EP1214571A1 - Verfahren und vorrichtung zur gastemperaturmessung mit laserinduzierter weissglut-pyrometrie - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur gastemperaturmessung mit laserinduzierter weissglut-pyrometrie

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EP1214571A1
EP1214571A1 EP00958091A EP00958091A EP1214571A1 EP 1214571 A1 EP1214571 A1 EP 1214571A1 EP 00958091 A EP00958091 A EP 00958091A EP 00958091 A EP00958091 A EP 00958091A EP 1214571 A1 EP1214571 A1 EP 1214571A1
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EP
European Patent Office
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temperature
particle
laser
gas
determined
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Withdrawn
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EP00958091A
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English (en)
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Inventor
Ken Haffner
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ABB Research Ltd Switzerland
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ABB Research Ltd Switzerland
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Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Publication of EP1214571A1 publication Critical patent/EP1214571A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/0014—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for sensing the radiation from gases, flames
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/60—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using determination of colour temperature
    • G01J5/602—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using determination of colour temperature using selective, monochromatic or bandpass filtering
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/71—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited

Definitions

  • the present invention relates to the field of temperature measurement technology in gas turbines, engines and. a .. It is based on a method and a device for temperature measurement according to the preamble of claims 1, 9 and 11.
  • a temperature measurement method with laser-induced fluorescence is described in the article by KJ Rensberger et al., "Laser-induced fluorescence determination of temperatures in low pressure flames", Appl. Optics Vol 28 No. 17, pp. 3556-3566 (1989). Molecules in the flame are resonantly excited with a UV laser and the underlying flame temperature is calculated from their emission spectrum. It is disadvantageous that the laser wavelength has to be specifically adapted to the molecules and that long relaxation times can make measurement in a gas stream difficult or impossible. The molecular concentration outside the flame is often too low for the measurement of a gas temperature or a gas temperature profile.
  • the object of the invention is to provide an improved method and an improved device for gas temperature measurement. According to the invention, this object is achieved by the features of claims 1, 9 and 11.
  • the invention consists in a method and a device for temperature measurement in gaseous media, in which particles in the gas stream are heated by a laser pulse starting from a gas, flame or initial temperature T 0 , the induced continuum heat radiation of the particles is measured pyrometrically, and the particle temperature T is calculated and from the particle temperature T by a calculation Regulation the initial temperature T 0 is determined.
  • the particles therefore predominantly emit a continuous spectrum which, as a rule, can be described at least approximately or in a certain range as a blackbody radiation spectrum.
  • the calculation rule for determining the initial temperature T 0 can be derived from a theoretical model for particle heating and / or from a predetermined or experimentally determined standardization function. The calculation rules defined in this way can be used as an alternative or in addition to one another.
  • an average starting temperature T G can be determined from the model and the standardization.
  • the particle temperature T is normalized to the initial temperature T 0 by a multiplicative correction factor.
  • the temperature measurement method according to the invention is contact-free, avoids gas flow disturbances, is distinguished by a very high measurement sensitivity and is particularly suitable for gas or flame temperature measurement in gas turbines.
  • very high temperatures e.g. 4000 K
  • the heat radiation intensity can be massively increased compared to conventional pyrometry methods.
  • gas temperatures can be measured even with the smallest particle concentrations.
  • there is great freedom in the selection of the laser wavelength since it is not necessary to adjust to molecular resonances.
  • the underlying gas temperature T 0 is calculated from the decay behavior of the induced particle temperature T with the aid of a theoretical model for the power or energy balance of the heated particles.
  • the particle temperature is measured by a relative pyrometric measurement at at least two wavelengths and / or with different laser pulse energies, regardless of the emissivity of the particles.
  • An important exemplary embodiment relates to the measurement of a linear gas temperature profile over a cross section of a gas flow channel illuminated by the laser beam.
  • FIG. 1 shows a temperature measuring device according to the invention for a gas turbine.
  • the subject of the invention is a method for measuring the temperature of a gaseous medium 12 which is particularly suitable for measuring the gas temperature in a gas turbine.
  • a temperature is determined pyrometrically from an at least approximate black body radiation of particles 14 in the gaseous medium 12.
  • the particles 14 from a gas or outlet temperature T ⁇ by a laser pulse 7 is heated, as measured induced emission, pyrometrically determining a particle temperature T and out of the particle temperature T by a t computing rule, ie, by calculation and / or normalization, the outlet temperature T 0 determined.
  • a t computing rule ie, by calculation and / or normalization
  • the particles are typically soot particles 14. If the concentrations are too low, e.g. B. in extreme lean flames, oil droplets 14 or other particles 14 can be added to the hot gas stream 13 with a continuous heat radiation spectrum.
  • Laser pulse energy is also said to be E L > 10 mJ, preferably E> 30 mJ, particularly preferably E L > 50 mJ.
  • the LII light emission increases to a maximum within approx. 25 ns and then decays over a few 100 ns.
  • the time course, in particular the decay behavior, of the particle temperature T is preferably measured and the starting temperature T 0 is calculated therefrom.
  • a power balance equation for a particle 14 can be solved from the laser-induced temperature T. The relationship applies in particular
  • the pyrometric measurement can be carried out in a variety of ways: When using a constant laser pulse energy E L , an intensity ratio at two different wavelengths ⁇ a , ⁇ b becomes a particle temperature T is determined and / or a spectral position of the maximum radiation intensity and therefrom a particle temperature T is determined pyrometrically.
  • Wavelengths ⁇ a , ⁇ b should be in the vicinity of the maximum of the blackbody radiation with a spectral distance ⁇ a - ⁇ b ⁇ 100 nm, preferably ⁇ a - ⁇ b ⁇ 50 nm, and narrow-band, preferably ⁇ a « ⁇ b ⁇ 10 nm , be used.
  • At least two different laser pulse energies can also be used and a particle temperature T can be determined from at least one intensity ratio at the same wavelength ⁇ a . If exactly two laser pulse energies E L ⁇ , E 2 are used, they should be dimensioned such that the particles 14 are heated to 4000 K and 3800 K, for example. Then the power balance equation can be drawn up for both measurements and solved with a compensation calculation with improved accuracy. Alternatively, an additional parameter in the current account equation, e.g. B. the heat conduction constant K x can be determined by a fit or analytically. The pyrometric methods mentioned can also be used in combination.
  • an elongated or flat excitation area 8 in the gaseous medium 11 is irradiated with the laser pulse 7 and 10 pyrometric measurements are carried out point by point in the excitation area 8.
  • 1 shows an exemplary embodiment in which a laser beam 7 is sent transversely to a gas flow channel 3 of a turbine and pyrometrically points 10 linearly over a linear gas temperature profile under an observation direction 9 inclined to the laser beam 7 an illuminated cross section of the gas flow channel 3 is determined.
  • the soot particles 14 can be excited to white heat in an extended area 8 with a sheet-shaped laser beam and the light emitted by the area 8 can preferably be measured pyrometrically perpendicular to the area 8 at support points 10.
  • a high spatial resolution of up to approximately (0.5 mm) 3 can be achieved with the method according to the invention.
  • the measurements can also be carried out in turbulent flames.
  • a temperature profile at a particle temperature T is determined by laser-induced white-glow pyrometry, but then a gas or starting temperature T 0 is measured locally or averaged over the temperature profile without laser excitation, and finally the temperature profile is normalized to the starting temperature T 0 .
  • a gas temperature T 0 at a predeterminable point in the temperature profile, for. B. measured at the edge in the gas flow channel 3, without laser excitation and obtained by comparison with the laser-induced particle temperature T at this point a normalization function or a normalization factor for the temperature profile.
  • the temperature normalizing measurement can be performed with any temperature sensor, e.g. B.
  • thermocouple or pyrometric_ be carried out. It is particularly reliable to determine the original gas temperature T 0 by means of a pyrometric measurement spatially averaged over the temperature profile and to set the mean value of the particle temperature profile equal to T 0 .
  • 1 also relates to a device 1 for executing the temperature measurement method set out above.
  • the device 1 comprises a temperature sensor 1 a and a measuring device 1 b, which are designed to carry out the temperature measurement method set out above.
  • an optical channel 2 to a gas flow channel 3 is embedded in a gas turbine, the temperature sensor 1 a is mounted in the optical channel 2, which has a feed fiber 4 for the laser beam 7 and at least one return fiber
  • the return fiber is preferably an oriented fiber bundle 5 and at the end of the optical channel 2 there are laser optics 6; 6a, 6b for aligning the laser beam 7 transversely to the gas flow channel 3 and a receiving optics 11 for an observation direction 9 inclined to the laser beam 7 for pyrometric radiation.
  • the laser optics are preferably an oriented fiber bundle 5 and at the end of the optical channel 2 there are laser optics 6; 6a, 6b for aligning the laser beam 7 transversely to the gas flow channel 3 and a receiving optics 11 for an observation direction 9 inclined to the laser beam 7 for pyrometric radiation.
  • a gas turbine is also claimed which is designed to accommodate such a device and / or to carry out the temperature measurement method according to the invention.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren und einen Sensor (1; 1a, 1b) zur Temperaturmessung. Pyrometrische Verfahren zur Gastemperaturmessung sind bekannt. Erfindungsgemäss werden Partikel (14) im Gas (12) oder der Flamme durch einen Laserpuls (7) auf Weissglut erhitzt, die induzierte Kontinuumswärmestrahlung der Partikel (14) pyrometrisch gemessen, die Partikeltemperatur T berechnet und aus dieser durch Berechnung und/oder Normierung die ursprüngliche Gastemperatur T DEG bestimmt. Die Berechnung kann mit einem theoretischen Modell für die Leistungsbilanz der erwärmten Partikel (14) und die Normierung mit einer unabhängigen Gastemperaturmessung erfolgen. Die pyrometrischen Messungen können monochromatisch, bichromatisch oder breitbandig und insbesondere unabhängig von der Partikel-Emissivität ausgewertet werden. In bevorzugten Ausführungsformen wird ein ein- oder zweidimensionales Gastemperaturprofil bestimmt. Das Verfahren ist berührungslos, vermeidet Störungen der Gasströmung (13), zeichnet sich durch eine sehr hohe Messempfindlichkeit aus und ist besonders zur Gas- oder Flammentemperaturmessung in Gasturbinen geeignet.

Description

BESCHREIBUNG
Verfahren und Vorrichtung zur Gastemperaturmessung mit laserinduzierter Weissglut-Pyrometrie
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Temperaturmesstechnik in Gasturbinen, Triebwerken u. a.. Sie geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Temperaturmessung nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 9 und 11.
STAND DER TECHNIK
Ein derartiges Verfahren ist aus der Veröffentlichung von W. Pepperhof, "Temperaturstrahlung", Wissenschaftliche Forschungsberichte, Band 65, Verlag Dr. D. Steinkopff, Darmstadt (1956) bekannt. Dort werden passive pyrometrische Messverfahren für die Schwarzkorperstrahlung von Russpartikeln in Flammen angegeben. Zur Temperaturbestimmung wird das Spektrum der Wärmestrahlung unabhängig von der Emissivitat ausgewertet (i) aus dem Intensitätsverhaltnis bei konstanter Temperatur und zwei unterschiedlichen Wellenlangen λa, λb, (ii) aus dem Intensitätsverhaltnis bei zwei unterschiedlichen Temperaturen und einer Wellenlänge λa oder (iii) aus der spektralen Lage der maximalen Strahlungsintensität. Ein Problem der passiven Pyrometrie besteht darin, dass die Flamme in einer Gasturbine eine relativ geringe Konzentration von Russpartikeln aufweist und daraus eine sehr niedrige Emissivitat resultiert. Bei herkömmlichen py- rometrischen Messungen wird deshalb eher eine Wandtemperatur als eine Flammentemperatur gemessen.
Ein Temperaturmessverfahren mit laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) wird in dem Artikel von K. J. Rensberger et al., "Laser-induced fluorescence determination of temperatures in low pressure flames", Appl . Optics Vol 28 No . 17, S. 3556- 3566 (1989) angegeben. Mit einem UV-Laser werden Moleküle in der Flamme resonant angeregt und aus ihrem Emissionsspektrum die zugrundeliegende Flammentemperatur berechnet. Nachteilig ist es, dass die Laserwellenlange spezifisch an die Moleküle angepasst werden muss und lange Relaxationszeiten die Messung in einem Gasstrom erschweren oder verunmoglichen können. Oftmals ist die Molekulkonzentration ausserhalb der Flamme zu gering für die Messung einer Gastemperatur oder eines Gastemperaturprofils.
Aus der Veröffentlichung von D. R. Snelling, G. J. Small- wood, I. G. Campbell, J. E. Medlock, and O. L. Gulder, "Development and application of laser-induced incandescence (LII) as a diagnostic for soot particulate measurements" , AGARD Conference Proceedings 598 (October 1997) ist es bekannt, eine Russpartikelkonzentration in Gasflammen mit laserinduzierter Weissglut-Pyrometrie (LII) zu messen. Die Flamme wird durch einen gepulsten Laserstrahl beleuchtet, die Russpartikel zur Weissglut angeregt, das emittierte Licht pyrometrisch gemessen und mit Hilfe eines theoretischen Modells die Russpartikelkonzentration berechnet.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Gastemperaturmessung anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der Ansprüche 1, 9 und 11 gelost.
Die Erfindung besteht in einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Temperaturmessung in gasformigen Medien, bei welchem Partikel im Gasstrom ausgehend von einer Gas-, Flammenoder Ausgangstemperatur T0 durch einen Laserpuls erhitzt werden, die induzierte Kontinuumswarmestrahlung der Partikel pyrometrisch gemessen wird, die Partikeltemperatur T berechnet wird und aus der Partikeltemperatur T durch eine Rechen- Vorschrift die Ausgangstemperatur T0 bestimmt wird. Die Partikel senden also überwiegend ein kontinuierliches Spektrum aus, das im Regelfall zumindest näherungsweise oder in einem gewissen Bereich als Schwarzkörperstrahlungsspektrum beschreibbar ist. Die Rechenvorschrift zur Bestimmung der Ausgangstemperatur T0 kann aus einem theoretischen Modell für die Partikelerwärmung und/oder aus einer vorgegebenen oder experimentell bestimmten Normierungsfunktion abgeleitet werden. Die solcherart festgelegten Rechenvorschriften können alternativ oder ergänzend zueinander angewandt werden. Insbesondere ist aus dem Modell und der Normierung eine gemit- telte Ausgangstemperatur TG bestimmbar. Im einfachsten Fall wird die Partikeltemperatur T durch einen multiplikativen Korrekturfaktor auf die Ausgangstemperatur T0 normiert. Das erfindungsgemässe Temperaturmessverfahren ist beruhrungs- frei, vermeidet Störungen des Gasstroms, zeichnet sich durch eine sehr hohe Messempfindlichkeit aus und ist besonders zur Gas- oder Flammentemperaturmessung in Gasturbinen geeignet. Durch Aufheizung der Partikel auf sehr hohe Temperaturen (z. B. 4000 K) kann die Warmestrahlungsintensität gegenüber herkömmlichen Pyrometrieverfahren massiv erhöht werden. Dadurch sind Gastemperaturen auch bei kleinsten Partikelkonzentrationen messbar. Im Gegensatz zur laserinduzierten Fluoreszenz besteht eine grosse Freiheit bei der Wahl der Laserwellenlange, da eine Abstimmung auf Molekülresonanzen nicht erforderlich ist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird aus dem Abklingverhalten der induzierten Partikeltemperatur T mit Hilfe eines theoretischen Modells für die Leistungs- oder Energiebilanz der erwärmten Partikel die zugrundeliegende Gastemperatur T0 berechnet.
In einem anderen Ausfuhrungsbeispiel wird die Partikeltemperatur durch eine relative pyrometrische Messung bei mindestens zwei Wellenlangen und/oder mit unterschiedlichen Laserpulsenergien unabhängig von der Emissivitat der Partikel gemessen . Ein wichtiges Ausführungsbeispiel betrifft die Messung eines linearen Gastemperaturprofils über einen vom Laserstrahl beleuchteten Querschnitt eines Gasstromkanals.
Weitere Ausfuhrungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhangigen Ansprüchen sowie aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figur.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemasse Temperaturmesseinrichtung für eine Gasturbine.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung hat ein Verfahren zur Temperaturmessung eines gasformigen Mediums 12 zum Gegenstand, das besonders zur Gastemperaturmessung in einer Gasturbine geeignet ist. Dabei wird aus einer zumindest naherungsweisen Schwarzkorperstrah- lung von Partikeln 14 im gasformigen Medium 12 pyrometrisch eine Temperatur bestimmt. Erfindungsgemäss werden die Partikel 14 ausgehend von einer Gas- oder Ausgangstemperatur Tα durch einen Laserpuls 7 erhitzt, eine induzierte Emission gemessen, pyrometrisch eine Partikeltemperatur T bestimmt und aus der Partikeltemperatur T durch eine t Rechenvorschrift, d. h. durch Berechnung und/oder Normierung, die Ausgangstemperatur T0 bestimmt. Im folgenden werden bevorzugte Ausfuhrungsformen angegeben.
Typischerweise handelt es sich bei den Partikeln um Russpartikel 14. Bei zu geringen Konzentrationen, z. B. in extremen Magerflammen, können auch Oltropfchen 14 oder andere Partikel 14 mit einem kontinuierlichen Warmestrahlungsspek- trum dem Heissgasstrom 13 zugegeben werden. Die Wellenlange λ des Laserpulses kann ausserhalb einer Molekülresonanz des gasformigen Mediums 12, insbesondere λ=1064 nm (Nd:YAG) oder λ=532 nm, gewählt werden. Ferner soll eine Laserpuls-Energie EL>10 mJ, vorzugsweise E>30mJ, besonders bevorzugt EL>50 mJ, verwendet werden.
Die LII-Lichtemission steigt innerhalb von ca. 25 ns auf ein Maximum an und klingt dann über einige 100 ns ab. Bevorzugt wird der zeitliche Verlauf, insbesondere das Abklingverhalten, der Partikeltemperatur T gemessen und daraus die Ausgangstemperatur T0 berechnet. Dabei kann zur Bestimmung der gesuchten Gastemperatur T0 aus der laserinduzierten Temperatur T eine Leistungsbilanzgleichung für ein Partikel 14 gelost werden. Insbesondere gilt die Beziehung
To = T - ( Pabs - Prad - PQ - ΔV) /Kι wobei Pabs=absorbιerte Laserleistung, Prad=Strahlungsverlust- leistung, PQ=Warmeleιstung bei Temperaturanderung, ΔV=Ver- lustleistung durch laserinduzierte Verbrennung und leitungskonstante bezeichnen, wobei alle Grossen auf ein Partikel 14 zu beziehen sind. Diese Grossen können durch unabhängige Messungen und/oder theoretische Modelle quantifiziert werden und/oder a priori bekannt sein.
Hier werden einfache Berechnungsformeln für die Terme der Leistungsbilanzgleichung angegeben: Warmeleitungskonstante eines Partikels 14 Kι=π*d2*NP*Λ, wobei die Partikel 14 typischerweise NP kettenförmig agglomerierte Primarpartikel vom Durchmesser d enthalten und Λ=Langmuir-Warmetransferkoefflzi- ent; Pabs=Ca*q, wobei Ca=Rayleιgh-Absorptιonsquerschnιtt eines Partikels 14 und q=Lasersendeleistung; Prad=4*Ca*σ*T4, wobei σ=Boltzmann-Konstante; PQ=C p*V*dT/dt , wobei C=spezιfische Warme, p=Dichte, V=Volumen eines Partikels 14 und dT/dt= Zeitableitung der laserinduzierten Partikeltemperatur T; und/oder ΔV=Hv/MXdM/dt , wobei Hv=Verbrennungswarme, Mv=Mole- kulargewicht und dM/dt=Molekulargewichtsanderung pro Zeit eines Partikels 14.
Die pyrometrische Messung kann auf vielfaltige Weise durchgeführt werden: Bei Verwendung einer konstanten Laserpulsenergie EL wird aus einem Intensitätsverhaltnis bei zwei unterschiedlichen Wellenlangen λa, λb eine Partikeltemperatur T bestimmt und/oder es wird pyrometrisch eine spektrale Lage der maximalen Strahlungsintensität und daraus eine Partikeltemperatur T bestimmt. Dabei sollen Wellenlangen λa, λb in der Nahe des Maximums der Schwarzkόrperstrahlung mit einem spektralen Abstand λa-λb<100 nm, vorzugsweise λa-λb~50 nm, und schmalbandig, vorzugsweise Δλa«Δλb< 10 nm, verwendet werden. Andererseits können auch mindestens zwei unterschiedliche Laserpulsenergien verwendet werden und aus mindestens einem Intensitätsverhaltnis bei gleicher Wellenlange λa eine Partikeltemperatur T bestimmt werden. Werden genau zwei Laserpulsenergien ELι, E 2 verwendet, sollen sie so bemessen sein, dass die Partikel 14 beispielsweise auf 4000 K und 3800 K aufgeheizt werden. Dann kann die Leistungsbilanzgleichung für beide Messungen aufgestellt und durch eine Ausgleichsrechnung mit verbesserter Genauigkeit gelost werden. Alternativ kann auch ein zusatzlicher Parameter in der Leistungsbilanzgleichung, z. B. die Warmeleitungskonstante Kx, durch einen Fit oder analytisch bestimmt werden. Die genannten py- rometrischen Methoden können auch kombiniert angewendet werden .
Der Vorteil relativer Pyrometriemessverfahren (Teilstrah- lungs- oder Ratio-Pyrometrie) besteht vor allem darin, dass der Einfluss der unbekannten und/oder veränderlichen Emissivitat der Partikel 14 auf die abgestrahlte Wärmeleistung eliminierbar ist. Dies ist besonders bei Russpartikeln 14 von Nutzen, da deren Emissivitat je nach Konzentration, Grosse, Agglomerationszustand und Oberflachenbeschaffenheit stark variieren kann.
Zur Bestimmung eines ein- oder zweidimensionalen Temperaturprofils werden mit dem Laserpuls 7 ein längliches oder flachenhaftes Anregungsgebiet 8 im gasformigen Medium 11 bestrahlt und im Anregungsgebiet 8 punktweise 10 pyrometrische Messungen durchgeführt. In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel angegeben, bei welchem ein Laserstrahl 7 quer zu einem Gasstromkanal 3 einer Turbine gesendet wird und unter einer zum Laserstrahl 7 geneigten Beobachtungsrichtung 9 punktweise 10 pyrometrisch ein lineares Gastemperaturprofil über einen beleuchteten Querschnitt des Gasstromkanals 3 bestimmt wird. Für ein zweidimensionales Temperaturprofil können die Russpartikel 14 mit einem blattförmigen Laserstrahl in einem ausgedehnten Gebiet 8 zur Weissglut angeregt werden und das vom Gebiet 8 emittierte Licht vorzugsweise senkrecht zum Gebiet 8 an Stutzpunkten 10 pyrometrisch gemessen werden. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren ist eine hohe raumliche Auflösung bis zu ca. (0,5 mm)3 erzielbar. Die Messungen können auch in turbulenten Flammen durchgeführt werden.
Ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung betrifft ebenfalls die Bestimmung eines raumlichen Temperaturprofils. Wie zuvor beschrieben wird durch laserinduzierte Weissglut- Pyrometrie ein Temperaturprofil bei einer Partikeltemperatur T bestimmt, dann aber ohne Laseranregung eine Gas- oder Ausgangstemperatur T0 lokal oder über das Temperaturprofil räumlich gemittelt gemessen und schliesslich das Temperaturprofil auf die Ausgangstemperatur T0 normiert. Beispielsweise wird eine Gastemperatur T0 an einer vorgebbaren Stelle des Temperaturprofils, z. B. randseitig im Gasstromkanal 3, ohne Laseranregung gemessen und durch Vergleich mit der an dieser Stelle laserinduzierten Partikeltemperatur T eine Normierungsfunktion oder ein Normierungsfaktor für das Temperaturprofil gewonnen. Prinzipiell kann die temperaturnormierende Messung mit einem beliebigen Temperatursensor, z. B. einem Thermoelement, oder pyrometrisch_ durchgeführt werden. Besonders zuverlässig ist es, die ursprüngliche Gastemperatur T0 durch eine über das Temperaturprofil räumlich gemittelte pyrometrische Messung zu bestimmen und den Mittelwert des Partikeltemperaturprofils gleich T0 zu setzen.
In diesem Ausfuhrungsbeispiel werden also zwei unabhängige Messungen durchgeführt. Vorteilhaft ist, dass die Normierung eine sehr einfache und zuverlässige Bestimmung der Gastemperatur T0 erlaubt. Dabei entfallt insbesondere die theoretische Modellierung für die Leistungsbilanz der Partikel 14. Die Erfindung gemäss Fig. 1 hat auch eine Vorrichtung 1 zur Ausfuhrung des oben dargelegten Temperaturmessverfahrens zum Gegenstand. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Temperatursensor la und eine Messeinrichtung lb, die zur Ausführung des oben dargelegten Temperaturmessverfahrens ausgestaltet sind. Hierzu ist in einer Gasturbine ein optischer Kanal 2 zu einem Gasstromkanal 3 eingelassen, ist im optischen Kanal 2 der Temperatursensor la montiert, der eine Zuführungsfaser 4 für den Laserstrahl 7 und mindestens eine Ruckfuhrungsfaser
5 für die pyrometrische Strahlung umfasst, und sind die Zufuhrungsfaser 4 und die Ruckfuhrungsfaser 5 mit der Messapparatur lb verbunden. Bevorzugt ist die Ruckfuhrungsfaser ein orientiertes Faserbundel 5 und sind am Ende des optischen Kanals 2 eine Laseroptik 6; 6a, 6b zur Ausrichtung des Laserstrahls 7 quer zum Gasstromkanal 3 und eine Empfangsoptik 11 für eine zum Laserstrahl 7 geneigte Beobachtungsrichtung 9 für pyrometrische Strahlung montiert. Die Laseroptik
6 soll eine Sammellinse 6a und einen Spiegel 6b und die Empfangsoptik 11 eine Sammelinse 11 umfassen. Beansprucht wird auch eine Gasturbine, die zur Aufnahme einer solchen Vorrichtung und/oder zur Ausführung des erfindungsgemässen Temperaturmessverfahrens ausgestaltet ist.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Temperaturmesseinrichtung la Temperatursensor lb Messapparatur
2 Optischer Kanal
3 Gasstromkanal
4 Zufuhrungsfaser für Laserstrahl
5 Ruckfuhrungsfaser für pyrometrische Strahlung, Faserbundel
6 Laseroptik 6a Sammellinse 6b Spiegel
7 Laserstrahl, Laserpuls
8 Anregungsgebiet
9 Beobachtungsrichtung für pyrometrische Strahlung
10 Messpunkte
11 Empfangsoptik, Sammellinse
12 gasformiges Medium, Heissgas, Flamme
13 Gasstromung, Flammenfront
14 Partikel, Russpartikel

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Temperaturmessung eines gasformigen Mediums (12), insbesondere geeignet zur Gastemperaturmessung in einer Gasturbine, wobei aus einer Kontinuumsstrahlung von Partikeln (14) im gasformigen Medium (12) pyrometrisch eine Temperatur bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Partikel (14) ausgehend von einer Ausgangstemperatur To durch einen Laserpuls (7) erhitzt werden, b) eine induzierte Emission gemessen und pyrometrisch eine Partikeltemperatur T bestimmt wird und c) aus der Partikeltemperatur T durch eine Rechenvorschrift die Ausgangstemperatur T0 bestimmt wird.
2. Verfahren zur Temperaturmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Partikel Russpartikel (14) sind und/oder b) eine Laserpuls-Wellenlänge λ ausserhalb einer Mole- kulresonanz des gasformigen Mediums (12), insbesondere λ=1064 nm (Nd:YAG) oder λ=532 nm, verwendet wird und/oder c) eine Laserpuls-Energie EL>10 mJ, vorzugsweise EL>30mJ, besonders bevorzugt E>50 mJ, verwendet wird.
3. Verfahren zur Temperaturmessung nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass a) ein zeitlicher Verlauf, insbesondere ein Abklingverhalten, der Partikeltemperatur T gemessen und daraus die Ausgangstemperatur T0 berechnet wird, b) insbesondere dass die Ausgangstemperatur T0 mit Hilfe einer Leistungsbilanzgleichung für ein Partikel (14) berechnet wird und c) insbesondere dass T0 gemäss der Gleichung
To = T - (Pabs - Prad - PQ - ΔV)/Kι berechnet wird, wobei Pabs=absorbierte Laserleistung, Prad =Strahlungsverlustleistung, PQ=Wärmeleistung bei Temperaturanderung, ΔV=Verlustleistung durch laserinduzierte Verbrennung und Kι=Warmeleitungskonstante eines Partikels (14) bezeichnen.
4. Verfahren zur Temperaturmessung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Warmeleitungskonstante Kι=π*d2*NP*Λ ist, wobei ein Partikel (14) typischerweise NP kettenförmig agglomerierte Primarpartikel vom Durchmesser d enthalt, und Λ=Langmuir-Warmetransferkoeffizient und/oder b) Pabs=Ca*q, wobei Ca=Rayleigh-Absorptιonsquerschnitt eines Partikels (14) und q=Lasersendeleistung und/oder eines Partikels (14) und σ=Boltzmann-Konstante und/ oder d) PQ=C*p*V*dT/dt, wobei C=spezifische Warme, p=Dichte, V=Volumen eines Partikels (14) und dT/dt=Anderung der laserinduzierten Partikeltemperatur T pro Zeit und/ oder e) ΔV=Hv/Mv*dM/dt, wobei Hv=Verbrennungswarme, Mv=Moleku- largewicht und dM/dt=Molekulargewιchtsanderung pro Zeit eines Partikels (14).
5. Verfahren zur Temperaturmessung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass a) eine konstante Laserpulsenergie verwendet wird und aus einem Intensitätsverhaltnis bei zwei unterschiedlichen Wellenlangen λa, λb eine Partikeltemperatur T bestimmt wird und/oder b) pyrometrisch eine spektrale Lage der maximalen Strahlungsintensität und daraus eine Partikeltemperatur T bestimmt wird und c) insbesondere dass Wellenlangen λa, λb in der Nahe des Maximums einer Schwarzkorperstrahlung mit einem spektralen Abstand λa-λb<100 nm, vorzugsweise λa-λb«50 nm, und schmalbandig, vorzugsweise Δλa«Δλb< 10 nm, verwendet werden.
6. Verfahren zur Temperaturmessung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei unterschiedliche Laserpulsenergien verwendet werden und aus mindestens einem Intensitätsverhaltnis bei gleicher Wellenlange λa eine Partikeltemperatur T bestimmt wird.
7. Verfahren zur Temperaturmessung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass a) ein ein- oder zweidimensionales Temperaturprofil dadurch bestimmt wird, dass mit dem Laserpuls (7) ein längliches oder flachenhaftes Anregungsgebiet (8) im gasformigen Medium (11) bestrahlt wird und im Anregungsgebiet (8) punktweise (10) pyrometrische Messungen durchgeführt werden und b) insbesondere dass ein Laserstrahl (7) quer zu einem Gasstromkanal (3) einer Turbine gesendet wird und unter einer zum Laserstrahl (7) geneigten Beobachtungsrichtung (9) punktweise (10) pyrometrisch ein lineares Gastemperaturprofil über einen beleuchteten Querschnitt des Gasstromkanals (3) bestimmt wird.
8. Verfahren zur Temperaturmessung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass a) ein Temperaturprofil bei einer Partikeltemperatur T bestimmt wird, b) ohne Laseranregung eine Ausgangstemperatur T0 lokal oder über das Temperaturprofil raumlich gemittelt gemessen wird und c) das Temperaturprofll auf die Ausgangstemperatur T0 normiert wird.
9. Vorrichtung (1) zur Temperaturmessung, umfassend einen Temperatursensor (la) und eine Messeinrichtung (lb), dadurch gekennzeichnet, dass a) in einer Gasturbine ein optischer Kanal (2) zu einem Gasstromkanal (3) eingelassen ist, b) im optischen Kanal (2) der Temperatursensor (la) , umfassend eine Zufuhrungsfaser (4) für den Laserstrahl (7) und mindestens eine Ruckfuhrungsfaser (5) für die pyrometrische Strahlung, montiert ist, c) die Zufuhrungsfaser (4) und die Ruckfuhrungsfaser (5) mit der Messapparatur (lb) verbunden sind und d) der Temperatursensor (la) und die Messapparatur (lb) zur Ausfuhrung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-8 ausgestaltet sind.
10. Vorrichtung (1) zur Temperaturmessung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Ruckfuhrungsfaser ein orientiertes Faserbundel
(5) ist und b) am Ende des optischen Kanals (2) eine Laseroptik (6; 6a, 6b) zur Ausrichtung des Laserstrahls (7) quer zum Gasstromkanal (3) und eine Empfangsoptik (11) für eine zum Laserstrahl (7) geneigte Beobachtungsrichtung (9) für pyrometrische Strahlung montiert sind.
11. Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Aufnahme einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-10 und/oder zur Ausfuhrung des Temperaturmessverfahrens nach einem der Ansprüche 1-8 ausgestaltet ist.
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