Струйный датчик температуры Российский патент 2020 года по МПК G01K13/02 G01K11/26 

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для измерения температуры газовых потоков в газотурбинном двигателе.

Известно устройство - датчик температуры (см. авторское свидетельство СССР №1378558, G01K11/22 от 20.05.1986г.), содержащий два струйных генератора с резонансными камерами разной длины, снабженные общей тонкостенной разделительной пластиной, выходными соплами, связанными с общим питающим каналом, выходными отверстиями и каналами, соединяющие резонансные камеры с преобразователем сигналов.

Недостатком данного устройства является то, что температура газового потока, проходящего через каналы с выходными отверстиями, может на статических и переходных режимах существенно отличаться от температуры газового потока в двигателе, что влияет на работу струйного генератора, снижает точность измерения температуры газа.

Известно также устройство для измерения температуры газа (см. авторское свидетельство СССР №1519338, G01K13/02 от 28.07.1986г.), содержащее струйный генератор с входным соплом и выпускным отверстием, связанным с выходным каналом струйного генератора и выходным соплом, и преобразователь сигналов, соединенный с электронным вычислительным блоком.

Недостатком этого устройства является его относительно низкая статическая и динамическая точность измерения температуры газа струйным генератором вследствие того, что выходной канал с выходным соплом могут выходить за пределы газовой среды, температура которой измеряется. Вследствие этого на работу генератора на статических режимах оказывает влияние температура воздуха не в проточной части двигателя, а на переходных режимах - температура корпуса датчика от входного сопла до выпускного отверстия (что имеет место при резких скачках температуры газа, когда температура корпуса отстает из-за более медленного его прогрева).

Отличие температур газа во входном и выходном соплах датчика (тепловое дросселирование) влияет на распределение скоростей по каналам струйного генератора, что влияет на частоту генерируемых им колебаний и приводит к снижению точности работы.

Наиболее близким техническим решением является струйный датчик температуры (см. патент RU №2714849, G01K13/02, G01K11/26 от 19.02.2019г.), содержащий струйный генератор, снабженный резонансной камерой с разделителем, входным соплом и выпускным отверстием, которое через канал отвода газа соединено с выходным соплом и преобразователь сигналов, причем канал отвода газа и выходное сопло струйного генератора расположены в газовой среде, температура которой определяется, также введен дополнительный жиклер, соединяющий газовую среду, температура которой определяется, с полостью на входе в выходное сопло.

Недостатком этого устройства является относительно узкий рабочий диапазон измерения температуры газа при ее резких изменениях из-за существенного влияния отличия температуры корпуса струйного генератора (в первый момент после резкого изменения температуры газа - после скачка температуры газа) от температуры газа в двигателе. Отличие температуры корпуса струйного генератора от температуры газа в двигателе, в первый момент после скачка температуры газа в двигателе, существенно влияет на распределение скоростей по каналам струйного генератора. Теплообмен газа в генераторе со стенками каналов генератора меняет температуру газа по длине каналов генератора. Запаздывание прогрева корпуса генератора от температуры газа (особенно при ее скачкообразном изменении) ведет к изменению плотности газа по длине каналов генератора, к изменению скоростей потоков газа в каналах генератора, к изменению времени распространения сигналов по каналам генератора и меняет резонансные акустические частоты каналов генератора в разной степени, что приводит к изменению скоростей распространения сигналов в каналах генератора, к изменению частоты колебаний генератора (до сбоев в работе генератора) и появлению дополнительной погрешности измерения температуры газа.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение точности определения струйным датчиком температуры газовых сред за счет снижения влияния температуры корпуса генератора на работу струйного датчика путем введения дополнительного жиклера, соединяющего газовую среду, температура которой определяется, с полостью на входе в выходное сопло.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом струйном датчике температуры, содержащем струйный генератор и преобразователь сигналов, причем струйный генератор, снабженный резонансной камерой с разделителем, входным соплом и выпускным отверстием, которое через канал отвода газа соединено с выходным соплом, причем канал отвода и выходное сопло струйного генератора расположены в газовой среде, температура которой определяется, введен дополнительный жиклер, соединяющий газовую среду, температура которой определяется, с полостью на входе в выходное сопло.

Отличительным признаком заявленного струйного датчика температуры является введение дополнительного жиклера, соединяющего газовую среду, температура которой определяется, с полостью на входе в выходное сопло.

Предлагаемый струйный датчик температуры представлен на чертеже и описан ниже.

Струйный датчик температуры содержит струйный генератор 1, содержащий резонансную камеру 2 с разделителем 3, входное сопло 4 и выпускные отверстия 5 и 6, соединенные каналом отвода газа 7 с выходным соплом 8. Канал отвода газа 7 также соединен каналом передачи акустического сигнала 9 с преобразователем сигналов 10. Дополнительный жиклер 11 соединяет газовую среду, температура которой определяется, с полостью на входе в выходное сопло.

Устройство работает следующим образом:

газ, температура которого определяется, поступает через входное сопло 4 струйного генератора 1 в резонансную камеру 2, из которой через выпускные отверстия 5 и 6 по каналу отвода газа 7 через выходное сопло 8 поступает в зону с пониженным давлением. При набегании струи на разделитель 3 формируются пульсации давления, с максимальной амплитудой колебаний при частоте f_С

f_С = W_С/(2*L_С),

где

W_С - скорость потока вытекающего из входного сопла 4,

L_С - расстояние от входного сопла 4 до разделителя 3.

При выборе длины резонансной камеры 2 такой, чтобы акустический сигнал - собственная частота f_Р колебаний газа в резонансной камере 2:

f_Р = а/(4*L_Р) = (k*R*T_Р)^0,5 /(4*L_Р),

где

а - скорость звука в газе в резонансной камере 2,

L_Р - длина резонансной камеры 2,

k - показатель адиабаты газа,

R - газовая постоянная,

T_Р - температура газа в резонансной камере 2,

была бы примерно равна (близка) частоте пульсаций f_С формируемых на разделителе 3, в резонансной камере 2 будет иметь место явление резонанса (с частотой f_Р, которая пропорциональна скорости звука в газе в резонансной камере 2, пропорциональной температуре газа T_Р в резонансной камере 2, которая на статических режимах равна температуре газа в проточной части двигателя).

Газ из резонансной камеры 2 отводится по каналу отвода 7 и через выходное сопло 8 к источнику низкого давления. Одновременно, акустический сигнал по каналу передачи 9 акустического сигнала, подается к преобразователю сигналов 10, в котором формируется электрический сигнал о температуре измеряемого газа.

При скачкообразном изменении температуры газа в двигателе, в первый момент времени температура газа во входном сопле 4 также резко изменится, а температура газа в выходном сопле 8 изменится незначительно - вследствие теплообмена газа, проходящего через генератор 1, с его корпусом. Образовавшаяся разница в температурах вызывает эффект теплового дросселирования, вследствие которого скорость потока, истекающего из входного сопла 4 генератора 1 меняется, что ведет к изменению частоты f_С, а так как, вследствие теплообмена, температура воздуха в резонансной камере в первый момент изменится незначительно, то незначительно изменится и f_Р, что ведет к расстройке резонансных явлений в резонансной камере 2, к изменению частоты и амплитуды колебаний в резонансной камере 2, к изменению частоты акустического сигнала формируемого датчиком.

Введение дополнительного жиклера 11, соединяющего газовую среду, температура которой определяется, с полостью 7 на входе в выходное сопло 8 в моменты резкого изменения температуры газа в проточной части двигателя уменьшает разницу между температурой газа в двигателе и температурой газа на входе в выходное сопло 8 (путем добавления к газу на входе в выходное сопло 8 газа из проточной части двигателя, подаваемого через жиклер 11). При этом снижается эффект теплового дросселирования, стабилизируется скорость газа во входном сопле 4, стабилизируется частота пульсаций давления, создаваемых разделителем 3, возбуждающих колебания давления в резонансной камере 2.

Таким образом, введение дополнительного жиклера 11 улучшает работу струйного датчика температуры, повышая стабильность его работы и точность.

Изобретение предназначено для измерения температуры газовых потоков, например, в газотурбинном двигателе. Предложенный струйный датчик температуры содержит струйный генератор, снабженный резонансной камерой с разделителем, входным соплом и выпускным отверстием, которое через канал отвода газа соединено с выходным соплом, и преобразователь сигналов, причем канал отвода и выходное сопло струйного генератора расположены в газовой среде, температура которой определяется. В струйный датчик температуры введен дополнительный жиклер, соединяющий газовую среду, температура которой определяется, с полостью на входе в выходное сопло. Технический результат - введение дополнительного жиклера улучшает работу датчика, повышает стабильность работы (расширяет рабочий диапазон измерения температуры, повышает точность струйного датчика температуры). 1 ил.

Струйный датчик температуры, содержащий струйный генератор, снабженный резонансной камерой с разделителем, входным соплом и выпускным отверстием, которое через канал отвода газа соединено с выходным соплом, и преобразователь сигналов, причем канал отвода газа и выходное сопло струйного генератора расположены в газовой среде, температура которой определяется, отличается тем, что введен дополнительный жиклер, соединяющий газовую среду, температура которой определяется, с полостью на входе в выходное сопло.