CN107110715A - 具有终端区域的热电偶系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热电偶系统(1)，包括金属贯通部(2)，金属贯通部(2)具有筒形部分(10)和布置在筒形部分(10)上的终端区域(11)，筒形部分(10)具有对称轴线(S)，终端区域(11)完全封闭了筒形部分(10)并且具有至少两个通道(12)，通道(12)的开口横截面小于垂直于穿过筒形部分(12)的对称轴线(S)的横截面区(Q)。热电偶(20)被引导通过一个通道(12)，并且在通道(12)的区域中，热电偶(20)通过密封件(15)以流体密闭的方式连接到终端区域(11)。

Description

具有终端区域的热电偶系统

技术领域

本发明涉及一种热电偶系统，用于将热电偶定位在诸如燃气轮机的工作机器中。在这样的机器中，由于所出现的温度水平，温度测量通常是借助于热电偶来进行的，其中热电偶被引导通过工作机器的外壳进入内部操作区。为了防止例如工作介质从工作机械的外壳逸出，贯通部必须以适当方式密封。为了进行这种密封，根据申请人已知的内部现有技术，首先是要提供特殊接合剂，以便将热电偶例如直接地或间接地附接到工作机器的外壳。

背景技术

然而，如果以这种方式固定的热电偶出现故障并且因此必须更换它，那么在大多数情况下将不得不通过高成本的机械方式来移除特殊的接合剂，从而使热电偶可以从工作机器的外壳再被拆卸下来。特别地，在具有多个热电偶并且这些热电偶必须被引导通过工作机器外壳的情况下，这些部件的可替换性和可维护性通常受到很大限制。此外，外壳本身以及整个工作机器也可能因此而受损。特别是对于燃气轮机这种运行成本很高的工作机器，这种增加的维护成本还意味着延长的停机时间和因此给运营方带来的更高的经济损失。

为了至少部分地解决这些问题，所做的改变是将必要的热电偶引导通过薄管，该薄管的厚度能够与现有技术中已知的诸如Swagelok公司的紧固系统相结合。接着，利用例如来自Sauereisen的特殊接合剂将热电偶灌封到这些薄管中，其中管、特殊接合剂和热电偶被整体夹紧在工作机器壳体外侧的适当凹部中。对于燃气轮机而言，通过将热电偶夹紧在外壳的外凸缘上，来将其固定在例如燃烧器区域中。

然而除此之外，还不得不忍受其他的已知缺点，例如特殊接合剂的硬化时间相对较长(长达24个小时)，以及在更换热电偶时贯通部或管会必然破坏。

在这方面，已经表明：期望在技术上提出一种可以避免现有技术中已知的上述缺点的技术方案。特别要提出一种热电偶系统，其能够实现以较短的维护时间来更换单个热电偶，同时可以使用现有技术中先前已知的紧固系统来将热电偶紧固在工作机器的外壳区域中。此外，紧固还必须是充分压力密闭和流体密闭的。

发明内容

本发明所针对的这些目的是通过权利要求1所述的热电偶系统以及根据权利要求11所述的燃气轮机来实现的。

本发明所针对的目的特别是通过一种热电偶系统来实现的，该热电偶系统包括金属贯通部，金属贯通部具有筒形部分和布置在筒形部分上的终端区域，筒形部分具有对称轴线，终端区域完全封闭筒形部分并且具有至少两个通道，通道的开口横截面小于垂直于穿过筒形部分的对称轴线的横截面区，其中热电偶被引导通过通道，并且在通道的区域中，热电偶通过密封件以流体密闭的方式连接到终端区域。

本发明所针对的目的还通过一种燃气轮机来实现，该燃气轮机具有至少一个如上下文所述的热电偶系统，其中热电偶系统被集成到燃气轮机的外壳中。在这种情况下，热电偶系统所附接的位置优选为燃气轮机燃烧器区域的外壳凸缘的位置。

在此，要注意到如下事实：本发明的对称轴线是筒形部分的旋转对称轴线。至少两个通道的开口横截面还与终端区域的外壁匹配，并且开口横截面通常为圆形或椭圆形。

如现有技术中已知的那样，可以使用特殊接合剂来将至少一个热电偶密封在金属贯通部的通道区域中。然而，优选地是，密封件由焊料形成。对此本领域技术人员可以理解，要注意的是：焊料不但能够耐受工作机器的温度，而且还具有足够的压力密闭性和流体密闭性。适用于这种密封的焊料是熔点高于300℃的硬焊料。

筒形部分被终端区域完全封闭自然地排除了例如未设置热电偶和相应的密封件的那些通道。

然而，在使用相应的热电偶系统时，要注意的一个事实是未设置热电偶和密封件的那种通道也被充分地密封了。同样，在这种情况下，借助于特殊接合剂或焊料的适当密封例如也是可行的，但是没有热电偶被引导通过通道。因此，根据本发明的热电偶系统仍然可以具有自由的未密封通道，但是必要的是：热电偶系统只要被具体用于一个工作机器中，就需要使其所有通道被充分密封。

本发明提供了一种金属贯通部，除了筒形部分之外，该金属贯通部还具有以适当方式形成的终端区域，其中至少两个通道被设置在该终端区域中，热电偶可被分别引导通过该至少两个通道。如上文描述并且还将在下文中描述的，热电偶和终端区域之间的连接通过适当的密封件来实现。以此方式，至少两个热电偶可以被分别引导通过终端区域的相关通道，其中金属贯通部本身则可以使用适当的紧固系统经由筒形部分而被固定到工作机器的外壳，这种紧固系统例如是现有技术中已知的，比如Swagelok系统。

如果现在例如由于损坏而不得不移除热电偶，则不再需要像现有技术那样将整个金属贯通部移除，而是只需要将单个热电偶从金属贯通部移除即可。为此，需要打开将热电偶和金属贯通部连接的密封件。这种密封件例如可以借助于适当的机械加工和/或热加工来移除。因此，例如可以将特殊接合剂钻开，或者可以通过适当地加热来使焊料液化，从而使相关的热电偶能够从通道中取出。因此，可以直接处置可能存在缺陷的个体热电偶，而在不需要破坏金属贯通部，或者甚至也不需要移除仍然插在终端区域中的其他热电偶本身。因此，这种对单个热电偶的更换能够节省时间和材料成本，由此继而可以例如缩短工作机器的停机时间。

根据本发明的热电偶系统的第一特别优选的实施例，终端区域至少部分地被构造为圆锥形，特别是终端区域的圆锥形外壁上的至少两个通道的开口基本上处于到筒形部分的对称轴线的不同距离处。特别地，通道在终端区域中沿着围绕筒形部分的对称轴线的不同直径的至少两个环而被布置。在这种情况下，环上的各个通道在环的圆周上可以等距分布。

根据该实施例，可以设置至少两个这样的环从而限定至少两个通道，其开口距对称轴线的距离不同。因此，通道的任何开口与任何其他开口距对称轴线的距离不必一定是不同的。只有两个开口需要能以如下方式来限定，即，存在不同的间距。由此，根据本实施例，能够实现这样的效果：被引导通过各通道的热电偶能相对于彼此够被以适当的间距被操纵。特别地，相关联的密封件被至少部分地构造为位于圆锥形的终端区域上的不同高度水平处，从而易于操控这些密封件。类似地，由此可以避免如下情况，即，各个热电偶的密封件彼此之间以过大的力相互作用从而导致在更换热电偶时设置有另一热电偶的通道也可能受损。

根据本发明的另一备选实施例，终端区域至少部分地被构造为台阶式，使得至少两个通道被引入到台阶形终端区域的不同台阶中。特别地，这些台阶进而绕着筒形部分的对称轴线周向地延伸。此外，通道可以沿着环、围绕筒形部分的对称轴线而被引入到终端区域中的一个台阶上。当提供有多个台阶时，也可提供有多个环。各个环或台阶中的通道则可以等距地分布在环上。此外，终端区域的这一台阶式实施例进而能够改进对被引导通过各个通道的各个热电偶的处理，使得个体通道与其他通道基本上在机械和热学上解耦。而且，台阶式实施例还使各热电偶能够被附接在终端区域的区域中的不同高度水平，使得在这种情况下也可以有利地对各个热电偶进行有针对性的操纵。

根据本发明的一个具体实施方式，密封件是焊料，该焊料优选地是软焊料或者是硬焊料。如果密封件被设计为软焊料，则密封件可以通过在相对低的温度下熔化而被方便地再次移除，这使得例如可以在不出任何问题的情况下更换热电偶。如果热电偶是借助于硬焊料被紧固和密封的，则需要相对较高的温度来移除硬焊料，但是硬焊料所具有的优点是：即便在工作机器的较高工作温度下，仍然具有足够的抵抗力以及流体密闭性和压力密闭性。根据应用情况，选择软焊料或硬焊料作为密封件可能是有利的。

根据本发明的另一个有利的实施例，未设置热电偶的所有通道也以流体密闭的方式被密封。特别地，对于所有这些通道的这种密封对于工作机器的运转来说是尤其需要的，因为否则，预计会发生例如工作介质的逸出。备选地，如果预计不会发生这种不利的情况，那么许多通道也可以保持为不密封且不封闭，其中特别地，只有那些设置有热电偶的通道应被密封。

根据本发明的另一个特别优选的实施例，通道的开口横截面直径被设置为至少1.0mm但至多7.0mm。这里，直径是指开口横截面的平均直径。这里，开口横截面是指终端区域的外壁上的开口横截面。鉴于各个通道的小尺寸(但这种尺寸对于热电偶的通过而言是足够的)，在热电偶被引导通过之后，通道只需要少量的特殊接合剂或焊料便可密封。由于在更换热电偶时只需移除少量的这种密封材料，因此能够以相对容易的方式实现对热电偶的更换。此外，各个热电偶在终端区域中可以被很好地间隔开。

根据本发明的另一有利实施例，通道被设计为平行于筒形部分的对称轴线延伸的孔。根据这种设计，孔不仅已经建立了预定方向上的引导，而且还建立了插入方向，因此孔在热电偶被引导通过相应的通道时提供了插入辅助。由此，可以避免各个热电偶在被引导通过之后在与终端区域的外壁相反的一侧彼此直接接触，这种接触可能在其引导通过期间导致问题。

根据另一个特别优选的实施例，通道在穿过终端区域材料的纵向方向上具有至少1.0mm且至多10.0mm的长度。由此，在终端区域的用于施加密封件的区中有足够的材料是可用的，以便将热电偶固定并以流体密闭和压力密闭的方式封闭在相应的通道中。同时，这种厚度确保在不出问题的情况下移除已经施加的密封件，从而可以容易地更换热电偶。

根据本发明的优选实施例，提供附接在终端区域外壁上的管段，这些管段与通道对准并固定在所述外壁上。特别地，这些管段焊接在所述外壁上。如上文已经描述的，这些管段构成了有利的插入和对准辅助，而且还构成了施加密封材料所需的附加表面。为了施加密封件，这些管段被特别地填充，其中这些管段进而可以通过如上文描述的适当操作而被方便地处理，以用于更换热电偶。

如果管段利用例如焊料被填充，则位于其中的焊料可以通过管段与热焊接源的简单接触而液化。同样，可以通过定向机械挤压的方式来将管段从终端区域移除，使得以此方式也可实现热电偶从相应通道的移除。

根据本发明的另一方面，热电偶与通道之间的流体密闭被构造成具有最高达30巴的压力密闭。本领域技术人员知道在这种情况下应选择哪种类型的密封件，或者可以通过简单的试验来确定哪种密封件存在哪种压力密闭性。压力最高达30巴的压力密闭性使得热电偶系统特别适用于会出现最高达25巴工作压力的燃气轮机。

附图说明

下面将参照各个附图更详细地描述本发明。在这种情况下，应当参考如下事实，即：这些附图仅被示意性地理解，并且这些附图不会对可行性造成限制。

此外，还应当参考如下事实，即：所有以下技术特征是以彼此的任何组合的方式来要求保护的，只要这种组合能够实现本发明所基于的目的即可。

还应当参考如下事实，即：具有相同标记的所有技术特征都具有相同的技术功能。

在这种情况下，在图中：

图1示出了根据本发明的热电偶系统的第一实施例的从侧面观察的透视图；

图2示出了图1所示的热电偶系统的实施例的截面侧视图；

图3以透视侧视图示出了根据本发明的热电偶系统的另一实施例；

图4示出了图3所示的根据本发明的热电偶系统的实施例的截面侧视图；

图5示出了根据本发明的热电偶系统的另一实施例的透视侧视图；

图6示出了图5所示的根据本发明的热电偶系统的实施例的截面侧视图。

具体实施方式

图1以透视侧视图示出了根据本发明的热电偶系统1的第一实施例，其除了筒形部分10之外还具有终端区域11，该终端区域11在本例中的形状基本上为圆锥形。终端区域11具有多个通道12，通道12的开口横截面分布在终端区域11的外壁上。具有两个电导线(未设置附图标记)的热电偶20被引导通过预定的通道12，两个电导线是为了电接触而设置的。为了密封并且将热电偶固定在相应的通道12中，提供了密封件15，其可以被实施为例如特殊接合剂或焊料。在这种情况下，密封件以这样的方式被设计，使得通道与热电偶一起以流体密闭的方式被密封。

还可以看出，筒形部分10具有对称轴线S，其表示旋转对称轴线。在这种情况下，终端区域11中的各个通道12被布置成围绕该对称轴线S的多个环，其中各个环上通道12的数目不同。在每个环上，各个通道12与相应的相邻通道12基本上等距，其中优选地，各个环也与各自的下一个的相邻环基本上等距。

热电偶系统1此时可以被整体引导通过工作机器外壳上的适当开口(在本例中未示出)，其中贯通部2的筒形部分10被适当地夹紧在外壳中。在这种情况下，筒形部分10可以例如被引入合适的Swagelok插口中并被夹在其中。如果此时需要更换热电偶20，则只需移除密封件15就能够将热电偶20从贯通部2整体取出。在这方面，不再需要移除或破坏整个贯通部2，而是操作一个部分(即特定的通道12)就足够了。

图1所示的实施例在图2中以截面侧视图被再次详细示出。在该图中可以看出，用于固定热电偶并用于密封各个通道的密封件15填充了整个通道12。另外，未设置热电偶20的其他通道可以被密封，以防止流体逸出和进入。还可以清楚地看到，各个通道的开口横截面明显小于垂直于通过筒形部分10的对称轴线S的横截区域Q。如果根据现有技术，密封件先前要被设置在整个这一横截面区Q中以便固定热电偶，然而根据本发明，现在只要提供具有密封件15的明显更小的开口区域就足够了，该密封件15因此也能够更容易地被再次移除。

图3以透视侧视图示出了根据本发明的热电偶系统1的另一实施例。在这种情况下，图3所示的实施例与图1和图2所示的实施例的不同之处仅在于：贯通部2的终端区域11中的各个通道12设置有小管或管段。这些管或管段在热电偶20被插入通过通道12时改善了对热电偶20的引导，并且还扩大了用于施加密封件15的表面，密封件15例如也穿入管段中。特别是在焊接热电偶20的情况下，焊料因此可以容易地施加到这些管段的内壁上，从而实现热电偶20的密封或附接。

图4示出了图3所示的根据本发明的热电偶系统1的实施例的截面侧视图，其中更详细地再次示出了的各个管段以与相应的通道12对准的方式附接。

图5示出了根据本发明的热电偶系统1的另一实施例，与先前示出的实施例相比，终端区域11此时是台阶式设计。这些台阶是圆形设计并且关于对称轴线S对称地布置。各个台阶分别设有预定数目的通道12，通道12的纵向延伸平行于对称轴线S的定向。各台阶的各个通道12布置为环状，在这样的环中，两个相邻通道12均等距地间隔开。

图6示出了图5所示的根据本发明的热电偶系统1的实施例的截面侧视图。

进一步的实施例从从属权利要求中获得。

Claims (11)

1.一种热电偶系统(1)，包括金属贯通部(2)，所述金属贯通部(2)具有筒形部分(10)和布置在所述筒形部分(10)上的终端区域(11)，所述筒形部分(10)具有对称轴线(S)，所述终端区域(11)完全封闭了所述筒形部分(10)并且具有至少两个通道(12)，所述通道(12)的开口横截面小于垂直于穿过所述筒形部分(10)的对称轴线(S)的横截面区(Q)，其中热电偶(20)被引导通过通道(12)，并且在所述通道(12)的区域中，所述热电偶(20)通过密封件(15)以流体密闭的方式连接到所述终端区域(11)。

2.根据权利要求1所述的热电偶系统，其特征在于，所述终端区域(11)至少部分地被构造为圆锥形，并且特别地，在所述终端区域(11)的圆锥形外壁上的至少两个通道(12)的开口具有到所述筒形部分(10)的对称轴线(S)的基本上不同的距离。

3.根据权利要求1所述的热电偶系统，其特征在于，所述终端区域(11)至少部分地被构造为台阶式，并且至少两个通道(12)被引入台阶形的所述终端区域(11)的不同台阶中。

4.根据前述权利要求中任一项所述的热电偶系统，其特征在于，所述密封件(15)是焊料，优选是软焊料或硬焊料。

5.根据前述权利要求中任一项所述的热电偶系统，其特征在于，未设置热电偶(20)的所有通道(12)也以流体密闭的方式被密封。

6.根据前述权利要求中任一项所述的热电偶系统，其特征在于，所述通道(12)的开口横截面的直径至少为1.0mm，但最大为7.0mm。

7.根据前述权利要求中任一项所述的热电偶系统，其特征在于，所述通道(12)被构造为平行于所述筒形部分(10)的对称轴线延伸的孔。

8.根据前述权利要求中任一项所述的热电偶系统，其特征在于，所述通道(12)在穿过所述终端区域(11)的材料的纵向方向上具有至少1.0mm并且最大10.0mm的长度。

9.根据前述权利要求中任一项所述的热电偶系统，其特征在于，在所述终端区域(11)的外壁上附接有管段，所述管段与所述通道(12)对准并且固定在所述外壁(11)上。

10.根据前述权利要求中任一项所述的热电偶系统，其特征在于，热电偶(20)与通道(12)之间的流体密闭密封被构造为具有最高达30巴的压力密闭。

11.一种燃气轮机(100)，具有至少一个根据前述权利要求中任一项所述的热电偶系统(1)，其中所述热电偶系统(1)集成在所述燃气轮机的外壳中。