УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ПОТОКА Российский патент 2011 года по МПК G01P13/00 G01P5/10 G01K11/32 F01D17/08 

Изобретение относится к устройству измерения потока для определения направления потока флюида. При этом устройство измерения потока имеет измерительный элемент с, по меньшей мере, двумя световодами и, по меньшей мере, одним электрическим нагревательным элементом, размещенным смежно со световодами, блок управления и блок оценки. Кроме того, изобретение относится к способу для определения направления потока флюида, а также электрической машине с устройством измерения потока.

В электрических машинах всех классов мощности, но в особенности с высокой мощностью, генерируется значительное тепло, которое для повышения эффективности машины и/или увеличения срока службы должно отводиться посредством технических мер охлаждения. Так, например, известны машины, такие как генераторы или двигатели, в частности, с мощностями ниже 300 МВА, с воздушным охлаждением, при которых охлаждение осуществляется посредством сравнительно большого потока воздуха. Этот воздушный поток может, в частности, направляться по имеющей многочисленные проточные каналы системе магистралей (см., например, DE 4242132 А1 или ЕР 0853370 А1). Например, можно извне через проточные каналы системы магистралей нагнетать воздух внутрь через статор машины. Однако одновременно воздух засасывается ротором машины и нагнетается изнутри наружу в обратном направлении через статор. Если оба воздушных потока неблагоприятным образом перекрываются, то это может привести внутри системы магистралей к застою потока и тем самым в соответствующем случае к местному перегреву и повреждению машины.

В WO 2004/042326 А2 описано устройство измерения потока для определения скорости потока флюида, обтекающего измерительный элемент устройства измерения потока, например газового потока, со световодом, имеющим несколько волоконных брэгговских решеток, и, по меньшей мере, одним расположенным рядом со световодом электрическим нагревательным элементом. Тем самым можно на основе влияния на введенную в световод электромагнитную волну посредством температуры световода определить скорость потока вдоль продольной протяженности измерительного элемента. Световод нагревается с помощью электрического нагревательного элемента с постоянной тепловой нагрузкой, причем на измерительном элементе получается распределение температур в продольной протяженности соответственно локальной скорости потока. Это устройство измерения потока, таким образом, пригодно для того, чтобы с одним единственным измерительным элементом определять множество локальных скоростей потока. Однако определение направления, в котором течет флюид относительно измерительного элемента, невозможно.

Поэтому задачей настоящего изобретения является предоставить устройство измерения потока, а также способ, посредством которых можно определять направление потока флюида, а также предложить электрическую машину, в которой можно контролировать направление потока охлаждающего флюида.

Для решения этой задачи предложено устройство измерения потока соответственно признакам независимого пункта 1 формулы изобретения.

В случае соответствующего изобретению устройства измерения потока речь идет об устройстве измерения потока для определения направления потока флюида, содержащем

- обтекаемый флюидом измерительный элемент с, по меньшей мере, двумя световодами и, по меньшей мере, одним электрическим нагревательным элементом, размещенными смежно со световодами, причем

- световоды могут нагружаться теплом от теплового потока, направленного от, по меньшей мере, одного нагревательного элемента к соответствующим световодам,

- направления тепловых потоков, по меньшей мере, частично противоположны,

- отдельные тепловые потоки коррелированы в различной степени с направлением потока флюида,

- по меньшей мере, на одну ответвляемую в световоды электромагнитную волну оказывается влияние согласно соответствующей температуре световодов,

- блок управления, с помощью которого к, по меньшей мере, одному нагревательному элементу может подводиться электрическая мощность и

- блок оценки, с помощью которого может оцениваться исходящее от отдельных тепловых потоков температурное влияние на, по меньшей мере, одну электромагнитную волну и может определяться направление потока флюида.

Измерительный элемент, который своей продольной протяженностью, предпочтительно перпендикулярно направлению потока флюида, размещен в последнем, имеет по контуру своего поперечного сечения, которое, в частности, является круговым, различные местные условия потока. Так, перенос тепла через поверхность измерительного элемента на основе локально различных скоростей потока флюида происходит неравномерно по контуру поперечного сечения. В измерительном элементе по этой причине устанавливается при постоянном нагружении мощностью, по меньшей мере, одного нагревательного элемента согласно соответствующему вкладу различный тепловой поток в направлении световодов, который зависит от положения световодов в измерительном элементе. В зависимости от расположения световодов относительно направления потока могут, таким образом, в соответствующих местах расположения световодов устанавливаться различные температуры. Из определения соответствующих температурных различий можно в итоге сделать вывод о направлении потока флюида, обтекающего измерительный элемент.

Предпочтительные варианты осуществления устройства измерения потока согласно изобретению приведены в пунктах формулы изобретения, зависимых от пункта 1.

Так, является благоприятным, если световоды соответственно включают в себя, по меньшей мере, одну волоконную брэгговскую решетку, и на, по меньшей мере, одну ответвленную в световоды электромагнитную волну оказывается влияние в соответствии с температурой световодов в месте расположения, по меньшей мере, двух волоконных брэгговских решеток. Такой тип сенсора отличается посредством своей особой способности мультиплексирования, так что простым способом может быть реализована сенсорная сеть. Другое преимущество технологии волоконных брэгговских решеток заключается в возможности практически точечного, то есть локально очень ограниченного, измерения. Тем самым возможно при необходимости более высокой, в частности с разрешением по месту измерения, точности измерения расположить друг за другом вдоль измерительного элемента несколько волоконных брэгговских решеток рядом друг с другом в соответствующих световодах.

Для лучшей различимости размещенные в световоде волоконные брэгговские решетки предпочтительно имеют соответственно отличающиеся друг от друга основные длины волн. В каждой волоконной брэгговской решетке от, по меньшей мере, одной введенной электромагнитной волны назад отражается некоторая составляющая, определяемая соответствующей длиной волны. Основная длина волны изменяется в зависимости от преобладающего в месте измерения параметра влияния, в данном случае, в частности, температуры световода. Это изменение содержания длин волн (или спектра длин волн) соответствующей отраженной составляющей введенной, по меньшей мере, одной электромагнитной волны применяется в качестве меры для определяемого параметра влияния. Но в принципе также возможно прошедшую составляющую введенной, по меньшей мере, одной электромагнитной волны исследовать на изменение спектра длин волн. Для опроса, по меньшей мере, одной волоконной брэгговской решетки посредством, по меньшей мере, одной электромагнитной волны можно, в частности, использовать широкополосный источник света, например светодиод (LED) с шириной полосы примерно 45 нм, суперлюминесцентный диод (SLD) с шириной полосы примерно 20 нм или последовательно настраиваемый лазер с шириной полосы примерно 100 нм.

Предложено, что измерительный элемент выполнен в виде стержня. Предпочтительным образом измерительный элемент прост для монтажа и может, например, вводиться через отверстие в проточный канал. Кроме того, может достигаться то, что при незначительных затратах на монтаж обеспечивается возможность технического обслуживания измерительного элемента. Для этого соответствующие крепления ослабляются, и измерительный элемент вытаскивается через отверстие. Наряду с этим, измерительный элемент может, разумеется, иметь любую другую форму. Например, измерительный элемент может выполняться в круговой форме или так же, как спираль Архимеда.

В другом варианте выполнения предложено, что измерительный элемент является упругим. Так, можно предпочтительным образом измерительный элемент в зависимости от использования кратковременно предварительно формовать, за счет чего можно сократить число различных форм измерительного элемента. Могут экономиться затраты на складирование.

Предпочтительным является, если, по меньшей мере, один нагревательный элемент выполнен из металла. Тем самым обеспечивается равномерное нагревание вдоль нагревательных элементов.

Кроме того, предложено, что, по меньшей мере, один нагревательный элемент образован посредством общего электрически проводящего покрытия световодов, причем световоды в продольном направлении находятся в контакте. Так, конструктивная форма измерительного элемента может дополнительно упрощаться. Нагревательный элемент может простым способом соответственно как единое целое соединяться с находящимися в контакте друг с другом световодами, так что наряду с экономичным изготовлением также может быть реализована защитная функция световодов с помощью нагревательных элементов. Проводящее покрытие может, например, выполняться из металла, такого как вольфрам, или из сплава, такого как сталь или тому подобное.

Кроме того, предложено, что, по меньшей мере, один нагревательный элемент имеет постоянное удельное электрическое сопротивление. Может быть предпочтительным образом реализовано, что измерительный элемент по своей продольной протяженности равномерно нагружается теплом. Под удельным электрическим сопротивлением в рамках настоящей заявки понимается электрическое сопротивление, приходящееся на единицу длины.

Кроме того, предложено, что соответствующее удельное сопротивление в диапазоне рабочих температур в значительной степени является температурно независимым. Так, может быть обеспечено, что соответствующий направленный от, по меньшей мере, одного нагревательного элемента подвод тепла к световодам вдоль продольной протяженности измерительного элемента, по существу, не зависит от текущей локальной температуры. Точность измерения, а также надежность измерения может быть повышена. К тому же, по меньшей мере, один нагревательный элемент может быть выполнен, например, из такого материала, как константан и т.п.

В предпочтительном варианте осуществления предложено, что измерительный элемент имеет оболочку. Измерительный элемент может, таким образом, защищаться от химического воздействия. Кроме того, оболочка обеспечивает механическую защиту, например, во время монтажа.

Кроме того, предложено, что оболочка состоит из керамического материала. С керамической оболочкой измерительный элемент может предпочтительным образом выполняться в расчете на высокотемпературные воздействия.

Наряду с этим предложено, что оболочка образована металлической гильзой. Так, измерительный элемент может предпочтительным образом защищаться, например, от электростатического заряда за счет того, что металлическая гильза может соединяться с потенциалом земли.

Кроме того, предложено, что оболочка (8) к тому же имеет, по меньшей мере, один нагревательный элемент (6, 7). Конструктивные элементы и затраты могут быть, таким образом, дополнительно сокращены.

Для другого решения поставленной задачи предложен способ, соответствующий признакам независимого пункта 12.

В случае соответствующего изобретению способа речь идет о способе для определения направления потока флюида с устройством измерения потока, причем

- по меньшей мере, одна электромагнитная волна вводится в, по меньшей мере, два световода измерительного элемента, обтекаемого флюидом,

- по меньшей мере, к одному нагревательному элементу измерительного элемента электрическая мощность подается таким образом, что

- световоды нагружаются теплом от нагревательных элементов,

- по меньшей мере, на одну электромагнитную волну в зависимости от различной локальной температуры в, по меньшей мере, двух световодах оказывается разное по величине влияние,

- определяются различные влияния на, по меньшей мере, одну электромагнитную волну, и отсюда определяется направление потока флюида перпендикулярно к продольной протяженности измерительного элемента.

С помощью способа, соответствующего изобретению, достигаются преимущества, рассмотренные выше для соответствующего изобретению устройства измерения потока.

Так, является также благоприятным, если световоды соответственно содержат, по меньшей мере, одну волоконную брэгговскую решетку и, по меньшей мере, на одну электромагнитную волну оказывается влияние в зависимости от различных локальных температур в месте соответствующей, по меньшей мере, одной волоконной брэгговской ячейки.

Кроме того, предложено, что, по меньшей мере, одна электромагнитная волна образована посредством, по меньшей мере, одного электромагнитного импульса. Предпочтительным образом энергия экономится, и точность измерения повышается. Электромагнитный импульс может, например, генерироваться импульсным лазером и через соответствующие известные средства связи ответвляться в световоды.

Кроме того, предложено, что измерительный элемент в своей продольной протяженности нагревается, по меньшей мере, одним нагревательным элементом. Из вариации температуры вдоль измерительного элемента на основе потока флюида может предпочтительным образом определяться также скорость потока вдоль измерительного элемента.

Предпочтительным является, что, по меньшей мере, один нагревательный элемент нагружается постоянной электрической мощностью. В частности, при постоянном ходе изменения сопротивления по продольной протяженности измерительного элемента может, таким образом, в соответствии с законом Ома также достигаться постоянная тепловая нагрузка. Это может осуществляться посредством постоянного тока или также переменного тока. В частности, посредством вариации частоты переменного тока может оказываться влияние на нагревательное действие, по меньшей мере, одного нагревательного элемента, если частота переходит в диапазон, в котором становятся действующими скин-эффекты.

В предпочтительном дальнейшем развитии соответствующего изобретению способа предложено, что проводится несколько измерений с различным нагружением мощностью. Таким образом, точность измерений может быть дополнительно повышена.

Кроме того, предложено, что в качестве флюида применяется газ, в особенности воздух, или жидкость, в особенности вода или жидкий азот, для охлаждения электрической машины, в особенности генератора или двигателя. Измерительный элемент согласно соответствующему изобретению устройству измерения потока может при этом экономичным образом согласовываться с физическими и/или химическими требованиями в проточном канале устройства охлаждения генератора или двигателя. Точное измерение распределения потока в поперечном сечении проточного канала может также быть реализовано.

Кроме того, для дополнительного решения задачи с помощью изобретения предложена электрическая машина с

- установленным с возможностью вращения ротором,

- соответствующим стационарным статором в корпусе машины,

- устройством для охлаждения деталей посредством флюида внутри корпуса машины, причем устройство для охлаждения содержит систему магистралей,

- и соответствующим изобретению устройством измерения потока.

При этом предусмотрен измерительный элемент устройства измерения потока, размещенный в проточном канале системы магистралей, для измерения направления потока флюида в проточном канале.

В соответствующей изобретению электрической машине обеспечиваются преимущества, обсужденные выше для соответствующего изобретению устройства измерения потока.

С помощью соответствующего изобретению устройства измерения потока можно реализовать эффективное охлаждение машины за счет того, что в проточных каналах охлаждающего устройства контролируется направление потока охлаждающего флюида, например воздуха. Проявляющийся застой потока из-за неблагоприятно накладывающихся потоков можно при этом заблаговременно распознать, так что могут быть введены подходящие меры, чтобы избежать локального перегрева и повреждения машины. Таким образом, может быть повышена надежность эксплуатации турбомашины.

Предложено, что измерительный элемент размещен радиально к поперечному сечению проточного канала. Предпочтительно можно при этом с помощью нескольких размещенных последовательно одна за другой волоконных брэгговских решеток определить направление потока в зависимости от радиуса поперечного сечения проточного канала. Разумеется, в проточном канале может быть предусмотрено также несколько измерительных элементов, чтобы иметь возможность определения направления потока в различных позициях по периферии проточного канала.

Кроме того, предложено, что в проточном канале по оси на некотором расстоянии друг от друга размещено несколько измерительных элементов. Так, предпочтительно можно определять и оценивать осевые изменения направления потока. Также могут применяться различным образом сформированные измерительные элементы, чтобы получить желательную информацию о ходе потока. Так, можно, например, радиальные стержнеобразные измерительные элементы комбинировать с измерительными элементами, размещенными по круговой линии в проточном канале. В частности, предложено, что измерительные элементы работают согласно соответствующему изобретению способу.

Предпочтительные, но ни в коем случае не ограничительные примеры выполнения изобретения поясняются далее со ссылками на чертежи. Для наглядности чертежи представлены не в масштабе, и известные аспекты представлены схематично. В отдельности на чертежах показано следующее:

фиг.1 - вид сбоку измерительного элемента соответствующего изобретению устройства измерения потока в стержнеобразном варианте выполнения с соединительным штекером на одном конце,

фиг.2 - сечение конструкции измерительного элемента с нагревательным проводником, а также двумя параллельно к нему расположенными световодами,

фиг.3 - сечение конструкции измерительного элемента с двумя нагревательными проводниками, а также двумя параллельно к ним расположенными световодами,

фиг.4 - сечение конструкции измерительного элемента с нагревательным проводником, а также четырьмя параллельно к нему расположенными световодами,

фиг.5 - сечение другого варианта конструкции измерительного элемента с нагревательным проводником, окружающим два световода,

фиг.6 - сечение конструкции измерительного элемента с двумя параллельно расположенными и соответственно окруженными нагревательным проводником световодами,

фиг.7 - сечение другого варианта конструкции измерительного элемента с нагревательным проводником, нанесенным непосредственно на поверхности двух касающихся друг друга световодов,

фиг.8 - принципиальная схема формы выполнения соответствующего изобретению устройства измерения потока с измерительным элементом согласно фиг.2,

фиг.9 - принципиальная схема формы выполнения соответствующего изобретению устройства измерения потока с измерительным элементом согласно фиг.3,

фиг.10 - принципиальная схема формы выполнения соответствующего изобретению устройства измерения потока с измерительным элементом согласно фиг.4,

фиг.11 - принципиальная схема формы выполнения соответствующего изобретению устройства измерения потока с измерительным элементом согласно фиг.6,

фиг.12 - принципиальная схема формы выполнения соответствующего изобретению устройства измерения потока с измерительным элементом согласно фиг.5 или 7,

фиг.13 - поперечное сечение проточного канала устройства для охлаждения с измерительным элементом соответствующего изобретению устройства измерения потока,

фиг.14 - сечение генератора с несколькими измерительными элементами соответствующего изобретению устройства измерения потока.

Фиг.1 показывает вид сбоку измерительного элемента 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31 соответствующего изобретению устройства измерения потока с размещенным на одном конце измерительного элемента 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31 разъемным соединением 15 для подключения измерительного элемента 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31 к блоку 20 управления и блоку 23 оценки (см. фиг.8-12 и фиг.14). Измерительный элемент 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31 выполнен стержнеобразным. К тому же измерительный элемент 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31 может быть выполнен упругим, так что геометрическая форма может быть согласована с заданными требованиями.

На фиг.2-13 показана соответственно система 80 координат с осями х, y и z для большей наглядности. Для простоты, но не для ограничения принято, что исследуемый флюид 22 течет в направлении х. Текущий в направлении х флюид 22 обозначен при этом стрелками, указывающими в направлении х. Флюид 22, который течет в направлении х и попадает на продолжающийся в направлении y измерительный элемент 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31, обтекает его. В случае потока флюида речь идет, в частности, о турбулентном потоке. Устанавливаются различные скорости потока на поверхности 9 измерительного элемента 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31. Длина стрелки указывает при этом величину скорости флюида в показанном месте. В то время как скорость в той части поверхности 9 измерительного элемента, которая, по существу, направлена против направления потока, является наибольшей, она в той части поверхности 9 измерительного элемента, которая указывает, по существу, в направлении потока, является наименьшей. Теплопередача через поверхность 9 измерительного элемента осуществляется при этом в зависимости от локальной скорости потока неоднородно. Так, теплопередача в той части поверхности 9 измерительного элемента, которая, по существу, ориентирована против направления потока, больше, чем в той части поверхности 9 измерительного элемента, которая, по существу, указывает в направлении потока. Если измерительный элемент 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31, который имеет, по меньшей мере, один нагревательный элемент 5, 6 или 7, например, в центре площади поперечного сечения измерительного элемента 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31, находится относительно своего поперечного сечения в термическом равновесии, в то время как он посредством, по меньшей мере, одного нагревательного элемента 5, 6 или 7 нагружается теплом, то световод 4а, размещенный на или ближе к той части поверхности 9 измерительного элемента, которая, по существу, ориентирована против направления потока, имеет меньшую температуру, чем световод 4b, размещенный на или ближе к той части поверхности 9 измерительного элемента, которая указывает, по существу, в направлении потока. Световод 4а, размещенный на или ближе к той части поверхности 9 измерительного элемента, которая, по существу, ориентирована против направления потока, подвергается действию меньшего теплового потока 10а с направления, по меньшей мере, одного нагревательного элемента 5, 6 или 7, чем световод 4b, размещенный на или ближе к той части поверхности 9 измерительного элемента, которая указывает, по существу, в направлении потока. Относящийся к этому световоду 4b тепловой поток обозначен как 10b. Отходящие от, по меньшей мере, одного нагревательного элемента 5, 6 или 7, указывающие в направлении соответствующего световода 4а, 4b стрелки обозначают при этом соответствующий тепловой поток 10а, 10b, величина которого представляется соответствующей длиной стрелки.

Фиг.2, фиг.3 и фиг.4 показывают три варианта выполнения измерительного элемента 1а, 1b или 1с соответствующего изобретению устройства измерения потока. Согласно примеру выполнения по фиг.2 два световода 4а, 4b и размещенный между ними нагревательный элемент 5 в керамическом материале содержатся в измерительном элементе 1а. Согласно примеру выполнения по фиг.3 два световода 4а, 4b и два размещенных между ними нагревательных элемента 5 в керамическом материале содержатся в измерительном элементе 1b. На каждой из фиг.2 и 3 световод 4а размещен вблизи той части поверхности 9 измерительного элемента, которая, по существу, направлена против направления потока, в то время как другой световод 4b позиционирован вблизи той части поверхности 9 измерительного элемента, которая ориентирована, по существу, в направлении потока. Нагревательный элемент 5 на фиг.2 и оба нагревательных элемента 5 на фиг.3 расположены на оси 30 симметрии измерительного элемента 1а или 1b, которая одновременно представляет зеркальную ось относительно обоих световодов 4а, 4b, таким образом, что их соответствующие расстояния до обоих световодов 4а, 4b соответствуют друг другу. Согласно примеру выполнения по фиг.4 четыре световода 4а, 4b и размещенный между ними нагревательный элемент 5 в керамическом материале содержатся в измерительном элементе 1с. Четыре световода 4а, 4b попарно расположены вблизи той части поверхности 9 измерительного элемента, которая, по существу, ориентирована против направления потока, и соответственно вблизи той части поверхности 9 измерительного элемента, которая ориентирована, по существу, в направлении потока. Нагревательный элемент 5 расположен на оси 30 симметрии измерительного элемента 1с, которая одновременно представляет зеркальную ось относительно пар световодов 4а, 4b, таким образом, что его расстояния до соответствующих световодов 4а, 4b соответствуют друг другу. Световоды 4а, 4b являются, например, стекловолокном или пластиковым волокном. По меньшей мере, один нагревательный элемент 5 и световоды 4а, 4b погружены в состоящее из керамического материала, в частности, цилиндрическое тело 16, которое в свою очередь окружено пассивирующей оболочкой 8. Нагревательный элемент (фиг.2 и 4) или оба (фиг.3) нагревательных элемента 5 выполнены, например, в виде нити накала. Оболочка 8 в одной форме выполнения может быть выполнена электрически проводящей из металла (см. фиг.8 и 10).

На фиг.5 показано другое выполнение измерительного элемента 2 соответствующего изобретению устройства измерения потока с двумя световодами 4а и 4b, которые окружены цилиндрическим телом 16, выполненным из керамического материала. Световод 4а размещен ближе к той части поверхности 9 измерительного элемента, которая, по существу, ориентирована против направления потока, в то время как другой световод 4b размещен ближе к той части поверхности 9 измерительного элемента, которая ориентирована, по существу, в направлении потока. Вокруг керамического тела 16 размещен нагревательный элемент 6 таким образом, что он окружает измерительный элемент 2. В частности, нагревательный элемент 6 образует к тому же гильзообразную оболочку 8 измерительного элемента 2.

На фиг.6 показано другое выполнение измерительного элемента 31 соответствующего изобретению устройства измерения потока с двумя световодами 4а и 4b. Каждый световод 4а, 4b окружен соответствующим нагревательным элементом 6а, 6b или 7a, 7b в форме гильзы 6а, 6b или слоя 7a, 7b. Нагревательные элементы 6а, 6b или 7a, 7b в свою очередь окружены цилиндрическим телом 16, выполненным из керамического материала. Световод 4а с соответствующим нагревательным элементом 6а или 7a размещены ближе к той части поверхности 9 измерительного элемента, которая, по существу, ориентирована против направления потока, в то время как другой световод 4b с соответствующим нагревательным элементом 6b или 7b размещены ближе к той части поверхности 9 измерительного элемента, которая ориентирована, по существу, в направлении потока. Керамическое тело 16 само окружено гильзообразной пассивирующей оболочкой 8 измерительного элемента 31.

На фиг.7 показано сечение измерительного элемента 3 соответствующего изобретению устройства измерения потока, причем на два прилегающих друг к другу световода 4а, 4b напылен металлический слой 7а, 7b, который к тому же представляет собой нагревательный элемент 7 измерительного элемента 3. Металлический слой 7 образует общую оболочку 8 световодов 4а, 4b. Эта форма выполнения отличается гибкостью, так что измерительный элемент 3 по своей пространственной протяженности может быть согласован в соответствии с потребностями. К тому же измерительный элемент 3 отличается особенно простым способом изготовления, при котором световодная пара 4а, 4b в процессе нанесения покрытия известного типа может быть покрыта подходящим электрически проводящим материалом. Это выполнение отличается, кроме того, тем, что оно имеет особенно низкую теплоемкость по сравнению с примерами выполнения измерительного элемента 1а, 1b, 1с, 2 или 31 согласно фиг.1-6 и тем самым быстрее реагирует на изменяющиеся условия потока.

Применяемые в предыдущих вариантах выполнения нагревательные элементы 5, 6 и 7 предпочтительно выполнены из металла или из металлического сплава. В зависимости от физического и/или химического нагружения могут применяться, например, сталь, медь, алюминий, бронза, константан или тому подобное. Для высокотемпературных применений, например в проточном канале газовой турбины, следует предпочесть покрытие металлом, таким как вольфрам или тому подобное. Для применений при низких температурах в химически агрессивной среде могут, например, использоваться проводящие полимеры. В представленных здесь примерах выполнения материал нагревательных элементов 5, 6 и 7 имеет соответственно постоянное электрическое сопротивление. В частности, сопротивление в диапазоне рабочих температур в значительной степени не зависит от температуры. Нагружение нагревательного элемента 5, 6 и 7 постоянным током или переменным током с постоянным эффективным значением приводит к равномерному по длине нагревательных элементов 5, 6 и 7 подводу мощности, так что соответствующий нагревательный элемент 5, 6 или 7 по продольной протяженности соответствующего измерительного элемента 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31 может равномерно нагружаться теплом.

Фиг.8-12 показывают примеры выполнения соответствующего изобретению устройства измерения потока на принципиальных схемах. Устройство измерения потока на фиг.8 включает в себя измерительный элемент 1а согласно фиг.2, устройство измерения потока на фиг.9 включает в себя измерительный элемент 1b согласно фиг.3, устройство измерения потока на фиг.10 включает в себя измерительный элемент 1c согласно фиг.4, устройство измерения потока на фиг.11 включает в себя измерительный элемент 31 согласно фиг.6, и устройство измерения потока на фиг.12 включает в себя измерительный элемент 2 или 3 согласно фиг.5 или фиг.7. Все названные примеры выполнения соответствующего изобретению устройства измерения потока содержат также блок 20 управления и блок 23 оценки. Соответствующий измерительный элемент 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31 продолжается по своей продольной оси в направлении y. Измерительный элемент 2 или 3 устройства измерения потока согласно фиг.12 на своих соответствующих концах своим нагревательным элементом 6 или 7 электрически соединен с блоком 20 управления и на одном из обоих концов оптически соединен с блоком 23 оценки. При этом оба световода 4а и 4b совместно посредством соответствующего оптического соединительного волокна 25а, 25b соединены с блоком 23 оценки. Измерительный элемент 1а, 1b, 1с или 31 устройства измерения потока согласно фиг.8-11 на одном конце электрически соединен с блоком 20 управления и оптически соединен с блоком 23 оценки, в то время как другой конец измерительного элемента 1 свободен. Тем самым может быть реализован особенно простой монтаж и/или обращение с измерительным элементом 1а, 1b, 1с или 31. Один из световодов 4а, 4b измерительного элемента 1а, 1b, 1с или 31 соединен через оптическое соединительное волокно 25 с блоком 23 оценки, причем световоды 4а и 4b между собой соединены последовательно. Однако отдельные световоды 4а и 4b могут также аналогично фиг.12 по отдельности соединяться с блоком 23 оценки, не требуя того, чтобы существовало их взаимное соединение.

Блок 20 управления имеет электрический источник 21 энергии. Источник 21 энергии, который имеет два вывода, согласно данным примерам выполнения таким образом соединен с нагревательным элементом 5, 6 или 7, что нагревательный элемент 5, 6 или 7 нагружается электрической мощностью и вырабатывает тепло. Электрический источник 21 энергии предпочтительно является источником тока, посредством которого может выдаваться неизменный постоянный ток.

Измерительный элемент 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31 обтекается флюидом 22, причем поток флюида вдоль продольной протяженности измерительных элементов 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31 может иметь различную скорость потока, что указывается стрелками разной длины. Направление потока флюида 22 для простоты указано, как прежде, в направлении х. Для измерения направления потока флюида 22 нагревательный элемент 5, 6 или 7 измерительного элемента 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31 нагружается электрической мощностью так, что он нагревается. Процесс нагрева должен при этом длиться так долго, пока не установится термическое равновесие в измерительном элементе 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31. Но он может выбираться и более коротким.

Посредством блока 23 оценки, который имеет источник света, детектор и средство анализа, свет в форме непрерывного лазерного луча или в форме лазерных импульсов через оптическое соединительное волокно 25 ответвляется в световод 4а, 4b измерительного элемента 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31, и обратно рассеянный свет анализируется с помощью средства анализа. Для измерения используется эффект, состоящий в том, что электромагнитная волна, которая ответвлена в световод 4а, 4b, рассеивается при прохождении в световоде 4a, 4b. Часть рассеянного света рассеивается в противоположном направлении, так что он может определяться на входе световода 4a, 4b. За счет температурной зависимости этого эффекта рассеяния можно определить температуру световода 4a, 4b. Обратно рассеянный световой сигнал состоит из различных компонентов, которые по отношению к требованиям измерений пригодны по-разному. Например, рассеянный сигнал содержит рамановскую рассеянную составляющую. С помощью технологии волоконных брэгговских решеток по сравнению с рамановской технологией достижима более высокая разрешающая способность по местоположению, которая особенно предпочтительна для использования температурных измерений в машинах.

Лазерный свет известным способом вырабатывается приборами, известными в технике. В зависимости от температуры часть лазерного света обратно рассеивается в световодах 4a, 4b от волоконной брэгговской решетки 13. Этот обратно рассеянный световой сигнал подается через оптическое соединительное волокно 25 в блок 23 оценки, который из него определяет температуру в месте расположения одной или нескольких волоконных брэгговских решеток 13 в световоде 4.

Посредством блока 23 оценки определяются соответствующие отдельным световодам 4а и 4b температуры внутри измерительного элемента 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31. В зависимости от относительного положения соответствующего световода 4а и 4b в протекающем флюиде 22 с направленным потоком устанавливаются различные температуры в месте расположения световода 4а и 4b в измерительном элементе 1, 2 или 3. Посредством блока 23 оценки температуры сравниваются между собой, например, путем формирования разности в вычислительном блоке, относящемся к блоку 23 оценки, и отсюда определяется направление потока флюида 22.

Если измерительный элемент 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31 имеет несколько волоконных брэгговских решеток 13 вдоль световодов 4a, 4b, как представлено в примерах выполнения на фиг.8-12, то из распределения температур вдоль измерительного элемента 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31 можно определить скорость потока с распределением скоростей потока флюида 22.

В примере выполнения соответствующего изобретению устройства измерения потока по фиг.8 измерительный элемент 1а имеет нагревательный элемент 5, выполненный как нить накала. Источник 21 энергии одним выводом соединен с нагревательным элементом 5, а другим выводом - с электрически проводящей оболочкой 8 измерительного элемента 1а. При этом нагревательный элемент 5 на противолежащем конце измерительного элемента 1а также соединен с электрически проводящей оболочкой 8.

В примере выполнения соответствующего изобретению устройства измерения потока по фиг.9 измерительный элемент 1b имеет два параллельных выполненных, например, как нити накала нагревательных элемента 5, причем обе нити накала на одном конце измерительного элемента 1b замкнуты вместе электрическим соединительным проводником. При этом на другом конце измерительного элемента 1b один из обоих нагревательных элементов 5 соединен с выводом источника 21 энергии, а другой нагревательный элемент 5 соединен с другим выводом источника 21 энергии. Также на одном конце измерительного элемента 1b оба параллельно проходящих световода 4а и 4b соединены друг с другом оптическим соединительным волокном, в то время как на другом конце измерительного элемента 1b только один из обоих световодов 4а и 4b через оптическое соединительное волокно 25 подключен к блоку 23 оценки.

В примере выполнения соответствующего изобретению устройства измерения потока по фиг.10 измерительный элемент 1 имеет всего четыре параллельных световода 4а и 4b. Между световодами размещен нагревательный элемент 5, выполненный как нить накала. Источник 21 энергии одним выводом связан с нагревательным элементом 5, а другим выводом - с электрически проводящей оболочкой 8 измерительного элемента 1с. При этом нагревательный элемент 5 на противоположном конце измерительного элемента 1с также соединен с электрически проводящей оболочкой 8. Четыре световода 4а и 4b посредством оптических соединительных волокон связаны последовательно с измерительными элементами, так что только один из световодов 4а и 4b непосредственно подключен к блоку 23 оценки. Применение подобного измерительного элемента 1с с многочисленными световодами 4а и 4b, которые, например, в круговой форме размещены вокруг нагревательного элемента 5, расположенного в центре поперечного сечения измерительного элемента 1с, обеспечивает возможность еще более точного определения направления потока флюида 22.

В примере выполнения соответствующего изобретению устройства измерения потока по фиг.11 измерительный элемент 31 имеет два параллельных нагревательных элемента 5, выполненных как электрически проводящие гильзы или покрытия, которые на одном конце измерительного элемента 31 замкнуты вместе. При этом на другом конце измерительного элемента 31 один из обоих нагревательных элементов 5 соединен с выводом источника 21 энергии, а другой нагревательный элемент 5 соединен с другим выводом источника 21 энергии. Также на одном конце измерительного элемента 1b оба параллельно проходящих световода 4а и 4b соединены друг с другом оптическим соединительным волокном, в то время как на другом конце измерительного элемента 1b только один из обоих световодов 4а и 4b через оптическое соединительное волокно 25 подключен к блоку 23 оценки.

Но также возможно, аналогично фиг.8 и фиг.10, оба нагревательных элемента 5 по фиг.9 и фиг.11 на одном конце вместе соединить с оболочкой 8, которая в этом случае выполнена электрически проводящей, так что источник 21 энергии на другом конце измерительного элемента 1b или 31 также может быть подключен к оболочке 8. В этом не показанном на чертежах примере выполнения оба нагревательных элемента 5 должны вместе соединяться с одним и тем же выводом источника 21 энергии.

В примере выполнения соответствующего изобретению устройства измерения потока по фиг.12 вывод источника 21 энергии на одном конце измерительного элемента 2 или 3 соединен с выполненным как электрически проводящая гильза 8 (фиг.5) или как электрически проводящее покрытие (фиг.7) нагревательным элементом 6 или 7. Второй вывод источника 21 энергии на другом конце измерительного элемента 2 или 3 соединен посредством электрического проводника с нагревательным элементом 6 или 7.

Фиг.13 показывает круговое поперечное сечение проточного канала 14, через который в направлении х протекает флюид 22. Проточный канал 14, в качестве примера, снабжен двумя измерительными элементами 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31, расположенными радиально относительно сечения проточного канала. Оба измерительных элемента 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31 через электрический соединительный проводник 26 соединены с блоком 20 управления и через оптическое соединительное волокно с блоком 23 оценки.

На фиг.14 схематично представлен генератор в качестве электрической машины. Генератор имеет жестко связанный с корпусом 28 неподвижный статор 19 и ротор 18, подвижно установленный на валу 17 ротора. Генератор охлаждается посредством охлаждающего устройства воздухом в качестве охлаждающего флюида 22. Охлаждающее устройство имеет два вентилятора 27, которые посредством системы магистралей проводят охлаждающий воздух 22 через генератор. Система магистралей содержит для этого многочисленные проточные каналы, в частности, также в статоре 19. Охлаждающий воздух 22 в показанном примере выполнения направляется извне вовнутрь в направлении ротора 18 через статор 19 и затем через зазор между статором 19 и ротором 18 выводится наружу. Но одновременно воздух 22 может засасываться ротором генератора и изнутри нагнетаться наружу в обратном направлении через статор 19. Если оба воздушных потока перекрываются неблагоприятным образом, то внутри системы магистралей возникает застой потока, что тем самым в соответствующем случае может привести к местному перегреву и повреждению генератора. Чтобы избежать этого, посредством устройства измерения потока, соответствующего изобретению, контролируется направление потока в проточных каналах. В этом примере выполнения, в качестве примера, в двух местах генератора два проточных канала соответственно снабжены измерительным элементом 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31 соответствующего изобретению устройства измерения потока. Оба измерительных элемента 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31 при этом соединены с соответствующим блоком 20 управления и блоком 23 оценки. При нерегулярностях в потоке охлаждающего воздуха, таким образом, имеется возможность своевременно реагировать и вводить соответствующие защитные меры.

Использование соответствующего изобретению устройства измерения потока в генераторе с воздушным охлаждением служит здесь только в качестве примера. Также возможно соответствующее изобретению устройство измерения потока применять в машинах, которые охлаждаются посредством H₂-газа, инертного газа или любого другого газа в качестве флюида 22. В качестве охлаждающего флюида 22 может также предусматриваться охлаждающая жидкость, такая как вода, или также при криогенном охлаждении жидкий инертный газ или жидкий азот.

Соответствующее изобретению устройство измерения потока может также использоваться в турбинах, например в паровой или газовой турбине. Так, посредством соответствующего изобретению устройства измерения потока могут измеряться направления потока, в частности, в турбулентных областях потока в соответствующей системе воздушного охлаждения, в соответствующем компрессоре, на соответствующем впускном отверстии компрессора и/или в соответствующем потоке отработавшего газа.

Показанные на чертежах примеры выполнения служат только пояснению изобретения и не являются для него ограничивающими. Так, например, может варьироваться тип измерительного элемента 1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31, в частности его геометрическая форма, без выхода за рамки объема изобретения. Кроме того, могут совместно включаться несколько элементов, чтобы имелась возможность более точно исследовать определенные изменения направления потока.

Изобретение относится к устройству измерения потока для определения направления потока флюида. Устройство измерения потока содержит обтекаемый флюидом измерительный элемент с, по меньшей мере, одним световодом и, по меньшей мере, двумя электрическими нагревательными элементами, размещенными смежно с, по меньшей мере, одним световодом. При этом, по меньшей мере, один световод может нагружаться теплом от теплового потока, направленного от соответствующего нагревательного элемента к, по меньшей мере, одному световоду, причем направления тепловых потоков, по меньшей мере, частично противоположны. В зависимости от направления потока флюида вклады отдельных тепловых потоков испытывают влияние в различной степени. Кроме того, на ответвляемую в, по меньшей мере, один световод электромагнитную волну оказывается влияние соответственно температуре, по меньшей мере, одного световода. Устройство измерения потока содержит блок управления, с помощью которого к, по меньшей мере, обоим нагревательным элементам (5а, 5b) может поочередно подаваться электрическая мощность, и блок оценки, с помощью которого может оцениваться исходящее от отдельных тепловых потоков температурное влияние на электромагнитную волну и может определяться направление потока флюида. Технический результат - возможность определения направления потока флюида и контроля направления потока охлаждающего флюида 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Устройство измерения потока для определения направления потока флюида (22), содержащее
обтекаемый флюидом (22) измерительный элемент (1а, 1b, 1с, 2, 3, 31) с, по меньшей мере, двумя световодами (4а, 4b) и, по меньшей мере, одним электрическим нагревательным элементом (5, 6, 7), размещенным смежно со световодами (4а, 4b), причем световоды (4а, 4b) могут нагружаться теплом от теплового потока (10а, 10b), направленного от соответствующего одного из, по меньшей мере, одного нагревательного элемента (5, 6, 7) к соответствующим световодам (4а, 4b), при этом, по меньшей мере, один нагревательный элемент (7) образован посредством общего электрически проводящего покрытия световодов (4а, 4b), причем световоды в продольном направлении находятся в контакте, причем:
направления тепловых потоков (10а, 10b), по меньшей мере, частично противоположны,
отдельные тепловые потоки (10а, 10b) коррелированы в различной степени с направлением потока флюида (22), и
по меньшей мере, на одну ответвляемую в световоды (4а, 4b) электромагнитную волну оказывается влияние соответственно температуре световодов (4а, 4b),
блок управления, с помощью которого к, по меньшей мере, одному нагревательному элементу (5, 6, 7) может подаваться электрическая мощность, и
блок (23) оценки, с помощью которого может оцениваться исходящее от отдельных тепловых потоков (10а, 10b) температурное влияние на электромагнитную волну и может определяться направление потока флюида (22).

2. Устройство измерения потока по п.1, отличающееся тем, что световоды (4а, 4b) включают в себя соответственно, по меньшей мере, одну волоконную брэгговскую решетку (13), и на, по меньшей мере, одну ответвленную в световоды (4а, 4b) электромагнитную волну оказывается влияние согласно соответствующей температуре световодов (4а, 4b) в месте расположения, по меньшей мере, двух волоконных брэгговских решеток (13а, 13b).

3. Устройство измерения потока по п.1, отличающееся тем, что измерительный элемент (1a, 1b, 1с, 2, 3, 31) выполнен в виде стержня.

4. Устройство измерения потока по п.1, отличающееся тем, что измерительный элемент (1а, 1b, 1с, 2, 3, 31) является упругим.

5. Устройство измерения потока по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один нагревательный элемент (5, 6, 7) выполнен из металла.

6. Устройство измерения потока по одному из пп.1-5, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один нагревательный элемент (5, 6, 7) имеет постоянное удельное электрическое сопротивление.

7. Устройство измерения потока по п.6, отличающееся тем, что удельное сопротивление в диапазоне рабочих температур в значительной степени является температурно независимым.

8. Устройство измерения потока по одному из пп.1-5, отличающееся тем, что измерительный элемент (1а, 1b, 1с, 2, 3 или 31) имеет оболочку (8).

9. Устройство измерения потока по п.8, отличающееся тем, что оболочка (8) состоит из керамического материала.

10. Устройство измерения потока по п.8, отличающееся тем, что оболочка (8), по меньшей мере, частично образована посредством металлической гильзы.

11. Устройство измерения потока по п.10, отличающееся тем, что оболочка (8) к тому же имеет, по меньшей мере, один нагревательный элемент (6, 7).

12. Способ определения направления потока флюида (22) устройством измерения потока, в котором
по меньшей мере, одна электромагнитная волна вводится в, по меньшей мере, два световода (4а, 4b) измерительного элемента (1a, 1b, 1с, 2, 3, 31), обтекаемого флюидом (22),
по меньшей мере, к одному нагревательному элементу (5, 6, 7) измерительного элемента (1а, 1b, 1с, 2, 3, 31) подается электрическая мощность таким образом, что
световоды (4а, 4b) от нагревательных элементов (5, 6, 7) нагружаются теплом, при этом, по меньшей мере, один нагревательный элемент (7) образован посредством общего электрически проводящего покрытия световодов (4а, 4b), причем световоды в продольном направлении находятся в контакте,
по меньшей мере, на одну электромагнитную волну, в зависимости от различной локальной температуры в, по меньшей мере, двух световодах (4а, 4b), оказывается разное по величине влияние,
определяются различные влияния на, по меньшей мере, одну электромагнитную волну, и отсюда определяется направление потока флюида (22) перпендикулярно к продольной протяженности измерительного элемента (1а, 1b, 1с, 2, 3, 31).

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что световоды (4а, 4b) содержат соответственно, по меньшей мере, одну волоконную брэгговскую решетку (13а, 13b), и, по меньшей мере, на одну электромагнитную волну оказывается влияние, в зависимости от различных локальных температур в месте расположения соответствующей, по меньшей мере, одной волоконной брэгговской решетки (13а, 13b).

14. Способ по п.12, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна электромагнитная волна образована посредством, по меньшей мере, одного электромагнитного импульса.

15. Способ по п.12, отличающийся тем, что измерительный элемент (1a, 1b, 1с, 2, 3, 31) в своей продольной протяженности нагревается посредством, по меньшей мере, одного нагревательного элемента (5, 6, 7).

16. Способ по п.12, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один нагревательный элемент (5, 6, 7) нагружается постоянной электрической мощностью.

17. Способ по п.12, отличающийся тем, что проводится несколько измерений с различным нагружением мощностью.

18. Способ по п.12, отличающийся тем, что в качестве флюида (22) применяется газ или жидкость для охлаждения электрической машины, в особенности генератора или двигателя.

19. Электрическая машина с
установленным с возможностью вращения ротором (18),
соответствующим стационарным статором (19) в корпусе (28) машины,
устройством для охлаждения деталей посредством флюида (22) внутри корпуса (28) машины, причем охлаждающее устройство (27, 14) содержит систему магистралей, и
устройством измерения потока по одному из пп.1-11, при этом предусмотрен измерительный элемент (1а, 1b, 1с, 2, 3, 31) устройства измерения потока, размещенный в проточном канале (14) системы магистралей, для измерения направления потока флюида (22) в проточном канале (14).

20. Электрическая машина по п.19, отличающаяся тем, что измерительный элемент (1а, 1b, 1с, 2, 3, 31) размещен радиально относительно поперечного канала (14).

21. Электрическая машина по п.19, отличающаяся тем, что в проточном канале (14) на оси на некотором расстоянии друг от друга размещено несколько измерительных элементов (1а, 1b, 1с, 2, 3, 31).