DE1648217A1

DE1648217A1 - Temperaturmessfuehler

Info

Publication number: DE1648217A1
Application number: DE19671648217
Authority: DE
Inventors: Lisse Carroll Wynn De; Burgess Jun Nathan Smith
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-09-06
Filing date: 1967-06-05
Publication date: 1971-05-27
Also published as: GB1173360A; US3451862A; SE312013B; CH474760A; NL6707463A; BE699482A

Description

Dipl.-Ing. Egon Prinz 1 6 A 8 2 1 Dr. Gertrud Hauser ⁸⁰⁰° »"«h.» 60. 5 j_unj ^gg^

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Dipl.-Ing. Gottfried Leiser Patentanwälte Telegramme: Labyrinth München

Telefon: 83 15 10 Postscheckkonto: München 117078

General Electric Company Schenectady, New York /

Y.St.A.

Unser Zeichen; & 1089

Temperatunneßfühler»

Die Erfindung bezieht sich auf einen Temperaturmeßfühler und insbesondere auf einen Temperaturmeßfuhler, der in einen heißen Gasstrom eingesetzt werden kann.

Wenn es gewünscht ist, die Temperatur eines heißen Gasstroms mit einem Temperaturfühlelement zu messen, so ist es erforderlich, einen Halterungs- oder Montagebauteil vorzusehen, um das Temperaturfühlelement in einer festen Lage im Gasstrom zu halten. Übliche Montagebauteile für diesen Zweok weisen die Form eines langgestreckten Bauteils auf, welcher sich von einem Träger der den Gasstrom begrenzenden Wandung aus in diesen Gasstrom hinein erstreckt. Die Teraperaturfühlelemente sind üblionorweise

am 109822/0266

am Montagebauteil derart befestigt, daß eine Bewegung relativ zum Montagebauteil verhindert wird und das Temperatur element gegen schädliche Einwirkungen des heißen G-asstroms geschützt wird.

lines der Probleme, die auftreten, wenn ein derartiger Aufbau verwendet wird, ist das, daß der Temperaturfühler Wärme auf die Wandung der Leitung für den Heißgasstrom abstrahlt, die eine wesentlich geringere Temperatur hat. Daraus folgt, daß die angezeigte Temperatur wesentlich kleiner ist als die tatsächliche Gastemperature

Ein anderes Problem entsteht durch die Spannungen, die im Montagebauteil erzeugt werden und die dazu führen, daß sich der Montagebauteil in Richtung der Gasströmung verbiegt. Eine der aufgebrachten Belastungen ist eine aerodynamische Belastung, die durch das Auftreffen des Gases auf die stromauf gelegene Kante des Montagebauteils entsteht.

Andere und bedeutendere Spannungsbelastungen werden durch schnelle Änderungen der Temperatur und der Strömungsgeschwindigkeit des heißen Gasstroms erzeugt. Die Strömung des Gases erzeugt einen Temperaturgradienten von der stromauf gelegenen Kante zur etromab gelegenen Kante des langgestreckten 109822/0266

gestreckten Bauteils. Daraus folgt, daß der stromauf gelegene Teil dieses Bauteils eine größere thermische Ausdehnung erleidet als der stromab gelegene Teil, und dies führt dazu, daß dieser Bauteil in Richtung des Gasstroms verbogen wird·

Die Verbiegung dieses Bauteils kann die Genauigkeit des Temperaturfühlers beeinträchtigen, und in extremen Fällen kann die Fähigkeit zur Messung der Temperatur verloren gehen.

Bs ist demzufolge ein Ziel der Erfindung, eine außerordentlich starre und sichere und wirksame Montageeinrichtung für einen Temperaturfühler zu schaffen·

Diese Ziele werden in einer Hinsicht dadurch erreicht, daß ein Fühler zum Einsetzen in einen heißen Gasstrom geschaffen wird, der einen hohlen, langgestreckten und verhältnismäßig starren oder steifen Bauteilkern aufweist, welcher ein freies Ende hat, das sich in den Gasstrom erstreckt. Eine lose sitzende, dünnwandige Hülse erstreckt sich wenigstens im wesentlichen bis zum freien Ende des Kernes, wobei ein Spielraum zwischen diesen Teilen vorhanden ist, in welchem ein ruhendes oder stillstehendes Gas angeordnet ist, um eine Wärmeschranke zwischen

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BAD ORfQfNAL

der Hülse und dem Kern zu schaffen, um die Wärmemenge auf ein Minimum herabzusetzen, die auf den Kern übertragen wird, und um im wesentlichen den Temperaturgradienten zu vermindern. Eine Yerbiegung des Fühlers, die durch die thermische Ausdehnung hervorgerufen wird, wird deshalb in außerordentlich hohem Maß ausgeschaltet.

Gemäß der Erfindung ist ein Fühler vorgesehen, der in einen heißen Gasstrom eingesetzt werden kann, wobei dieser Fühler einen hohlen, langgestreckten, verhältnismäßig steifen Bauteilkern aufweist, der ein freies Ende hat, welches sich in den Gasstrom hinein erstreckt, wobei dieser Kern eine größere Wandungsdicke am stromauf gelegenen Abschnitt als am stromab gelegenen Abschnitt aufweist, und wobei eine lose sitzende, dünnwandige Hülse vorgesehen ist, die einen stromlinienförmigen Querschnitt hat und die sich wenigstens im wesentlichen bis zum freien Ende des Kernes erstreckt, wobei zwischen diesen Teilen ein Spielraum vorhanden ist, in welchem ruhendes oder stillstehendes Gas eingeschlossen ist, um eine Wärmeschranke zwischen der Hülse und dem Bauteilkern zu bilden, um die Wärme auf ein Minimum herabzusetzen, die auf den Kern übertragen wird, und um den Temperaturgradienten im wesentlichen auszuschalten, so daß eine Verbiegung des Fühlers, die durch thermische Ausdehnungen erzeugt wird, in hohem Maß ausgeschaltet wird»

T)i ρ

Die Erfindung soll in der folgenden Beschreibung unter Zugrundelegung der Figuren der Zeichnung eingehend erläutert werden. Es zeigen:

Pigβ 1 eine Schnittansieht eines Temperaturfühlers nach der Erfindung,

Pig· 2 eine Schnittansieht, genommen längs der Linie H-II der Pig. 1,

Pig. 3 eine vergrößerte Teilansicht des in Pig. 1 dargestellten Temperaturfühlers,

Pig. 4 eine Schnittansicht, genommen längs der Linie IV-IV der Pig. 1,

Pig. 5 eine Teilaußenansicht des in Pig. 1 dargestellten Pühlera
und

Pig. 6 eine Ansicht bisher bekannter Temperaturfühler, bei der die Polgen thermischer Spannungen gezeigt sind.

Pig. 1 zeigt einen als Thermoelement ausgebildeten Pühler 10, der verwendet wird, um die Temperatur eines heißen Grasstromes festzustellen, der innerhalb einer Leitung strömt, die von einer Wandung 12 gebildet wird.

Der Temperaturfühler 10 weist eine zylindrische Basis auf, die sich durch einen Ansatz 18 in der Wandung 12

hindurch 109827^0266

hindurch erstreckt. Die Basis 14 wird mittels einer Mutter 16 gehalten, die auf den Ansatz 18 aufgeschraubt ist und die gegen einen Flansch 2 0 der Basis anliegt_o Ein Flansch 15 ist am Ende des Zylinders 14- angeordnet, um die Mutter 16 lose zu halten, wenn der Fühler von der Wandung 12 abgenommen ist«,

Ein hohler, stromlinienförmiger Kern 22 ist dadurch an der Basis 14 befestigt, daß ein Flansch 23 an dieser Basis angeschweißt ist„ Der Kern 22 weist eine langgestreckte Kammer auf, die durch sich überlappende Bohrungen 24 und 25 gebildet wird, wie es Fig. 2 zeigt. Die gegenüberliegenden Enden dieser Kammer sind mittels Zapfen 26 und 27 verschlossen, die vorzugsweise festgeschweißt sind. Die Zapfen 26 sind langgestreckt, um die Wärmeübertragung vom Fühler 10 auf die Wandung 12 zu unterstützen.

Eine Reihe von in längsrichtung sich erstreckenden Nuten 28 und 29 (Fig. 1 und 2) sind in der Vorderkante des Kernes 22 angeordnet. Eine Reihe von entsprechenden Bohrungen 51 im Flansch 23 bilden einen geradlinigen Durchgang von den Nuten 28 und 29 in das Innere der Basis 14.

Eine

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Eine rohrförmige Hülse 32, die einen stromlinienförmigen Querschnitt aufweist, ist über den·Kern 22 hinweggeschoben und erstreckt sich über dessen Ende hinaus» Die Hülse sitzt lose über dem Kern, um zwischen diesen Bauteilen eine wirksame Wärmeschranke zu bilden, und zwar auch dann, wenn zwischen diesen Teilen gewisse Berührungspunkte vorhanden sind. Das untere Ende der Hülse 32 ist geschlossen,

um eine Kammer 34 zusammen mit dem Ende des Kerns 22 und den Innenwandungen der Hülse 32 zu bilden«, Eine Öffnung 35 ist im stromauf gelegenen Ende der Hülse 32 vorgesehen, um eine Einlaßöffnung für die Kammer 34 zu bilden, und eine Reihe von Öffnungen 36 ist in den Seitenwandungen der Hülse 32 vorgesehen, um Auslaßoffnungen zu bilden, wie es in Mg. 5 dargestellt ist.

Die Hülse 32 wird am Kern 22 mittels eines rohrförmigen Zapfens 37 lose gehalten, der sich durch die Wandungen der Hülse 32 und eine Bohrung 38 im Kern 22 hindurch erstreckt. Eine Kappe 39» die am Flansch 23 befestigt ist, weist eine Öffnung 40 auf, die dem Umfang der Hülse 32 entspricht, um eine führung für diese zu bilden. Der rohrförmige Zapfen 37 kann leicht aus der Bohrung 38 herausgebohrt oder entfernt werden, um eine Auswechslung

•t

der Hülse 32 zu erleichtern, wenn diese Hülse durch Einwirkungen des heißen G-asstroms beschädigt sein sollte.

Die 109827/0266

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Die Temperaturmeßeinrichtungen, des erfindungsgemäßen Pühlers umfassen vorzugsweise Thermoelemente 41 und 4-4· Jedes Thermoelement weist eine äußere Hülle 49 und koaxiale Drähte 51 und 52 aus unterschiedlichen Materialien auf, die eine Thermoelementenverbindungsstelle miteinander "bilden· Die Drähte 51, 52 sind gegenüber der Umhüllung 49 durch ein geeignetes Material, wie beispielsweise durch eine keramische Schicht 48, isoliert.

Die Thermoelemente 41 und 44 sind durch die Bohrungen 51 hindurchgeführt und in den Nuten 28 und 29 befestigt. Das Thermoelement 41 ist in den Nuten 28 mittels eines Füll— drahtes '53 befestigt, der in der Nute 28 über der Schicht 49 liegt, wie es Fig· 3 zeigt. Die Pülldrähte können aus Nickel-Ohrom bestehen, oder es können andere hochwärmefeste Drähte mittels einer konisch geformten Elektrode auf der Schicht 49 und am Kern 22 an einer Vielzahl von Stellen 54 featgeschweißt sein. DaB Thermoelement 44 ist in ähnlicher Weise in der Nute 29 befestigt.

Die Thermoelemente 41 und 44 weisen geschlossene Schleifen 43 und 46 an der Thermoelementenverbindungsstelle auf, und diese Stellen sind in der Kammer 34 angeordnet, wie es 5¹Ig* 1 seigt» Die Thermoelemente sind mit einem Anzeige- oder Steuersystem verbunden. Jedes Element fühlt die

gleiche 10982?/Π?66

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gleiche Temperatur ab, und es ist selbstverständlich, daß auch ein einzelnes Element verwendet werden kann· Im Betrieb strömt das heiße Gas um die Hülse 32 herum und durch die Kammer 34 hindurch. Die Gase, die in den Einlaß 35 eintreten, treffen auf die Thermoverbindungsstellen der !Thermoelemente 41 und 44, und dadurch wird ein Spannungsausgang der Thermoelemente erzeugt, der proportional der Temperatur des G-asstroms ist. Strahlungsverluste der Thermoelemente 41 und 44 werden durch die Wandungen der Kammer 34 auf ein Minimum herabgesetzt, wobei diese Wandungen eine Temperatur haben, die etwa der des heißen Gasstrom3 entspricht_β Dadurch wird die Genauigkeit der von den Thermoelementen abgefühlten ^_emperatur ganz erheblich verbessert.

Wenn die heißen Gase um den freiliegenden Teil des Fühlers 10 herumströmen, werden aerodynamische und thermische Spannungen erzeugt, die den Kern 22 und die Hülse in Strömungsrichtung verbiegen.

Ein Beispiel der Folge derartiger Spannungen ist in Fig. 6 dargestellt. Diese Fig. 6 zeigt einen bisher bekannten Temperaturfühler 55 und ein Temperaturfühlelement 56, wobei diese Teile in der Wandung der Gasleitung mittela einer Basia 57 montiert sind» Die aero-

dynamiaohen

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dynamischen Kräfte wirken auf den Fühler 55 ein, um diesen in Richtung der Strömung zu verbiegen· Zusätzlich wird ein Temperaturgradient gebildet, der quer über den Fühler 55 verläuft, und dies führt zu ganz erheblichen Unterschieden in der Wärme ausdehnung _o Die Verbiegung, die der Fühler 55 erleidet, ist ganz erheblich und kann derart sein, daß der Fühler ausfällt oder zerstört oder schwer beschädigt wirde

Beim erfindungsgemäßen Fühler sind die aerodynamischen Spannungen, die durch die Geschwindigkeit des Gases entstehen, welches auf die Hülse auftrifft, verhältnismäßig gering, und diese Spannungen werden durch die stromlinienförmige Ausbildung des Querschnittes der Hülse 32 noch verminderte

Die thermischen Spannungen in der Hülse 32 werden dadurch vermindert, daß der Gasstrom die Hülse zwingt, sich gegen die stromauf gelegene Kante des Kernes 22 anzulegen« Dadurch ist ein größerer Abfluß von Wärme von der stromauf gelegenen Kante der Hülse 32 zum Kern 22 möglich.

Die thermischen Spannungen im Kern 22 werden dadurch erheblich vermindert, daß eine Wärmeschranke zwischen der Hülse 32 und dem Kern 22 vorgesehen ist, die die Strömung

der

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der Wärme zum Kern 22 auf ein Minimum herabsetzt, und dadurch wird auch die Wärmeausdehnung des Kerns 22 auf einen Minimalwert herabgesetzt. Obwohl sich die Hülse längs der Vorderkante gegen den Kern 22 anlegen kann, ist dieser Anlagekontakt nicht so innig, um die Wirkungen der Wärmeschranke auszuschalten« Eine etwas größere Wärmemenge wird der stromauf gelegenen Kante als der stromab gelegenen Kante des Kerns 22 zugeführt. Jedoch wird der Temperaturgradient zwischen diesen Kanten auf ein Minimum herabgesetzt und sogar vollkommen ausgeschaltet, und zwar durch die größere Wandungsdicke des stromauf gelegenen Teils, wodurch eine größere Wärmemenge abgeleitet werden kann.

Es ist klar, daß die thermische Ausdehnung des Kerns über den Querschnitt im wesentlichen gleich ist, so daß eine Verbiegung verhindert wird« Wegen des verhältnismäßig kleinen Spielraums zwischen der Hülse 32 und dem Kern 22 wird jede Verbiegung der dünnen Hülse 32 durch den verhältnismäßig starren Kern 22 aufgehalten«

Die Befestigung der Thermoelemente in den Nuten 28 und vermindert zusätzlich zum Schutz der Elemente gegen Vibrationen die thermischen Spannungen. Die Schweißpunkte 54 bilden einen Ilußweg für die Wärme von den Thermoelementen 41, 44 zum Kern 22« Dadurch wird die

Ausbildung 109827/0268

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Ausbildung von Temperaturunterschieden ausgeschaltet, die zu unterschiedlichen Ausdehnungen führen könnten.

•Durch die Erfindung wird ein sehr fester und robuster Fühler geschaffen, der verwendet -werden kann, ein Temperaturabtastelement in einem heißen Gasstrom zu tragen.

Es sei "bemerkt, daß die Erfindung nicht auf die speziellen Kons trukti ons einzeihe it en und Anordnungen der dargestellten Ausfuhrungsbeispiele "beschränkt ist. Es können Abänderungen und Veränderungen vorgenommen werden, die im Rahmen der Erfindung liegen.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1. Temperaturfühler zum Einsetzen in einen heißen Gasstrom, welcher einen hohlen, langgestreckten, verhältnismäßig steifen Kern aufweist, der ein freies Ende hat, welches sich in den Gasstrom hinein erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Kern eine größere Wandungsdicke am stromauf gelegenen Teil als am stromab gelegenen Teil aufweist, daß eine lose sitzende, dünnwandige Hülse, die einen stromlinienförmigen Querschnitt aufweist, sich wenigstens im wesentlichen Ms zum freien Ende dieses Kernes erstreckt und dabei einen Zwischenraum zwischen diesen Teilen bildet, in dem ein ruhendes Gas eingeschlossen ist, um eine Wärmeschranke zwischen der Hülse und dem Kern aufzubauen, um die Wärmemenge auf ein Minimum herabzusetzen, die auf den Kern übertragen wird, und um den Temperaturgradienten im Kern wesentlich zu vermindern, so daß eine Verbiegung des Fühlers durch thermische Ausdehnung ganz erheblich eingeschränkt ist·

2. Temperaturfühler naoh Anspruoh 1, bei welchem ein Temperaturabtastelement vorgesehen ist, welches sich in Längsrichtung des Kernes und über das freie Ende des Kernes hinweg erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß sich das

Ende

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Ende der Hülae über das freie Ende des Kerns hinweg erstreckt und dadurch eine Temperaturfühlkammer "bildet,
und daß die Hülse Öffnungen aufweist, um einenEinlaß und einen Auslaß für diese Kammer zu bilden, so daß das Temperaturabtastelement die Temperatur des heißen Gagstroms mit hoher Genauigkeit fühlen kann.

3. Temperaturfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein langgestreckter Verschlußzapfen vorgesehen ist, der im Basisende des hohlen Kernes angeordnet ist, so daß die Wärme, die auf den hohlen Kern übertragen wird, in wirksamer Weise vom Basisende abgeleitet werden kann, und daß die Umhüllung des Thermoelementes in den
Nuten befestigt ist, um eine Bewegung der Umhüllung relativ zum Kern zu verhindern, wobei die Wärme, die auf das Thermoelement übertragen wird, von diesem auf den Kern
übertragen wird_e

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