EP2467726A1 - Druckmesssonde - Google Patents
DruckmesssondeInfo
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- EP2467726A1 EP2467726A1 EP10760228A EP10760228A EP2467726A1 EP 2467726 A1 EP2467726 A1 EP 2467726A1 EP 10760228 A EP10760228 A EP 10760228A EP 10760228 A EP10760228 A EP 10760228A EP 2467726 A1 EP2467726 A1 EP 2467726A1
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- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
- G01P5/14—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring differences of pressure in the fluid
- G01P5/16—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring differences of pressure in the fluid using Pitot tubes, e.g. Machmeter
- G01P5/165—Arrangements or constructions of Pitot tubes
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- G—PHYSICS
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- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
- G01F1/34—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure
Definitions
- top 12 of the probe head 2 includes a point angle ⁇ of about 25 ° with the bottom 14 of the probe head 2.
- the probe head 2 is symmetrical with respect to a tip plane which extends through the tip 16. Due to the circumferentially wedge-shaped probe head 2, a measurement of pressure values (total pressure values and static pressure values) of a supersonic flow is possible.
- the circumferentially arranged pressure measuring point 4, 6 allow detection of flows of different flow direction, so that an analysis of the compressor in the boundary region of the compressor pumping is possible.
- the main flow direction is indicated in Figure 1 by an arrow.
- the longitudinal axis of the probe shaft 10 extends approximately at right angles to the
- the probe shaft 10 acts approximately centrally in the region of the longitudinal axis of the probe head 2.
- the probe shaft 10 is provided with a constriction 18 in the connection region to the probe head 2, which is formed such that the diameter of the probe shaft 10 is reduced in the region of about 8 to 10 mm in the direction of the probe head 2 frustoconical. As a result, the flow to be measured is influenced as little as possible by the probe shaft 10.
- Probe head and probe shafts 2, 10 have pressure measuring lines 20 formed as a bore system for connecting the pressure measuring points 4, 6 with schematically indicated pressure transducers 22.
- Each pressure measuring point 4, 6 is a Pressure measuring 20 assigned.
- the pressure sensors 22 are arranged outside the measuring chamber, so that an extremely compact pressure measuring sensor 1 is achieved whose probe head 2 minimally influences the flow.
- Pressure measuring probe 1 shown in Figure 1 eight total pressure measuring points 4 along the probe tip 16 of the probe head 2 are arranged offset by 45 ° to each other. The circumferentially spaced apart along the probe tip 16 arranged
- Pressure measuring points 4 allow a 360 ° detection of total pressure values of the flow at different flow direction.
Landscapes
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Abstract
Offenbart ist eine Druckmesssonde (1) zur Messung von Druckwerten einer Strömung, insbesondere einer Überschallströmung, mit zumindest einem Sondenkopf (2), der eine mit Druckmessstellen (4, 6) versehene Sondenoberfläche (8) aufweist und über mindestens einen Sondenschaft (10) in der Strömung positionierbar ist. Erfindungsgemäß begrenzt eine Oberseite (12) des Sondenkopfes (2) mit dessen Unterseite (14) eine keilförmige Sondenspitze (16), wobei Druckmessstellen (4) beabstandet zueinander entlang der umlaufenden Sondenspitze (16) angeordnet sind.
Description
Beschreibung
Druckmesssonde
Die Erfindung betrifft eine Druckmesssonde zur Messung von Druckwerten einer Strömung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet von Druckmesssonden zur Messung von Druckwerten einer Strömung. Derartige Druckmesssonden finden
beispielsweise zur Messung der Richtungskomponenten, des Totaldrucks und/oder des statischen Druckes einer Strömung innerhalb einer Gasturbine, insbesondere im Bereich des Verdichters einer Fluggasturbine Verwendung. Verdichter weisen allgemein eine von ihrer Leistungscharakteristik abhängige Stabilitätsgrenze auf. Wird während des Betriebs des Verdichters diese Stabilitätsgrenze unbeabsichtigt überschritten, beispiels-weise durch eine Eintrittsstörung, Temperaturänderungen oder Verschmutzung, so setzen starke instationäre Strömungen (rotierendes Abreißen, Pumpen) ein, die schnell bis zur Zerstörung der Strömungsmaschine führen können. Es ist daher üblich, bei der Auslegung des
Verdichters einen hinreichenden Abstand zwischen der Arbeitslinie des Verdichters und der Stabilitätsgrenze vorzusehen, wobei als Sicherheitsreserve alle Störungen berücksichtigt werden, die den Pumpgrenzabstand herabsetzen könnten. Durch einen festen
Sicherheitsabstand geht jedoch ein erheblicher Arbeitsbereich des Verdichters mit gutem Wirkungsgrad verloren.
Um bei modernen Strömungsmaschinen den Wirkungsgrad und/oder die Leistungsdichte weiter zu steigern, sind Überlegungen angestellt worden, wie Verdichter in der Nähe der Stabilitätsgrenze sicher betrieben werden können. Hierzu ist eine Vermessung der
Rückströmungsprofile beim Pumpen in Verdichtern erforderlich, um die physikalische Wirkungsweise der Strömung beim Pumpen zu untersuchen. Beim Pumpen von
Verdichtern strömt die Strömung von hinten nach vorne durch den Verdichter. Die
Strömungsrichtung variiert hierbei in einem Winkelbereich von bis zu 270°, wobei sich die Machzahl von Unterschall auf Überschall erhöht.
Um neben Druckwerten auch die Richtungskomponenten einer Strömung zu bestimmen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik Viellochsonden mit räumlich verteilten Messbohrungen bekannt, die als Kugel- oder Halbkugelkopfsonden mit auf zwei senkrecht zueinander stehenden Meridianen angeordneten Messbohrungen ausgebildet sind. Mit Hilfe von Kalibrierdiagrammen kann aus den Druckdifferenzen an den Bohrstellen der Schwenkwinkel, der Kippwinkel und der Betrag der Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden. Mit diesen Werten lässt sich beispielsweise bei einer Strömungsmaschine der Geschwindigkeitsvektor in die Umfangs-, Radial-, und Axialkomponente zerlegen. Eine Durchführung von Messungen im Überschallbereich ist aufgrund der auftretenden
Verdichtungsstoßwelle mit derartigen Messsonden jedoch nicht möglich.
Aus der DE 39 23 753 Al ist eine Druckmesssonde zum Messen der
Relativgeschwindigkeit eines anströmenden Mediums im Überschallbereich bekannt, wobei der Sondenkörper einen keil- oder kegelförmigen Sondenkopf aufweist, dessen größter Durchmesser größer als der Außendurchmesser des Sondenschafts ist. Nachteilig bei derartigen Druckmesssonden ist, dass insbesondere die beim Pumpen von Verdichtern von hinten nach vorne durch den Verdichter verlaufende Strömung nicht erfassbar ist. Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Druckmesssonde zu schaffen, die eine Druckmessung bei unterschiedlichen Strömungsbedingungen im Unter- und Überschallbereich ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Druckmesssonde mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Druckmesssonde oder Richtungssonde ist zur Messung von Druckwerten einer Strömung, insbesondere einer Überschall Strömung, vorgesehen und hat zumindest einen Sondenkopf, der eine mit Druckmessstellen versehene Sondenoberfläche aufweist und über mindestens einen Sondenschaft in der Strömung positionierbar ist.
Erfindungsgemäß begrenzt eine Oberseite des Sondenkopfes mit dessen Unterseite eine keilförmige Sondenspitze, wobei Druckmessstellen beabstandet zueinander entlang der umlaufenden Sondenspitze angeordnet sind. Gegenüber dem Stand der Technik ist aufgrund des umlaufend keilförmig ausgebildeten Sondenkopfes eine Messung von
Druckwerten (Totaldruckwerte und statische Druckwerte) einer Unterschall- und
Überschallströmung möglich. Die umlaufend beabstandet zueinander entlang der
Sondenspitze angeordneten Druckmessstellen ermöglichen eine 360°-Erfassung von Strömungen unterschiedlicher Strömungsrichtung, so dass insbesondere eine
Strömungsanalyse von Verdichtern im Bereich des Verdichterpumpens möglich ist. Die Rückströmphänomene beim Pumpen können untersucht werden. Die Belastung der Verdichterschaufeln beim Pumpen kann besser vorhergesagt werden. Die Sonde ist in einem Überschallkanal ähnlich einer 5-Loch Sonde kalibrierbar. Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die
Druckmesssonde einen rotationssymetri sehen Sondenkopf auf. Als besonders vorteilhaft hat es sich hierbei erwiesen, wenn der Sondenkopf diskusförmig ausgebildet ist.
Eine Oberseite des Sondenkopfes schließt vorzugsweise einen Spitzenwinkel α im Bereich von etwa 10 bis 40°, vorzugsweise von etwa 20 bis 30°, mit der Unterseite des Sondenkopfes ein.
Der Sondenkopf ist bezüglich einer sich durch die Spitze ersteckenden Spitzenebene vorzugsweise symmetrisch ausgebildet.
Erfindungsgemäß können die Druckmessstellen im Bereich der Sondenspitze als Totaldruckmesstellen (Totaldrucköffhung Totaldruckbohrung) vorgesehen sein. Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zumindest acht Totaldruckmessstellen im Bereich der Spitze des Sondenkopfes angeordnet sind. Aufgrund der umlaufend entlang der
Sondenspitze angeordneten Totaldruckmessstellen sind diese relativ weit voneinander entfernt, so dass eine hohe Messgenauigkeit erreicht wird. Die umlaufend beabstandet zueinander entlang der Sondenspitze angeordneten Druckmessstellen ermöglichen eine 360°-Erfassung von Total druckwerten einer Strömung mit unterschiedlicher
Strömungsrichtung.
Bei einem konkreten Ausfuhrungsbeispiel sind Druckmessstellen zur Bestimmung statischer Druckwerte im Bereich der Oberseite und/oder der Unterseite des Sondenkopfes vorgesehen.
Vorzugsweise sind jeweils zumindest acht Druckmessstellen zur Bestimmung des statischen Druckes im Bereich der Oberseite und der Unterseite des Sondenkopfes vorgesehen. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass es vorteilhaft ist, wenn sich eine Längsachse des Sondenschafts etwa rechtwinklig zu einer Spitzenebene des Sondenkopfes erstreckt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Druckmessonde greift der Sondenschaft etwa mittig im Bereich einer Längsachse des Sondenkopfes an. Dadurch wird die zu messende
Strömung von dem Sondenschaft möglichst wenig beeinflusst.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform hat der Sondenschaft eine
Einschnürung im Anschlussbereich an den Sondenkopf, die derart ausgebildet ist, dass der Durchmesser des Sondenschafts in Richtung des Sondenkopfes verringert ist. Sondenkopf- und Sondenschaft weisen vorzugsweise die Druckmessstellen mit
Druckaufnehmern (Drucksensoren) verbindende Druckmessleitungen auf. Diese können als Bohrungen ausgebildet sein. Vorzugsweise ist jeweils eine Druckmessleitung pro
Druckmessstelle vorgesehen. Die Druckaufnehmer können bei dieser Lösung außerhalb des Messraumes angeordnet sein, so dass ein äußerst kompakter Druckmesssensor erreicht wird, dessen Sondenkopf die Strömung minimal beeinflußt.
Alternativ kann den Druckmessstellen jeweils ein mittel- oder unmittelbar am Messort angeordneter Druckaufnehmer zugeordnet sein. Aufgrund der kurzen
Erfassungswege wird insgesamt eine schnelle und hochgenaue Messwerterfassung erreicht.
Den Druckmessstellen ist vorzugsweise jeweils ein Druckaufnehmer zugeordnet, so dass die Messstellen unabhängig voneinander vermessen und die Strömung entsprechend hochgenau analysierbar ist. Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Bestandteil der weiteren
Unteransprüche.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Druckmesssonde und
Figur 2 eine Draufsicht auf die Druckmesssonde aus Figur 1.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Druckmesssonde 1 zur Untersuchung von räumlichen Überschallströmungen im Bereich des Verdichters einer Fluggasturbine. Die Druckmesssonde 1 hat einen Sondenkopf 2, der eine mit Totaldruckmesstellen 4
(Totaldruckbohrungen) und Statikdruckmessstellen 6 versehene Sondenoberfläche 8 aufweist und über einen Sondenschaft 10 in der Strömung positionierbar ist.
Erfindungsgemäß begrenzt eine Oberseite 12 des Sondenkopfes 2 mit dessen Unterseite 14 eine keilförmige Sondenspitze 16, wobei die Totaldruckmesstellen 4 beabstandet zueinander entlang der umlaufenden Sondenspitze 16 angeordnet sind. Bei dem
dargestellten Ausführungsbei spiel ist der Sondenkopf 2 rotationssymetrisch, im
Wesentlichen diskusförmig ausgebildet, wobei die Oberseite 12 des Sondenkopfes 2 einen Spitzenwinkel α von etwa 25° mit der Unterseite 14 des Sondenkopfes 2 einschließt. Der Sondenkopf 2 ist bezüglich einer sich durch die Spitze 16 ersteckenden Spitzenebene symmetrisch ausgebildet. Aufgrund des umlaufend keilförmig ausgebildeten Sondenkopfes 2 ist eine Messung von Druckwerten (Totaldruckwerte und statische Druckwerte) einer Überschallströmung möglich. Die umlaufend angeordneten Druckmesstelle 4, 6 ermöglichen eine Erfassung von Strömungen unterschiedlicher Strömungsrichtung, so dass eine Analyse des Verdichters im Grenzbereich des Verdichterpumpens möglich ist. Die Hauptströmungsrichtung ist in Figur 1 durch einen Pfeil angedeutet. Die Längsachse des Sondenschafts 10 erstreckt sich etwa rechtwinklig zu der
Spitzenebene des Sondenkopfes 2, wobei der Sondenschaft 10 etwa mittig im Bereich der Längsachse des Sondenkopfes 2 angreift. Der Sondenschaft 10 ist mit einer Einschnürung 18 im Anschlussbereich an den Sondenkopf 2 versehen, die derart ausgebildet ist, dass der Durchmesser des Sondenschafts 10 im Bereich von etwa 8 bis 10 mm in Richtung des Sondenkopfes 2 kegelstumpfförmig verringert ist. Dadurch wird die zu messende Strömung von dem Sondenschaft 10 möglichst wenig beeinflusst.
Sondenkopf- und Sondenschaft 2, 10 weisen als Bohrungssystem ausgebildete Druckmessleitungen 20 zur Verbindung der Druckmessstellen 4, 6 mit schematisch angedeuteten Druckaufnehmern 22 auf. Jeder Druckmessstelle 4, 6 ist eine
Druckmessleitung 20 zugeordnet. Die Druckaufhehmer 22 sind bei dieser Lösung außerhalb des Messraumes angeordnet, so dass ein äußerst kompakter Druckmesssensor 1 erreicht wird, dessen Sondenkopf 2 die Strömung minimal beeinflußt. Den
Druckmessstellen 4, 6 ist vorzugsweise jeweils ein Druckaufhehmer 22 zugeordnet, so dass die Messstellen unabhängig voneinander vermessen und die Strömung entsprechend hochgenau analysierbar ist.
Bei einem nicht dargestellten alternativen Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung sind die Druckaufhehmer jeweils mittel- oder unmittelbar an den Druckmessstellen 4, 6 angeordnet.
Wie insbesondere Figur 2 zu entnehmen ist, die eine Draufsicht der
Druckmesssonde 1 aus Figur 1 zeigt, sind acht Totaldruckmessstellen 4 entlang der Sondenspitze 16 des Sondenkopfes 2 um jeweils 45° zueinander versetzt angeordnet. Die umlaufend beabstandet zueinander entlang der Sondenspitze 16 angeordneten
Druckmessstellen 4 ermöglichen eine 360°-Erfassung von Total druckwerten der Strömung bei unterschiedlicher Strömungsrichtung.
Zur Bestimmung der statischen Druckwerte sind jeweils acht Statikdruckmessstellen 6 im Bereich der Oberseite 12 und der Unterseite 14 des Sondenkopfes 2 vorgesehen, die um jeweils 45° zueinander versetzt angeordnet sind. Die Statikdruckmessstellen 6 münden jeweils zwischen den Totaldruckmessstellen 4 in die Sondenoberfläche 8, so dass ein Bohrungssystem ausgebildet ist, dass einen kompakten Sondenkopf 2 ermöglicht. Insgesamt wird aufgrund des diskusförmigen Sondenkopfes 2 und der Anordnung der Druckmessstellen 4, 6 eine Druckmesssonde 1 mit einem hervorragenden räumlichen Auflösungsvermögen erreicht, die selbst in hochgradig instationären Strömungsfeldern mit starken Gradienten sowie im Überschallbereich zuverlässige Messergebnisse liefert. Offenbart ist eine Druckmesssonde 1 zur Messung von Druckwerten einer
Strömung, insbesondere einer Überschallströmung, mit zumindest einem Sondenkopf 2, der eine mit Druckmessstellen 4, 6 versehene Sondenoberfläche 8 aufweist und über mindestens einen Sondenschaft 10 in der Strömung positionierbar ist. Erfindungsgemäß begrenzt eine Oberseite 12 des Sondenkopfes 2 mit dessen Unterseite 14 eine keilförmige
Sondenspitze 16, wobei Druckmessstellen 4 beabstandet zueinander entlang der umlaufenden Sondenspitze 16 angeordnet sind.
Claims
1. Druckmesssonde zur Messung von Druckwerten einer Strömung, insbesondere einer Überschallströmung, mit zumindest einem Sondenkopf (2), der eine mit
Druckmessstellen (4, 6) versehene Sondenoberfläche (8) aufweist und über mindestens einen Sondenschaft (10) in der Strömung positionierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberseite (12) des Sondenkopfes (2) mit dessen Unterseite (14) eine keilförmige Sondenspitze (16) begrenzt, wobei Druckmessstellen (4) beabstandet zueinander entlang der umlaufenden Sondenspitze (16) angeordnet sind.
2. Druckmesssonde nach Anspruch 1, wobei der Sondenkopf (2)
rotationssymetrisch, vorzugsweise diskusförmig, ausgebildet ist.
3. Druckmesssonde nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberseite (12) des
Sondenkopfes (2) einen Spitzenwinkel α im Bereich von etwa 10 bis 40°, vorzugsweise von etwa 20 bis 30°, mit dessen Unterseite (14) einschließt.
4. Druckmesssonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der
Sondenkopf (2) bezüglich einer sich durch die Sondenspitze (16) ersteckenden
Spitzenebene symmetrisch ausgebildet ist.
5. Druckmesssonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Druckmessstellen (4) im Bereich der Sondenspitze (16) als Totaldruckmesstellen vorgesehen sind.
6. Druckmesssonde nach Anspruch 5, wobei zumindest acht Totaldruckmessstellen (4) im Bereich der Sondenspitze (16) des Sondenkopfes (2) angeordnet sind.
7. Druckmesssonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
Druckmessstellen als Statikdruckmessstellen (6) zur Bestimmung statischer Druckwerte im Bereich der Oberseite 12 und/oder der Unterseite 14 des Sondenkopfes (2) vorgesehen sind.
8. Druckmesssonde nach Anspruch 7, wobei jeweils zumindest acht Statikdruckmessstellen (6) vorgesehen sind.
9. Druckmesssonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Längsachse des Sondenschafts (10) etwa rechtwinklig zu einer Spitzenebene des
Sondenkopfes (2) erstreckt.
10. Druckmesssonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sondenschaft (10) etwa mittig im Bereich der Längsachse des Sondenkopfes (2) angreift.
11. Druckmesssonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sondenschaft (10) eine Einschnürung (18) im Anschlussbereich an den Sondenkopf (2) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass der Durchmesser des Sondenschafts (10) in Richtung des Sondenkopfs (2) verringert ist.
12. Druckmesssonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
Sondenkopf- und Sondenschaft (2; 10) die Druckmessstellen (4, 6) mit Druckaufhehmern (Drucksensoren) verbindende Druckmessleitungen (20) aufweisen.
13. Druckmesssonde nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1, wobei den
Druckmessstellen (4, 6) jeweils ein mittel- oder unmittelbar am Messort angeordneter Druckaufhehmer (22) zugeordnet ist.
14. Druckmesssonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeweils ein Druckaufhehmer (22) pro Druckmessstelle (4, 6) vorgesehen ist.
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