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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Richtungsanzeigegerät
für Gasströmungen mit einer trans- oder subsonischen
Geschwindigkeit, insbesondere in begrenzten oder engen Räumen, und
umfaßt eine Druckmeßsonde, die in die Gasströmung eingeführt
ist, und einen Mechanismus zur Einstellung der Sonde durch
Drehen und Verschieben, mit einer mit ihr verbundenen
Recheneinheit, wobei die Sonde zwei Druckabnehmeröffnungen an ihrer
stromaufwärts gerichteten Seite hat, die lateral nebeneinander
angeordnet sind, und wobei sich aus dem Nichtvorhandensein
eines Druckdifferentials zwischen den Öffnungen ergibt, daß
die Sonde in der Strömungsrichtung ausgerichtet ist.
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Zum Messen der Richtung einer Gasströmung lassen sich eine
Vielzahl verschiedener Meßprinzipien heranziehen, zum Beispiel
Lasergeräte, Messungen mittels piezo-elektrischem Film oder
Druckmessungen. Soweit die äußerst genaue Richtungsmessung in
sehr engen Räumen und insbesondere bei transsonischen oder
supersonischen Geschwindigkeiten betroffen ist, kann praktisch
nur eine Messung des Druckes durchgeführt werden,
insbesondere, wenn es sich um die Richtungsmessung in einer im Betrieb
befindlichen Turbine handelt, wie im vorliegenden Fall. Zur
Richtungsbestimmung durch Messung des Druckes in Gasströmungen
wurden Meßsonden verschiedener Arten verwendet, wie
beispielsweise keilförmige oder kreisförmig zylindrische Sonden,
nichtsymmetrische parallele Röhren und dergleichen. Von diesen
werden die kreisförmige Zylinderform und die Keilform am
häufigsten verwendet, was hauptsächlich darauf zurückzuführen ist,
daß sie verhältnismäßig einfach in ihrer Herstellung sind. In
einer zylindrischen Meßsonde befinden sich die zwei
Druckabnehmeröffnungen oder Meßöffnungen dort, wo der Druckgradient
entlang der Oberfläche sein Maximum hat, so daß größtmögliche
Empfindlichkeit der Winkeleinstellungen erhalten wird.
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Die keilförmige Meßsonde läßt sich hauptsächlich bei
subsonischen Strömungen verwenden, bei denen das Druckdifferential
sich bei vorbestimmter Entfernung von der Spitze des Winkels
oder der Nase erhöht, um den Nasenwinkel zu verringern. Im
Gegensatz hierzu verringert sich das Druckdifferential mit der
Entfernung von der Nase; wird jedoch der Nasenwinkel
verkleinert, müssen die Öffnungen aus Platzgründen von der Nase aus
nach hinten versetzt werden. Daher bringt diese Art von Sonde
Schwierigkeiten mit sich, was die Bestimmung des optimalen
Nasenwinkels anbelangt. Außerdem verstärken sich die Probleme
dieser keilförmigen Sonde beim Übergang zur transsonischen und
supersonischen Strömung. Auch bei einer zylindrischen Sonde
ergeben sich Probleme bei transsonischen und supersonischen
Strömungen, bei denen die zylindrische Form als zu stumpf
erscheint und die Strömung in allen Stellungen zu sehr
beeinträchtigt.
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Da es zunehmend wichtiger geworden ist, die wirklichen
Strömungsbedingungen im transsonischen und supersonischen Bereich
zu kennen, die in einer im Betrieb befindlichen Gasturbine
vorherrschen, besteht daher ein Bedarf nach einer Meßsonde mit
verbesserter Form, um die Nachteile herkömmlicher Sonden zu
eliminieren. Insbesondere liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zugrunde, eine Sonde bereitzustellen, die innerhalb
des Machzahl-Bereiches von 0,8-2,0 verwendet werden kann und
die eine im Winkel einstellbare sogenannte Nullsonde mit hoher
Richtungsgenauigkeit im Größenbereich von ca. 0,2º sein muß.
Der Vorteil einer sogenannten Nullsonde besteht darin, daß bei
ihrer Einstellung in genauer Ausrichtung mit der Strömung die
beiden zu messenden Drucke gleich sind. Die Messung ist dann
unabhängig von dem Druck und der Strömungsgeschwindigkeit und
es muß kein dritter Druck gemessen werden. Daher beruht die
vorliegende Erfindung auf dem Gedanken, daß eine
Sondenprofilform gefunden werden muß, die nicht die Strömungsnachteile
herkömmlicher Sondenformen aufweist und in der gleichzeitig
die erforderlichen Verbindungsschläuche zwischen den
Druckabnehmeröffnungen und der Recheneinheit untergebracht werden
können.
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Es hat sich jetzt ergeben, daß dies erreichbar ist, und das
Merkmal, welches die Erfindung im wesentlichen kennzeichnet,
ist, daß die Sonde die Querschnittsform des Vorderabschnittes
eines symmetrischen Flügelprofils der Art hat, wie es vom
National Advisory Committee of Aeronautics, NACA (Nationales
Luftfahrtberatungskomitee), Vereinigte Staaten von Amerika,
als NACA 66-008, 64-015 und insbesondere NACA 66-015
kodifiziert ist.
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Der Vorteil der Verwendung eines symmetrischen Flügelprofils
eines derartigen kodifizierten Typs besteht darin, daß ein
glattes Strömungsprofil an der Führungskante der Sonde
erhalten wird. Außerdem wird auch bei sehr kleinen Abweichungen der
Winkelausrichtungen der Sonde von der richtigen
Strömungsrichtung ein sehr ausgeprägtes Druckdifferential erhalten,
d.h. die gewünschte Genauigkeit von 0,2º kann erreicht werden.
Überdies ermöglicht die Profilform, daß erforderlicher Raum
innerhalb der Sonde zur Unterbringung der notwendigen
Verbindungsschläuche zwischen den Druckabnehmeröffnungen und der
Recheneinheit erhalten werden kann, auch wenn sich die
Sondenöffnungen so nahe wie gewünscht an der Führungskante
oder Profilnase befinden. Schließlich ermöglicht die
Profilform ebenfalls, daß die erforderliche mechanische Festigkeit
der Sonde trotz ihrer kleinen Abmessungen erhalten wird, wenn
sie sich in einer im Betrieb befindlichen Gasturbine befindet,
z.B. nach einem Rotor oder einem Stator.
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Beispielhaft wird die Erfindung nachstehend weiter unter
Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
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Es zeigen
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Fig. 1 eine Aufrißansicht einer richtungsanzeigenden Sonde
gemäß der Erfindung,
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Fign. 1a und 1b Querschnitte der Sonde aus Fig. 1 jeweils entlang
der Linien A-A und B-B, und
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Fig. 2 einen fragmentarischen Schnitt einer Gasturbine, in
die eine erfindungsgemäße Meßsonde mit dazugehörigem
Mechanismus zur Winkel- und Verschiebeeinstellung
und Recheneinheit eingesetzt ist.
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Wie insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, wird eine Meßsonde 1
zur Anzeige der Richtung eines durch eine Gasturbine
strömenden Gases radial in eine Gasturbine 2 an einer Stelle
stromabwärts eines Turbinenlaufrads oder eines Rotors 3 eingeführt.
Um die Messung der Strömungsrichtung über die gesamte Breite
des ringförmigen Raumes stromabwärts des Rotors zu
ermöglichen, wird die Meßsonde 1 mittels eines nicht weiter
dargestellten, außerhalb der Gasturbine vorhandenen Mechanismus 4
für Winkel- und Verschiebeeinstellungen radial beweglich
angeordnet.
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Die Sonde 1 selbst besteht aus einem geraden Körper mit einer
Querschnittsform, die erfindungsgemäß als vorderer Abschnitt
eines symmetrischen Flügelprofils der Standardart ausgebildet
ist. Ungefähr in der Mitte der Länge dieses Körpers befinden
sich zwei Meß- oder Druckabnehmeröffnungen 5, die
nebeneinander im wesentlichen in derselben Querschnittsebene angeordnet
sind und von denen jede in einer der einander
gegenüberliegenden Profiloberflächen liegt, die der Strömung zugewandt
sind. Durch Leitungen 6 in der Sonde sind diese Öffnungen mit
einem nicht weiter dargestellten Druckwandler 7 verbunden,
welcher wiederum an eine Recheneinheit 8 angeschlossen ist.
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Aufgrund der Wahl einer Profilform der Sonde 1 entsprechend
dem Vorderabschnitt eines symmetrischen Flügelprofils des
Standardtyps wird nunmehr erfindungsgemäß der Vorteil erzielt,
daß die Meß- oder Druckabnehmeröffnungen 5 ausreichend weit
vor dem Profil angeordnet werden können, d.h. in der Nähe der
Führungskante, um eine hohe Sensibilität verfügbar zu machen,
d.h. ein größtmögliches Druckdifferential zwischen den beiden
gegenüberliegenden Seiten der Sonde und den darin angeordneten
Öffnungen 5, sobald die Sonde 1 nicht perfekt mit der
Gasströmung ausgerichtet ist, sondern sich an der Sonde 1 eine
Überdruckseite und eine Unterdruckseite bilden. Im Gegensatz
zu der früher verwendeten Keilform der Sonde, bei der die
scharfe Führungskante ein Umströmen derselben verhindert,
ergibt eine Flügelprofilform gemäß der Erfindung eine glatte
Ablenkung an der Führungskante.
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Bezüglich der Länge der Sonde 1, d.h. der "Höhe", gibt es
keine besondere Begrenzung; da jedoch ein größtmögliches
Druckdifferential zwischen den zwei Profilseiten der Sonde
erhalten werden soll, ist es wünschenswert, daß in Schräglage
der Sonde in Bezug zu der Gasströmung ein geringstmögliches
Ablaufen von der Überdruckseite zu der Unterdruckseite
auftritt. In einer bevorzugten Ausführungsform wurde daher die
Profilhöhe so gewählt, daß sie ca. ein Dreifaches der
Profillänge betrug, wobei die Sonde auch gegenüber schrägen radialen
Strömungen unempfindlich sein und sichergestellt wird, daß sie
gute Festigkeitseigenschaften hat.
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Wie aus Fig. 1 zu sehen ist, wird die Sonde 1 von einem
Sondenschaft 10 getragen, der im vorliegenden Fall eine
zylindrische Form hat und durch die äußere Wand der Gasturbine
verläuft und die Sonde mit dem Mechanismus 4 zur Winkel- und
Verschiebeeinstellung verbindet. An dem von dem Schaft 10
entfernten Ende der Sonde 1 hat diese Sonde vorzugweise auch eine
Verlängerung 11, so daß sie von einem mit dem Gehäuse der
Gasturbine
2 verbundenen Abschnitt gestützt und geführt werden
kann.
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Als Flügelprofil des Standardtyps werden vorzugsweise Profile
der NACA-Reihe gewählt, und im bevorzugtesten Fall eines der
folgenden Profile, nämlich NACA 66-008, NACA 64-015 und NACA
66-015. Dabei ist es am besten, den Abschnitt des vorderen
Fünftels dieser Profile auszuwählen.
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Durch die Erfindung wird daher eine
Strömungsrichtungsanzeigesonde erhalten, deren Sensibilität erheblich höher ist als die
früher bekannter Sonden mit zylindrischer oder Keilform. Die
Sonde hat sich als besonders gut geeignet erwiesen für
transsonische und supersonische Strömungen, auch bei derartig
qualifizierten Anwendungen wie in einer modernen Gasturbine,
in der der für die Sonde verfügbare Raum äußerst begrenzt und
von einer so kleinen Größenordnung wie 4,85 mm ist, was
nahelegt, daß die Sonde ca. 3,5 mm nicht überschreiten darf. Aus
konstruktiver Sicht hat die Sonde der vorgeschlagenen Form
auch eine derartige Eigensteifheit, die ausreicht, ein
Verbiegen oder Brechen der Sonde aufgrund der Gasströmung in der
Turbine zu verhindern. Die Sonde könnte jedoch auch
vorteilhaft im subsonischen Strömungsbereich verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Sondenform oder -profil ergibt bereits
bei geringen Abweichungen von der genauen Ausrichtung mit der
Strömungsrichtung der Gase große Druckdifferentiale zwischen
den Meßöffnungen 5, insbesondere in Verbindung mit
supersonischen Strömungen, und ermöglicht daher eine hohe
Meßgenauigkeit in einem Strömungsgeschwindigkeitsbereich, der bis dahin
ernste Probleme bereitet hatte. Zur gleichen Zeit ergibt sich
ebenfalls bei geringen Außenabmessungen der Sonde ausrei-chend
Innenraum für die erforderlichen Leitungen zu Meßöffnungen 5.