RU160313U1

RU160313U1 - THERMOCOUPLE COMB FOR MEASURING THE GAS FLOW TEMPERATURE FIELD

Info

Publication number: RU160313U1
Application number: RU2015121274/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Курлов; Сергей Леонидович Шикунов; Антон Евгеньевич Ершов; Ирина Алексеевна Шикунова; Николай Васильевич Сурмин; Елена Валентиновна Тихомирова; Сергей Александрович Гришихин; Евгений Германович Тихонов; Татьяна Борисовна Белякова
Original assignee: ОАО "НПО "Сатурн"
Priority date: 2015-06-03
Filing date: 2015-06-03
Publication date: 2016-03-10

Abstract

Гребенка термопар для измерения поля температур газового потока, содержащая корпус и термопары, корпус имеет индивидуальные каналы для зарядки термопар с открытым спаем, отличающаяся тем, что корпус является разъемным, состоящим из основной детали с тормозными камерами и задней вставки для фиксации термопар, в основной детали имеются несколько термопар для измерения температуры до 1800°С, также имеется крышка, охлаждаемая сухим воздухом, и посадочный фланец со смещенными отверстиями под крепеж; на термопарах имеются защитные рукава; внутренняя полость заполнена клеем, при этом основная деталь и задняя вставка корпуса изготовлены из карбидокремниевой керамики SiC-C-Si с защитным газоплотным карбидокремниевым покрытием.A comb of thermocouples for measuring the temperature field of a gas stream, comprising a housing and thermocouples, the housing has individual channels for charging open junction thermocouples, characterized in that the housing is detachable, consisting of a main part with brake chambers and a rear insert for fixing thermocouples in the main part there are several thermocouples for measuring temperatures up to 1800 ° C, there is also a cover cooled by dry air, and a landing flange with offset holes for fasteners; thermocouples have protective sleeves; the inner cavity is filled with glue, while the main part and the back insert of the body are made of silicon carbide ceramic SiC-C-Si with a protective gas-tight silicon carbide coating.

Description

Полезная модель относится к области газовой динамики, а именно созданию современных двигателей, самолетостроению, и может быть использована для измерения поля температуры газового потока, движущегося с большой скоростью в газотурбинных установках (ПТУ).The utility model relates to the field of gas dynamics, namely the creation of modern engines, aircraft construction, and can be used to measure the temperature field of a gas stream moving at high speed in gas turbine units (PTU).

Испытание современных авиационных двигателей и газотурбинных установок невозможно без измерения поля температур в камерах сгорания. В современных и проектируемых камерах сгорания температура газа существенно превышает 1000°C и стремится к температурам, близким к 2000°C. Для измерения таких высоких температур используются водоохлаждаемые термопарные гребенки с платино-родиевыми и вольфрамо-рениевыми термопарами.Testing modern aircraft engines and gas turbine installations is impossible without measuring the temperature field in the combustion chambers. In modern and designed combustion chambers, the gas temperature significantly exceeds 1000 ° C and tends to temperatures close to 2000 ° C. To measure such high temperatures, water-cooled thermocouple combs with platinum-rhodium and tungsten-rhenium thermocouples are used.

Наиболее близкая к заявляемой полезной модели конструкция водоохлаждаемой гребенки описана (Д.А. Усенко «Расчет, проектирование и эксплуатация в ЦИАМ гребенок отбора проб газа и гребенок термопар для измерения эмиссии и поля температур на выходе из камеры сгорания». Материалы Первого межведомственного научно-технического семинара по проблемам низкоэмиссионных камер сгорания газотурбинных установок, 2004 г, Москва, ЦИАМ).The design of a water-cooled comb closest to the claimed utility model is described (D. Usenko, “Calculation, design and operation of TsIAM gas combs and thermocouple combs to measure emission and temperature field at the exit of the combustion chamber.” Materials of the First Interdepartmental Scientific and Technical seminar on the problems of low-emission combustion chambers of gas turbine plants, 2004, Moscow, TsIAM).

Гребенка термопар для измерения поля температур газового потока содержит корпус и термопары, корпус имеет индивидуальные каналы для зарядки термопар с открытым спаем. Гребенка изготовлена из металла и является водоохлаждаемой. Индивидуальные каналы термопар позволяют зарядить каждую термопару в отдельностиThe comb of thermocouples for measuring the temperature field of the gas stream contains a housing and thermocouples, the housing has individual channels for charging thermocouples with an open junction. The comb is made of metal and is water-cooled. Individual thermocouple channels allow you to charge each thermocouple individually

Проблема состоит в том, что для обеспечения работоспособности гребенки термопар с корпусом из жаропрочной стали, установленной в газовом потоке с температурой в диапазоне 600…1600°C с возможными пиковыми температурами, достигающими 1800°C в течение нескольких минут, необходимо интенсивное охлаждение, которое усложняет конструкцию. Это также приводит к увеличению продольных габаритов гребенки и уменьшению просвета в зоне измерений, что негативно влияет на точность измерений. Охлаждение гребенки производится холодной водой, текущей по замкнутому контуру. Представляет опасность превышение давления в камере уровня давления в системе охлаждения, при этом недостаток охлаждения приводит к мгновенному разрушению гребенки. Недостатком такой конструкции является также необходимость тщательного контроля над тепловым состоянием гребенки во время испытания и очистка каналов охлаждения от накипи. При температуре газового потока свыше 1300°C корпус гребенки требуется покрывать теплозащитным покрытием.The problem is that in order to ensure the operability of thermocouple combs with a heat-resistant steel casing installed in a gas stream with a temperature in the range of 600 ... 1600 ° C with possible peak temperatures reaching 1800 ° C for several minutes, intensive cooling is necessary, which complicates construction. This also leads to an increase in the longitudinal dimensions of the comb and a decrease in the clearance in the measurement zone, which negatively affects the accuracy of the measurements. The comb is cooled by cold water flowing in a closed loop. There is a danger of overpressure in the chamber of the pressure level in the cooling system, while the lack of cooling leads to instant destruction of the comb. The disadvantage of this design is the need for careful monitoring of the thermal state of the comb during the test and cleaning the cooling channels from scale. At gas flow temperatures above 1300 ° C, the comb housing must be covered with a heat shield.

Задача состоит в получении неохлаждаемой гребенки термопар для измерения поля температур газового потока, движущегося с большой скоростью, например, на выходе из камеры сгорания.The task is to obtain an uncooled thermocouple comb for measuring the temperature field of a gas stream moving at high speed, for example, at the exit of the combustion chamber.

Технический результат состоит в уменьшении габаритов гребенки термопар для измерения поля температур газового потока.The technical result consists in reducing the dimensions of the thermocouple comb for measuring the temperature field of the gas stream.

Технический результат достигается за счет того, что взамен паяно-сварного корпуса, изготовленного из высокотемпературного металлического сплава, имеющего полости для циркуляции воды, используется бесполостной тонкостенный разъемный корпус из карбидокремниевой керамики SiC-C-Si с защитным газоплотным карбидокремниевым покрытием. Высокая теплопроводность карбидокремниевой керамики существенно снижает градиент температуры в корпусе термоприемника и, вместе с низким коэффициентом термического расширения, обеспечивает стабильность геометрических характеристик в широком диапазоне рабочих температур и, соответственно, высокую термостойкость устройства. Карбидокремниевое покрытие обеспечивает термоокислительную стойкость корпуса в потоке горячего газа. Корпус является разъемным, состоящим из основной детали с тормозными камерами и задней вставки для фиксации термопар; в основной детали имеются несколько термопар для измерения температуры до 1800°C, что позволяет измерять одновременно изменение температуры в нескольких точках сечения. Также имеется крышка, охлаждаемая сухим воздухом; корпус имеет посадочный фланец, со смещенными отверстиями под крепеж; на термопарах имеются защитные рукава; внутренняя полость корпуса заполнена клеем, что позволяет герметизировать устройство.The technical result is achieved due to the fact that instead of a brazed-welded case made of a high-temperature metal alloy having cavities for water circulation, a cavityless thin-walled detachable case made of silicon carbide ceramic SiC-C-Si with a protective gas-tight silicon carbide coating is used. The high thermal conductivity of silicon carbide ceramics significantly reduces the temperature gradient in the body of the thermal receiver and, together with a low coefficient of thermal expansion, ensures the stability of geometric characteristics over a wide range of operating temperatures and, accordingly, high heat resistance of the device. Silicon carbide coating provides thermal oxidative stability of the body in the flow of hot gas. The housing is detachable, consisting of a main part with brake chambers and a rear insert for fixing thermocouples; in the main part there are several thermocouples for measuring temperatures up to 1800 ° C, which allows you to simultaneously measure the temperature change at several points in the section. There is also a lid cooled by dry air; the housing has a landing flange, with offset holes for fasteners; thermocouples have protective sleeves; the internal cavity of the body is filled with glue, which allows to seal the device.

Совокупность этих качеств позволяет отказаться от системы охлаждения корпуса водой и достичь существенного уменьшения габаритов гребенки в просвете зоны измерения. Результирующее уменьшение габаритов гребенки термопар позволяет использовать стандартный фланец крепления приемника полного давления и обеспечивает взаимозаменяемость устройств контроля при испытаниях узлов ГТУ.The combination of these qualities allows you to abandon the cooling system of the casing with water and to achieve a significant reduction in the dimensions of the comb in the lumen of the measurement zone. The resulting reduction in the dimensions of the thermocouple comb allows the use of a standard mounting flange for the full pressure receiver and provides interchangeability of control devices during testing of gas turbine units.

Устройство и работа изделия поясняются рисунками.The device and the product are illustrated by drawings.

Фиг. 1, Фиг. 2 Вариант конструкции гребенки термопар по предлагаемому изобретению.FIG. 1, FIG. 2 Design variant of the thermocouple comb according to the invention.

Фиг. 3 Внешний вид карбидокремниевого корпуса гребенки термопар.FIG. 3 Appearance of the silicon carbide body of the thermocouple comb.

Основная деталь 1, корпус из материала SiC-C-Si с защитным газоплотным карбидокремниевым покрытием, имеет плоскую обтекаемую форму с габаритными размерами пера в просвете 12 мм на 170 мм (Фиг. 1, 2). На фронтальной поверхности корпуса имеются пять камер торможения 1а с протоком 1b (боковыми отверстиями для выхода заторможенного потока), с противоположной стороны -продольная проточка 1c. Пять термопар 3 ПР30/ПР6 «тип В» для преобразования температуры в ЭДС в диапазоне температур от 600 до 1800°C, смонтированы в отверстия камер торможения, чувствительный элемент рабочего спая термопары расположен в зоне боковых отверстий, на провода термопар надеты защитные чехлы (бусы) 9 предотвращающие термопары 3 от повреждения. Термопары проложены далее в проточке 1c и выведены в крышку 6 и переходят в холодную зону, обеспечивающуюся продувкой сухим сжатым воздухом, подаваемым через штуцер в крышке. В холодной зоне выполняется переход термоэлектродных проводов ПР-30/ПР-6 на компенсационные провода (МГТФ). Задняя вставка 7 из высокотемпературного материала SiC-Si-C установлена со стороны продольной проточки, так что образуется внутренняя полость; внутренняя полость в зоне расположения чехлов термопар 3 заполнена клеем КМ41-М, который фиксирует термопары 3 и обеспечивает герметичность термометра. При помощи посадочного фланца 5 гребенка крепится к стенке камеры.The main part 1, the housing is made of SiC-C-Si material with a protective gas-tight silicon carbide coating, has a flat streamlined shape with overall pen dimensions in the lumen of 12 mm by 170 mm (Fig. 1, 2). On the front surface of the casing there are five braking chambers 1a with a duct 1b (side openings for the output of the inhibited flow), on the opposite side there is a longitudinal groove 1c. Five thermocouples 3 PR30 / PR6 “Type B” for converting temperature into EMF in the temperature range from 600 to 1800 ° C, mounted in the holes of the braking chambers, the sensitive element of the working junction of the thermocouple is located in the zone of the side holes, protective covers are put on the wires of the thermocouples (beads ) 9 preventing thermocouples 3 from damage. Thermocouples are laid further in the groove 1c and brought out to cover 6 and pass into the cold zone, which is provided by purging with dry compressed air supplied through a fitting in the cover. In the cold zone, the transition of thermoelectrode wires PR-30 / PR-6 to compensation wires (MGTF) is performed. The rear insert 7 of the high temperature material SiC-Si-C is mounted on the side of the longitudinal groove, so that an internal cavity is formed; the internal cavity in the area of the thermocouple covers 3 is filled with glue KM41-M, which fixes the thermocouples 3 and ensures the tightness of the thermometer. Using the landing flange 5, the comb is attached to the wall of the chamber.

Основной корпус 1 и задняя вставка 4 (Фиг. 3) контактируют с высокотемпературной газообразной химически не агрессивной, а также агрессивной средой, не разрушающей материала корпуса.The main body 1 and the rear insert 4 (Fig. 3) are in contact with a high-temperature gaseous chemically non-aggressive, as well as an aggressive medium that does not destroy the material of the body.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

Гребенку термопар в сборе устанавливают в отсек камеры сгорания газотурбинного двигателя в гнездо приемника полного давления с использованием посадочного фланца и герметично закрепляют, с помощью штуцера соединяют с устройством подачи сухого воздуха к холодным спаям термопар. При работе газотурбинной установки часть горячего газа отбирается в камеры торможения, обтекает горячий спай термопары и выводится через боковые отверстия. Гребенка термопар измеряет температуру газового потока в нескольких (пяти) точках в просвете камеры. В устройстве могут быть использованы различные типы платинородиевых и вольфрам-рениевых термопар. Устройство использовалось для снятия The comb of thermocouples is installed in the compartment of the combustion chamber of the gas turbine engine in the socket of the receiver of full pressure using the mounting flange and tightly fixed, using a fitting connected to the device for supplying dry air to the cold junctions of the thermocouples. During the operation of a gas turbine installation, part of the hot gas is taken into the braking chambers, the hot junction of the thermocouple flows around and is discharged through the side openings. A thermocouple comb measures the temperature of the gas stream at several (five) points in the chamber lumen. Various types of platinum rhodium and tungsten-rhenium thermocouples can be used in the device. The device was used to remove

параметров в измерительных сечениях отсека камеры ГТУ на испытательном стенде при отладке системы зажигания, а также определения границ устойчивого горения. Для корпуса и задней вставки использована карбидокремниевая керамика состава SiC-Si-C 40-50-10 с газоплотным карбидокремниевым покрытием без изменения макро- и микроструктуры карбидокремниевых деталей корпуса гребенки термопар после проведения многоцикловых высокотемпературных испытаний.parameters in the measuring sections of the GTU chamber compartment on the test bench during debugging of the ignition system, as well as determining the boundaries of sustainable combustion. Silicon carbide ceramics of the composition SiC-Si-C 40-50-10 with a gas-tight silicon-silicon coating without changing the macro- and microstructure of the silicon carbide parts of the thermocouple comb housing after multi-cycle high-temperature tests were used for the body and the back insert.

Claims

A comb of thermocouples for measuring the temperature field of a gas stream, comprising a housing and thermocouples, the housing has individual channels for charging open junction thermocouples, characterized in that the housing is detachable, consisting of a main part with brake chambers and a rear insert for fixing thermocouples in the main part there are several thermocouples for measuring temperatures up to 1800 ° C, there is also a cover cooled by dry air, and a landing flange with offset holes for fasteners; thermocouples have protective sleeves; the internal cavity is filled with glue, while the main part and the back insert of the case are made of silicon carbide SiC-C-Si ceramic with a protective gas-tight silicon carbide coating.