Устройство для измерения средней температуры выходящих газов газотурбинного двигателя
Сущность изобретения: устройство содержит термопары канала измерения, установленные по периметру заданного сечения ГТД и соединенные параллельно компенсационными проводами двух типов проводимости. В местах установки термопар канала измерения размещены термопары двух независимых каналов регулирования, в каждом из которых термопары соединены попарно первыми компенсационными проводами. К средним точкам указанных проводов подсоединены вторые компенсационные провода, а к средним точкам последних, соответственно, в верхней и нижней частях заданного сечения ГТД - выводные компенсационные провода тех же типов проводимости, что и вторые. Одноименные компенсационные провода одного типа проводимости идентичны, а диаметры всех компенсационных проводов одного типа проводимости выбраны равными. 3 ил.
Изобретение относится к технике измерения и регулирования температуры газового потока и может быть использовано при осреднении температуры выходящих газов газотурбинного двигателя (ГТД) для измерения и регулирования средней температуры.
Известно устройство для измерения средней температуры выходящих газов в заданном сечении ГТД, содержащее термопары (односпайные зонды), соединительные компенсационные кабели и выход осредненной температуры [1] К недостаткам устройства относится отсутствие независимого идентичного канала замера средней температуры, который можно использовать в системе регулирования газотурбинного двигателя, громоздкость и дороговизна кабельного соединения. Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения средней температуры газов газотурбинного двигателя, содержащее термопары, рабочие спаи которых при помощи компенсационных проводов двух типов проводимости соединены с шинами того же типа проводимости. [2] Однако и в этом устройстве отсутствует второй идентичный канал измерения средней температуры, обеспечивающий осуществление регулирования работы ГТД по температуре. Кроме того, из-за неравномерности изменения окружающей температуры (-60 oC 250oC) 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, 2x 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:![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896855.gif)
R 2R7 + 2R8 2(R7 + R8) (4). Таким образом:
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896856.gif)
Напряжение ИАА1 между точками AA1
ИАА1 Е (3)1 J (R7 R8). Подставляя значение J из (5), получим
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896857.gif)
отсюда
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896858.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896859.gif)
Так как к точкам СС1 (фиг. 3a) подключены источники напряжения
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896860.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896861.gif)
Подставляя в (8) (6) и (7), получают
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896862.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896863.gif)
Так как термоЭДС в точках зондирования рабочими спаями пропорциональна температуре, то из (9) получают
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896864.gif)
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
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896865.gif)
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.)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896866.gif)
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
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896867.gif)
при равенстве R1 и R2, т.е. R1 R2
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896868.gif)
что и было получено в (6). В случае нарушения равенства R1 и R2, т.е. R1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8800.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896869.gif)
Следовательно, выходное напряжение
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896870.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896871.gif)
При равенстве R1 и R2 из (15) получают
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896872.gif)
т.е. среднюю температуру. Разность
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896873.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896874.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896875.gif)
С учетом (15) и (16) получают
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896876.gif)
Из (17) видно, что при равенстве сопротивлений цепей осредняемых ТЭДС (R1 R2) погрешность измерения средней температуры равна нулю
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896877.gif)
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:
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896878.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/289/2896879.gif)
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:
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
где Тcp.IK.p. средняя температура выходящих газов I-го канала (см. (10));
Тcp.IIк.р. средняя температура выходящих газов II-го канала (см. (11));
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
что повышает точность регулирования, а следовательно и надежность работы ГТД. Кроме того, в системе регулирования может быть предусмотрено использование только одного канала с осредненной температурой на выходе, правда, в этом случае точность регулирования ниже по сравнению с предыдущим, но зато обеспечивается резервирование системы регулирования при выходе из строя одного из каналов регулирования, чем достигается повышение эксплуатационной надежности ГТД. Благодаря применению ступенчатого соединения рабочих спаев термопар в предложенном устройстве значительно снижается длина соединительных компенсационных проводов, обеспечивающих параллельное соединение рабочих термопар, что уменьшает весовые характеристики ГТД.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3