CN1147629A - 高温探头 - Google Patents

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Abstract

在一种特别用于高达1550℃的热气体流的高温探头中，传感器管和支撑管分别设在探头管的两通孔内。装入其内设有温度传感器的传感器管的通孔终止于一个热气体流通流通道。装入支撑管的通孔终止于一个支撑管的环装入其内的扩大开孔。支撑管和传感器管穿过凸缘(13)的通孔伸入强制进气室内，支撑管的顶端具有一个供螺钉拧入的内螺纹。在螺钉与从凸缘(13)伸出的管接头所带的凸缘(14)之间装有预加载弹簧以将高温探头弹性地装配起来。

Description

高温探头
本发明涉及一种高温探头，特别是用于高达约1550℃的热气体流内的高温探头，在其中有一根传感器管设置在一根探头管的内通孔内，该内通孔平行于管轴心线的方向伸展，其中的一个温度传感器的传感器尖设置在位于探头管下端的一个测量空间内并与一个包围着探头管的热气区相连。
一种这样的高温探头披露在例如DE-OS-2413909中。
在燃气轮机的运行过程中，通常都需要测量热的燃烧气体的温度，这个温度可以在几百度至1550℃的范围内。为此目的提出过一些高温探头，它们可以插入涡轮机的热气体壳体上的相应的开孔中，并连同一个在其下端包含有内在的测量元件的探头管伸入热气流中。
US-A-5,180,227披露了一种光学运作的高温探头，在其中有一个用蓝室石制的光学传感器构件设置在形成于探头管下端的测量空间内。该测量空间通过一个设在传感器元件下面的入口和一个在传感器元件的高度上的出口与周围的热气体区域相连。从热气体流通过入口进入的气体由于这样的结构而在测量空间内减速，并以很低的速度在其重新通过出口逸出之前围绕着传感器元件流动。测量空间因此也被称作“滞流室”。探头可以用到高达1300℃的温度并在探头管的上部由在探头凸缘处输入并在紧挨着绝热层的上方重新排出的空气或另一种气体进行冷却，该绝热层将传感器元件从探头的上部分开。
此外，本文开头所提到的DE-OS-2413909披露一种用于燃气轮飞机发动机止的、温度达800℃的高温探头，它以一个热电偶作为温度传感器。装在具有矿物质绝缘的金属铠装电缆内的热电偶在一个探头管内朝下通过一个密封缩口进入一个测量空间内，使热电偶的两线之间的连接点大约设置在测量空间的中部。这里同样为了与待测量的热气体相接触而在连接点的下面设置一个入口和在连接点的上面设置一个出口，它们使测量空间与周围的热气区域相连。这里热气体因而也由于出入口开孔的安排和设计被堵阻而滞留在测量空间内。
在这种公知的探头中，待测量的热气体的流速大大地降低了，当与相应的传感器元件相接触时，热气体几乎处于停滞状态。因此，气体与传感器元件之间的对流热传递降低了，这种情况在时间常数增大和实际温度与测得温度之间的差异增大时变得明显。
本发明的目的在于进一步发展一种如本文开头提到的类型的高温探头，要使气体与温度传感器之间的热传递得到改善，并定出一种用于高达1550℃的温度的温度探头的合适的结构设计。
根据本发明，这一目的可以通过以下的技术方案来实现，测量空间设计成一个横向于探头管轴心线的、为待测量的热气体流而设的通流通道；探头管具有一个平行于第一内通孔的第二内通孔，其内设有一根支撑管；探头管和传感器都是用一种陶瓷制成。
通过将测量空间作为流动通道的这种特殊结构，热气体能够几乎不受阻挡地从中通过并围绕着传感器尖流过，这就能达致最佳的气体与传感器元件之间的热传递，这种热传递同时减小了诸如通过探头管之类的热传导的带干扰性的二次影响。
本发明的探头的一个优选实施例的特征在于通流通道在侧面由探头管壁所限定，探头管壁形成一个辐射防护屏。这样，周围环境对测量结果的干扰作用可以进一步减小。
用碳化硅或氧化铝陶瓷制造探头管将特别有利。此外，设置在这探头管内用以包住传感器元件的、并在下文中称作传感器管的管子用纯氧化铝陶瓷来制造也是有利的，这是因为在高温下例如用热电偶进行测量就不受氧化铝的影响。所述的陶瓷即便在比要测量的温度更高的温度下也是热稳定的。
如果探头管借助装配辅助手段通过由氧化物弥散强化(ODS)的超耐热合金制成的、经受冷却的支撑管而被弹性地安装在热气体壳体上，则测量装置的长期稳定性将会显著地改善。一种这样的以铁为基本金属的、具有高含量的铬和铝的超耐热合金，在市场上可购得例如由PM高温金属公司供应的标号PM2000(材料号1.4768)。
用上面所述的材料制造探头管、传感器管和支撑管，高温探头由于材料的高的抗蠕变性和非常良好的抗氧化性和耐蚀性而具有长的使用寿命。
下面将借助附图所示的一个实施例对本发明进行说明，在附图中：
图1是一个高温探头的结构的纵向截面图；
图2是沿图1的II-II线截取的高温探头的截面图；
图3是沿图1的III-III线截取的高温探头的截面图。
图中仅示出对理解本发明必需的构件。工作介质的流动方向用箭头表示。
在借助附图对本发明作较详细的说明之前，首先还需将所述类型的高温探头放置在其上的典型燃气轮机的工作情况予以概述：
热气体(Heissgas)壳体的壁温：             900℃
强制进气室(plenum)内的燃烧用空气的温度： 400℃
热气体的温度：                           高达1500℃
气体压力：                               30巴
气体速度：                               150m/秒
为了在这种极端的工作条件下-还加上振动和其它机械性载荷-能够获得同时具有高的长期稳定性的精确的气体温度测量，需要有一种高温探头的特殊设计，这将借助于附图中的一个实施例进行说明。
在图1中示出一个高温探头1的结构的纵向截面图，该高温探头主要包含有一根探头管2，它具有两个平行于管轴心线的通孔2a和2b，通孔内分别装有一根传感器管19和一根支撑管6。
探头管和传感器管是由一种氧化铝(Al2O3)陶瓷制成，这种陶瓷甚至在高于高达1500℃的要测量的热气体的温度下仍保持稳定。但是这种材料对于机械载荷的经受性却是较差的，因此它需要在结构上采取措施以防止这些管碎裂。用于支撑管6的材料是一种以铁为基本金属的、具有高含量的铬和铝的超耐热合金，在市场上可购得例如由PM高温金属公司供应的标号PM2000(材料号1.4768)。这种材料在1000℃温度下具有24000小时的使用寿命。这种超耐热合金基于它的高的抗蠕变性和耐蚀性，在高达约1200℃时仍具有非常好的机械性能，但是在热负荷上却没有象前述的氧化铝陶瓷那样高。在使用适当的冷却(将在下文中叙述)的情况下，支撑管6的优良机械性能将与探头管2的优良热性能互为补充地利用。
通孔2a、2b起始于探头管2的顶端5a。这里，通孔2b伸展通过整个探头管2并开口于一个扩大的开孔4；通孔2a终止于一个在探头管2的底部5b区域内的、位于第一通流通道3a下面的第二通流通道3b内。探头管2的顶端5a插入一个凸缘13的管接头29内，该凸缘13将热气体区26从区域27(下文中将称作强制进气室)分开。
凸缘13在朝向强制进气室27的一侧具有管接头12和31，其在凸缘13中的通孔12a和31a跟在探头管2上的相应通孔2a和2b相互对准地对置着。管接头12终接有一个凸缘14，并在这凸缘14下面具有空气进入开孔15a和15b。在管接头12内设有一根支撑管6，其在强制进气室27区域内的顶端28内设有内螺纹11。支撑管6设置成穿过通孔12a和2b直至扩大的开孔4，并在那里如图3所示由一个偏心于支撑管轴心线的环8作为终端。在管接头12的区段内，支撑管6具有空气进入开孔10a、b，这些开孔设置成与管接头12的空气进入开孔15a、b径向邻接。空气进入开孔10a、b通向支撑管6的一个内通孔7，由此形成一个在强制进气室27与热气体区26之间的冷却空气流23、23a、23b的流道形式的连通。在强制进气室27内，在其中流动的压缩空气大约有400℃的温度并具有一个高于热气体流24的压力大约1巴的超压。因而支撑管6由一股冷却空气流23a、b从中流过将其冷却。
支撑管6在其在探头管2范围内的长度上具有相互交替地设置的外径6a和6b，从而形成支撑环9，支撑管利用这些支撑环支撑在探头管2的通孔2b内。通过这样的结构，使支撑管与探头管之间的热传导接触面积减小了。由此待测量的热气体的温度在很大程度上不受冷却空气流23的影响，而支撑管本身又只是较小程度地吸收来自探头管2的热。
一个放置在旋入内螺纹11中的螺钉18与凸缘14之间的预加载螺旋压缩弹簧17通过经支撑管6的环8传递给探头管2的弹簧力将温度探头1整个固定在凸缘13上。一个带有螺旋压缩弹簧22的卡口式锁紧器21将凸缘13固定到热气体壳体壁25的开口30上，使探头管2插入热气体区26内。这样，温度探头1的固定是在热气体壳体外面实现的，因而在维修时不需拆卸热气体壳体。由于在高达1200℃的温度下仍具有优良的机械材料性能，因此，带有管接头12、29和31的凸缘13也可以同样地用超耐热合金制成，它可以在没有特定的冷却的情况下用于正常温度约为900℃的热气体壳体壁25上。
传感器管19从强制进气室27区域穿过管接头31、凸缘13中的通孔31a、探头管2中的通孔2a、通流通道3a，以传感器尖20终止在通流通道3b内。这里，通流通道3a、b都是朝着热气体流24定向的。
图2通过沿着图1的II-II线取的截面示出通流通道3a、b的Y形平面图。示出3c是一条流入通道，朝着热气体流24定向；而3d、e是流出通道，它们跟热气体流的方向成一个角度设置在装入支撑管6的通孔2b的侧边。
传感器尖20设置在流入通道3c的中央；由此流入通道形成一个抵挡热辐射的辐射防护屏，例如，抵挡来自热气体壳体壁25的热辐射。待测量的热气体在通流通道3a、b内几乎不受阻拦地和并不减速地绕流经过传感器管19和传感器尖20。因此热气体流24的热快速和有效地传递给传感器尖20，在这里用一个热电偶34作为传感器，这是一种其线直径为大约0.5mm的B型铂铑热电偶。使用这种选定的装置就可获得τ《1秒的热时间常数。同时，实际气体温度与测出的气体温度之间的差异保持住很小。
涡轮机壳体上的用于穿置传感器管19的引线32的引导装置在图中未示出，该引线32与一个测量变换器33相连。
当然，本发明并不仅限于所示的和所描述的实施例。因此，也可以例如用一个蓝宝石温度计来代替热电偶34。此外，探头管1和传感器管19在另一个实施例变型中也可以用碳化硅陶瓷制成。在本发明的构思范围内，也是可以想象到用另一种合适的合金来制造支撑管6和凸缘13。通流通道3a、b的数目根据本发明也并不局限于2。

Claims (8)

1.一种高温探头(1)、特别是用于高达约1550℃的热气体流(24)内的高温探头，在其中有一根传感器管(19)设置在一根探头管(2)的内通孔(2a)内，该内通孔(2a)平行于管轴心线的方向伸展，其中的一个温度传感器的传感器尖(20)设置在位于探头管(2)下端的一个测量空间内并与一个包围着探头管的热气体区(26)相连，其特征在于，-测量空间设计成一个横向于探头管轴心线的、为待测量的热气体流(24)而设的通流通道(3b)，-探头管(2)具有一个平行于第一内通孔(2a)的第二内通孔(2b)，其内设有一根支撑管(6)，和-探头管(2)和传感器管(19)都是用一种陶瓷制成。
2.按权利要求1所述的高温探头，其特征在于，传感器管(19)包含至少一个热电偶或至少一个温度计。
3.按权利要求1所述的高温探头，其特征在于，支撑管(6)由一种氧化物弥散强化(ODS)的超耐热合金制成，并在热气体区(26)的一端具有一个环(8)，该环的直径大于为支撑管设置的通孔(2b)的直径，还在于环(8)设置在探头管(2)端头的一个扩大开孔(4)内。
4.按权利要求1所述的高温探头，其特征在于，在热气体区(26)的范围内，探头管(2)的顶端(5a)插入一个凸缘(13)的管接头(29)内，还在于这凸缘(13)将热气体区(26)从称作强制进气室的区域(27)分开，还在于在凸缘(13)的朝向强制进气室(27)的一侧具有带有通孔(12a、31a)的管接头(12、31)，支撑管(6)和传感器管(19)穿过这些通孔(12a、31a)从热气体区(26)伸入强制进气室(27)内。
5.按权利要求4所述的高温探头，其特征在于，设置在强制进气室(26)内的支撑管(6)的顶端(28)具有一个内螺纹(11)，还在于支撑管的通孔(7)的空气进入开孔(10a、b)设置在内螺纹(11)的下方。
6.按权利要求5所述的高温探头，其特征在于，围绕着支撑管(6)的管接头(12)具有在径向上紧挨着支撑管的空气进入开孔(10a、b)来设置的空气进入开孔(15a、b)，还在于这管接头(12)在空气进入开孔(15a、b)的上面终接有一个凸缘(14)。
7.按权利要求6所述的高温探头，其特征在于，一个螺旋压缩弹簧(17)设置在拧入支撑管(6)的内螺纹(11)内的螺钉(18)与凸缘(14)之间，经预加载地支撑在凸缘(14)上。
8.按权利要求4所述的高温探头，其特征在于，凸缘(13)通过一个卡口式锁紧器(21)在强制进气室(27)内固定在热气体壳体壁(25)上的一个开口(30)上。
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