DE19735724A1 - Meßfühler für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Meßfühler für ein Gasturbinentriebwerk

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    • GPHYSICS
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Description

Die Erfindung betrifft einen Meßfühler zur Befestigung an einem Tragrahmen insbe­ sondere in einem Gasturbinentriebwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.
Zur Messung von Totaltemperatur und Totaldruck an verschiedenen Positionen in­ nerhalb der Strömung in einem Gasturbinentriebwerk werden Druckmeßfühler und Temperaturmeßfühler an einem Tragrahmen im Gasturbinentriebwerk befestigt. So lassen sich Druck und Temperatur an verschiedenen radialen Positionen, bezogen auf eine zentrale Welle des Gasturbinentriebwerks, abtasten. Die herkömmlichen Druck- oder Temperaturfühler bestehen aus einem Mantelrohr, das eine stirnseitige Öffnung zum Einlaß von Strömungsluft und zwei sog. Vent-Öffnungen im Rohrmantel aufweist. Über diese sog. Vent-Öffnungen kann die über die stirnseitige Öffnung eintretende Strömungsluft wieder aus dem Mantelrohr austreten, so daß die Strö­ mungsluft kontinuierlich am Druckfühler oder am Temperaturfühler vorbeiströmt und diesen somit kontinuierlich beaufschlagt, damit dieser stets aktuelle Meßwerte ab­ geben bzw. ermitteln kann.
Innerhalb des Mantelrohres ist an zentraler Position - und nur da herrschen bei den herkömmlichen Fühlern ausreichend symmetrische Strömungsbedingungen - entwe­ der ein Drucksensor oder ein Temperatursensor angeordnet.
Wenn nun Druck und Temperatur an verschiedenen radialen Positionen relativ zu einer zentralen Achse des Gasturbinentriebwerks abgetastet werden sollen, sind eine beträchtliche Anzahl von Meßfühlern notwendig, die zu einem relativ dicht be­ setzten Tragrahmen führen. Ein dicht besetzter Tragrahmen kann aber die freie Strömung im Gasturbinentriebwerk behindern, und es findet eine gegenseitige Be­ einflussung der Meßfühler untereinander statt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Meßfühler zu schaffen, bei dem sich die gewünschten Meßdaten mit wesentlich geringerer Beeinträchtigung der Strömung abtasten lassen.
Diese Aufgabe wird mit einem Meßfühler nach den Merkmalen des Patentanspru­ ches 1 oder alternativ mit einer Anordnung bestehend aus einem Tragrahmen und mindestens einem Meßfühler nach Patentanspruch 10 gelöst.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen herkömmlichen Meßfühler derart zu modifizieren, daß ein Drucksensor und ein Temperatursensor innerhalb des Mantelrohres beabstandet nebeneinanderliegend angeordnet sind. Erfindungsgemäß werden die bislang getrennten Meßfühler für die Ermittlung von Druck und Temperatur zu einem kompakten universellen Meßfühler zusammengefaßt. Es wird dafür Sorge getragen, daß beide Meßfühler innerhalb des einen Mantelrohres in definierter Weise angeströmt werden.
Dies geschieht vorteilhafterweise dadurch, daß nicht zwei, sondern mindestens sechs Vent-Öffnungen im Mantelrohr vorgesehen sind. Es hat sich gezeigt, daß sich bei sechs Vent-Öffnungen auch außerhalb des Zentrums ausreichend definierte, bzw. symmetrische Strömungsverhältnisse einstellen, so daß ein nebeneinanderlie­ gender Einbau von zwei Sensoren in einem Mantelrohr möglich wird. Es lassen sich auch höherwertige Symmetrien erreichen, wenn dementsprechend noch mehrere Vent-Öffnungen vorgesehen werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind sämtliche Vent-Öffnungen im wesentlichen in einer einzigen Ebene senkrecht zur Längsachse des Mantelrohres angeordnet.
Besonders günstige Strömungseigenschaften ergeben sich, wenn die Mehrzahl der Vent-Öffnungen um den 1,3-fachen Außendurchmesser des Mantelrohres von der stirnseitigen Öffnung beabstandet angeordnet ist/sind. Die Vent-Öffnungen können in bestimmten Anwendungsfällen schräg zur Längsachse des Mantelrohres in den Rohrmantel eingebracht sein. In den meisten Fällen empfehlen sich aber kreisrunde Öffnungen, die in Radialrichtung des Mantelrohres ausgerichtet sind.
Eine besonders hohe Symmetrie der Strömung relativ zum Druck- und Temperatur­ sensor läßt sich dann erreichen, wenn zwei der Vent-Öffnungen in der durch den Druck- und Temperatursensor definierten Ebene ausgerichtet sind.
Weiterhin sollten die Vent-Öffnungen im Rohrmantel in Umfangsrichtung äquidistant beabstandet sein und bei Montage des Meßfühlers an einer Strebe des Tragrah­ mens so ausgerichtet sein, daß sie zur Strebe des Tragrahmens symmetrisch liegen. Nimmt man als Veranschaulichungsmodell ein übliches Zifferblatt einer Uhr und verläuft die Strebe dann parallel zur Linie 0 Uhr/6 Uhr, so ergibt sich bei sechs Vent-Öffnungen eine Anordnung an den Positionen 1 Uhr, 3 Uhr, 5 Uhr, 7 Uhr, 9 Uhr und 11 Uhr.
Die bevorzugte Anordnung der Vent-Öffnungen relativ zueinander, relativ zur stirn­ seitigen Öffnung des Meßfühlers und relativ zu einer Strebe eines Tragrahmens wurden in detaillierten Versuchsreihen ermittelt. In der bevorzugten Anordnung sind definierte Strömungsverhältnisse im Mantelrohr des Meßfühlers gewährleistet, so daß eine zuverlässige Messung von Druck und Temperatur im selben Meßfühler möglich wird. Dadurch lassen sich nunmehr Druck und Temperatur an praktisch der gleichen Strömungsposition gleichzeitig ermitteln, was mit den herkömmlichen Meßfühlern nicht möglich war.
Bei gleicher Meßdatenzahl werden nunmehr nur halb soviele in die Strömung hinein­ ragende Meßfühler benötigt, so daß die Strömung im Gasturbinentriebwerk weit weniger blockiert wird. Auch läßt sich der Herstellungs- und Montageaufwand eines mit Meßfühlern bestückten Tragrahmens reduzieren. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß die Befestigung der Meßfühler am Tragrahmen besonders zuverlässig erfolgen muß, da ein sich lösender Meßfühler einen nachfolgenden Verdichter oder andere Komponenten des Gasturbinentriebwerks beschädigen kann.
Der Meßfühler sollte zweckmäßigerweise Einrichtungen aufweisen, die eine Befesti­ gung am Tragrahmen in einer solchen Ausrichtung gestatten, daß sich Drucksensor und Temperatursensor - bezogen auf eine zentrale Welle des Gasturbinentrieb­ werks - auf gleicher radialer Position befinden.
Mit dem erfindungsgemäßen Meßfühler läßt sich nicht nur der Fertigungs- und Montageaufwand reduzieren, vielmehr wird auch die Meßgenauigkeit sowohl der einzelnen Meßstelle als auch der gesamten aus der Mehrzahl von Meßfühlern gebil­ deten Anordnung erhöht.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Hierbei zeigen
Fig. 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßfüh­ lers in Sensorebene, und
Fig. 2 eine Prinzipskizze, welche die relative Lage der Vent-Öffnungen, des Druck- und Temperatursensors zu einer Strebe eines Tragrahmens verdeutlicht.
In Fig. 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Meßfühlers 25 in einer Schnittansicht in Sensorebene E (vgl. hierzu Fig. 2) dargestellt. In der bevorzugten Einbaulage des Meßfühlers 25 liegt die Sensorebene E senkrecht zu einer durch die zentrale Welle des Gasturbinentriebwerks definierten radialen Richtung.
Der Meßfühler 25 umfaßt ein Mantelrohr 11, das eine stirnseitige Öffnung 12 und sechs Vent-Öffnungen 13 bis 18 im Rohrmantel 19 aufweist. Innerhalb des Mantel­ rohres 11 sind ein Drucksensor 20 und ein Temperatursensor 21 nebeneinanderlie­ gend angeordnet. Der Temperatursensor 21 kann bspw. durch ein Thermoelement gebildet sein.
Die stirnseitige Öffnung 12 wird durch eine angefaste Stirnfläche 22 des Mantelrohrs 11 begrenzt. Die angefaste Stirnfläche 22 ist nach innen gerichtet, um die stirnseitig eintretende Luftströmung in das Innere des Mantelrohrs 11 zu leiten. An dieser Stelle sei bemerkt, daß der Meßfühler 25 vorzugsweise im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung im Gasturbinentriebwerk ausgerichtet wird, wobei eine geringfü­ gige Schräglage gegenüber der Strömungsrichtung relativ unkritisch ist und in man­ chen Anwendungsfällen bewußt in Kauf genommen wird. Der Fasenwinkel der ange­ fasten Stirnfläche beträgt bei dem hier gezeigten Meßfühler 30°.
Die Vent-Öffnungen 13 bis 18, über welche die eintretende Luftströmung wieder aus dem Innenraum des Mantelrohres 11 austreten kann, sind um ein Längenmaß X, da durch ein bestimmtes Verhältnis bezogen auf den Außendurchmesser D des Mantelrohres 11 definiert ist, von dessen stirnseitigen Öffnung 12 beabstandet, und zwar hier um den 1,3-fachen Wert des Außendurchmessers D. Bei dem angegebe­ nen Verhältnis von 1,3 ergeben sich besonders günstige Strömungsverhältnisse.
Wie aus der Fig. 1 zu erkennen ist, sind der Drucksensor 20 und der Temperatur­ sensor 21 abseits/außerhalb der zentralen Längsachse A des Mantelrohrs 11 ange­ ordnet, wobei der Drucksensor 20 um ca. 23 Prozent, genau 23,3 Prozent des Au­ ßendurchmessers D von der zentralen Längsachse A beabstandet angeordnet ist. Der Drucksensor 21 ist dagegen um ca. 20 Prozent des Außendurchmessers D von der zentralen Achse A des Mantelrohrs 11 beabstandet.
Der Drucksensor 20 und der Temperatursensor 21 liegen parallel zueinander in ei­ ner sog. Sensorebene E, die hier durch die zentrale Längsachse A des Mantelrohres 11 verläuft.
Aus der rein schematischen Prinzipskizze nach Fig. 2 ist die Anordnung der Vent- Öffnungen 13 bis 18 in Umfangsrichtung des Mantelrohrs 11 und relativ zu einer Strebe 24 eines Tragrahmens, die hier nur strichliert angedeutet ist, erkennbar. Die Vent-Öffnungen 13 bis 18 liegen symmetrisch zur Strebe 24, so daß symmetrische Strömungsverhältnisse im Meßfühler 25 gewährleistet sind. Weiterhin ist die aus Drucksensor 20 und Temperatursensor 21 definierte Sensorebene E senkrecht zur Strebe 24 ausgerichtet. Zu diesem Zweck weist der Meßfühler Einrichtungen 23 auf, die eine Befestigung des Mantelrohrs 11 in der gewünschten Ausrichtung am Tragrahmen gestatten.
Mit dem erfindungsgemäßen Meßfühler 25 wird die Möglichkeit geschaffen, an einer radialen Meßposition (bezogen auf die Längsachse des Gasturbinentriebwerkes) sowohl Druck als auch Temperatur gleichzeitig zu bestimmen. Der vorgeschlagene Meßfühler 25 ist kompakt aufgebaut und gewährleistet bezogen auf sich selbst defi­ nierte Strömungsverhältnisse. Die durch den Meßfühler 25 verursachte Blockage der Strömung im Gasturbinentriebwerk ist bei gleicher Gesamtanzahl von Meßstellen wesentlich geringer.
Bezugszeichenliste
11
Mantelrohr
12
stirnseitige Öffnung
13
bis
18
Vent-Öffnungen
19
Rohrmantel
20
Drucksensor
21
Temperatursensor
22
Stirnfläche
23
Einrichtungen zur Befestigung
24
Strebe
25
Meßfühler
A Längsachse
D Außendurchmesser Mantelrohr
E Sensorebene
X Längenmaß

Claims (10)

1. Meßfühler zur Befestigung an einem Tragrahmen insbesondere in einem Gasturbinentriebwerk, wobei der Meßfühler (25) ein Mantelrohr (11) umfaßt, das eine stirnseitige Öffnung (12) zum Einlaß von Strömungsluft und mehrere Vent-Öffnungen (13 bis 18) im Rohrmantel (19) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Mantelrohrs (11) ein Drucksensor (20) und ein Tempera­ tursensor (21) derart nebeneinanderliegend angeordnet sind, daß sowohl der Drucksensor (20) als auch der Temperatursensor (21) in definierter Weise angeströmt werden.
2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Vent-Öffnungen (13 bis 18) größer als zwei, vorzugsweise genau sechs ist.
3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Lage von Drucksensor (20) und Temperatursensor (21) eine Sensorebene (E) definiert wird und daß zwei der Vent-Öffnungen (13 bis 18) in der Sensorebene (E) angeordnet sind.
4. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vent-Öffnungen (13 bis 18) alle in einer Ebene senkrecht zur Längs­ achse (A) des Mantelrohrs (11) angeordnet sind.
5. Meßfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vent-Öffnungen (13 bis 18) von der stirnseitigen Öffnung (12) des Mantelrohrs (11) um ein Längenmaß (X), das in etwa dem 1,3-fachen des Au­ ßendurchmessers (D) des Mantelrohrs (11) entspricht, beabstandet sind.
6. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vent-Öffnungen (13 bis 18) in Umfangsrichtung des Mantelrohrs (11) äquidistant beabstandet sind.
7. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die stirnseitige Öffnung (12) durch eine angefaste Stirnfläche (22) des Mantelrohrs (11) begrenzt wird.
8. Meßfühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (22) einen Winkel von 25° bis 35°, vorzugsweise 30°, mit der Längsachse (A) des Mantelrohrs (11) einschließt.
9. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin Einrichtungen (23) vorgesehen sind, die eine Befestigung des Meßfühlers (25) am Tragrahmen im Gasturbinentriebwerk in einer solchen Ausrichtung gestatten, daß sich der Drucksensor (20) und der Temperatursensor (21), bezogen auf eine zentrale Welle des Gasturbinentriebwerks, auf gleicher radialer Position befinden.
10. Meßvorrichtung in einem Gasturbinentriebwerk, bestehend aus
  • - einem in einem Strömungskanal eines Gasturbinentriebwerks angeordneten Tragrahmen mit einer oder mehren Streben (24) und
  • - mindestens einem an einer Strebe (24) befestigten Meßfühler (25), wobei der Meßfühler (25) ein Mantelrohr (11) umfaßt, das eine stirnseitige Öffnung (12) zum Einlaß von Strömungsluft und mehrere Vent-Öffnungen (13 bis 18) Rohrmantel (19) aufweist,
  • - wobei innerhalb des Mantelrohres (11) ein Drucksensor (20) und ein Tempe­ ratursensor (21) nebeneinanderliegend in einer Ebene (E) angeordnet sind,
  • - wobei die Vent-Öffnungen (13 bis 18) symmetrisch zur Strebe (24) angeord­ net sind, und
  • - wobei der Meßfühler (25) relativ zur Strebe (24) so ausgerichtet ist, daß die von Drucksensor (20) und Temperatursensor (21) definierte Ebene (E) senk­ recht zur Strebe (24) liegt.
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