FR3027106A1

FR3027106A1 - PROBE FOR MEASURING THE TEMPERATURE REGULATING AT THE OUTPUT OF THE HELICOPTER TURBINE

Info

Publication number: FR3027106A1
Application number: FR1459652A
Authority: FR
Inventors: Jean-Julien Camille Vonfelt; Antoine Moutaux; Jose-Alexandre Pina
Original assignee: Turbomeca SA
Current assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Priority date: 2014-10-08
Filing date: 2014-10-08
Publication date: 2016-04-15
Anticipated expiration: 2034-10-08
Also published as: FR3027106B1; WO2016055726A1

Abstract

L'invention concerne une sonde (1) de mesure de la température de gaz en sortie d'une turbine à gaz telle qu'une turbine d'hélicoptère. Cette sonde comporte un boîtier isotherme (3) destiné à être placé hors de la turbine et renfermant un capteur thermique (17), au moins un thermocouple (6A, 6B, 6C) comprenant une soudure froide (11A, 11B, 11C) montée dans le boîtier isotherme (3) et une soudure chaude (9A, 9B, 9C) destinée à être placée dans la turbine. Un connecteur (2) porté par le boîtier isotherme (3) permet de relier électriquement cette sonde à un appareillage d'acquisition de données pouvant être à une certaine distance de la sonde par elle-même. La connexion entre les soudures froides peut se faire en série ou en parallèle, à l'intérieur ou à l'extérieur du boîtier isotherme (3). Cette sonde peut comporter des thermocouples de type N et des gaines en matériau d'alliage de type Haynes.The invention relates to a probe (1) for measuring the gas temperature at the outlet of a gas turbine such as a helicopter turbine. This probe comprises an isothermal box (3) intended to be placed outside the turbine and enclosing a thermal sensor (17), at least one thermocouple (6A, 6B, 6C) comprising a cold junction (11A, 11B, 11C) mounted in the isothermal housing (3) and a hot weld (9A, 9B, 9C) to be placed in the turbine. A connector (2) carried by the isothermal housing (3) makes it possible to electrically connect this probe to a data acquisition apparatus that can be at a distance from the probe itself. The connection between the cold welds can be made in series or in parallel, inside or outside the isothermal housing (3). This probe may comprise N-type thermocouples and sheaths made of Haynes type alloy material.

Description

1 SONDE DE MESURE DE LA TEMPERATURE REGNANT EN SORTIE DE TURBINE D'HELICOPTERE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne la mesure de la température des gaz de combustion expulsés en sortie d'une turbine à gaz, comme en particulier en sortie d'une turbine d'hélicoptère, cette mesure de température conditionnant directement la régulation en puissance de la turbine. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Compte tenu de la température élevée régnant en sortie de turbine, la mesure de la température des gaz de combustion y est réalisée avec un thermocouple relié à un calculateur dédié. Ce thermocouple comporte une soudure chaude implantée au niveau de la sortie de turbine, et il est connecté à un calculateur par deux soudures froides intégrées ou reliées à ce calculateur. Ce calculateur intègre ou est relié à un capteur de température absolue, dite température de référence, qui mesure la température des soudures froides. En pratique, ce thermocouple est de type K, c'est-à-dire qu'il comprend une paire de conducteurs fabriqués respectivement dans les alliages du type commercialisés sous les noms de marques Chromel et Alumel. Le calculateur d'un tel système mesure ainsi la différence de potentiel électrique existant entre les deux soudures froides du thermocouple, qui reflète selon une loi prédéterminée la différence de température existant entre la soudure chaude et les soudures froides du thermocouple. La détermination de la température en sortie de turbine est réalisée par ce calculateur. Celui-ci détermine l'écart de température entre la soudure chaude et les soudures froides sur la base de la différence de potentiel et de la loi de variation propre au thermocouple, et la température de référence à partir des données fournies par le capteur 3027106 2 de température proche des soudures froids. La température recherchée est ainsi la somme de la température de référence et de l'écart de température mesuré au moyen du thermocouple. La robustesse de cette mesure peut être améliorée en mettant en oeuvre 5 plusieurs thermocouples connectés en parallèle, au lieu d'un seul, ce qui augmente significativement la quantité de câbles nécessaire. Mais d'une manière générale, un tel système de mesure est coûteux du fait de la grande longueur de câbles dédiés et spécifiques qui sont nécessaires à sa mise en oeuvre. En effet, ces câbles doivent avoir leurs conducteurs fabriqués dans des alliages 10 propres aux thermocouples qu'ils constituent. De plus, les parties de câbles exposés à de hautes températures doivent être protégées, par exemple par un gainage en un alliage du type commercialisé sous le nom de marque Nimonic. Ainsi, la mise en oeuvre d'une mesure de température des gaz en sortie de turbine par thermocouple présente un coût important, mais comme cette mesure 15 conditionne directement la régulation de puissance de la turbine, il est indispensable que sa précision reste élevée. L'invention a ainsi pour objet de proposer une solution pour réduire le coût de mise en oeuvre d'une telle mesure de température des gaz en sortie de turbine sans pénaliser la précision de mesure.TECHNICAL FIELD The invention relates to the measurement of the temperature of combustion gases expelled at the outlet of a gas turbine, such as in particular at the outlet of a turbine. helicopter, this temperature measurement directly conditioning the power regulation of the turbine. STATE OF THE PRIOR ART In view of the high temperature prevailing at the turbine outlet, the measurement of the temperature of the combustion gases is carried out with a thermocouple connected to a dedicated computer. This thermocouple comprises a hot weld implanted at the turbine outlet, and it is connected to a computer by two cold welds integrated or connected to this computer. This calculator integrates or is connected to an absolute temperature sensor, called reference temperature, which measures the temperature of cold welds. In practice, this thermocouple is of type K, that is to say that it comprises a pair of conductors manufactured respectively in alloys of the type marketed under the brand names Chromel and Alumel. The calculator of such a system thus measures the difference in electrical potential existing between the two cold welds of the thermocouple, which reflects, according to a predetermined law, the temperature difference existing between the hot weld and the cold welds of the thermocouple. The determination of the turbine outlet temperature is performed by this calculator. This determines the temperature difference between the hot weld and the cold welds on the basis of the potential difference and the thermocouple variation law, and the reference temperature from the data provided by the sensor 3027106 2 temperature close to cold welds. The desired temperature is thus the sum of the reference temperature and the temperature difference measured by means of the thermocouple. The robustness of this measurement can be improved by using several thermocouples connected in parallel, instead of just one, which significantly increases the quantity of cables required. But in general, such a measurement system is expensive because of the large length of dedicated and specific cables that are necessary for its implementation. Indeed, these cables must have their conductors manufactured in alloys 10 specific thermocouples they constitute. In addition, cable parts exposed to high temperatures must be protected, for example by a cladding of an alloy of the type marketed under the brand name Nimonic. Thus, the implementation of a thermocouple turbine gas temperature measurement has a significant cost, but since this measurement directly conditions the power regulation of the turbine, it is essential that its accuracy remains high. The object of the invention is therefore to propose a solution for reducing the cost of implementing such a measurement of the temperature of the gases at the turbine outlet without penalizing the measurement accuracy.

20 EXPOSÉ DE L'INVENTION A cet effet, l'invention a pour objet une sonde de mesure de la température de gaz en sortie d'une turbine à gaz, telle qu'une turbine d'hélicoptère, cette sonde comprenant un thermocouple comprenant une soudure chaude destinée à être placé en sortie de turbine, des soudures froides et un capteur thermique pour mesurer la 25 température des soudures froides, caractérisée en ce que cette sonde comporte un boîtier isotherme portant un connecteur pour connecter la sonde à un câble de raccordement à un appareillage d'acquisition et de traitement de données, le boîtier isotherme avec son connecteur étant destinés à être placés hors de la turbine, le boîtier isotherme renfermant le capteur thermique et chaque soudure froide de thermocouple.SUMMARY OF THE INVENTION To this end, the subject of the invention is a probe for measuring the gas temperature at the outlet of a gas turbine, such as a helicopter turbine, this probe comprising a thermocouple comprising a hot solder intended to be placed at the turbine outlet, cold welds and a thermal sensor for measuring the temperature of the cold welds, characterized in that this probe comprises an isothermal housing carrying a connector for connecting the probe to a connection cable to an apparatus for acquiring and processing data, the isothermal housing with its connector being intended to be placed outside the turbine, the isothermal housing enclosing the thermal sensor and each cold thermocouple junction.

3027106 3 Le boîtier isotherme permet de maintenir les températures du capteur de température et des soudures froides aussi proches que possible, pour obtenir la meilleure précision de mesure possible. L'ensemble peut ainsi être raccordé via son connecteur à un calculateur au moyen d'un câblage traditionnel, c'est-à-dire sans alliage spécifique, tel que 5 par exemple un câble à conducteurs en cuivre. L'invention a également pour objet une sonde ainsi définie, dans laquelle le boîtier isotherme avec son connecteur est équipé d'une bride de fixation à un support. L'invention a également pour objet une sonde ainsi définie, comprenant plusieurs thermocouples ayant chacun des soudures froides montées dans le boîtier 10 isotherme et une soudure chaude destinée à être placée en sortie de turbine. L'invention a également pour objet une sonde ainsi définie, comprenant des moyens pour connecter entre elles les soudures froides pour connecter les thermocouples hors du boîtier isotherme. L'invention a également pour objet une sonde ainsi définie, dans laquelle 15 les thermocouples sont connectés en série dans le boîtier isotherme. L'invention a également pour objet une sonde ainsi définie, dans laquelle les thermocouples sont connectés en parallèle dans le boîtier isotherme. L'invention a également pour objet une sonde ainsi définie, dans laquelle les thermocouples sont de type N.3027106 3 The isothermal enclosure keeps the temperatures of the temperature sensor and the cold welds as close as possible to obtain the best measurement accuracy possible. The assembly can thus be connected via its connector to a computer using traditional wiring, that is to say without any specific alloy, such as for example a cable with copper conductors. The invention also relates to a probe thus defined, in which the isothermal housing with its connector is equipped with a flange for attachment to a support. The invention also relates to a probe thus defined, comprising several thermocouples each having cold welds mounted in the isothermal housing 10 and a hot weld to be placed at the turbine outlet. The invention also relates to a probe thus defined, comprising means for connecting together the cold welds to connect the thermocouples out of the isothermal housing. The invention also relates to a probe thus defined, in which the thermocouples are connected in series in the isothermal housing. The invention also relates to a probe thus defined, wherein the thermocouples are connected in parallel in the isothermal housing. The subject of the invention is also a probe thus defined, in which the thermocouples are of type N.

20 L'invention a également pour objet une sonde ainsi définie, dans laquelle chaque thermocouple comporte une portion recouverte d'une gaine en matériau d'alliage de type Haynes. L'invention a également pour objet une turbine à gaz équipée d'une sonde ainsi définie.The subject of the invention is also a probe thus defined, in which each thermocouple comprises a portion covered with a sheath made of Haynes type alloy material. The invention also relates to a gas turbine equipped with a probe thus defined.

25 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est une vue d'ensemble de la sonde selon l'invention ; La figure 2 est une vue schématique montrant la sonde selon l'invention avec ses thermocouples connectés en parallèle ; 3027106 4 La figure 3 est une vue schématique montrant la sonde selon l'invention avec ses thermocouples connectés en série. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS 5 L'idée à la base de l'invention est de constituer une sonde thermique comportant les thermocouples et leurs soudures froides ainsi qu'un capteur de température des soudures froides, pour raccorder cette sonde à un calculateur distant au moyen de câbles normaux, comportant par exemple des conducteurs en cuivre.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an overall view of the probe according to the invention; FIG. 2 is a schematic view showing the probe according to the invention with its thermocouples connected in parallel; FIG. 3 is a schematic view showing the probe according to the invention with its thermocouples connected in series. DETAILED DESCRIPTION OF PARTICULAR EMBODIMENTS The idea underlying the invention is to constitute a thermal probe comprising the thermocouples and their cold welds as well as a cold weld temperature sensor, to connect this probe to a remote computer. by means of normal cables, for example comprising copper conductors.

10 Comme visible dans la figure 1, la sonde thermique 1 selon l'invention comprend un connecteur 2 et un boîtier isotherme 3 montés de part et d'autre d'une bride double 4, avec trois thermocouples 6A, 6B, 6C raccordés à ce boîtier isotherme 3. Le connecteur 2 est ici un connecteur étanche, par exemple du type EN2997, comportant dans sa région intérieure des fiches de cuivre non visibles. Ce 15 connecteur forme avec la bride double 4 et le boîtier isotherme 3 un ensemble rigide prévu pour être fixé à un support approprié, grâce à la bride 4 comportant deux perçages latéraux 7 et 8 prévus pour être traversés par deux vis de fixation. Le thermocouple 6A comporte une soudure dite chaude 9A correspondant à son extrémité libre, et destinée à être placée en sortie de turbine pour 20 mesurer la température des gaz de combustion. L'extrémité opposée de ce thermocouple, repérée par 11A, comporte deux soudures froides et est raccordée dans le boîtier isotherme 3. Ce thermocouple 6A comporte une gaine généralement tubulaire 12A renfermant deux conducteurs non visibles qui sont raccordés l'un à l'autre au niveau de 25 son extrémité libre pour former la soudure chaude destinée à être située en sortie de turbine. Cette gaine qui est thermiquement isolante est avantageusement fabriquée dans un alliage de type commercialisé sous le nom de marque Haynes, c'est-à-dire offrant une tenue au fluage améliorée, en particulier en comparaison avec un alliage 3027106 5 du type commercialisé sous le nom de marque Nimonic habituellement utilisé pour gainer ce type de thermocouple. La moitié de la gaine 12A qui est éloignée du boîtier 3 est équipée d'un fourreau 13A comportant une enveloppe tubulaire 14A terminée par une bride 16A. Cette 5 bride 16A comporte elle aussi deux trous destinés à être traversés par des vis de fixation à un support approprié situé au niveau de la sortie de turbine. Lorsque la sonde 1 est en place, l'extrémité libre 9A est engagée dans une ouverture appropriée du carter de sortie de turbine, et la bride 16A est plaquée et fixée au carter en question. La sonde est alors raccordée à un appareillage d'acquisition et de 10 traitement de données par l'intermédiaire de son connecteur 2. Les thermocouples 6B et 6C sont identiques au thermocouple 6A, et leurs éléments constitutifs portent dans les figures des références débutant par les mêmes chiffres mais suivis respectivement de la lettre B ou C au lieu de la lettre A. Complémentairement, le boîtier 3 renferme un capteur thermique, 15 repéré par 17, pour mesurer la température des soudures froides. Ce capteur qui est ici un thermomètre à résistance de platine de type PT100 ou PT1000, est lui aussi raccordé aux fiches du connecteur 2. Ainsi, les soudures froides des trois thermocouples et le capteur 17 sont raccordés aux fiches du connecteur 2. Les thermocouples sont avantageusement des thermocouples de type N 20 car ils présentent une meilleure tenue dans le temps en termes de dérive. Ceci permet de conserver une meilleure performance du moteur dans le temps du fait que la mesure des gaz en sortie de turbine conditionne directement la régulation de puissance du moteur. Cela étant, l'invention s'applique aussi bien à des thermocouples de tout autre type comme en particulier K, I, E ou J.As shown in FIG. 1, the thermal probe 1 according to the invention comprises a connector 2 and an isothermal box 3 mounted on either side of a double flange 4, with three thermocouples 6A, 6B, 6C connected to it. isothermal housing 3. The connector 2 is here a sealed connector, for example of the EN2997 type, having in its inner region non-visible copper plugs. This connector forms with the double flange 4 and the isothermal housing 3 a rigid assembly intended to be fixed to a suitable support, thanks to the flange 4 having two lateral holes 7 and 8 provided to be traversed by two fixing screws. The thermocouple 6A comprises a so-called hot weld 9A corresponding to its free end, and intended to be placed at the outlet of the turbine to measure the temperature of the combustion gases. The opposite end of this thermocouple, indicated by 11A, has two cold welds and is connected in the insulated housing 3. This thermocouple 6A comprises a generally tubular sheath 12A enclosing two non-visible conductors which are connected to each other at the level of its free end to form the hot weld to be located at the turbine outlet. This sheath which is thermally insulating is advantageously manufactured in an alloy of the type marketed under the brand name Haynes, that is to say offering improved creep resistance, in particular in comparison with a 3027106 alloy of the type marketed under the Nimonic brand name usually used to sheath this type of thermocouple. Half of the sheath 12A which is remote from the housing 3 is equipped with a sheath 13A comprising a tubular casing 14A terminated by a flange 16A. This flange 16A also has two holes intended to be traversed by fixing screws to a suitable support located at the turbine outlet. When the probe 1 is in place, the free end 9A is engaged in a suitable opening of the turbine outlet housing, and the flange 16A is plated and fixed to the housing in question. The probe is then connected to an apparatus for acquiring and processing data via its connector 2. The thermocouples 6B and 6C are identical to the thermocouple 6A, and their constituent elements bear in the figures references beginning with the same numbers but followed respectively by the letter B or C instead of the letter A. Complementarily, the housing 3 contains a thermal sensor, 15 marked by 17, to measure the temperature of cold welds. This sensor, which is here a PT100 or PT1000 platinum resistance thermometer, is also connected to the plugs of connector 2. Thus, the cold welds of the three thermocouples and the sensor 17 are connected to the plugs of connector 2. The thermocouples are advantageously thermocouples N type because they have a better behavior in time in terms of drift. This makes it possible to maintain a better performance of the engine over time because the measurement of the gases at the turbine outlet directly conditions the power regulation of the engine. That being so, the invention is equally applicable to thermocouples of any other type such as in particular K, I, E or J.

25 Un thermocouple de type N comprend une paire de conducteurs fabriqués respectivement dans les alliages correspondant à ceux commercialisés sous les noms de marques Nicrosil et Nisil. Comme représenté dans les figures 2 et 3, les trois thermocouples peuvent être connectés les uns aux autres en parallèle, comme c'est le cas dans l'exemple de la figure 2, ou bien en série, ce qui correspond au cas de la figure 3.An N-type thermocouple comprises a pair of conductors made respectively of the alloys corresponding to those sold under the trade names Nicrosil and Nisil. As shown in FIGS. 2 and 3, the three thermocouples can be connected to each other in parallel, as is the case in the example of FIG. 2, or in series, which corresponds to the case of FIG. 3.

3027106 6 La configuration en parallèle ou en série des trois thermocouples est réalisée soit hors du boîtier isotherme, par exemple dans le harnais, c'est-à-dire le faisceau de câbles, qui est relié au connecteur 2, soit dans le boîtier isotherme lui-même, soit dans un boîtier intermédiaire non représenté.3027106 6 The parallel or series configuration of the three thermocouples is performed either outside the isothermal housing, for example in the harness, that is to say the wiring harness, which is connected to the connector 2, or in the isothermal housing itself, either in an intermediate housing not shown.

5 La configuration parallèle ou série peut ainsi être réalisée au choix par l'exploitant en fonction de ses conditions de fonctionnement, tout en permettant à un opérateur de maintenance de pouvoir tester isolément les différents thermocouples. D'une manière générale, le fait, selon l'invention de prévoir un boîtier isotherme équipé d'un connecteur et renfermant le capteur de température ainsi que les 10 soudures froides permet de placer les soudures froides à relativement faible distance des soudures chaudes. En pratique, le connecteur avec son boîtier renfermant les soudures froides et le capteur sont simplement placés au voisinage de la turbine alors que les soudures chaudes sont placées en sortie de turbine. Le boîtier isotherme permet de garantir que la température mesurée par 15 le capteur de température est la même que la température des soudures froides pour obtenir une précision de mesure appropriée avec les thermocouples. Le fait de déporter la soudure froide au niveau du connecteur permet de limiter les longueurs de câbles en alliages spécifiques pour thermocouples. Cela permet aussi de supprimer les broches de connecteur en alliage spécifique.The parallel or series configuration can thus be made optionally by the operator according to his operating conditions, while allowing a maintenance operator to be able to test the individual thermocouples in isolation. In general, the fact of the invention to provide an isothermal housing equipped with a connector and containing the temperature sensor as well as the cold welds makes it possible to place the cold welds at a relatively short distance from the hot welds. In practice, the connector with its housing enclosing the cold welds and the sensor are simply placed in the vicinity of the turbine while the hot welds are placed at the turbine outlet. The isothermal enclosure ensures that the temperature measured by the temperature sensor is the same as the temperature of the cold welds to achieve appropriate measurement accuracy with the thermocouples. The fact of deporting the cold junction at the connector limits the lengths of cables in specific thermocouple alloys. This also removes the specific alloy connector pins.

20 La mise en oeuvre de thermocouples revêtus d'alliage de type Haynes permet d'avoir une meilleure tenue au fluage des thermocouples pour offrir une meilleure fiabilité de mesure dans le temps, et par là même une meilleure performance du moteur dans le temps. L'utilisation de soudures chaudes de type N permet de réduire les effets 25 du vieillissement sur la précision de mesure. La possibilité de réaliser la mise en parallèle ou en série des soudures froides à l'extérieur du capteur permet la réutilisation du capteur sur différentes applications et d'améliorer les procédures de détection et de localisation de panne. 30The use of Haynes type alloy-coated thermocouples makes it possible to have better creep resistance of the thermocouples in order to provide better measurement reliability over time, and hence better motor performance over time. The use of N-type hot welds reduces the effects of aging on measurement accuracy. The ability to parallel or serial cold welds outside the sensor allows the reuse of the sensor on different applications and improve fault detection and localization procedures. 30

Claims

REVENDICATIONS1. A probe (1) for measuring the gas temperature at the outlet of a gas turbine, such as a helicopter turbine, said probe comprising at least one thermocouple (6A, 6B, 6C) comprising a hot weld (9A, 9B, 9C) intended to be placed at the turbine outlet, cold welds (11A, 11B, 11C) and a thermal sensor (17) for measuring the temperature of the cold welds (11A, 11B, 11C), characterized in that this probe comprises an insulated housing (3) carrying a connector (2) for connecting the probe (1) to a connection cable to a data acquisition and processing equipment, the isothermal housing (3) with its connector (2) being intended to be placed out of the turbine, the isothermal housing (3) enclosing the thermal sensor (17) and each thermocouple cold junction (11A, 11B, 11C).

2. Probe (1) according to claim 1, wherein the isothermal housing (3) with its connector (2) is equipped with a flange (4) for attachment to a support.

A probe according to claim 1 or 2 comprising a plurality of thermocouples (6A, 6B, 6C) each having cold welds (11A, 11B, 11C) mounted in the isothermal housing (3) and a hot weld (9A, 9B, 9C). intended to be placed at the outlet of the turbine.

4. Probe (1) according to claim 3, comprising means for connecting together the cold welds (11A, 11B, 11C) for connecting the thermocouples (6A, 6B, 6C) out of the isothermal housing (3). 25

5. Probe (1) according to claim 3, wherein the thermocouples (6A, 6B, 6C) are connected in series in the isothermal housing (3).

6. Probe (1) according to claim 3, wherein the thermocouples (6A, 6B, 6C) are connected in parallel in the isothermal housing (3). 20 3027106 8

7. Probe (1) according to claims 1 to 6, wherein the thermocouples (6A, 6B, 6C) are of type N.

The probe (1) according to claims 1 to 7, wherein each thermocouple comprises a portion covered with a sheath (12A, 12B, 12C) of Haynes type alloy material.

9. Gas turbine equipped with a probe (1) according to one of claims 1 to 8.

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