ОБЪЕКТИВ ОПТИЧЕСКОГО ПИРОМЕТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И СПОСОБ ЗАЩИТЫ ЕГО ОТ КОПОТИ И ПЕРЕГРЕВА
OPTICAL PYROMETRIC TRANSDUCER OBJECTIVE-LENS AND ITS PROTECTION AGAINST SOOT AND OVERHEATING

Изобретение относится к технике измерения температуры оптическими методами и, в частности, к оптическим пирометрам, служащим для измерения температуры рабочих лопаток турбины и других теплонапряженных элементов газотурбинного двигателя (ГТД), а также для обнаружения наличия пламени в основных и форсажных камерах сгорания и наличия помпажа в компрессоре ГТД.
Известны объективы пирометров (1, 2), визируемые на рабочие лопатки ГТД, имеющие оребрение корпуса в месте заделки световода и имеющие обдув наружной поверхности входного оптического окна (BOO) воздухом, подаваемым из-за последних ступеней компрессора высокого давления (КВД).
Недостатком данных объективов пирометров является относительно низкая надежность их работы из-за осаждения на наружной поверхности BOO продуктов сгорания топлива и перегрева торца световода, расположенного в объективе.
Наиболее близким техническим решением является объектив пирометра (3), визируемый на рабочие лопатки ГТД, имеющий оребрение корпуса в месте заделки световода и устанавливаемый в гнездо турбины, образующие кольцевой дефлектор для подачи обдувающего воздуха из-за КВД вдоль наружной поверхности BOO.
Недостатком указанной конструкции и способа ее установки является ненадежная работа в результате осаждения продуктов сгорания ГТД на наружной поверхности BOO - закапчиваемости оптики и перегрева торца световода, расположенного в объективе. Недостатки конструкции обусловлены следующими факторами:
1) Отсутствие качественного обдува наружной поверхности BOO - турбулентное обтекание вследствие наличия буртика на втулке линзы относительно наружной поверхности BOO.
2) Сложность обеспечения необходимого для качественной запайки ВОО осевого зазора между наружной поверхностью BOO объектива и дефлектором, расположенным на корпусе турбины. Величина зазора выбирается из условия обеспечения ламинарного течения пограничного слоя обдувающего воздуха вдоль наружной поверхности BOO и имеет величину 0,1÷0,3 мм.
3) Данная конструкция радиатора объектива при существующем способе установки не может обеспечить рабочий тепловой режим торца световода (не более +350°C), т.к. корпус турбины ГТД в месте установки объектива прогретый до температуры не менее +650°С является источником тепла бесконечной мощности и в режиме "останова" ГТД при отсутствии продувки объектива ОПП радиатор объектива не в состоянии рассеять подводящееся тепло в окружающую среду.
Целью настоящего изобретения является повышение надежности ОПП.
Указанная цель достигает тем, что в предлагаемом объективе ОПП и способе его установки на ГТД зазор между наружной поверхностью BOO и дефлектором выполнен в самой конструкции объектива ОПП, а между фланцем объектива ОПП и корпусом турбины устанавливается теплоизоляционная прокладка, и втулка линзы не имеет буртика относительно наружной поверхности BOO. Зазор между наружной поверхностью BOO и дефлектором в предлагаемой конструкции объектива ОПП образуется соосной установкой дефлектора на корпус (тубус) объектива и регулируется подбором регулировочных прокладок, расположенных между собственным фланцем дефлектора и фланцем объектива. Для подвода обдувающего воздуха в образуемый зазор дефлектор имеет перфорацию, например, в форме отверстий. Установка предлагаемого объектива ОПП на ГТД производится в посадочное гнездо на корпусе турбины, имеющее кольцевую проточку, расположенную соосно с перфорацией дефлектора объектива. Обдувающий воздух подается в кольцевую проточку из-за последних ступеней КВД, проходит через перфорации дефлектора объектива в ресивер, расположенный между дефлектором и тубусом объектива, который необходим для выравнивания по всему объему давления обдувающего воздуха. Далее обдувающий воздух поступает в кольцевой зазор между дефлектором и наружной поверхностью BOO и образует ламинарный пограничный слой, "прилипающий" к поверхности BOO, и предохраняющий осаждение продуктов сгорания на наружной поверхности BOO. Требуемая высокая точность выполнения зазора между наружной поверхностью BOO объектива и дефлектором при установке объектива, описанного в (3), не позволяет установить теплоизоляционные прокладки между фланцем объектива и корпусом турбины, необходимую для обеспечения теплового режима работы торца световода, расположенного в объективе, в связи с тем что теплоизоляционные материалы работоспособные при температуре +650°C и используемые для изготовления прокладок при установке деформируются на величину более 0,3 мм.
В предлагаемом объективе в результате регулирования зазора в самой конструкции объектива появляется возможность установки теплоизоляционной прокладки между фланцем объектива и корпусом турбины. Прокладка может быть выполнена, например, из асбеста, армированного стальной лентой (материал 12Х18Н9Т), или теплоизоляционного материала ВЭП-1 ТУ6-05-1140-76. Такие прокладки являются работоспособными при температурах корпуса турбины ГТД более +650°С.
Для обеспечения рабочего режима световода при установке заявляемого объектива ОПП на двухконтурные ГТД с температурой рабочего тела(воздуха) второго контура выше +350°С радиатор объектива необходимо отделить от рабочего тела второго контура и дополнительно охладить воздухом из-за вентилятора или первых степеней компрессора низкого давления (КНД).
Общий вид вышеописанного предлагаемого устройства изображен на фигуре 1. Способ установки объектива ОПП и защиты его от закапчиваемости и перегрева показаны на фиг. 2 и фиг. 3.
Тубус поз. 1 (фиг. 1) объектива ОПП имеет радиатор в месте заделки торца световода поз. 2 и фланец. Линза поз. 3 запаяна во втулку, причем втулка не имеет буртика, а расположена без выступания по отношению к наружной поверхности линзы. Дефлектор поз. 4 имеет перфорацию в форме отверстий Д и крепится к фланцу тубуса поз. 1 при помощи собственного фланца. Между фланцем тубуса поз. 1 и фланцем дефлектора поз. 4 устанавливаются регулировочные прокладки поз. 5, при помощи которых устанавливается зазор между наружной поверхностью BOO и дефлектором. Между тубусом поз. 1 и дефлектором имеется полость для выравнивания давления обдувающего воздуха - ресивер.
Объектив ОПП устанавливается и крепится в гнездо поз. 6 (фиг. 2, фиг. 3) корпуса турбины ГТД. Между фланцем дефлектора поз. 4 и корпусом турбины устанавливается теплоизоляционная прокладка поз. 7. Гнездо поз. 6 имеет кольцевую проточку А и прорезь Б для подачи воздуха, обдувающего наружную поверхность BOO объектива. При установке объектива ОПП проточка А совмещается с перфорационными отверстиями Д дефлектора поз. 4, через которые проходит обдувающий воздух для создания "воздушной пробки", предотвращающий попадание продуктов сгорания ГТД в визирную трубку гнезда поз. 6. В прорезь Б подается вторичный воздух из-за камеры сгорания (используемый на ГТД для охлаждения сопловых лопаток).
Для двухконтурных ГТД при температуре рабочего тела второго контура более +350°C с целью обеспечения рабочего режима световода к гнезду поз. 6 пристыковывается гайка поз. 8 (фиг. 2) и дефлектор поз. 9. Между гайкой поз. 8 и радиатором объектива ОПП проходит охлаждающий воздух из-за вентилятора или первых ступеней КНД. На фиг. 3 с этой же целью установлены втулка поз. 10 и двухсферная втулка поз. 11, которая образует герметичную по отношению к рабочему телу второго контура полость в виде колодца, сохраняющую герметичность при перемещении контуров на 5÷15 мм друг относительно друга в любом направлении. В полость колодца через штуцер поз. 12 подается воздух из-за вентилятора или первых ступеней КНД. В кольцевую проточку А подается воздух из-за последних ступеней КВД, который образует ламинарный пограничный слой, "прилипающий" к наружной поверхности BOO для предотвращения оседания на ВОО копоти, просочившейся через воздушную пробку.
Основным преимуществом заявляемого устройства объектива ОПП, способа его защиты от копоти и перегрева по сравнению с базовым образцом является:
1) Повышение качества обдува оптики за счет запайки линзы заподлицо с торцом тубуса объектива и создание ламинарного обтекания вдоль наружной поверхности BOO обдувающего воздуха, отбираемого из-за последних ступеней КВД, а также за счет создания воздушной пробки, препятствующей попаданию копоти в визирную трубку гнезда турбины, в которые устанавливается объектив путем подачи через прорез в трубке вторичного воздуха из-за камер сгорания.
2) Улучшение теплового режима работы световода за счет установки теплоизоляционной прокладки между фланцем объектива и турбиной ГТД, а также за счет размещения радиатора тубуса объектива внутри герметичного колодца, отделяющего радиатор от "горячего" воздуха межконтурного пространства и подачи внутрь колодца охлаждающего воздуха из-за вентилятора или КНД.
4
Указанные преимущества заявляемого объектива ОПП и способа его установки и защиты от копоти и перегрева позволяет установить ОПП на борт летательного аппарата (ЛА) и осуществлять не только диагностику теплового состояния ГТД, работающего на стенде, в заводских условиях, но и производить регулирование в полете тяги ГТД по сигналу с ОПП. На базовых объектах: самолетах ВВС и МГА управление тягой ГТД происходит по сигналу с термопар, контролирующих температуру газа за турбины (Т). При регулировании тяги ГТД по сигналу с ОПП, визируемых, например, на рабочие лопатки колеса турбины, тяга ГТД повышается на 15…25% за счет увеличения температуры газов за турбиной на величину погрешности поддержания температуры рабочих лопаток турбины при помощи традиционных, имеющихся на базовых объектах систем автоматического регулирования (CAP) температурных режимов ГТД, работающих по сигналу с термопар, установленных за турбиной.
Повышение тяги ГТД имеет существенное значение для ВВС. Для МГА применение CAP тепловых режимов ГТД, работающих по сигналу с ОПП позволит увеличить ресурс ГТД до 50%.
Источники информации
(1) Проспект фирмы Negretti and Lambra (Aviation) Ltd. Совместно с LAND Pyrometers Limited. "Пирометрия лопаток турбины".
(2) Проспект фирмы AMJTS Industries Limited, Aviution division. "Радиационные пирометрические системы для ГТД".