DE1698078A1

DE1698078A1 - Verfahren und Einrichtung zum Messen von Temperaturen

Info

Publication number: DE1698078A1
Application number: DE19681698078
Authority: DE
Inventors: Pratt Norman Frederick
Original assignee: CARRETT CORP
Current assignee: CARRETT CORP
Priority date: 1967-02-01
Filing date: 1968-01-31
Publication date: 1971-08-12
Also published as: FR1552626A; GB1219923A; US3483750A

Description

Verfahren und Einrichtung zum Hessen Temperaturen,,

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Messen von Temperaturen eines llüssigkeits'- oder Gasstromes. Insbesondere bezieht sie sich auf eine Meß einrichtung zur Bestimmung der Durchschnittstemperatur eines Stromes heißer Gase, der in den Einlaß einer Gasturbine fließt.

Bei der Mehrzahl der Gasturbinenmaschinen ist zwischen dem IiUftkompressor und der Turbine eine Brennkammer vorgesehen· Beim Betrieb der Maschine wird Brennstoff mit komprimierter Luft gemischt und in der Brennkammer verbrannt,.um heiße Gase zu liefern, die durch eine Düseneinrichtung gegen die Schaufeln eines Turbinenrades gerichtet werden, um dieses in eine !Rotationsbewegung zu versetzen. Um einen Betrieb bei möglichst hohem Wirkungsgrad und langer Lebensdauer der Maschine sicherzustellen, muß die Gastemperatur ii: einem vorbestimmten Bereich gehalten werden. Infolge der Größe, der Form, der Länge und anderer Eigenschaften des Gasdurchgangs zwischen der Brennkammer und den Einlaßdüsen, sowie der hohen Temperaturen und der möglicherweise lojcalen Temperaturschwankungen der durchfließenden Gase, ist eine /jenaue Bestimmung der Durchschnittstemperatur am Turbinenöinlaß ein schwieriges Problem»

Es ist die Aufgabe der. Erfindung, zum Messen der integrierten Durchschnittstemperatur von Gasen im Einlaß einer Gasturbine ein einfaches, zuverlässiges und relativ billiges Verfahren und eine Einrichtung zu dessen Ausübung zu schaffen, -,«wm

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Ein Z'.'isolz der Erfindung iet die Schaffung einer Einrichtung zur Bestimmung d-er Durchschnittstemperatur eines -FliiBsigkeits- oder Gasstromes, wobei die Einrichtung einen neuen Temperaturfühler aufweist, der allen Formen der Durchgänge anpaßbar ist, wodurch alle Punkte quer durch einen Gasstrom von einer Seite zur anderen od;er um- einen ringförmigen Strom herum^gleichzeitig kontrolliert v/erden können und die Durchschnitt st err.peratur im wesentlichen sofort und genau bestimmt werden kann*

Ein besonderer Zweck der Erfindung besteht in der Schaffung einer Einrichtung zum Messen der Einlaßtemperatur einer Gasturbine, wobei ein Fühler direkt mit den Gasen in Yerbindung steht und in besonderer "./eise von den Temperatur Schwankung en der Gase betroffen wird; dieser Fühler ist mit einem entfernt angeordneten elektrischen Meßkreis verbunden, dessen Anzeigeinstrument auf die durch die Tem- = peratur ausgelösten Veränderungen in dem Fühler anspricht und die Durchschnittstemperatur aes Gasstromes anzeigt.

Hierzu wird ein Temperaturfühler benutzt, der aus zwei langen elektrischen leitern besteht, die in Abstand voneinaneder mittels eines Körpers aus keramischem Isoliermaterial gehalten werden, dessen elektrischer Widerstand als Funktion der Temperatur variiert. Dieser Fühler erstreckt sich quer zum Gasstrom und wird von den Gasen getroffen, wodurch die Durchschnittstemperatur gemessen'wird, obwohl die Temperatur quer 2um Strom verschieden sind,

Der Fühler besteht aus einer äußeren Metallhülle, die einen Körper aus keramischem Isoliermaterial, wie Magnesiumoxyd, Aluminiumoxyd oder dergl., umschließt, der seinerseits einen Mittelleiter umgibt, wobei das Isoliermaterial einen elektrischen Widerstand hat, der als Funktion der Temperatur variiert. Bei einem solchen Fühler gehen die Temperaturen besonders heißer-Punkte in die Durchsohnittstemperatur ein und beeinflussen den Betrieb des Meßkreises j man kann somit Maßnahmen ergreifen, um überhöhte oder zerstörende Temperaturen zu vermeiden, wodurch die Lebensdauer der Turbine erhöht werden kann*

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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung besitzt der Fühler einen Bereich, der von dem den heißen Gasen ausgesetzten Bereich durch weniger hoch erhitzte Zonen zu dem außen angeordneten Meßkreis führt. Dieser zweite Bereich weist die gleiche Bauart auf, besitzt aber einen "keramischen Isolierkörper von verschiedenem Material, das auf die Hitze weniger ansprechen kann, so daß die angezeigten Temperaturen aus den Heißgas- oder anderen gewünschten Zonen stammen«

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert«

Pig«, 1 zeigt im Axialschnitt die Brennkammer und den Turbin.eiiteil einer Gasturbinenmaschine in abgebrochener porin mit dem Fühler der Meßeinrichtung für die Messung der Turbineneinlaß — Durchschnittstemperatur, gemäß der Erfindung j- .

Pig. 2 ist ein Teilquerschnitt durch die Brennkammer und den cugehörigen Teil der Maschine entlang der Linie II - II in Pig. I geschnitten;

Pig. 5 ist ein Teillängsschnitt durch den Temperaturfühler der Eeßeinrichtung, wobei ein Meßkreis ebenfalls gezeigt ist;

Pig. 4 und 5 zeigen abgeänderte Meßkreise für die Einrichtung; und

Pig. 6 ist ein Diagramm, das in Kurvenform den Widerstand eines keramischen Isoliermaterials in Abhängigkeit von der Temperatur zei&t.

In den Pig«, 1 und 2 ist mit IO das Turbinenende einer Gasturbinenmaschlne bezeichnete Dies Maschinenende schließt ein Gehäuse 11 ein, welches einen Raum 12 zum Empfang der komprimierten Luft aus dem Kompressorteil (nicht gezeigt) der Maschine bildet. Bei der gezeigten Maschine schließt der Raum 12 eine ringförmige Brennkammer 13 ein, die eine Anzahl von Öffnungen 14 zum Eintritt der Luft aus dem Haum 12,in das Innere der Brennkammer aufweist. An ihrem vorderen

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Ende steht die Brennkammer mit einem rückwärts gekrümmten Teil 15 in Verbindung, das wiederum bei 16 mit dem Einlaß zur Turbine 17 zusammenhängt» Die Turbine weist die üblichen Einlaßschaufeln 18 und eine Anzahl von Rädern 19 auf, deren Schaufeln sich in einem Gasdurchgang 20 befinden, der vom Einlaß 16 zu einem Auslaßpunkt führt _β

Die Brennkammer 14 besitzt eine oder mehrere Zerstäuberdüsen 21, durch welche Brennstoff in die Brennkammer eingespritzt werden kann» Dort wird der Brennstoff mit der komprimierten luft vermischt und verbrannt, um die Turbine anzutreiben·

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Bestimmen der Durchschnittstemperatur der von der Brennkammer zum Einlaß der Turbine fließenden Gase» Dazu wird ein Fühler 22 benutzt, der als längliches Element ausgebildet und so angeordnet ist, daß er sich vollständig um die ringförmige Brennkammer erstreckt, wie in Fig» 2 gezeigt ist» wobei der Fühler 22 in diesem lall mittels Klemmen 23 an der Außenwand der Brennkammer befestigt ist» Der Fühler hat einen Bereich 24, der durch die Außenwand der Brennkammer geht, und sich rückwärts durch das Gehäuse 11 erstreckt, wo der Anschluß an den. elektrischen Meßkreis stattfindet. Diese Befestigungsweise erlaubt den leichten Ausbau oder Ersatz des Fühlers zur Wartung und/oder Reparatur, wozu lediglich die Befestigung gen 11 A zu lösen und das Gehäuse 11 und die Brennkammer rückwärts von, dem gekrümmten Teil 15 zu entfernen sind« Eine Zerlegung des rotierenden Teiles der Turbine ist nicht erforderlich»

Wie in Fig. 3 gezeigt besteht der Fühler»22 aus einer äußeren Metallhülle 26, die einen keramischen Isolierkörper 27 umgibt, in dem ein. elektrischer Xteä.tai*-28 mittig auge ordnet ist» Der Fühler 22 kann dadurch hergestellt wurden_s daß man den Leiter 28 und das keraraiBGhe Isoliermaterial in die Hülle einbringt und die Anordnung sussmmenpreBt, um das Material zwischen*der Hülle und dem MIttelleitea? kompakt

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zu machen* Das keramisehe Material kann aus Magnesium·· oxyd, Aluminiumoxyd oder einer anderen Substanz "bestehen, die die gewünschte elektrische WiderstandsGharakteristik in Abhängigkeit von der !Temperatur aufweist, wie typisch in J¹Ig. 6 gezeigt ist* In einem praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung bestand der Fühler aus einem Stück zusammengepreßtem MgO mit einer Inconel-Hülle,

der Fühler wie gezeigt angeordnet ist, erstreckt er sich quer zum Gasstrom vollständig um die ringförmige Brennkammer herum. Der Fühler ist somit dem Gasstrom ausgesetzt und spricht auf dessen Hitze an gleichgültig ob die Temperatur der Gase gleichförmig oder veränderlich ist,

Wie in Fig* 3 gezeigt ist, führen Zuleitungsdrähte .30 und 31 von der Hülle und dem Mittelleiter zu einem Anzeige «» kreis, dex mit 32 bezeichnet ist. Dieser Kreis enthält eine Stromquelle 33)» die an die Zuleitungen 30 und 31 geschaltet ist. Ein Voltmeter oder ein anderes geeignetes Meßinstrument ist zwischen die Zuleitungen 30 und 31 geschaltet, um die Veränderung des elektrischen Widerstandes des keramischen Isoliermaterials in Abhängigkeit der iemperatursohwankungen anzuzeigen* Die Ausgangsstellung des Zeigers des Anzeigeinstruments 34 kann mittels eines Regelwiderstandes 35 eingestellt werden, der in eine der Zuleitungen zwischen der Stromquelle und einem der leiter des Fühlers eingeschaltet ist« Da der Fühler schwankenden lemperaturen ausgesetzt ist, ändert sich der Widerstand des keramischen Isoliermaterials und der Zeiger des Anzeige instrument bewegt sich relativ zur Instrumentenskala. Die Skala to leaperaturgraden geeicht sein*

Die in den Fig. 4 und i? gezeigten Anzeigekrelse können anstatt um SpannuKigsiiöilerkyeisQS 32 benützst werden, I« fig· 4 ist eine Qmelle 36- feonstaten Stromes anstelle der Qttelle 33 1» Kreis 3U vorgesehen* lea? abgeänderte Kreis aus fig* 4 fflaefet velt6xb£&' von einem A&aeigai&igtrmnenii 34 A

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Gebrauch., das an die leitungen der Stromquelle geschaltet ist_β In Pig. 5 wird eine Brückenschaltung 37 benutzt, bei d.er .der elektrische Widerstand des Fühlers 22 als ein Brückenzweig fungiert. Andere geeignete Widerstände sind in bekannter Weise zusammengeschaltet und bilden die anderen Zweige der Brückenschaltung "37 y wobei die Anschlüßpunkte 38, 39, 4-0 und 41- zwischen angrenzenden Zweigen entstehen. Die Stromquelle 42 ist mit einem Pol an den Anschlußpunkt 38 geschaltet, mit dem auch die Zuleitung 31 des Wühlers verbunden ist. Der andere Pol der Stromquelle ist mit dem gegenüberliegenden Anschlußpunkt 40 der Brüoke verbunden. Ein elektrisches Anzeigeinstrument 43 ist zwischen die restlichen Anschlußpunkte 39 und 41 der Brücke geschaltet, wobei der Anschlußpunkt 39 mit der anderen Zuleitung 30 des lühlers 22 verbunden ist·

In allen gezeigten Meßkreisen zeigt das Anzeigeinstrument die Änderung des elektrischen Widerstandes des keramischen Isoliermaterials in Abhängigkeit von den Temperatur Schwankungen an· Diese Anzeige kann mit einer in Temperaturgraden geeichten Skala verglichen werden. Die gezeigten Stromquellen liefern Gleichstrom; jedoch kann Wechselstrom ebenso gut benutzt werden.

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Claims

Patentansprüche ι

1# Einrichtung zum Messen der Einlaßtemperatur einer Gasturbineι dsren Brennkammer mit der Einlaßdüse der !Turbine in Verbindung steht, gekennzeichnet durch einen zwischen der Brennkammer und der Ein-» laßdüse der !Turbine anbringbaren Fühler, der aus zwei langen elektrischen leitern besteht, die in Abstand voneinander mittels eines Körpers aus keramischem Isoliermaterial gehalten werden, dessen elektrischer Yiiderstanö als funktion der !Temperatur variiert, und durch einen mit den Leitern und einer elektrischen Stromquelle verbundenen elektrischen Meßkreis, der ein mit-- den Leitern des Fühlers elektrisch verbundenes Anzeigeinstruffient zur Anzeige der Widerstandsänderungen des Isoliermaterials in Abhängigkeit von den !Temperatur— änderungen enthält.

2» Heßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der fühler sich quer zu dem aus der Brennkammer su der lurbineneinlaßdüse fließenden Sasstram erstreckt»

3. Heßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler aus einer Metallhülle besteht, die einen keramischen Isolierkörper und einen im wesentlichen sich gleich erstreckenden Mittelleiter umschließt.

4e Meßeinrichtung nach Anspruch 1« dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler aus zwei langen, konzentrischen Leitern besteht, zwischen denen sich zusammengepreßtes keramisches Isoliermaterial befindet*

5* Heßeinrichtung nach Anspruch 5 oder 4% dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Isoliermaterial Magnesiumoxyd ist. _■_._'

S» Keßeinrichtung nach.Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der lange Mihler sioh vollständig um einen 'ringförmigen ßasdurchgang erstreckt, der die Brennkammer mit der Einlaßdüse der !Turbine verbindet, um die Durch.-

Jaindurchfließende,n G-äse zu messen,.

7« Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler einen erste!) Bereich aufweist, der den von der Brennkammer zur lurbiiteneinlaßdürie fließenden Gasen ausgesetzt ist, uric einen zweiten Bereich, "der vom ersten Bereich zum Anschluß an den elektrischen Heßkreis führt, und 'daß die keramischen leolierHiateria*- lien des ersten und zweiten .Bereiche unterschiedliche elektrische Widerstandsohuralcueristiken aufweisen.

8, Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,-daß der elektrische Keßkreis eine Justiereinrichtimg zur Einstellung der Ausgangsstellung des Anζelgeinstruments besitzt*

9. ließ einrichtung nach Anspruch 1, dadurch .gekennzeichnet, daß der elektrische Keßkreis als Spannungsteiler ausgebildet ist mit einer elektrischen Stromquelle, die mit -

- - den Leitern des Wühlers verbunden ist, daß zv/ischen eineia Pol der Stromauelle und den Fühler ein Hogelwiäerstanä eingeschaltet ist, und daß ein Anseigeinstrument an die Verbinduiugen zwischen der Stromquelle und dem Fühler geschaltet ist und zwar an das dem Fühler zugewandte Ende des Regelwiderstaiides.

IC, Meßeinrichtung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Keßkreic- als Brückenschaltung ausgebildet ist, wobei der durch den Fühler gebildete. Widerstand einen Zweig der Brücke darstellt, und daß das Anzeigeinstrument in der Brückendiagonale, ange- _: ordnet ist. · : ._,..

11. Fühler zum Messen der Durchschnittstemperatur in einem Flüssigkeits- oder Gasstrom, gekennzeichnet durch zwei in den Strom einbringbare elektrische leiter, und durch einen Körper aus keramischem Isoliermaterial* der die leiter auf Abstand hält, wobei das Isoliermaterial einen elektrischen Widerstand aufweist, der als Funktion der Temperatur variiert«

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12. Fühler nach. Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen" Leiter über die ganze Länge des Fühlers auf gleichem Abstand gehalten sind.

13. Fühler - η ;u;\ Α:.!.-.τμ .-'. 11, um durch gekennzeichnet;, dai3 die elektrischen Leiber aus "einer Hülle und einem sich in üieeer axial orstreckoiiJen-Element besteheno

I₁-. Fehler nach Anspruch 11, .dadurch gekennzeichnet, daß da*-; Isoliermaterial vom Typ HgO, Al 0-, ist und innerhalb einer elektrisch leitenden Hülle um einen Leiter herura^epreßt ist.

15. Verfahren uur Be^timmu-i^ der Dur ein schnitt st eiiiperatur eine;'; G-·.· sr; br one a, cHcLureh ^ekemu-; eicliüet,- daß man einen Zurper au3 l3Olijv,iaterial, dessen elektrischer Vfiderütand ;rli: Funktion rier i'öiaperatur· variiert, in dem n J er art anbringe, daß (3er Körper sich von der

ijoite sur anderen Saite des Gasstromes erstreckt, <Ί:\2 j'i-'tn ein on elektrischen Strom an die gegenüherliegen- fiüii S-jiteij deu Körpers auu Isoliermaterial anlegt und daß iian den üas Isolieri:iaterial durchfließenden Stroai L.ißb, um die ¥ider stand sand erungen des Isoliermaterials Iz en.

IG. Y^c;rfiihron rmeh Anspruch 15, dadurch gekennseicimet, ünll t'j.iix dio ./ider;;tiinusän?]erung auf einer In !Temperatur ^eeichten Ckala uri'zel^t.

17. Vfir.Dihren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß <3or 'jrififjtrorj einen rinrif^rmigon Querschnitt hat, und άί\Β dor Körper aus Isoliermaterial sich vollständig um den ringförmig^rm Quorschnitt erstreckt.

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