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General Electric Company, Schenectady, New York/USA
Thermoelement Die Neuerung betrifft eine Konstruktion eines Thermoelementes, dessen
Lötstellen gegen mechanische Beschädigungen geschützt sind, und dessen Ansprechempfindlichkeit
auf Temperaturänderungen vergrößert ist.
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Thermoelemente werden häufig zwecks Anzeige oder Steuerung in einer
Gasströmung zur Abtastung oder Messung von deren Temperatur untergebracht. Allgemein
werden Thermoelemente in der Auslaßströmung von Gasturbinen angewendet, um die Temperatur
des Abgases abzutasten und dadurch die Brennstoffversorgung zur Maschine zu beeinflussen
oder die Querschnittsfläche der Auslaßdüse zu steuern und dadurch die Überschreitung
gewisser kritischer Temperaturwerte der Maschine zu verhindern. Die Temperaturänderungen
der Düsenauslaßströmung können nämlich shhr schnell erfolgen ; Temperaturen, die
über die kritischen Werte sogar während einer sehr kurzen Betriebsdauer hinausgehen,
können schnell eine Zerstörung der lebenswichtigen Teile der Maschine bewirken.
Zum Schutz der Maschine muß das Thermoelement diese Temperaturänderungen schnell
abtasten und anzeigen.
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Die in Düsenauslaßströmungen auftretenden Betriebsbedingungen sind
sehr ernst zu nehmen, da die Geschwindigkeit und die Temperatur der Strömung sehr
hoch sind. Häufig werden Festkörper, Teilchen oder Körnchen von der Saugströmung
am Kompressoreinlaß aufgenommen, von denen die Lötstelle des Thermoelementes zerbrochen
werden kann. Außerdem kann die ziemlich empfindliche Lötstelle des Thermoelementes
vom Bedienungspersonal beschädigt werden, wenn es an der Maschine arbeitet. Obgleich
Anstrengungen unternommen worden sind, die zu den Maschinen eingelassene Luft zu
filtern, geht noch ein gewisser Restbetrag an Teilchen
durch die
Maschine hindurch und bewirkt eine Erosion und einen möglichen Bruch des der Strömung
ausgesetzten Thermoelementes und insbesondere der Lötstelle des Elementes.
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Es ist daher von Bedeutung, daß die Lötstelle des Thermoelementes
hiergegen so weit wie möglich geschützt wird. Andererseits müssen die Thermoelemente
in der Düsenauslaßströmung eine hohe Ansprechempfindlichkeit besitzen, so daß sogar
schnelle Temperaturänderungen sofort genau angezeigt werden und das Vorhandensein
hoher Temperaturen unmittelbar an die Regelgerät übermittelt wird, damit die Betriebstemperatur
der Maschine innerhalb des kritischen Bereichs gehalten werden kann.
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Bislang hat man, wenn ein schnelles Ansprechen erwünscht ist, ein
Schutzgehäuse rund um die Lötstelle des Thermoelementes als nicht wünschenswert
angesehen, da das schützende Gehäuse notwendigerweise die die Wärme aufnehmende
Masse im Bereich rund um das Thermoelement vergrößert und die Gasströmung an der
Lötstelle des Thermoelementes vorbeizukommen sucht, wodurch schnelle Temperaturänderungen
nicht mehr so schnell angezeigt werden können, um einen wirksamen korrigierenden
Riegelvorgang einzuleiten. Das Gehäuse sucht außerdem das Thermoelement gegen schnelle
Temperaturänderungen in der strahlförmigen Auslaßströmung zu isolieren.
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Gemäß einer Ausführungsform der Neuerung erstreckt sich ein zylindrisches
Gehäuse über die Lötstelle des Thermoelementes hinaus, die aus einer isolierenden
abstützenden Masse hervorragt, die die Leitungen des Thermoelementes umgibt. Eine
Einfassung um die Lötstelle des Thermoelementes wird von der Verlängerung des Gehäuses
und einem Endverschluß bewirkt. In der Verlängerung des Gehäuses sind zwei diametral
gegenübergslegene Öffnungen vorgesehen, so daß die Gasströmung durch die Einfassung
an der Lötstelle des Thermoelementes vorbeigehen kann. Die Turbulenz, die von der
Gasströmung an den Vorderkanten der stromaufwärtigen Öffnung bewirkt wird, bricht
die Grenzschicht der Luft auf,
die die Lötstelle umgibt, und vergrößert
die Ansprechgeschwindigë keit der Lötstelle.
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Insbesondere können die die diametral gegenübergelegenen Öffnung umgebende
Hülle als Trichteranordnung ausgebildet sein, um die in die Einfassung hinein und
an der Lötstelle vorbeilaufende Gasmenge zu vergrößern. Außerdem können ein oder
mehrere Streifen quer zur stromaufwärtigen Öffnung angebracht werden, um weitere
Verunreinigungen der Gasströmung auszufiltern und die Turbulenz der Gasströmung
im Bereich der Lötstelle des Thermoelementes zu steigern.
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Zum besseren Verständnis der Neuerung seien die beigefügten Figuren
näher erläutert.
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Figur 1 ist ein Querschnitt durch ein Thermoelement gemäß einer Ausführungsform
der Neuerung, das mit einer Anzeigeschaltung in Verbindung steht.
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Figur 2 ist eine vergrößerte Ansicht des Abschnittes des Thermoelementes
gemäß der Figur 1, der die der Lötstelle des Thermoelementes zugeordneten Teile
enthält.
| Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform der Neuerung. |
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| Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Neuerung. |
| Gemäß den Figuren 1 und 2 ist die Anordnung eines Thermoelementes, |
die ein zylindrisches Gehäuse oder eine zylindrische Hülle 1 enthält, in einer Öffnung
einer Gehäusewand 2 einer Gasturbinenanlage oder einer anderen Kammer untergebracht,
die eine nachzumessende Flüs3igkeits-oder Gasströmung umschließt.
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Die vom Thermoelement abgegebenen Ausgangssignale lassen sich an zwei
Leitern 3 abnehmen, die über Leitungen 5 mit einer weiteren Lötstelle 4 und einem
Milliamperemeter oder einem anderen Anzeige-oder Regelgerät 6 in Verbindung steht.
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Das Thermoelement 1 besitzt ein röhrenförmiges Gehäuse 7 aus rostfreiem
Stahl oder einem anderen Metall, an dem außen
ein metallischer Montageflansch
8 befestigt ist, der vofzugsweise an dem Gehäuse angeschweißt oder mit diesem hartverlötet
ist, um das Durchsickern von Gas zu beschränken. Durch die Bohrung des Gehäuses
7 laufen zwei Leitungen 9 und 10 aus unterschiedlichen Metallen hindurch, die elektrisch
mit Leitern aus entsprechenden Metallen in einem Kabel 12 mit einem isolierenden
Überzug verbunden sind.
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Das Ende des Gehäuses 7 mit den Anschlußstellen kann an einer Stelle
11 aufgebogen sein, um das isolierte Kabel 12 des Thermoelementes gegen die scharfen
Ränder des Gehäuseendes zu schützen. Um das Kabel 12 des Thermoelementes mit dem
Gehäuse 7 zu verbinden, kann eine Buchse 13 aus Messing oder einem anderen Metall
vorgesehen sein, deren Außendurchmesser derselbe oder etwas größer als der Innendurchmesser
des Gehäuses 7 ist, so daß ein sehr fester Sitz entsteht, wenn die Buchse am Ende
des Gehäuses mit den Anschlußstellen jenseits der Aufbiegung 11 eingesetzt wird.
Der Innendurchmesser der Buchse ist ein wenig kleiner als der Kabeldurchmesser,
so daß diesedas Kabel 12 des Thermoelementes fest ergreift, ohne seine isolierende
Decke zu durchschneiden.
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Die Leiter des Thermoelementes sind gegeneinander und gegen die Gehäusewände
durch einen Isolationskern isoliert, der häufig aus einem pulverförmigen Isoliermittel
15 besteht, das Magnesiumoxyd oder Aluminiumoxyd (MgO oder Al 203) enthalten oder
sein kann.
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Andererseits können die Leitungen eingezogen oder keramisch eingebettet
sein. Die Konstruktionseinzelheiten des Endes des Gehäuses 7 mit den Anschlußstellen
und deN zugehörigen Leitungen sind frei wählbar.
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Um zu verhindern, daß das pulverförmige Kernmaterial am Lötstellenende
des Thermoelementengehäuses abblättert oder sich zersetzt, kann eine einschließende
Vorrichtungz. B. ein Kernstöpsel 16 zur Abdichtung des Lötstellenendes benutzt werden.
| Die Leitungen 9 und 10 des Thermoelementes aus den ungleichen |
Metallen laufen durch den Kernstöpsel 16 hinaus und sind zu einer Lötstelle 21 des
Thermoelementes zusammengeschweißt. Die Lötstelle 21 des Thermoelementes ist innerhalb
einer Einfassung untergebracht, die von einem Verlängerungsabschnitt 22 der Hülle
7 des Thermoelementes und einem Abschlußkörper 23 gebildet ist, der ein Seil der
Hülle sein oder an dieser angeschweißt sein kann.
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Da der Verlängerungsabschnitt 22 zweckmäßigerweise denselben Durchmesser
wie das Gehäuse 7 erhält, können die üblichen Thermoelementenprüfgeräte leicht über
den Verlängerungsabschnitt gestülpt und in engen Kontakt mit dem Gehäuse gebracht
werden.
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Diametral entgegengesetzte axiale Öffnungen 24 im Verlängerungsabschnitt
22 ermöglichen, daß die zu messende Gasströmuhg, die durch den Pfeil in Figur 1
angegeben ist, zwischen ihnen hindurch und an der Lötstelle 21 vorbeigeht. Die vorzugsweise
Gestalt der Öffnungen 24 ist in Figur 2 zu sehen, in der die Öffnungen axial verlaufen
und im wesentlichen rechteckig mit abgerundeten Enden ausgebildet sind. Die axialen
Öffnungen 24 laufen über die Lötstelle 21 des Thermoelementes in Richtung auf den
Abschlußkörper23 hinaus.
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Das Thermoelement 1 wird in üblicher Weise in der Wand 2 einer Kammer
eingesetzt, die das zu prüfende Verbrennungsgas oder die Gasströmung einschließt.
Bei einer typischen Einbauart wird eine Mutter 17 mit einem ringförmigen Innenflansch,
der gegen den Flansch 8 der Thermoelementenanordnung drückt, auf einem Körper 18
mit einem Außengewinde aufgeschraubt, der seinerseits an der Kammerwand 2 gasdicht
angeschweißt ist. An den Enden der Leiter im Kabel 12 können Anschlußklemmen 19
und 20 vorgesehen sein, damit eine gute Verbindung zu der Anzeige-und/oder Regelschaltung
hergestellt werden kann.
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Im Betrieb ändern sich die elektrischen Ausgangssignale des Thermoelementes
1 an den Leitungen 5 mit der Temperatur der Lötstelle 21 in an sich bekannter Weise.
Eine freiliegende Lötstelle wird als beste Möglichkeit zur Erzielung eines schnell
reagierenden Thermoelementes angesehen, bei dem das Ausgangssignal an den Leitungen
5 schnell unstetigen Temperaturänderungen folgt, die innerhalb der strahlförmigen
Auslaßströmungen auftreten. Theoretisch begründet sich diese
Schlußfolgerung
auf der Tatsache, daß eine freiliegende Lötstelle des Thermoelementes eine geringe
die Wärme aufnehmende Masse aufweist, daher in erster Linie auf die strahlförmige
Auslaßströmung anspricht und nicht weitgehend von der Temperatur der umgebenden
Stoffe beeinflußt wird, die eine große, die Wärme aufnehmende Masse aufweisen können
und daher nmcht so schnell auf Temperaturänderungen der Gasströmung ansprechen.
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Auch können Einfassungen die Menge des vorbeiströmenden Gases an der
Lötstelle des Thermoelementes und somit die Ansprechgeschwindigkeit des Thermoelementes
verringern. Wie man jedoch herausgefunden hat, weist das zuvor beschriebene, geschützte
Thermoelement eine äußerst kurze Ansprechzeit auf, die unter Umständen über die
einer freiliegenden Lötstelle des Thermoelementes hinausgeht. Die Lötstelle des
Thermoelementes kann somit gegen Fremdkörper und mechanische Beschädigungen geschützt
werden, während aie gleichzeitig eine bessere oder gleiche Ansprechzeit wie dieselbe
Lötstelle eines Thermoelementes aufweist, das unmittelbar der Gasströmung ausgesetzt
ist.
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Während der genaue Grund für dies überraschende Ergebnis, das mit
dem vorliegenden Thermoelement erhältlich ist, nicht genau bekannt ist, soll er
doch darin liegen, daß eine Grenzschicht oder ein Bereich mit einem ziemlich ortsfesten
Gas sich rund um die Lötstelle des Thermoelementes sogar bei einer freiliegenden
Lötstelle des Thermoelementes ansammelt, und daß solche Grenzschichten nicht durch
die strahlförmige Strömung mit einer ziemlich hohen Geschwindigkeit aufgebrochen
werden. Die Grenzschicht wirkt daher als Isoaltions-oder Pufferschicht und verhindert,
daß die Temperatur der Lötstelle augenblicklich der Temperatur der strahlförmigen
Auslaßströmung folgt, wenn diese an ihr vorbeigeht. Die Öffnungen 24 sollen jedoch
Unstetigkeiten indie strahlförmige Strömung in dem Bereich hineinbringen, der dihht
neben der Lötstelle 21 dieser zugeordnet ist, so daß eine Turbulenz der Gasströmuhg
oder Wirbelströme erzeugt werden, die die Dicke dieser Grenzschicht oder Abmosphäre
aufbrechen, die die Lötstelle des Thermoelementes umgibt, ohne daß dabei die Gasmenge
der an der Lötstelle vorbeigehenden Strömung beträchtlich verringert wird ; daher
kann die Lötstelle schneller den Temperaturänderungen der strahlförmigen Auslaßströmung
folgen. Dieser
Effekt tritt sogar beim Vorhandensein einer relativ
großen, wärmeaufnehmenden Masse der umgebenden Einfassung auf, die vom
| Verlängerungsabsohnitt 22 am AbschlußEörper 23 gebildet ist.
Wie |
man meint, besitzt das turbulente Gas außer der Geschwindigkeit der freien Strömung
eine willkürliche Geschwindigkeitskomponente, so daß die ruhende, die Lötstelle
21 umgebende Luft aufgebrochen wird. Der Abschlußkörper 23 verhindert, daß die turbulente
Strömung sich am Boden der Hülle des Thermoelementes verbraucht, und steigert tatsächlich
die Turbulenz innerhalb des Abschlußkörpers des Thermoelementes.
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Das Thermoelement gemäß den Figuren 1 und 2, dessen Betrieb sich als
völlig einwandfrei erwiesen hat, weist die folgenden Abmessungen auf. Die axiale
Länge der Öffnung 24 in der durch die Leitungen 9 und 10 hihdurchgehenden Ebene
beträgt 12 mm, während das untere Ende der Lötstelle 21 axial 6 mm unter dem oberen
Ende der Öffnung liegt. Der abstand zwischen dem unteren Ende der Öffnung und dem
Boden des Verschlußkörpers 23 beträgt 3 mm, während die Breite der Öffnung 24 zwischen
den axialen Rändern im Gehäuse des Thermoelementes gerade über 6 mm liegt ; das
Gehäuse 5 ist 5 mm dick und hat einen Außendurchmesser von 8 mm.
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In Figur 3 ist eine weitere Anordnung der Öffnung 24 zu sehen. Die
Verlängerung oder die Seitenkörper 25 laufen im wesentlichen radial von der Achse
der Hülle 7 nach außen und wirken als Trichter oder Luftschaufel, die ein größeres
Volumen der strahlförmigen Strömung durch die Öffnung 24 ableitet und somit die
an der Lötstelle 21 des Thermoelementes vorbeistreichende Strömung vergrößert. Wenn
auch an der Verlängerung 22 der Hülle 7 Hilfskörper befestigt werden können, so
verwendet man zweckmäßigerweise das Material, das normalerweise am Verlängerungsabschnitt
entfernt werden würde, um die Öffnung zu bilden. Dies kann zweckmäßigerweise dadurch
geschehen, daß längs der abgerundeten Kanten der Öffnung 24 und in Achsenrichtung
am Mittelbereich entlang ein Einschnitt gemacht und Nasen 25 längs axialer Ränder
| zurückgebogen werden, so daß die Verlängerungsabschnitte |
| , |
25 radial von der Achse der Hülle 7 nahh außen laufen.
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In Figur 4 ist eine weitere Ausführungsform der Anordnung nach Figur
2 zu sehen. Ein Körper 26 ist als Teil des Verlängerungsabschnittes 22 ausgebildet
oder an diesem angeschweißt und läuft in Achsenrichtung von der Unterkante der Öffnung
24 in Richtung auf den Bereich der Lötstelle 21 des Thermoelementes. Der Körper
26 trägt dazu bei, daß eine turbulente Gasströmung im Bereich der Lötstelle 21 des
Thermoelementes gebildet und die Öffnung 24 derart aufgeteilt wird, daß Teilchen,
die sonst zur Lötstelle des Thermoelementes hindurchgehen und diese beschädigen
würden, entfernt werden. Andererseits oder zusammen mit dem Körper 26 kann ein querverlaufender
überbrückender Körper 27 über die Öffnung 24 gelegt werden. Wie man sieht, können
die Gestalt der Öffnung 24 und der zusätzlichen Körper 26 und 27 geändert werden.
Jedoch braucht die Öffnung 24 nicht so weit behindert zu werden, daß die verbleibende
Strömung im Bereich der Lötstelle 21 des Thermoelementes beträchtlich verringert
wird ; die Wirkung auf die Ansprechgeschwindigkeit des Thermoelementes wird dann
durch die Vorteile herabgesetzt, die durch die gesteigerte Turbulenz der Gasströmung
gewonnen werden.
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Wenn auch die Neuerung in Verbindung mit einem Thermoelement zur Anzeige
von Temperaturänderungen in der Auslaßströmung einer Strahlturbine beschrieben worden
ist, können die gemäß der Neuerung konstruierten Thermoelemente auch zur Messung
und Steuerung der Temperatur anderer Strömungen oder Stoffe verwendet werden. Die
Neuerung ist außerdem auf weitere, auf die Temperatur ansprechende Geräte anwendbar.