Устройство для оптического измерения температуры продуктов сгорания
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для эффективного определения температуры продуктов сгорания при экспериментальных исследованиях силовых установок, в частности, высокотемпературных турбин газотурбинных двигателей.
Устройство для оптического измерения температуры продуктов сгорания, содержит кристаллический стержень с генератором оптического сигнала, выполненным в виде источника излучения абсолютного черного тела, расположенного на концевой части кристаллического стержня, вводимой в измеряемую область, и оптическую систему с линзой и передающими оптико-волоконными элементами, связанными с оптическим детектором, при этом, источник излучения абсолютного черного тела образован покрытием концевой части кристаллического стержня высокотемпературной пленкой и наружной защитной пленкой из кристаллического материала.
Концевая часть кристаллического стержня, на которой расположен источник излучения абсолютно черного тела, выполнена конусообразной, кристаллический стержень выполнен из стабилизированного иттрием кристаллического диоксида циркония с содержанием иттрия от 10 до 14 мольных процента, высокотемпературная пленка источника излучения абсолютного черного тела выполнена из тантала, а наружная защитная пленка - из диоксида циркония.
Такое выполнение устройства позволяет обеспечить получение достоверных результатов измерений оптическими средствами в проточном тракте газотурбинных двигателей в диапазоне температур до 2400°С.
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для эффективного определения температуры продуктов сгорания при экспериментальных исследованиях силовых установок, в частности, высокотемпературных турбин газотурбинных двигателей.
Развитие современных газотурбинных двигателей характеризуется постоянным ростом температур и это предъявляет повышенные требования к устойчивости измерительного оборудования. При измерении температур газа необходимо обеспечить тепловую устойчивость измерительного устройства к температурам порядка 2500°С, устойчивость к летящим в потоке раскаленным частицам металла, противодействовать осаждению копоти и при этом обеспечить технологичность изготовления такого оборудования.
Применение стандартизованных термометров с термоэлектродами из платинородиевых сплавов ограничено температурами 1800°С.Использование термометров с термоэлектродами из иридий-родиевых сплавов также ограничено, т.к. при температурах газовых потоков свыше 1800°С ресурс работы контактных термометров из благородных металлов сравнительно невелик. И, наконец, высокие погрешности контактных термоэлектрических термометров не соответствуют современным требованиям к средствам измерения температуры продуктов сгорания в тракте газотурбинных двигателей.
Для обеспечения эффективного измерения высоких температур газа необходимо наличие более надежных и точных средств их измерения при различных режимах работы, таких как высокотемпературные оптические измерительные системы.
Известно устройство для оптического измерения температуры, содержащее генератор оптического сигнала, расположенный в измеряемой области, оптическую систему с линзами и передающими оптическими элементами, связанными с оптическим детектором (патент США 
4120200). Известное устройство представляет собой пирометр с детектором излучения, работающим в инфракрасном диапазоне излучения. Это устройство применяется для регулирования температуры графитовой трубки распылителя при сушке, озолении и атомизации пробы в беспламенной атомно-абсорбционной спектроскопии и позволяет измерять температуру в пределах от 100°С до 2700°С.
К недостаткам этого устройства следует отнести то, что оно конструктивно неразрывно связано с предметом измерения - графитовой трубкой, и поэтому использование его для измерения высокой температуры продуктов сгорания не представляется возможным.
Известно устройство для оптического измерения температуры продуктов сгорания в газотурбинном двигателе, содержащее оптическую систему с объективом и передающими оптическими элементами, связанными с оптическим детектором (патент США 6370486). В известном устройстве оптическая система измерений имеет четыре детектора инфракрасного излучения с оптическими фильтрами для узких диапазонов инфракрасного излучения. В процессе измерения каждый из оптических детекторов принимает сигнал излучения в инфракрасном диапазоне только для определенной, заранее заданной длины волны, который испускается одним из компонентов продуктов сгорания, например, CO2 или H2O. Полученные сигналы от детекторов обрабатываются и с помощью таблиц вычисляется средняя температура продуктов сгорания в том поперечном сечении проточного тракта газотурбинного двигателя, в котором проводились измерения.
Известное устройство предназначено для измерения температуры продуктов сгорания в диапазоне от 800°С до 1600°С и используется преимущественно для измерения температуры продуктов сгорания на входе в газовую турбину, где состав продуктов сгорания относительно стабилизировался, что существенно снижает функциональные возможности этого устройства, т.к. с его помощью невозможно определить температуру продуктов сгорания по всей протяженности проточного тракта газотурбинного двигателя, в частности, в камере сгорания.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому по технической сущности является устройство для оптического измерения температуры продуктов сгорания, содержащее кристаллический стержень с генератором оптического сигнала, выполненным в виде источника излучения абсолютного черного тела, расположенного на концевой части кристаллического стержня, вводимой в измеряемую область, и оптическую систему с линзой и передающими оптико-волоконными элементами, связанными с оптическим детектором, при этом, источник излучения абсолютного черного тела образован покрытием концевой части кристаллического стержня высокотемпературной пленкой и наружной защитной пленкой из кристаллического материала (патент США 4679934). В известном устройстве кристаллический стержень выполнен из сапфира (окиси алюминия), а наружная защитная пленка - из оксида алюминия.
Однако, при температурах более 1800°С применяемые в известном устройстве сапфировые стержни существенно теряют прозрачность, покрываются копотью, что приводит к существенным искажениям результатов измерений и не позволяет получить достоверные результаты при исследовании процессов в проточном тракте двигателей. При температурах газа порядка 2400°С, до которых нагреваются газы в камерах сгорания современных газотурбинных двигателей, применение сапфира в качестве светопроводящей среды невозможно, т.к. температура его плавления составляет 2060°С.
Кроме того, выполнение концевой части кристаллического стержня, на котором размещен источник излучения абсолютного черного тела, в виде косого плоского среза требует точной ориентации стержня в исследуемом пространстве, что не всегда возможно осуществить в проточном тракте турбореактивных двигателей. Любое отклонение от оптимального положения стержня неизбежно приведет к искажению результатов измерения.
Задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства для оптического измерения температуры продуктов сгорания в газотурбинном двигателе за счет обеспечения исследований всего проточного тракта двигателя.
Технический результат полезной модели заключается в обеспечении достоверных данных измерений температуры оптическими средствами в проточном тракте газотурбинных двигателей в диапазоне до 2400°С.
Указанный технический результат достигается при осуществлении полезной модели тем, что в устройстве для оптического измерения температуры продуктов сгорания, содержащем кристаллический стержень с генератором оптического сигнала, выполненным в виде источника излучения абсолютного черного тела, расположенного на концевой части кристаллического стержня, вводимой в измеряемую область, и оптическую систему с линзой и передающими оптико-волоконными элементами, связанными с оптическим детектором, при этом источник излучения абсолютного черного тела образован покрытием концевой части кристаллического стержня высокотемпературной пленкой и наружной защитной пленкой из кристаллического материала, согласно полезной модели, концевая часть кристаллического стержня, на которой расположен источник излучения абсолютно черного тела, выполнена конусообразной, кристаллический стержень выполнен из стабилизированного иттрием кристаллического диоксида циркония с содержанием иттрия от 10 до 14 мольных процента, высокотемпературная пленка источника излучения абсолютного черного тела выполнена из тантала, а наружная защитная пленка - из диоксида циркония.
При проведении исследований в проточном тракте газотурбинных двигателей на рабочих режимах при температуре порядка 2400°С выступающий из внутренней поверхности корпуса кристаллический стержень подвергается экстремальным термическим воздействиям и воздействию летящих в потоке раскаленных частиц металла. Выполненные из диоксида циркония кристаллический стержень и наружная защитная пленка сохраняют постоянными характеристики прозрачности, чем обеспечивается получение достоверных результатов измерений оптическими средствами в проточном тракте газотурбинных двигателей в диапазоне температур до 2400°С. Выполнение высокотемпературной пленки источника излучения абсолютного черного тела из тантала также повышает термоустойчивость устройства и способствует получению достоверных результатов измерений. Выполнение концевой части кристаллического стержня, на которой расположен источник излучения абсолютно черного тела, конусообразной также способствует повышению достоверности результатов измерения, т.к. при этом они не зависят от точности ориентировки стержня относительно области измерения температуры.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где
На фиг. 1 представлена схема устройства для оптического измерения температуры продуктов сгорания;
На фиг. 2 представлена конструкция кристаллического стержня с генератором оптического сигнала и оптической системой.
Устройство для оптического измерения температуры продуктов сгорания содержит закрепленный в корпусе 1 кристаллический стержень 2, который выполнен из стабилизированного иттрием кристаллического диоксида циркония с содержанием иттрия от 10 до 14 мольных процента, имеющего температуру плавления порядка 2800°С и сохраняет прозрачность и не покрывается трещинами при температурах до 2400°С, что обеспечивает устойчивость устройства к высоким рабочим температурам современных газотурбинных двигателей.
Источник излучения абсолютного черного тела 3, выполняющий функции генератора оптического сигнала, расположен на свободной концевой части кристаллического стержня 2, вводимой в измеряемую область, и выполнен в виде покрытия поверхности концевой части стержня 2 высокотемпературной пленкой 4 из тантала и наружной защитной пленкой 5 из диоксида циркония. Концевая часть кристаллического стержня 2, на которой расположен источник излучения абсолютно черного тела 3, выполнена конусообразной. При таком выполнении источника излучения абсолютно черного тела 3 его степень черноты равна 0,92-0,93.
Оптическая система 6 имеет линзу 7, установленную в корпусе 1, передающий оптико-волоконный элемент 8 и оптический детектор 9, связанный с системой обработки информации 10. Оптический детектор 9 представляет собой стандартный пирометр спектрального отношения, который переводит интенсивность излучения высокотемпературной пленки 4 в электрический сигнал на двух различных длинах волн.
Перед проведением измерений необходимо провести калибровку устройства, которую можно проводить в стационарных условиях, например в сертифицированных лабораторных печах. При использовании устройства необходимо учитывать особенность, связанную со свойствами материала, из которого изготовлен кристаллический стержень 2, так как кристаллический диоксид циркония выдерживает термоудар без изменения своих физических свойств не более 300 град/с, поэтому перед проведением измерений стержень 2 необходимо предварительно нагреть до 800°С.
При введении конусообразной части кристаллического стержня 2 в измеряемую точку проточного тракта газотурбинного двигателя происходит нагрев высокотемпературной пленки 4 полости абсолютно черного тела 3 до температуры среды, в результате чего световые лучи от высокотемпературной пленки 4 направляются по кристаллическому стержню 2, как по высокотемпературному оптическому волокну, к линзе 7 оптической системы 6, а затем с помощью низкотемпературного передающего оптиковолоконного элемента 8 световые сигналы выводятся на оптический детектор 9, в качестве которого может быть использован стандартный пирометр спектрального отношения, который переводит интенсивность излучения пленки в электрический сигнал на двух различных длинах волн. Затем электрический сигнал поступает в систему обработки информации 10, представляющую собой счетно-решающее устройство и результаты обработки сигнала выводятся на экран или записывается на носители.
При повышении температуры на рабочих режимах газотурбинного двигателя до значений порядка 2400°С выступающий из внутренней поверхности корпуса 1 кристаллический стержень 2 и наружная защитная пленка 5 подвергаются экстремальным термическим воздействиям. Кроме того, в потоке газов присутствуют частицы раскаленного металла, а все внутренние поверхности двигателя покрываются копотью, что существенно снижает срок работы измерительных приборов, используемых при исследованиях характеристик работающих двигателей.
Выполненные из диоксида циркония стержень 2 и наружная защитная пленка 5 сохраняют постоянными характеристики прозрачности при указанных температурах и обеспечивают широкую полосу пропускания светового сигнала 0,26-7,5 мкм. Высокая твердость (8,5 по Моосу или 1200 кг/мм2 по Виккерсу) и прочность на изгиб (
>400 Мпа) стержня 2 из диоксида циркония обеспечивает его устойчивость к воздействию летящих в продуктах сгорания частиц металла. Указанные прочностные характеристики материала позволяют провести предварительную обработку стержня 2 до размеров шероховатости поверхности не более 0,05 мкм. Такой показатель шероховатости обеспечивает высокую гладкость поверхности и препятствует осаждению и удержанию копоти на поверхности стержня 2.
Устойчивость к высокотемпературному воздействию сохраняется у кристаллического стержня 2 в течение всего хода измерений и, что существенно, свойства прозрачности сохраняются в течение многих циклов нагрева-охлаждения, чем обеспечивается получение достоверных результатов измерений оптическими средствами в проточном тракте газотурбинных двигателей в диапазоне температур до 2400°С. Исследование измерительных возможностей устройства показали, что точность измерения температуры газов в диапазоне рабочих режимов турбореактивных двигателей определяется характеристиками применяемого оптического детектора 9.
После полного цикла запуска-остановки газотурбинного двигателя детали оптической системы оптоволоконного датчика не меняют своих характеристик прозрачности, что позволяет проводить установку и калибровку оптической системы один раз при монтаже устройства в ходе препарирования объекта и подготовки его к проведению измерений и избавляет от необходимости проведения технологической обработки и настройки перед началом каждого измерения.
Устройство для оптического измерения температуры продуктов сгорания, содержащее кристаллический стержень с генератором оптического сигнала, выполненным в виде источника излучения абсолютного черного тела, расположенного на концевой части кристаллического стержня, вводимой в измеряемую область, и оптическую систему с линзой и передающими оптико-волоконными элементами, связанными с оптическим детектором, при этом источник излучения абсолютного черного тела образован покрытием концевой части кристаллического стержня высокотемпературной пленкой и наружной защитной пленкой из кристаллического материала, отличающееся тем, что концевая часть кристаллического стержня, на которой расположен источник излучения абсолютно черного тела, выполнена конусообразной, кристаллический стержень выполнен из стабилизированного иттрием кристаллического диоксида циркония с содержанием иттрия от 10 до 14 мольных процента, высокотемпературная пленка источника излучения абсолютного черного тела выполнена из тантала, а наружная защитная пленка - из диоксида циркония.
РИСУНКИ
