Глава 7. Бесконтактный метод измерения температуры рабочих лопаток гтд

7.1. Общие сведения об измерении температуры рабочих лопаток гтд

Температура газа перед турбиной является одним из важнейших параметров, характеризующих тягу двигателя и его теплонапряженность. Увеличение температуры газа перед турбиной приводит к существенному повышению экономичности газотурбинного двигателя (ГТД), резкому росту удельной мощности, уменьшению веса и габаритов двигателя. С ростом температуры увеличивается и удельная лобовая тяга авиационных ГТД.

Темпы повышения температуры газов ограничены необходимостью эксплуатации горячих металлических элементов конструкции двигателя при температуре, обеспечивающей длительную прочность. Наиболее теплонагруженными элементами двигателя являются сопловые и рабочие лопатки. Рабочая лопатка  наиболее уязвимая деталь конструкции двигателя. Она подвергается воздействию высоких температур, коррозии, эррозии, большим динамическим (со стороны газового потока) и статическим нагрузкам из-за высоких скоростей вращения.

Кроме того, лопатка испытывает значительные температурные напряжения при переходных режимах: запуск-приемистость-дросселирование.

На этих режимах высокий темп изменения температуры приводит к большим температурным градиентам и, соответственно, высоким механическим напряжениям. При увеличении температуры резко ухудшаются механические свойства материала (в области предельных температур), поэтому при одних и тех же действующих напряжениях, резко сокращается ресурс.

Для создания и эксплуатации высокотемпературных двигателей с предельными характеристиками необходимо наличие аппаратуры для измерения и поддержания температуры рабочих лопаток на заданном уровне с высокой точностью. Наличие метода и аппаратуры для точного измерения температуры рабочих лопаток ГТД позволяет решать ряд задач по усовершенствованию двигателей.

Одним из простых методов термометрирования рабочих лопаток является применение термоиндикаторов – веществ, которые изменяют свой внешний вид при определенной температуре. Широкое применение в качестве индикаторов нашли термокраски. По предварительным расчетам определяют ожидаемые температуры на поверхности исследуемых лопаток, затем выбирают термоиндикаторы, которые охватывают этот температурный интервал. По окончании испытаний производят расшифровку, заключающуюся в сравнении полученного цвета окраски термопокрытия с атласами цветов индикатора. Способ прост, не требует вторичной аппаратуры, не нарушает температурное и конструктивное состояние испытуемого объекта, может быть достигнута высокая точность измерения до 5,но метод имеет ряд недостатков, которые ограничивают его применение и уменьшают точность измерения. Изменения цвета индикатора зависит не столько от температуры, сколько от интегрального количества тепла, необходимого для прохождения химических реакций. Кроме того, температура изменения цвета зависит от внешних условий: давления, влажности, химического состава. По окончании испытаний необходима разборка двигателя для доступа к лопаткам, а также съем рабочих лопаток. Это связано с большой трудоемкостью. Необходимо отметить, что термоиндикаторы невозможно включить в систему регулирования ГТД. Аналогичными недостатками обладают термоиндикаторы из облученных алмазов.

Наиболее широкое применение для измерения температуры поверхности лопатки нашли кабельные и пленочные термопары. Термопарный метод термометрирования лопаток характеризуется большими методическими ошибками измерения, связанными с искажением температурного поля измерителем и способом его установки; нарушением естественных условий теплообмена поверхности лопатки с газом. Кроме этого, значительные погрешности вносят отклонение термоЭДС материала термопар от стандартной градуировки, шумы токосъемника, неточность определения температуры холодного спая. Оценка температуры рабочих лопаток в процессе эксплуатации ГТД, а также ее регулирование осуществляется косвенным методом – по температуре выходящих газов за турбиной. Данный метод не отражает истинную температуру охлаждаемых рабочих лопаток, имеет значительные погрешности. Так, например, одна из наиболее используемых термопар типа Т-99, имеет постоянную времени, которая изменяется от 1 до 13 секунд в зависимости от условий полета и режима работы двигателя. Такая инерционность при темпах изменения температуры 50-60 град/сек. может привести к динамической погрешности измерения температуры до 20% и более.

Достаточно широкое распространение среди методов измерения температура рабочих лопаток нашли бесконтактные ‒ оптические методы.

Существует три метода оптической пирометрии:

а) Пирометрия полного излучения (радиационная)− в основе данного метода измерения заложен принцип того, что энергия, излучаемая поверхностью тела, преобразуется чувствительным элементом в электрический сигнал, который регистрируется вторичным прибором.

б) Пирометрия квазимонохромотического излучения

(яркостная)−в основе заложена зависимость между температурой тела и энергией излучения в узком диапазоне длин волн.

в) Пирометрия спектрального отношения (цветовая) −в основе заложена зависимость отношения интенсивности излучения двух длин волн от температуры. Это отношение однозначно определяется температурой.

Радиационный метод измерения температуры является самым чувствительным, но его точность невелика, ввиду большой зависимости результатов измерений от излучательной способности поверхности объекта измерения, которая редко бывает постоянной. Точность яркостного метода выше точности радиационного, так как имеются более чувствительные фотоприемники, работающие в сравнительно узком диапазоне длин волн, с высокими динамическими характеристиками. Недостатком яркостного метода так же является зависимость результата измерения от излучательной способности объекта измерения, оптического пропускания промежуточной среды. В цветовом методе точность измерения температуры мало зависит от излучательной способности поверхности объекта и пропускания оптики, но создание цветовых параметров связано со значительными техническими сложностями.

Выбор метода и типа пирометра для измерения температуры рабочих лопаток турбины ГТД вытекает из специфики измеряемого объекта.

Пирометр должен измерять температуры в диапазоне 700−1050, иметь высокие динамические характеристики, малые габариты и вес. Наиболее подходящим для таких условий является яркостный−фотоэлектрический метод измерения.

В общем случае пирометр состоит из оптической головки, фотоэлектрического преобразователя (ФЭП), измерительного устройства и регистрирующей аппаратуры (рис.1).

Рис.7.1. Структурная схема фотопирометра

Оптическая головка представляет собой телескопическую трубку с защитным стеклом и линзой (рис. 2).

Рис.7.2.Фотоголовка пирометра.

Энергия излучаемая нагретой лопаткой фиксируется линзой и через полевую диафрагму подается на фотоприемник, установленный в головке. Величина диафрагмы и геометрические размеры оптики определяют диаметр пятна визирования.

Электрический сигнал вырабатываемый фотоприемником подается на предусилитель и далее на измерительное устройство. В некоторых случаях фотоприемник выносят из зоны действия высоких температур, а тепловое излучение лопатки передается из оптической головки с помощью волоконного светопровода. Фотоголовка устанавливается на двигателе так, чтобы её ось визирования была направлена на участок лопатки, температуру которого необходимо измерить. На рис.7.3 представлено несколько вариантов установки фотоголовки.

Рис.7.3.Варианты установки фотоголовки

Для обеспечения работоспособности фотоприемника, место его установки охлаждают водой (в стендовых условиях) либо топливом на борту ЛА. Максимально доступная температура работы фотоприемника определяется его типом. Для защиты оптики головки от закопчения применяют обдув защитного стекла (при отсутствии последнего–линзы) воздухом из компрессора.