Гребенка термопар для измерения поля температур газового потока

Полезная модель относится к области газовой динамики, а именно созданию современных двигателей, самолетостроению, и может быть использована для измерения поля температуры газового потока, движущегося с большой скоростью в газотурбинных установках.
Испытание современных авиационных двигателей и газотурбинных установок невозможно без измерения поля температур в камерах сгорания. В современных и проектируемых камерах сгорания температура газа существенно превышает 1000°С и стремится к температурам, близким к 2000°С. Для измерения таких высоких температур используются водоохлаждаемые термопарные гребенки.
Известна гребенка (RU №160313, МПК G01K 13/02, опубл. 10.03.2016), содержащая разъемный корпус, состоящий из основной детали с индивидуальными каналами для зарядки термопар, с предусмотренными в каналах камерами торможения, задней крышки для закрытия и защиты области укладки термопар и внутренней полости, корпус покрыт газоплотным карбидокремниевым покрытием.
Недостаток данной гребенки заключается в том, что корпус выполнен из керамики, которая является хрупкой и не устойчивой к механическим повреждениям, резким изменениям температуры и вибрациям, а выполнение воздушного охлаждения приводит к низкой эффективности теплоотвода.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является конструкция гребенки (Патент RU №158918, МПК G01K 13/02, опубл. 20.01.2016), содержащая корпус аэродинамического профиля с проточной камерой водяного охлаждения, крышку, входные и выходные штуцера (патрубки), внутреннюю полость и термопары с открытым спаем.
Недостатками прототипа являются: наличие сварного корпуса, который приводит к сложности в сборке и снижению надежности из-за высокой вероятности появления трещин в местах сварки, отсутствие камеры торможения, что приводит к увеличению погрешности замера, наличие отверстий в задней крышке, которые глушатся герметиком, и при температуре выше 1500°С может привести к затеканию газа и выгоранию термопар.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемой полезной модели и не может быть реализовано при использовании прототипа, является низкая надежность устройства и низкая точность измерения поля температур газового потока.
Технической задачей заявленной полезной модели является повышение надежности гребенки, увеличение ее срока службы и повышение точности измерения поля температур газового потока.
Техническая задача достигается за счет того, что гребенка термопар для измерения поля температур газового потока, содержащая термопары, корпус аэродинамического профиля, во внутренних полостях которого расположены термопары и выполнена проточная камера водяного охлаждения, штуцера (патрубки) для подвода и отвода воды, согласно полезной модели корпус выполнен цельновыращенным, при этом внутри корпуса проточная камера водяного охлаждения выполнена в виде лабиринта, охватывающего все полости, где расположены термопары, индивидуальные каналы термопар выполнены с камерами торможения, а канал укладки термопар выполнен по направлению к внутренней охлаждаемой части корпуса, задняя крышка корпуса изготовлена цельной. Кроме того, внутренние полости, где расположены термопары, заполнены кварцевым песком, а сам корпус может быть дополнительно покрыт термозащитным покрытием.
В предлагаемой полезной модели, в отличие от прототипа, выполнение корпуса цельновыращенным позволяет избавиться от слабых мест в виде сварных швов и организовать внутреннюю полость с дополнительными элементами, увеличивающими площадь, сопрягаемую с водой, что обеспечивает лучший теплоотвод, увеличение ресурса, целостность и надежность корпуса.
Выполнение проточной камеры водяного охлаждения в виде лабиринта повышает эффективность охлаждения не только самого корпуса, но и полостей, где расположены термопары, за счет увеличения площади сопрягаемой поверхности с водой. Посредством тепловых расчетов была сформирована оптимальная форма водяного лабиринта, что позволило поднять рабочие температуры гребенки термопар до 2400°С.
Изготовление индивидуальных каналов термопар с камерой торможения позволяет повысить точность измерения.
Направление канала укладки термопар вовнутрь охлаждаемой части корпуса позволяет сократить зону нахождения термопар в горячей части устройства, что обеспечивает дополнительную защиту термопар от воздействия высоких температур набегающего потока и продлевает срок их службы.
Цельная задняя крышка, изготовленная с минимальными зазорами, позволяет герметично закрыть внутреннюю полость и канал укладки термопар и обеспечить надежную защиту термопар от внешнего воздействия.
Внутренние полости корпуса, где производится укладка термопар после заведения их в индивидуальные каналы (канал укладки термопар) и происходит выведение пучка термопар к измерительным приборам (канал вывода термопар), заполняют, например, кварцевым песком, что позволяет дополнительно защитить термопары от внешних воздействий.
Корпус дополнительно может быть покрыт термозащитным покрытием, например, газоплотным карбидокремниевым, что повышает устойчивость к теплоудару, а также позволяет повысить герметичность внутренних полостей, где расположены термопары.
Настоящая полезная модель иллюстрируется чертежами на фиг. 1-6, где
фиг. 1 - конструкция гребенки термопар в продольном сечении;
фиг. 2 - конструкция гребенки термопар вид А от фиг. 1;
фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1;
фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 1;
фиг. 5 - общий вид гребенки термопар с изометрическим разрезом;
фиг. 6 - модель внутренней полости корпуса.
Гребенка термопар для измерения поля температур газового потока (фиг. 5, 6) содержит цельновыращенный корпус 1 аэродинамического профиля с внутренними полостями, выполненный, например, из жаропрочного сплава на никелевой основе с защитным газоплотным карбидокремниевым покрытием 2 (фиг. 1). На фронтальной поверхности корпуса 1 для установки термопар 4 выполнены индивидуальные каналы 3 с камерами торможения 5 и каналами сброса воздуха 6, с противоположной стороны корпуса изготовлена полость 7 (канал укладки термопар), в которой производится укладка термопар 4 после заведения их в индивидуальные каналы 3 (фиг. 1, 2, 4). В корпусе 1 выполнены каналы 8, 9, 10, формирующие проточную камеру водяного охлаждения в виде лабиринта (фиг. 1, 3, 4).
Для преобразования температуры в термо-ЭДС в диапазоне температур от 0°С до 2400°С в индивидуальных каналах 3 с камерами торможения 5 устанавливается необходимое количество термопар 4, например, ПР30/ПР6 или кабельных. Чувствительный элемент рабочего (горячего) спая термопары 4 расположен непосредственно в камере торможения 5 выше оси канала сброса воздуха 6 на 0,5-1,0 мм (фиг. 2).
На термопары 4 надеты защитные керамические чехлы 11, защищающие от повреждений и задеваний о корпус 1 (фиг. 1, 2).
Гребенку термопар собирают следующим образом. Термопары 4 в защитных чехлах 11 заводят в индивидуальные каналы 3, свободные концы термопар 4 в защитных чехлах 11 укладывают внутри канала укладки термопар 7 корпуса 1 и далее протаскивают их в канал вывода термопар 12, расположенный в холодной зоне корпуса 1, затем выводят их через заднюю втулку 13 и помещают в шнур-чулок и плетенку 14 (фиг. 1, 3, 4). В холодной зоне выполняют переход термоэлектродных проводов, например, ПР30/ПР6 на компенсационные провода, например, МГТФЭ2×0,12, в кабельных термопарах переход на компенсационный провод выполнен внутри корпуса кабельной термопары. Внутренние полости (канал укладки термопар 7 и канал вывода термопар 12) после укладки и вывода термопар 4 заполняют, например, кварцевым песком для обеспечения защиты и фиксации термопар 4, а полость 17 задней втулки 13 заполняют, например, клеем J-B WELD для обеспечения герметичности. Заднюю крышку 15, изготовленную из того же материала, что и корпус 1, например, из жаропрочного сплава на никелевой основе, прикрепляют к корпусу 1 при помощи болта 16.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Гребенку термопар в сборе устанавливают в отсек камеры сгорания газотурбинного двигателя в гнездо с использованием посадочного фланца, выполненного заодно с корпусом 1, и герметично закрепляют. К штуцерам, установленным на патрубки 18 (входному) и 19 (выходному), соответственно подсоединяют устройства подачи и отвода воды. При работе газотурбинной установки часть горячего газа отбирается в камеры торможения 5, обтекает горячий спай термопары 4 и выводится через боковые каналы сброса воздуха 6. Гребенка термопар измеряет температуру газового потока в нескольких, например, шести точках отсека камеры сгорания. В устройстве могут быть использованы различные типы платинородиевых, вольфрам-рениевых и кабельных термопар.
Данное устройство было опробовано и показало свою эффективность при отладке системы зажигания газотурбинной установки на испытательном стенде. Устройство использовалось для снятия параметров в измеряемых сечениях отсека камеры ГТУ, а также для определения границ устойчивого горения.
Выполнение данной полезной модели с вышеуказанными отличительными признаками позволяет повысить надежность гребенки термопар и увеличить ресурс ее службы.