Устройство для измерения температуры лопаток газотурбинных двигателей
GAS TURBINE ENGINE BLADE TEMPERATURE MEASURING DEVICE

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для повышения эффективности и оперативности диагностики технического состояния газотурбинных двигателей в процессе их производства, испытаний и эксплуатации.
В последние годы широкое развитие получили нетрадиционные способы диагностики газотурбинных двигателей. К таким способам относится метод бесконтактной диагностики состояния газотурбинных двигателей. В основе способа лежит регистрация заряженных частиц (электронов, ионов, микрочастиц) в авиационных двигательных струях. Эти частицы образуются в камере сгорания в процессе горения топливовоздушной смеси, при эрозии и разрушении элементов двигателя, или попадают в двигатель извне. Заряженные частицы создают в окружающем газодинамическую двигательную струю пространстве нестационарное электростатическое поле, которое регистрируется специальными зондами-антеннами. На основе полученных сигналов можно получить информацию о процессах, происходящих в двигателе, выявить и спрогнозировать аномалии, имеющиеся в нем. Это повышает безопасность эксплуатации авиационной техники, снижает затраты при ее обслуживании и обеспечивает оперативность принятия решений.
Известен способ регистрации неисправностей двигателей, патент US 5552711 от 03.09.1996 г., на основе анализа частот электромагнитного излучения имеющихся в двигательной струе разного сорта ионов, возникающих как при горении топливовоздушной смеси в камере сгорания так и при появлении (и сгорании) в проточной части газотурбинного двигателя металлических частиц, образующихся при эрозии или разрушении элементов двигателя.
Недостатком данного технического решения является то, что данный способ довольно сложен и трудно применим на практике из-за необходимости точного определения частоты излучения регистрируемых ионов разного сорта, выявления отличий ионов, возникших при неисправности двигателя от ионов, появляющихся в двигательной струе в результате процессов, происходящих в исправном двигателе. Дополнительной сложностью является необходимость учета влияния магнитного поля земли на результаты измерений.
Известен способ контроля за охлаждением лопаток турбины по показаниям термопар, установленных в тракте двигателя и измеряющих температуру газового потока (патент US 3574282 от 24.02.1969 г.)
Ближайшим аналогом является метод регистрации неисправностей лопаток турбин посредством измерения температуры, описанные в патенте SU 1450469 «Устройство для контроля температуры рабочих лопаток газовой турбины», содержащее установленный в корпусе соплового аппарата радиационный пирометр, оптическая ось которого ориентирована на поверхность контролируемой лопатки, с целью повышения точности контроля, оно снабжено по крайней мере одним дополнительным пирометром, все пирометры установлены один относительно другого с шагом, кратным шагу рабочих лопаток, а их оптические оси ориентированы на идентичные участки поверхности контролируемых лопаток
Недостатком ближайшего аналога является низкая точность измерений температуры лопатки турбины по причине высокой сложности при использовании пирометров при эксплуатации газотурбинных двигателей: данная аппаратура уязвима к экстремальным температурам, вибрациям и высоким давлениям.
Технической задачей, вытекающей из аналогов, является повышение точности измерения температуры лопатки турбины во время эксплуатации газотурбинных двигателей.
Указанная техническая задача решается тем, что на поверхности лопатки турбины нанесен термоэмиссионный слой из материала с низкойработой выхода электронов. Лопатка турбины с термоэмиссионным слоем в данном случае представляет собой катод. Анод устанавливается за лопаткой турбины в области задней ее кромки и через измерительный комплекс и источник напряжения связан с катодом. При этом заявляемое устройство содержит емкость для хранения веществ с низким потенциалом ионизации (ВИНИ), форсунку подачи ВИНИ гидравлически через трубопровод и регулируемый клапан, соединенную с емкостью для хранения ВИНИ, причем регулируемый клапан электрически соединен с сигнальным выходом блока управления, выходное отверстие форсунки подачи веществ с низким потенциалом ионизации расположено заподлицо с поверхностью внутренней стенки статора газотурбинного двигателя.
Высокий уровень снимаемых токов и чувствительность термоэмиссии к температуре позволяют с повышенной точностью производить измерения температуры.
Такая система измерения температуры лопатки турбины, обладает низкой инерционностью и высокой точностью, устойчива к вибрациям и высоким давлениям. Она не оказывает существенного влияния на течение продуктов сгорания и есть возможность измерения отдельных участков лопатки, путем нанесения термоэмиссионное слоя на эти отдельные участки. Простота и не значительные габариты системы позволяют использовать ее во время эксплуатации газотурбинных двигателей.
Анод обеспечивает возвращение всех вышедших электронов термоэмиссии, что препятствует образованию избыточного заряда на стенках лопатки турбины.
Форма, размеры и расположение анода выбирается такими, чтобы, с одной стороны, обеспечить восприятие всех электронов термоэмиссии, вышедших с термоэмиссионного слоя, с другой - минимизировать влияние на поток продуктов сгорания для уменьшения потерь полезной работы на турбине от наличия дополнительного элемента - анода.
Слой может быть нанесен на небольшую область лопатки турбины или другой части газотурбинного двигателя. Это позволит получать точные значения температуры наиболее термонапряженных поверхностей.
Низкая работа выхода электронов может быть обеспечена и за счет того, что стенки лопатки турбины изначально выполнены из материала с низкой работой выхода электронов.
Анод может быть выполнен, например, в виде обтекаемого профиля или любой другой сложной формы.
Количество ВПНИ выбирается из необходимости обеспечения заданной концентрации заряженных частиц (степени ионизации) в течение всего времени работы газотурбинного двигателя.
Технический результат, получаемый в результате применения изобретения, является повышение точности измерения температуры лопатки турбины газотурбинных двигателей во время их эксплуатации.
Пример реализации заявляемого способа представлен на чертеже.
На чертеже обозначены: 1 - вал турбины, 2 - термоэмиссионный слой, 3 - лопатка турбины с покрытием с низкой работой выхода (катод), 4 - анод, 5 - измерительный комплекс, 6 - источник напряжения, 7 - токосъем, 8 - форсунка, 9 - устройство хранения ВПНИ, 10 - клапан, 11 - блок управления, 12 - камера сгорания, 13 - статор, 14 - электроизоляция.
Вал турбины 1 предназначен для передачи вращения с турбины на компрессор, 2 - термоэмиссионный слой служит для обеспечения термоэмиссии электронов, 3 - лопатка турбины предназначена для создания вращательного момента и изменения параметров газа. Лопатка турбины 3 и термоэмиссионный слой 2 образуют катод. 4 - анод предназначен для улавливания электронов из потока продуктов сгорания. Анод 4 имеет форму и расположение, обеспечивающую восприятие всех термоэлектронов, вышедших с термоэмиссионного слоя. 5 - измерительный комплекс предназначен для снятия показаний силы тока между катодом и анодом 4 для последующего вычисления значения температуры, 6 - источник напряжения предназначен для создания разности потенциалов между катодом и анодом 4 и обеспечения направленного движения электронов из потока продуктов сгорания к аноду 4 и от анода 4 через измерительный комплекс 5 к катоду, 7 - токосъем предназначен для электрического соединения анода 4 через измерительный комплекс 5 с катодом, находящимся на вращающемся валу 1. Форсунка 8 предназначена для впрыска ВПНИ в поток продуктов сгорания, 9 - устройство хранение ВПНИ предназначен для хранения ВПНИ, 10 - регулируемый клапан предназначен для открытия и закрытия канала с целью подачи или прекращения подачи ВПНИ, 11 - блок управления предназначен для выработки команды открытия или закрытия клапана 10 через регулятор 11. Камера сгорания 12 предназначена для сжигания топлива, 13 - статор служит каналом движения рабочего тела турбины. Электроизоляция 14 служит для предотвращения замыкания анода и катода, минуя источник напряжения.
Изобретение работает следующим образом.
В камеру сгорания 12 подаются компоненты топлива, которые смешиваются и сжигается в нем. В результате сжигание выделяется большое количество тепла, которое воздействует на термоэмиссионный слой 2 на лопатке турбины 3, нагревая его. С термоэмиссионного слоя 2 активно начинают выходить электроны. Одновременно от блока управления 11 подается сигнал на регулируемый клапан 10 и из бака 9 под давлением начинают поступать ВНПИ в форсунки 8, через которые осуществляется подача ВНПИ в поток продуктов сгорания. При попадании в поток ВНПИ частично ионизируются и уносятся в направлении движения продуктов сгорания. Таким образом, повышается концентрация заряженных частиц и облегчается компенсации пространственного заряда термоэлектронов, выходящих с поверхности термоэмиссионного слоя 2 на лопатке 3. В этом случае увеличиваются значения максимально достижимых токов термоэмиссии. При этом, относительно небольшое увеличение температуры стенки будет приводить к существенному скачку тока в измерительных приборах, что обеспечит повышение точности измерения температуры, потому как получаемому значению тока будет соответствовать заданная температура.
Например, при работе выхода электронов в 2 эВ и температуре стенки 1500 К, плотность тока эмиссии по Ричардсону составляет величину 51.79 А/см2. При увеличении температуры на 1 К плотность тока увеличивается до 52.40 А/см2 или на 0.4 А. При этом цена деления современных приборов измерения может составлять единицы мкА. Тогда точность измерений температуры заявляемым устройством в данном можно оценить в 0.00001 К по порядку величины.
Поскольку термоэмиссионный слой 2 на лопатке турбины 3 соединен с анодом 4, посредством токосъема 7, то анод приобретает положительный заряд и начинает улавливать электроны из потока. Образуется ток от анода к катоду через измерительный комплекс 5, который производит замер силы тока, на основе которых вычисляется значение температуры. В свою очередь, источник напряжения 6 поддерживает и усиливает разности потенциалов между катодом и анодом 4 и обеспечивает направленное движение электронов из потока продуктов сгорания к аноду 4 и от анода 4 через измерительный комплекс 5 к катоду.
Таким образом, решается указанная выше техническая задача и достигается технический результат, который заключается в повышении точности измерения температуры лопатки турбины во время эксплуатации газотурбинных двигателей.
При этом обеспечивается высокая скорость реакции. Так же реализована возможностью длительной работы в условиях экстремальных температур, вибраций и высоких давлений за счет дополнительного термоэмиссионного охлаждения поверхности.