CC BY
252
ЭЛЕКТРОНИКА,ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА • ИНФ.-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ И УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ
УДК 621.438:536.521
В. П. ТОКАРЕВ
ОПТИЧЕСКИЙ ПИРОМЕТР В СИСТЕМЕ ТЕРМОМЕТРИРОВАНИЯ ГТД
Рассматриваются возможности применения бесконтактного фотопирометри-ческого метода измерения температуры наиболее теплонапряженных элементов турбины газотурбинного двигателя (ГТД) — его рабочих лопаток. Предложен один из возможных вариантов построения фотопирометра, а также модель цепи формирования выходного сигнала. Рассмотрена взаимосвязь выходного сигнала фотопирометра с температурой рабочих лопаток турбины. Предложена структурная схема фотопирометрической системы для оценки температурного состояния турбины ГТД. Термометрирование авиадвигателей; оптическая пирометрия; оценка параметров сигнала
ВВЕДЕНИЕ
Температура газа перед турбиной является одним из важнейших параметров, характеризующих тягу двигателя и его теплонапря-женность. Увеличение температуры газа перед турбиной приводит к существенному повышению экономичности (ГТД), резкому росту удельной мощности, уменьшению веса и габаритов двигателя. С ростом температуры увеличивается удельная тяга авиационных ГТД. Темпы роста температуры газов ограничены необходимостью эксплуатации горячих элементов конструкций двигателя при температуре, обеспечивающей длительную прочность. Наиболее теплонагруженными узлами двигателя являются рабочие лопатки. Для создания и эксплуатации высокотемпературных двигателей с предельными характеристиками необходимо наличие аппаратуры для измерения температуры рабочих лопаток в стендовых условиях, а также ее поддержания на заданном уровне с высокой точностью при эксплуатации ГТД на борту летательного аппарата. Наличие метода и аппаратуры для точного измерения температуры рабочих лопаток ГТД позволит решать ряд задач по совершенствованию двигателей при их проектировании, а также улучшить их характеристики при эксплуатации. Существуют различные методы оценки температуры рабочих лопаток в стендовых условиях: применение термоиндикаторов, кабельных и пленочных термопар и т. д. Эти методы не обеспечивают требуемую точность измерения, трудоемки, неэкономичны. Оценка температуры рабочих лопаток в процессе эксплуатации ГТД, а также ее регулирование осуществляется косвен-
ным 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 5060 град/с может привести к динамической погрешности измерения температуры до 20% и более.
Был предложен бесконтактный фотопиро-метрический метод измерения температуры рабочих лопаток турбины ГТД. Исследовательские работы по применению данного метода в нашей стране начались в конце 60-х гг. ЦИАМом в различных моторостроительных КБ. В дальнейшем к ним присоединились УАИ, ОКБ «Молния». За прошедшие годы были проведены большие работы по исследованию специфики применения оптического метода измерения температуры в ГТД. Предложены различные варианты построения первичных преобразователей и измерительных схем, проведены многочисленные испытания на различных типах двигателей, разработаны методики применения пирометров, дана оценка метрологических характеристик [1,2].
1. ФОТОПИРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ
Принцип работы бесконтактного фотопи-рометрического метода измерения температуры рабочих лопаток турбины ГТД заключает-
ся в следующем. Тепловой поток, излучаемый поверхностью нагретой лопатки, воздействуя на фотоприемник, преобразуется в электрический ток, функционально связанный с температурой лопатки. В качестве фотоприемника используется кремниевый фотодиод, который совместно с оптической системой представляет собой фотоэлектрический преобразователь (ФЭП).
ФЭП устанавливается на корпусе ГТД, а его ось визирования направлена на определенные участки поверхности рабочих лопаток, температуру которых необходимо оценить. В некоторых случаях фотоприемник выносится из зоны высоких температур с помощью волоконного светопровода. При этом тепловая энергия, излучаемая поверхностью лопатки, передается от входного оптического устройства — линзы по световоду на чувствительный участок фотодиода. Выходной сигнал диода усиливается и подается на соответствующие системы обработки. Схема приведена на рис. 1.
Фокусное расстояние линзы, телесный угол фотоголовки и расстояние до лопатки определяют диаметр пятна визирования.
Излучение с площади пятна диаметром й фокусируется линзой и диафрагмой на фотодиод, преобразуется последним в электрический сигнал, который в свою очередь поступает на вход предварительного усилителя.
Фотоприемник и объект измерения связаны оптическим каналом, роль которого выполняет промежуточная среда, образованная
продуктами сгорания топлива. Модель сигнала в статике представлена на рис. 2.
Поверхность лопатки неизотермична, причем разность температур по диаметру пятна визирования может достигать значительной величины. Поэтому, рассмотрев пятно в виде совокупности элементарных изотермичных участков ЛУг с температурой Т{, можно отметить следующее.
Согласно закону Вина, элементарный участок ^ излучает энергию Е(с1Б{):
Е(сіЗі) = сі А °схр
С-2
А -Т.;
(1)
где А — длина волны излучения, м;
С1=(3,7413 + 0,0002) 10-16 Вт-м2; С2=(1,4380+0,0001) 10_12 м-рад.
Энергия, излучаемая всем пятном площадью , определяется интегрированием
£(я) = J С1 • А"
5’
• схр
С-2
А -Т,
сШ. (2)
Допуская, что энергия, излучаемая неизотермичной поверхностью, равна энергии, излучаемой изотермичной поверхностью с температурой Тк, можно записать
£(Я) = сі • А-
схр
С-2
А • Тк
(3)
где Тк — кажущаяся температура неизотермичной поверхности.
Объект Оптическая Фотоэлектрический
измерения —► система —► преобразователь ► Усилитель
Рис. 1. Схема фотоэлектрического пирометра
Рис. 2. Модель цепи формирования сигнала пирометра
Выражение справедливо при условии, что степень черноты поверхности материала лопатки е = 1 [3]. Если поверхность лопатки имеет степень черноты лопатки отличную от единицы, то энергия излучения зависит от степени черноты, формы поверхности, температуры окружающих элементов, конструкции двигателя.
С учетом эффективной степени черноты поверхности лопатки выражение запишется в виде
Е = Е(Б) • £зф = еэф • сі • А ° • охр
С-2
Л • т,<
(4)
где еэф — эффективная степень черноты.
Тепловое излучение лопатки передается на фотоприемник по оптическому каналу, роль которого выполняет промежуточная среда, состоящая из продуктов сгорания топлива. Обозначим коэффициент пропускания этого канала через К1. Несгоревшие частицы углерода имеют широкий спектр излучения, лежащий в области чувствительности фотоприемника. Дополнительное излучение несгоревших частиц большой удельной мощности суммируется с излучением лопатки, создавая значительные помехи.
При вращении турбины изменяется расстояние от поверхности лопатки до линзы и углы визирования, что может привести к изменению величины энергии излучения, направленного в сторону фотоприемника. Данные изменения учтем коэффициентом .
Тепловое излучение поступает на линзу через защитное стекло. Оптическое стекло имеет коэффициент пропускания меньше единицы, кроме того, возможно закопчение стекла продуктами сгорания. Введем коэффициент , учитывающий изменение пропускания оптики.
Оптическая система характеризуется телесным углом , от величины которого зависит поток излучения, поступающий на фотоприемник:
Ф =
Е ■ оо 2ж
(5)
Величина телесного угла может быть определена через плоский угол 27:
си = 27г(1 — С08 7) . Тогда выражение запишется:
Е ■ 27г(1 — сок 7)
(6)
Ф =
2-7Г
= Е(1^С08 7). (7)
Так как геометрические параметры оптики постоянны, введем коэффициент К%:
К* = 1
СОЙ 7 .
(8)
Тепловое излучение, воспринимаемое фотоприемником, определяется:
ф = ф + ф
(9)
где — поток излучения поверхности лопатки;
— поток излучения несгоревших частиц.
При отсутствии излучения несгоревших частиц тепловой поток определяется:
Ф = Фл = £зф • Кг • К2 • К, • К4 • Е(5) =
С‘2 ,
= є9ф • Кг • К2 • Кл • К\ • СіА"° схр(-
А • Тк
(10)
Таким образом, на формирование сигнала фотоприемника влияют следующие величины:
степень черноты лопатки; флуктуации расстояния от поверхности лопатки до линзы;
геометрические параметры оптики; излучение несгоревших частиц; распределение температуры по поверхности лопатки
При известных коэффициентах, получаемых путем градуировок и экспериментальных исследований, тепловой поток можно однозначно связать с распределением температуры по поверхности лопатки и выходным сигналом фотоприемника. У охлаждаемых лопаток наблюдается значительная неравномерность температуры по поверхности, особенно по профилю лопатки (рис. 3).
Рис. 3. Распределение температуры по поверхности лопатки
Для некоторых типов двигателей неравномерность температуры по профилю достигает 200° С. Наиболее нагретыми участками лопатки являются входная и выходная кромки. Как видно из рис. 3 максимальные градиенты температуры возникают в местах перехода цилиндрической поверхности входной кромки в линейные участки «спинки» и «корыта» лопатки, а также на выходной кромке лопатки. На отдельных участках охлаждаемых лопаток градиент температуры достигает 25°/мм. Абсолютная температура и ее распределение по поверхности лопатки зависит от многих факторов: конструкции, режима работы ГТД, режимов полета.
2. ОЦЕНКА ТЕМПЕРАТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ТУРБИНЫ ПО ВЫХОДНОМУ СИГНАЛУ ПИРОМЕТРА
Фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) преобразует пространственное распределение температуры по траектории визирования во временной электрический сигнал. В общем случае выходной сигнал ФЭП представлен на рис. 4. В состав ФЭП входит кремниевый фотодиод, работающий в режиме короткого замыкания, предварительный усилитель, выполненный на операционном усилителе.
Цвых
Рис. 4. Выходной сигнал фотоэлектрического преобразователя
В случае отсутствия помех от несгоревших частиц топлива, выходной сигнал на установившемся режиме можно рассматривать как стационарный случайный сигнал. Из сигнала ФЭП можно выделить:
максимальное значение сигнала, , за время оборота ротора;
минимальное значение, , за время оборота ротора;
среднемаксимальное значение, ;
среднеминимальное значение, ;
среднее значение переменной составляющей, .
Введение специального синхронизирующего быстродействующего устройства позво-
лит измерять мгновенное значение сигнала в требуемый момент времени. Возможность использования информации о температурном состоянии турбины, содержащейся в сигнале пирометра, определяется, с одной стороны, установлением взаимосвязи измеряемых параметров сигнала пирометра с температурными оценками теплового состояния ротора, с другой стороны — разработкой простой и удобной в эксплуатации аппаратуры, обеспечивающей необходимую точность измерения параметров сигнала.
Рассмотрим взаимосвязь мгновенного значения выходного сигнала пирометра с определенными температурами.
Мгновенное значение сигнала ФЭП характеризуется кажущейся температурой участка поверхности лопатки, который в момент измерения находится в поле визирования фотоголовки. Ввиду конечных размеров пятна визирования фотоголовки, локальную температуру лопатки можно оценить только путем введения поправки, учитывающей конечный диаметр пятна. Измеряя аналогичным образом выходной сигнал ФЭП в момент времени, когда в поле визирования находится наиболее либо наименее нагретый участок лопатки, можно оценить максимальную температуру лопаток, л, минимальную температуру лопаток, л, температуру максимально нагретой лопатки, р.
Аппаратная реализация возможности измерения мгновенного значения сигнала ФЭП в любое заданное время позволяет с помощью дополнительных расчетов определять все температурные параметры рабочих лопаток.
Ранее было сказано, что распределение температуры по траектории визирования и, соответственно, выходной сигнал ФЭП можно рассматривать как случайный стационарный процесс. Для оценки температурного состояния рабочих лопаток вероятностным методом необходима априорная информация о законе распределения температур между определенными лопатками и по самим лопаткам, доверительные интервалы и доверительная вероятность распределения. Эти параметры могут быть получены либо непосредственно в процессе измерения температуры лопаток, либо при контрольных стендовых испытаниях конкретного двигателя. В этом случае будут определены допустимые отклонения параметров температуры.
Определим связь максимального значения сигнала ФЭП, итах, за время одного оборота с различными температурами.
При измерении за время одного оборота невозможно дать точную оценку температурного состояния отдельных лопаток и осред-ненной температуры всего ротора. Максимальное значение сигнала определяет лишь температуру максимально нагретой лопатки.
Среднемаксимальное значение сигнала ФЭП за время одного оборота наиболее полно характеризует тепловое состояние входных либо выходных кромок, в зависимости от места установки ФЭП. Для получения значения среднемаксимальной температуры ротора необходимо по измеренному параметру и передаточной характеристике ФЭП определить кажущуюся температуру и ввести поправку, учитывающую конечный диаметр пятна визирования.
Среднеминимальное значение сигнала, иср тт, характеризует среднеминимальную температуру ротора, ТсртгП. В этом случае также необходимо учитывать осреднение, вносимое конечным значением диаметра пятна визирования.
Среднее значение сигнала, , позволяет дать оценку средней температуре всех лопаток, Тср. Осредненные параметры сигнала , , не могут дать количе-
ственной оценки температурного состояния локальных точек отдельных лопаток.
Одновременное измерение среднемаксимального и среднеминимального значения сигнала ФЭП позволяет определить иср, а по нему — Тср.
Измерение иср тах и 1/ср дает оценку [/ср щш, соответственно Тср тй. Измерение и позволяет определить и
. В этом случае необходима специальная аппаратурная либо математическая обработка результатов измерения параметров сигнала.
Алгоритм обработки выбирается исходя из необходимой точности измерения требуемого параметра рабочих лопаток, минимальной сложности аппаратуры, реализующей необходимое измерение для конкретного типа двигателя. Последовательно рассмотрим алгоритмы обработки сигнала ФЭП, позволяющие получить наиболее важные параметры температуры поверхности рабочих лопаток ГТД.
Для определения локальной температуры поверхности какой-либо лопатки, необходимо измерить мгновенное значение выходного сигнала ФЭП в момент времени, когда дан-
ный участок находится в поле зрения фотоголовки. В этом случае необходим сигнал о положении ротора турбины и устройство, реализующее измерение мгновенного значения сигнала. С помощью градуировочной характеристики определяем температуру, осред-ненную по пятну визирования — кажущуюся температуру:
Т*- = U„„,i • W^1 (11)
л% МГШ * у Г 1 \ /
где — градуировочная характеристика.
Для получения локальной температуры требуется ввести поправку, учитывающую конечный диаметр пятна визирования.
Определение максимальной температуры наиболее перегретой лопатки ротора осуществляется измерением максимального значения выходного сигнала ФЭП за время одного оборота ротора турбины:
Tmaxp = ^IT1-?7max + ATa. (12)
Эту же величину можно получить, из-
меряя максимальную величину температуры каждой лопатки , выбрав самую пере-
гретую.
Алгоритмы измерения осредненных значений температур лопаток по сигналу ФЭП сводятся к вычислению среднемаксимальной температуры:
П
53 -^тах лг
Тср тах = " ч (13)
П
и среднеминимальной температуры:
п
УЗ “fmin лг
Тсрт in = —--------, (14)
п
где — число лопаток
Оценка средних температур по осреднен-ному значению параметра содержит погрешность, вносимую нелинейной градуировочной характеристикой ФЭП. Для устранения этой погрешности необходимо ввести дополнительную обработку сигнала ФЭП.
3. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПИРОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Рассмотренные выше алгоритмы содержат операции линеаризации и несложных математических вычислений. Реализация таких вычислений возможна аналоговыми устройствами, как это решалось ранее, но при этом будут
