ГРЕБЕНКА ТЕРМОПАР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛЕЙ ТЕМПЕРАТУР В ГАЗОВЫХ ПОТОКАХ

Полезная модель относится к области экспериментальной и промышленной термогазодинамики, а именно к термометрии нагретых до высокой температуры потоков газа. В камерах сгорания газотурбинных двигателей (ГТД), форсажных камерах (ФК) турбореактивных
СМ
двухконтурных двигателей (ТРДДФ), камерах сгорания прямоточных
воздушно-реактивных двигателей (ПВРД) и камерах сгорания огневых подогревателей воздуха надежное локальное измерение температур нагретого до 2600К потока продуктов сгорания серьезно затруднено.
Известно устройство для определения температуры потока нагретого газа (SU №480926, 20.11.1972).
Устройство содержит проточную камеру с входным и выходным патрубками, с жиклерами в них и клапаном за выходным жиклером, датчик давления во входном патрубке перед жиклером и датчики давления и изменения давления в проточной камере. Устройство повышает точность определения температуры потока газа. Однако оно не применимо для измерений в замкнутом объеме камеры сгорания двигателя и требует дополнительного времени для стабилизации давления газа в проточной камере, а надежная временная фиксация наступления момента стабилизации давления в данном устройстве не предусмотрена.
Известно устройство для определения полей температуры в газовых потоках (SU №201725, 08.09.1967).
Устройство содержит водоохлаждаемый поворотный кронштейн для кратковременного ввода в поток термопар. На кронштейне установлены водоохлаждаемые, с выбросом воды в поток, отражатели, воспринимающие на себя газодинамические усилия в момент ввода и вывода термопар. В момент измерения поля температур в поток вводится поворотный кронштейн с термопарами. В остальное время кронштейн с термопарами находится вне потока. Термопары изготавливаются с открытым рабочим спаем для уменьшения их инерционности. Однако охладитель на выходе необходимо сбрасывать в рабочий поток. Это недопустимо для измерения температуры воздуха в огневом подогревателе, так как этот воздух идет на вход в двигатель, который проходит испытания.
Наиболее близким к заявленному устройству является гребенка термопар и трубок полного напора для измерения температуры и давления набегающего потока воздуха при испытаниях авиационных двигателей, конструкционная схема которого и описание приведены в Альбоме конструкций экспериментальных термопар, ЦИАМ, инв. №5285, с. 12, (см. приложение 1). В гребенке термопар каждая термопара находится в металлической трубке, приваренной герметично к корпусу гребенки, на передней стенке навстречу набегающему потоку и на наружной стороне посадочного фланца. Для электроизоляции на термоэлектроды внутри трубки надеты двухканальные керамические бусинки. В конце трубки, приваренной к передней стенке корпуса, установлен цилиндрический двухканальный изолятор, через который концы термоэлектродов в виде спая выходят в полость, где измеряется температура. Эти термоэлектроды, соединенные сваркой вместе, являются чувствительным элементом датчика. Двухканальный изолятор соединяется с металлической трубкой термоцементом. Корпус гребенки разделен на две полости перегородкой, с помощью которой обеспечивается проточное охлаждение передней и задней стенок корпуса. Свободные концы проводов термопары выводятся из корпуса на электрические разъемы в районе фланца крепления гребенки к объекту. Недостатком устройства, принятого за прототип, является недостаточная прочность и герметичность при высокой температуре соединения 2-х канальных изоляторов с металлическими трубками, в которых проходят термоэлектроды. Поэтому при работе нагретый до высокой температуры газ из подогревателя воздуха по трубке выходит под давлением в окружающее пространство, создавая пожаро-взрывоопасную ситуацию. Другим недостатком прототипа является чрезвычайная трудоемкость сборки гребенки, особенно при ремонте с заменой термопары. В этом случае термоэлектроды диаметром 0,2-0,5 мм с надетыми на них керамическими бусинками-изоляторами приходится проталкивать через изогнутую и довольно длинную трубку малого диаметра с передней стороны гребенки до выхода на корпус электроразъема.
В основу полезной модели положено решение задачи разработки гребенки термопар для измерения полей температуры потока газа нагретого до 2600 К в трактах объектов испытаний.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в исключении просачивания нагретого до высокой температуры газа из полости тракта объекта испытаний во внешнюю среду.
Поставленная задача решается тем, что гребенка термопар для измерения полей температур в газовых потоках содержит экранированные термопары с изолированными термоэлектродами заключенными в отдельные трубки, электрический разъем токоподводящих проводников, фланец, охлаждаемый жидкостью продолговатый корпус аэродинамического профиля с закругленными передней и задней стенками, входными и выходными патрубками и проточной камерой. Проточная камера образована продольной перегородкой внутри корпуса с формированием относительно потока газа передней и задней полостей, сообщающихся между собой. Причем со стороны одного из торцов корпуса входной патрубок соединен гидравлически с передней полостью камеры, а выходной патрубок - с задней полостью камеры. Фланец и электрический разъем установлены на корпусе со стороны патрубков. Термоэлектроды термопар подключены токоподводящими проводниками к электрическому разъему. Вход по торцу каждой трубки с термопарой в полость потока газа выполнен герметичным (например сваркой) с заданным шагом на передней стенке корпуса. Притом на выходе в поток в каждой трубке установлен двухканальный термостойкий изолятор с термоэлектродами, свободные концы, которых скреплены (сваркой или пайкой) между собой с образованием спая.
Новым в полезной модели является то, что задняя стенка корпуса соединена герметично с выходными торцами трубок. Каждая трубка в средней части выполнена с наружной конической поверхностью. Перегородка корпуса имеет сквозные конические отверстия. Трубки соединены герметично с продольной перегородкой через конические отверстия с посадкой конус по конусу. Кроме того, задняя стенка имеет продольный паз, суживающийся наружу в поперечном сечении до фланца. При этом паз сообщается с трубками отдельных термопар с одной стороны и электрическим разъемом с другой стороны. Токоподводящие проводники термопар закреплены в пазу задней стенки корпуса термостойким составом.
Указанные существенные признаки делают возможным решение поставленной задачи, так как:
- герметичное соединение задней и передней стенкой корпуса с выходными торцами трубок (например, сваркой), обеспечивает изоляцию проточной камеры гребенки с охлаждающей жидкостью от полости газовых потоков с температурой до 2600 К, что позволяет поддерживать температурное состояние гребенки при работе с использованием имеющихся в промышленности жаростойких материалов;
- выполнение каждой трубки в средней части с наружной конической поверхностью, а продольной перегородки со сквозными коническими отверстиями позволяет соединить трубки с перегородкой с посадкой конус по конусу, что обеспечивает дополнительную жесткость гребенки, устраняет неорганизованное перетекание охлаждающей жидкости из передней полости корпуса в заднюю и обеспечивает полное использование хладоресурса охлаждающей жидкости для защиты передней стенки корпуса от теплового потока газа нагретого до 2600 К;
- размещение токоподводящих проводников термопар в пазу задней стенки корпуса, подключенных к электрическому разъему и закрепленных в пазу герметично термостойким составом обеспечивает прочность закрепления проводников в гребенке и предохраняет проводники от теплового воздействия горячих газов в зоне перехода во внешнюю среду.
- наличие на задней стенке продольного паза до фланца, суживающегося наружу в поперечном сечении, где паз сообщается с трубками отдельных термопар с одной стороны и электрическим разъемом с другой стороны, позволяет вывести токоподводящие провода через фланец с исключением просачивания нагретых газов во внешнюю среду.
Развитие и уточнение совокупности существенных признаков полезной модели для частных случаев ее выполнения дано далее:
- наличие суживающегося наружу продольного паза, формирующегося к фланцу в замкнутый канал с расположенными в нем токоподводящими проводниками, заполненный герметично термостойким составом, исключает просачивание нагретого до 2600 К газа из полости, в которой измеряется температура газа во внешнюю среду и предотвращает пожаро-взрывоопасную ситуацию при работе гребенки термопар;
- выполнение продольного паза задней стенки корпуса в поперечном сечении Т-образной формы обеспечивает повышение плотности и прочности укладки термоэлектродов в корпус гребенки и повышает стойкость гребенки к воздействию высокотемпературного потока газа;
- выполнение продольного паза задней стенки в поперечном сечении формы типа «ласточкин хвост» обеспечивает другой вариант укладки проводов в пазу;
- выполнение термостойкого состава из материала типа «Мастика термостойкая БС - 105» ТУ2260-008-63504807-11 или материала типа «Sealant 1500» фирмы «КРИМЕЛТЭ» Эстония обеспечивает герметичность и прочность укладки термоэлектродов при работе гребенки термопар в условиях высоких температур.
Таким образом, решена поставленная в полезной модели задача. Разработана гребенка термопар для измерения полей температуры потока газа нагретого до 2600 К - максимальной температуры, например в огневых подогревателях при высотных испытаниях воздушно-реактивных двигателей (ВРД) в свободном потоке с воспроизведением гиперзвуковых условий полета;
Настоящая полезная модель поясняется последующим описанием конструкции гребенки термопар ее работы со ссылками, на чертежи представленными на фиг. 1-10, где:
на фиг. 1 - вид на торец корпуса гребенки со стороны фланца;
на фиг. 2 - продольный разрез А-А корпуса на фиг. 1;
на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 2;
на фиг. 4 - вид В на фиг. 2;
на фиг. 5 - разрез Г-Г на фиг. 2;
на фиг. 6 - выносной элемент Е на фиг. 2;
на фиг. 7 - разрез Ж-Ж на фиг. 6;
на фиг. 8 - вид 3 на фиг. 3;
на фиг. 9 - выносной элемент И на фиг. 3;
на фиг. 10 - общий вид гребенки термопар в аксонометрической проекции.
Гребенка термопар для определения полей температур в газовых потоках содержит экранированные термопары 1 (см. фиг. 5) с изолированными термоэлектродами 2 заключенные в отдельные трубки 3, многоканальный электрический разъем 4 токоподводящих проводников, фланец 5, охлаждаемый жидкостью продолговатый корпус 6 аэродинамического профиля (см. фиг. 2, 5, 10) с входными и выходными патрубками 7, 8 (см. фиг. 1, 3) и проточной камерой, образованной продольной перегородкой 9 внутри корпуса 6 с формированием относительно потока газа передней 10 и задней 11 полостей, сообщающихся между собой. Со стороны одного из торцов корпуса 6 входной патрубок 7 соединен гидравлически с передней полостью 10 камеры, а выходной патрубок 8 - с задней полостью 11 камеры. Фланец 5 и электрический разъем 4 установлены на корпусе 6 со стороны патрубков 7, 8. Термоэлектроды 2 термопар 1 на входе подключены токоподводящими проводниками к электрическому разъему 4. Вход по торцу каждой трубки 3 с термопарой 1 в полость потока газа (см. фиг. 5) выполнен герметичным (на сварке) с заданным шагом на стенке передней полости 10 проточной камеры. Притом на выходе в поток в каждой трубке 3 установлен двухканальный термостойкий изолятор 12 (см. фиг. 5) с термоэлектродами 2, свободные концы, которых скреплены между собой (пайкой или сваркой) в спай 13. Корпус 6 выполнен с закругленными передней и задней стенками 14 и 15 соединенными герметично трубками 3 через продольную перегородку 9 (см. фиг. 2, 5) в местах входа и выхода термопар 1. Кроме того, задняя стенка 15 имеет продольный паз 16 (см. фиг. 4, 5), суживающийся наружу в поперечном сечении до фланца 5. Паз 16 сообщается с трубками 3 отдельных термопар 1 с одной стороны и электрическим разъемом 4 с другой стороны. Токоподводящие проводники термоэлектродов 2 размещены в пазу 16 задней Токоподводящие проводники термоэлектродов 2 размещены в пазу 16 задней стенки 15 корпуса 6, подключены к электрическому разъему 4 и закреплены герметично термостойким составом 17 (см. фиг. 2, 5). Трубки 3 с термопарами 1 выполнены в средней части с наружной конической поверхностью и соединены с продольной перегородкой 9 проточной камеры через конические отверстия с посадкой конус по конусу (см. фиг. 5). Продольный паз 16 задней стенки 15, суживающийся наружу до фланца 5, формируется далее в замкнутый канал 18 (см. фиг. 7, 9) в виде отверстия с расположенными в нем токоподводящими проводниками, закрепленными герметично термостойким составом 17. Продольный паз 16 задней стенки 15 корпуса 6 может быть выполнен в поперечном сечении Т-образной формы (см. фиг. 5) или формы типа «ласточкин хвост» (не показано). Для крепления проводов в пазу 16 может быть использован материал «Мастика термостойкая БС-105» ТУ2260-008-63504807-11. Для крепления проводов также может использоваться термостойкий материал типа «Sealant 1500» фирмы «КРИМЕЛТЭ» Эстония. Это определяется условиями работы термопары.
Предложенное устройство функционирует следующим образом. Гребенку термопар вводят в заданную точку газового потока экспериментального объекта (камеру сгорания, форсажную камеру ТРДДФ, камеру сгорания огневого подогревателя воздуха и т.д.) и устанавливают на объекте с помощью фланца 5. К гребенке термопар через патрубок 7 в переднюю полость 10 проточной камеры подводят жидкий охладитель (воду) и через сообщающуюся заднюю полость 11 и патрубок 8 отводят указанный охладитель из гребенки. Нагревают поток газа до выхода на заданный режим. Термоэдс возникшие на спаях 13 по токоподводящим проводам далее через электрический разъем 4 передается в систему регистрации (не показано).
Гребенка термопар для измерения полей температур, нагретого до 2600 К потока газа, прошла экспериментальную проверку в различных условиях и показала хорошие характеристики по работоспособности, а также по точности и скорости выполнения измерений, которые удовлетворяют требованиям методик выполнения измерений при испытаниях камер сгорания различного назначения.
Технический результат от использования заявленной полезной модели выразился в исключении просачивания нагретого до высокой температуры газа из полости трактов объектов испытаний во внешнюю среду. Это предотвращает возникновение пожаро-взрывоопасной ситуации при работе гребенки термопар и увеличивает ресурс гребенки термопар до ресурса работы спаев термопар, что также позволяет существенно сократить прямые затраты на проведение испытаний.