DE102014115274B4 - Device for measuring radiation in combustion chambers - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Strahlungsmessung in Brennkammern umfassend einen länglichen Grundkörper (2) mit einer den Grundkörper (2) axial durchsetzenden Durchgangsbohrung (3), die an einem axialen Ende einen Aufnahmeabschnitt (4) definiert, und einen Saphirstab (5), der in dem Aufnahmeabschnitt (4) unter Bildung eines Ringspalts (6) aufgenommen ist, wobei der Ringspalt (6) mit einem Dichtungsmittel (7) abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Saphirstab (5) und der Aufnahmeabschnitt (4) der Durchgangsbohrung (3) derart ausgebildet sind, dass der Ringspalt (6) zwischen dem Saphirstab (5) und einer Innenwand der Durchgangsbohrung (3) eine definierte Spaltbreite von 0,04 mm bis 0,06 mm, insbesondere 0,05 mm aufweist, und das Dichtungsmittel (7) derart heliumdicht ist, dass es bei einer Druckdifferenz von 4*10Pa eine Leckrate von höchstens 1*10(Pa*m)/s aufweist.Device for measuring radiation in combustion chambers, comprising an elongated base body (2) with a through hole (3) axially penetrating the base body (2), which defines a receiving section (4) at one axial end, and a sapphire rod (5) which is located in the receiving section ( 4) is accommodated to form an annular gap (6), the annular gap (6) being sealed with a sealing means (7), characterized in that the sapphire rod (5) and the receiving section (4) of the through hole (3) are designed in this way that the annular gap (6) between the sapphire rod (5) and an inner wall of the through hole (3) has a defined gap width of 0.04 mm to 0.06 mm, in particular 0.05 mm, and the sealing means (7) is so helium-tight is that it has a leak rate of 1 * 10 (Pa * m) / s at a pressure difference of 4 * 10Pa.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strahlungsmessung in Brennkammern umfassend einen länglichen Grundkörper mit einer den Grundkörper axial durchsetzenden Durchgangsbohrung, die an einem axialen Ende einen Aufnahmeabschnitt definiert, und einen Saphirstab, der in dem Aufnahmeabschnitt unter Bildung eines Ringspalts aufgenommen ist, wobei der Ringspalt mit einem Dichtungsmittel abgedichtet ist.The present invention relates to a device for radiation measurement in combustion chambers comprising an elongate base body with a through-hole axially penetrating the base body, which defines a receiving section at one axial end, and a sapphire rod, which is received in the receiving section to form an annular gap, the annular gap including is sealed with a sealant.

Derartige Vorrichtungen sind im Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt und dienen der Messung von Strahlung, die bei der Verbrennung von Brennstoff in Brennkammern emittiert wird. Dabei ist es eine Aufgabe der Brennkammer, das darin befindliche Gas, welches eine Verbrennungsreaktion durchläuft, in einem definierten Volumen zu halten und zu verhindern, dass es unkontrolliert in die Umgebung entweicht. Die Verbrennung kann dabei atmosphärisch oder bei Überdruck erfolgen, wobei die Brennkammer im letzteren Fall zusätzlich die durch den Druck entstehenden Kräfte aufnehmen, mithin den bei der Expansion des Verbrennungsgases entstehenden Druck aufrechterhalten muss. Da die Wände solcher Brennkammern in der Regel aus Metall gefertigt sind, sind sie für Licht undurchlässig, was einer Messung der Flammenstrahlung von außen entgegensteht. Deshalb ist es für eine Strahlungsmessung erforderlich, einen optischen Zugang zur Brennkammer zu schaffen, der für elektromagnetische Strahlung im gewünschten Spektralbereich durchlässig, für das im Brennraum vorhandene verbrennende Gas jedoch undurchlässig ist.Such devices are known in the prior art in various configurations and are used to measure radiation which is emitted in the combustion of fuel in combustion chambers. It is a task of the combustion chamber to keep the gas therein, which undergoes a combustion reaction, in a defined volume and to prevent it from escaping into the environment in an uncontrolled manner. The combustion can take place atmospheric or at overpressure, the combustion chamber in the latter case additionally absorbing the forces generated by the pressure, and consequently must maintain the pressure generated during the expansion of the combustion gas. Since the walls of such combustion chambers are generally made of metal, they are opaque to light, which prevents measurement of the flame radiation from the outside. For a radiation measurement it is therefore necessary to provide an optical access to the combustion chamber which is transparent to electromagnetic radiation in the desired spectral range, but which is impermeable to the burning gas present in the combustion chamber.

Es ist bekannt, einen optischen Zugang zu einem Brennraum durch den Einbau eines Brennkammerfensters zu erreichen. Quarzglas hat sich als geeignetes Material zur Ausbildung von Brennkammerfenstern erwiesen, da es über einen großen Wellenlängenbereich transparent ist, der insbesondere auch den für die Verbrennungsanalyse wichtigen UV-Bereich einschließt. Für den Einbau eines solchen Brennkammerfensters wird eine entsprechende Aussparung in der Brennkammerwand benötigt, in der das Brennkammerfenster unter Abdichtung des Spaltes zwischen der Brennkammerwand und dem Brennkammerfenster befestigt ist. Dabei ist zu beachten, dass die Befestigung einerseits ausreichend dicht und stabil ist, andererseits aber das Brennkammerfenster nicht allzu sehr unter Spannung steht, wodurch es zerstört werden kann.It is known to achieve optical access to a combustion chamber by installing a combustion chamber window. Quartz glass has proven to be a suitable material for the formation of combustion chamber windows, since it is transparent over a large wavelength range, which in particular also includes the UV range which is important for combustion analysis. For the installation of such a combustion chamber window, a corresponding recess is required in the combustion chamber wall, in which the combustion chamber window is fastened while sealing the gap between the combustion chamber wall and the combustion chamber window. It should be noted that the fastening is sufficiently tight and stable on the one hand, but on the other hand the combustion chamber window is not under too much tension, which can destroy it.

Ein - insbesondere nachträglicher - Einbau von Brennkammerfenstern ist vor allem bei aktiv gekühlten Brennkammern schwierig und aufwändig, da in deren Brennkammerwandung Kühlkanäle verlaufen, die zum Einbringen eines Brennkammerfensters unterbrochen oder umgeleitet werden müssen. Eine erforderliche Kühlung eines Brennkammerfensters selbst lässt sich nicht mit Kühlkanälen realisieren. Stattdessen ist eine Filmkühlung gebräuchlich, bei der ein Kühlfilm aus relativ kaltem Gas über das Fenster gelegt wird und es so vor thermischer Belastung schützt. Ein solcher Kühlfilm kann aus inerten Gasen, aber auch aus in Folge eines Oxidatormangels nicht verbrennendem Brennstoff bestehen, was in der Regel für den Verbrennungsprozess unerwünscht ist, da es diesen und die erzielten Messergebnisse signifikant beeinflusst.A - especially retrofitting - installation of combustion chamber windows is difficult and complex, especially with actively cooled combustion chambers, since cooling channels run in their combustion chamber wall, which have to be interrupted or diverted to introduce a combustion chamber window. A cooling chamber itself cannot be cooled with cooling channels. Instead, film cooling is used, in which a cooling film made of relatively cold gas is placed over the window and thus protects it from thermal stress. Such a cooling film can consist of inert gases, but also of fuel which does not burn due to a lack of oxidizer, which is generally undesirable for the combustion process, since it significantly influences this and the measurement results achieved.

Diese Nachteile treten bei optischen Sonden aufgrund ihrer kompakten Bauweise nicht auf. Die Offenlegungsschrift DE 44 02 310 A1 offenbart eine optische Sonde zur Strahlungsmessung in Brennkammern, die zur Strahlungsmessung in Brennkammern von Verbrennungsmotoren verwendet wird. These disadvantages do not occur with optical probes due to their compact design. The disclosure DE 44 02 310 A1 discloses an optical probe for radiation measurement in combustion chambers, which is used for radiation measurement in combustion chambers of internal combustion engines.

Weitere optische Sonden für Brennkammern von Verbrennungsmotoren sind in der US 4 463 729 A und in der EP 0 397 306 B1 beschrieben.Further optical probes for combustion chambers of internal combustion engines are in the US 4,463,729 A and in the EP 0 397 306 B1 described.

Demnach genügt sie hinsichtlich der Betriebsparameter gebräuchlicher Verbrennungsmotoren den üblichen Anforderungen. Brennkammern von Raketentriebwerken, in denen Kerosin, Methan oder Wasserstoff als Brennstoff eingesetzt werden können, werden dagegen unter stark abweichenden Bedingungen betrieben, was spezielle Anforderungen an optische Sonden stellt.Accordingly, it meets the usual requirements with regard to the operating parameters of common internal combustion engines. In contrast, combustion chambers of rocket engines, in which kerosene, methane or hydrogen can be used as fuel, are operated under very different conditions, which places special demands on optical probes.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Strahlungsmessung in Brennkammern zu schaffen, die auch zur Verwendung in Brennkammern von Raketentriebwerken geeignet ist.The object of the present invention is to provide a device for measuring radiation in combustion chambers, which is also suitable for use in combustion chambers of rocket engines.

Diese Aufgabe ist bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Dichtungsmittel derart heliumdicht ist, dass es bei einer Druckdifferenz von 4*105 Pa eine Leckrate von höchstens 1*10-6 (Pa*m3)/s aufweist.This object is achieved in a device of the type mentioned at the outset in that the sealant is so helium-tight that it has a leakage rate of at most 1 * 10 -6 (Pa * m 3 ) / s at a pressure difference of 4 * 10 5 Pa.

Der Erfindung liegt somit die Überlegung zugrunde, den Ringspalt zwischen dem Saphirstab und der Innenwand des Aufnahmeabschnittes mit einem heliumdichten Dichtungsmittel abzudichten. Unter Heliumdichtigkeit im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Leckrate zu verstehen, die bei einer Druckdifferenz von 4*105 Pa den Wert von 1*10-6 (Pa*m3)/s nicht überschreitet. Aufgrund der erzielten Heliumdichtigkeit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur Verwendung in Brennkammern geeignet, in denen Wasserstoff als Brennstoff eingesetzt wird.The invention is therefore based on the consideration of sealing the annular gap between the sapphire rod and the inner wall of the receiving section with a helium-tight sealant. Helium-tightness in the sense of the present invention is to be understood as a leak rate that does not exceed the value of 1 * 10 -6 (Pa * m 3 ) / s at a pressure difference of 4 * 10 5 Pa. Because of the helium-tightness achieved, the device according to the invention is also suitable for use in combustion chambers in which hydrogen is used as fuel.

Erfindungsgemäß sind der Saphirstab und der Aufnahmeabschnitt der Durchgangsbohrung ferner derart ausgebildet, dass der Ringspalt zwischen dem Saphirstab und einer Innenwand der Durchgangsbohrung eine definierte Spaltbreite von 0,04 mm bis 0,06 mm, insbesondere 0,05 mm aufweist. In entsprechenden Versuchsreihen wurde ermittelt, dass die Heliumdichtigkeit des Dichtungsmittels auch bei den in Brennkammern von Raketentriebwerken üblichen Brennkammertemperaturen zuverlässig erhalten bleibt, wenn die Spaltbreite des Ringspaltes möglichst wenig von 0,05 mm abweicht.According to the invention, the sapphire rod and the receiving section of the through hole further formed such that the annular gap between the sapphire rod and an inner wall of the through hole has a defined gap width of 0.04 mm to 0.06 mm, in particular 0.05 mm. In corresponding test series, it was determined that the helium tightness of the sealant is reliably maintained even at the combustion chamber temperatures customary in the combustion chambers of rocket engines, if the gap width of the annular gap deviates as little as possible from 0.05 mm.

Bevorzugt ist das Dichtungsmittel ein heliumdichter Klebstoff oder weist einen heliumdichten Klebstoff auf. Klebstoffe sind besonders adhäsiv und können auf unterschiedlichen Oberflächenformen aufgebracht werden.The sealant is preferably a helium-tight adhesive or has a helium-tight adhesive. Adhesives are particularly adhesive and can be applied to different surface shapes.

Vorteilhaft ist der heliumdichte Klebstoff ein hochtemperaturfestes, mit Aluminium gefülltes Epoxidharz. Ein derartiges Epoxidharz bietet nicht nur Heliumdichtigkeit, sondern behält diese Eigenschaft darüber hinaus auch bei hohen Temperaturen, wie sie in Brennkammern von Raketentriebwerken vorkommen. Das enthaltene Aluminium fördert die Wärmeableitung von dem Saphirstab auf den Grundkörper der Vorrichtung.The helium-tight adhesive is advantageously a high-temperature-resistant epoxy resin filled with aluminum. Such an epoxy resin not only offers helium-tightness, but also maintains this property even at high temperatures, such as occur in the combustion chambers of rocket engines. The aluminum contained promotes heat dissipation from the sapphire rod to the base body of the device.

Bevorzugt liegt der Saphirstab vollständig innerhalb des Aufnahmeabschnittes. Dazu wird die Länge des Aufnahmeabschnitts derart gewählt, dass der in den Aufnahmeabschnitt eingesetzte Saphirstab bündig mit dem Aufnahmeabschnitt abschließt. An der Stirnseite des Aufnahmeabschnitts kann jedoch ein ringförmiger Aufsatz vorgesehen sein, so dass der Saphirstab gegenüber diesem eine zurückgezogene Position erhält.The sapphire rod is preferably located completely within the receiving section. For this purpose, the length of the receiving section is selected such that the sapphire rod inserted into the receiving section is flush with the receiving section. However, an annular attachment can be provided on the end face of the receiving section, so that the sapphire rod has a retracted position relative to the latter.

Vorteilhaft weist die Durchgangsbohrung einen Verbindungsabschnitt auf, der sich axial an den Aufnahmeabschnitt anschließt und einen geringeren Durchmesser als der Aufnahmeabschnitt besitzt, wobei zwischen dem Verbindungsabschnitt und dem Aufnahmeabschnitte eine radiale Schulter gebildet ist, an welcher der Saphirstab axial zur Anlage kommt. Durch die Anlage an der radialen Schulter wird der Saphirstab im Aufnahmeabschnitt axial positioniert und kann nicht in Folge eines hohen Gasdrucks in der Brennkammer in den Verbindungsabschnitt zurückweichen. Auf diese Weise wird das Dichtungsmittel von Scherkräften entlastet, die der Saphirstab andernfalls infolge des von dem in der Brennkammer expandierenden Verbrennungsgas erzeugten Drucks auf das Dichtungsmittel ausüben würde.The through bore advantageously has a connecting section which axially adjoins the receiving section and has a smaller diameter than the receiving section, a radial shoulder being formed between the connecting section and the receiving sections, on which the sapphire rod comes to bear axially. Due to the abutment on the radial shoulder, the sapphire rod is positioned axially in the receiving section and cannot recede into the connecting section as a result of high gas pressure in the combustion chamber. In this way, the sealant is relieved of shear forces which the sapphire rod would otherwise exert on the sealant due to the pressure generated by the combustion gas expanding in the combustion chamber.

In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung definiert die Durchgangsbohrung an ihrem den Aufnahmeabschnitt gegenüberliegenden axialen Ende einen Buchsenabschnitt zur Aufnahme eines Steckers, der sich axial an den Verbindungsabschnitt anschließt. Ein Stecker dient dem Anschluss eines Glasfaserkabels an die Vorrichtung, um die durch den Saphirstab und den Verbindungsabschnitt gelangende Strahlung zu einem Strahlungsdetektor zu leiten. Als Strahlungsdetektor kann beispielsweise ein Photomultiplier, ein Spektrometer, eine Photodiode oder ein CCD (Charge-coupled device) zum Einsatz kommen.In one embodiment of the device according to the invention, the through hole defines, at its axial end opposite the receiving section, a socket section for receiving a plug which axially adjoins the connecting section. A plug is used to connect a glass fiber cable to the device in order to guide the radiation passing through the sapphire rod and the connecting section to a radiation detector. For example, a photomultiplier, a spectrometer, a photodiode or a CCD (charge-coupled device) can be used as the radiation detector.

Bevorzugt ist ein Stecker lösbar an dem Grundkörper gehalten, dessen Kontaktstift in dem Buchsenabschnitt positioniert ist. Eine lösbare Steckverbindung der Vorrichtung einerseits und dem Glasfaserkabel andererseits ermöglicht eine einfachere Handhabung und je nach Messanordnung die Verwendung unterschiedlich langer Glasfaserkabel.A plug is preferably detachably held on the base body, the contact pin of which is positioned in the socket section. A detachable plug connection of the device on the one hand and the fiber optic cable on the other hand enables easier handling and, depending on the measuring arrangement, the use of fiber optic cables of different lengths.

Vorteilhaft ist der Kontaktstift des Steckers als Kapillarrohr ausgebildet, indem eine Glasfaser aufgenommen ist. Dadurch wird die Glasfaser durch den Buchsenabschnitt bis an den Verbindungsabschnitt herangeführt, sodass die aus dem Verbindungsabschnitt austretende Strahlung unmittelbar in die Glasfaser eindringen kann.The contact pin of the plug is advantageously designed as a capillary tube in that a glass fiber is accommodated. As a result, the glass fiber is guided through the socket section to the connection section, so that the radiation emerging from the connection section can penetrate directly into the glass fiber.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Grundkörper zumindest im Bereich des Aufnahmeabschnittes eine zylindrische Außenfläche auf, in der wenigstens eine umlaufende Ringnut zur Aufnahme eines Dichtungsringes vorgesehen ist, um einen Ringspalt zwischen dem Grundkörper und einer Brennkammerwandbohrung abzudichten.In a preferred embodiment of the present invention, the base body has a cylindrical outer surface, at least in the region of the receiving section, in which at least one circumferential annular groove is provided for receiving a sealing ring in order to seal an annular gap between the base body and a combustion chamber wall bore.

In einer alternativen Ausgestaltung ist in der zylindrischen Außenfläche des Grundkörpers eine Mehrzahl von axial beabstandeten umlaufenden Ringnuten zur Aufnahme von Dichtungsringen vorgesehen. Es ist einfacher, Ringnuten in der Außenfläche der Vorrichtung vorzusehen als in der Innenfläche einer Brennkammerwandbohrung. Mehrere Ringnuten erlauben es überdies, Dichtungsringe derart anzuordnen, dass sie von der Brennkammer ausreichend entfernt sind, um nicht durch Hitze zerstört zu werden.In an alternative embodiment, a plurality of axially spaced circumferential ring grooves for receiving sealing rings is provided in the cylindrical outer surface of the base body. It is easier to provide annular grooves in the outer surface of the device than in the inner surface of a combustion chamber wall bore. Several ring grooves also allow sealing rings to be arranged in such a way that they are sufficiently distant from the combustion chamber so that they are not destroyed by heat.

Bevorzugt ist der Grundkörper aus Metall, insbesondere aus Edelstahl hergestellt. Metalle, insbesondere Edelstahl haben eine hohe Temperaturfestigkeit und lassen sich auf Drehmaschinen leicht herstellen.The base body is preferably made of metal, in particular stainless steel. Metals, especially stainless steel, have a high temperature resistance and are easy to manufacture on lathes.

In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Grundkörper einen Außendurchmesser von maximal 5mm auf. Eine solche Miniaturisierung erlaubt es, bei Bedarf mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen eng benachbart in einer Brennkammerwand anzuordnen, um gleichzeitig mehrere Regionen oder Richtungen der Brennkammer durch die Messung erfassen zu können. Zur Nutzung dieses Vorteils sind spezielle Stecker erforderlich, die hinsichtlich ihrer radialen Ausdehnung von Standard-LWL-Steckern verschieden sind und einen Außendurchmesser von ebenfalls maximal 5 mm besitzen.In one embodiment of the present invention, the base body has an outside diameter of at most 5 mm. Such miniaturization allows several devices according to the invention to be arranged closely adjacent in a combustion chamber wall, if necessary, in order to be able to simultaneously measure several regions or directions of the combustion chamber through the measurement. For usage This advantage requires special plugs which differ in their radial expansion from standard fiber optic plugs and which also have a maximum outer diameter of 5 mm.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die folgende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

  • 1 eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 1A ein Detail der in 1 dargestellten Vorrichtung;
  • 2 eine Querschnittsansicht der in 1 dargestellten Vorrichtung ohne Stecker;
  • 3 eine Querschnittsansicht dreier in 2 dargestellter, eng benachbarter Vorrichtungen;
  • 4 eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 5 eine Querschnittsansicht zweier in 4 dargestellter Vorrichtungen in einer verkürzten Variante, jeweils in geradem und schrägem Einbau;
  • 6 eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 7 eine Querschnittsansicht zweier in 6 dargestellter Vorrichtungen in einer verkürzten Variante, jeweils in geradem und schrägem Einbau,
  • 8 eine Querschnittsansicht einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 9 eine Querschnittsansicht zweier in 8 dargestellter Vorrichtungen in einer verkürzten Variante, jeweils in geradem und schrägem Einbau;
  • 10 eine teilweise Querschnittsansicht der in 1 dargestellten Vorrichtung, die mit einem wassergekühlten Adapter in eine Messzugangsbohrung für thermische Messungen eingesetzt ist.
The present invention is explained in more detail below on the basis of a few exemplary embodiments and with reference to the following drawing. The drawing shows:
  • 1 a cross-sectional view of a first embodiment of a device according to the invention;
  • 1A a detail of the in 1 shown device;
  • 2nd a cross-sectional view of the in 1 shown device without plug;
  • 3rd a cross-sectional view of three in 2nd illustrated, closely adjacent devices;
  • 4th a cross-sectional view of a second embodiment of the device according to the invention;
  • 5 a cross-sectional view of two in 4th shown devices in a shortened variant, each in a straight and oblique installation;
  • 6 a cross-sectional view of a third embodiment of the device according to the invention;
  • 7 a cross-sectional view of two in 6 Shown devices in a shortened variant, each in a straight and oblique installation,
  • 8th a cross-sectional view of a fourth embodiment of the device according to the invention;
  • 9 a cross-sectional view of two in 8th shown devices in a shortened variant, each in a straight and oblique installation;
  • 10th a partial cross-sectional view of the in 1 shown device, which is used with a water-cooled adapter in a measurement access hole for thermal measurements.

In den 1 bis 3 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Strahlungsmessung in Brennkammern dargestellt. Die Vorrichtung umfasst einen länglichen Grundkörper 2, der von einer axial verlaufenden zentralen Durchgangsbohrung 3 durchsetzt ist. Die Durchgangsbohrung 3 weist an ihren der Brennkammer zugewandten Ende einen Aufnahmeabschnitt 4 auf, in dem ein Saphirstab 5 aufgenommen ist. Der Saphirstab 5 liegt vollständig innerhalb des Aufnahmeabschnitts 4 und schließt mit dem Grundkörper 2 bündig ab. Dabei sind der Aufnahmeabschnitt 4 und der Saphirstab 5 in Spielpassung gefertigt, sodass zwischen ihnen ein zylindermantelförmiger Ringspalt 6 besteht. Der Ringspalt 6 ist mit einem heliumdichten Dichtungsmittel 7 gefüllt, wobei als Dichtungsmittel 7 ein heliumdichter Klebstoff, nämlich ein hochtemperaturfestes und mit Aluminium gefülltes Epoxidharz verwendet ist. Der Ringspalt 6 weist in dieser Ausführungsform eine Spaltbreite von 0,05 mm auf. Die Passung zwischen dem Saphirstab 5 und dem Aufnahmeabschnitt 4 ist bei dem gewählten Klebstoff hinsichtlich einer dauerhaften Heliumdichtigkeit optimal, wenn der Durchmesser des Saphirstabs 5 1,2 mm +0,02/-0,00 mm und der Innendurchmesser des Aufnahmeabschnittes 1,3 H7 beträgt. Bei alternativen Dichtungsmitteln 7 können aber auch abweichende Passungen erforderlich sein, um die erforderliche dauerhafte Heliumdichtigkeit zu erreichen.In the 1 to 3rd is a first embodiment of the device according to the invention 1 shown for radiation measurement in combustion chambers. The device comprises an elongated base body 2nd that of an axially extending central through hole 3rd is enforced. The through hole 3rd has a receiving section at its end facing the combustion chamber 4th on in which a sapphire wand 5 is recorded. The sapphire wand 5 lies completely within the receiving section 4th and closes with the main body 2nd flush. Here are the receiving section 4th and the sapphire wand 5 manufactured in a clearance fit, so that between them a cylindrical jacket-shaped annular gap 6 consists. The ring gap 6 is with a helium-tight sealant 7 filled, being used as a sealant 7 a helium-tight adhesive, namely a high temperature resistant epoxy resin filled with aluminum is used. The ring gap 6 has a gap width of 0.05 mm in this embodiment. The fit between the sapphire wand 5 and the receiving section 4th is optimal with regard to permanent helium tightness with the selected adhesive if the diameter of the sapphire rod 5 1.2 mm + 0.02 / -0.00 mm and the inner diameter of the receiving section is 1.3 H7. With alternative sealants 7 however, different fits may also be required to achieve the required permanent helium tightness.

Axial anschließend an den Aufnahmeabschnitt 4 weist die Durchgangsbohrung 3 einen Verbindungsabschnitt 8 auf, der einen geringeren Durchmesser als der Aufnahmeabschnitt 4 besitzt, so dass zwischen dem Aufnahmeabschnitt 4 und dem Verbindungsabschnitt 8 eine radiale Schulter 9 gebildet wird. Der in den Aufnahmeabschnitt 4 aufgenommene Saphirstab 5 liegt an dieser Schulter 9 an. An ihrem dem Aufnahmeabschnitt 4 gegenüberliegenden axialen Ende ist in der Durchgangsbohrung 3 ein Buchsenabschnitt 10 definiert, der sich axial an den Verbindungsabschnitt 8 anschließt. An dem Grundkörper 2 ist ein Stecker 12 lösbar gehalten, dessen Kontaktstift 11 in dem Buchsenabschnitt 10 positioniert ist. Der Kontaktstift 11 des Steckers 12 ist als Kapillarrohr 13 ausgebildet, in das eine Glasfaser 14 aufgenommen ist.Axially following the receiving section 4th has the through hole 3rd a connecting section 8th on a smaller diameter than the receiving section 4th has, so that between the receiving portion 4th and the connecting section 8th a radial shoulder 9 is formed. The one in the receiving section 4th recorded sapphire stick 5 lies on this shoulder 9 at. At her the receiving section 4th opposite axial end is in the through hole 3rd a socket section 10th defines the axially to the connecting portion 8th connects. On the base body 2nd is a plug 12th releasably held, the contact pin 11 in the socket section 10th is positioned. The contact pin 11 of the plug 12th is as a capillary tube 13 trained in the one fiber 14 is recorded.

Der Grundkörper 2 der Vorrichtung 1 weist eine zylindrische Außenfläche 15 auf. Er ist in eine entsprechende Bohrung 16 einer Brennkammerwand 17 eingesetzt. Dabei schließt der Grundkörper 2 bündig mit einer Innenfläche 18 der Brennkammerwand 17 ab. In der Außenfläche 15 des Grundkörpers 2 sind axial beabstandet mehrere umlaufende Ringnuten 19 vorgesehen, von denen zwei einen Dichtungsring 20 aufnehmen, um einen Ringspalt 21 zwischen dem Grundkörper 2 und einer Brennkammerbohrung 16 abzudichten. Die Position der Dichtungsringe 20 richtet sich nach den Abmessungen und dem Temperaturgradienten der Brennkammerwand 17 und wird so gewählt, dass der Ringspalt 21 zwischen dem Grundkörper 2 der Vorrichtung 1 und der Innenfläche 18 der Brennkammerwandbohrung 16 auch bei einem längeren Betrieb der Brennkammer zuverlässig abgedichtet ist, ohne die Dichtungsringe 20 durch Hitzeeinwirkung zu zerstören.The basic body 2nd the device 1 has a cylindrical outer surface 15 on. It is in a corresponding hole 16 a combustion chamber wall 17th used. The main body closes 2nd flush with an inner surface 18th the combustion chamber wall 17th from. In the outer surface 15 of the basic body 2nd are axially spaced a plurality of circumferential ring grooves 19th provided, two of which have a sealing ring 20th record an annular gap 21 between the base body 2nd and a combustion chamber bore 16 to seal. The position of the sealing rings 20th depends on the dimensions and the temperature gradient of the combustion chamber wall 17th and is chosen so that the annular gap 21 between the base body 2nd the device 1 and the inner surface 18th the combustion chamber wall bore 16 is reliably sealed even during prolonged operation of the combustion chamber, without the sealing rings 20th destroyed by exposure to heat.

Der Grundkörper 2 der Vorrichtung 1 sowie das Kapillarrohr 13 des Steckers 12 sind aus Metall, insbesondere Edelstahl hergestellt. Die Herstellung des Grundkörpers 2 kann auf einer Drehmaschine mit zwei Spannfuttern durchgeführt werden. Für die Herstellung der Durchgangsbohrung 3 erweist sich ein Startloch-Erodier-Verfahren wegen des im Verhältnis zur Länge geringen Durchmessers der Durchgangsbohrung 3 als zweckmäßig.The basic body 2nd the device 1 as well as the capillary tube 13 of the plug 12th are made of metal, especially stainless steel. The manufacture of the basic body 2nd can be carried out on a lathe with two chucks. For the production of the through hole 3rd A start hole eroding process has been found because of the small diameter of the through hole in relation to the length 3rd as appropriate.

Der Außendurchmesser des Grundkörpers 2 überschreitet in der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ebenso wie der Stecker 12 nicht einen Maximalwert von 5 mm. Dies erlaubt eine eng benachbarte Montage mehrerer erfindungsgemäßer Vorrichtungen in einer Brennkammerwand 17, um gleichzeitig Strahlungsmessungen in verschiedenen Richtungen und Regionen der Brennkammer durchführen zu können. Eine solche Anordnung mehrerer erfindungsgemäßer Vorrichtungen 1 in einer Brennkammerwand 17 ist in 3 dargestellt, aus der darüber hinaus ersichtlich ist, dass die erfindungsgemäßen Vorrichtungen 1 auch zurückgezogen gegenüber der Innenfläche 18 der Brennkammerwand 17 angeordnet sein können.The outer diameter of the body 2nd exceeds in the first embodiment of the device according to the invention 1 just like the plug 12th not a maximum value of 5 mm. This allows a closely adjacent installation of several devices according to the invention in a combustion chamber wall 17th in order to be able to carry out radiation measurements in different directions and regions of the combustion chamber at the same time. Such an arrangement of several devices according to the invention 1 in a combustion chamber wall 17th is in 3rd shown, from which it can also be seen that the devices according to the invention 1 also withdrawn from the inner surface 18th the combustion chamber wall 17th can be arranged.

Die 1 bis 3 zeigen eine Brennkammerwand 17, die den Grundkörper 2 aufgrund ihrer Dicke vollständig aufnimmt. Deshalb weist die Brennkammerwandbohrung 16 an der Außenfläche 22 der Brennkammerwand 17 einen Steckerabschnitt 23 auf, um den Stecker 12 zumindest teilweise in die Brennkammerwandbohrung 16 einführen zu können. Von dem Stecker 12 erstreckt sich ein Glasfaserkabel 14, das zur Messung mit einem nicht näher dargestellten Strahlungsdetektor, beispielsweise einem Photomultiplier, einem Spektrometer, einer Photodiode oder einem CCD verbunden ist.The 1 to 3rd show a combustion chamber wall 17th that the main body 2nd fully absorbs due to its thickness. Therefore, the combustion chamber wall bore 16 on the outer surface 22 the combustion chamber wall 17th a connector section 23 on to the plug 12th at least partially in the combustion chamber wall bore 16 to be able to introduce. From the plug 12th extends a fiber optic cable 14 , which is connected for measurement with a radiation detector, not shown, for example a photomultiplier, a spectrometer, a photodiode or a CCD.

Bei einer Strahlungsmessung während des Betriebes einer Brennkammer treten hohe Drucke und Heißgastemperaturen auf. Durch die Anlage des Saphirstiftes 5 an der Schulter 9 ist das Dichtungsmittel 7 davon entlastet, den andernfalls von dem Saphirstab 5 ausgeübten druckbedingten Scherkräften entgegen zu wirken. Das Dichtungsmittel 7 muss also vornehmlich hochtemperaturfest und heliumdicht sein. In Testreihen hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung bei einem Brennkammerdruck von 80 bar ihre Heliumdichtigkeit behält, wenn die Brennkammertemperatur unterhalb von 1600 K bleibt. Während der Verbrennung in der Brennkammer emittierte Strahlung gelangt durch den Saphirstab 5, den Verbindungsabschnitt und die im Kapillarrohr 13 des Steckers 12 aufgenommene Glasfaser 14 in einen Strahlungsdetektor, der ihre zeitliche und gegebenenfalls auch spektrale Intensitätsverteilung misst, wobei einzelne Spektralbereiche durch entsprechende Filter aus der Brennkammerstrahlung ausgeschnitten werden können. Auf dem Lichtweg zwischen der Brennkammer und dem Strahlungsdetektor wirkt der Verbindungsabschnitt in Folge seines kleineren Durchmessers wie ein optischer Kollimator, der den Sichtwinkel der Sonde auf etwa 2° einschränkt. Durch einen derart geringen Akzeptanzwinkel lässt sich ein nahezu linienförmiges Beobachtungsvolumen der Brennkammer realisieren. Dabei lässt sich die Kollimationswirkung des Verbindungsabschnittes 8 durch Wahl seiner Länge innerhalb gewisser Grenzen frei definieren.When measuring a radiation during the operation of a combustion chamber, high pressures and hot gas temperatures occur. By creating the sapphire pen 5 on the shoulder 9 is the sealant 7 relieved of it, otherwise from the sapphire wand 5 to counteract pressure-induced shear forces. The sealant 7 So it must primarily be resistant to high temperatures and helium. Test series have shown that the device according to the invention maintains its helium tightness at a combustion chamber pressure of 80 bar if the combustion chamber temperature remains below 1600 K. Radiation emitted in the combustion chamber during combustion passes through the sapphire rod 5 , the connection section and that in the capillary tube 13 of the plug 12th absorbed fiber 14 into a radiation detector, which measures their temporal and, if appropriate, also spectral intensity distribution, individual spectral ranges being able to be cut out of the combustion chamber radiation using appropriate filters. On the light path between the combustion chamber and the radiation detector, the connecting section, due to its smaller diameter, acts like an optical collimator, which limits the viewing angle of the probe to approximately 2 °. With such a low acceptance angle, an almost linear observation volume of the combustion chamber can be realized. The collimation effect of the connecting section can be achieved 8th freely define within certain limits by choosing its length.

Die 4 und 5 zeigen eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die im Vergleich zur ersten Ausführungsform abweichende geometrische Abmessungen aufweist. Sie umfasst einen kürzeren Saphirstab 5, der in einem ebenfalls kürzeren Aufnahmeabschnitt 4 aufgenommen ist. Bei gleicher Gesamtlänge des Grundkörpers 2 und des Buchsenabschnittes 10 weist der Verbindungsabschnitt 8 eine größere Länge auf. Zudem sind lediglich zwei axial beabstandete Ringnuten 19 an der Außenfläche 22 des Grundkörpers 2 vorgesehen, die in enger Nachbarschaft zu dem Aufnahmeabschnitt 4 angeordnet sind. Diese Anordnung der Ringnuten 19 erlaubt es, die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in relativ dünne Brennkammerwände 17 entweder gerade oder schräg einzusetzen, wie in 5 dargestellt ist, oder den Steckerabschnitt 23 der Brennkammerwandbohrung 16 tiefer auszugestalten, wie die 4 zeigt. Ein längerer Verbindungsabschnitt 8 bewirkt eine Verringerung des Akzeptanzwinkels der Vorrichtung 1.The 4th and 5 show a second embodiment of the device according to the invention 1 which has different geometric dimensions compared to the first embodiment. It includes a shorter sapphire bar 5 , which is also in a shorter receiving section 4th is recorded. With the same total length of the base body 2nd and the socket section 10th has the connecting portion 8th a greater length. In addition, there are only two axially spaced ring grooves 19th on the outer surface 22 of the basic body 2nd provided in close proximity to the receiving section 4th are arranged. This arrangement of the ring grooves 19th allows the device according to the invention 1 in relatively thin combustion chamber walls 17th to be used either straight or at an angle, as in 5 is shown, or the connector section 23 the combustion chamber wall bore 16 deeper like that 4th shows. A longer connection section 8th causes a reduction in the acceptance angle of the device 1 .

Die 6 und 7 zeigen eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform dadurch, dass die Ringnut 19 nicht an der Außenwand 15 des Grundkörpers 2 angeordnet ist, sondern auf der Brennkammer zugewandten Seite eines an der Außenfläche 22 des Grundkörpers 2 umlaufenden Vorsprungs 24, der an einer radialen Schulter 25 der Brennkammerwandbohrung 16 anliegt.The 6 and 7 show a third embodiment of the device according to the invention. This differs from the second embodiment in that the annular groove 19th not on the outside wall 15 of the basic body 2nd is arranged, but on the combustion chamber side facing one on the outer surface 22 of the basic body 2nd circumferential projection 24th on a radial shoulder 25th the combustion chamber wall bore 16 is present.

Die 8 und 9 zeigen eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die sich von der zweiten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass an der Stirnseite des Aufnahmeabschnitts 4 ein ringförmiger Aufsatz vorgesehen ist, durch den der Saphirstab 5 eine zurückgezogene Position erhält. Weiterhin ist der Grundkörper 2 zurückgezogen gegenüber der Innenfläche 18 der Brennkammerwand 17 angeordnet, sodass er nicht bündig mit der Innenfläche 18 abschließt.The 8th and 9 show a fourth embodiment of the device according to the invention, which differs from the second embodiment in that on the end face of the receiving portion 4th an annular attachment is provided through which the sapphire rod 5 receives a withdrawn position. Furthermore, the basic body 2nd withdrawn from the inner surface 18th the combustion chamber wall 17th arranged so that it is not flush with the inner surface 18th completes.

10 zeigt schließlich die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die mit einem wassergekühlten Adapter 26 in eine eigentlich für Thermoelemente vorgesehene Brennkammerwandbohrung 16 eingesetzt ist. Mit einem solchen Adapter 26 lassen sich vorhandene Brennkammerwandbohrungen 16 auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 nutzen. 10th finally shows the first embodiment of the device according to the invention, with a water-cooled adapter 26 into a combustion chamber wall bore that is actually intended for thermocouples 16 is inserted. With such an adapter 26 existing combustion chamber wall bores 16 also for the device according to the invention 1 use.

BezugszeichenlisteReference list

11
Vorrichtungcontraption
22nd
GrundkörperBasic body
33rd
DurchgangsbohrungThrough hole
44th
AufnahmeabschnittReceiving section
55
SaphirstabSapphire stick
66
RingspaltAnnular gap
77
DichtungsmittelSealant
88th
VerbindungsabschnittConnecting section
99
Schultershoulder
1010th
BuchsenabschnittBushing section
1111
KontaktstiftContact pin
1212th
Steckerplug
1313
KapillarrohrCapillary tube
1414
Glasfaserglass fiber
1515
AußenflächeOutside surface
1616
BrennkammerwandbohrungCombustion chamber wall bore
1717th
BrennkammerwandCombustion chamber wall
1818th
InnenflächeInner surface
1919th
RingnutRing groove
2020th
DichtungsringSealing ring
2121
RingspaltAnnular gap
2222
AußenflächeOutside surface
2323
SteckerabschnittConnector section
2424th
Vorsprunghead Start
2525th
Schultershoulder
2626
Adapteradapter

Claims (9)

Vorrichtung zur Strahlungsmessung in Brennkammern umfassend einen länglichen Grundkörper (2) mit einer den Grundkörper (2) axial durchsetzenden Durchgangsbohrung (3), die an einem axialen Ende einen Aufnahmeabschnitt (4) definiert, und einen Saphirstab (5), der in dem Aufnahmeabschnitt (4) unter Bildung eines Ringspalts (6) aufgenommen ist, wobei der Ringspalt (6) mit einem Dichtungsmittel (7) abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Saphirstab (5) und der Aufnahmeabschnitt (4) der Durchgangsbohrung (3) derart ausgebildet sind, dass der Ringspalt (6) zwischen dem Saphirstab (5) und einer Innenwand der Durchgangsbohrung (3) eine definierte Spaltbreite von 0,04 mm bis 0,06 mm, insbesondere 0,05 mm aufweist, und das Dichtungsmittel (7) derart heliumdicht ist, dass es bei einer Druckdifferenz von 4*105 Pa eine Leckrate von höchstens 1*10-6 (Pa*m3)/s aufweist.Device for measuring radiation in combustion chambers, comprising an elongated base body (2) with a through-bore (3) axially penetrating the base body (2), which defines a receiving section (4) at one axial end, and a sapphire rod (5), which is located in the receiving section ( 4) is accommodated to form an annular gap (6), the annular gap (6) being sealed with a sealing means (7), characterized in that the sapphire rod (5) and the receiving section (4) of the through hole (3) are designed in this way that the annular gap (6) between the sapphire rod (5) and an inner wall of the through hole (3) has a defined gap width of 0.04 mm to 0.06 mm, in particular 0.05 mm, and the sealing means (7) is so helium-tight is that it has a leak rate of at most 1 * 10 -6 (Pa * m 3 ) / s at a pressure difference of 4 * 10 5 Pa. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsmittel (7) ein heliumdichter Klebstoff ist oder einen heliumdichten Klebstoff aufweist, wobei insbesondere der heliumdichte Klebstoff ein hochtemperaturfestes, mit Aluminium gefülltes Epoxidharz ist.Device after Claim 1 , characterized in that the sealing means (7) is a helium-tight adhesive or has a helium-tight adhesive, the helium-tight adhesive in particular being a high-temperature-resistant epoxy resin filled with aluminum. Vorrichtung nach einem Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Saphirstab (5) vollständig innerhalb des Aufnahmeabschnitts (4) liegt.Device after one Claims 1 or 2nd , characterized in that the sapphire rod (5) lies completely within the receiving section (4). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsbohrung (3) einen Verbindungsabschnitt (8) aufweist, der sich axial an den Aufnahmeabschnitt (4) anschließt und einen geringeren Durchmesser als der Aufnahmeabschnitt (4) besitzt, wobei zwischen dem Verbindungabschnitt (8) und dem Aufnahmeabschnitt (4) eine radiale Schulter (9) gebildet ist, an welcher der Saphirstab (5) axial zur Anlage kommt.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the through bore (3) has a connecting section (8) which axially adjoins the receiving section (4) and has a smaller diameter than the receiving section (4), wherein between the connecting section ( 8) and the receiving section (4) a radial shoulder (9) is formed, on which the sapphire rod (5) comes to rest axially. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsbohrung (3) an ihrem dem Aufnahmeabschnitt (4) gegenüberliegenden axialen Ende einen Buchsenabschnitt (10) zur Aufnahme eines Steckers (12) definiert, der sich axial an den Verbindungsabschnitt (8) anschließt, wobei insbesondere ein Stecker (12) lösbar an dem Grundkörper (2) gehalten ist, dessen Kontaktstift (11) in dem Buchsenabschnitt (10) positioniert ist.Device after Claim 4 , characterized in that the through hole (3) defines at its axial end opposite the receiving section (4) a socket section (10) for receiving a plug (12) which axially adjoins the connecting section (8), in particular a plug ( 12) is detachably held on the base body (2), the contact pin (11) of which is positioned in the socket section (10). Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktstift (11) des Steckers (12) als Kapillarrohr (13) ausgebildet ist, in dem eine Glasfaser (14) aufgenommen ist.Device after Claim 5 , characterized in that the contact pin (11) of the plug (12) is designed as a capillary tube (13) in which a glass fiber (14) is received. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) zumindest im Bereich des Aufnahmeabschnitts (4) eine zylindrische Außenfläche (15) aufweist, in der wenigstens eine umlaufende Ringnut (19) zur Aufnahme eines Dichtungsrings (20) vorgesehen ist, um einen Ringspalt (21) zwischen dem Grundkörper (2) und einer Brennkammerwandbohrung (16) abzudichten, wobei insbesondere in der zylindrischen Außenfläche (15) des Grundkörpers (2) eine Mehrzahl von axial beabstandeten umlaufenden Ringnuten (19) zur Aufnahme von Dichtungsringen (20) vorgesehen ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the base body (2) at least in the region of the receiving section (4) has a cylindrical outer surface (15) in which at least one circumferential annular groove (19) is provided for receiving a sealing ring (20) to seal an annular gap (21) between the base body (2) and a combustion chamber wall bore (16), in particular in the cylindrical outer surface (15) of the base body (2) a plurality of axially spaced circumferential annular grooves (19) for receiving sealing rings ( 20) is provided. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) aus Metall, insbesondere aus Edelstahl hergestellt ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the base body (2) is made of metal, in particular stainless steel. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) einen Außendurchmesser von maximal 5 mm aufweist. Device according to one of the Claims 7 or 8th , characterized in that the base body (2) has an outer diameter of at most 5 mm.
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