Многоэлементная термопара для измерения температуры за камерой сгорания

Полезная модель относится к области измерения температуры высокотемпературных газов, в частности к средствам измерения температуры за камерой сгорания газотурбинного двигателя, а именно к многоэлементным термопарам.
Известно устройство для измерения поля температур перед лопатками соплового аппарата газовой турбины, содержащее термопары с проводами, установленные в корпусе с трубками (Авторское свидетельство №527092 от 02.06.1975, МПК G01K 7/02, G01M 15/00, опубл. 10.07.2004, бюл. №19).
В представленном устройстве термопары крепятся в корпусе соплового аппарата с трубками, повторяющими профиль входной кромки соплового аппарата и укреплен в последней. При этом рабочие температуры на кромках соплового аппарата равны более 1300°С, что делает недоступным измерение температуры стандартной термопарой в данном диапазоне.
Наиболее близкой является многоэлементная термопара, содержащая первую термопару, имеющую первый и второй термоэлектроды, соединяющиеся в первом спае для определения температуры Т1 в измеряемом месте, имеющие первый и второй термоэлектроды, которые выполнены, соответственно, из первого и второго материала, вторую термопару, содержащую третий и четвертый термоэлектроды, соединенные с первым термоэлектродом во втором спае для измерения температуры Т2 в месте нахождения второй термопары, при этом третий и четвертый термоэлектроды выполнены соответственно из третьего и четвертого материалов, концы третьего и четвертого термоэлектродов соединены с вольтметром, и третью термопару, имеющую пятый и шестой термоэлектроды (Патент США №11187592 от 17.05.2017, МПК G01K 7/02, опубл. 30.11.2021).
Недостатком данной многоэлементной термопары является то, что температуры в месте перепайки первого термоэлектрода с третим и четвертым термоэлектродом и второго термоэлектрода с четвертым и пятым термоэлектродом должны быть одинаковы, а данное условие не выполнимо в области с достаточно высокими градиентами температур, в том числе в полости над сопловым аппаратом и потребует создания дополнительного теплоизолированного пространства в данной зоне, что значительно затрудняет монтаж термопары для обеспечения заданного условия и снижает точность и надежность получаемых результатов, если данное условие не будет выполнено.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение точности и надежности получаемого значения температуры за камерой сгорания, а так же повышение рабочей температуры термопары для мест спаев, благодаря тому, что второй и третий спаи устанавливаются при различных температурах, и парные термоэлектроды выполнены из одного материала, что позволяет сократить определение термоэлектродвижущей силы и расчет температуры за камерой сгорания без потерь точности в расчетах.
Технический результат достигается тем, что в многоэлементной термопаре, содержащей первую термопару, имеющую первый и второй термоэлектроды, соединяющиеся в первом спае для определения температуры Т1 в измеряемом месте, имеющие первый и второй термоэлектроды, которые выполнены, соответственно, из первого и второго материала, вторую термопару, содержащую третий и четвертый термоэлектроды, соединенные с первым термоэлектродом во втором спае для измерения температуры Т2 в месте нахождения второй термопары, при этом третий и четвертый термоэлектроды выполнены соответственно из третьего и четвертого материалов, концы третьего и четвертого термоэлектродов соединены с вольтметром, и третью термопару, имеющую пятый и шестой термоэлектроды, в отличие от известной, пятый и шестой термоэлектроды соединены со вторым спаем второго термоэлектрода для измерения температуры Т3 в месте нахождения третей термопары, при этом пятый термоэлектрод выполнен из четвертого материала, а шестой термоэлектрод выполнен из третьего материала, концы пятого и шестого термоэлектродов соединены с вольтметром, концы четвертого и пятого термоэлектродов соединены с вольтметром, при этом третий и шестой материалы представляют собой хромель, а четвертый и пятый материалы представляют собой алюмель, первая термопара представляет собой термопару типа В, а вторая и третья термопары представляют собой термопары типа К.
Наличие в многоэлементной термопаре пятого и шестого термоэлектродов, соединенных с третьим спаем второго термоэлектрода для измерения температуры Т3 в месте нахождения третей термопары, и выполнение пятого термоэлектрода из четвертого материала алюмеля, а шестого термоэлектрода - из третьего материала хромеля, и соединение концов пятого и шестого термоэлектродов с вольтметром, а концы четвертого и пятого термоэлектродов - с вольтметром, при этом третий и шестой материалы представляют собой хромель, а четвертый и пятый материал представляют собой алюмель, позволяет установить многоэлементную термопару в полости над сопловым аппаратом турбины высокого давления, тем самым выполнить расчет температуры за камерой сгорания без потерь точности в расчетах.
На фигурах показаны:
Фиг. 1 - многоэлементная термопара;
Фиг. 2 - зависимость термоэлектродвижущей силы проводников от температуры для термоэлектродов из материала платина 6% родий алюмель и для материала платина 30% родий алюмель.
Многоэлементная термопара содержит первую 1, вторую 2 и третью 3 термопару, соединенные последовательно между собой, при этом первая 1 термопара находится между второй 2 и третьей 3 термопарами.
Первая термопара 1, имеет первый 4 и второй 5 термоэлектроды, соединяющиеся в первом спае 6 для определения температуры Т1 в измеряемом месте, а именно за камерой сгорания. Первый 4 и второй 5 термоэлектроды выполнены, соответственно, из первого и второго материала.
Первый материал представляет собой платина-30% родий.
Второй материал представляет собой платина-6% родий.
Вторая термопара 2 содержит третий 7 и четвертый 8 термоэлектроды, соединенные с первым термоэлектродом 4 во втором спае 9 для измерения температуры Т2 в месте нахождения второй термопары 2. При этом третий 7 и четвертый 8 термоэлектроды выполнены соответственно из третьего и четвертого материалов, концы третьего 7 и четвертого 8 термоэлектродов соединены с вольтметром 10.
Третья термопара 3 имеет пятый 11 и шестой 12 термоэлектроды, соединенные в третьем спае 13 для измерения температуры Т3 в месте нахождения третей термопары 3.
Пятый термоэлектрод 11 выполнен из четвертого материала, а шестой термоэлектрод 12 выполнен из третьего материала. Концы пятого 11 и шестого 12 термоэлектродов соединены с вольтметром 14, концы четвертого 8 и пятого 11 термоэлектродов соединены с вольтметром 15.
При этом первая термопара 1 представляет собой термопару типа В, а вторая 2 и третья 3 термопары представляют собой термопары типа К.
Третий и шестой материалы представляют собой хромель, а четвертый и пятый материал представляют собой алюмель.
Выполнение многоэлементной термопары из трех термопар, две из которых выполнены с парным соединением термоэлектродов из материалов хромель и алюмель повышается точность изменения в случае, если температура в месте второго и третьего спаев не одинакова.
Вторая 2 и третья 3 термопары устанавливается в полости над сопловым аппаратом двигателя, а первая термопара 1 устанавливается сразу за камерой сгорания.
Предлагаемая многоэлементная термопара работает следующим образом.
Сигнал от первой термопары 1 по первому 4 и второму 5 термоэлектродам и далее по четвертому 8 и пятому 11 термоэлектродам поступает для измерения на вольтметр 15, сигналы от второй 2 и третьей 3 термопары на вольтметры 10 и 14. Значения температур Т2 и Т3 в местах спая термоэлектродов 9 и 13 определяются по показаниям вольтметров 10 и 14 (сигналы от второй 2 и третьей 3 термопары) с учетом компенсации на температуру холодного спая ТХ, если не выполняется условие, что ТХ=0°С.
Первая термопара 6 предпочтительно является термопарой класса В и имеет термоэлектроды из материала платина-6% родий (термоэлектрод 5) и платина-30% родий (термоэлектрод 4).
Определение температуры за камерой сгорания осуществляется по значению термоЭДС , с учетом расположения всех элементов многоэлементной термопары по соотношениям:
,
где  - термоЭДС, определяемая по показаниям вольтметра 15 в цепи термоэлектродов 5-11-8-4;
- термоЭДС термопары платина-30% родий/алюмель в цепи термоэлектродов 4-8 при температурах Т2;
- термоЭДС термопары платина-6% родий/алюмель в цепи термоэлектродов 5-11 при температурах Т3.
Так же формула (1) может быть преобразована в формулу 2:
,
где  - термоЭДС, определяемая по показаниям вольтметра 15 в цепи термоэлектродов 5-11-8-4;
- термоЭДС термопары 6 в цепи термоэлектродов 4-5, определяемая по ГОСТ Р 8.585-2001 при температуре Т2;
- термоЭДС термопары платина-6% родий/алюмель в цепи термоэлектродов 5-11 при температурах Т3;
- термоЭДС термопары платина-6% родий/алюмель в цепи термоэлектродов 5-11 при температурах Т2.
Для определения термоЭДС в цепи термоэлектродов 5 и 11 , то есть платина-6% родий/алюмель, и в цепи термоэлектродов 4 и 8 , то есть платина- 30% родий/алюмель, из формул (1 и 2) в зависимости от температуры рабочего спая экспериментальным путем были выведены зависимости, согласно Фиг. 2.
На основе полученных экспериментальных данных по Фиг. 2 была выведена полиномиальная зависимость для определения термоЭДС в цепи термоэлектродов 5 и 11 , то есть платина-6% родий/алюмель (формула 3) в диапазоне температур от 20°C до 500°C:
0
-02
где A = 1.0679542795 10;
1
-02
A = - 1.8488847443 10;
2
-05
A = - 3.0101907788 10;
3
-07
A = 4.2022787010 10;
4
-09
A = - 1.6636367117 10;
5
-12
A = 2.8156523420 10;
6
-15
A = -1.7656785142 10;
температура в месте перепайки спая термоэлектродов 5 и 11.
Так же была выведена полиномиальная зависимость для определения термоЭДС в цепи термоэлектродов 4 и 8 , то есть платина-30% родий/алюмель (формула 4) в диапазоне температур от 20°C до 500°C:
0
-02
где A = 1.4651921818 10;
1
-02
A = - 1.8238231729 10;
2
-05
A = - 3.5811349512 10;
3
-07
A = 4.2058472970 10;
4
-09
A = - 1.6664408610 10;
5
-12
A = 2.8266830440 10;
6
-15
A = -1.775674117410;
температура в месте перепайки спая термоэлектродов 5 и 11.
Таким образом, представленные формулы 1-4 позволяют определить значение термоЭДС за камерой сгорания с дальнейшим определением температуры Т1 за камерой сгорания. Зависимости позволяют учесть влияние разных температур в месте перехода термоэлектродов 4 и 5 в термопары 9 и 13, что увеличивает точность измерения температуры.
Благодаря тому, что многоэлементная термопара, содержащая первую термопару, имеющую первый и второй термоэлектроды, соединяющиеся в первом спае для определения температуры Т1 в измеряемом месте, имеющие первый и второй термоэлектроды, которые выполнены, соответственно, из первого и второго материала, вторую термопару, содержащую третий и четвертый термоэлектроды, соединенные с первым термоэлектродом во втором спае для измерения температуры Т2 в месте нахождения второй термопары, при этом третий и четвертый термоэлектроды выполнены соответственно из третьего и четвертого материалов, концы третьего и четвертого термоэлектродов соединены с вольтметром, и третью термопару, имеющую пятый и шестой термоэлектроды в отличие от известной пятый и шестой термоэлектроды соединены со вторым спаем второго термоэлектрода для измерения температуры Т3 в месте нахождения третей термопары, при этом пятый термоэлектрод выполнен из четвертого материала, а шестой термоэлектрод выполнен из третьего материала, концы пятого и шестого термоэлектродов соединены с вольтметром, концы четвертого и пятого термоэлектродов соединены с вольтметром, при этом третий и шестой материалы представляют собой хромель, а четвертый и пятый материал представляют собой алюмель достигается повышение точности и надежности получаемого значения температуры за камерой сгорания, а так же повышение рабочей температуры термопары для мест спаев.