DE3321028A1

DE3321028A1 - Optisches bauteil

Info

Publication number: DE3321028A1
Application number: DE19833321028
Authority: DE
Inventors: Ronald Alfred Southampton Masom
Original assignee: Smiths Group PLC
Current assignee: Smiths Group PLC
Priority date: 1982-06-17
Filing date: 1983-06-10
Publication date: 1983-12-22
Also published as: US4521088A; FR2528976B1; JPS597227A; FR2528976A1

Description

Dipl.-Ing.

Rolf Charrier

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Augsburg, den 9. Juni 1983

Smiths Industries Public Limited Company 765 Finchley Road

GB-London NlWIl 8DS
Optisches Bauteil

Die Erfindung betrifft ein optisches Bauteil mit einer Oberflächenschicht. Sie betrifft insbesondere Linsen oder Fenster für Strahlungspyrometer oder andere optische Geräte, die einer Verschmutzung unterworfen sind.

Stahlungspyrometer werden beispielsweise bei Gasturbinen dazu verwendet, die Temperatur der Turbinenblätter abzutasten. Diese Strahlungspyrometer weisen einen optischen Kopf auf, der so angeordnet ist, daß er sich durch einen Leitungskanal in Richtung der Turbinenkammer erstreckt. Die Wärmestrahlung der Turbinenblätter wird von diesem Kopf empfangen. Dieser Kopf weist eine Linse oder ein anderes optisches Fenster auf, das in einem Rohr angeordnet ist, welches durch die Kammerwandung verläuft. Die Verwendung eines Rohres stellt sicher, daß Strahlung nur über einen begrenzten Winkel hinweg empfangen wird, und stellt weiterhin sicher, daß das Fenster bzw. die Linse nicht direkt der Hitze und den Verbrennunysprodukten innerhalb der Verbrennungskammer ausgesetzt ist.

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Trotz dieser Anordnung innerhalb eines Rohres tritt bei derartigen Pyrometern der Nachteil auf, daß die Linse oder das Fenster während des Betriebs der Turbine durch Verbrennungsrückstände verschmutzt, wodurch die Übertragung der Wärmestrahlung vermindert wird.

Es ist bekannt, dem Rohr Luft zuzuführen, um die Verbrennungsprodukte einigermaßen fernhalten zu können, wodurch die Verschmutzung des Fensters bzu. der Linse vermindert wird. Das Problem des Verschmutzens ist jedoch nach u/ie vor vorhanden insbesondere während des Anlaufs und während des Absteilens der Turbine, wenn der Druck der Schutzluft vermindert ist. Eine Verschmutzung tritt auch auf, wenn das Schutzluftsystem blockiert oder in anderer weise beschädigt ist. Außerdem ist beachtlich, daß bei einigen Turbinen es nicht möglich ist, ein Schutzluftsystem vorzusehen. Je nach dem, welche Verhältnisse vorliegen, ist es notwendig, den Pyrometer nach etwa 30 bis 100 Betriebsstunden zum Reinigen der Linse auszubauen.

Es besteht die Aufgabe, das optische Bauteil so auszubilden, daß trübende oder undurchsichtige Niederschläge auf dem optischen Bauteil weitgehend vermieden werden.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Das die Verschmutzung reduzierende katalytische Material in der Oberflächenschicht des optischen Bauteils soll in erster Linie wirksam sein zur Verminderung der Oxidationstemperatur optisch undurchsichtiger Substanzen, um die Umwandlung dieser Substanzen in Gasform zu fördern. Als besonders geeignet hat sich Platin-Aluminium-Oxid erwiesen. Bei dem optischen Element kann es sich sowohl

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um eine Linse als auch um ein reflektierendes Bauteil handeln.

Ist das optische Bauteil einer bestimmten Temperatur ausgesetzt, dann sollte das katalytische Material so gewählt werden, daß die Oxidationstemperatur der optisch undurchsichtigen Substanzen auf einen Temperaturwert erniedrigt wird, der niedriger- liegt als diejenige Temperatur, der das optische Element ausgesetzt ist.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Das Ausführungsbeispiel betrifft einen Strahlungspyrometer für eine Gasturbine . Es zeigen:

Fig. 1 einen teilweise im Schnitt dargestellten und eingebauten Pyrometer und

Fig. 2 Teilschnitte durch diesen Pyrometer in vergrößertem Maßstab.

Der Strahlungspyrometer nach den Fig. 1 und 2 weist einen optischen Kopf 1 auf, welcher von einer Metallhülse 2 umgeben ist, die in ein Gehäuse 3 einer Gasturbine eingesetzt ist. Die Hülse 2 erstreckt sich durch eine Nebenschlußleitung 4 in die Turbinenkammer 5,so daß der Kopf 1 in Richtung auf die Turbinenblätter 6 ausgerichtet ist. Die Hülse 2 umfasst ein Rohr 7, welches zur Kammer 5 hin offen ist und welches zur Kanalisation der Strahlung von den Blättern 7 zu einer Linse 8 im Kopf 1 dient. Die Linse 8 besteht aus einem synthetischen Saphir. Die Linse 8 bündelt die Strahlung von den Blättern 6 auf das Ende 9 eines Kabels 10 aus optischen Fasern,

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Damit Kraftstoff und Verbrennungsprodukte während des Betriebs der Turbine \i/eitgehend vom Rohr 7 ferngehalten werden, ist dieses Rohr 7 mit einem Schlitz 30 versehen, der die Verbindung zwischen dem Inneren des Rohres 7 und' der Nebenschlußleitung 4 herstellt. Die Kühlluft, welche von der Kompressorstufe der Turbine in die Leitung 4 gepresst wird, strömt somit über den Schlitz 30 in das Rohr 7 und von dort in die Kammer 5, wodurch während des Betriebs der Turbine das Innere des Rohres 7 weitgehend vom Eintritt von Kraftstoff und Verbrennungsprodukten freigehalten wird.

Während des Starts und während des Auslaufs der Turbine jedoch fällt der Druck der Kühlluft in der Leitung 4 ab, wodurch die Luftströmung im Rohr 7 zu gering wird, um sicherzustellen, das Kraftstoff und Verbrennungsprodukte nicht in das Rohr 7 einzutreten vermögen. Um während dieser Betriebszustände das Eindringen dieser Stoffe in das Rohr 7 zu reduzieren, kann Luft zusätzlich von einer separaten Druckluftquelle 31 zugeführt werden .

Die Druckluftquelle 31 ist über ein Einwegventil 32 mit einem Einlaß 33 an der Hülse 2 verbunden. Hierdurch wird Luft niederen Drucks dem Ringraum zwischen der Hülse 2 und dem Gehäuse 35 des Kopfes 1 zugeführt. Die Luft vom Ringraum 34 strömt über die Vorderfläche der Linse 8 über umfangsmäßig verteilte Öffnungen 36 im Linsenhaltering 37 des Gehäuses 35 in das Rohr 7. Die Luftströmung über die Linse 8 in das Rohr 7 reduziert das Eindringen eines Kraftstoffluftgemisches in das Rohr 7. Diese Luftströmung hält so lange an, bis der am Einlaß 33 anliegende Druck überstiegen wird von demjenigen in der Kühlleitung 4. Die nunmehr durch den Schlitz 3 von der Leitung 4 strömende

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Luft erzeugt einen Luftvorhang , uobei oberhalb des Schlitzes 30 sich reine Luft vor der Linse 8 befindet. Der Schlitz 30 ist in Bezug auf die Achse des Rohres 7 geneigt, um den Vorhangeffekt zu verstärken.

Um ein Verschmutzen der Linse 8 weiterhin zu reduzieren, ist die vordere, nach außen gerichtete Oberfläche 20 der Linse mit einer dünnen Schicht 21 aus Platin-Aluminium-Oxid beschichtet. Die Dicke der Schicht 21 ist derart, daQ sie im wesentlichen transparent gegenüber der Strahlung derjenigen Wellenlänge ist, auf welche der Pyrometer anspricht. Das Material der Schicht 21 wirkt als Katalysator , begünstigt also die Oxidation beispielsweise von Ruß und anderen Verbrennungsprodukten. Durch diesen Katalysator wird die Temperatur verringert, bei welcher eine Oxidation auftritt und zwar auf eine Temperatur, die unterhalb derjenigen liegt, der die Linse während des Gebrauchs ausgesetzt ist. Die uerbrennungsprodukte schlagen sich also auf der Oberfläche der Linse nicht als undurchsichtige Schicht nieder vielmehr werden diese Verbrennungsprodukte umgesetzt in ein Gas, wie beispielsweise Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid, wobei dieses Gas den Strahlungsdurchgang durch die Linse nicht behindert.

Durch eine Beschichtung der Linse 8 mit einer katalytischen Schicht 21 , die das Verschmutzen wesentlich reduziert, ist es möglich, die Reinigungsintervalle für den Pyrometer wesentlich zu verlängern, was insbesondere von Bedeutung ist, wenn der Pyrometer ohne die vorerwähnte Schutz- bzw. Spülluft betrieben wird.

Die Linse 8 wird durch Schleifen eines Saphirrohlings auf die gewünschte Brennweite gefertigt. Die Linse wird sodann durch Aufdampfen mit einer Schicht von Platin-Aluminium-Oxid beschichtet. Zum Beschichten der Linse

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können auch andere Verfahren herangezogen werden.

Es können auch andere katalytische Materialien verwendet werden, welche nicht notwendigerweise eine Oxidation zu begünstigen brauchen. Es ist auch möglich, das Verschmutzen der Linse durch chemische Umwandlungen der auf ihr sich niederschlagenden Stoffe zu reduzieren. Anstelle der Umwandlung der Schmutzstoffe in eine Gasform ist es auch möglich, daß der Katalysator diese Stoffe in eine flüssige oder feste Form überführt, wobei die Umwandlungsprodukte eine große Transparenz aufweisen sollen. Es ist auch möglich, daß die Schmutzstoffe durch den Katalysator in eine weitgehend disperse Form überführt werden.

Der Katalysator weist eine lange Lebensdauer auf, da er Umwandlungen nicht ständig auszuführen braucht.

In einigen Umständen kann es notwendig sein, die Linse zuerst mit einer Schutzschicht zu überziehen, bevor die katalytische Schicht aufgebracht wird.

Die Schicht aus katalytischem Material kann auch aufgebracht sein auf einem optisch transparenten Fenster, das vor der Linse angeordnet ist und die Linse schützt. Die katalytische Schicht kann auch aufgebracht sein auf optisch reflektierenden Bauteilen, wie sie beispielsweise beschrieben sind in der GB-OS 20 87 588.

Die Verwendung einer katalytischen Schicht ist nicht beschränkt auf Pyrometer sondern auch anwendbar auf andere optische Bauteile, welche einer Verschmutzung unterworfen sind.

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Claims

Dipl.-lng. Rolf Charter K •iiiiif-jii'iiryßu' 8 · Positjch -'·" ; VX1MJ Augsburg 31 fv.-UiVinii.s2l/3oO 15+36016 Telex 53 3 275 ν* ■·» Munehc-ν i^rs'i.M.i Anm.: Smiths Industries Public "Limited Company Et45/135 Augsburg, den 9. Juni 1983 Ansprüche

1. Optisches Bauteil mit einer Oberflächenschicht , dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die Oberflächenschicht (21) ein katalytisches Material enthält, das optisch undurchsichtige Substanzen in eine transparente Form umwandelt.

2. Optisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das katalytische Material die Oxidationstemperatur der optisch undurchlässigen Substanzen erniedrigt und die Umwandlung dieser Substanzen in ein Gas begünstigt.

3. Optisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Oberflächenschicht (21) Plat-in.-Aluminium-Oxid- enthält.

4. Optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet ,daß die Oberflächenschicht (21) auf das optische Bauteil (8) aufgedampft ist.

ο Optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Bauteil eine Linse (8) ist.

6. Optisches Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Linse (8) aus einem Saphir besteht.

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7. Optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das optische Bauteil ein reflektierendes Bauteil ist.

8. Optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß es Teil eines in eine Verbrennungskammer gerichteten Geräts ist und die Oberflächenschicht (21) auf der Außenseite des zur Verbrennungskammer u/eisenden optischen Bauteils (8) angeordnet ist.

9. Optisches Bauteil nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät ein Pyrometer ist.

10. Optisches Bauteil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Bauteil eine Linse (8) ist, die die durch sie hindurchgehende Strahlung auf das Ende (9) eines Glasfaserkabels bündelt.

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