Температуры газов за турбиной двигателя.

Содержание лекционного занятия

 

Введение

 

Безопасность полёта и выполнение экипажем боевой задачи находится в прямой зависимости от надёжности работы авиационной техники. Безопасная и надёжная работа авиадвигателей и систем летательного аппарата обеспечивается их правильной эксплуатацией на земле и в полёте, а также выполнении требований инструкций и наставлений, регламентирующих порядок и правила эксплуатации авиатехники и объём выполняемых работ. Лётчику в полёте необходимо контролировать целый ряд параметров работы авиадвигателей, систем вертолёта, которые, могут изменяться в широком диапазоне. Это позволяет наиболее эффективно использовать возможности, заложенные в авиационной технике, и обеспечить надёжность и безаварийность её работы.

 

Вопрос 1. Контролируемые параметры силовых установок,

Агрегатов и систем ЛА.

 

Основные параметры, характеризующие режимы работы силовых установок, и их измерители приведены в таблице 1.

 

Таблица 1.Параметры режимов работы силовой установки

 

Параметр	Обозначение	Применяемый измеритель
Частота вращения об/мин Температура в двигателе перед турбиной за турбиной масла воздуха топлива Давление в двигателе, Па: топлива масла за компрессором в воздухозаборнике Перепад давл. на турбине, Па Отношение давление на входе в двигатель и за турбиной двигателя Расход топлива, кг/ч: основного форсажного Количество топлива в баках: объёмного, м3 массовые, кг Амплитуды вибрации, мм Частота вибрации, Гц Скорость вибрации, мм/с	n   T 3 T 4 T м T В T T   Р Т Р М Р К Р ПР ε т     π   Q т Q ф   V т М т а в f в υ в	Измеритель част. вращения (тахометр) Термометры Манометры Дифманометр Измеритель отношения давления Расходомеры Топливомеры Измерители параметров вибрации

Приборы контроля силовых установок предназначены для измерения и индикации параметров, характеризующих режимы работы силовых установок, управления и стабилизации этих режимов и сигнализации аварийных состояний.

С помощью этих приборов экипаж ЛА получает необходимую информацию о температуре и давлении жидкости и газов в различных системах силовых установок, об угловой скорости вращения валов двигателя или газовой турбины, расходе в единицу времени, общем количестве топлива и распределении его по бакам на борту ЛА и т.д.

Обобщённое функциональное выражение прибора контроля параметров силовых установок можно представить в виде:

 

Y(t) = F(Z,Q,X(t)

 

где, F – требуемая функция преобразования, реализуемая прибором;

Z – вектор внешних параметров, отражающих условия работы прибора (давление, температура, влажность и т.д.); Q – вектор внутренних параметров прибора (геометрические размеры элементов прибора, характеристики материалов, из которых изготовлены элементы, параметры физических законов, на основании которых действует прибор и т.д.).

Упрощённая структурная схема прибора представлена на рисунке 1.

Z1

Z2

…

Zm

q 1, q 2, q 3,…., q n

X(t)

Y(t)

 

Рис. 1. Прибор контроля параметров силовых установок

 

Вывод: большинство систем применяемых для индикации и регистрации вышеуказанных параметров выполнены дистанционными, состоящими из датчиков и указателей. Датчики устанавливаются в магистралях и узлах контролируемых систем, а указатели – на приборной досках и пультах лётчиков.

 

Вопрос 2. Принцип работы приборов и систем для измерения

температуры газов за турбиной двигателя.

 

Для получения максимальной энерговооружённости и экономичности полёта силовые установки ЛА работают с предельной тепловой напряжённостью. Вследствие этого на борту ЛА необходимо измерять и контролировать температуру различных сред и конструкций с высокой точностью. Так, на ЛА измеряют температуру газов в газотурбинных двигателях, масла в системах смазки, тепловоздушной смеси, окружающего воздуха, головок цилиндров поршневых двигателей и т.д.

Приборы для измерения температуры, применяемые в авиации, имеют чувствительные элементы (ЧЭ), которые непосредственно приводятся в соприкосновение со средами или конструкциями, температура которых измеряется. Передача тепла ЧЭ происходит либо путём теплопроводности при измерении температуры твёрдых тел, либо конвекции при измерении температуры жидких или газообразных сред. В качестве авиационных термометров наибольшее распространение нашли терморезисторные и термоэлектрические термометры дистанционного типа.

Терморезисторные термометры основаны на свойстве металлических и полупроводниковых терморезисторов, изменять своё сопротивление в зависимости от температуры.

Для металлических терморезисторов зависимость сопротивления R от измеряемой температуры Т в определённом интервале значений является линейной функцией

 

R = R _o[1 + α (Τ - Τ _o)],

 

где, R _o – сопротивление терморезистора при температуре Τ _o;

α – температурный коэффициент сопротивления.

 

В качестве материалов, которые используются для изготовления металлических терморезисторов, применяются химически чистые металлы, так как они обладают большими значениями α, стабильностью их в широком диапазоне температур, хорошей воспроизводимостью свойств и стойкостью к внешним воздействиям.

Значения температурных коэффициентов сопротивления α в диапазоне температур от 0⁰ до 100⁰ С следующие

 

Металл Ni Al Cu Ag Au Pl

α, град^-1 0,0067 0,0044 0,0043 0,0041 0,004 0,0039

 

Для полупроводниковых терморезисторов (термисторов) функция сопротивления R от температуры описывается нелинейной зависимостью

 

R = A e ^В/Т,

 

где, А, В – постоянные, характеризующие свойства материала термистора;

Т – температура, К.

Для изготовления термисторов применяются в основном медно-марганцевые и кобальтомарганцевые соединения. В авиационных терморезисторных термометрах в качестве термочувствительного элемента (ЧЭ) наибольшее распространение получила никелевая проволока, выдерживающая нагрев до 300 ⁰С. Её недостатком является зависимость температурного коэффициента α_Ni от примесей в металле. Чтобы исключить этот недостаток и обеспечить взаимозаменяемость датчиков, последовательно обмотке из никелевой проволоки подключают дополнительные сопротивления R _М из материала с возможно малым температурным коэффициентом α_М, обычно из константана или манганина.

Термометр типа ТЭУ. Унифицированный электрический термометр сопротивления предназначен для измерения температуры масла, воды и воздуха от – 70 до 150⁰ С. Комплект термометра состоит из датчика, указателя и линии связи. Электрическая схема прибора приведена на рисунке 2.

Рис.2. Унифицированный электрический термометр сопротивления

 

Терморезистор R_t никелевой проволоки включён в одно из плеч двойного моста. В качестве указателя применён логометр с неподвижными рамками L 1и L 2и подвижным магнитом Е 1. Одни концы рамок логометра соединены в общую точку А, другие – в мостовую схему через сопротивление температурной компенсации R 1и R 2 к точкам В и С. Параметры схемы рассчитаны так, что при температуре, равной половине диапазона измерений, потенциал точки А равен половине суммы потенциалов точек В и С. В этом случае токи в рамках L 1и L 2 равны, но противоположны по направлению. Подвижный магнит под действием магнитных полей рамок отклонится на угол, при котором стрелка, закреплённая на оси магнита, установится по шкале указателя в среднее положение. При изменении температуры среды сопротивление терморезистора R_t и потенциал точки А изменятся. Нарушится равенство токов в рамках. Стрелка логометра покажет по шкале указателя новое значение температуры. Схема двойного моста, применяемая в ТЭУ, имеет значительно сниженные температурные погрешности и повышенную чувствительность по сравнению со схемой, применяемой в ЭДМУ.

Рис. 3. Термодатчик

Термодатчик. Конструктивно термодатчик (Рис. 3) состоит из теплочувствительного элемента, корпуса 1 и штепсельного разъёма 5. Теплочувствительный элемент представляет собой тонкую (d = 0,05 мм) никелевую проволоку 8, намотанную на слюдяную пластину 9. Для изоляции никелевую обмотку закрывают с обеих сторон так же слюдяными пластинами. Улучшению теплообмена между никелевой проволокой и окружающей средой служат теплопроводящие прокладки 10 из серебра. Материалом для изготовления корпуса 1 служит нержавеющая сталь. В качестве указателя применяется логометр, имеющий такое же устройство, как и в ЭДМУ.

Датчик типа ТНВ. Для скорости набегающего потока до 100 м/с применяются конструкции, подобные рассмотренной (термодатчик). Торможение потока среды датчиком при таких скоростях не вызывает значительной погрешности. Для измерения температуры среды, движущейся с большими скоростями, корпус датчика конструируют так, что ЧЭ располагается вдоль набегающего потока.

Рис. 4.Конструкция датчика типа ТНВ

 

Корпус 2 датчика типа ТНВ для измерения температуры наружного воздуха представляет собой сопло Лаваля, которое устанавливается своей продольной осью вдоль вектора скорости набегающего потока. Термочувствительный элемент 1 состоит из изолированной никелевой проволоки, намотанной на медный каркас. Такая конструкция датчика при скорости ЛА, соответствующей М ≥ 0,5, обеспечивает в узком сечении сопла скорость течения воздуха, равную скорости звука в этой среде. На основе знания температуры ЧЭ Τ_Т и числа М определяется температура невозмущённого потока среды

 

Τ = Τ_Т / 0,978 (1 – 0,2 М²)

При изменении температуры у терморезисторных термометров возникают методические погрешности:

- за счёт передачи части тепла от терморезистора к месту его крепления и конструкциям, имеющим меньшую температуру, чем температура измеряемой среды;

- от торможения потока движущейся среды на датчики, при котором происходит переход в тепло кинетической энергии движущейся среды;

- от нагрева терморезистора протекающим по нему током.

Первую методическую погрешность уменьшают путём увеличения площади части датчика, погруженной в среду, и улучшения теплоизоляции непогруженной части. Вторая погрешность устраняется с помощью изменения конструкции датчиков.

Третья методическая погрешность снижается подбором параметров измерительной схемы с целью уменьшения тока I, проходящего через ЧЭ.

Динамическая погрешность, которая свойственна терморезисторным термометрам, объясняется тем, что датчик, обладая определённой теплоёмкостью, не может мгновенно реагировать на изменение температуры среды, а делает это с конечной скоростью, определяемой конструкцией датчика. Погрешности указателя подобны погрешностям логометра ЭДМУ. Общая суммарная погрешность термометров типа ТУЭ составляет ±3%.

Термоэлектрические термометры. Принцип их действия основан на термоэлектрическом эффекте возникновения термоэлектродвижущей силы в термопаре при наличии разности температур её спаев. Термопара, которая является ЧЭ термоэлектрического термометра, состоит из двух разнородных проводников, соединённых между собой путём спайки, сварки или оплавления (Рис. 5).

Рис. 5.Термопары с одним и двумя спаями

Для термопары термо-э.д.с. равна алгебраической сумме разностей потенциалов всех спаев. В термопаре, имеющей два спая, термо-э.д.с.

 

Е_АВ = (φ_А – φ_В) + (φ_В - φ_А) = f (Τ ₁ ) – f (Τ ₂ )

 

где, φ_А и φ_В – потенциалы проводников А и В соответственно;

Τ ₁ – температура исследуемой среды или температура горячего спая;

Τ ₂ – температура окружающей среды или температура холодного спая.

Для многих металлов возможна аппроксимация предыдущего выражения

Е_АВ = k (Τ ₁ - Τ ₂ )

 

где, k – коэффициент пропорциональности, зависящий от материалов термопары.

Если температура холодного спая равна нулю, то зависимость термо-э.д.с. от температуры горячего спая Е_АВ = kΤ ₁ при Τ ₂ = 0.

В авиационных термоэлектрических термометрах наибольшее применение нашли следующие термопары:

хромель – копель (Х-К), хромель – алюмель (Х-А), никель – кобальтовый сплав – специальный алюмель (НК-СА) и железоникелевый сплав – специальный копель (НЖ-СК).

 

 

Рис. 6. Статические характеристики применяемых термопар

 

На графике представлены статические характеристики наиболее применяемых термопар при температуре холодного спая, равной 0 ⁰С, из которых видно, что термопары НК-СА и НЖ-СК имеют зоны нечувствительности, т.е. возникновение термо-э.д.с. у них начинается только при определённых температурах, для термопары НК-СА при Τ ₁ > 300⁰С, для НЖ-СК при Τ ₁ >100 ⁰С. Благодаря этому свойству в указанных термопарах колебания температуры окружающей среды от +60 до- 60 ⁰С практически не оказывают влияние на значение термо-э.д.с. Следовательно, термометры, построенные на их основе, не имеют методической погрешности, которую вносит изменение температуры холодного спая.

Для измерения температуры могут быть использованы как отдельные термопары, так и термобатареи – соединение из нескольких термопар. Термобатареи измеряют температуру в различных точках среды и развивают термо-э.д.с., соответствующую средней измеренной температуре. Типовая электрическая схема авиационного термометра представлена на схеме. Такая схема относится к измерительным цепям прямого преобразования.

 

Рис. 7. Термопары НК-СА

 

Для уменьшения числа холодных спаев, являющихся источниками паразитных термо-э.д.с., в рассматриваемых схемах стремятся уменьшить число разнородных проводников. Поэтому провода, соединяющие термопару и указатель, изготавливают из тех же материалов, что и электроды термопар. В тех случаях, когда термопары состоят из благородных металлов, на изготовление проводов идут материалы с термоэлектрическими свойствами, подобными свойствам термопары. Соединительные провода для комплектов термопар НС – СА и НЖ – СК изготавливают из медного провода, так как медь в паре с этими термопарами развивает малые термо-э.д.с. при значительных изменениях Τ₂.

В качестве указателей используются магнитоэлектрические гальванометры.

Термометры типа ТВГ (термоэлектрические термометры выходящих газов) нашли наибольшее применение в гражданской авиации и служат для измерения усреднённой температуры заторможенного потока газов по сечению сопла реактивного двигателя. Для этого применяют четыре последовательно соединённых термопары НК-СА низкой чувствительности (Рис. 7). Их суммарная термо-э.д.с. пропорциональна средней температуре газов. Проходящих через сечение сопла. Электрическая схема ТВГ состоит из медных соединительных проводов R_ВН, манганинового сопротивления R_П , термосопротивления R_ТС , манганинового добавочного сопротивления R_Д и сопротивления рамки R_Р из медного провода.

Особенностью конструкции датчика термометра, представленного на рисунке 8 является наличие в защитной трубке 3 термопары 1 окна 2 большого размера для входа газов и окна 4 малого размера для выхода газов.

 

Рис. 8.Конструкция датчика-термометра с термопарой

 

Такая конструкция обеспечивает измерение температуры потока газов в заторможенном состоянии. По технологическим причинам невозможно получить идентичные статические характеристики всех изготавливаемых термопар. Поэтому термопары разделяют по группам, объединяя в них термопары с одинаковыми статическими характеристиками.

Соответственно каждой группе датчиков производится градуировка шкал указателей. Как датчики, так и указатели маркируются согласно нормам групп. При эксплуатации не допускается совместная установка датчиков и указателей, относящихся к разным группам.

Указателями термометров типа ТВГ (Рис. 9) являются магнитоэлектрические гальванометры.

9. Указатель термометра 10. Конструкция магнитоэлектрического

Гальванометра

 

Конструкция магнитоэлектрического гальванометра представлена на рисунке 10. Указатель состоит из стержневого магнита 7 с наконечником южного полюса в виде серповидной пластины 6 и наконечником северного полюса в виде разрезанного кольца 3, связанного с полюсом магнитопроводом 8. В зазоре между наконечниками перемещается рамка 4, жёстко связанная с осью 1, к которой крепиться стрелка 9, и спиральные уравновешивающие пружины 2,5и 10. Такая конструкция указателя обеспечивает угол отклонения стрелки до 230⁰. Предел измерения термометра типа ТВГ 300 – 900 ⁰С. Погрешность в основном диапазоне замеров 45 – 750 ⁰С не превышает ± 15 ⁰С. Основными недостатками рассмотренного прибора является, наличие зоны нечувствительности до 100 ⁰С. Следует также учитывать динамическую погрешность термометра. Постоянная времени прибора, на которую в основном влияет инерционность датчика, составляет 2 – 3 с.

С появлением ЛА больших размеров и увеличением расстояния между местами установки датчиков и указателей, а также ужесточением требований к точности измерений широкое применение получили термометры, основанные на компенсационном методе измерений (Рис. 11).

Рис. 11. Схема термометра, основанного на компенсационном методе измерений

 

Разность термо-э.д.с., снимается с термопар Т, и напряжение компенсации, снимаемое с мостовой схемы, состоящей из резисторов R 1 – R 9, поступают на усилитель УС и двухфазный индукционный реверсивный двигатель М. Последний через редукторы Р ₁и Р ₂ перемещает стрелки указателя и изменяет сопротивление R 6 до тех пор, пока напряжение мостовой схемы не скомпенсирует термо-э.д.с., получаемой с термопар Т. Питание мостовой схемы осуществляется от выпрямителя, состоящего из резисторов R 13, R 14, диода Д 1, фильтрующей ёмкости С 1 и стабилизаторов Д 2 –Д 6.

При изменении температуры окружающей среды меняется термо-э.д.с. термопар, но одновременно меняется и напряжение диагонали мостовой схемы за счёт изменения терморезистора R 2, имеющего температуру холодного спая термопар. Параметры схемы подобраны так, что они полностью взаимно компенсируются. Таким образом. В измерительную цепь указателя подаётся сигнал от термопар, соответствующий температуре их горячих спаев. Ввиду особенностей компенсационного метода измерений общие суммарные ошибки такого прибора будут составлять ± 10 ⁰С при диапазоне измерений 300 – 1000 ⁰С.