ITTO950779A1

ITTO950779A1 - HIGH PRESSURE TEMPERATURE SENSOR DEVICE.

Info

Publication number: ITTO950779A1
Application number: IT95TO000779A
Authority: IT
Inventors: Cengiz Camci; Sheldon Smilo; Boris Glezer; Leon Lindsey; Hee Koo Moon; William F Marvin; Brian L Mink; David A Rohy; Edward G Shranko
Original assignee: Solar Turbines Inc
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1995-09-29
Publication date: 1997-03-29
Also published as: GB2294318A; JPH08184499A; GB9516630D0; ITTO950779A0; CA2156204A1; IT1281372B1

Abstract

Una sonda per un pirometro comprende una camera cilindrica, una fibra ottica disposta all'interno della camera cilindrica e avente un diametro sostanzialmente maggiore in corrispondenza di una prima estremità in confronto alla seconda estremità. Una lente è disposta all'interno della camera cilindrica ed ha una lunghezza focale sostanzialmente uguale alla distanza tra fibra ottica e lente. Un prolungamento cilindrico è connesso alla camera cilindrica e comprende una coppia di aperture attraverso le quali passa l'energia indicativa della temperatura prima di raggiungere la lente.A probe for a pyrometer comprises a cylindrical chamber, an optical fiber arranged inside the cylindrical chamber and having a substantially larger diameter at a first end compared to the second end. A lens is arranged inside the cylindrical chamber and has a focal length substantially equal to the distance between the optical fiber and the lens. A cylindrical extension is connected to the cylindrical chamber and comprises a pair of openings through which the energy indicative of the temperature passes before reaching the lens.

Description

Descrizione dell invenzione industriale dal titolo: "Dispositivo sensore dì temperatura ad alta risoluzione<" >. Description of the industrial invention entitled: "High resolution temperature sensor device <">.

Campo tecnico Technical field

L<'>invenzione riguarda in generale un dispositivo per ottenere dati di temperatura, e più particolarmente, un dispositivo per ottenere dati di temperatura in risposta a energia che viene emessa da un oggetto. The invention generally relates to a device for obtaining temperature data, and more particularly, a device for obtaining temperature data in response to energy being emitted from an object.

Sfondo tecnologico Technological background

Com è ben noto nella tecnica dei motori a turbina |a gas, i dati di temperatura in tempo reale dei componenti del motore sono criticamente importanti per la definizione della vita utile del motore. Le tecniche note di misurazione della temperatura superficiale del metallo dei componenti presentano significative limitazioni. Ad esempio, sono state sovente impiegate termocoppie per misurare le temperature interne; tuttavia, tali dispositivi sono tipicamente costosi, hanno una vita utile molto limitata, non forniscono precise indicazioni delle temperature della pala della turbinaie del gas in entrata, e sovente richiedono procedure di installazione che danneggiano altri componenti del motore. L<'>applicazione di camere a infrarossi per una configurazione dì turbina standard è limitata alle superfici esterne poiché, per unfispezione interna, è richiesta un<'>ampia finestra ottica. As is well known in the art of gas turbine engines, the real time temperature data of the engine components is critically important for defining the useful life of the engine. The known techniques for measuring the surface temperature of the metal of the components have significant limitations. For example, thermocouples have often been used to measure internal temperatures; however, such devices are typically expensive, have a very limited useful life, do not provide precise indications of the incoming gas turbine blade temperatures, and often require installation procedures that damage other engine components. The application of infrared cameras for a standard turbine configuration is limited to external surfaces as a large optical window is required for internal inspection.

Allo scopo di affrontare questo problema, sono stati sviluppati pirometri ottici. Questi pirometri sono tipicamente inseriti in aperture per endoscopi per fori circolari che vengono realizzate nella maggior parte dei motori a turbina a gas. Diversi problemi più gravi sono associati ai pirometri noti. In order to address this problem, optical pyrometers have been developed. These pyrometers are typically inserted into endoscope openings for circular holes that are made in most gas turbine engines. Several more serious problems are associated with known pyrometers.

Poiché questi pirometri trasmettono energia indicativa della temperatura attraverso una serie di lenti all'interno della sonda, variazioni di temperatura della sonda causano un'espansione od una contrazione della sonda e perciò varia la posizione relativa e la distanza tra le lenti. Ne consegue una variazione nell'uscita del pirometro basata sulla temperatura della sonda piuttosto che su una qualsiasi variazione della temperatura in corrispondenza del punto di interesse all'interno del motore. Because these pyrometers transmit energy indicative of temperature through a series of lenses within the probe, changes in the probe's temperature cause the probe to expand or contract and therefore vary the relative position and distance between the lenses. The result is a variation in the pyrometer output based on the probe temperature rather than any temperature variation at the point of interest within the motor.

I pirometri noti hanno inoltre una risoluzione relativamente scarsa richiedendo una grande dimensione dell'oggetto in modo da fornire sufficiente energia per ottenere un'informazione utile. Questi pirometri sono inoltre sensibili alla distanza. Cioè, accurate letture possono venire ottenute soltanto quando viene misurata la temperatura di punti che si trovano ad una prestabilita distanza dalla sonda. Ciò è causato dal fatto che l'energia che entra nella sonda è relatiyamente non collimata. Known pyrometers also have a relatively poor resolution, requiring a large object size so as to provide sufficient energy to obtain useful information. These pyrometers are also distance sensitive. That is, accurate readings can only be obtained when the temperature of points that are at a predetermined distance from the probe is measured. This is caused by the fact that the energy entering the probe is relatively uncollimated.

I pirometri esistenti sono inoltre limitati ad applicazioni per temperature di oggetti superiori ad approssimativamente 1100 °F. Existing pyrometers are also limited to applications for object temperatures above approximately 1100 ° F.

La presente invenzione mira a superare uno più dei problemi precedentemente specificati. The present invention aims to overcome one or more of the previously specified problems.

Descrizione dell'invenzione Description of the invention

La ’ presente invenzione evita gli svantaggi delle sonde note riducendo sostanzialmente gli effetti della variazione termica e fornendo un campo visivo maggiormente collimato che è relativamente indipendente dalla distanza. The present invention avoids the disadvantages of known probes by substantially reducing the effects of thermal variation and providing a more collimated field of view which is relatively independent of distance.

Secondo un aspetto dell'invenzione, una sonda per un;pirometro comprende una camera cilindrica, una fibra ottica disposta all'interno della camera cilindrica ed avente un diametro sostanzialmente maggiore in corrispondenza di una prima sua estremità in confronto alla seconda sua estremità, ed una, lente disposta all'interno della camera cilindrica e avente una lunghezza focale stanzialmente uguale alla distanza tra la fibra ottica e la lente. According to an aspect of the invention, a probe for a pyrometer comprises a cylindrical chamber, an optical fiber disposed inside the cylindrical chamber and having a substantially greater diameter at a first end thereof compared to its second end, and a , lens arranged inside the cylindrical chamber and having a focal length substantially equal to the distance between the optical fiber and the lens.

L'invenzione comprende inoltre altre caratteristiche e vantaggi che diverranno evidenti da uno-studio più dettagliato dei disegni e delle descrizioni. The invention further includes other features and advantages which will become apparent from a more detailed study of the drawings and descriptions.

Breve descrizione dei disegni Brief description of the drawings

Per una migliore comprensione della presente nvenzione , si può fare riferimento ai disegni allegati , in cui : For a better understanding of the present invention, reference can be made to the attached drawings, in which:

la-figura 1 è una vista schematica in sezione di una sonda; e Figure 1 is a schematic sectional view of a probe; And

la figura 2 è un'illustrazione schematica di una sonda inserita in un motore a turbina a gas e connessa a dispositivi di analisi e registrazione e ad un-sistema di raffreddamento ad aria. Figure 2 is a schematic illustration of a probe inserted in a gas turbine engine and connected to analysis and recording devices and to an air cooling system.

Modo migliore per realizzare l'invenzione Best way to realize the invention

Nella figura 1, una sonda viene generalmente indicata dal numero 10. Una camera cilindrica 12 è prevista e circonda una fibra ottica rastremata 1A. Nella forma di realizzazione preferita, la fibra ottica rastremata è costituita di un calcogenuro ed è incamiciata in acciaio inossidabile. La fibra ottica rastremata 14 è vantaggiosamente di diametro maggiore in corrispondenza di una prima estremità 16 delia fibra rispetto ad una seconda estremità In Figure 1, a probe is generally indicated by the numeral 10. A cylindrical chamber 12 is provided and surrounds a tapered optical fiber 1A. In the preferred embodiment, the tapered optical fiber consists of a chalcogenide and is jacketed in stainless steel. The tapered optical fiber 14 is advantageously of a larger diameter at a first end 16 of the fiber than at a second end.

Una camera di raffreddamento 20 è definita tra. la camera cilindrica 12 e il materiale di rivestimento della fibra ottica rastremata 14. La camera 1 di raffreddamento 20 è collegata ad un'apertura per aria ad alta pressione 22. Vantaggiosamente, due serie di quattro alette di raffreddamento per convezione forzata 24 sono posizionate nella camera di raffreddamento 20 vicino alla prima estremità 16 della fibra ottica rastremata 14. Le alette di raffreddamento 24 in ciascuna serie di quattro sono equidistanziate attorno alla circonferenza della camera di raffreddamento 20. Le alette di raffreddamento 24 sono vantaggiosamente costituite di un materiale avente una termoconduttività relativamente buona, come l'alluminio. A cooling chamber 20 is defined between. the cylindrical chamber 12 and the coating material of the tapered optical fiber 14. The cooling chamber 1 20 is connected to a high pressure air opening 22. Advantageously, two sets of four forced convection cooling fins 24 are positioned in the cooling chamber 20 near the first end 16 of the tapered optical fiber 14. The cooling fins 24 in each set of four are equidistant around the circumference of the cooling chamber 20. The cooling fins 24 are advantageously made of a material having a thermal conductivity relatively good, like aluminum.

Una lente di zaffiro 26, od altre lenti aventi simili proprietà ottiche, è posizionata all'interno di una corona terminale 27 del materiale di rivestimento della fibra ottica rastremata. La lente 26 è spostata dalla prima estremità 16 della fibra ottica rastremata 14 di una distanza sostanzialmente uguale alla sua lunghezza focale. La corona terminale del rivestimento 27 comprende una prima apertura 32. A sapphire lens 26, or other lenses having similar optical properties, is positioned within an end crown 27 of the tapered optical fiber coating material. The lens 26 is displaced from the first end 16 of the tapered optical fiber 14 by a distance substantially equal to its focal length. The terminal crown of the coating 27 comprises a first opening 32.

Uniprolungamento cilindrico 28 è collegato ad una estremità della camera cilindrica 12 vicino alla lente 26. Il prolungamento cilindrico 28 è preferibilmente di forma cilindrica ed ha un asse longitudinale sostanzialmente collineare con l'asse longitudinale della camera cilindrica 12. Il prolungamento cilindrico 28 comprende una seconda apertura: 30. Nella forma di realizzazione preferita, prima e seconda apertura 30, 32 sono disposte sostanzialmente ad angolo retto l una rispetto all<'>altra, sono rotonde, ed hanno lo stesso diametro. Uno specchio 34 è posizionato tra prima e seconda apertura in modo tale che l<'>energia che entra nella seconda apertura 30 venga diretta verso la prima apertura 32. Nella forma di realizzazione preferita, lo specchio 34 è placcato con oro oppure è costituito di oro legato. Mentre l<'>invenzione viene descritta con prima e seconda apertura 30, 32 disposte ad angolo retto l<'>una rispetto all'altra, bisogna comprendere che possono venire scelti altri angoli a seconda della direzione desiderata per il campo visivo. One cylindrical extension 28 is connected to one end of the cylindrical chamber 12 near the lens 26. The cylindrical extension 28 is preferably cylindrical in shape and has a longitudinal axis substantially collinear with the longitudinal axis of the cylindrical chamber 12. The cylindrical extension 28 comprises a second aperture: 30. In the preferred embodiment, first and second apertures 30, 32 are arranged substantially at right angles to each other, are round, and have the same diameter. A mirror 34 is positioned between the first and second apertures such that the energy entering the second aperture 30 is directed towards the first aperture 32. In the preferred embodiment, the mirror 34 is gold-plated or consists of gold tied. While the invention is described with first and second apertures 30, 32 arranged at right angles to each other, it should be understood that other angles may be chosen depending on the desired direction for the field of view.

Vantaggiosamente, una termocoppia del tipo k 36 viene posizionata sul rivestimento della fibra ottica rastremata 14 vicino alla prima estremità 16. Il segnale elettrico proveniente dalla termocoppia viene inviato ad un visualizzatore (non mostrato) per indicare la temperatura del rivestimento. Advantageously, a thermocouple of the k type 36 is positioned on the coating of the tapered optical fiber 14 near the first end 16. The electrical signal from the thermocouple is sent to a display (not shown) to indicate the temperature of the coating.

La seconda estremità 18 della fibra ottica rastremata 14 è connessa ad una seconda fibra ottica 38 attraverso un adattatore SMA 40 di tipo ben noto nella tecnica. L'adattatore SMA 40 è posizionato all'interno di una guarnizione di rame 42. The second end 18 of the tapered optical fiber 14 is connected to a second optical fiber 38 through an SMA adapter 40 of a type well known in the art. The SMA 40 adapter is placed inside a 42 copper gasket.

Tornando ora alla figura 2, la sonda 10 viene mostrata estendentesi attraverso un'apertura per endoscopio 44 di un motore a turbina a gas 46. Un condotto per l'aria 48 è incluso per fornire aria all'apertura per aria ad alta pressione 22. Una valvola 50 è inclusa insieme con una pompa 52, o un altro sistema di adduzione dell'aria esterna, in modo da controllare l'aria inviata verso l'apertura per l'aria ad alta pressione 22. Un filtro per l'aria 54 è inoltre incluso nel sistema di adduzione dell'aria preferito. Convenientemente, la pompa 52 fornisce una pressione di 80-120 psia all'apertura per l'aria ad alta pressione 22. Returning now to FIG. 2, the probe 10 is shown extending through an endoscope port 44 of a gas turbine engine 46. An air duct 48 is included for supplying air to the high pressure air port 22. A valve 50 is included together with a pump 52, or other external air supply system, to control the air sent to the high pressure air port 22. An air filter 54 it is also included in the preferred air supply system. Conveniently, the pump 52 provides a pressure of 80-120 psia to the high pressure air port 22.

La , seconda fibra ottica 38 è connessa ad un rivelatore a fotodiodo a infrarossi e ad un convertitore 56 in modo da produrre un segnale elettrico in risposta all'energia ottica ricevuta. Il segnale proveniente dal rivelatore a fotodiodo e dal convertitore 56 viene inviato a un elaboratore di segnale 58 che è collegato ad un visualizzatore 60 o ad'un dispositivo di registrazione 62 oppure a entrambi. The second optical fiber 38 is connected to an infrared photodiode detector and to a converter 56 so as to produce an electrical signal in response to the received optical energy. The signal from the photodiode detector and from the converter 56 is sent to a signal processor 58 which is connected to a display 60 or a recording device 62 or both.

Nella formà di realizzazione preferita, la sonda 10 è girevole in modo da fornire un campo visivo di trecentosessanta gradì ed è estensibile e ritraibiìe all'interno dell'apertura per l'endoscopio 44. In the preferred embodiment, the probe 10 is rotatable to provide a field of view of three hundred and sixty degrees and is extendable and retractable within the aperture for the endoscope 44.

Applicabilità industriale Industrial applicability

Com'è ben noto nella tecnica, ogni punto all'interno di un motore a turbina a gas 46 emette energia pIttica indicativa della quantità di calore in corrispondenza di quel particolare punto. Durante il funzionamento, la sonda 10 si estende attraverso l'apertura per l'endoscopio 44 del motore a turbina a gas 46 o di qualsiasi altro dispositivo per il quale è importante conoscere la temperatura interna. L energia ottica emessa viene registrala e analizzata per determinare la temperatura in corrispondenza di vari punti all'interno del motore 46 in modo da prevedere la vita utile dei componenti e perfezionare il progetto del motore. As is well known in the art, each point within a gas turbine engine 46 emits pythic energy indicative of the amount of heat at that particular point. In operation, the probe 10 extends through the opening for the endoscope 44 of the gas turbine engine 46 or any other device for which it is important to know the internal temperature. The optical energy emitted is recorded and analyzed to determine the temperature at various points within the engine 46 in order to predict the useful life of the components and refine the engine design.

Per via delle temperature estreme all'interno del motore 46, le caritteristiche termiche dei materiali inclusi nella sonda fanno sì che le dimensìohi della sonda varino quando varia la temperatura della sonda. Questa area della sonda 10 è particolarmente critica poiché le variazioni dimensionali in questa area influenzano la posizione del punto focale della lente 26 rispetto all'estremità della fibra ottica rastremata 14. I problemi causati dagli effetti termici in questa area vengono ridotti per mezzo della fibra ottica rastremata 14 che presenta il suo diametro maggiore in corrispondenza della prima estremità 16. Ciò fornisce un "bersaglio" più grande per l'energìa che viene focalizzata sulla fibra per mezzo della lente 26. In tal modo anche se l'espansione termica o la contrazione causano lo spostamento del punto focale dell'energia che attraversa la lente 26, esiste un'aumentata probabilità che la fibra ottica rastremata 14 continui a ricevere energia. Due to the extreme temperatures inside the motor 46, the thermal characteristics of the materials included in the probe cause the dimensions of the probe to vary as the probe temperature changes. This area of the probe 10 is particularly critical since dimensional changes in this area affect the position of the focal point of the lens 26 relative to the end of the tapered optical fiber 14. Problems caused by thermal effects in this area are reduced by means of the optical fiber. tapered 14 which has its largest diameter at the first end 16. This provides a larger "target" for the energy which is focused on the fiber by the lens 26. Thus even if thermal expansion or contraction cause the focal point of the energy passing through the lens 26 to shift, there is an increased probability that the tapered optical fiber 14 will continue to receive energy.

L'impiego di una fibra ottica di un calcogenuro permette all'energia nello spettro infrarosso di venire analizzata. Questa caratteristica consente alla sonda di venire impiegata in connessione con temperature più basse, fino ad approssimativamente 450 °F. Similmente, l'energia con lunghezza d'onda più lunga nello spettro infrarosso aumenta la risoluzione spaziale del sistema permettendo all'energia proveniente dai più piccoli punti all'interno del motore 46 di venire campionata. The use of a chalcogenide optical fiber allows energy in the infrared spectrum to be analyzed. This feature allows the probe to be used in connection with lower temperatures, up to approximately 450 ° F. Similarly, longer wavelength energy in the infrared spectrum increases the spatial resolution of the system by allowing energy from smaller points within the motor 46 to be sampled.

Quando la prima apertura è diretta verso un punto particolare, l'energia ottica indicativa della temperatura in quel punti entra nella seconda apertura 30 e viene diretta verso la prima apertura 3Z per mezzo dello specchio 34. L'impiego di due aperture fornisce un campo visivo maggiormente collimato che rende l'energia ricevuta meno dipendente dalla distanza dal punto di interesse all'interno del motore 46. Anche la lente di zaffiro 26 migliora la collimazione. When the first aperture is directed towards a particular point, the optical energy indicative of the temperature at that point enters the second aperture 30 and is directed towards the first aperture 3Z by means of the mirror 34. The use of two apertures provides a field of view more collimated which makes the received energy less dependent on the distance from the point of interest within the motor 46. The sapphire lens 26 also improves collimation.

Altri aspetti, scopi, e vantaggi della presente invenzione possono venire desunti dallo studio dei disegni, della descrizione, e delle rivendicazioni allegate. Other aspects, objects, and advantages of the present invention can be deduced from the study of the drawings, the description, and the attached claims.

Claims

CLAIMS 1. Probe for a pyrometer, comprising: a cylindrical chamber arranged to extend inside a device and to receive energy indicative of the temperature; a; tapered optical fiber arranged inside said cylindrical chamber having a substantially larger diameter at a first end compared to the second end; a lens disposed inside said cylindrical chamber and having a focal length substantially equal to the distance between the first end of said optical fiber and said lens, said lens focusing said energy indicative of the temperature on said first end of said tapered optical fiber; a cooling system having an opening for the air and a plurality of forced convection fins, an element comprising a first opening; and a cylindrical extension comprising a second aperture, said energy indicative of temperature traveling through said first and second apertures prior to reaching said lens.