Устройство для измерения температуры рабочей среды

Полезная модель относится к области контактных измерений параметров высокотемпературных газов, в частности к средствам измерения температуры рабочей среды и распределения ее значений в высокотемпературных элементах газотурбинных двигателей, и может быть использована для экспериментальных исследований рабочего процесса силовых установок при проведении аэродинамических испытаний.
Известно устройство для измерения температуры рабочей среды в лопатке осевой турбины газотурбинного двигателя, содержащее модельное колесо турбины, установленное вместо штатного рабочего колеса и имеющее профилированные лопатки с аэродинамическими поверхностями между входной и выходной кромками, трубчатые термоприемники, выполненные из теплоизоляционного материала и равномерно распределенные по высоте лопатки, и датчики температуры, выполненные в виде монокристаллических измерителей максимальной температуры и размещенные внутри трубчатых термоприемников (RU 1586380, 1995).
В известном устройстве датчики температуры предназначены для измерения температуры в радиальных каналах охлаждения лопаток и расположены внутри лопатки модельного колеса с возможностью омывания их потоком охлаждающей среды. Поэтому известное устройство не может быть использовано для измерения температуры рабочей среды в межлопаточном пространстве осевой турбины газотурбинного двигателя.
Известно устройство для измерения температуры рабочей среды в межлопаточном пространстве осевой турбины газотурбинного двигателя, содержащее модельное колесо турбины, установленное вместо штатного рабочего колеса и имеющее профилированные лопатки с аэродинамическими поверхностями между входной и выходной кромками, трубчатые термоприемники, выполненные из теплоизоляционного материала и равномерно распределенные по высоте лопатки, и датчики температуры, размещенные внутри трубчатых термоприемников, каждый из которых выступает над аэродинамической поверхностью лопатки модельного колеса с возможностью омывания его потоком рабочей среды (GB 2452026, 2010).
В известном устройстве датчики температуры выполнены в виде термопар, установленных в трубчатых теплоприемниках и связанных проводами с измерительными устройствами. Использование термопар в условиях высоких температур (более 1000°С), агрессивной среды и высоких скоростей движущихся деталей, характерных для современных газотурбинных установок, существенно усложняет конструкцию измерительных устройств и соответственно снижает надежность и точность проводимых измерений.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности является устройство для измерения температуры рабочей среды в межлопаточном пространстве осевой турбины газотурбинного двигателя, содержащее модельное колесо турбины, установленное вместо штатного рабочего колеса и имеющее профилированные лопатки с аэродинамическими поверхностями между входной и выходной кромками, трубчатые термоприемники, выполненные из теплоизоляционного материала и равномерно распределенные по высоте лопатки, и датчики температуры, выполненные в виде монокристаллических измерителей максимальной температуры и размещенные внутри трубчатых термоприемников, каждый из которых выступает над аэродинамической поверхностью лопатки модельного колеса с возможностью омывания его потоком рабочей среды (RU 1253262, 1995).
В известном устройстве трубчатые теплоприемники большей частью своего корпуса расположены в теле лопатки, в котором расположены каналы системы охлаждения лопаток, поэтому часть корпуса теплоприемника имеет температуру идентичную с температурой внутренней полости лопатки, которая значительно ниже, чем температура рабочей среды в межлопаточном пространстве осевой турбины. За счет теплообмена во внутренней полости трубчатого теплоприемника максимальная температура в этой полости, в которой расположен монокристаллический измеритель максимальной температуры, будет всегда ниже, чем максимальная температура рабочей среды в межлопаточном пространстве осевой турбины. Тем самым существенно снижается точность измерения максимальной температуры.
Кроме того, в известном устройстве не определено расположение трубчатых термоприемников относительно аэродинамической поверхности лопатки, при котором замер максимальных значений температуры рабочей среды в нескольких точках по высоте лопатки мог бы позволить определить с достаточно высокой достоверностью полную картину распределения значений температуры в межлопаточном канале рабочего колеса осевой турбины.
Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, заключается в необходимости исключения влияния системы охлаждения лопатки на результаты измерения максимальной температуры рабочей среды в межлопаточном пространстве осевой турбины и обеспечения достоверности определения картины распределения значений температуры потока рабочей среды в межлопаточном канале рабочего колеса в процессе работы осевой турбины.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности и достоверности результатов определения поля температур потока рабочей среды в межлопаточном канале рабочего колеса осевой турбины.
Технический результат достигается за счет того, что устройство для измерения температуры рабочей среды в межлопаточном пространстве осевой турбины газотурбинного двигателя, содержащее модельное колесо турбины, установленное вместо штатного рабочего колеса и имеющее профилированные лопатки с аэродинамическими поверхностями между входной и выходной кромками, трубчатые термоприемники, выполненные из теплоизоляционного материала и равномерно распределенные по высоте лопатки, и датчики температуры, выполненные в виде монокристаллических измерителей максимальной температуры и размещенные внутри трубчатых термоприемников, каждый из которых выступает над аэродинамической поверхностью лопатки модельного колеса с возможностью омывания его потоком рабочей среды, снабжено керамическими стержнями, расположенными в дополнительно выполненных в теле лопатки сквозных отверстиях и жестко связанными с лопаткой, каждый трубчатый термоприемник закреплен на одном из концов керамических стержней, а их оси находятся в плоскости, отстоящей от входной кромки лопатки на расстоянии, равном 0,25-0,35 расстояния между входной и выходной кромками лопатки модельного колеса.
Существенность отличительных признаков устройства для измерения температуры рабочей среды подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающая полезную модель, позволяет обеспечить достижение технического результата полезной модели -повышение точности и достоверности результатов определения поля температур потока рабочей среды в межлопаточном канале рабочего колеса осевой турбины.
Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием устройства для измерения температуры рабочей среды в межлопаточном пространстве осевой турбины со ссылками на фиг. 1-3:
на фиг. 1 изображен фрагмент модельного рабочего колеса осевой турбины газотурбинного двигателя;
на фиг. 2 показано поперечное сечение лопатки модельного рабочего колеса с установленным стержнем с трубчатыми термоприемниками;
на фиг. 3 показано расположение температурных полей в межлопаточных каналах рабочего колеса осевой турбины.
Устройство для измерения температуры рабочей среды в межлопаточном пространстве осевой турбины газотурбинного двигателя содержит модельное колесо 1 турбины, установленное вместо штатного рабочего колеса и имеющее профилированные лопатки 2 с аэродинамическими поверхностями 3 между входной кромкой 4 и выходной кромкой 5 (фиг. 1).
В теле лопатки 2 выполнены равномерно распределенные по ее высоте сквозные отверстия 6 (фиг. 2), в которых установлены керамические стержни 7, жестко связанные с телом лопатки 2. На каждом конце керамических стержней 7 закреплен выполненный из теплоизоляционного материала трубчатый термоприемник 8 с размещенным внутри датчиком 9 температуры, выполненным в виде монокристаллических измерителей максимальной температуры. В качестве индикаторных веществ обычно используют кристаллы технического алмаза или карбида кремния кубической модификации, которые предварительно подвергаются действию нейтронного облучения определенной энергии и интенсивности при температуре около 100°С.
Термоприемники 8 расположены равномерно по высоте лопатки 2 над ее аэродинамическими поверхностями 3 с возможностью омывания их потоком рабочей среды, а их оси 10 находятся в плоскости, отстоящей от входной кромки 4 лопатки 2 на расстоянии L, равном 0,25-0,35 расстояния L между входной кромкой 4 и выходной кромкой 5 лопатки 2 модельного колеса 1.
Расположение теплоприемников 8 на указанном выше расстоянии от входной кромки 4 объясняется тем, что согласно проведенным экспериментальным исследованиям именно в этой зоне располагаются области максимальных значений температуры потока, как со стороны вогнутой части (корыто лопатки) аэродинамической поверхности 3 лопатки 2, так и со стороны выпуклой (спинка лопатки) ее поверхности. Результаты измерения максимальной полной температуры потока рабочей среды в межлопаточном пространстве приведены в таблице, из которой следует, что зона максимальных значений температур потока расположена в выделенном диапазоне значений
Кристаллические элементы обычно имеют достаточно малые размеры (менее 0,4 мм), поэтому для проведения измерений их помещают в тонкостенные малогабаритные контейнеры 11, сделанные из металлов, керамики и других материалов. Контейнеры 11 с кристаллическими элементами с помощью термоцемента крепятся внутри трубчатых термоприемников 8.
Перед проведением тепловых испытаний модельное колесо 1 устанавливают в турбину вместо штатного рабочего колеса, запускают турбину и выводят на исследуемый режим работы в соответствии с регламентом.
При воздействии горячего потока рабочей среды в межлопаточном пространстве на облученные кристаллические элементы датчика 9 температуры происходит отжиг дефектов кристаллической решетки, возникших при предварительном нейтронном облучении кристаллических элементов. Атомы постепенно возвращаются на места своих устойчивых положений в узлах кристаллической решетки и в результате происходит постепенное восстановление ее исходных параметров. Чем выше температура и дольше продолжительность прогрева кристаллических элементов, тем быстрее происходит процесс восстановления кристаллической решетки.
После завершения испытаний контейнеры 11 с кристаллическими элементами извлекаются из трубчатых термоприемников 8 и при помощи рентгеновского дифрактометра выполняется количественный анализ степени восстановления кристаллической решетки путем сравнения углов дифракционного отражения рентгеновского излучения на атомах индикаторного вещества до и после нагрева. Для определения значений максимальной температуры, достигнутых в процессе тепловых испытаний при работе двигателя на определенном режиме, используются специальные градуировочные зависимости, предварительно полученные при различных уровнях температур для аналогичных кристаллов в лабораторных условиях.
Для высокоскоростного потока полученное таким способом значение температуры рабочей среды будет меньше реального значения, т.к. при измерении не учитывается неполное торможение потока на конце термоприемника 8. Реальное значение максимальной температуры определяют по следующему соотношению:
где
реальное значение температуры рабочей среды в относительном движении;
- замеренное датчиком температуры значение полной температуры;
k - показатель адиабаты, равный 1,33;
λ - относительная скорость потока рабочей среды в точке расположения датчика температуры;
n - коэффициент восстановления термоприемника, значение которого зависит от профиля термоприемника, режима течения, физических свойств среды.
Значение λ в межлопаточном канале для каждого сечения лопатки, в котором установлен датчик 9 температуры, можно определить, решая 3D уравнения Эйлера. А принимая направление скорости потока рабочей среды, набегающего на датчики температуры, по касательной к профилю лопатки в точке его расположения, можно определить угол набегания потока на датчик.
При известности геометрии термоприемника, угла набегания потока, физических свойств среды в исследуемом диапазоне температур, значение n коэффициента восстановления термоприемника вычисляется в соответствии со следующим соотношением:
где
Т - статическая температура потока в точке расположения термоприемника, замеренная термопарой;
ν - скорость потока рабочей среды в межлопаточном пространстве;
р
с - изобарная теплоемкость рабочего тела при заданной температуре.
Получив реальные значения максимальной температуры со стороны спинки и со стороны корыта лопатки, можно расчетным путем определить поле распределения максимальной температуры в определенном поперечном сечении межлопаточного канала на конкретном режиме работы газотурбинного двигателя.
Получив реальные значения максимальной температуры со стороны спинки и со стороны корыта лопатки на разных поперечных сечениях по высоте лопатки, можно по известным зависимостям температуры в каждой точке со значением координат этой точки определить поле максимальной температуры в полном объеме межлопаточного канала для конкретного режима работы газотурбинного двигателя.
Таким образом, полезная модель позволяет повысить точность и достоверность результатов определения поля температур потока рабочей среды в межлопаточном канале рабочего колеса осевой турбины.