ГРЕБЕНКА ТЕРМОПАР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛЯ ТЕМПЕРАТУР ГАЗОВОГО ПОТОКА

Полезная модель относится к области газовой динамики, а именно созданию современных двигателей, самолетостроению, и может быть использована для измерения поля температуры газового потока, движущегося с большой скоростью в газотурбинных установках (ПТУ).
Испытание современных авиационных двигателей и газотурбинных установок невозможно без измерения поля температур в камерах сгорания. В современных и проектируемых камерах сгорания температура газа существенно превышает 1000°C и стремится к температурам, близким к 2000°C. Для измерения таких высоких температур используются водоохлаждаемые термопарные гребенки с платино-родиевыми и вольфрамо-рениевыми термопарами.
Наиболее близкая к заявляемой полезной модели конструкция водоохлаждаемой гребенки описана (Д.А. Усенко «Расчет, проектирование и эксплуатация в ЦИАМ гребенок отбора проб газа и гребенок термопар для измерения эмиссии и поля температур на выходе из камеры сгорания». Материалы Первого межведомственного научно-технического семинара по проблемам низкоэмиссионных камер сгорания газотурбинных установок, 2004 г, Москва, ЦИАМ).
Гребенка термопар для измерения поля температур газового потока содержит корпус и термопары, корпус имеет индивидуальные каналы для зарядки термопар с открытым спаем. Гребенка изготовлена из металла и является водоохлаждаемой. Индивидуальные каналы термопар позволяют зарядить каждую термопару в отдельности
Проблема состоит в том, что для обеспечения работоспособности гребенки термопар с корпусом из жаропрочной стали, установленной в газовом потоке с температурой в диапазоне 600…1600°C с возможными пиковыми температурами, достигающими 1800°C в течение нескольких минут, необходимо интенсивное охлаждение, которое усложняет конструкцию. Это также приводит к увеличению продольных габаритов гребенки и уменьшению просвета в зоне измерений, что негативно влияет на точность измерений. Охлаждение гребенки производится холодной водой, текущей по замкнутому контуру. Представляет опасность превышение давления в камере уровня давления в системе охлаждения, при этом недостаток охлаждения приводит к мгновенному разрушению гребенки. Недостатком  такой конструкции является также необходимость тщательного контроля над тепловым состоянием гребенки во время испытания и очистка каналов охлаждения от накипи. При температуре газового потока свыше 1300°C корпус гребенки требуется покрывать теплозащитным покрытием.
Задача состоит в получении неохлаждаемой гребенки термопар для измерения поля температур газового потока, движущегося с большой скоростью, например, на выходе из камеры сгорания.
Технический результат состоит в уменьшении габаритов гребенки термопар для измерения поля температур газового потока.
Технический результат достигается за счет того, что взамен паяно-сварного корпуса, изготовленного из высокотемпературного металлического сплава, имеющего полости для циркуляции воды, используется бесполостной тонкостенный разъемный корпус из карбидокремниевой керамики SiC-C-Si с защитным газоплотным карбидокремниевым покрытием. Высокая теплопроводность карбидокремниевой керамики существенно снижает градиент температуры в корпусе термоприемника и, вместе с низким коэффициентом термического расширения, обеспечивает стабильность геометрических характеристик в широком диапазоне рабочих температур и, соответственно, высокую термостойкость устройства. Карбидокремниевое покрытие обеспечивает термоокислительную стойкость корпуса в потоке горячего газа. Корпус является разъемным, состоящим из основной детали с тормозными камерами и задней вставки для фиксации термопар; в основной детали имеются несколько термопар для измерения температуры до 1800°C, что позволяет измерять одновременно изменение температуры в нескольких точках сечения. Также имеется крышка, охлаждаемая сухим воздухом; корпус имеет посадочный фланец, со смещенными отверстиями под крепеж; на термопарах имеются защитные рукава; внутренняя полость корпуса заполнена клеем, что позволяет герметизировать устройство.
Совокупность этих качеств позволяет отказаться от системы охлаждения корпуса водой и достичь существенного уменьшения габаритов гребенки в просвете зоны измерения. Результирующее уменьшение габаритов гребенки термопар позволяет использовать стандартный фланец крепления приемника полного давления и обеспечивает взаимозаменяемость устройств контроля при испытаниях узлов ГТУ.
Устройство и работа изделия поясняются рисунками.
Фиг. 1, Фиг. 2 Вариант конструкции гребенки термопар по предлагаемому изобретению.
Фиг. 3 Внешний вид карбидокремниевого корпуса гребенки термопар.
Основная деталь 1, корпус из материала SiC-C-Si с защитным газоплотным карбидокремниевым покрытием, имеет плоскую обтекаемую форму с габаритными размерами пера в просвете 12 мм на 170 мм (Фиг. 1, 2). На фронтальной поверхности корпуса имеются пять камер торможения 1а с протоком 1b (боковыми отверстиями для выхода заторможенного потока), с противоположной стороны -продольная проточка 1c. Пять термопар 3 ПР30/ПР6 «тип В» для преобразования температуры в ЭДС в диапазоне температур от 600 до 1800°C, смонтированы в отверстия камер торможения, чувствительный элемент рабочего спая термопары расположен в зоне боковых отверстий, на провода термопар надеты защитные чехлы (бусы) 9 предотвращающие термопары 3 от повреждения. Термопары проложены далее в проточке 1c и выведены в крышку 6 и переходят в холодную зону, обеспечивающуюся продувкой сухим сжатым воздухом, подаваемым через штуцер в крышке. В холодной зоне выполняется переход термоэлектродных проводов ПР-30/ПР-6 на компенсационные провода (МГТФ). Задняя вставка 7 из высокотемпературного материала SiC-Si-C установлена со стороны продольной проточки, так что образуется внутренняя полость; внутренняя полость в зоне расположения чехлов термопар 3 заполнена клеем КМ41-М, который фиксирует термопары 3 и обеспечивает герметичность термометра. При помощи посадочного фланца 5 гребенка крепится к стенке камеры.
Основной корпус 1 и задняя вставка 4 (Фиг. 3) контактируют с высокотемпературной газообразной химически не агрессивной, а также агрессивной средой, не разрушающей материала корпуса.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Гребенку термопар в сборе устанавливают в отсек камеры сгорания газотурбинного двигателя в гнездо приемника полного давления с использованием посадочного фланца и герметично закрепляют, с помощью штуцера соединяют с устройством подачи сухого воздуха к холодным спаям термопар. При работе газотурбинной установки часть горячего газа отбирается в камеры торможения, обтекает горячий спай термопары и выводится через боковые отверстия. Гребенка термопар измеряет температуру газового потока в нескольких (пяти) точках в просвете камеры. В устройстве могут быть использованы различные типы платинородиевых и вольфрам-рениевых термопар. Устройство использовалось для снятия
параметров в измерительных сечениях отсека камеры ГТУ на испытательном стенде при отладке системы зажигания, а также определения границ устойчивого горения. Для корпуса и задней вставки использована карбидокремниевая керамика состава SiC-Si-C 40-50-10 с газоплотным карбидокремниевым покрытием без изменения макро- и микроструктуры карбидокремниевых деталей корпуса гребенки термопар после проведения многоцикловых высокотемпературных испытаний.