Современные газотурбинные двигатели

Введение

В настоящее время авиационные двигатели далеко ушли вперед. Современные газотурбинные двигатели применяются не только в авиационной промышленности, но и в нефтяной. В последние годы получают все более широкое применение промышленности газотурбинные установки (ГТУ). Они могут работать на органическом топливе различного вида, что позволяет их использовать в стационарном (тепловые электрические станции. компрессорные станции и т. д.) и в транспортном варианте (морские суда, железнодорожный транспорт и т. д.). На компрессорных станциях магистральных газопроводов ГТУ являются основными двигателями для привода газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Количество ГПА с газотурбинным приводом по суммарной мощности достигло 80 % от общей установленной мощности приводов на газокомпрессорных станциях.
Перспективность использования ГТУ на компрессорных станциях связана с их высокой энергоемкостью, автономностью, не требующей подвода дополнительной энергии и большим моторесурсом. Компактность ГТУ позволяет производить их в блочно-модульном исполнении, что облегчает условия монтажа и технического обслуживания. Одним из важных требований к характеристикам управления ГТД является высокая точность поддержания (ограничения) заданной температуры газа на установившихся и переходных режимах его работы, так как качество регулирования на режимах, предельных по температуре газа, является важным для получения требуемых характеристик и сохранения ресурса двигателя. В качестве измерителей температуры газа в САУ используются термопары.







1 Исследование пьезоэлектрических преобразователей для измерения температуры в авиационных двигателях.

Диапазон измерения:  от -70 до +1700 ? С
 В ПАО «ОДК-УМПО» температура газов авиационных двигателей измеряется с помощью термопары. Рассмотрим что такое термопара, принципы работы термопары, а также обозначим его достоинства и недостатки.
Термопара представляет собой устройство для измерения температуры, которое состоит из двух разнородных проводников, контактирующих друг с другом в нескольких или одной точке, которые иногда соединяют компенсационные провода. В тот момент, когда на одном из таких участков изменяется температура, создается определенное напряжение.
Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2.
Преимущества термопар
* Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С).
* Большой температурный диапазон измерения: от ?250 °C до +2500 °C.
* Простота.
* Дешевизна.
* Надёжность.
Недостатки
* Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.
* На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового датчика и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.
* Эффект Пельтье (в момент снятия показаний необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).
* Зависимость ТЭДС от температуры существенно нелинейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.
* Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.
* На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.
Целью работы является повышение быстродействия измерителей температуры газов газотурбинных двигателей с помощью пьезоэлектрических преобразователей.
Пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) и пьезоэлектрические акселерометры (ПЭА) используются во многих сферах измерительной техники. ПЭП являются одними из лучших датчиков для измерений параметров механических колебаний и ударов наравне с полупроводниковыми датчиками и практически полностью вытеснили преобразователи на других физических принципах.
Для начала сравним зарубежные и отечественные пьезоэлектрические преобразователи.
По результатам исследования было выявлено 7 наиболее известных зарубежных преобразователей, это:
1) PCB Piezotronik JNG, Endevco Corporation, DYTRAN, Sanstard Date contrl, США;
2) Erich Broza, Rheometron, Германия;
3) Flopetron, C.F.V.LTD, Франция;
4) Mullard Ltd, Merles, Motoroia JNG, AVL, Великобритания;
5) Kistler Instrument AG, Vibro-meter, Швейцария;
6) Hans List, Австрия;
7) Bruel & Kjaer, Дания.

Преобразователи российского производства:
1) ООО НПП «ТИК», г. Пермь;
2) НИИ Физических измерений, г. Пенза;
3) ЦНИИМАШ, г. Королев;
4) НПП «Пьезоэлектрик», г. Ростов-на-Дону;
5) ЗАО «Виброприбор»;
6) ООО «Актив – Термоклуб», г. Екатеринбург, г. Санкт-Петербург;
7) АО «Морион», г. Санкт-Петербург.
8) ООО «Приборы контроля – Пермь», г. Пермь.

Зарубежные преобразователи:
1) «PCB Piezotronics» производит датчики миниатюрные и индустриальные в диапазоне температур от минус 253 до 600 С, эталонные датчики и системы калибровки, датчики для ударных и сейсмических испытаний. Датчики комплектуются пьезокерамическими пьезоэлементами. Эксплуатируются в жестких условиях. Применяются авиакосмической промышленности (при разработке ракет, сверхзвуковых самолетов и современных вооружений), автомобильной и атомной промышленности и в медицине. Пьезоэлектрические датчики, выпускаемые фирмами Columbia Research laboratories, DYTRAN Instruments предназначены для измерения динамических давлений, характерных для явлений турбулентности, звука, кавитации и пульсации жидкостей и прочих применений.
   2) Kistler Instrument AG, 601CBA00001.5, 4080A250 и др.
Датчики давления Kistler Выпускаются 2-х типов:
Пьезоэлектрический датчик – это активный датчик давления для измерения квазистатических процессов, а потому отлично подходящий для динамических измерительных технологий. Он используется везде, где необходимо точно измерять и регистрировать быстрые колебания давления при температурах до 400°C.
Пьезорезистивный датчик - основан на полупроводниковом эффекте и находит более широкое применение, чем широко распространённые металлические тензодатчики.


Отечественные преобразователи:

1) ООО «Приборы контроля – Пермь»
Измерительные преобразователи температуры НПТ-1
Технические характеристики
НПТ-1.2х
НПТ-1.3х
НПТ-1.4х
НПТ-1.6х
НПТ-1.7х

ТУ	4227-088-10474265-07

Код по ОКП 42 2710
Измерительные преобразователи предназначены для преобразования сигналов от термопар (ТП) или термопреобразователей сопротивления (ТС) в унифицированный	сигнал	постоянного	тока.

Измерительные преобразователи применяются для установки в головки ТП или ТС.

Исполнение:
НПТ-1.А, НПТ-1.Е - залиты компаундом и вставляются в головку ТП или ТС.

НПТ-1.Г - вворачивается в головку кабельного ввода ТП или ТС.

НПТ-1-Ех - с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» с маркировкой 0ЕxiallCT6X.

Измерительные преобразователи НПТ-1.6 и НПТ-1.7 программируемые.

Пользователь с помощью внешнего пульта (поставляется по заказу) может:
- выбрать тип НСХ;
- выбрать диапазон измерения (преобразования);
- восстановить заводские настройки. 

2) НИИ Физических измерений, г. Пенза;
Датчик температуры ДТ 9

Назначение: измерение температуры жидких, газообразных и сыпучих сред.
Особенности:
- высокие вибро- и помехоустойчивости;
- самодиагностика обрыва и замыкания ЧЭ;
- не требует дополнительного обслуживания при эксплуатации;
- наличие калибровки;
- вид приемки – ОТК.
Технические характеристики:
Диапазон измеряемых температур
?С
±50; -50/+100; -50/+200
Основная приведенная погрешность, не более
%
0,25; 0,5
Зависимость выходного сигнала от измеряемой температуры

Линейная
Выходной сигнал
мА
4-20
Показатель тепловой инерции
с
30
Напряжение питания
В
12-40
Максимальное давление измеряемой среды
МПа
25
Температура окружающей среды
?С
±50
Сопротивление нагрузки с учетом линии связи
кОм
0,1-1,0
Длина монтажной и погружаемой частей
мм
50, 60, 80, 100 далее по заказу до 2000
Материал защитной арматуры

12Х18Н10Т
Схема включения

двухпроводная
Вибрационные ускорения/частотный диапазон
м/с2/Гц
49/10-150
Срок службы
лет
10
Масса, не более
кг
1,5
Исполнение:
Состоит из защитного кожуха, в котором расположен чувствительный элемент, и головки, в которой установлен вторичный преобразователь. Датчик имеет съемную крышку, устройство вывода выходных цепей, цепей питания и заземления. Степень защиты от внешних воздействующих факторов IP54 по ГОСТ 14254. Вид взрывозащиты «Взрывонепроницаемая оболочка».

3) НПП «Пьезоэлектрик»
Термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом ТСМУ, ТСПУ, ТХКУ, ТХАУ

Назначение: Датчики температуры (термопреобразователи) предназначены для измерения температуры газообразных, жидких, сыпучих веществ, не разрушающих материал защитной арматуры. Используются в системах автоматического контроля и регулирования температуры на объектах энергетики, нефтяной, газовой, горнодобывающей промышленности и других. 
Датчики температуры выпускаются в виде термометров сопротивления медных (ТСМ), платиновых (ТСП) и преобразователей термоэлектрических хромель-копель (ТХК), хромель-алюмель (ТХА). 
Датчики температуры могут быть выполнены с унифицированным аналоговым или цифровым выходным сигналом. В комплект такого датчика кроме первичного преобразователя температуры типа ТСМ, ТСП, ТХК, ТХА входит измерительный преобразователь ТП. Измерительные преобразователи легко монтируются в головке датчика температуры и могут поставляться отдельно.
Основные технические характеристики
Диапазон измеряемых температур термопреобразователей 
•ТСМ 
•ТСП 
•ТХА 
• ТХК
  

от – 50 до 150 о С 
от – 200 до 500 оС 
от – 40 до 1000 оС 
от – 40 до 600 оС
Длина погружной части:
от 50 до 2500 мм
Выходной сигнал
0-5; 4-20 мА
0,4-2В
RS485; USART
номинальная статическая характеристика термопреобразователей
100М, 100П, 50М, 50П, 1000Pt
длина погружной части выбирается из ряда, мм
50; 80; 100; 120; 160; 200; 250; 320; 400; 500; 630; 800; 1000; 1500; 2500
основная погрешность преобразования
0,15; 0,25 или 0,5%
питание от источника постоянного тока напряжением, В
3.2-5; 9-24
степень защиты датчика от пыли и воды
IP 54 по ГОСТ 14254-80
дополнительная температурная погрешность
не превышает половины от основной на каждые 10оС изменения температуры окружающей среды
Исполнение 
• общепромышленное 
• взрывобезопасное

ТСМ/ТСП/ТХА/TXK-1088 
ТСМ/ТСП/ТХА/TXK-1087
маркировка по взрывозащите
0ExiaIICT X; 1ЕxdIICT X
По требованию заказчика могут поставляться термопреобразователи с другими диапазонами измеряемых температур.
Конструкция термопреобразователя с унифицированным токовым сигналом

1 –термометр сопротивления ТСМ (ТСП) 
2 -измерительный преобразователь ТП 420/05 
B измерительный преобразователь закреплен в головке термометра сопротивления на металлических опорных стойках. Стойки служат клеммами для подсоединения питания и измерительного прибора.
Разработчики и изготовители газотурбинных установок (ГТУ) в России:

- АО «ОДК-Авиадвигатель» - г. Пермь;

- АО «ОДК-ПМ» - г. Пермь;

- ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение» - г.Казань;

- ПАО «ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение» - г. Уфа;

- ГП НПКГ «Зоря-Машпроект», Украина, г. Николаев;

- ОАО «Моторостроитель», разработчик СНТК им. Кузнецова – г. Самара.

- ЗАО «РЭП Холдинг» - г. С.-Петербург.

В КМПО так же как и в ПАО «ОДК-УМПО» температура газов измеряется термопарами Т-93 вар. 4 (4 шт.)



.......................