專利名稱：燃?xì)廨啓C(jī)用的光學(xué)高溫計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高溫計(jì)的范疇。本發(fā)明以按照權(quán)利要求1前序部分所述用于在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)測量溫度的高溫計(jì)、按照權(quán)利要求9前序部分所述裝有高溫計(jì)的燃?xì)廨啓C(jī)以及按照權(quán)利要求13前序部分所述借助于高溫計(jì)監(jiān)控燃?xì)廨啓C(jī)的方法。
由先有技術(shù)已知燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)溫度測量的不同方法?；镜奈锢頊y量原理主要基于溫度取決于電阻、熱電效應(yīng)(熱電偶)、顯色反應(yīng)(示溫色)、氣體內(nèi)的音速、或散射或發(fā)射的電磁熱輻射的光譜分布等。
用于燃?xì)廨啓C(jī)的溫度傳感器必須能承受極高的溫度、壓力和振動負(fù)荷。傳統(tǒng)的熱電偶在這些使用條件下極迅速地老化。此外，還應(yīng)測量旋轉(zhuǎn)件，這只能借助于復(fù)雜的遙測技術(shù)。使用示溫色限于根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來檢驗(yàn)。有效的激光測量方法例如雷利散射或CARS(“CoherentAntistokes Raman Scattering”)盡管是非接觸式的，但是復(fù)雜和難以實(shí)現(xiàn)。
因此早就已知，輻射高溫計(jì)作為無源的光學(xué)方法更適用于在運(yùn)行條件下在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)測量溫度。在專利申請W0 86/00131中公開了一種光學(xué)高溫計(jì)，它有一個從渦輪外部直到第一排工作葉片的直視通道。此測量設(shè)備的特點(diǎn)在于，高溫計(jì)和包括檢測器在內(nèi)的所有光學(xué)部件，通過視窗與燃?xì)廨啓C(jī)的高壓和高溫環(huán)境隔開。作為直視通道可考慮所有的那些在流動通道內(nèi)基本上直線地從第一排工作葉片通過兩個導(dǎo)向葉片之間的間距一直朝燃燒室一側(cè)的渦輪機(jī)匣方向延伸并且不觸及流過熱燃?xì)獾臏u輪零件的連接途徑。直視通道計(jì)設(shè)計(jì)得如此之寬，以致即使在熱變形的機(jī)器內(nèi)也能保持自由敞通的直視連接，并除此之外可以通過在通道內(nèi)調(diào)整光徑針對工作葉片的不同區(qū)域。直視通道和視窗用壓縮空氣吹洗。在此類測量方案中也可以測量導(dǎo)向葉片、熱燃?xì)馔ǖ?、燃燒器壁或燃?xì)獾臏囟?。這種高溫計(jì)的主要缺點(diǎn)是，由于長達(dá)數(shù)米的極大的測量距離所以測量精度受到固有的限制。也就是說，要檢測的熵圖面積和位置只能得到不充分的控制。
Land Instruments International Inc.公司提供了名為TBTMS(“Turbine Blade Temperature Measurement System”)的帶直視通道和壓力密封視穿的同類高溫計(jì)。按

圖1，直視通道2終止在具有視窗3的渦輪機(jī)匣10外面。在那里，熱輻射被光學(xué)鏡片4饋入纖維5，并由纖維5從隔音罩(“Enclosure”)11引出。光信號在檢測器6中轉(zhuǎn)換成電信號，后者通過信號線7輸入電子測量設(shè)備8。饋給光學(xué)鏡片4和連接纖維5遭受的環(huán)境溫度為最高400℃。由于光學(xué)鏡片4鄰近燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部而有更大的受污損的危險，所以必須借助強(qiáng)力的空氣吹洗裝置9來對付。為此目的，直視通道2在渦輪內(nèi)部可能有一根長達(dá)1.2m例如用碳化硅制的防護(hù)管，它應(yīng)耐高達(dá)1550℃的溫度并遠(yuǎn)離煙灰粒子等。
Land高溫計(jì)1的嚴(yán)重缺點(diǎn)是要安裝在渦輪機(jī)匣10上的光學(xué)探測頭相當(dāng)復(fù)雜。也就是說此探測頭包括用于輻射體成象的光學(xué)鏡片4的調(diào)整頭、含視窗3在內(nèi)的壓力和溫度的阻隔裝置、復(fù)雜的空氣或水的冷卻裝置、以及具有吹洗系統(tǒng)的防護(hù)管或視管。這類探測頭的總重量可能大大超過50kg。還有，約15mm至60mm的視管直徑嚴(yán)重限制了在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)可能的安裝位置，并可能造成渦輪零件不希望的機(jī)械削弱。如后面詳細(xì)說明的那樣，由于直視通道2的直線性，這種限制導(dǎo)致非常平的觀察角，按這樣的觀察角工作葉片雖能成象但使溫度測量不正確。此外，測量距離超過1m仍然很長。因此測量點(diǎn)包括了工作葉片的過大的區(qū)域并在有的情況下還含有轉(zhuǎn)子的一部分，由此產(chǎn)生進(jìn)一步的測量誤差。在采用Land高溫計(jì)的試驗(yàn)中證明溫度誤差超過50℃。
在另一項(xiàng)先有技術(shù)中，高溫計(jì)配備有形式上為剛性耐高溫光導(dǎo)藍(lán)寶石棒的實(shí)心光學(xué)探測頭。圖2表示了LuxtronCorporation,Accufiber Division的一種實(shí)施方案。在藍(lán)寶石棒14頂端的黑空腔輻射源13起測量探針的作用，它固定在熱氣流中并在那里被加熱。熱輻射經(jīng)光學(xué)耦合器15仍饋入在熱燃?xì)鈪^(qū)以外亦即渦輪機(jī)匣外部的低溫纖維16內(nèi)，導(dǎo)出隔音罩并輸入帶濾光器18和光電二極管19的檢測器17。為了測量工作葉片的溫度，藍(lán)寶石頂端也可以拋光成平的和是彎曲的，以便非接觸式地接收所期望觀察目標(biāo)的熱輻射。
藍(lán)寶石棒的長度一般最多到0.4m，直徑一般大于1mm。它們朝頂端方向變得非常熱。引起測量值偏差的原因主要是本征輻射、自吸收、向較冷的環(huán)境的輻射損失和熱輻射沿獨(dú)立的藍(lán)寶石棒的側(cè)向饋入。在具有空腔13的封閉式實(shí)施形式中，測量誤差造成的原因還要加上在藍(lán)寶石棒內(nèi)的熱傳導(dǎo)。在不利的情況下測得的溫度與熱燃?xì)鉁囟然驅(qū)ο鬁囟炔辉儆性S多共同之處。此外在兩種實(shí)施形式中，在1300℃以上棒14的塑性變形帶來問題，由于這種塑性變形使能承受住燃?xì)饬鞯乃{(lán)寶石長度限于10mm以下。為了保護(hù)，采用水冷式承載探針和藍(lán)寶石支承管。然而這些方案不能令人滿意，因?yàn)槌休d探針干擾燃?xì)饬?，而支承管在燃?xì)饬鲀?nèi)的迎風(fēng)面與背風(fēng)面之間造成嚴(yán)重的溫度梯度并因而產(chǎn)生大的內(nèi)應(yīng)力。
為了根據(jù)熱輻射計(jì)算溫度采用已知的高溫測量信號評估方法，例如在W.Pepperhoff所著的教科書“Temperaturstrahlang”(Dr.D.Steinkopff,Darmstadt 1956年出版)中所說明的那樣。尤其是為了確定溫度可按單色、雙色或?qū)掝l帶方式分析熱輻射的譜。一種雙色高溫計(jì)特別有效地用于消除輻射體發(fā)射率改變的影響。
上述高溫傳感器原則上可用來確定一個工作葉片排的平均溫度或各導(dǎo)向葉片的單個溫度。平均溫度對于保護(hù)燃?xì)廨啓C(jī)是一個有用的參數(shù)，例如用于通過自動降低載荷來限制燃?xì)廨啓C(jī)的熱負(fù)荷。單個溫度適合作為防止工作葉片例如由于冷卻通道堵塞或損壞引起過熱的早期警報。
但是為了完成這些任務(wù)必須對溫度測量的準(zhǔn)確度和長期可靠性提出極高的要求。目前可用的高溫計(jì)由于上述原因達(dá)不到所期望的測量精度。此外它們的結(jié)構(gòu)復(fù)雜和體積大并要求強(qiáng)有力的冷卻系統(tǒng)，總之難以組合在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)。柔性的光傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)僅能在低溫側(cè)得到充分利用。相反，在高溫側(cè)，直視通道或藍(lán)寶石棒的幾何尺寸限制了高溫計(jì)的靈活性和高溫計(jì)對荷刻的燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)境的適應(yīng)能力。
本發(fā)明的目的是，首先提供一種高溫計(jì)，其特點(diǎn)在于改善了高溫適用性、幾何靈活性和測量準(zhǔn)確性以及特別適用于在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)測量溫度；第二提供一種配有此類高溫計(jì)的改進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)；以及，第三提供一種借助于此類高溫計(jì)監(jiān)控燃?xì)廨啓C(jī)的方法。按本發(fā)明通過權(quán)利要求1、9和13的特征達(dá)到這些目的。
本發(fā)明的核心是一個光導(dǎo)測量探針，它包括一個用于檢測熱輻射的顯微光學(xué)探測頭和一根用于將熱輻射傳輸給檢測器的光纖，其中，探測頭和光纖都適用于高溫并有一柔性的耐高溫外套。
第一種實(shí)施例表示了一種測量探針，它包括用石英玻璃或藍(lán)寶石晶體制的顯微透鏡和纖維，其中，顯微透鏡和纖維沒有金質(zhì)的高溫涂層和/或裝入一個薄的可彎曲的因科鎳合金制的防護(hù)毛細(xì)管內(nèi)。
第二和第三種實(shí)施例表示了在低壓導(dǎo)向葉片和在高壓導(dǎo)向葉片內(nèi)光導(dǎo)測量探針的最佳安裝方式。
第四種實(shí)施例表示了測量探針在導(dǎo)向葉片內(nèi)的安裝，其中，在葉片壁內(nèi)制有一個帶盲孔的用于安裝藍(lán)寶石或石英纖維的孔，以及此盲孔起微型空腔或黑空腔輻射源的作用。
按本發(fā)明的高溫計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，鑒于其高溫適用性和幾何靈活性，所以它特別適合安裝在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)熱的難以接近的地方。
另一個優(yōu)點(diǎn)是，此高溫計(jì)在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)可裝在離測量目標(biāo)距離近的地方并處于有利的視角，由此顯著提高了測量精度。
特別有利的是，借助于按本發(fā)明的高溫計(jì)可以控制工作葉片溫度，并因而燃?xì)廨啓C(jī)可在沿渦輪進(jìn)口圓周的溫度分布、工作安全性、效率、維修間隔時間以及總的來說可靠性和可使用性等方面得到改善。
下面借助于實(shí)施例說明本發(fā)明。其中圖1 Land Instruments International,Inc.公司的具有直視通道的高溫度(先有技術(shù))；圖2 Luxtron Corporation,Accufiber Division公司的具有藍(lán)寶石棒的高溫計(jì)(先有技術(shù))；圖3按本發(fā)明的高溫計(jì)，有一個帶顯微光學(xué)探測頭的柔性耐高溫測量探針；圖4按圖3的高溫計(jì)在低壓工作葉片內(nèi)的安裝；圖5按圖3的高溫計(jì)在高壓工作葉片內(nèi)的安裝；圖6按圖3的具有一個微型空腔的高溫計(jì)在導(dǎo)向葉片內(nèi)的安裝。
在附圖中相同的部分采用同樣的符號。
圖3表示按本發(fā)明的高溫計(jì)20的第一種實(shí)施例。測量高溫的和光導(dǎo)測量探針21包括一根帶高溫適用的顯微光學(xué)探測頭22的高溫適用的光纖24，它們有一個柔性的耐高溫外套25、26、27、28。顯微光學(xué)探測頭22和纖維24互相直接光學(xué)連接，也就是說不需要任何為了將光從探測頭22傳輸入纖維24的饋給光學(xué)鏡片。測量對象的熱輻射被探測頭22檢測，熱輻射饋入纖維24中和傳輸給檢測器32并轉(zhuǎn)換為至少一個電信號。在電子測量設(shè)備33中借助于已知的測量高溫的信號評估方法，根據(jù)此電信號計(jì)算出表征測量對象溫度的溫度信號。
顯微光學(xué)探測頭22在最簡單的情況下由纖維24的一個端部構(gòu)成，它例如可以拋光成平的。為了增大接收面積，有利的是探測頭22是一圓錐體(“taper”)22。特別有利的是，如圖中所表示的那樣，圓錐體22是一個帶凸的例如球狀正面的顯微透鏡22。圓錐體22例如最大直徑D=1mm-2mm和長度L=3-6mm。為了使光有效地饋入纖維24，圓錐體22應(yīng)一直收縮到纖維直徑。還可以設(shè)想，探測頭22通過一個短的桿狀光導(dǎo)體朝纖維24方向延伸，只要在總體上不會因此而損害測量探針21的靈活性和可安裝性。
顯微透鏡22限制了測量探針21的數(shù)值孔徑或光學(xué)孔徑角，并由于視野的這種狹窄性所以接收較少的干擾輻射。此外，由于顯微透鏡22的折射率，測量對象命中接收面的全部熱輻射有效地饋入纖維24內(nèi)。尤其是，針對測量點(diǎn)期望的尺寸和預(yù)定的目標(biāo)距離范圍，可例如借助于“ray-tracing”程序優(yōu)化顯微透鏡22的焦距和圓錐長度L。最后重要的是，探測頭22和纖維24設(shè)計(jì)為一體，或互相耐高溫地光學(xué)連接。
纖維24和探測頭22必須用一種對于期望的光譜范圍為透明和耐熱的材料制造。一種適用的選擇是硅酸鹽玻璃或石英玻璃，它們有高達(dá)1100℃的使用溫度和一般為0.3μm-2μm的透射范圍。尤其是一種按標(biāo)準(zhǔn)的具有芯子和石英玻璃外套(“cladding”)的“all-silica”玻璃纖維適合于作為高溫纖維24。玻璃纖維24最好具有階梯形指數(shù)型面和芯子直徑小于400μm的多模態(tài)的。圓錐體22和纖維24的整體設(shè)計(jì)，可以按已知的方式例如由一個纖維端通過加熱和鐓粗或加熱和成滴狀；或在制造纖維24時通過使用圓錐體22作為晶核或通過改變?nèi)刍俣?“feed rate”)和拉拔速度(“pull rate”)制成。如果需要，凸的正面可通過拋光圓錐體22、通過正面被激光束熔化和重新凝固在表面張力之類的作用。按與之不同的另一種方案，圓錐體22或顯微透鏡22可用石英玻璃預(yù)制尤其是拋光，并通過一個接頭23亦即通過電弧熔化與纖維24連接。作為另一種可供選擇的耐高溫的光學(xué)連接技術(shù)，還可以使用激光束熔接方法，玻璃釬焊等類似方法。
用于探測頭22和纖維24的另一種有利的材料選擇是使用溫度高達(dá)約1900℃和透射范圍一般為0.2μm-5μm的藍(lán)寶石晶體。藍(lán)寶石鑒于其化學(xué)惰性所以其特點(diǎn)是即使在高溫下和腐蝕性環(huán)境中仍有杰出的長期穩(wěn)定性。目前可以獲得直徑例如300μm和長度達(dá)若干米的柔性單晶藍(lán)寶石纖維。高溫纖維24可以全部或部分是這種藍(lán)寶石纖維。用藍(lán)寶石制的圓錐體22或顯微透鏡22與纖維24的整體設(shè)計(jì)原則上可以借助于由石英已知的方法實(shí)現(xiàn)。圓錐體22或顯微透鏡22也可以直接由藍(lán)寶石晶體培育并通過拋光、激光束熔化等加工以及例如通過玻璃釬焊與藍(lán)寶石纖維24構(gòu)成耐高溫的光學(xué)連接。借助于玻璃釬焊也可以將藍(lán)寶石與石英，尤其是藍(lán)寶石探測頭22與石英纖維24光學(xué)地連接起來。
在實(shí)踐中，此類結(jié)構(gòu)的測量探針21應(yīng)防腐蝕、防潮、防機(jī)械損傷等。尤其是石英纖維24和/或石英探測頭22在高溫和化學(xué)腐蝕環(huán)境中會受到嚴(yán)重的腐蝕，需要一個化學(xué)惰性和良好粘附性的高溫涂層25、26，它可由金屬構(gòu)成。特別有利的是金可達(dá)750℃以及鋁可達(dá)550℃。高于這些溫度擴(kuò)散過于強(qiáng)烈。石英纖維24設(shè)有這種涂層或外套26是已知的技術(shù)。按本發(fā)明探測頭22用釬料25作外套，在這種情況下為了改善釬料25的粘附性噴涂上一種由金或鋁組成的底劑。
高溫涂層25、26的機(jī)械防護(hù)作用還不夠大。按本發(fā)明通過防護(hù)毛細(xì)管27、28達(dá)到進(jìn)一步改善機(jī)械防護(hù)作用的目的，它最好用一種金屬尤其是由一種耐熱和耐腐蝕的合金如因科鎳合金制成。防護(hù)毛細(xì)管27、28有薄壁細(xì)管的形狀，為了改善可彎性，它可以有一個朝探測頭22方向的臺階狀收縮。探測頭22本身同樣可以用防護(hù)毛細(xì)管27、28尤其是頭部27包圍。頭部27在探測頭22上的固定通過釬料25、借助于一種陶瓷的高溫膠、通過卷邊之類實(shí)現(xiàn)。
在藍(lán)寶石纖維24和/或藍(lán)寶石探測頭22的情況下，必須保證實(shí)現(xiàn)機(jī)械防護(hù)以便不危害光的導(dǎo)引。在這里也可以設(shè)同樣的高溫涂層25、26，尤其是因?yàn)榻鸷弯X在紅外光譜區(qū)內(nèi)有強(qiáng)的反射能力。此外，將來還可期望有外包層的藍(lán)寶石纖維。取代高溫涂層25、26或除高溫涂層25、26外仍設(shè)有防護(hù)毛細(xì)管27、28。
總之，通過按一發(fā)明的外套25、26、27、28，尤其是高溫涂層25、26和/或防護(hù)毛細(xì)管27、28，顯著改善了測量探針21在困難的測量環(huán)境中的可使用性。在這里重要的是高溫涂層25、26和防護(hù)毛細(xì)管27、28是機(jī)械柔性的，以維持測量探針21柔韌性的優(yōu)點(diǎn)。此外，對于長的纖維24，為了補(bǔ)償纖維24與毛細(xì)管28熱膨脹系數(shù)的差別設(shè)一補(bǔ)償圈29。到達(dá)檢測器32的距離可以由普通的加長纖維31橋接并設(shè)有光學(xué)插頭30。
與已知的先有技術(shù)相比，按本發(fā)明的高溫計(jì)有許多突出的優(yōu)點(diǎn)。采用光導(dǎo)測量探針21，不再需要圖1或圖2中所示的剛性、直線狀直視通道2或藍(lán)寶石棒14。同理，在燃?xì)廨啓C(jī)高溫區(qū)與低溫區(qū)之間的交接部位處低溫纖維5、16的饋給光學(xué)鏡片4、15以及壓力密封視窗3連同復(fù)雜的冷卻與空氣吹洗裝置9和笨重的裝配法蘭也都可以取消。而光導(dǎo)測量探針21的特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)緊湊、構(gòu)件和設(shè)計(jì)的耐高溫性、以及在保持纖維光學(xué)靈活性的情況下完全具有防機(jī)械和腐蝕作用的能力。測量探針21還可以彎曲到幾厘米的小半徑，并因而還可以安裝在機(jī)器內(nèi)許多難以接近的部位。借助于顯微光學(xué)探測頭22還可以從很近處并有高的位置分辨能力地觀察極熱的測量對象。按本發(fā)明的測量探針21的通用性還表現(xiàn)在，檢測器32和電子測量設(shè)備33還可以提供熱輻射的譜學(xué)分析?？梢詼y定和修正由于高溫計(jì)20不均勻的光譜傳輸引起的譜誤差。光譜可給出例如有關(guān)測量對象表面性質(zhì)的信息。
此光學(xué)高溫計(jì)20尤其適合于在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)確定輻射溫度。為實(shí)施這種改進(jìn)或應(yīng)用，將測量探針21裝在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)腔中，用于檢測高熱負(fù)荷構(gòu)件的熱輻射；設(shè)有將熱輻射傳輸?shù)阶詈迷谌細(xì)廨啓C(jī)外部的檢測器32的纖維24、31；以及，檢測器32與電子測量設(shè)備33連接。
高溫計(jì)20特別有效的改進(jìn)或應(yīng)用涉及在旋轉(zhuǎn)或靜止的渦輪葉片上準(zhǔn)確和對干擾不敏感的溫度測量。為此目的，測量探針21裝在最好第一或第二排導(dǎo)向葉片34、48內(nèi)的孔41中。纖維24、31尤其在熱燃?xì)鈪^(qū)內(nèi)的高溫纖維24至少部分位于燃?xì)廨啓C(jī)的冷卻通道內(nèi)。此外，設(shè)有導(dǎo)管43，用于安裝纖維24、31和/或測量探針21。在圖4-6中詳細(xì)表示此類高溫計(jì)20的三種最佳實(shí)施形式。
圖4在側(cè)視圖和沿剖切線A-A的剖面圖中表示低壓燃?xì)廨啓C(jī)尤其是第一或第二排導(dǎo)向葉片34和工作葉片35。導(dǎo)向葉片34固定在葉根36與葉片平臺37之間并將熱燃?xì)饬?6導(dǎo)向工作葉片35，工作葉片固定在轉(zhuǎn)子44上。在導(dǎo)向葉片34內(nèi)葉根36與后緣38之間延伸有葉片冷卻通道39，其中由圖中沒有表示的燃?xì)廨啓C(jī)冷卻通道供應(yīng)冷卻空氣40。在導(dǎo)向葉片34內(nèi)留有尤其是鑄入或腐蝕成孔41，它在導(dǎo)向葉片34的后緣38上有一個口42。探測頭22以視向朝著工作葉片35尤其朝工作葉片35前緣45地裝在口42內(nèi)。
孔41最好沿葉片冷卻通道39延伸并有一用于安裝測量探針21的導(dǎo)管43。導(dǎo)管43在端部有一止擋，它保證探測頭22在導(dǎo)向葉片34內(nèi)正確定位，以及冷卻空氣40流過上述導(dǎo)管。此外，為了更有效地冷卻測量探針21并與此同時吹洗探測頭22，可在導(dǎo)管43中設(shè)一些冷卻空氣40用的孔。借助于用于安裝纖維24、31的導(dǎo)管43或其未表示的延伸段和借助于壓力密封的穿墻，可以方便地貫穿處于不同壓力不同的燃?xì)廨啓C(jī)壁或整個燃?xì)廨啓C(jī)。在導(dǎo)管43端部在導(dǎo)管43與防護(hù)毛細(xì)管28之間設(shè)有密封裝置。由于測量探針21的柔性和穩(wěn)定性，即使在彎曲的導(dǎo)管43內(nèi)，測量探針21也能順利地推入至約6m。
在此類型的一種高溫計(jì)方案中，完全具有與先有技術(shù)相比的上述各種優(yōu)點(diǎn)。測量探針21的直徑甚至包括防護(hù)毛細(xì)管27、28在2mm以下和包括導(dǎo)管43為2.5mm，與之相比，用虛線表示的用于傳統(tǒng)高溫計(jì)1的直視通道46達(dá)60mm。因此，首先，按本發(fā)明的高溫計(jì)20可以裝在導(dǎo)向葉片34內(nèi)不造成任何有害的機(jī)械削弱，并可實(shí)現(xiàn)將測量探針21一直安置到燃?xì)廨啓C(jī)冷卻系統(tǒng)內(nèi)的高溫區(qū)。因此冷卻可以在沒有附加費(fèi)用支出的情況下實(shí)現(xiàn)以及顯著延長了高溫計(jì)20的使用壽命。此外，即使在燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行期間也可以方便地更換此高溫計(jì)20。
有關(guān)測量精度方面的優(yōu)點(diǎn)也有重要意義。當(dāng)要測量的工作葉片35表面溫度約700℃至1000℃時，通過將測量探針21安裝在溫度約600℃的冷卻式導(dǎo)向葉片34內(nèi)，基本上遏制了由于探測頭22和金元素的高溫涂層25、26的本征輻射及自吸收帶來的問題。顯微透鏡22的小面積和它在葉片冷卻通道39之間的定位，保證通過冷卻空氣40非常有效地吹洗和保持清潔。測量點(diǎn)和到測量對象的距離很小，或甚至達(dá)到最小程度。所以減少了由于相鄰葉片、葉根36、轉(zhuǎn)子44、圍繞熱燃?xì)馔ǖ赖臋C(jī)匣散亂反射的外來輻射引起的干擾。最后，由于這種小的測量點(diǎn)再結(jié)合快速工作的電子測量設(shè)備33，在旋轉(zhuǎn)的工作葉片35上可達(dá)到溫度測量高的地點(diǎn)分辨率。所要求的100KHz-1MHz的頻帶寬度可借助InGaAs光電二極管和高速DSP處理器達(dá)到。在這種設(shè)計(jì)中可以采集第一排所有工作葉片35的各個溫度剖面、識別熱的工作葉片35、以及檢測出在各工作葉片35內(nèi)的溫度最大值。
同樣有利的是，從導(dǎo)向葉片后緣38到工作葉片前緣45的視向基本上垂直于被觀察的熱輻射表面。這是因?yàn)?，對于?shí)際上非散射的表面，發(fā)出的射線的角度分布與朗伯(Lambert)的余弦定理有很大的偏差，尤其在大于30°的臨界角度區(qū)內(nèi)嚴(yán)重背離。這一特性例如可見R.Siegel和John R.Howell所著的教科書“Thermal Radiation HeatTransfer”(Hemisphere Publishing Corporation,Washington)中的例如第178頁。在實(shí)踐中臨界角度區(qū)往往出現(xiàn)在60 °與80°之間，并由于發(fā)射率的變異性或不確定性導(dǎo)致溫度測量不準(zhǔn)確。然而采用按本發(fā)明高溫計(jì)20，只要視向位于一個從工作葉片35視觀察區(qū)表面的垂線出發(fā)約30°張角的錐體之內(nèi)，便可以實(shí)施測量。與之相反，具有傳統(tǒng)的直視通道47的視角為60°和60°以上，由此可能造成顯著的測量誤差。
圖5在側(cè)視圖中表示了高壓燃?xì)廨啓C(jī)最好第一或第二排導(dǎo)向葉片48和工作葉片49以及在沿剖切線B-B的剖面圖中表示了工作葉片49。由于導(dǎo)向葉片48的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不允許安置用于傳統(tǒng)高溫計(jì)1的直視通道。但是按本發(fā)明的高溫計(jì)20卻可以組合在葉根37內(nèi)。仍在導(dǎo)向葉片48中制一孔41，現(xiàn)在此孔41在導(dǎo)向葉片48葉根36的后壁50上有一口42。探測頭22以朝著工作葉片49的視向裝在口42內(nèi)。在圖4中有關(guān)孔41、導(dǎo)管43、測量探針21、防護(hù)毛細(xì)管27、28等所作的說明和優(yōu)點(diǎn)，在這里同樣或相應(yīng)地適用?？?1相對于熱燃?xì)饬鞣较?6的傾斜角約30°或往往更小，所以測量探針21的視向51與工作葉片49上的表面法線形成一個小角度。如剖面圖中所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，工作葉片49的大部分，尤其是前緣45和后緣區(qū)內(nèi)的壓力側(cè)52被測量探針21掃描到。因此高壓工作葉片49上的熱區(qū)可以非常準(zhǔn)確地被監(jiān)控。
圖6公開了一種用于測量導(dǎo)向葉片34、38表面溫度的高溫計(jì)20實(shí)施形式?？?1在導(dǎo)向葉片34、48的一個壁內(nèi)盡可能靠近表面的地方，孔制在那里尤其腐蝕而成，以及孔41有一個帶探測頭22定距裝置的盲孔53。探測頭22與孔41的盲孔53一起構(gòu)成一個微型空腔54，它起黑空腔輻射源的作用。測量探針21和探測頭22仍如在圖3中說明的那樣設(shè)計(jì)。測量探針21最好由細(xì)的單晶藍(lán)寶石纖維24與很細(xì)的防護(hù)毛細(xì)管28組成。于是孔41的直徑約0.8mm便已足夠，它的長度可例如有100mm。導(dǎo)管43正好設(shè)在孔41外面。原則上可設(shè)想孔41折角或彎曲形延伸。定距裝置可例如是階梯狀的臺階、孔41的收縮段、一個套管等。它保證在探測頭22與孔41端部之間保持一個約4-6mm固定的間距。微型空腔54的尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全允許不同于所作的說明。對于準(zhǔn)確測量溫度而言重要的僅僅是，微型空腔54的壁有所要測量的溫度，亦即在這種情況下至少近似于導(dǎo)向葉片34、38的表面溫度；以及，微型空腔54的尺寸并因而發(fā)射率保持常數(shù)。
采用這種高溫計(jì)設(shè)計(jì)方案，為導(dǎo)向葉片34、48的表面附近溫度提供了一種幾乎理想的黑空腔輻射源。按這種方式設(shè)計(jì)的高溫計(jì)20的特點(diǎn)在于前面已提及的一些優(yōu)點(diǎn)。此外，在使用壽命、信號強(qiáng)度和測量精度等方面均優(yōu)越于目前使用的高溫?zé)犭娕肌＠?，甚至在約950℃的高壁溫下老化的作用很小、熱輻射的信號民強(qiáng)度或光能量隨溫度而顯著增大、以及，借助于非接觸式的測量方法，使通過傳感器內(nèi)的熱傳導(dǎo)和由于葉片壁內(nèi)高達(dá)300℃/mm的很大的溫度梯度引起的測量誤差不復(fù)存在。
按本發(fā)明的高溫計(jì)20也適用于測量燃?xì)廨啓C(jī)其他構(gòu)件例如轉(zhuǎn)子44或外圍機(jī)匣的溫度或燃?xì)鉁囟龋约斑m用于測量燃?xì)廨啓C(jī)傳動裝置中的溫度。這里所公開的實(shí)施形式和安裝方案均相應(yīng)地適用于這些應(yīng)用目的。為了在一臺燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)的不同地點(diǎn)同時測量溫度，也可以安裝多個高溫度20，它們的熱輻射信號由一個公共的電子測量設(shè)備33進(jìn)行分析。除了或替代這種高溫測量地確定溫度，還總是可以譜測量地檢測表面性質(zhì)。
此外本發(fā)明的對象還是一種燃?xì)廨啓C(jī)，它尤其適用于生產(chǎn)電能，以及燃?xì)廨啓C(jī)有一個按本發(fā)明的高溫計(jì)20，它的測量探針21裝在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)腔用于檢測高熱負(fù)荷構(gòu)件的熱輻射；它的纖維24、31用于將熱輻射傳輸給檢測器32；以及它的檢測器32與電子測量設(shè)備33連接。檢測器32最好裝在燃?xì)廨啓C(jī)的外面。
一種有利的實(shí)施形式涉及具有導(dǎo)向葉片34、48的燃?xì)廨啓C(jī)，導(dǎo)向葉片有用于安裝測量探針21的孔41，還有用于至少部分地裝入纖維24、31的冷卻通道，以及有用于安裝纖維24、31和/或測量探針21的導(dǎo)管43。尤其是孔41在導(dǎo)向葉片34的后緣38上或在導(dǎo)向葉片(48)的葉根(36)的后壁50上有一口42，以及探測頭22以朝著工作葉片35、49的視向裝在口42內(nèi)。按與之不同的另一種方案，孔41可以在導(dǎo)向葉片34、48的壁內(nèi)位于盡可能靠近表面的地方并有一個盲孔53，盲孔內(nèi)設(shè)有一個用于探測頭22的定距裝置，使探測頭22與盲孔53構(gòu)成一個微型空腔54。
本發(fā)明還涉及借助于按本發(fā)明的高溫計(jì)(20)監(jiān)控燃?xì)廨啓C(jī)的方法。前提條件是，如前所述，將測量探針21裝在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)腔用于檢測高熱負(fù)荷構(gòu)件的熱幅射、設(shè)置纖維24、31用于將熱輻射傳輸?shù)阶詈迷谌細(xì)廨啓C(jī)外面的檢測器32、以及，檢測器32與電子測量設(shè)備33連接。然后在電子測量設(shè)備33中計(jì)算出至少一個高熱負(fù)荷構(gòu)件的特征溫度信號，并將此漸度信號用作監(jiān)控燃?xì)廨啓C(jī)的保護(hù)信號。此監(jiān)控包括制構(gòu)件的熱過載，在需要時通過供油節(jié)流降低負(fù)載，或記錄構(gòu)件的熱負(fù)荷史以便估算其預(yù)測的使用壽命。
特別重要的是監(jiān)控尤其第一和第二排工作葉片35、49和導(dǎo)向葉片34、48的溫度。葉片34、35、48、49受到如此高的熱負(fù)荷，以致它們的使用壽命由于不太大的幾十度的過熱便可能已經(jīng)顯著減少。然而由于在熱燃?xì)馀c冷卻式葉片34、35、48、49之間有幾百度的大的溫度差，這種過熱的危險相當(dāng)大。此外，各葉片34、35、48、49由于故障可能過熱。按本發(fā)明的高溫度20由于其有更高的測量精度所以非常適合于防止發(fā)生這些情況。尤其是，此高溫計(jì)20首先通過借助于理想的黑輻射源的比較測量校準(zhǔn)。于是在1000℃時的絕對溫度測量和測量精度高于±10℃可以達(dá)到。因此第一次可以具有足夠精度和可靠性地測量葉片34、35、48、49的過熱。作為特征溫度信號最好使用平均溫度信號和/或工作葉片35、49或?qū)蛉~片34、48尤其是一排工作葉片35、49或?qū)蛉~片34、48的單個溫度信號。除此之外，此高溫計(jì)20也是一種有價值的輔助裝置，以便在運(yùn)行中有控制地將葉片溫度置于負(fù)荷極限附近，并因而提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率。
總而言之，本發(fā)明公開了一種緊湊、耐高溫和柔性的高溫計(jì)20，用于安裝在熱的和難以接近的環(huán)境中，這種高溫計(jì)由于其高的測量精度，可特別有效地保護(hù)渦輪和提高渦輪的功率。
符號表1 Land高溫計(jì)(先有技術(shù))2 直視通道3 視窗4 饋給光學(xué)鏡片5 光學(xué)低溫纖維6 檢測器7 電信號線8 電子測量設(shè)備9 空氣吹洗裝置10 渦輪機(jī)匣11 隔音罩(“Enclosure”)12 Accufiber高溫計(jì)(先有技術(shù))13 黑空腔輻射源(空腔)14 藍(lán)寶石棒(Al2O3單晶體)15 光學(xué)耦合器16 光學(xué)低溫纖維17 檢測器18 光電二極管19 濾光器20 高溫計(jì)21 光導(dǎo)測量探針22 顯微光學(xué)探測頭、圓錐體、顯微透鏡23 接頭24 光學(xué)高溫纖維25、26 高溫涂層25 金釬料26 金外套27、28 防護(hù)毛細(xì)管27 防護(hù)毛細(xì)管的頭部28 防護(hù)毛細(xì)管29 補(bǔ)償圈30 光學(xué)插頭31 纖維延伸段32 檢測器33 電子測量設(shè)備34 低壓導(dǎo)向葉片35 低壓工作葉片36 葉根37 葉片平合38 導(dǎo)向葉片后緣39 葉片冷卻通道40 冷卻空氣41 孔42 口43 導(dǎo)管44 轉(zhuǎn)子45 導(dǎo)向葉片前緣46 熱燃?xì)饬?7 Land高溫計(jì)的直視通道48 高壓導(dǎo)向葉片49 高壓工作葉片50 葉根后壁51 高溫計(jì)的視向52 后緣區(qū)內(nèi)的壓力側(cè)53 盲孔54 微型空腔D 圓錐體最大的直徑L 圓錐體長度
權(quán)利要求
1．尤其適用于測量燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)溫度的高溫計(jì)(20)，它有一光導(dǎo)的測量探針(21)用于檢測熱輻射并將熱輻射傳輸給檢測器(33)，其特征為a)測量探針(21)包括一根帶顯微光學(xué)探測頭(22)的光纖(24)；b)纖維(24)和探測頭(22)都是耐高溫的；以及c)纖維(24)和探測頭(22)有一耐高溫的可彎曲的外套(25、26、27、28)。
2．按照權(quán)利要求1所述的高溫計(jì)(20)，其特征為a)探測頭(22)是一個圓錐體(22)或顯微透鏡(22)；以及b)探測頭(22)與纖維(24)設(shè)計(jì)成一體，或互相形成耐高溫的光學(xué)連接。
3．按照權(quán)利要求1至2之一所述的高溫計(jì)，其特征為a)纖維(24)有一高溫涂層(25、26)和/或防護(hù)毛細(xì)管(27、28)；以及b)探測頭(22)有一高溫涂層(25、26)和/或防護(hù)毛細(xì)管(27、28)。
4．按照權(quán)利要求3所述的高溫計(jì)，其特征為a)纖維(24)和探測頭(22)用石英玻璃或藍(lán)寶石晶體制造；b)高溫涂層(25、26)用一種金屬尤其是金或鋁組成；以及c)防護(hù)毛細(xì)管(27、28)用一種金屬尤其是因科鎳合金制造。
5．按照權(quán)利要求1至4之一所述的高溫計(jì)，其特征為a)測量探針(21)裝在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)腔，用于檢測高熱負(fù)荷構(gòu)件的熱輻射；b)設(shè)有纖維(24、31)，用于將輻射傳輸給檢測器(32)；c)檢測器(32)與電子測量設(shè)備(33)連接；以及d)尤其是檢測器(32)裝在燃?xì)廨啓C(jī)外面。
6．按照權(quán)利要求5所述的高溫計(jì)，其特征為a)測量探針(21)最好裝在第一或第二排導(dǎo)向葉片(34、48)中的孔(41)內(nèi)；b)纖維(24、31)至少部分處于燃?xì)廨啓C(jī)的冷卻通道內(nèi)；以及c)設(shè)有導(dǎo)管(43)，用于安裝光纖(24、31)和/或測量探針(21)。
7．按照權(quán)利要求6所述的高溫計(jì)(20)，其特征為a)孔(41)在導(dǎo)向葉片(34)的后緣(38)上或在導(dǎo)向葉片(48)葉根(36)的后壁(50)上有一口(42)；以及b)探測頭(22)視向朝著工作葉片(35、49)地裝在口(42)內(nèi)
8．按照權(quán)利要求6所述的高溫計(jì)(20)，其特征為a)孔(41)位于導(dǎo)向葉片(34、48)壁內(nèi)盡可能靠近表面處并有一盲孔(53)；b)盲孔(53)有一個探測頭(22)的定距裝置；以及c)探測頭(22)與盲孔(53)一起構(gòu)成一微型空腔(54)。
9．尤其適用于生產(chǎn)電能的燃?xì)廨啓C(jī)，它有一個按照權(quán)利要求1至4之一所述的高溫計(jì)(20)，其特征為a)在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)腔裝有一測量探針(21)，用于檢測高熱負(fù)荷構(gòu)件的熱輻射；b)設(shè)有纖維(24、31)，用于將熱輻射傳輸給檢測器(32)；c)檢測器(32)與電子測量設(shè)備(33)連接；以及d)尤其是探測器(32)裝在燃?xì)廨啓C(jī)外面。
10．按照權(quán)利要求9所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征為a)最好第一或第二排導(dǎo)向葉片(34、48)有一孔(41)，用于安裝測量探針(21)，b)燃?xì)廨啓C(jī)的冷卻通道用于至少接納部分纖維(24、31)；以及c)燃?xì)廨啓C(jī)有一導(dǎo)管(43)，用于安裝纖維(24、31)和/或測量探針(21)。
11．按照權(quán)利要求10所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征為a)孔(41)在導(dǎo)向葉片(34)的后緣(38)上或在導(dǎo)向葉片(48)葉根(36)的后壁(50)上有一口(42)；以及b)探測頭(22)視向朝著工作葉片(35、49)地裝在口(42)內(nèi)。
12．按照權(quán)利要求10所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征為a)孔(41)位于導(dǎo)向葉片(34、48)壁內(nèi)盡可能靠近表面處并有一盲孔(53)‘b)盲孔(53)有一用于探測頭(22)的定距裝置；以及c)探測頭(22)與盲孔(53)一起構(gòu)成一微型空腔(54)。
13．借助于按照權(quán)利要求5至8之一所述高溫計(jì)(20)來監(jiān)控燃?xì)廨啓C(jī)的方法，其特征為a)在電子測量設(shè)備(33)中計(jì)算出至少一個高熱負(fù)荷構(gòu)件的特征溫度信號；以及b)此溫度信號作為保護(hù)信號用于監(jiān)控燃?xì)廨啓C(jī)。
14．按照權(quán)利要求11所述的監(jiān)控燃?xì)廨啓C(jī)的方法，其特征為a)上述構(gòu)件是一排工作葉片35、49或?qū)蛉~片34、48；以及b)使用工作葉片35、49或?qū)蛉~片34、48的平均溫度信號和/或單個溫度信號作為特征溫度信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高溫計(jì)20,它尤其適用于測量燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)的溫度。此高溫計(jì)包括一個有用石英或藍(lán)寶石制的耐高溫顯微透鏡22和光纖24的柔性光導(dǎo)測量探針21,它們設(shè)有一金質(zhì)外套25、26和/或防護(hù)毛細(xì)管27、28。熱輻射在一個遠(yuǎn)處的具有與之連接的電子測量設(shè)備33的檢測器32內(nèi)分析計(jì)算。此高溫計(jì)20的特征在于緊湊性、高溫適用性、柔韌性、多種安裝可能性以及高測量精度。本發(fā)明還涉及燃?xì)廨啓C(jī)用的高溫計(jì)20的進(jìn)一步改進(jìn)、裝有按本發(fā)明的高溫計(jì)20的燃?xì)廨啓C(jī)以及一種借助于高溫計(jì)20監(jiān)控燃?xì)廨啓C(jī)的方法。
文檔編號G01J5/10GK1210256SQ98118620
公開日1999年3月10日 申請日期1998年8月21日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月21日
發(fā)明者D·多布勒, W·埃維爾斯, K·哈夫納 申請人:Abb研究有限公司