Устройство для измерения давления и температуры в потоке газа и/или жидкости и стенд для испытания и измерения характеристик работы газотурбинного двигателя
Владельцы патента RU 2567470:
Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" ОАО "УМПО" (RU)
Изобретение относится к оптоволоконным технологиям, в частности к оптическим датчикам давления и температуры, в конструкции которых использованы оптические волокна. Устройство для измерения давления и температуры в потоке газа и/или жидкости содержит корпус датчика, мембрану, жестко прикрепленную к торцу корпуса, волоконно-оптический световод с защитным покрытием, расположенный в корпусе, по меньшей мере, одну дифракционную решетку Брэгга, нанесенную на волоконно-оптический световод, и волоконно-оптический кабель, закрепленный в корпусе и соединенный с системой обработки сигнала. Устройство снабжено, выполненным на торце корпуса со стороны мембраны, средством соединения с напорным устройством, по меньшей мере, одной структурой с поверхностным рельефом в соответствии с геометрией дифракции Брэгга, выполненной на поверхности мембраны внутри корпуса датчика. Волоконно-оптический световод соединен с волоконно-оптическим кабелем и прикреплен к корпусу и к мембране с образованием подмембранной полости. При этом, по меньшей мере, одна дифракционная решетка Брэгга, нанесенная на волоконно-оптический световод, расположена вне зоны крепления световода к корпусу. Система обработки сигнала содержит соединенные волоконно-оптическим кабелем оптический разветвитель, полупроводниковый источник света, оптический анализатор спектра и соединенный с ним регистратор. 2 н. и 6 з.п.ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к оптоволоконным технологиям, в частности к оптическим датчикам давления и температуры, в конструкции которых использованы оптические волокна, к созданию несущих средств, для передачи и защиты отводимого сигнала на большие расстояния и к конструкции стендов, использующих эти датчики для измерения характеристик работы газотурбинного двигателя.
Наиболее близким по технической сущности и назначению, является устройство для измерения давления и температуры в потоке газа и/или жидкости, содержащее корпус датчика, мембрану, жестко прикрепленную к торцу корпуса, волоконно-оптический световод с защитным покрытием, расположенный в корпусе, по меньшей мере, одну дифракционную решетку Брэгга, нанесенную на волоконно-оптическом световоде и волоконно-оптический кабель, закрепленный в корпусе и соединенный с системой обработки сигнала /RU Заявка 2012125667, МПК G01L 11/02. Опубликовано 27.12.2013/1/.
Недостатками известного решения являются: высокая чуствительность к случайной широкополосной вибрации (СШП), поскольку в известном решении воздействие на решетку Брэгга осуществляется не непосредственно, а через некоторую длину световода, что подразумевает некоторую свободу перемещения участков световода как в осевом (сжатие-растяжение) направлении, так и в радиальном (изгиб). При воздействии на данную конструкцию СШП к полезному сигналу измеряемой физической величины (давление, осевое усилие) подмешивается помеха, создаваемая виброперегрузкой, которую испытывает световод. Через кольцевое сечение очень малой толщины выравнивание давления газа и/или жидкости происходит очень медленно, что делает невозможным наблюдать процессы в динамике.
Наиболее близким по технической сущности и назначению является стенд для испытания и измерения, в частности, характеристик работы газотурбинного двигателя, содержащий конструкцию для фиксирования двигателя, входную и выходную газовые магистрали, системы подачи энергии, топлива и масла, системы измерения параметров работы, состоящие из таких блоков и агрегатов, как приемники воздушных давлений с приемными отверстиями, снабженные электронагревательной противообледенительной системой и соединенные с датчиками давления, а также датчики температуры наружного воздуха и вычислитель параметров работы, причем все блоки и агрегаты системы размещены в едином аэродинамически обтекаемом корпусе /RU 132555 U1, МПК, G01M 15/02, G01M 15/14. Опубликовано: 20.09.2013 /2/.
Известный стенд не может применяться для преобразования, регистрации и обработки информации от типовых датчиков давления и температуры, в случае их установки на стойках ВНА и в ГВТ газотурбинного двигателя, при выборе представительного места установки штатных датчиков давления и температуры на входе в объект и в ГВТ. Типовые датчики обладают значительными размерами и электрической системой передачи сигнала, что вызывает нарушение в измерениях параметров движущегося потока и вызывает значительные погрешности в виде электрических наводок из-за вибрации кабеля при работе с объектом, находящимся на значительном удалении стенда от вычислителя параметров работы.
Задача изобретения разработка волоконно-оптического устройства для одновременного измерения давления и температуры с минимальными габаритно-установочными размерами и повышенной защищенностью от наводок.
Другой задачей изобретения является разработка стенда, в составе которого применяется устройство для сбора информации о динамике изменения давления и температуры среды, воздействующей на входной направляющий аппарат авиационного ГТД и генерируемых самим авиационным ГТД.
Ожидаемый технический результат - повышение точности устройства при измерении давления и получение количественной информации о температуре, уменьшение длины пневматической линии, сокращение проводных линий за счет пространственного мультиплексирования датчиков.
Другим техническим результатом является применение одного и того же универсального оборудования на стенде для преобразования и обработки информации о давлении и температуре в точке замера в условиях плотной компоновки авиационного ГТД, удаление стенда от объекта контроля на значительное расстояние, снижение электромагнитных помех и излучений, расширение возможностей и повышение точности выбора представительного места для установки штатного датчика системы контроля.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что известное устройство для измерения давления и температуры в потоке газа и/или жидкости, содержащее корпус датчика, мембрану, жестко прикрепленную к торцу корпуса, волоконно-оптический световод с защитным покрытием, расположенный в корпусе, по меньшей мере, одну дифракционную решетку Брэгга, нанесенную на волоконно-оптический световод и волоконно-оптический кабель, закрепленный в корпусе и соединенный с системой обработки сигнала, по предложению, снабжено выполненным на торце корпуса со стороны мембраны средством соединения с напорным устройством, по меньшей мере, одной структурой с поверхностным рельефом в соответствии с геометрией дифракции Брэгга, выполненной на поверхности мембраны внутри корпуса датчика, волоконно-оптический световод соединен с волоконно-оптическим кабелем и прикреплен к корпусу и к мембране с образованием подмембранной полости, при этом, по меньшей мере, одна дифракционная решетка Брэгга, нанесенная на волоконно-оптический световод, расположена вне зоны крепления световода к корпусу, а система обработки сигнала содержит соединенные волоконно-оптическим кабелем оптический разветвитесь, полупроводниковый источник света, оптический анализатор спектра и соединенный с ним регистратор. На оптическом световоде по меньшей последовательно сформированы две решетки Брегга, одна из которых жестко прикреплена к корпусу и выполняет роль термокомпенсатора. Поперечный размер мембраны может быть больше, чем диаметр волоконно-оптического световода. Внутреннее пространство между волоконно-оптическим световодом с защитным покрытием и корпусом может быть заполнено жидкостью из группы раствор солей или гель, защитное покрытие выполнено из материалов, выбранных из группы металл, или углерод, или керамика, или пластик, или полиамид, а подмембранная полость вакуумирована.
Другой технический результат достигается на известном стенде для испытания и измерения характеристик работы газотурбинного двигателя, содержащем конструкцию для фиксирования двигателя, входную и выходную газовые магистрали, системы подачи энергии, топлива и масла, системы измерения параметров работы, состоящие из таких блоков и агрегатов, как приемники воздушных давлений с приемными отверстиями, снабженные электронагревательной противообледенительной системой и соединенные с датчиками давления, а также датчики температуры наружного воздуха и вычислитель параметров работы, причем все блоки и агрегаты системы размещены в едином аэродинамически обтекаемом корпусе, по предложению, для двигателя с входным направляющим аппаратом, он снабжен, по меньшей мере, двумя напорными устройствами со средством соединения с устройствами для измерения давления и температуры в потоке газа и/или жидкости по п. 1 в каждом из них, напорные устройства расположены в разных окружных положениях на расстоянии друг от друга в радиальном направлении на стойках входного направляющего аппарата и закрепленных с возможностью измерения полного давления и температуры. В качестве напорного устройства оно может содержать трубку Пито-Прандля.
В предложенном устройстве использованы следующие конструкивные особенности.
Интегрирование на поверхность мембраны структуры в соответствии с геометрией дифракции Брэгга позволяет устранить механические нагрузки на световод и упрощает сборку датчика, так как нет необходимости ее организации на длине световода (в районе сформированных внутри световода структур) участков, воспринимающих механические нагрузки. Практически любой материал обладает свойственным ему коэффициентом температурного расширения (в данном случае - мембрана), при изменении температуры световода изменяется оптический показатель преломления световода. Таким образом, при использовании световода со сформированной в его сердцевине решеткой Брэгга, жестко закрепленного внутри датчика, имеется возможность (после соответствующей калибровки датчика) учитывать погрешность, возникающую от воздействия температуры на мембрану датчика. Данная процедура (компенсации погрешности от температуры) выполняется программно, в устройстве обработки сигнала.
Устройство обладает возможностями взаимозаменяемости и использования в конструкции мембран с периодической структурой (различного периода) в соответствии с геометрией Брэгга, под напорное устройство, фиксируемое накидной гайкой, могут устанавливаться мембраны с различными структурами, работающими на различных длинах волны используемого частотного диапазона.
Оптический световод, снабженный защитным покрытием, идентичным защитному покрытию волоконно-оптического кабеля, позволяет упростить технологию сборки датчика, а в варианте защитного покрытия из материала с низким коэффициентом температурного расширения - устранить опасность растрескивания кварцевого световода и волоконно-оптического кабеля при воздействии высоких температур.
Защитное покрытие световода внутри корпуса датчика обеспечивает невосприимчивость решеток Брэгга к механическим деформациям типа «удар», «линейная перегрузка». Жидкость либо гель, заполняющие объем между волоконным световодом в защитном покрытии и внутренней поверхностью корпуса датчика, обеспечивают демпфирование внешних вибрационных воздействий.
Защитное покрытие световода (волоконно-оптического кабеля) из пластика либо полиамида в сочетании с электроизоляционными материалами корпуса датчика может применяться в условиях, когда необходимо обеспечить полную электрическую нейтральность конструкции.
Использование для нужд стенда малогабаритных волоконно-оптических датчиков давления и температуры позволяет, в частности: оборудовать максимально возможным количеством замеров давления и температуры каждую стойку входного направляющего аппарата газотурбинного двигателя, позволяет разместить датчики в непосредственной близости от напорных устройств, что позволяет устранить влияние пневматических капиллярных линий и снизить искажения газодинамических процессов во входном устройстве от вставных приборов. Малогабаритность волоконно-оптических датчиков обеспечивает доступ к ним для их обслуживания на испытаниях и в эксплуатации и обеспечивает работу с объектом (ГТД) на удалении на значительное (до нескольких десятков километров) расстояние от системы обработки сигналов стенда при условии связи объекта с системой обработки сигналов одномодовой волоконно-оптической линией.
При использовании волоконно-оптических кабелей с проводящим покрытием, по проводящей оболочке возможна передача электрических сигналов любой мощности (зависит от конструкции защитного покрытия).
Использование в стенде комплекта трубок Пито-Прандля в качестве напорных устройств позволяет проводить измерения требуемых для анализа видов давления (полного, динамического, статического) путем установки заглушек в соответствующие отверстия.
Фиг. 1 - датчик давления и температуры в корпусе;
Фиг. 2 - стенд для испытаний и измерения характеристик работы газотурбинного двигателя;
Фиг. 3 - полая стойка входного направляющего аппарата компрессора низкого давления;
Фиг. 4 - схема расчета напорного устройства;
Фиг. 5 - датчик защитный, материал световода ограничен корпусом датчика;
Устройство для измерения давления и температуры содержит корпус 1, мембрану 2, световод 3 с сформированными на нем, по крайней мере одной решеткой Брэгга 4. Световод 3 расположен в корпусе и интегрирован с волоконно-оптическим приемно-передающим кабелем 5. С помощью накидной гайки 6 на корпусе 1 закреплено напорное устройство 7, которое одновременно прижимает к корпусу мембрану 2. На поверхности мембраны 2 внутри корпуса выполнена по меньшей мере, одна структура 8, с поверхностным рельефом в соответствии с геометрией дифракции Брэгга. Световод 3 на торце напротив структуры 8 имеет выемку 9, внутри корпуса окружен защитным покрытием 10, а полость между корпусом 1 и покрытием 10 заполнена жидкостью или гелем 11. Полость выемки 9 может быть вакуумирована. Волоконно-оптический кабель 5 технологически соединяет со световодом 3 оптический разветвитель 12, источник света 13, оптический анализатор спектра (интеррогатор) 14, регистратор 15, систему обработки сигналов 16.
Стенд для испытания и измерения характеристик работы газотурбинного двигателя 17 содержит опоры 18, входную 19 и выходную 20 газовые магистрали, стойку 21 входного направляющего аппарата компрессора низкого давления с расположенными на ней напорными устройствами 7 и жалюзи 22 системы противообледенения. Испытываемый двигатель 17 оснащен штатными датчиками и соединен системой обработки сигналов 16.
Устройство для измерения давления и температуры в потоке газа и/или жидкости работает следующим образом.
Свет от источника 13 поступает через волоконно-оптический кабель 5 в световод 3. Датчик откалиброван так, что при отсутствии давления на мембрану 2 на вход системы обработки сигналов 16 через разветвитель 12, оптический анализатор спектра (интеррогатор) 14, регистратор 15, поступает информация об отсутствии избыточного давления и об окружающей температуре. При подаче давления мембрана 2 со структурой 8 с поверхностным рельефом в соответствии с геометрией дифракции Брэгга 6 деформируется, происходят локальные изменения периода структуры поверхностного рельефа, спектр отраженного сигнала трансформируется в зависимости от деформации мембраны и передается по световоду 3 со встроенной решеткой показателя преломления решеткой Брэгга (термокомпенсатор), в тракт волоконно-оптического кабеля 5. Информация о деформации мембраны и температуре световода передается, в соответствии с правилом взаимодействия мод в одномодовом оптоволокне, по волоконно-оптическому приемно-излучающему кабелю в оптический разветвитель 12, где полезный сигнал направляется к оптическому анализатору спектра 4 и далее в регистратор 15 и при этом функциональный тракт источника света 13 искажениям не подвергается.
Аналогично работает каждый датчик на испытываемом двигателе 17 на стенде. Информация от всех датчиков поступает в систему обработки сигнала 16. С учетом информации от штатных датчиков она обрабатывается и делается вывод о состоянии газодинамических процессов во входном устройстве, в том числе о представительном месте для установки штатного датчика.
Применение устройства и стенда для испытания и измерения характеристик работы газотурбинного двигателя позволяет повысить точность устройства при измерении давления и получение количественной информации о температуре, уменьшение длины пневматической линии, сокращение проводных линий за счет пространственного мультиплексирования датчиков, позволяет применить одно и то же универсальное оборудование на стенде для преобразования и обработки информации о давлении и температуре в точке замера в условиях плотной компоновки авиационного ГТД, позволяет удалять стенд от объекта контроля на значительное расстояние, снизить электромагнитные помехи и излучения, расширить возможности и повышение точности выбора представительного места для установки штатного датчика системы контроля.
1. Устройство для измерения давления и температуры в потоке газа и/или жидкости, содержащее корпус датчика, мембрану, жестко прикрепленную к торцу корпуса, волоконно-оптический световод с защитным покрытием, расположенный в корпусе, по меньшей мере, одну дифракционную решетку Брэгга, нанесенную на волоконно-оптический световод и волоконно-оптический кабель, закрепленный в корпусе и соединенный с системой обработки сигнала, отличающееся тем, что оно снабжено выполненным на торце корпуса со стороны мембраны средством соединения с напорным устройством, по меньшей мере, одной структурой с поверхностным рельефом в соответствии с геометрией дифракции Брэгга, выполненной на поверхности мембраны внутри корпуса датчика, волоконно-оптический световод соединен с волоконно-оптическим кабелем и прикреплен к корпусу и к мембране с образованием подмембранной полости, при этом, по меньшей мере, одна дифракционная решетка Брэгга, нанесенная на волоконно-оптический световод, расположена вне зоны крепления световода к корпусу, а система обработки сигнала содержит соединенные волоконно-оптическим кабелем оптический разветвитель, полупроводниковый источник света, оптический анализатор спектра и соединенный с ним регистратор.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на оптическом световоде, по меньшей мере, последовательно сформированы две решетки Брэгга, одна из которых жестко прикреплена к корпусу и выполняет роль термокомпенсатора.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что поперечный размер мембраны больше, чем диаметр волоконно-оптического световода.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутреннее пространство между волоконно-оптическим световодом с защитным покрытием и корпусом заполнено жидкостью из группы раствор солей или гель.
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что защитное покрытие выполнено из материалов, выбранных из группы металл, или углерод, или керамика, или пластик, или полиамид.
6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подмембранная полость вакуумирована.
7. Стенд для испытания и измерения характеристик работы газотурбинного двигателя, содержащий конструкцию для фиксирования двигателя, входную и выходную газовые магистрали, системы подачи энергии, топлива и масла, системы измерения параметров работы, состоящие из таких блоков и агрегатов, как приемники воздушных давлений с приемными отверстиями, снабженные электронагревательной противообледенительной системой и соединенные с датчиками давления, а также датчики температуры наружного воздуха и вычислитель параметров работы, причем все блоки и агрегаты системы размещены в едином аэродинамически обтекаемом корпусе, отличающийся тем, что для двигателя с входным направляющим аппаратом он снабжен, по меньшей мере, двумя напорными устройствами со средством соединения с устройствами для измерения давления и температуры в потоке газа и/или жидкости по п. 1 в каждом из них, напорные устройства расположены в разных окружных положениях на расстоянии друг от друга в радиальном направлении на стойках входного направляющего аппарата и закрепленных с возможностью измерения полного давления и температуры.
8. Стенд для испытания и измерения по п. 7, отличающийся тем, что в качестве напорного устройства он содержит трубку Пито-Прандля.
