник, причем пневмоприемники жестко связаны с ротором и соединены с датчиками давления, которые размещены на оси ротора и подключены к токосъемнику.
Новым в полезной модели является то, что система измерения содержит устройство ввода первичных данных, датчики температуры, датчик частоты вращения, усилители-преобразователи, блок обработки сигналов и индикатор, датчики давления подключены к блоку обработки сигналов через усилитель-преобразователь, на поверхности пневмоприемников установлены датчики температуры, подключенные через токосъемник и усилитель-преобразователь к блоку обработки сигналов, датчик частоты вращения подключен через усилитель-преобразователь к блоку обработки сигналов, устройство ввода первичных данных подключено к блоку обработки сигналов, выход которого связан со входом индикатора.
Наличие нескольких пневмоприемников и связанных с ними датчиков давлений позволяет производить измерения давления в нескольких точках. Каждый датчик давления связан с блоком обработки сигналов, что позволяет производить измерения одновременно.
Высокая точность измерений обеспечивается применением в блоке обработки сигналов алгоритма, состоящего в вычислении истинного давления при учете действия центробежных сил на столб газа в трубках пневмоприемников. Истинное давление в каждой из точек замера, расположенных на различных расстояниях от оси вращения, определяется по формуле
ист
где Р - истинное давление в точке замера, Па
Ро - давление замеренное датчиком, Па
u - окружная скорость ротора в точке замера, м/сек
R - газовая постоянная, Дж/кг·К
е - математическая константа 2,718282
Т - температура газа в трубке пневмоприемника, К.
Температура Т усредняется по показаниям датчиков температуры, установленным по длине трубки пневмоприемника по уравнению:
где T(r)- аппроксимация функции распределения температуры вдоль радиуса ротора по данным отдельных датчиков температуры.
Упрощение конструкции достигается за счет отсутствия пневмокомпенсатора и использования датчиков давления вместо сигнализаторов разности давлений.
Блок обработки сигналов соединен с индикатором, что обеспечивает наглядность отображения полученных результатов.
Предлагаемая полезная модель поясняется последующим подробным описанием системы измерения и ее работы со ссылкой на фиг.1, 2 и 3, где
на фиг.1 схематично изображено размещение датчиков температуры и давления на роторе ГТД;
на фиг.2 представлена принципиальная схема системы измерения давления газа в условиях вращения системы;
на фиг.3 изображен алгоритм обработки сигналов, используемый в блоке обработки сигналов.
На поверхности ротора 1 закреплены пневмоприемники 2 в виде стальных капиллярных трубок, соединяющие точки 3 замера давления с датчиками 4 давления. Датчики 4 давления расположены в блоке 5 датчиков таким образом, чтобы чувствительный элемент каждого датчика 4 находился на оси вращения ротора 1 и не испытывал действия центробежных сил. Блок 5 датчиков устанавливается соосно с ротором 1, при этом блок 5 датчиков механически связывается с валом ротора 1 и при проведении испытаний вращается с той же частотой. В точках замера температуры на поверхности ротора 1 устанавливаются датчики 6 температуры, (например, термопары) для определения температуры стенки пневмоприемника 2, к которой приравнивается температура газа внутри пневмоприемника. Электрические сигналы от датчиков 4 давления и от датчиков 6 температуры выводятся через токосъемник 7 и через усилители - преобразователи 8 на Блок 9 обработки сигналов.
В качестве усилителей-преобразователей 8 могут быть использованы, например усилители 2210A, производителя VI SHAY. Блок 9 обработки сигналов может быть выполнен, например, на базе персонального компьютера.
Датчик частоты вращения 10 ротора 1, включенный в конструкцию ГТД присоединен к блоку 9 обработки сигналов так же через усилители -преобразователи 8.
Устройство 11 ввода первичных данных (УВПД) присоединено к блоку 9 обработки сигналов. В качестве УВПД могут быть использованы, например, интерфейс и устройства ввода персонального компьютера.
Блок 9 обработки сигналов присоединен к индикатору 12 (выходному устройству). Индикатор 12 может быть реализован, например, в виде монитора персонального компьютера, принтера или электронного устройства записи данных.
Система работает следующим образом:
Перед началом испытаний, в блок 9 обработки сигналов вводятся параметры расчета и индикации с помощью УВПД 11. К параметрам расчета относятся, например, радиусы точек измерения - расстояния от оси ротора до точек замера. Так же вводится алгоритм вычисления формул, приведенный на фиг 3, константы вычислений и параметры индикации. К параметрам индикации относится, например режим отображения информации на индикаторе.
Во время проведения испытаний с помощью датчиков 4 давления, датчиков 6 температуры, датчика частоты вращения 10 регистрируются значения давления, температуры, частота вращения ротора испытываемого изделия и через токосъемник 7 и усилители-преобразователи 8 подаются на обработку в блок 9 обработки сигналов. Показания датчика 10 частоты вращения через усилитель-преобразователь 8 так же подаются на обработку в блок 9 обработки сигналов. Обработка сигналов производится с использованием первичных данных в соответствии с алгоритмом, приведенным на фиг.3. Результаты выводятся на индикатор 12.
Таким образом, система измерения представляет собой простой и наглядный инструмент для получения картины распределения давлений и температур на роторах турбомашин при проведении экспериментальных исследований, как в проточной части, так и в системах охлаждения роторов. Это дает необходимую информацию при доводке существующих и проектируемых перспективных систем охлаждения теплонагруженных деталей ГТД.