CN1122447A - 高温探头 - Google Patents

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Abstract

一种高温探头(10)，其包括一个具有内孔(12、13)及测量区域的金属探头管(11)，该区域通过窄段(16a、16b)与内孔(12、13)隔开并与探头管周围连通，且还包括至少一热电偶(31、32)，它绝缘地向下穿过内孔并通过窄段穿入测量区域；测量区域是由在垂直于管轴的方向上穿过探头管并以净宽(W)供待测量热气体通过的贯流槽(15)构成的；以及至少一热电偶(31、32)将其连接点(47)布置在贯流槽(15)中。

Description

高温探头
本发明涉及温度测量技术领域。它涉及一种高温探头，尤其是用在温度高至1200℃的燃气轮机热气流中的高温探头，它包括一个金属探头管，该探头管具有在其管轴方向延伸的内孔及设在其下端的测量区域，该区域通过一个窄段与内孔分隔并与探头管的周围连通，以及至少包括一个热电偶，它绝缘地向下穿入内孔并通过窄段穿到测量区域中。
这样一种高温探头例如在文献DE-OS 2413909中被公开。
在燃气轮机运行时常需要对高温燃气的温度进行测量，温度值可从几个100℃至超过1200℃。为此目的已推出一种高温探头，它可以插入到涡轮机的热气体罩壳上的机应孔中，并且它具有一个探头管，在探头管的下端包含真正的测量元件，该探头管伸入到热气体流中。
文献US-A-5180227已公开一种用光来工作的高温探头，其中由蓝宝石作的光传感元件被设置在探头管下端构成的测量区域中。该测量区域通过设在传感元件下方的入孔及设在传感元件的高度上的出孔与周围的热气体空间相连通。由高温气流来的并经过入孔进入的气体将根据测量区域中的结构被减低，并在通过出孔排出以前以很小的速度绕传感元件流过。该测量区域因而也被称为“阻滞室”。该探头可使用在高至1300℃的温度上，探头管的上部借助空气或其他的气体冷却，冷却气体从探头凸缘处引入并在一个热障的近上方排走，该热障将传感元件与探头的上部隔开。
另外，由导言部分所述的文献公知一种用在高至800℃温度的燃气轮机—飞机引擎中的高温探头，它用一个热电偶作为温度传感器工作。该热电偶在一个具有矿物绝缘的金属包覆电缆中向下引到一探头管中并经由一个密封的窄段穿入到一个测量区域中，使热电偶两丝之间的连接点大约布置在测量区域的中心。在这里也是为了与待测热气体相接触设置了在连接点下方的入孔及在连接点上方的出孔，它们使测量区域与周围的热气体空间相连通。这里也通过孔眼的结构和形状使热气体在测量区域中受阻塞并使其静止。
在公知的这些探头中待测量的热气体的流动速度受到强减速作用，并且热气体以几乎静止状态与相应的传感元件形成接触。由此放慢了气体与传感器元件之间的热传导，这就使时间常数增大并使真实温度与测得温度之间的偏差明显地大。
因此本发明的任务在于，对导言部分所述类型的高温探头作出这样的改进，即使得气体与传感元件之间的热传导得以显著改善，并由此使探头的性能显著地改善。
该任务将在导言部分所述类型的探头上这样地解决：测量区域是由在垂直于管轴的方向上穿过探头管并有净宽的贯流槽构成，待测量热气体通过的该贯流槽；以及至少一个热电偶，它的连接点布置在贯流槽中。
通过作为贯流槽的测量区域的专门构型，热气体通过经时它可不受阻地流过并从传感元件旁流过，由此达到气体及传感元件之间的最佳热传导并可减少起干扰的副作用，如通过探头管导热等。
根据本发明探头的第一优选实施形式的特征在于：贯流槽的侧面以探头管的壁为界，该壁构成了一个辐射防护罩。由此可以进一步地减少周围环境对测量结果的干扰性影响。
根据本发明探头的第二优选实施形式的特征是：至少一个热电偶在探头管的内孔中向下穿到一个设有相应通孔的、由Al2O3作的第一陶瓷管中，其中热电偶的连接点位于第一陶瓷管的下端；并且第一陶瓷管穿过窄段伸入到贯流槽中。由此显著地改善了测量结构的持久稳定性。
该持久稳定性可得到进一步提高，这时，根据本发明探头的另一优选实施形式，至少一个热电偶是PtRh热电偶；并设置了这样的装置，可使在使用高温探头时，至少有一个热电偶在其位于窄段以上的部分中由氧气环绕流过；以及至少一个热电偶的和第一陶瓷管的至少被热气体绕流过的部分由PtRh作的外套包围着。
在本发明又一优选实施形式中，探头管是由一种含有高铬及高铝成分的氧化物弥散强化(ODS)的铁基的超级合金作成的。这样一种合金例如可据名称PM 2000由PM高温金属有限公司购到(材料号1.4768)。利用这样一种探头管，探头本身在高至1200℃的温度中由于该合金的高蠕变强度及极佳的抗氧化和抗腐蚀性，而可具有高工作寿命。
另外的实施形式可由从属权利要求中得到。
以下将结合附图借助实施例对本发明作详细说明，附图为：
图1：根据本发明第一实施例的高温探头结构的纵截面图；
图2：沿图1中线A-A(图2a)，B-B(图2b)及C-C(图2c)的探头下部的多个横截面图；
图3：图1所示的探头的真正探测元件的放大侧视图；
图4：通过图3中探测元件的沿线D-D(图4A)，E-E(图4b)及F-F(图4c)的多个横截面图，及通过尖端的一个放大纵截面图；及
图5根据本发明的探头的另一实施例，它带插接方式固定装置并处在在燃气轮机中安装的状态中。
在借助附图对本发明作详细说明前，首先尚应对使用现有技术的高温探头的典型燃气轮机中的工作条件加以概述：
壁温度＝900℃
气体温度＝直至1200℃
气体压力＝20巴
气体流速＝1500m/s(最大200m/s)
氧成份＝15％(最小10％)。
为了在这些极限工作条件下—其中还要加上振动及其它机械负荷—同时以较高的持久稳定性及持久强度对气体温度进行精确测量，就必须对高温探头作专门的设计，正如在图1至3的例子中首先要解释的。
在图1中以纵截面图形式描绘了根据本发明第一实施例的一个高温探头的结构。该高温探头10大体上包括一个(圆柱形的)探头管11，它又分为具有较大外径的管上部分11a及具有较小外径的管下部分11b。在管上部分11a及管下部分11b之间的过渡部分的上方附近，设有环绕该探头管外侧的环形槽18，其中可容纳密封圈28。在环形槽18的区域中，探头管11被保持在一个法兰盘27中，借助后者可使探头管可拆卸地固定在一燃气轮机的高温气体罩壳上。
一个始于探头管11上端的第一内孔12在探头管内部沿管轴线同心地延伸，该内孔继续向下在内径缩小情况下过渡成第二内孔13。第二内孔13本身在探头管11的下端转变为两个串联布置的贯流槽14及15，它们在垂直于管轴的方向上伸展(风图2b及2c)，彼此之间及与第二内孔13之间通过一个窄段16b及16a隔开。在装入状态，探头伸入到热气体室29中，贯流槽14及15处于热气流中。同时，将探头绕其轴转动，以便使待测量的热气体在槽方向上流过这些贯流槽14、15。因此在图1中气体的流向与图面垂直。
在探头管11中设置着真正的探测部件20，它在图3及4中再次单独地由侧视图表示。该探测部件20包括两个由Al2O3陶瓷作的陶瓷管20a及20b。陶瓷管20a是空心圆柱管，它从第一内孔12的下端一直延伸到上窄段16a。陶瓷管20b是具有四个沿管轴方向彼此平行布置的通孔(见图4b及4c)的圆柱形实心管。它从第一内管12的下端一直延伸到下贯流槽15的中部并以管尖端20c的形式终止于此。在内孔12及上窄段16a之间，陶瓷管20b被陶瓷管20a同心地围住，而陶瓷管20b通过两个窄段16a、b及两个贯流槽自由地延伸并且在那里仅被一个由PtRh(铂铑)作的金属外套46(图3及4d)包围着。
在陶瓷管20b中，出于要获得过剩信息的原因，在这些穿孔中将两个相同类型的热电偶向下在探头中穿引并使其连接点47终止在管尖端20c中，在此处，连接点被埋在MgO或Al2O3的粉末中。这两个热电偶最好是线径为0.5mm的B型的PtRh元件。这些热电偶丝31、32，为了达到足够的可移动性，在陶瓷管20a、b的上方被成对地穿在一组成串布置的陶瓷珠21内，陶瓷珠由Al2O3作成并且各有两个通孔(图4a)。
探头管11的上部用一个可拧入的套盘19封闭住，在该套盘的中心置入一个由因康镍合金(Inconel)作的具有两个通孔的套管23。通过这两个通孔穿入热电偶丝31、32，其中热电偶丝被由“合金600”作的套层22a、b包围着。在高温探头10外部，热电偶丝通过直接焊接点24(在图1用框表示)与加长线25(同样用框表示)相连接，后者最后连接到一个测量转换器26的输入端。
如上所述，带有内置热电偶31、32的陶瓷管20b横穿过贯流槽14的全部和贯流槽15的大约到中心的一部分。陶瓷管20b的外径DM(图3)为此明显地小于贯流槽14、15的净宽W(图2c)。因此该管可几乎阻碍地及无流速损失地被待测热气体绕流，并能极快及有效地由气体获得热量并再传导到内置的热电偶上。以此方式，热电偶的时间常数可达到τ＜1秒。同时真实的气体温度与测得的气体温度之间的差值可小到△Tr＝9k(+/-30％)。尤其是壁30对此起到有利作用，它在侧面限定了贯流槽14、15，并构成了辐射防护罩。
图1的高温探头并以及高持久稳定性显得突出：其漂移值很小，在工作时间2400小时以后为△Tdrift＝-2k。对此有贡献的是：在Al2O3陶瓷管20a及20b中的PtRh热电偶被向上引出，并且存在于这样的可能性，即在探头管中的热电偶可被O2环绕流过，该氧气经上进气孔17a供入到内孔13中，并在第一窄段16a的上方近处由出气孔17b排到外部。
由于测量系统的精确度为△Tsystem＝+/-2k(至1200℃)，因此可得到校正的测量值的总的非可靠度：
△Tsystem＋△Tdrift＋△(△Tr)＝[-7k，+5k]
当探头管11由氧化物弥散强化的(ODS)含有高铬及高铝成份的铁基的超级合金作成时，在给定工作温度下可得到10000至16000小时的特长工作寿命，并且不用任何冷却。这样一种用作高温壁的合金具有高蠕变强度及极佳的抗氧化及抗腐蚀性，它例如可据名称PM 2000(材料号1.4768)通过商业途径购得。这种合金包含精细分布的内掺Y2O3颗粒，这些颗粒保证了直至1350℃时的蠕变强度。良好的抗氧化及抗腐蚀性能是由非常紧密的及固定粘接的Al2O3层得到的，该层形成在材料的表面上。
根据本发明的高温探头的另一实施例以装入到燃气轮机中的状态在图5中表示出，其中相同部件以相同的标号来表示。该燃气轮机具有一个外部的涡轮机壳38及内部的热气体罩壳33，后者包围着热气体室29。在涡轮机壳38及热气体罩壳33之间的所谓增压室37。高温探头10用探头管11穿过探头孔45，置入热气体室29中，并且用一环状附件34放置在一个环绕探头孔45上边缘的法兰盘27上。利用与法兰盘27相插合的设有内弹簧36的插接式接头35使高温探头保持在该位置上，弹簧36从上方压着附件34。
在插接式接头35的上方，从管上部分11a中穿出的热电偶丝31、32在一个防护管39中通过增压室37和一个涡轮机壳38上的探头孔40伸出到外部。在涡轮机壳38的外侧用法兰连接了另一个防护管41。它包围着探头孔40并在其上部用一个垫块42及盖43封闭。在垫块42及盖43的中心设有一个通孔44，通过该孔使热电偶丝穿到外面并在这里借助直接的焊接点24使引线增长。上探头孔40选择得如此地大，以便使高温探头10与插接式连接头35一起能从上方取出。以此方式，可以不用打开涡轮机壳38，就能方便地安装及更换探头。此外，由于在防护管39中热电偶丝31、32的柔性穿导，使涡轮机壳38及热气体罩壳33之间可以有相对移动。
总之，本发明所获得的是一种具有高精度、持久稳定性及高使用寿命的高温探头，它不用冷却可以用到直至1200℃的温度，特别适用于在燃气轮机的热气体流中测温。

Claims (11)

1.高温探头(10)，尤其是用在温度至1200℃的燃气轮机热气体流中的高温探头，包括一个金属探头管(11)，探头管(11)具有在其管轴方向上延伸的内孔(12、13)及设在其下端的测量区域，该区域通过窄段(16a、b)与内孔(12、13)分隔开并与探头管(11)的周围连通，以及至少一个热电偶(31、32)，它绝缘地向下穿过内孔(12、13)并通过窄段(16a、b)穿入到测量区域中，其特征在于：测量区域是由在垂直于管轴的方向上穿过探头管(11)并具有净宽(W)的贯流槽(15)构成的，待测量热气体通过该贯流槽(15)；以及至少一个热电偶将它的连接点(47)布置在贯流槽(15)中。
2.根据权利要求1所述的高温探头，其特征在于：贯流槽(15)在侧面以探头管(11)的壁(30)为界，该壁构成一个辐射防护罩。
3.根据权利要求2所述的高温探头，其特征在于：至少一个热电偶(31、32)在探头管(11)的内孔(13)中向下穿到一个设有相应通孔的第一陶瓷管(20b)中，其中热电偶(31、32)的连接点位于第一陶瓷管(20b)的下端；及第一陶瓷管(20b)穿过窄段(16a、b)伸入到贯流槽(15)中。
4.根据权利要求3所述的高温探头，其特征在于：第一陶瓷管(20b)的外径(DM)明显地小于贯流槽(15)的内宽(W)。
5.根据权利要求4所述的高温探头，其特征在于：第一陶瓷管(20b)在窄段(16a、b)的上方被第二个空心圆柱形陶瓷管(20a)同心地围住。
6.根据权利要求3至5中一项所述的高温探头，其特征在于：第一及第二陶瓷管(20b及20a)是由一种Al2O3陶瓷作成的。
7.根据权利要求1至6中一项所述的高温探头，其特征在于：至少一个热电偶(31、32)是PtRh热电偶；并设置了这样的装置，它可使在高温探头在使用中至少有一个热电偶(31、32)在其位于窄段(16a、b)以上的部分中由氧气环绕流过。
8.根据权利要求7所述的高温探头，其特征在于：所述装置包括一个布置在探头管(11)上部的进气孔(17a)及一个布置在窄段(16a、b)上方附近的排气孔(17b)，这两个孔(17a、b)使探头管(11)的内孔(15)与相应的探头管(11)的外部空间连通。
9.根据权利要求3所述的高温探头，其特征在于：至少一个热电偶以及第一陶瓷管(20b)的至少被热气体绕流的部分被一个由PtRh作的外套(46)包围着。
10.根据权利要求1至9中一项所述的高温探头，其特征在于：探头管(11)由一种及含有高铬及高铝成分的铁基的经氧化物弥散强化的(ODS)超级合金作成。
11.根据权利要求1至10中一项所述的高温探头，其特征在于：出于要获得过剩信息的原因在探头中至少彼此平行地设置了两个热电偶(31、32)。
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