Устройство для измерения температуры газового потока в газотурбинных установках

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения среднемассовой температуры потока газообразного рабочего тела в газотурбинных установках. Технический результат заключается в повышении точности измерения среднемассовой температуры газового потока и эксплуатационной надежности устройства. Устройство содержит термопару, установленную в трубчатом корпусе с кольцевым зазором, соединенным на входе с выходным трактом термоприемника, а на выходе снабженным штуцером для соединения с устройством регулирования расхода заторможенного газа через кольцевой зазор. Камера торможения образована двумя коаксиально размещенными втулками, образующими кольцевую полость. По высоте наружной втулки выполнен ряд входных отверстий, противоположно которому во внутренней втулке по ее высоте выполнено входное центральное отверстие. Термопара нижним концом размещена над выходным торцом внутренней втулки, выполненным в виде диффузора. Крепление нижнего конца термопары в выходном тракте термоприемника осуществлено с помощью дроссельной шайбы. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения среднемассовой температуры потока газообразного рабочего тела в газотурбинных установках (ГТУ) газоперекачивающих агрегатов (ГПА), используемых для транспорта газа в системе магистральных газопроводов. Среднемассовая температура рабочего тела ГТУ является одним из основных параметров, но которому рассчитывается и регулируется режим нагрузки ГПА. Практика эксплуатации ГПА показывает, что погрешности измерения среднемассовой температуры рабочего тела в ГТУ, составляющие всего несколько градусов, приводят к значительным ошибкам расчетной мощности ГТУ, приводящим к нерасчетным нагрузкам ГПА, снижающим КПД агрегатов и способным инициировать возникновение аварийных ситуаций [1, 2]. Поэтому повышение точности измерения среднемассовой температуры рабочего тела ГТУ является актуальной задачей для повышения технико-экономической эффективности эксплуатации ГПА, их надежности и ресурса.

Известно устройство для измерения средней температуры выходящих газов газотурбинного двигателя (ГТД), содержащее 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 годного типа проводимости выбраны равными [2].

Недостатком известного устройства является необходимость проведения измерений температуры с помощью отдельных термопар и последующей обработки их показаний, что усложняет конструкцию устройства и увеличивает инерционность процесса измерения температуры.

Известно устройство для измерения параметров газового потока, например, в трактах ГПА, выполненное с кольцевым корпусом, по длине которого выполнены герметично разделенные и теплоизолированные друг от друга кольцевые секции, образующие герметичную центральную полость устройства и термоприемники с кольцевыми камерами торможения, содержащие разнесенные по длине корпуса камеры входное и выходное отверстия для пропускания через нее потока. В каждой из кольцевых камер торможения размещены термопара, датчик полного давления и датчик статического давления, образованные приемными отверстиями импульсных трубок. Горячий спай термопары герметично выведен через стенку центральной полости в кольцевую полость камеры торможения и размещен на участке между ее входным и выходным отверстиями. Импульсные трубки и термопары выведены через центральную полость устройства с возможностью их соединения с регистрирующей аппаратурой [3].

Недостатки известного устройства заключаются в снижении точности измерения среднемассовой температуры газового потока из-за возникновения вихрей и пульсаций в камере торможения и, как следствие, неравномерностей полей температуры и давления, приводящих к растянутым во времени переходным процессам в камере торможения.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является устройство для измерения температуры газового потока, например, в воздушно-реактивных двигателях, включающее трубчатый корпус, к торцу которого присоединен трубчатый термоприемник с термопарой, размещенной нижним концом осесимметрично цилиндрической камере торможения потока, содержащей разнесенные по длине корпуса камеры входное и выходное отверстия, служащие для пропускания через нее потока с малой скоростью. Внутри трубчатого корпуса размещена керамическая трубка, изолирующая термопару от контакта со стенками корпуса [4. с.60. фиг.40].

Недостаток данного устройства состоит в том, что при обтекании горячего спая термопары газовым потоком в камере торможения на пути от входного отверстия к выходному, в потоке возникают области неустойчивости с локальными всплесками температуры, приводящие к искажениям показаний термопары, снижению точности измерения и надежности самого устройства.

Задачей изобретения является повышение точности измерения среднемассовой температуры газового потока и надежности устройства.

Технический эффект от предложенного устройства заключается в повышении эксплуатационной надежности ГТУ и ГПА.

Для решения этой задачи в устройстве для измерения температуры газового потока в газотурбинных установках, включающем трубчатый корпус с пристыкованным к нему термоприемником с термопарой, размещенной нижним концом: осесимметрично в цилиндрической камере торможения потока, содержащей разнесенное по длине корпуса камеры отверстия для пропускания через нее потока, согласно изобретению термопара установлена в трубчатом корпусе с дистанциионированным по ее длине кольцевым зазором, соединенным на входе с выходным трактом: термоприемника, а на выходе снабженным штуцером для соединения с устройством регулирования расхода заторможенного потока, камера торможения выполнена с кольцевой полостью, образованной между двумя коаксиально размещенными друг относительно друга втулками, в наружной втулке выполнен ряд входных отверстий по ее высоте, противоположно которому во внутренней втулке по ее высоте выполнено входное центральное отверстие, а нижний конец термопары размещен над выходным торцом внутренней втулки, выполненным в виде диффузора и закреплен в выходном тракте термоприемника с помощью дроссельной шайбы.

Кроме того, общая площадь входных отверстий в наружной втулке может быть в 4-8 раз больше площади входного центрального отверстия во внутренней втулке.

А также входные отверстия в наружной втулке могут быть выполнены с диаметрами, увеличивающимися в направлении от середины к концам втулки.

Выполнение предлагаемого устройства с термопарой, установленной в трубчатом корпусе с дистанционированным по ее длине кольцевым зазором, позволяет образовать вокруг термопары тракт для протекания заторможенного потока, обеспечивающий уменьшение перепада температуры по ее длине и влияние эффекта дополнительной термоЭДС от холодного спая на показания термопары.

Соединение входа этого тракта с выходом термоприемника, а выхода тракта, через штуцер с устройством регулирования расхода заторможенного потока, например, с газовым краном или задвижкой, позволяет оттарировать тракт исходя из расходных характеристик потока измеряемого рабочего тела на входе в термоприемник и тем самым уменьшить погрешности измерения температуры, связанные с эффектом торможения.

Выполнение камеры торможения с кольцевой полостью, образованной между двумя коаксиально размещенными друг относительно друга втулками, обеспечивает экранирование лучистого и контактного теплоотвода от рабочего тела и корпуса термоприемника и уменьшение тем самым погрешности измерения температуры.

Выполнение наружной втулки с рядом входных отверстий по ее высоте, противоположно которому во внутренней втулке по ее высоте выполнено входное центральное отверстие, позволяет уменьшить пульсации при торможении и натекании газового потока в кольцевую полость камеры торможения и вытекании его в полость внутренней трубки.

Размещение термопары нижним концом над выходным торцом внутренней втулки, выполненным в виде диффузора, позволяет получить более равномерное обтекание газом нижней части термопары и дополнительно уменьшить влияние эффекта торможения потока на показания термопары.

Закрепление нижнего конца термопары в выходном тракте термоприемника с помощью дроссельной шайбы позволяет создать противодавление на входе в протяженный кольцевой зазор и дополнительно минимизировать влияние указанных выше эффектов на точность измерений температуры

Выполнение проходных сечений входных отверстий в наружной втулке с общей площадью в 4-8 раз больше площади входного центрального отверстия во внутренней втулке позволяет в 30-40 снизить скорость потока в камере торможения, т.е. до величин, сопоставимых с величиной инерционности термопары. При уменьшении или увеличении указанной разности площадей, возрастают неравномерности температуры и давления потока в камере торможения вследствие ухудшения его перемешивания.

Выполнение входных отверстий в наружной втулке с диаметрами (а, следовательно, и с площадью проходных сечений), увеличивающимися в направлении от середины к концам втулки, позволяет выровнять профиль распределения скоростей набегающего потока, обычно имеющего параболическую форму с максимумом скорости в центре потока и обеспечить более равномерное распределение расхода газа по высоте кольцевой полости камеры торможения.

Таким образом, использование изобретения позволяет решить поставленную задачу, т.е. повысить точность измерения среднемассовой температуры газового потока с помощью предлагаемого устройства, обеспечивающего уменьшение отрицательного влияния эффектов теплообмена путем лучеиспускания, конвекции и теплопроводности, а также эффекта торможения газового потока в термоприемнике на показания термопары.

Предлагаемое устройство для измерения температуры газового потока показано на чертеже.

Устройство содержит трубчатый корпус 1, к торцу которого пристыкован термоприемник 2 с термопарой 3, установленной в трубчатом корпусе, с дистанционированным по ее длине кольцевым зазором 4, образующим тракт для пропускания потока газа и соединенным на входе 5 с выходным трактом термоприемника, а на выходе 6 - снабженным штуцером 7 для соединения с устройством регулирования расхода через кольцевой зазор 4 (на чертеже не показано).

Камера торможения образована двумя коаксиально размещенными друг относительно друга наружной 8 и внутренней 9 втулками. По высоте втулки 8 выполнен ряд отверстий 10, а во втулке 9 выполнено центральное отверстие 11. Между втулками образована кольцевая полость 12, а сами они установлены так, чтобы ряды отверстий 10 и центральное отверстие 11 были повернуты друг относительно друга на 180°. Термопара нижним концом размещена в цилиндрической полости 13 камеры торможения над выходным торцом внутренней втулки 9, выполненным в виде диффузора 14 и закреплена в ней с помощью дроссельной шайбы 15. Направление течения газового потока обозначено на чертеже стрелками.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Устройство устанавливают на заданную глубину в газовом тракте ГТУ, например, в трубопроводе на выходе из камеры сгорания, через специальное отверстие в стенке трубопровода так, чтобы ряд отверстий 10 в наружной втулке термоприемника был ориентирован против направления газового потока, герметично закрепляют корпус 1 верхней частью в отверстии стенки трубопровода и с помощью штуцера 7 соединяют с устройством регулирования расхода газа через кольцевой зазор 4. При работе ГТУ часть расхода горячего газа отбирается в термоприемник 2 через отверстия 10, затормаживается в кольцевой полости 12, омывает поверхность втулки 9, через отверстие 11 поступает внутрь втулки 9 и затем в диффузор 14. На выходе из диффузора газ расширяется, частично затормаживается, осесимметрично обтекает нижний конец термопары с горячим спаем, проходит через отверстия в дроссельной шайбе 15, поступает в кольцевой зазор 4 вдоль термопары и через штуцер 7 поступает в устройство регулирования расхода, с помощью которого задается и поддерживается заданный расход газа через кольцевой зазор 4.

Использование предлагаемого устройства, оснащенного стандартной термопарой ТХ0179, для измерения среднемассовой температуры в ГТУ типа ГТ-6-750, применяемых для привода ГПА на ряде компрессорных станций ОАО «Газпром» и характеризующихся сложной геометрией газовых трактов, обеспечило в сравнении со штатной системой повышение точности измерений на 50-60%. Это позволило соответственной снизить ошибки расчетного параметра мощности ГТУ, повысить коэффициент загрузки ГПА. Надежность устройства характеризуется безотказностью в течение времени работы ГТУ на всех заданных режимах эксплуатации ГПА.

Источники информации

1. Поршаков Б.П. Газотурбинные установки. -М.: Недра, 1992.

2. Неравномерность температурных полей в газотурбинном агрегате ГТУ типа ГТК-10. Труды ВНИИГАЗ, -М., 1985 г.

3. Патент РФ №2078315. G 01 К 3/02, 17.06.1992.

4. Патент РФ №2194957, G 01 K 7/02, G 01 F 1/34, 02.11.2001.

5. Дорофеев B.М., Левин В.Я. Испытания воздушно-реактивных двигателей. -М., 1961.

1. Устройство для измерения температуры газового потока в газотурбинных установках, включающее трубчатый корпус с пристыкованным к нему термоприемником с термопарой, размещенной нижним концом осесимметрично в цилиндрической камере торможения потока, содержащей разнесенные по длине корпуса камеры отверстия для пропускания через нее потока, отличающееся тем, что термопара установлена в трубчатом корпусе с дистанционированным по ее длине кольцевым зазором, соединенным на входе с выходным трактом термоприемника, а на выходе снабженным штуцером для соединения с устройством регулирования расхода заторможенного потока, камера торможения выполнена с кольцевой полостью, образованной между двумя коаксиально размещенными относительно друг друга втулками, в наружной втулке выполнен ряд входных отверстий по ее высоте, противоположно которому во внутренней втулке по ее высоте выполнено входное центральное отверстие, а нижний конец термопары размещен над выходным торцом внутренней втулки, выполненным в виде диффузора и закреплен в выходном тракте термоприемника с помощью дроссельной шайбы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что общая площадь входных отверстий в наружной втулке в 4-8 раз больше площади входного центрального отверстия во внутренней втулке.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входные отверстия в наружной втулке выполнены с диаметрами, увеличивающимися в направлении от середины к концам втулки.