CN104006899A - 用于涡轮叶片表面温度分布测量的光纤装置与测量方法 - Google Patents

Abstract

一种用于涡轮叶片表面温度分布测量的光纤装置，包括：一光纤探头，内装有透镜组，透镜组和光纤探头连接至光纤束，光纤束分为四束，第一束与第二束光纤组成测量涡轮叶片表面温度的双色测温系统，第三束与第四束光纤组成测量涡轮叶片位置信息的反射型位移测量系统；各束光纤分别各对应一滤光片，第一至第三光纤束的光路上各安装有一光电转换部件，第四滤光片的光路上安装有发光光源；双色测温系统和反射型位移测量系统均连接数据采集仪，数据采集仪通过网络连接远程监控系统。本发明可以在高温下对高速旋转涡轮叶片表面的温度进行测量，并可实时在线监控温度变化特性，提前预防运行中的燃气轮机可能出现叶片烧蚀等严重故障。

Description

用于涡轮叶片表面温度分布测量的光纤装置与测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于高温涡轮叶片表面温度分布测量的光纤装置。

本发明还涉及利用上述测量装置进行高温涡轮叶片表面温度测量与定位的方法。

背景技术

燃气轮机作为一种新型动力装置，在国民经济与国防建设的众多领域发挥着极为重要的作用。在陆用发电领域，燃气轮机发电设备装机容量日益增长，在舰船动力领域，研发大功率燃气轮机已成为发展的主流，在现代航空领域，燃气轮机是各种军用与民用飞机的首选动力装置。作为燃气轮机关键部件之一的涡轮是将燃气可用热能转换为机械动能的重要热端部件，涡轮叶片包括导向叶片和涡轮叶片。实际运行时导向叶片是静止的，涡轮叶片是旋转的。基于动力性能提高的迫切需要，涡轮进口温度不断提高，已远高于材料的熔点，为保证涡轮叶片能在高于材料熔点的高温环境下安全可靠工作，必须对其进行高效冷却，而准确测量与掌握涡轮叶片表面温度分布是涡轮叶片叶型及其冷却结构设计的重要依据。目前，关于导向叶片(静叶)表面温度测量的研究较多；而对于涡轮叶片，由于处于高速旋转状态和高温恶劣环境下，对其表面温度的测量非常困难，对测量仪器的性能也提出了更高的要求。

目前，高速旋转部件表面温度测量一般采用接触式测量方法，常用的热电偶接触式测温方法是将热电偶埋覆在叶片表面进行测量，可以将温度测点准确定位，但其传感器使用寿命较短，不易更换，且易脱落，存在安全隐患，尤其是其信号的引出较为困难，需要对涡轮结构进行较大改动，这在大多数情况下是不允许的。由于涡轮叶片高速旋转，接触式测量信号的引出也是其发展的瓶颈问题，高速旋转叶片接触式测量信号引出常用方法有滑环引电法和数字旋转遥测系统，滑环引电装置是采用了物理接触将信号引出，需要动静接触环面的接触摩擦，对滑环的材料及加工精度要求很高，由于采用动静结合面将信号导出，信号传输容易受干扰，且很难做到高转速长寿命的滑环。而数字旋转遥测技术采用的是非接触式信号传输方式，需要内部的一些电路设计，抗电磁干扰差，对工作环境要求较高。非接触式光纤双色测温技术由于受燃气(如水蒸气、二氧化碳等)的影响较小，具有较高的精度，而且光纤本身具有质量小、截面小、灵敏度高以及抗电磁干扰等，特别适合于狭窄空间内的较高温度的非接触式测量，且对被测量物体无任何损害，从而受到世界各国科技人员的高度重视。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于涡轮叶片表面温度分布测量的光纤装置。

本发明的又一目的在于提供一种利用上述装置进行温度测量与定位的方法。

为实现上述目的，本发明提供的用于涡轮叶片表面温度分布测量的光纤装置，包括：

一光纤探头，内装有透镜组，透镜组和光纤探头连接至光纤束，光纤束分为四束，第一束与第二束光纤组成测量涡轮叶片表面温度的双色测温系统，第三束与第四束光纤组成测量涡轮叶片位置信息的反射型位移测量系统；

第一束光纤对应第一滤光片，第一滤光片的光路上安装有第一光电转换部件；

第二束光纤对应第二滤光片，第二滤光片的光路上安装有第二光电转换部件；

第三束光纤对应第三滤光片，第三滤光片的光路上安装有第三光电转换部件；

第四束光纤对应第四滤光片，第四滤光片的光路上安装特定发光波长的光源；

双色测温系统和反射型位移测量系统均连接高速数据采集仪，高速数据采集仪通过网络连接远程监控系统。

所述的光纤测量装置，其中，光纤探头连接端的光纤束为同心环形分布，第三束光纤为一根光纤且处于光纤束的中心处；

用于双色温度测量时，第一束光纤与第二束光纤交错且均匀地分布在第三束光纤周围，数量为偶数，直径大于或等于第三束光纤；

第四束光纤均匀分布在第一与第二束光纤周围；

第三束光纤与第四束光纤位置可以互换。

所述的光纤测量装置，其中，用于单色温度测量时，第一束光纤和第二束光纤合并为一束。

所述的光纤测量装置，其中，双色测温系统的光电转换部件包括光电探测器和对数信号放大器，反射型位移测量系统的光电转换部件包括光电探测器和放大倍数可调的线性信号放大器。

本发明提供的利用上述光纤测量装置进行涡轮叶片表面温度测量定位的方法：

1)首先启动光纤双色测温系统、光纤位移测量系统、高速数据采集仪及远程监控系统；

2)涡轮叶片表面的辐射光谱能量通过光纤探头内的透镜耦合进入第一和第二束光纤，分别经过第一滤光片和第二滤光片对两束光进行滤波，获得测温用波长为λ₁和λ₂的光谱辐射能，再分别经过第一光电转换部件和第二光电转换部件获得波长为λ₁和λ₂的光谱辐射能对应的电压或电流信号，该电压或电流信号通过数据采集仪进行采集记录与处理分析，获得涡轮叶片表面的温度；

3)发光光源产生的光束经过第四滤光片后获得测量位移所需波长λ₃的光谱能量进入第四束光纤，并通过光纤探头内的透镜发射到涡轮叶片表面，由涡轮叶片表面反射的光谱能量再经过光纤探头内的透镜耦合进入第三束光纤，经第三滤光片得到波长为λ₃的光谱能量，然后经过第三光电转换部件获得反射后的λ₃光谱能量对应的电压或电流信号，经过数据采集仪进行数据采集存记录与处理分析；

4)涡轮叶片表面的温度数据与涡轮叶片位置的对应由光纤双色测温系统光电转换部件的响应时间与光纤位移测量系统光电转换部件的响应时间决定，通过对响应时间差进行补偿，将温度数据与涡轮叶片位置进行对应。

所述的方法，其中，光纤位移测量系统使用前需要针对涡轮叶片叶型进行强度调制，在实际测量中，对所测位移信号进行分析，获得涡轮叶片位置信息，并对同一位置处的反射光谱能量强弱进行分析，获得涡轮叶片表面热障涂层脱落状况。

所述的方法，其中，双色测温系统的光电转换部件与反射型光纤位移测量系统的光电转换部件的响应时间小于3微秒。

所述的方法，其中，第一滤光片和第二滤光片工作波长在1.4-1.8、1.9-2.6、3.3-4.2微米范围内选取，发光光源、第三滤光片和第四滤光片工作波长在小于0.45微米的范围内选取。

所述的方法，其中，双色测温系统在测量温度时，也可以作为两个独立的单色测温系统使用。

所述的方法，其中，为获得具体编号涡轮叶片表面温度数据信息，需要配合燃气轮机转速测量脉冲信号进行识别。

本发明具有以下优点：

1)本装置可以用于高温环境下的部件表面温度测量；

2)本装置可以用于高速旋转部件的表面温度测量；

3)本装置可以将所测温度数据与涡轮叶片表面位置对应；

4)本装置不会对被测表面产生任何影响，不影响流场整体分布和材料的均匀性；

5)本装置采用双色测温，测量结果受中间介质(如水蒸气、二氧化碳和灰尘等)影响较小，适于恶劣环境下温度测量；

6)本装置采用了光纤技术，灵敏度高、抗电磁干扰；

7)本装置各部件更换及维护非常方便，不需要对燃气轮机内部进行拆卸操作；可以不停机更换维修。

附图说明

图1是本发明中测量装置光路与电路原理图。

图2是本发明中探头侧光纤束分布原理图。

图3是本发明测量系统工作原理图。

附图中主要组件符号说明：

1、2透镜；3光纤探头；4、5、6、7光纤束；8、9、10滤光片；11发光光源；12、13、14光电转换部件；15、16测温用光纤；17、18测量位移用光纤；19光纤测量装置，20高速数据采集仪；21远程监控系统。

具体实施方式

本发明可以在高温下对高速旋转涡轮叶片表面温度进行测量，并得到叶片表面温度具体分布位置，为涡轮叶片的叶型及其冷却结构设计提供必需的数据，同时可获得涡轮叶片表面热障涂层脱落状况，并可实时在线监测温度变化，提前预防运行中的燃气轮机可能出现叶片烧蚀等严重故障。

以下结合附图对本发明的技术方案作详细描述。

图1为本发明中的光纤测量系统19的光路与电路工作原理图，光纤双色温度测量过程中，高温部件辐射光谱能量通过透镜1、2和光纤探头3后进入光纤束4和5，然后经过滤光片9和10进行滤波，获得特征波长为λ₁和λ₂对应的光谱辐射能。光纤双色测温系统组装前，需要通过实验测试获得被测涡轮叶片材料及其表面热障涂层的发射率在不同温度下随波长变化情况，然后在涡轮内部燃气光谱吸收率低的波段，尽可能选择燃气吸收率相等材料发射率相等的两个特征波长，根据所选波长选择滤光片9和10。经过滤光片9和10后的光谱能量，分别经过光电转换部件13和14获得两路所选特征波长光谱辐射能对应的电压(电流)信号，该电压(电流)信号通过高速数据采集仪20进行采集记录并进行处理分析，获得对应的温度数据，然后通过远程监控系统21对处理结果进行显示与查询。光纤双色测温系统在测量温度时，也可以作为两个独立的单色测温系统使用。

涡轮叶片位置识别过程中，由光源11发出特定波长范围的光谱能量，经过滤光片8后获得所需波长λ₃的光谱能量进入光纤束7，或直接使用波长为λ₃的单色光源11产生光谱能量进入光纤束7，通过光纤探头3和透镜1、2后发射到被测表面，由被测表面反射的光再经过透镜1、2和光纤探头3进入光纤束6，经滤光片8后获得反射后波长为λ₃的光谱能量，然后经过光电转换部件12获得波长λ₃光谱能对应的电压(电流)信号，经过高速数据采集仪20进行数据采集存储及处理后，获得涡轮叶片位置信息，同时对相同位置处的采集信号进行对比分析获得涡轮叶片表面热障涂层脱落状况，然后通过远程监控系统21对结果进行显示与查询。

本发明中为了测量高速旋转涡轮叶片表面温度分布，所采用的双色测温光电转换部件13和14以及反射型位移测量光电转换部件12的响应时间小于3微妙，保证测量过程中每个叶片上均可以获得多个测点。为了使位移测量光信号与温度测量光信号有效区分，且不受叶片表面自身辐射能的干扰，位移测量光谱波长λ₃要在小于0.45微米波段内选择，最佳波段范围为0.38-0.45微米，属于可见光范围，在探头安装时，可以用来对被测目标进行瞄准定位。为了避开燃气轮机内高温高浓度燃气光谱吸收影响，温度测量特征波长λ₁和λ₂要在燃气透过率高的1.4-1.8、1.9-2.6、3.3-4.2微米范围内选取。由于叶片表面光谱辐射能与温度间为指数关系，为了扩大测温范围，均衡测温灵敏度，光电转换部件13和14中的信号放大部分采用了对数信号放大器，而用于位移测量的光电转换部件12中的信号放大部分则采用了放大倍数可调的线性放大器。在位移测量过程中，为了提高发射光纤束7与探头的耦合效率，探头内采用了两个透镜1和2，透镜2用来耦合光纤束7发射出的光能量，透镜1用来将发射光能量聚焦到被测表面。被测表面自身发射的光谱能量和反射后的光谱能量经过透镜1收集，然后通过透镜2耦合进入光纤束4、5和6进行测量。

图2为本发明中的探头侧光纤束分布原理图，为了减少涡轮机匣开孔数量，且方便温度数据定位，将双色测温系统与位移测量系统通过光纤探头3耦合在一起，共用一个光纤探头。光纤束分为测温用光纤15、16和测量位移用光纤17、18，测温用光纤15对应光纤束4，测温用光纤16对应光纤束5，测量位移用光纤17对应光纤束6，测量位移用光纤18对应光纤束7，光纤束6和7的位置可以互换。在用于单色温度测量时，为提高光电探测器接收的光谱辐射能量，测温用光纤15和16可以合并成为一束光纤，对应于光纤束4或5。为了均分进入光纤束4和5的能量，光纤15和16交错排布，且为偶数，并与测量位移用光纤17、18为同心环形结构。为提高涡轮叶片表面温度测量光谱耦合效率，测量位移用光纤18为一根光纤，且位于中心位置，测温用光纤15和16紧凑地环绕在光纤18周围，其直径应大于或等于光纤18的直径。光纤17均匀环绕测温用光纤15和16的周围。

图3为本发明测量系统工作原理图，为了获得涡轮叶片表面的二维温度分布，需要多套光纤测量装置19同时测量，并对信号进行采集存储与处理分析。测量开始后，光纤测量装置19和高速数据采集记录系统20开始工作，高速数据采集记录系统20将所采集的光电转换部件13和14的信号进行对比处理，获得涡轮叶片表面温度数据，对光电转换部件12的信号进行处理，获得涡轮叶片位置信息，根据温度测量光电转部件13、14与位移测量光电转换部件12的响应时间差关系，将温度数据与叶片位置进行对应，获得涡轮叶片表面温度数据分布。将处理后的数据进行存储，然后通过远程监控系统21进行结果显示与数据查询。高速数据采集仪20具有多通道数据同步高速采集、实时数据存储及处理分析功能。为了将叶片表面温度数据分布对应到具体编号的某一叶片，需要将燃气轮机转速测量脉冲信号引入高速数据采集仪，辅助进行具体叶片位置定位。

Claims (10)

1.一种用于涡轮叶片表面温度分布测量的光纤装置，包括：

一光纤探头，内装有透镜组，透镜组和光纤探头连接至光纤束，光纤束分为四束，第一束与第二束光纤组成测量涡轮叶片表面温度的双色测温系统，第三束与第四束光纤组成测量涡轮叶片位置信息的反射型位移测量系统；

第一束光纤对应第一滤光片，第一滤光片的光路上安装有第一光电转换部件；

第二束光纤对应第二滤光片，第二滤光片的光路上安装有第二光电转换部件；

第三束光纤对应第三滤光片，第三滤光片的光路上安装有第三光电转换部件；

第四束光纤对应第四滤光片，第四滤光片的光路上安装有发光光源；

双色测温系统和反射型位移测量系统均连接高速数据采集仪，高速数据采集仪通过网络连接远程监控系统。

2.根据权利要求1所述的光纤测量装置，其中，光纤探头连接端的光纤束为同心环形分布，第三束光纤为一根光纤且处于光纤束的中心处；

用于双色温度测量时，第一束光纤与第二束光纤交错且均匀地分布在第三束光纤周围，数量为偶数，直径大于或等于第三束光纤；

第四束光纤均匀分布在第一与第二束光纤周围；

第三束光纤与第四束光纤位置可以互换。

3.根据权利要求1所述的光纤测量装置，其中，用于单色温度测量时，第一束光纤和第二束光纤合并为一束。

4.根据权利要求1所述的光纤测量装置，其中，双色测温系统的光电转换部件包括光电探测器和对数信号放大器，反射型位移测量系统的光电转换部件包括光电探测器和放大倍数可调的线性信号放大器。

5.利用权利要求1所述光纤测量装置进行涡轮叶片表面温度测量定位的方法：

1)首先启动光纤双色测温系统、光纤位移测量系统、高速数据采集仪及远程监控系统；

2)涡轮叶片表面的辐射光谱能量通过光纤探头内的透镜耦合进入第一和第二束光纤，分别经过第一滤光片和第二滤光片对两束光进行滤波，获得测温用波长为λ₁和λ₂的光谱辐射能，再分别经过第一光电转换部件和第二光电转换部件获得波长为λ₁和λ₂的光谱辐射能对应的电压或电流信号，该电压或电流信号通过数据采集仪进行采集记录与处理分析，获得涡轮叶片表面的温度；

3)发光光源产生的光束经过第四滤光片后获得测量位移所需波长λ₃的光谱能量进入第四束光纤，并通过光纤探头内的透镜发射到涡轮叶片表面，由涡轮叶片表面反射的光谱能量再经过光纤探头内的透镜耦合进入第三束光纤，经第三滤光片得到波长为λ₃的光谱能量，然后经过第三光电转换部件获得反射后的λ₃光谱能量对应的电压或电流信号，经过数据采集仪进行数据采集存记录与处理分析；

4)涡轮叶片表面的温度数据与涡轮叶片位置的对应由光纤双色测温系统光电转换部件的响应时间与光纤位移测量系统光电转换部件的响应时间决定，通过对响应时间差进行补偿，将温度数据与涡轮叶片位置进行对应。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，光纤位移测量系统使用前需要针对涡轮叶片叶型进行强度调制，在实际测量中，对所测位移信号进行分析，获得涡轮叶片位置信息，并对同一位置处的反射光谱能量强弱进行分析，获得涡轮叶片表面热障涂层脱落状况。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，双色测温系统的光电转换部件与反射型光纤位移测量系统的光电转换部件的响应时间小于3微秒。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，第一滤光片和第二滤光片工作波长在1.4-1.8、1.9-2.6、3.3-4.2微米范围内选取，发光光源、第三滤光片和第四滤光片工作波长在小于0.45微米的范围内选取。

9.根据权利要求5所述的方法，其中，双色测温系统在测量温度时，也可以作为两个独立的单色测温系统使用。

10.根据权利要求5所述的方法，其中，为获得具体编号涡轮叶片表面温度数据信息，需要配合燃气轮机转速测量脉冲信号进行识别。