ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ТЕРМОЗОНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ В ГАЗОВОМ ПОТОКЕ

Полезная модель относится к области газовой динамики, в частности к строению газотурбинных двигателей, и может быть использована для измерения температуры газового потока.
Для измерения температуры потока газа, который может двигаться с большой скоростью, применяют термопарные зонды с камерами торможения. («Термоприемник для измерения температуры сверхзвукового газового потока малой плотности» Репик Е.У., Соседко Ю.П./Теплофизика высоких температур, т. 17, №3, 1979 г. с. 592-597). Спай термопары такого зонда обтекается струей газа умеренной скорости. В стационарных условиях обтекания чувствительный спай термопары показывает равновесную температуру - разницу между теплом, подводимым газом и теплом, теряемым спаем за счет теплопроводности и излучения. Точная оценка потерь тепла от спая термопары невозможна, поэтому причины тепловых потерь должны быть максимально устранены.
Известны высокотемпературные термозонды для измерений температуры в газовом потоке с платино-родиевыми (Pt-Pt/Rh) термопарами типа ТПР (ПР30/6) для измерений температуры до 1780°С и иридий-родиевыми термопарами Ir-lr/Rh для измерений температуры до 2100°С (Единая система авиационных стандартов РТМ 1552-77 «Измерение температуры газового потока при стендовых испытаниях ГТД») [прототип]. Термозонд представляет собой вставку в виде цилиндрической трубки с размещенной в ней термопарой, на одном конце вставки имеется осевая камера торможения и отводящие каналы в области спая термопары, на противоположном конце вставки имеется крепежный фланец.
Для размещения термозонда (или нескольких термозондов) в выбранной точке сечения потока используются корпуса-держатели, охлаждаемые водой для обеспечения собственной сохранности в условиях высокотемпературных испытаний. При этом уменьшение ошибки измерения температуры термозондом обеспечивается удалением чувствительного спая термозонда от охлаждаемого корпуса-держателя за счет большой длины вставки термозонда (от 60 мм при диаметре 8 мм). Камеры торможения изготовлены из высокотемпературных сплавов марки ВКНА на интерметаллидной основе.
Недостатком таких термозондов является высокая вероятность разрушения протяженной вставки, в которой создан большой градиент температуры вдоль оси, в условиях сложных неравномерных механических нагрузок, как осевых, так и касательных, в раскаленной окислительной среде. Более того, испытания подразумевают запланированные или случайные повышения температуры свыше той, которую могут выдерживать высокотемпературные металлические сплавы, применяемые для изготовления вставок данных устройств (температура не должна превышать 1050°С в стационарном режиме и 1200°С для кратковременных нагрузок). Таким образом, велика вероятность разрушения вставок, что приводит к выходу из строя всего термодатчика в условиях высокотемпературных испытаний. Диапазон температур, которые потенциально может измерять термопара (до 2100°С в случае иридий-родиевых термопар) существенно ограничен стойкостью вставки.
Задача полезной модели состоит в повышении ресурса работы термозонда для измерений в газовом потоке, увеличении диапазона измеряемых температур газового потока.
Технический результат состоит в повышении максимальной измеряемой температуры движущегося с большой скоростью газового потока до 1700°С, снижении риска выхода из строя высокотемпературных термозондов для измерений в газовом потоке.
Технический результат достигается за счет того, что высокотемпературный термозонд для измерений в газовом потоке, состоит из вставки в виде цилиндрической трубки и размещенной в ней термопары, на одном конце вставки имеется осевая камера торможения и отводящие каналы в области спая термопары, на противоположном конце вставки имеется крепежный фланец; вставка выполнена из керамики на основе карбида кремния, на поверхности вставки имеется защитное газоплотное карбидокремниевое покрытие.
Керамика на основе карбида кремния с нанесенным газоплотным карбидок-ремниевым покрытием способна выдерживать повышенные по сравнению с применяемыми интерметаллидными сплавами температуры без ухудшения физико-химических свойств. Ее применение в качестве материала вставки позволяет увеличить диапазон измеряемых температур до 1750°С, при кратковременном повышении до 2000°С и выше. Карбидокремниевое покрытие обеспечивает термоокислительную стойкость при сохранении целостности покрытия в условиях испытаний. Кроме того, покрытие обеспечивает повышенные механические характеристики за счет снижения вклада поверхностных дефектов при изгибе, сжатии и растяжении, которые испытывает вставка в процессе работы термозонда.
Суть полезной модели поясняется рисунками.
Фиг. 1 Схема термозонда по полезной модели.
Фиг. 2 Вставки термозонда из материала на основе карбидокремниевой керамики с газоплотнымкарбидокремниевым.
Фиг. 3 Установленные в корпусе-держателе высокотемпературные термозонды для измерений в газовом потоке после испытаний с пиковой температурой 1770°С.
Высокотемпературный термозонд для измерений в газовом потоке, состоит из вставки 1 в виде цилиндрической трубки, изготовленной из керамики на основе карбида кремния, на поверхности вставки 1 имеется защитное газоплотное карбидокремниевое покрытие, и размещенной в ней термопары 2. На одном конце вставки 1 имеется осевая камера торможения 3, а также отводящие каналы 4 в области спая 5 термопары 2. На противоположном конце вставки имеется крепежный фланец 6 (Фиг. 1).
Пример работы полезной модели.
Высокотемпературные термозонды с термометрами ПР-30/ПР-6 были применены для стендовых измерений температуры газового потока в заднем мерном участке отсека камеры сгорания двигателя ГТД-110. В качестве корпуса-держателя использовался корпус многоточечной гребенки, в который устанавливались 5 высокотемпературных термозондов с вставками из карбидокремниевой керамики с газоплотным карбидокремниевым покрытием в посадочных местах с помощью фланцев и фиксировались термостойким клеем марки КМ41-М; изолированные сапфировыми трубками провода термопар термозондов прокладывались в полостях корпуса (Фиг. 2).
Полученную конструкцию устанавливали в рабочее положение в просвете камеры сгорания. Проводили горячие испытания с замерами температуры в различных точках сечения с помощью высокотемпературных термозондов. После проведения требуемого числа циклов горячих испытаний высокотемпературные зонды демонтировали.
В данном цикле испытаний «горячая» наработка по высокотемпературным термозондам с камерами торможения из карбидокремниевой керамики составила 7 часа 40 минут с максимальной температурой 1775°С с сохранением работоспособности всех высокотемпературных термозондов для измерений в газовом потоке по данной полезной модели (Фиг. 3).
Разработанные по предлагаемой полезной модели высокотемпературные термозонды для измерений в газовом потоке, выполненные из керамики на основе карбида кремния с защитным газоплотным карбидокремниевым покрытием позволяют выдерживать существенно более высокие по сравнению с применяемыми интерметаллидными сплавами температуры без ухудшения физико-химических свойств. Использование карбидокремниевой керамики в качестве материала позволяет увеличить диапазон измеряемых температур до 1750°С при кратковременном повышении до 2000°С и выше.