УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВЫХОДЯЩИХ ГАЗОВ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1997 года по МПК G01K3/02 

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.

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.

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.