DE102008022571A1

DE102008022571A1 - Temperaturmessung an Teilen einer Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102008022571A1
Application number: DE200810022571
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Bosselmann; Thorsten Thiel; Michael Dr. Willsch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-05-07
Filing date: 2008-05-07
Publication date: 2010-02-25
Also published as: WO2009135814A1

Abstract

Für die pyrometrische Temperaturmessung an einem bis zu 1500°C heißen Teil einer Gasturbine, beispielsweise deren Schaufel oder Wandung, wird vorgeschlagen, eine Glasfaser zu verwenden. Am Teil selbst wird eine Scharzkörperfläche vorgesehen. Das Ende der Glasfaser behält einen Abstand, beispielsweise 1-5 mm, von der Schwarzkörperfläche, um die thermische Degradierung der Faser zu verhindern. Die Wärmestrahlung von der Schwarzkörperfläche wird von der Glasfaser aufgefangen. Die Schwarzkörperfläche wird in ihrer Größe an das Sichtfeld der Faser angepasst. Alternativ oder zusätzlich ist eine Linse am Ende der Faser vorgesehen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung der Temperatur an einem Teil einer Strömungsmaschine, beispielsweise einer Leitschaufel oder der Brennkammerwand einer Gasturbine.
Strömungsmaschinen, wie beispielsweise Dampf- oder Gasturbinen, werden als Wärme-Kraft-Maschinen in der Technik eingesetzt, um eine in einem Gasstrom gespeicherte Energie in eine mechanische Energie zu überführen, insbesondere eine Drehbewegung. Um den Wirkungsgrad solcher Maschinen zu erhöhen, werden immer höhere physikalische Anforderungen an die verwendeten Materialien der Strömungsmaschine gestellt. So wird zur Erhöhung des Wirkungsgrads einer Gasturbine die Temperatur einer in die Gasturbine einströmenden Gasströmung auf mehr als 1200°C gesteigert. Um den hohen physikalischen Anforderungen, insbesondere aufgrund der Temperatur, standhalten zu können, werden die Schaufeln der Turbine mit einer Beschichtung versehen, die einer besonders hohen Beanspruchung standhält. Eine solche Beschichtung ist beispielsweise das so genannte Thermal Barrier Coating von Schaufeln einer Gasturbine, im folgenden TBC genannt, wobei ein Schaufelblatt an seiner der Gasströmung ausgesetzten Oberfläche mit einer derartigen Beschichtung versehen wird. Als Beschichtung kommt beispielsweise „Yttrium stabilisiertes Zirkoniumoxid” in Frage. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Wirkungsgrades ist es wünschenswert, die Temperatur der Gasströmung bis zu einem maximalen Grenzwert zu erhöhen, ohne dass das TBC beschädigt wird. Dazu bedarf es Messverfahren und Vorrichtungen zur genauen Temperaturbestimmung der Schaufeloberflächen und insbesondere der Schaufeloberflächenbeschichtungen während des Betriebes der Strömungsmaschine.
Eine gängige Möglichkeit zur Temperaturbestimmung ist die Anbringung von Thermoelementen an die zu untersuchenden Stel len. Aufgrund der hohen Temperaturen im Gasstrom der Strömungsmaschine fallen die Thermoelemente in der Regel nach einigen Stunden Betriebszeit aus und sind in den meisten Fällen zerstört.
Eine Alternative zu Thermoelementen stellen optische Pyrometer dar, mit denen aus der vom zu untersuchenden heißen Objekt abgestrahlten Strahlung auf optischem Wege auf die Temperatur des Objektes schließen kann. Problematisch ist dabei, dass die TBC-Beschichtung in Gasturbinen zu einem erheblichen Teil transparent für Wärmestrahlung ist. Sie lässt daher Wärmestrahlung anderer Objekte passieren. Eine Temperaturbestimmung anhand der Wärmestrahlung aus der Richtung der TBC-Schicht wird dadurch möglicherweise stark verfälscht. Dies wird bekanntermaßen dadurch gelöst, dass zur Aufnahme der Wärmestrahlung eine Faser, beispielsweise Saphirfaser verwendet wird, deren Ende mit einer Schwarzkörperschicht versehen ist. Diese wird in Berührung mit der TBC-Schicht gebracht, wodurch die Schwarzkörperschicht weitgehend die Temperatur der TBC-Schicht annimmt. Die von der Schwarzkörperschicht erzeugte Wärmestrahlung wird von der Faser zu einem Empfänger geleitet. Problematisch sind hierbei die bereits angesprochenen hohen Betriebstemperaturen. Diese führen bei Glasfasern zu Degradationserscheinungen, die die Lebensdauer des Pyrometers oder zumindest die Messgenauigkeit verringern. Die Verwendung hochtemperaturstabiler Saphirfasern and der Stelle der Glasfasern hat wiederum den Nachteil, dass Saphirfasern eine höhere Biegempfindlichkeit aufweisen und somit schwerer zu verlegen sind.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit der die Temperatur der Oberflächenbeschichtung einer Strömungsmaschine, insbesondere bei hohen Temperaturen in der Strömungsmaschine, möglichst betriebssicher und genau ermittelt werden kann. Ziel ist dabei insbesondere die Bestimmung der Temperatur auf 1°C genau.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der pyrometrischen Messung der Temperatur einer Oberflächenbeschichtung, beispielsweise ein sog. Thermal Barrier Coating (TBC), eines Teils einer Strömungsmaschine. Sie weist eine an der Oberflächenbeschichtung angeordnete Schwarzkörperschicht zur Aussendung von Wärmestrahlung und einen Lichtwellenleiter zur Weiterleitung der Wärmestrahlung auf. Dabei hat das der Oberflächenbeschichtung zugewandte Ende des Lichtwellenleiters einen Abstand von der Oberflächenbeschichtung.
Durch die Trennung von Schwarzkörperschicht und Lichtwellenleiter wird vorteilhaft erreicht, dass das Ende des Lichtwellenleiters nicht der Temperatur der Oberflächenbeschichtung ausgesetzt ist, sondern einer demgegenüber verringerten Temperatur. Durch die Beabstandung des Lichtwellenleiters von der Schwarzkörperschicht ergibt sich weiterhin der besondere Vorteil, dass eine verringerte Wärmeableitung aus der Schwarzkörperschicht erreicht wird, da diese ja nun einseitig an Luft grenzt. Die Temperatur der Schwarzkörperschicht stimmt daher genauer mit der der TBC-Schicht überein. Hierdurch wird die Temperaturmessung genauer. Schließlich hat die Erfindung den Vorteil, dass die vorteilhafte Verwendung einer Glasfaser auch bei höchsten Turbinentemperaturen von beispielsweise 1400°C ermöglicht wird. Glasfasern sind aber unempfindlicher gegen Biegung und daher leichter in der Verlegung. Saphirfasern weisen weiterhin den Nachteil auf, dass sie keinen Mantel besitzen und daher Wärmestrahlung auch seitlich in die Faser einkoppeln kann, was zu Messungenauigkeit führt.
Bevorzugt beträgt der Abstand mehr als 1 mm, insbesondere mehr als 2 mm oder mehr als 5 mm. Zweckmäßigerweise ist die Oberflächenbeschichtung eine Beschichtung eines Trägers aus Me tall. Auf der von der Oberflächenbeschichtung abgewandten Seite des Metalls wird zweckmäßig kühlende Luft vorbei geleitet. Dadurch entsteht im Metall ein starker Temperaturgradient, der mehrere hundert °C pro cm betragen kann. Daher sinkt die Temperatur, der der Lichtwellenleiter ausgesetzt ist, mit wachsendem Abstand von der Oberflächenbeschichtung.
Durch den Abstand von Lichtwellenleiter und Schwarzkörperschicht ist es bei der Erfindung möglich, dass Licht oder Wärmestrahlung in den Lichtwellenleiter einkoppelt, das nicht von der Schwarzkörperschicht stammt, was die Messung verfälschen kann. Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung daher derart ausgestaltet, dass nur Licht der Schwarzkörperschicht in den Lichtwellenleiter einkoppelt. Hierzu kann beispielsweise am Ende des Lichtwellenleiters eine Linse vorgesehen sein. Alternativ kann das Ende des Lichtwellenleiters selbst eine Linse bilden, indem das Ende mit eine Mikrostrukturierung versehen wird. Es wird dadurch erreicht, dass der Bereich, der für den Lichtwellenleiter „sichtbar” ist, auf die Ausdehnung der Schwarzkörperschicht begrenzt ist. In einer weiteren Alternative ist es auch möglich, die Schwarzkörperschicht derart ausgedehnt auszugestalten, dass sie das gesamte Sichtfeld des Lichtwellenleiters ausfüllt, wodurch eine Linse unnötig ist.
Vorzugsweise besteht die Schwarzkörperschicht aus Platin besteht und ist weniger als 100 μm dick. Platin ist hochtemperaturstabil und oxidiert nicht, so dass die Emissivität der Schwarzkörperschicht im Wesentlichen konstant bleibt. Eine möglichst dünne, insbesondere 10 μm dicke Schicht, hat den Vorteil, einen geringen Temperaturgradienten über die Dicke zu zeigen, wodurch eine sehr genaue Messung ermöglicht wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft in einer Gasturbine verwendet werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Gasturbine mit mehreren Vorrichtungen auszustatten. Die Temperaturmessung ist beispielsweise an der Turbinenwandung, aber auch an Lauf- und Leitschaufeln vorteilhaft.
Gerade im Großmaschinenbereich kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine einfache, betriebssichere und genaue Temperaturbestimmung der Oberflächenbeschichtung erreicht werden, wodurch ein effektiverer Betrieb gewährleistet werden kann und insbesondere teure Stillstandzeiten wegen Wartung und Reparaturmaßnahmen wegen zerstörter Oberflächenbeschichtungen, beispielsweise an den Schaufeln, weiter reduziert werden können. So kann beispielsweise eine Erhöhung der Verfügbarkeit einer mit einer Gasturbine ausgerüsteten Energieversorgung erreicht werden.
Ist die Oberflächenbeschichtung wie üblich auf einem metallischen Träger angeordnet und verläuft ein Teil des Lichtwellenleiters im Träger, dann ist es vorteilhaft, wenn dieser Teil des Lichtwellenleiters von einer Schutzkapsel umgeben ist, die eine geringere Wärmeleitung als der Träger aufweist. Hierdurch wird die Temperatur des Lichtwellenleiters zusätzlich vermindert.
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und gewisse Merkmale sind nur schematisiert dargestellt. Die Figuren zeigen jeweils einen Ausschnitt aus einer Wand einer Gasturbine mit einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei sind einander entsprechende Teile in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die metallische Wand 3 der Gasturbine gemäß der 1 bis 3 weist auf der zum Turbineninnenraum 1 weisenden Seite eine TBC-Beschichtung 2, TBC = thermal barrier coating, aus Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid auf, um den in der Gasturbine auftretenden physikalischen Beanspruchungen Stand zu halten. Die TBC-Beschichtung ist ca. 100 μm dick. Weiterhin ist die Schicht aufgrund ihrer Zusammensetzung gegenüber Wärmestrahlung, die bei den hohen Temperaturen der Gasturbine auftreten, weitgehend transparent. Auf der anderen Seite der Wand 3 befindet sich der Kühlluftraum 4. Der Aufbau bedingt einen hohen Temperaturgradienten über zwischen dem Turbineninnenraum 1 und dem Kühlluftraum 4. So herrscht im Turbineninnenraum 1, also insbesondere an der Oberfläche der TBC-Beschichtung 2 eine Temperatur von 1250°C. An der Grenzschicht zwischen der TBC-Beschichtung 2 und dem metallischen Teil der Turbinenwand 3 ist die Temperatur bereits auf 950°C gefallen. Über den metallischen Teil der Wand 3 hinweg fällt die Temperatur weiter auf etwa 450°C. Die Temperaturen sind hierbei als beispielhafte Werte zu verstehen.
Gemäß 1 ist nun zur Messung der Temperatur an der Grenzschicht zwischen der TBC-Beschichtung 2 und dem metallischen Teil der Turbinenwand 3 im metallischen Teil eine Bohrung vorgesehen, die bis zur TBC-Beschichtung 2 reicht. An der so offengelegten inneren Oberfläche der TBC-Beschichtung 2 ist eine Schwarzkörperschicht 9 aufgebracht. Diese besteht vorteilhaft aus Platin und ist 10 μm dick. In alternativen Ausführungsmöglichkeiten besteht die Schwarzkörperschicht 9 aus anderen hochtemperaturbeständigen Materialien wie beispielsweise Iridium oder Wolfram oder einer bekannten kommerziell erhältlichen Metalllegierung. Auch andere Schichtdicken sind denkbar wie beispielsweise 2 μm oder 5 μm. Zur Maximierung und Stabilisierung der Emissivität der Schwarzkörperschicht 9 ist es zweckmäßig, wenn sie möglichst rau und bereits mit einer Oxidationsschicht versehen ist. Eine hohe Genauigkeit der Messung wird auch durch eine möglichst geringe Dicke der Schwarzkörperschicht 9 begünstigt. Allerdings muss die Schwarzkörperschicht 9 dabei undurchsichtig bleiben für Wärmestrahlung und auch die Lebensdauer der Schwarzkörperschicht 9 muss berücksichtigt werden.
In der Bohrung ist ein Schutzröhrchen 5 vorgesehen, das die Wand der Bohrung auskleidet. Das Schutzröhrchen 5 weist eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als das umgebende Metall. In einem Abstand von beispielsweise 1 mm von der Schwarzkörperschicht 9 beginnt eine Quarzglasfaser 6. Es handelt sich dabei um eine Standard-Faser, beispielsweise 50/125 μm, 61/125 μm, 100/140 μm oder 200/220 μm. Sie verläuft im Schutzröhrchen 5, soweit das Schutzröhrchen 5 reicht und endet zweckmäßig bei einem Detektor zur Aufnahme der Wärmestrahlung der Schwarzkörperschicht 9. Der Detektor ist in den Figuren nicht dargestellt.
Da die Quarzglasfaser 6 in einem Abstand von der Schwarzkörperschicht 9 endet, ist ihr Sichtfeld 11 größer als der Durchmesser des Faserkerns 7. Die Größe der Schwarzkörperschicht 9 ist daher in diesem Beispiel so gewählt, dass sie das gesamte Sichtfeld 11 der Quarzglasfaser 6 ausfüllt. Hierdurch wird erreicht, dass ausschließlich Wärmestrahlung der Schwarzkörperschicht 9 in die Quarzglasfaser 6 fällt und von dieser weitergeleitet wird, wodurch Fehler bei der genauen Messung der Temperatur verhindert werden.
Durch die Anordnung der Schwarzkörperschicht 9 an der TBC-Beschichtung 2 nimmt die Schwarzkörperschicht 9 weitgehend die metallseitige Temperatur der TBC-Beschichtung 2 an. Die Schwarzkörperschicht 9 emittiert dann Wärmestrahlung entsprechend ihrer Temperatur und die Wärmestrahlung wird von der Quarzglasfaser 6 aufgenommen und an einen Detektor weitergeleitet. Aus der Wärmestrahlung kann in anderweitig bekannter Weise die Temperatur der Schwarzkörperschicht 9 und damit der TBC-Beschichtung 2 ermittelt werden. Aus den Figuren ist erkennbar, dass der Abstand zwischen dem Ende der Quarzglasfaser 6 und der Schwarzkörperschicht 9 die Quarzglasfaser 6 in einem Bereich deutlich verringerter Temperatur gegenüber der der Schwarzkörperschicht 9 angeordnet ist. So erfährt bei dem Beispiel gemäß 1 die Quarzglasfaser 6 lediglich Temperaturen von bis zu etwa 600°C. Diese sind für eine Quarzglasfaser 6 unproblematisch und die Verwendung beispielsweise einer Saphirfaser ist unnötig.
Eine Vergrößerung des Abstands zwischen dem Ende der Quarzglasfaser 6 und der Schwarzkörperschicht 9 ermöglicht eine weitere Verringerung der Temperatur, der die Quarzglasfaser 6 ausgesetzt ist. 2 zeigt dementsprechend ein Ausfüh rungsbeispiel, bei dem der Abstand zwischen dem Ende der Quarzglasfaser 6 und der Schwarzkörperschicht 9 zwei Millimeter beträgt. Das Sichtfeld 11 der Quarzglasfaser 6 würde in diesem Fall ohne weitere Anpassung des Aufbaus zu einer verhältnismäßig großen Schwarzkörperschicht 9 führen. Daher weist das zur Schwarzkörperschicht 9 weisende Ende der Quarzglasfaser 6 im Ausführungsbeispiel gemäß 2 einen Linsentaper 8 auf, d. h. eine abgerundete Endfläche. Durch diese wird der Lichtweg von gedachten aus der Quarzglasfaser 6 tretenden Lichtstrahlen parallelisiert, also das Sichtfeld 11 für die einfallende Wärmestrahlung verengt. Zweckmäßig ist es dabei, das Sichtfeld 11 derart einzuschränken, dass die Schwarzkörperschicht 9 nicht größer als das Schutzröhrchen 5 sein muss.
Ein drittes Ausführungsbeispiel gemäß der 3 zeigt das Ende der Quarzglasfaser 6 in einem Abstand von 5 mm von der Schwarzkörperschicht 9. Hierdurch wird eine starke Verringerung der Temperatur im Bereich des Endes der Quarzglasfaser 6 erreicht. Zur Begrenzung des Sichtfelds 11 der Quarzglasfaser 6 ist in diesem Fall eine Kugellinse 10 vorgesehen, die dem Ende der Quarzglasfaser 6 vorgelagert ist. Durch die Kugellinse 10 wird in diesem Beispiel der Strahlenweg parallelisiert, so dass auch über 5 mm hinaus auch weitere Abstände realisierbar sind.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist beispielsweise die Verwendung des Schutzröhrchens 5 nicht unbedingt notwendig. Auch können kürzere Abstände als 1 mm oder längere Abstände als 5 mm verwendet werden. Auch kann statt der Quarzglasfaser 6 eine andere Faser zum Einsatz kommen, beispielsweise eine Saphirfaser.

Claims

Vorrichtung zur pyrometrischen Messung der Temperatur einer Oberflächenbeschichtung eines Teils einer Strömungsmaschine, mit – einer an der Oberflächenbeschichtung angeordneten Schwarzkörperschicht zur Aussendung von Wärmestrahlung und – einem Lichtwellenleiter zur Weiterleitung der Wärmestrahlung, wobei das der Oberflächenbeschichtung zugewandte Ende des Lichtwellenleiters einen Abstand von der Oberflächenbeschichtung aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Abstand mehr als 1 mm, mehr als 2 mm oder mehr als 5 mm beträgt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei am Ende des Lichtwellenleiters eine Linse vorgesehen ist oder das Ende des Lichtwellenleiters zur Bildung einer Linse strukturiert ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der um den Lichtwellenleiter herum im Bereich seines Endes eine Schutzkapsel mit geringerer Wärmeleitung vorgesehen ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Lichtwellenleiter eine Glasfaser ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Schwarzkörperschicht aus Platin besteht und weniger als 100 μm dick ist.
Gasturbine mit einer Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
Gasturbine gemäß Anspruch 7, bei der die Oberflächenbeschichtung auf einem metallischen Träger angeordnet ist und ein Teil des Lichtwellenleiters im Träger verläuft, wobei der Teil von einer Schutzkapsel umgeben ist, die eine geringere Wärmeleitung als der Träger aufweist.