Пирометрическое устройство для измерения температуры лопаток газотурбинного двигателя

 

Использование: область пирометрии для измерения температуры лопаток ротора ГТД. Сущность изобретения: устройство содержит оптическую головку 1, сопряженную раздвоенным светодиодом 2 непосредственно и через фильтр 3 с приемниками 4 и 5 излучения. На выходе приемника 4 установлены последовательно соединенные усилитель 6 и первый логарифматор 8, а на выходе приемника 5 - усилитель 7, второй логарифматор 9 и первыйфункциональный преобразователь 11. Сигналы с логарифматоров 8 и преобразователя 11 обрабатываются в первом измерителе 10 разности. Устройство содержит также второй измеритель 15 разности и второй функциональный преобразователь 14 для исключения влияния на точность измерения различной излучательной способности лопаток при наличии сторонних источников излучения, третий 12 и четвертый 17 измерители разности, третий 13 и четвертый 18 функциональные преобразователи и измеритель 16 отношения. Измеритель 16 включен так, что сигнал на нем не зависит от изменения температуры окружающих лопатку элементов. Сигнал на выходе с преобразователя 17 корректируется по сигналу с первой лопатки и измерителя 16. 1 ил.

Изобретение относится к пирометрии, в частности может найти применение для измерения температуры лопаток ротора ГТД, а также может быть использовано и в других областях техники: металлургии, машиностроении и т.д.

Известно пирометрическое устройство, определяющее температуру лопатки по сигналам с двух приемников излучения чувствительных в двух участках спектра [1] Однако в указанном устройстве не раскрыта схема преобразователя сигналов с приемников излучения.

Наиболее близким по техническому решению является пирометрическое устройство, содержащее оптическую головку, укрепленную на корпусе двигателя, разветвленный светопровод, входной торец которого сопряжен с оптической головкой, а выходные торцы сопряжены соответственно непосредственно с первым приемником излучения и через фильтр с вторым приемником излучения. Приемники излучения через усилители соединены с логарифматорами, выход первого логарифматора соединен с первым входом первого измерителя разности, выход второго логарифматора через первый функциональный преобразователь соединен с вторым входом первого измерителя разности, выход которого соединен через второй функциональный преобразователь с первым входом второго измерителя разности, второй вход которого соединен с выходом второго логарифматора, а выход является входом устройства [2] Это пирометрическое устройство позволяет исключить влияние стороннего излучения только при постоянной излучательной способности всех лопаток на роторе двигателя. Однако реальные лопатки имеют разброс излучательной способности из-за различного характера обработки лопаток. Это затрудняет применение этого пирометрического устройства на новых газотурбинных двигателях, приводит к снижению точности измерения температуры.

Изобретения направлено на повышение точности измерения за счет устранения влияния разброса излучательной способности у различных лопаток при наличии сторонних источников излучения.

Это достигается тем, что в пирометрическое устройство для измерения температуры лопаток ГТД, содержащее оптическую головку, сопряженную раздвоенным светопроводом соответственно с первым непосредственно и через фильтр с вторым приемником излучения, первый и второй усилители на входах приемников излучения, первый и второй логарифматоры, входы которых соединены соответственно с усилителями, первый функциональный преобразователь, вход которого соединен с выходом второго логарифматора, первый измеритель разности, входы которого соединены соответственно с выходами первого логарифматора и первого функционального преобразователя, второй функциональный преобразователь, вход которого соединен с выходом первого измерителя разности, второй измеритель разности, первый вход которого соединен с выходом второго функционального преобразователя, введены третий и четвертый измерители разности, третий и четвертый функциональный преобразователи и измеритель отношения, причем второй вход измерителя разности соединен с выходом первого функционального преобразователя, входы третьего измерителя разности соединены соответственно с выходами первого логарифмического и выходом третьего функционального преобразователя, вход которого соединен с выходом первого измерителя разности, входы измерителя отношения соединены соответственно с выходами второго и третьего измерителей разности, а выход измерителя отношения через четвертый функциональный преобразователь соединен с вторым входом четвертого измерителя разности, выход которого является выходом всего устройства, а второй вход соединен с выходом третьего измерителя разности.

На чертеже показана функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит оптическую головку 1, укрепленную на корпусе двигателя, раздвоенный светопровод 2, входной торец которого оптически сопряжен с оптической головкой, фильтр 3, приемники 4 и 5 излучения. Выходные торцы светопроводов 2 сопряжены соответственно с приемниками излучения. Между приемниками 5 излучения и выходным концом светопровода 2 установлен фильтр 3. Устройство содержит также усилители 6 и 7, логарифматоры 8 и 9, первый измеритель 10 разности, первый функциональный преобразователь 11, третий измеритель 12 разности, третий 13, второй 14 функциональные преобразователи, второй измеритель 15 разности, измеритель 16 отношения, четвертые измеритель 17 разности и функциональный 18 преобразователь. Последовательно включенные усилитель 6 и логарифматор 8, и первый измеритель 10 разности, а также усилитель 7, логарифматор 9 и первый функциональный преобразователь 11 подсоединены соответственно к приемникам 4 и 5 излучения.

Входы первого измерителя 10 разности соединены с выходами логарифматора 8 и первого функционального преобразователя 11. Входы второго 14 и третьего 13 функциональных преобразователей соединены с выходом первого измерителя 10 разности. Выход третьего измерителя 12 разности соединен с первыми входами четвертого измерителя 17 разности и соответственно измерителя 16 отношения, второй вход которого соединен с выходом второго измерителя 15 разности.

Выход измерителя 16 отношений через четвертый функциональный преобразователь 18 соединен с вторым входом четвертого измерителя 17 разности. Выход четвертого измерителя 17 разности является выходом всего устройства.

Устройство работает следующим образом.

Собственное излучение лопатки, определяемое ее температурой и отраженное от лопатки излучение сторонних источников излучения, фиксируется оптической головкой 1 на входном торца светопровода 2.

Излучение с выходных торцов светопровода 2 преобразуется приемниками 4 и 5 излучения в электрические сигналы и усиливается усилителями 6 и 7. Напряжение на выходе усилителей 6 и 7 определяется как излучательными характеристиками ε лопатки, так и температурой Т лопатки и сторонних окружающих элементов.

Поток, падающий на приемник 4, преобразуется в электрический сигнал. Этот сигнал после усиления усилителем 6 будет равен U₆ q₁ [ ε+(1-ε) νⁿ₁] T_oⁿ₁ (1) На выходе усилителя 7 U₇ q₂ [ ε+(1-ε) νⁿ₂] T_oⁿ₂ (2) где ν n₁ n₂ q₁ и q₂ коэффициенты, определяемые оптической системой, коэффициентом преобразования приемников 4 и 5 излучения и коэффициентами усилителей 6 и 7; λ₁ и λ₂ эффективная длина волны потока излучения, воспринимаемая соответственно приемниками 4 и 5;
С₂ вторая постоянная Планка;
Т_o и Т_с температура лопаток и сторонних источников.

Обозначим [ε+(1-ε) νⁿ₁]ε_экв1 (3)
и [ ε+(1-ε) νⁿ₂]ε_экв2 (4)
тогда выражения (1) и (2) могут быть записаны как
U₆ ε_экв1 q₁ T_oⁿ₁ (5)
и U₇ ε_экв2 q₂ T_oⁿ₂. (6)
Логарифматоры 8 и 9 преобразуют электрические сигналы в
U₈ lnU₆; U₉ lnU₇.

Функциональным преобразователем 11 электрический сигнал U₉преобразуется в сигнал
U₁₁ K₁₁ lnU₇.

Значение К₁₁ выбирается таким образом, чтобы в заданных пределах изменения Т_о и Т_с U₁₁= U₈.

При использовании в качестве приемников излучения кремниевых фотодиодов в ограниченных пределах измерения ΔТ 200-300 К
λ₁ ≈ соnst; λ₂ ≈ const.

Тогда η ≃ const и функциональный преобразователь 11 выполняется в виде нормирующего усилителя с коэффициентом передачи К₁₁ η.

Тогда
U₁₁ ln ε_экв2η˙q₂η Tⁿ₁. (7)
Учитывая, что U₁₁ изменяется пропорционально U₈, изменяя q₂(например, изменяя коэффициент усиления усилителя 7) таким образом, чтобы в заданном диапазоне измеряемых температур при одинаковом значении излучательной способности всех лопаток обеспечивалось U₁₁ U₈.

Если ε -> Vaz, измеритель разности 10 вычисляет разность U₁₁ U₈.

Эта разность будет равна
U₁₀ ln · (8)
Напряжение U₁₀ подается на входы функциональных преобразователей 13 и 14 с коэффициентами передачи, равными К₁₃ и К₁₄.

Таким образом на их выходах формируются сигналы
U₁₃ K₁₃U₁₀ (9)
U₁₄ K₁₄U₁₀. (10)
Коэффициенты передачи К₁₃ и К₁₄ зависят от U₁₀ и настраиваются таким образом, чтобы значения U₁₃ и U₁₄ были равны приращению сигналов U₈ и U₁₁ за счет влияния стороннего излучения, падающего на лопатки. Их величина рассчитывается или определяется экспериментально.

В измерителе 12 разности из напряжения U₈ вычитается напряжение U₁₃и на его выходе формируется сигнал U₁₂, а в измерителе 15 разности из напряжения U₁₁ вычитается напряжение U₁₄ и на его выходе формируется сигнал U₁₅.

Измеритель 16 отношения формирует сигнал U₁₆:
U₁₆
При исходной одинаковой излучательной способности всех лопаток сигналы на входах измерителя 16 отношения не зависят от изменения температуры окружающих лопатку элементов.

При изменении (разбросе) значения излучательных способностей лопаток сигнал на выходе измерителя 16 отношения также меняется.

Функциональный преобразователь 18 формирует на выходе сигнал
U₁₈ K₁₈U₁₆.

Методика выбора величины коэффициента передачи К₁₈ преобразователя 18 аналогична методике выбора коэффициентов К₁₃ и К₁₄.

Сигнал U₁₈ в измерителе разности 17 корректируется сигнал U₁₂.

Таким образом, по сравнению с прототипом, где корректируется погрешность от влияния излучения сторонних элементов при неизменной излучательной способности лопаток, в предлагаемом устройстве эта погрешность корректируется и при вариации излучательной способности лопаток.

Формула изобретения

ПИРОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, содержащее оптическую головку, сопряженную раздвоенным световодом соответственно с первым непосредственно и через фильтр с вторым приемниками излучения, первый и второй усилители на выходах приемников излучения, первый и второй логарифматоры, входы которых соединены соответственно с выходами усилителей, первый функциональный преобразователь, вход которого соединен с выходом второго логарифматора, первый измеритель разности, соединенный входами соответственно с выходами первого логарифматора и первого функционального преобразователя, второй функциональный преобразователь, соединенный входом с выходом первого измерителя разности, второй измеритель разности, одним входом соединенный с выходом второго функционального преобразователя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности за счет исключения влияния излучательной способности при наличии сторонних излучающих источников, в него введены третий и четвертый измерители разности, третий и четвертый функциональные преобразователи и измеритель отношения, причем второй вход второго измерителя разности соединен с выходом первого функционального преобразователя, входы третьего измерителя разности соединены соответственно с выходом первого логарифматора и выходом третьего функционального преобразователя, вход которого соединен с выходом первого измерителя разности, входы измерителя отношения соединены соответственно с выходами второго и третьего измерителей разности, выход третьего измерителя разности соединен с первым входом четвертого измерителя разности, а выход измерителя отношения через четвертый функциональный преобразователь соединен с вторым входом четвертого измерителя разности.

РИСУНКИ

Рисунок 1