Температура и давление горячего газа входят в число ключевых параметров, характеризующих работу газовой турбины. Измерение параметров газа в турбине позволяет не только подтвердить заявленные характеристики ГТУ, но и также выполнить верификацию расчетных моделей и методов. Для измерения параметров газа используются измерительные устройства, и основной проблемой при их создании является обеспечение работоспособности при высоких температурах газа, которая для современных ГТУ может превышать 1500ºС.

Целью работы было создание устройства для измерения параметров газа, которое обеспечивало бы высокую точность измерения, сохраняло работоспособность при высоких температурах газа, а также было простым в его изготовлении, установке и фиксации при приемлемой стоимости.

В процессе разработки измерительного устройства был рассмотрен ряд вариантов конструкции корпуса устройства с камерой торможения потока; устройства с каналами охлаждения, а также из жаростойких материалов (керамика) без охлаждения.

Основные недостатки охлаждаемых конструкций — это ограниченная максимально допустимая температура металла, а также возможное воздействие корпуса на показания термопары за счет охлаждения потока газа при теплообмене.

Основные недостатки керамических конструкций — это трудности фиксации устройства, вызванные тем, что керамический материал невозможно закрепить с использованием стандартных методов фиксации (сварка, пайка). К недостаткам керамических конструкций также можно отнести низкую устойчивость к перепадам температуры.

Анализ различных конструкций измерительных устройств позволил сделать выбор в пользу охлаждаемой конструкции из металла, так как такая конструкция в большей степени соответствует всем предъявляемым требованиям.

Температура и давление горячего газа входят в число ключевых параметров, характеризующих работу ГТУ. Измерение указанных параметров необходимо для подтверждения заявленных характеристик ГТУ, а также для верификации расчетных моделей и методов. Для измерения температуры газа используются термопары, а для измерения давления — капиллярные трубки, закрепленные в корпусе. Основной проблемой является обеспечение работоспособности измерительных устройств при высокой температуре газа, которая для современных ГТУ может превышать 1500ºС. Решение этой проблемы достигается использованием жаростойких материалов и (или) применением охлаждения конструкции измерительного устройства.

Целью работы является создание устройства для измерения полного давления и полной температуры (параметров торможения) горячего газа перед турбиной. Устройство должно обеспечивать высокую точность измерения температуры и давления газа, сохранять работоспособность при высокой температуре, быть простым в изготовлении и его установке и фиксации при приемлемой стоимости.

Данная работа выполнялась в рамках работ по оснащению турбины ГТЭ-65.1 измерительной аппаратурой. Газовая турбина ГТЭ-65.1 является новой разработкой, и для обеспечения пусконаладочных работ головного образца, а также для подтверждения заявленных параметров ГТУ, необходимо выполнить детальные измерения температуры всех основных компонентов турбины, в том числе измерения параметров горячего газа и охлаждающего воздуха.

Рис. 1. Рассмотренные варианты конструкции

Анализ литературных источников [1—3] дал основания выбрать для дальнейшей разработки измерительное устройство с камерой торможения. Камера торможения обеспечивает уменьшение скорости потока и восстановление полного давления газа при его измерении. Уменьшение скорости потока вблизи чувствительного элемента («горячего» спая) термопары повышает точность измерения температуры газа за счет ослабления влияния коэффициента восстановления температуры.

В процессе разработки измерительного устройства был рассмотрен ряд вариантов конструкции корпуса устройства (втулки) с камерой торможения потока, включая втулки с каналами охлаждения, а также втулки из жаростойких материалов без охлаждения. Сравнительный анализ позволил выявить четыре основных варианта конструкции втулки (рис. 1), которые были детально исследованы при выборе окончательного варианта. Втулки измерительных устройств температуры и давления ничем не отличаются друг от друга, кроме отверстий для протока газа, которые отсутствуют в устройстве для измерения давления. Поэтому анализ при выборе конструкции втулки выполнялся на базе измерительного устройства температуры, как имеющего несколько более сложную конструкцию.

Рис. 2. Сравнение температуры металла

Вариант 1 — это вариант с охлаждаемой конструкцией, представляет собой цилиндрическую втулку из жаростойкого металла с продольным осевым каналом для установки термопары (или капилляра давления для устройства измерения давления) с камерой торможения. Термопара установлена в продольном осевом канале таким образом, что спай термопары находится в камере торможения. Восемь отверстий охлаждения попарно распределены по окружности. Между парами охлаждающих отверстий расположены четыре цилиндрических отверстия для протока газа, чтобы исключить возможность образования застойной зоны (в камере торможения застойной зоны не допускается, так как это может отрицательно повлиять на точность измерения температуры). Для выпуска воздуха в проточную часть выполнена кольцевая проточка таким образом, чтобы исключить возможное влияние охлаждающего воздуха на измеряемую температуру газа.

Вариант 2 представляет собой конструкцию, разработанную на основе геометрии варианта 1 с восьмью отверстиями охлаждения, попарно распределенными по окружности. Основное отличие заключается в организации выпуска охлаждающего воздуха, для обеспечения которого вместо кольцевой проточки, как в варианте 1, выполнены отверстия большего диаметра под углом 60° к основным отверстиям охлаждения.

Вариант 3 — это вариант конструкции со втулкой из оксида алюминия (керамика). Этот материал способен выдерживать высокие температуры, и необходимость в охлаждении данной конструкции отсутствует. Недостатками этого варианта являются трудности фиксации и установки устройства. Для обеспечения надежной фиксации предусмотрены два металлических полукольца, которые позволяют надежно зафиксировать керамическую втулку и установить ее в лопатку турбины. Геометрия втулки и полуколец выбрана таким образом, чтобы исключить воздействие охлаждающего воздуха на керамику.

Вариант 4 представляет собой конструкцию с керамической втулкой и двумя полукольцами для установки и фиксации, выполненную на основе варианта 3. Основное отличие от варианта 3 заключается в форме керамической втулки, при которой с одной стороны она взаимодействует с газовым потоком, а с другой стороны — с охлаждающим воздухом внутри лопатки.

Рис. 3. Структура течения газа при обтекании втулки

Основные недостатки охлаждаемых втулок — это ограниченная максимально допустимая температура металла, а также возможное воздействие втулки на показания термопары за счет охлаждения потока газа при теплообмене с охлаждаемой втулкой.

Основной недостаток керамических втулок — это трудности фиксации устройства в лопатке, вызванные тем, что керамический материал невозможно закрепить с использованием стандартных методов фиксации (сварка, пайка), и возникает необходимость проработки дополнительных конструктивных мероприятий для обеспечения надежной фиксации как самой термопары, так и керамического корпуса в сопловой лопатке. К недостаткам керамических втулок можно отнести также низкую устойчивость к перепадам температуры.

Разработка конструкции втулки измерительного устройства была выполнена на основе результатов теплового анализа, проведенного с использованием сопряженной теплогидравлической модели. Расчетная трехмерная конечно-элементная модель включала сопловую лопатку и измерительное устройство, состоящее из корпуса и закрепленной в нем термопары с открытым спаем.

Для определения параметров потока охлаждающего воздуха была создана одномерная модель течения (гидравлическая сеть), моделирующая каналы охлаждения втулки. Граничные условия со стороны горячего газа были определены в результате двух последовательных расчетов течения горячего газа в проточной части ГТУ с использованием CFD моделирования. Первый расчет был выполнен без учета теплообмена горячего газа с элементами ГТУ (расчет с адиабатическими стенками). В результате первого расчета было получено распределение температуры и давления горячего газа. Второй расчет для получения коэффициента теплоотдачи горячего газа был выполнен с учетом теплообмена газа с элементами ГТУ. В результате второго расчета был определен тепловой поток от горячего газа к элементам ГТУ. Температура стенки при расчете теплового потока была задана равной 2 / 3 от температуры горячего газа на стенке, полученной из первого расчета. Значения коэффициента теплоотдачи горячего газа были вычислены на основе теплового потока, определенного по результатам второго расчета, по следующим формулам:

В результате проведенных расчетов были получены граничные условия третьего рода (значения коэффициента теплоотдачи и температуры горячего газа) на поверхности втулки, распределение температуры охлаждающего воздуха с учетом его подогрева в каналах охлаждения и трехмерное распределение температуры металла втулки (рис. 2). Анализ полученных данных свидетельствует о том, что охлаждаемая конструкция №2 в наибольшей степени соответствует предъявляемым требованиям, обеспечивая надежную работу и высокую точность измерений при приемлемой стоимости и сроках изготовления. При этом конструкция №3 также соответствует большинству предъявляемых требований, но более сложное и дорогое изготовление, а также более длительные сроки изготовления обусловили выбор варианта конструкции №2.

Рис. 4. Распределение температуры газа при взаимодействии с охлаждаемой втулкой

Вариант №2 включает охлаждаемую втулку с восемью попарно расположенными по окружности втулки отверстиями охлаждения с выпуском воздуха в проточную часть под углом 60º к оси втулки. Такая втулка надежно работает при температуре газа 1500ºС. Максимальная температура металла достигается на торце втулки в зоне, равноудаленной от выходов охлаждающих отверстий и достигает 1204ºС, оставаясь в диапазоне рабочих температур материала ХН45Ю. Расход воздуха на охлаждение втулки составляет 1,6 г/c, что несущественно при общем расходе на охлаждение сопловой лопатки, превышающем 10 кг/с. Основной недостаток варианта №2 — возможное воздействие втулки на показания термопары за счет охлаждения потока газа при теплообмене со втулкой.

Дополнительный анализ, проведенный для оценки возможного влияния охлаждения втулки на температуру газа в камере торможения, показал, что выпуск охлаждающего воздуха не влияет на показания термопары, так как он полностью сносится набегающим потоком газа, что исключает затекание воздуха в камеру торможения втулки. На рис. 3 изображены векторы скорости газа, окрашенные пропорционально полной температуре (температуре торможения) газа (стенки втулки адиабатические). Видно, что векторы скорости газа полностью заполняют камеру торможения, а векторы скорости воздуха просматриваются дальше по потоку за 2-3 калибра от места выпуска воздуха.

Температура металла втулки может оказывать воздействие на показания термопары за счет охлаждения потока газа при теплообмене со втулкой, но, по результатам расчетов, понижение температуры газа не превышает 25ºС. На рис. 4 показано распределение температуры газа с учетом теплообмена с охлаждаемой втулкой. Видно, что снижение температуры вблизи чувствительного элемента не превышает 25ºС. При это заметно сильное понижение температуры газа за чувствительным элементом, обусловленное тем, что стенка на дне камеры торможения имеет низкую температуру металла за счет особенности построения использованной модели. В данном случае термопара моделировалась как одно тело с теплофизическими свойствами металла, как и непосредственно сама втулка (между двумя деталями задавался тепловой контакт). В действительности термопара представляет собой корпусной элемент с двумя проводами, заполненный теплоизоляцией — оксидом алюминия. Упрощенное моделирование термопары привело к занижению оценки температуры термопары за счет более высокой теплопроводности по сравнению с оксидом алюминия, что, в свою очередь, привело к заметному снижению температуры газа при взаимодействии с измерительным устройством. Это дает основания полагать, что в действительности снижение температуры газа будет меньше. Тем не менее, для последующей обработки измерений с учетом данного влияния необходимо разработать методику, которая позволит компенсировать данный эффект.

Рис. 5. Температура металла с теплозащитным покрытием

Для уменьшения воздействия втулки на температуру газа можно использовать теплозащитное покрытие. Оно позволит уменьшить тепловой поток от газа к втулке и, таким образом, уменьшить влияние втулки на температуру газового потока, а также обеспечит дополнительное снижение температуры втулки. На рис. 5 представлено распределение температуры металла втулки с теплозащитным покрытием. Для оценки использовалось покрытие толщиной 0,15 мм с теплопроводностью 1,5 Вт/м . К, которое позволяет снизить температуру металла приблизительно на 60ºС. Само теплозащитное покрытие из-за низкой теплопроводности будет иметь более высокую температуру по сравнению с температурой втулки и тем самым уменьшать интенсивность теплообмена между охлаждаемой втулкой и газовым потоком. Эффективность снижения воздействия теплообмена со втулкой на температуру газового потока при использовании теплозащитного покрытия и зависимость эффективности от толщины покрытия необходимо оценивать отдельно, что выходит за рамки данной работы.

Результаты проведенной работы заключаются в том, что были спроектированы и изготовлены устройства для измерения полной температуры и полного давления горячего газа, которые будут установлены на головном образце турбины ГТЭ-65.1 — это позволит подтвердить расчетные характеристики ГТУ, а также провести верификацию расчетных моделей и методов. Камера торможения разработанного измерительного устройства обеспечивает эффективное восстановление температуры и давления горячего газа, что подтверждено результатами расчетов. Охлаждаемая втулка измерительного устройства сохраняет работоспособность при высокой температуре газа (1500ºС), обеспечивая высокую точность измерений при приемлемой стоимости и сроках изготовления. Основным недостатком охлаждаемого корпуса измерительного устройства является возможное воздействие на показания термопары за счет охлаждения газового потока при теплообмене с корпусом, но данный эффект может быть компенсирован использованием теплозащитного покрытия на корпусе, а также введением поправок к замеренным значениям температуры газа.

Список использованных источников

1. Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока (приемники давления и скоростного напора) / А.Н. Петунин — М.: «Машиностроение», 1972. — 332 с.

2. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы: учебник для вузов по специальности «Автоматизация теплоэнергетических процессов»: 3-е изд., перераб. // В.П. Преображенский. — М.: «Энергия», 1978. — 704 с.

3. Руководящие технические материалы авиационной техники РТМ 1551-77, 1552-77. Измерение температуры газового потока при стендовых испытаниях ГТД, 1977.