Устройство для измерения средней температуры выходящих газов газотурбинного двигателя

 

Сущность изобретения: устройство содержит термопары канала измерения, установленные по периметру заданного сечения ГТД и соединенные параллельно компенсационными проводами двух типов проводимости. В местах установки термопар канала измерения размещены термопары двух независимых каналов регулирования, в каждом из которых термопары соединены попарно первыми компенсационными проводами. К средним точкам указанных проводов подсоединены вторые компенсационные провода, а к средним точкам последних, соответственно, в верхней и нижней частях заданного сечения ГТД - выводные компенсационные провода тех же типов проводимости, что и вторые. Одноименные компенсационные провода одного типа проводимости идентичны, а диаметры всех компенсационных проводов одного типа проводимости выбраны равными. 3 ил.

Изобретение относится к технике измерения и регулирования температуры газового потока и может быть использовано при осреднении температуры выходящих газов газотурбинного двигателя (ГТД) для измерения и регулирования средней температуры.

Известно устройство для измерения средней температуры выходящих газов в заданном сечении ГТД, содержащее термопары (односпайные зонды), соединительные компенсационные кабели и выход осредненной температуры [1] К недостаткам устройства относится отсутствие независимого идентичного канала замера средней температуры, который можно использовать в системе регулирования газотурбинного двигателя, громоздкость и дороговизна кабельного соединения.

Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения средней температуры газов газотурбинного двигателя, содержащее термопары, рабочие спаи которых при помощи компенсационных проводов двух типов проводимости соединены с шинами того же типа проводимости. [2] Однако и в этом устройстве отсутствует второй идентичный канал измерения средней температуры, обеспечивающий осуществление регулирования работы ГТД по температуре. Кроме того, из-за неравномерности изменения окружающей температуры (-60 ^oC 250^oC) нарушается равенство сопротивления цепей термопар, что приводит к значительным погрешностям в измерении средней температуры. Особенно это опасно при использовании средней температуры в канале регулирования. Так, например, при занижении средней температуры из-за нарушений идентичности сопротивлений соединительных проводов в цепях термопар система регулирования необоснованно изменит режим работы ГТД, что приведет к повышению температуры выходящих газов, а это может вызвать выгорание лопаток турбины.

Технический результат, создаваемый изобретением, состоит в повышении эксплуатационной надежности ГТД.

Указанный результат достигается тем, что в устройство для измерения средней температуры выходящих газов газотурбинного двигателя, содержащее термопары, канала измерения, установленные по периметру заданного сечения ГТД и соединенные параллельно компенсационными проводами двух типов проводимости, и выводные компенсационные провода тех же типов проводимости, образующие выход канала измерения, введены термопары двух независимых каналов регулирования, размещенные в местах установки термопар канала измерения, в каждом из каналов регулирования термопары соединены попарно первыми компенсационными проводами двух типов проводимости, к средним точкам которых подсоединены вторые компенсационные провода, а к средним точкам вторых компенсационных проводов, в верхней и нижней частях заданного сечения ГТД, присоединены выводные компенсационные провода тех же типов проводимости, образующие выходы каналов регулирования, при этом все одноименные компенсационные провода одного типа проводимости идентичны, а диаметры всех компенсационных проводов одного типа проводимости выбраны равными.

Устройство для измерения средней температуры выходящих газов газотурбинного двигателя (фиг. 1,2) содержит термопары I, I¹ термоэлектрических датчиков, рабочие спаи 2 термопар 1 канала измерения (фиг. 1), рабочие спаи 3 термопар I¹ I-го канала регулирования (фиг. 2), рабочие спаи 4 термопар I¹ II-го канала регулирования (фиг. 2), термоэлектроды которых выполнены, например из алюмеля 5 и хромеля 6, соединительные компенсационные провода из алюмеля 7 и 7¹ равной длины и из хромеля 8 и 8¹ той же длины, обеспечивающие соединение пар рабочих спаев 2,3,4 термопар I, I¹, соединительные компенсационные провода из алюмеля 9 и 9¹ равной длины и из хромеля 10 и 10¹ той же длины, обеспечивающие параллельное соединение двух пар рабочих спаев 2, 3, 4 термопар I, I¹, соединительные компенсационные провода из алюмеля 11 и 11¹ равной длины и из хромеля 12 и 12¹ той же длины, обеспечивающие параллельное соединение рабочих спаев 2 термопар 1, расположенных в верхней части сечения ГТД с двумя парами рабочих спаев 2 термопар 1, расположенных в нижней части сечения двигателя, выводные компенсационные провода из алюмеля 13 и хромеля 14, образующие выход канала измерения средней температуры, выводные компенсационные провода из алюмеля 15 и хромеля 16, образующие выход I-го канала регулирования в верхней части сечения ГТД, выводные компенсационные провода из алюмеля 17 и хромеля 18, образующие выход II-го канала регулирования в нижней части сечения ГТД. Диаметры сечений соединительных и выводных компенсационных проводов одного типа проводимости одинаковы. Все термопары 1, 1¹ установлены на корпусе 19 ГТД, причем каждый из рабочих спаев 3,4 термопар 1¹, 2^x каналов регулирования размещен в одном корпусе с рабочим спаем 2 соответствующей термопары 1 канала измерения. Зазор между спаями каждой пары термопар в термоэлектрических датчиках составляет 1-1,5 мм. Все рабочие спаи 2,3,4 находятся в одном сечении ГТД.

Используя эквивалентные схемы (фиг. 3), можно определить величину средней температуры на выходах каналов регулирования и измерения. Обозначения элементов схемы, относящихся только к II-му каналу регулирования, показаны в квадратных скобках. ТЭДС, развиваемые например рабочими спаями 3 термопар 1¹ в I-ом канале регулирования, обозначены, соответственно, Е(3)1, Е(3)2, Е(3)3 и Е(3)4. Первые компенсационные провода 7,7¹ и 8,8¹ (фиг. 2) между рабочими спаями 3 пар термопар 1¹ взяты равной длины и, соответственно, равного сечения, поэтому они показаны на фиг. 3 в виде сопротивлений R₇, R¹₇ и R₈, R¹₈, при этом R₇ = R¹₇; R₈ = R¹₈ (1). Вторые компенсационные провода 9,9¹ и 10,10¹ (фиг. 2) равной длины и, соответственно, равного сечения подключены к точкам А-А₁ и Б-Б₁, следовательно, между этими точками подключены сопротивления (фиг. 3а): R₉ = R¹₉ и R₁₀= R¹₁₀ (2). Выводные компенсационные провода 15,16, образующие выход I-го канала регулирования равной длины, показаны в виде сопротивлений R₁₅ и R₁₆, которые подключены к точкам C-C₁ (фиг. 3а).

В цепи источников ТЭДС Е(3)1 и Е(3)2 протекает ток J: где R = R₇+ R¹₇+ R₈+ R¹₈. С учетом (1) и (2)
R 2R₇ + 2R₈ 2(R₇ + R₈) (4).

Таким образом:

Напряжение И_АА1 между точками AA₁
И_АА1 Е (3)1 J (R₇ R₈).

Подставляя значение J из (5), получим

отсюда
.

Аналогичным образом находят напряжение между точками ББ₁ (фиг. 3,a):

Так как к точкам СС1 (фиг. 3a) подключены источники напряжения с равными сопротивлениями (R₉ + R₁₀), то напряжение в этих точках, а следовательно, и на выходе I-го канала регулирования будет:

Подставляя в (8) (6) и (7), получают


Так как термоЭДС в точках зондирования рабочими спаями пропорциональна температуре, то из (9) получают

где T(3)1, T(3)2, T(3)3, T(3)4 температуры выходящих газов ГДТ в точках зондирования газового потока рабочими спаями 3 термопар 1¹ в верхней части заданного сечения (I-й канал регулирования).

Аналогичным образом получено значение Тср.Пк.р. т.е. средняя температура выходящих газов ГТД в нижней части заданного сечения ГДТ

где T(4)1, T(4)2, T(4)3, T(4)4 температуры выходящих газов ГТД в точках зондирования газового потока рабочими спаями 4 термопар 1^-1 в нижней части заданного значения (II-й канал регулирования).

Исходя из тех же предпосылок, находят среднюю температуру входящих газов канала измерения (Тср.к.и.)

где T(2)1, T(2)2, T(2)3.T(2)8 температуры выходящих газов ГТД в точках зондирования газового потока рабочими спаями 2 термопар 1 в заданном сечении ГТД (фиг.1, 3,б).

Таким образом, при осреднении напряжений нескольких источников ТЭДС необходимо равенство сопротивлений их цепей. При нарушении этого требования возникают погрешности осреднения. Действительно, если, например, в цепях источников E(3)1, и E(3)2 (фиг.3,a) между E(3)1 и точками AA₁ будет сопротивление R₁, а между E(3)2 и точками AA₁ сопротивление R₂, то ток в цепи этих источников будет равен

при равенстве R₁ и R₂, т.е. R₁ R₂

что и было получено в (6).

В случае нарушения равенства R₁ и R₂, т.е. R₁≠R₂,

Следовательно, выходное напряжение при параллельном соединении двух известных источников E(3)1 и E(3)2 определяется отношением R₂/R₁, которое может изменяться, например при изменении температур в зоне размещения сопротивления R₁ и R₂. Так как ТЭДС пропорциональна температурам в точках зондирования газового потока рабочими спаями, то

При равенстве R₁ и R₂ из (15) получают

т.е. среднюю температуру.

Разность даст погрешность измерения средней температуры при нарушении равенства сопротивлений (R₁ и R₂)

С учетом (15) и (16) получают

Из (17) видно, что при равенстве сопротивлений цепей осредняемых ТЭДС (R₁ R₂) погрешность измерения средней температуры равна нулю .

При создании устройства для измерения средней температуры газов ГТД изготавливают жгуты соединительных компенсационных проводов и выводных компенсационных проводов, которые свариваются между собой таким образом, что обеспечивается схема соединений (фиг. 1, 2).

При этом возможны различные варианты соединения (сварки) проводов, так, нарезают провода определенной длины 7,7¹ и 8,8¹, к средним точкам которых А-А₁ и Б-Б₁ приваривают последующие провода 9,9¹ и 10,10¹, к средним точкам которых С-С₁ приваривают последующие провода и т.д. (фиг. 1, 2). При этом варианте сборки жгута низка эксплуатационная надежность устройства и, следовательно ГТД, так как при нарушении сварки в точках А или А₁ (Б и Б₁) из схемы выпадают сразу 2 рабочих спая, а при нарушении сварки в точке С или С₁ из-за, например повышенной вибрации, из схемы отключаются сразу все спаи в верхней части сечения, либо нижней части сечения канала измерения, либо одного из каналов регулирования.

В предложенном устройстве применяются цельные компенсационные провода от выходов каждого канала измерения средней температуры до любого спая в каждом канале, к которым приваривают соединительные компенсационные провода требуемой длины. Так, например при изготовлении жгута 1-го канала регулирования (фиг. 2), отрезки 7, 8; 9, 10 и 15, 16 выполнены цельными проводами, которые соединяют, например крайний спай 3 с выходом 1-го канала регулирования. В точках А-А₁ приваривают отрезки проводов (7¹, 8¹), которые присоединяют к второму спаю первой пары термопар. В точках С-С₁ приваривают цельные провода, соединяющие с выходом канала регулирования спай 3 второй пары термопар, и к этим приводам в точках Б-Б₁ приваривают отрезки проводов 7¹, 8¹, которые присоединяют к второму спаю 3 второй пары термопар. Из фиг. 2 видно, что при нарушении сварки в точке А или А₁ из схемы отключается только один спай. При нарушении спая в точке С или С₁ из схемы отключается только одна пара рабочих спаев, в то время как при другом способе изготовления жгута из схемы отключались все спаи канала.

Таким образом, предложенная сборка жгутов позволяет сохранить в схеме большее количество подключенных рабочих спаев при нарушении мест сварки жгутов, что повышает эксплуатационную надежность как самого устройства, так и двигателя.

Так как изготовление жгутов производят обычно при комнатной температуре (t 20^oC), то сопротивления в цепи источников, например Е(3)1, Е(3)2, Е(3)3, Е(3)4 1-го канала регулирования будут иметь значения R²⁰(3)1, R²⁰(3)2, R²⁰(3)3, R²⁰(3)4, при этом они равны между собой.

Сопротивления в цепи источников Е(4)1, Е(4)2, Е(4)3, Е(4)4 II-го канала регулирования будут иметь значения R²⁰(4)1, R²⁰(4)2, R²⁰(4)3, R²⁰(4)4, равные между собой и с сопротивлением 1-го канала, т.е.

R²⁰(3)1 = R²⁰(3)2 = ... R²⁰(3)4 = R²⁰(4)1 = R²⁰(4)2 = ... = R²⁰(4)4 (18).
Однако в рабочем режиме ГТД температуры окружающей среды жгута соединительных приводов I-го канала регулирования может оказаться, например t₁, а II-го t₂, так как они конструктивно размещаются в разных температурных зонах двигателя. Тогда сопротивления, показанные в (18), будут иметь значения:

где α температурный коэффициент сопротивления, одинаковый для всех пар соединительных компенсационных проводов (хромель-алюмель).

Из (19) видно, что все сопротивления источников ТЭДС I-го канала осреднения равны, что обеспечивает высокую точность осреднения.

Из (20) видно, что и во II-ом канале сопротивления источников ТЭДС также равны, следовательно обеспечивается высокая точность осреднения. Одновременно из (19) и (20) видно, что сопротивления источников ТЭДС I-го и II-го каналов регулирования между собой не равны, т.е.

Из (21) следует, что I и II каналы регулирования неидентичны, поэтому при создании одного канала регулирования снизится точность осреднения.

Создание двух независимых каналов регулирования с осредненными температурами в верхней и нижней частях заданного сечения ГТД позволяет получить высокую точность замера средней температуры в каждом канале регулирования и использовать высокочувствительный способ регулирования температуры ГТД по разности осреднения температур каналов регулирования:
ΔT_ср.к.р.= T_ср.I_к.р.- T_ср.П_к.р.
где Т_cp.I_K.p. средняя температура выходящих газов I-го канала (см. (10));
Т_cp.II_к.р. средняя температура выходящих газов II-го канала (см. (11));
ΔT_ср.к.р. управляющий сигнал системы регулирования температурного параметра ГТД,
что повышает точность регулирования, а следовательно и надежность работы ГТД.

Кроме того, в системе регулирования может быть предусмотрено использование только одного канала с осредненной температурой на выходе, правда, в этом случае точность регулирования ниже по сравнению с предыдущим, но зато обеспечивается резервирование системы регулирования при выходе из строя одного из каналов регулирования, чем достигается повышение эксплуатационной надежности ГТД.

Благодаря применению ступенчатого соединения рабочих спаев термопар в предложенном устройстве значительно снижается длина соединительных компенсационных проводов, обеспечивающих параллельное соединение рабочих термопар, что уменьшает весовые характеристики ГТД.

Формула изобретения

Устройство для измерения средней температуры выходящих газов газотурбинного двигателя, содержащее термопары канала измерения, установленные по периметру заданного сечения двигателя и соединенные параллельно компенсационными проводами двух типов проводимости, и выводные компенсационные провода тех же типов проводимости, образующие выход канала измерения, отличающееся тем, что в него введены термопары двух независимых каналов регулирования, размещенные в местах установки термопар канала измерения, в каждом из каналов регулирования термопары соединены попарно первыми компенсационными проводами двух типов проводимости, к средним точкам которых подсоединены вторые компенсационные провода, а к средним точкам вторых компенсационных проводов, в верхней и нижней частях заданного сечения газотурбинного двигателя присоединены образующие выходы каналов регулирования выводные компенсационные провода тех же типов проводимости, что и вторые компенсационные провода, при этом все одноименные компенсационные провода одного типа проводимости идентичны, а диаметры компенсационных проводов одного типа проводимости выбраны равными.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3