CN86108493A

CN86108493A - 一种在飞行中控制发动机用的光学高温计

Info

Publication number: CN86108493A
Application number: CN86108493.4A
Authority: CN
Inventors: 埃内斯托·苏·亚雷斯-冈萨雷斯; 迪安·阿尔文·凯普尔
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1985-11-14
Filing date: 1986-11-14
Publication date: 1987-07-01
Also published as: GB2183030B; GB2183030A; US4657386A; GB8626880D0; CN1008001B; JPS62118226A; CA1281913C

Abstract

一种新的在飞行中控制喷气发动机用的双光谱光学高温计包括一个光学探头，探头内有一个对喷气发动机内的空气压力敏感的光闸。只有当超出阈值压力时，光闸才把来自旋转中的涡轮叶片的光束提供给光纤。串联排列的光电探测器，用于接收光束并提供第一和第二个信号。一个信号处理器用来接收第一和第二个信号以及显示它们之间能量比的信号，并可根据第一信号和能量比信号与第二信号的乘积之差，提供反射修正能量信号。

Description

技术领域

本发明涉及的是光学高温计，具体说来，是用于飞行中控制喷气发动机的光学高温计。

背景技术

双光谱区光学高温计是已知技术，并广泛应用于喷气发动机的诊断试验。双光谱区光学高温计的研制，是为了将从观察目标-涡轮叶片接收到的发射辐射同反射辐射区分开来，并对由反射辐射造成的温度观测误差进行补偿。在No.4，222，663美国专利中，Gebhart等人公开的一种双谱带（双色）光学高温计，包含两个独立的高温计，每个高温计承受来自涡轮叶片光（或辐射）的全部光谱范围中互不相同但又彼此重叠的组分。

已有技术的双光谱区光学高温计，通常包括一个与发动机罩的底部相配合的光学探头。来自旋转中的涡轮叶片的辐射被探头收集并提供给光纤束，而由光纤束将此光束导向探测组件。一种分叉的光纤耦合器，最常用于将光束分成两束，其中的一束透过普通的光学滤光片，这个滤光片的通频带要选择成小于来自涡轮叶片光束的光谱宽度。光电探测器接收光束并将能量信号提供给信号处理器。接收到的能量信号被传换成线性化了的温度信号。信号处理器提供的是被修正过的温度信号。

已有技术的双光谱区光学高温计，由于种种原因，只限于用作诊断仪器。光学探头的安装一般限制在喷气发动机罩的底部，因此，污物和潮湿容易沾污用于收集涡轮叶片辐射的光学元件，需要经常清洁。在发动机最初起动和停止运转后再次起动时，这个问题最尖锐。

此外，已有技术的探头组件比较笨重，而且机械振动对其光学元件的调整能产生有害的影响。这种探测器组件一般包括有分叉的光纤耦合器，该耦合器只是简单地将观察目标光束分成两束。普通滤光片放入两光束中一束的出口处。因此，这种光学分割并不是光谱带的灵敏区，它在每一光束中都要消耗一部分辐射能，并且限制有用的信噪比。

已有技术中使用的信号处理器，由于复杂的处理而使硬件密集，而这种复杂的处理必须在按线性关系产生温度信号并计算出修正温度信号的情况下完成。此外，放大器的选择必须使得以有用信号带宽损失为代价能提供大的能量信号动态范围。因此，已有技术的信号处理器在飞行中用于发动机控制是不适宜的。

发明的公开

本发明的目的是提供一种双光谱光学高温计来测量喷气发动机涡轮叶片的温度，用以在飞行中控制发动机。

根据本发明，一种在飞行中用于测量喷气发动机涡轮叶片温度的控制发动机的光学高温计，它包括一个置于喷气发动机内部的光学探头，以便能从光学角度观察涡轮叶片。从涡轮叶片收集到的一束光具有一定的光谱宽度，并且包含有来自涡轮叶片的发射组分以及来自喷气发动机火球的反射组分，而火球具有等效黑体的温度。还有一个瞄准镜筒，它有一个内孔用来接收涡轮叶片的光束，并将一个光导装置在其中。该瞄准镜筒还包括一个光闸，它对喷气发动机内部的空气压力敏感，只要超过所选择的空气压力阈值，光闸就将涡轮叶片的光束提供给光导。此光学高温计还包括一个光学探测组件，光导就安装在该组件的外罩内。第一个光电探测器安装在外罩内部，用以吸收来自涡轮叶片光束的第一光学组分，其所具有的第一种光谱宽度，应按观察目标光束光谱宽度的一部分选定。第一个光电探测器所提供的是与第一光学组分等效的电信号。第二个光电探测器也安装在外罩内部，用以接收从第一光电探测器穿过的剩余光束并提供与其等效的电信号。还有一个信号处理器，它接收第一和第二个信号，也接收能量比信号。信号处理器根据第一个信号和能量信号比与第二个信号的乘积之差，提供反射修正能量信号。

附图简介

图1是根据本发明提供的一种在飞行中控制发动机用的光学高温计的简化方框图;

图2是根据本发明提供的具有空气压力敏感光闸的光学探头剖面图;

图3是根据本发明提供的串联排列的探测器组件的剖面图;

图4是用于图1所示在飞行中控制发动机光学高温计的信号处理器的展开方框图;

图5是图4所示信号处理器的另一种数字式实施例。

实施本发明的最佳方式

首先参照附图1，在根据本发明提供的飞行中控制发动机用的光学高温计的简化方框图中，一种在飞行中控制发动机用的光学高温计10，它包括装在喷气发动机外壳14内的探头12。探头的固定安装，需能从光学角度观察到诸如旋转中的涡轮叶片16和18这样的目标。

在喷气发动机运转时，涡轮机叶片的温度升高，从而发出辐射，辐射强度和辐射光谱分布是温度的函数，如果能够引入某种热辐射系数的补偿，则此辐射强度和辐射光谱分布通常能用众所周知的“黑体”近似法或“灰体”近似法进行估算。此外，来自喷气发动机火球的辐射（光），受观察目标-涡轮叶片的反射，同样地构成涡轮叶片光束的一部分。燃烧火焰或火球的温度实际上高于涡轮叶片的温度，其结果是，两种光束（或辐射束）之和产生的光谱能量分布，所提供的等效黑体温度比涡轮叶片的实际温度要高得多。来自观察目标-涡轮叶片的光具有一定的光谱宽度，而且包括涡轮叶片本身的光束。

探头安装在喷气发动机罩内，并且接收涡轮叶片的光束。如同下文参照图2详细说明的那样，此探头是由瞄准镜筒组成的，内孔中装有普通的聚光光学元件，以便接收涡轮叶片的光束聚焦后提供给光纤（低温环境下使用时）。为了用在高温情况，可将兰宝石棒或熔合光纤束予先插在纤维光缆上。对空气压力敏感的光闸安装在瞄准镜筒内，当周围的空气压力低于所选定的阈值时，能将光学元件封住，摆脱发动机环境的包围，从而减少进入灵敏的光学元件的污染。

涡轮叶片的光束是通过用普通技术手段固定在探头内的光导20进行接收的。这种光导是普通，而且一般是由熔合光纤束或传统用的宽带石英或熔氧化硅构成。

正如下文参照图3将详细叙述的那样，涡轮叶片光束是提供给探测组件22的。在这个最佳实施例中，探测组件包括用来吸收观察目标光束的第一组分的第一光电探测器（第一组分光束的光谱宽度的选择，应是涡轮叶片光束的一部分），并能使涡轮叶片光束的剩余部分穿过去。还有第二个光电探测器串联地安置在后面，用来吸收剩余的光束。第二个光电探测器相对于第一光电探测器这种串联配置，能提供两者之间的光谱带分割，以使第一光电探测器滤掉的辐射能提供给第二个光电探测器。采用本发明提供的探测组件，进入两光电探测器的耦合效率几乎是整个对应光谱范围的100%。

第一光电探测器沿线路24提供信号，该信号表示被接收的第一光束组分的能量。第一光电探测器还包括第一信号通道，其光谱带与光束第一组分的光谱带相对应。同样地，第二个光电探测器包括第二信号通道，其光谱带则局限于剩余光束，并沿线路26提供其指示信号。

这些信号能被信号处理器28接收。正如下文参照图4所详细描述的那样，该信号处理器将根据全部接收到的信号计算出反射修正能量信号（E），它等于

E＝E₁-R×E₂（1）

其中E₁和E₂分别相当于从第一和第二个光电探测器接收到的信号值。R是一个能量比信号，在下文中将参照图4予以确定，而且是从外部设备32沿线路30被接收的。

参数E仅只是从观察目标发出的辐射的函数，象这样的参数直接与叶片的正确温度或真温度有关。给定火球估算为等效黑体的温度和探测器及滤光片的光谱特性之后，正确温度和反射修正能量信号（E）之间的关系就能确定。尽管这个函数关系式是双值的，但在所感兴趣的温度范围内是单值的。根据用途，信号处理器沿线路34将计算出来的反射修正信号（E）或与其相应的修正温度信号提供给发动机控制处理器36，这些修正信号包含有反馈信号，并使喷气发动机能够闭环运转。

与已有技术的双光谱光学高温计不同的是，它必须使两个能量信号线性化并为每一个信号通道确定黑体的温度，而根据本发明提供的在飞行中控制发动机的光学高温计，并不要求使任何接收到的能量信号线性化。此外，反射修正能量信号（E）的动态范围，实际上小于被滤过的和未被滤过的能量信号的动态范围;对信号处理器硬件的需求也能够降低，并可通过简化所需的计算增加信号处理的速度。

图2是图1所示用于飞行中控制发动机的光学高温计光学探头12的局部剖面图。此探头有一个瞄准镜筒38，通常是安装在喷气发动机外壳（图1，14）上的。例如，典型的喷气发动机的探头是由不锈钢制成的，并且固定在第一个涡轮机的负压面。瞄准镜筒有一个带纵轴42的内孔40，内孔中固定着普通的聚光光学元件，例如兰宝石透镜44。

在这个最佳实施例中，涡轮叶片光束的光斑直径大约是0.200英寸，位于距离涡轮叶片大约为3.5英寸的地方，故令内孔直径大于0.442英寸。另外，类似普通螺旋弹簧或孔径光阑的防止内反射的器件，可以包括在内孔中。

将涡轮叶片的光束提供给用一般定位器48固定在孔内的光纤46，该定位器48有一个沿着孔的纵轴固定光纤的装置。光纤或熔合的光纤束的选择，必须使其能接收聚焦后涡轮叶片光束的全部能量。该探头还有一个接头50，用以接收外源来的净化气体。此气体是通过瞄准镜筒上一个适当的孔52送进探头内孔的。探头用一个普通的O形圈54封住。图2中未给出在喷气发动机内与瞄准镜筒相配合的固定装置，这是一种普通的固定装置，随发动机型号的不同而有所变化。

光闸56安装在瞄准镜筒的内孔上，对喷气发动机内部的空气压力敏感，而且当涡轮叶片旋转时能够接收来自涡轮叶片的光束。

光闸启动，以便封住聚光光学元件和内孔中的光纤，直到喷气发动机内部的空气压力超过预选的阈值为止。只要超出这个阈值，光闸就要打开。譬如对于典型的喷气发动机来说，光闸的阈值大约设置在50磅。当发动机的空气压力下降到低于这个阈值时，光闸就要关闭。

在这个最佳实施例中，光闸有一个可移动的活塞58，绕轴62固定在瞄准镜筒外侧的凹座60内，与内孔的纵轴相垂直。弹簧64是一种普通的螺旋弹簧，安装在移动活塞的后面，施加一个平行于活塞轴的力。

光闸外罩内的空气压力对其内表面施加一个垂直的力。空气的压力给活塞表面66施加一个平行于活塞轴并且与弹簧的回复力相反的力。象空气压力那样，力的大小是表面面积的函数。

当空气压力增加时，施加于活塞的力将增加，以致超出一个确定的值，空气的压力将超出弹簧的回复力，因而将移动活塞离开瞄准镜筒的纵轴，使得涡轮叶片的光束通过。弹簧的回复力是已知的，是弹簧参数（簧圈直径、弹簧密度等）的函数，而且应该结合活塞表面积上承受的发动机空气压力进行选择。

本技术领域的人将会注意到，其它带有对置活塞的光闸结构（这种对置活塞带有楔状或抛物面的剖面几何形状）也能等效取代。此外，其它类似电线圈的等效回复装置可以代替弹簧。

在这个最佳实施例中，用以驱动光闸和冷却探头组件并进而降低污染的送给瞄准镜筒的净化气体的量，是有选择的。通过一般的技术手段，可以将净化气体从喷气发动机的压缩机中放出。

图3是用于图1所示光学高温计的串联排列的光电探测器组件剖面图。串联排列的光电探测器组件68有一个外罩70，这是一个普通型式的类似TO-5或TO-8的外罩，它包括金属端板74和外壳72，而外壳72已进行了适当的改进。外罩还包括波导连接器76，用普通技术手段使其与外壳相连。在这个最佳实施例中，外壳已经进行了改进，通过中心钻了一个孔，以便使光纤（图1，20）与波导连接器相连，并能由此通过，同时确定了光轴78。

在端板上装有串联排列的探测器，包括光电探测器80和82。光电探测器82是用一般的技术手段固定到端板上的。为了增强长波的响应特性，可将金属垫片84安装在光电探测器82的下面。仅局部示出了电极86和88，与沿光轴固定的光电探测器82提供电接触。此外，外壳上有使带托脚的电极90和92绝缘的结构，而电极90和92直接在光电探测器82的上方穿过使陶瓷垫圈94与光轴同轴安置的端板。陶瓷垫圈是传统型的，并有一个环形口。光电探测器80直接安置在陶瓷垫圈开口的上方，用一般技术手段使其大致平行于光电探测器82。至光电探测器80的电接触是通过电极90和92借助通常技术手段达到的，在这个最佳实施例中，还包括安装在陶瓷垫圈顶部表面上的金属触头。

金属外壳能在固定光纤的端板上滑动，基本上与光电探测器80相接触，以便使观察目标的光束能从光纤射出去，此外该金属外壳还用以吸收来自涡轮叶片光束的第一组分。观察目标光束的剩余部分则穿过光电探测器80，并提供给光电探测器82。一种类似硅酮环氧树脂的密封剂96，填在端板和外壳的空隙中，这样就使光纤隔离潮湿和其它的污染。

已有技术的双光谱光学高温计通常带有含硅的光电探测器，硅光电探测器不仅可靠而且价廉，而且作为温度函数的特性曲线显示偏差小。由于两个光电探测器使用同一种材料，就发生了光谱带的重叠，因而造成固有特性的缺陷。由于观察目标光束的大部分能量处在比硅吸收波长更长的波长上，故信噪比的提高是受限制的。此外，由涡轮叶片反射的观察目标光束的组分具有非常微弱的强度;光谱带之间的重叠会进一步降低有用的信噪比。

根据本发明提供的串联排列光电探测器组件，不仅具有机械稳定性和较少光学元件的优点，而且在光电探测器材料的光谱响应性之间只有很小的重叠，保证固有的信噪比比较大。

在这个最佳实施例中，串联排列的第一个探测器是含有硅的。如上文中参照图2所指示的那样，当涡轮叶片的光束入射到第一光电探测器时（图3，80），实际上硅将吸收波长在0.4和1.05微米之间的那部分光束，涡轮叶片光束的剩余部分将穿过硅而提供给第二个光电探测器（图3，82），而后者的光谱响应波长在1.05和1.8微米之间。在这个最佳实施例中，光电探测器82是含有铟镓砷的光电二极管，之所以选择这种二极管是由于它的响应性和高频特性曲线以及比较低的暗电流和在中等环境温度时的低噪声。本技术领域的人将会注意到，另外的类似锗的红外线探测材料也可以代用。

此外，上文中提供的串联排列的光电探测组件之所以具有改善的高频响应，是由于它能够在光纤和光电探测器之间获得有效辐射功率信号的传送。除了少量的在光纤与探测器界面附近的耦合损失外，光电探测器80能够接收射出波导的全部辐射光功率。光电探测器82接收从大约1.05微米至它响应性范围上限的几乎全部入射能，在本最佳实施例中，响应范围上限大约是1.8微米。这包括了其响应范围的最高输出部分的75%以上，增强了高温计总的信噪比特性。

图4是用在图1所示光学高温计中的信号处理器28的展开方框图。来自涡轮叶片的观察目标光束含有热能E_t，这是叶片发射的能和在燃烧的火焰或火球中产生而被叶片反射掉的能量之和，即

E_t＝E_b+E_r（2）

注脚b和r分别指的是叶片发射的能量和反射火球的能量。涡轮叶片的光束通过探测组件被分成具有不同光谱宽度的两束，如上面已经讲过的那样。E₁+E₂相当于分别在第一和第二（剩余的）信号通道中接收到的总能量。

这个总能量可以表示为

E₁＝E_1b+E_1r（3）

E₂＝E_2b+E_2r（4）

当给出反射能量的等效黑体温度时，两个通道之间的能量比是一个常数，这就是

(E_1r)/(E_2r) =常数=R （5）

所以，在第一信号通道中总能量的方程式可以重新写成

E₁＝E_1b+R×E_2r（6）

第二通道中的反射能量就成为

E_2r＝E₂-E_2b（7）

把第二个反射能量（E_2r）的表达式代入第一通道中总能量的方程式，得出如下结果

E₁-R×E₂＝E_1b-R×E_2b（8）

一个称作反射修正能量（E）的新的参数，可以由公式（8）确定，即

E₁-R×E₂＝E＝R×E₁b-E₂b （9）

方程式（9）的左侧仅仅是两个通道中总能量（发射的加上反射的）的函数。所以，参数E仅是从涡轮叶片发射能量的函数，剩下的是未受燃烧火焰反射能量影响的。此外，与知道能量比的同时，E可以从两个信号通道中的总吸收能量中求得。

对于反射等效黑体温度的火球或燃烧火焰来说，能量比（R）是计算出来的，并可由典型化了的用一个温度大约等于喷气发动机内等效黑体火球温度（例如4500°F）的黑体辐射照射探测器组件进行实验证实。

同样，E和反射修正温度之间的关系也是计算出来的，并可通过将不同温度（大约1300°F）的黑体辐射供给给定R值的探测组件进行实验证实。对于每一个感兴趣的功率比值来说，都能得到一个类似的关系式。E和修正温度之间的关系一经确定，信号处理器的结构就能确定。

在这个最佳实施例中，为了作到高速及使硬件简单起见，信号是以模拟形式进行处理的。沿线路24和26接收到的能量信号，包含来自探测器组件（图1中的22）内部的光电探测器的光电流。普通的互阻抗放大器98和100将能量信号接收，并沿线路102和104将等效电压提供给普通的宽带放大器106和108。此外，表示能量比R的信号是沿线路110由放大器106接收的。在这个最佳实施例中，R的值相当于放大器的反馈调节，典型情况下相当于具有选择值的可变反馈电阻。

从宽带放大器输出来的信号，在方程式（9）中分别相当于E₁和RE₂。这些信号沿线路112和114提供给一般的差分放大器116，而由差分放大器将反射修正能量信号沿线路118提供出来，如前文所述。反射修正能量信号在发动机控制线路中是作为反馈存在的形式使用的。另一方面，反射修正能量信号也可以提供给类似飞机上飞行控制器一样的发动机控制处理器（图上未示出，也不是本发明的内容），在控制处理器中被数字化并同反射修正能量信号值进行对比，而后者是作为叶片修正温度的函数以普通检查表格的形式进行存储的。

图5是图4所示信号处理器的另一种数字形式实施例120。

此信号处理器沿线路122和124接收能量信号。这些信号通过模-数转换器126和128进行转换并提供给信息转移通路130。信号处理器包括普通的中央处理器（CPU）132和储存信号用的随机存储器（RAM）134。使反射修正能量信号与修正温度信号相联系的编码，是以普通检查表的形式储存在只读存储器（ROM）136中的。

中央处理器根据输入能量信号和沿线路138接收并被数-模转换器140数字化的能量比信号计算出E值。根据反射修正能量信号的大小，信号处理器从只读存储器中选择相应的修正温度信号值。当在处理过程中需要时，随机存储器可通过中央处理器进行存取。与修正温度相应的信号是通过信号处理器沿线路142直接提供给某种用途的外部处理器的，或者先提供给数-模转换器144，然后再提供给外部的模拟电子设备。

另一方面，数字信号处理器可以包括一个检查表形式的信号编码，它把能量比信号与火球等效黑体温度信号相联系，而后者是与上述关于ROM136所描述的信号一起另外储存在只读存储器136中的。根据火球等效黑体的温度信号，信号处理器首先在存储器中选择R的相应值，并开始计算如上所述的反射修正能量信号。此外，应用其它的模拟或数字硬件和软件的另外算法，也能够等效地替代，这对于本技术领域的人是显见的。

同样，尽管本发明是参照最佳实施例提出并加以描述的，但是本技术领域的人员必须理解，不需改变本发明的精神实质和范围就可以做出多种其它的变换、省略或补充。

Claims

1、一种用于测量喷气发动机内涡轮叶片温度在飞行中控制发动机的光学高温计，包括：

安装在喷气发动机内以便从涡轮叶片收集光束的光学探头(装置)，该光束具有一定的光谱宽度和来自涡轮叶片的发射组分以及来自具有等效黑体温度的火球的反射组分。上述光学探头(装置)包括一个带内孔的瞄准镜筒，适于接收上述涡轮叶片的光束，内孔中安装有光导(装置)。上述瞄准镜筒(装置)还包括对上述喷气发动机的空气压力起响应的光闸(装置)，安装在上述瞄准镜筒(装置)内，只要超过上述空气压力阈值，就将上述涡轮叶片光束提供给上述光导(装置)；

光学探测组件(装置)，它包括用于安装光导(装置)的外罩(装置)；

安装在上述外罩(装置)内的第一个光电探测器(装置)，用于吸收来自涡轮叶片的被选作观察目标光束光谱宽度一部分的具有第一光谱宽度的第一光学组分的光束。此第一光电探测器(装置)能使剩余的光束由此透过，并能提供一个与上述第一光学组分等效的电信号；

安装在上述外罩(装置)内的第二个光电探测器(装置)，用于接收上述剩余光束并能提供与其等效的电信号；

信号处理装置，用于接收上述第一和第二个信号，并且进一步还接收能量比信号，以便根据上述第一信号和上述能量比信号与上述第二个信号的乘积之差，提供反射修正能量信号。

2、如权利要求1所述在飞行中控制发动机用的光学高温计，其中所述的信号处理器（装置）还包括数字信号处理装置，此数字信号处理装置有一个存储装置，用于存储信号，其中包括指示多个修正观察目标温度值的信号，每个修正温度值都与一个伴生的反射修正能量（E）信号相对应。提供上述数字信号处理装置，是为了：

接收上述第一和第二个信号，并且进一步还接收能量比信号;

根据上述第一信号和上述能量比信号与上述第二个信号的乘积之差，产生出反射修正能量信号;

使上述每一个反射修正能量信号，与存储在上述存储器中的上述多个修正瞄准目标温度信号中相关的一个等同起来，并提供其信号指示。

3、如权利要求2所述的在飞行中控制发动机用的光学高温计，其中所述数字信号处理装置还包括存储在上述存储装置中显示多个能量比信号的信号，其中每个能量比信号都与一个伴生的火球等效黑体温度信号相对应;上述信号处理器进一步还使接收到的火球等效黑体温度信号与储存在上述存储装置中的相关的能量比信号等同。

4、如权利要求1所述在飞行中控制发动机用的光学高温计，其中所述第一个光电探测器是含硅的。

5、如权利要求1所述在飞行中控制发动机用的光学高温计，其中所述第二个光电探测器是含铟镓砷的。