RU1841079C

RU1841079C - Optical pyrometric transducer objective-lens

Info

Publication number: RU1841079C
Application number: SU3093622/28A
Authority: RU
Inventors: Юрий Николаевич Марфин; Зиннур Габденурович Гарейшин; Ирек Тимерьянович Губайдуллин; Марат Тумрисович Валеев; Валерий Алексеевич Шипигусев
Original assignee: ОАО "Уфимское научно-производственное предприятие "Молния"
Priority date: 1984-07-10
Filing date: 1984-07-10
Publication date: 2015-05-27

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: objective-lens comprises inlet leuco-sapphire window sealed in cylindrical metal case with the help of the frame metal sleeve with bead directed inward, toward leuco-sapphire window axis and telescopically coupled with said case. One of the frame sleeve ends has two opposed beads. Outer bead directed outward is located above said leuco-sapphire window. Inner bead abuts on outer surface of said leuco-sapphire window. Bead ID is smaller than window diameter.

EFFECT: increased aperture speed, stable light transmission.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к бесконтактным средствам измерения температуры поверхности нагретых тел - оптическим пирометрическим преобразователям (ОПП), в частности к конструкции его узла - объектива. Изобретение может найти применение в ОПП, предназначенных для измерения температуры поверхности рабочих лопаток турбины газотурбинных двигателей (ГТД), обнаружения розжига пламени в форсажной и основной камерах сгорания ГТД, в камерах сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД).The invention relates to non-contact means for measuring the surface temperature of heated bodies - optical pyrometric transducers (OPP), in particular to the design of its node - lens. The invention may find application in the OPP designed to measure the surface temperature of the working blades of a turbine of gas turbine engines (GTE), detect ignition of a flame in the afterburner and main combustion chambers of a gas turbine engine, in the combustion chambers of ramjet engines.

Известен радиационный пирометр [1], объектив которого содержит защитное лейкосапфировое окно (ЛО), впаянное во втулку с буртиком, обращенным вовнутрь, в сторону оси ЛО. Объектив этого радиационного пирометра имеет невысокую светосилу вследствие малого рабочего оптического диаметра ЛО, нестабильного светопропускания объектива в процессе длительной эксплуатации из-за отложения копоти продуктов неполного сгорания топлива на наружной оптической поверхности ЛО.Known radiation pyrometer [1], the lens of which contains a protective leucosapphire window (LO), soldered into the sleeve with a shoulder, facing inward, towards the axis of the LO. The lens of this radiation pyrometer has a low aperture due to the small working optical diameter of the LO, the unstable light transmission of the lens during long-term operation due to the deposition of soot products of incomplete fuel combustion on the outer optical surface of the LO.

Известен также ОПП, объектив которого также содержит защитное ЛО и втулку-оправу, выполненную в виде полого цилиндра с буртиком, обращенным в сторону оси защитного ЛО. Объектив данного ОПП обладает аналогичными недостатками - недостаточной светосилой, нестабильностью светопропускания.An OPP is also known, the lens of which also contains a protective LO and a sleeve-barrel made in the form of a hollow cylinder with a shoulder facing the axis of the protective LO. The lens of this OPP has similar disadvantages - insufficient aperture ratio, instability of light transmission.

Наиболее близким техническим решением к заявленному устройству является конструкция объектива ОПП, представленная в [3]. Объектив известного технического решения состоит из защитного ЛО и металлического корпуса, соединенных между собой пайкой. Металлический корпус в этом объективе выполнен в виде составного полого цилиндра, содержащего втулку-оправу с одним буртиком, обращенным в сторону наружней поверхности защитного ЛО и основного цилиндрического корпуса. Втулка-оправа и основной цилиндр сопрягаются телескопическим сочленением, причем величина общей сопрягаемой поверхности составляет 1…4 толщины защитного ЛО. Сочленение герметично фиксируется посредством пайки. Данная конструкция объектива ОПП имеет невысокую светосилу, т.к. буртик втулки-оправы и мениск припоя перекрывают часть оптической поверхности защитного ЛО и уменьшают эффективную рабочую площадь защитного ЛО. Такая конструкция объектива ОПП не обеспечивает стабильности светопропускания, т.к. значительные размеры буртика втулки-оправы и мениска припоя способствуют отложению грязи, копоти, продуктов неполного сгорания топлива на наружной оптической поверхности защитного ЛО.The closest technical solution to the claimed device is the design of the lens OPP, presented in [3]. The lens of the known technical solution consists of a protective LO and a metal body interconnected by soldering. The metal body in this lens is made in the form of a composite hollow cylinder containing a sleeve-rim with one shoulder facing the outer surface of the protective LO and the main cylindrical body. The sleeve-frame and the main cylinder are telescopic mating, and the total mating surface is 1 ... 4 thickness of the protective LO. The joint is hermetically fixed by soldering. This design of the OPP lens has a low aperture ratio, because the flange of the sleeve-rim and the solder meniscus overlap part of the optical surface of the protective LO and reduce the effective working area of the protective LO. This design of the OPP lens does not provide stability of light transmission, because significant sizes of the flange of the sleeve-frame and the meniscus of solder contribute to the deposition of dirt, soot, products of incomplete combustion of fuel on the outer optical surface of the protective LO.

Целью настоящего изобретения является повышение точности измерения оптического пирометрического преобразователя, светосилы и стабильности светопропускания объектива.The aim of the present invention is to improve the measurement accuracy of the optical pyrometric transducer, aperture ratio and stability of the light transmission of the lens.

Указанная цель достигается тем, что в известной конструкции объектива ОПП, содержащем входное защитное ЛО, герметично запаянное в металлический корпус цилиндрической формы при помощи металлической втулки-оправы, имеющей буртик, обращенный вовнутрь к оси ЛО и соединенный телескопически с корпусом, втулка-оправа выполнена в виде конструкции с двумя буртиками на одном из торцов, обращенными в противоположные стороны, причем внешний буртик, обращенный наружу, расположен над лейкосапфировым окном, а внутренний буртик, ориентированный вовнутрь к оси объектива, прилегает к наружной поверхности ЛО, меньший диаметр внутреннего буртика меньше диаметра ЛО, при этом отношение большого диаметра внешнего буртика и его ширины к посадочному диаметру ЛО составляет соответственно 1,03…1,30 и 0,007…0,15, а отношение меньшего диаметра внутреннего буртика и его ширины к посадочному диаметру ЛО составляет соответственно 0,97…0,99 и 0,004…0,02, а толщина стенки посадочной части цилиндрической втулки-оправы за пределами буртиков составляет 0,02…0,05 посадочного диаметра ЛО.This goal is achieved by the fact that in the known design of the OPP lens containing the input protective LO, hermetically sealed in a metal housing of a cylindrical shape using a metal sleeve-rim having a flange facing inward to the axis of the LO and connected telescopically to the body, the sleeve-rim is made in in the form of a construction with two shoulders on one of the ends facing in opposite directions, with the outer bead facing outward located above the leucosapphire window, and the inner bead oriented outward three to the axis of the lens, adjacent to the outer surface of the LO, the smaller diameter of the inner flange is less than the diameter of the LO, while the ratio of the large diameter of the outer shoulder and its width to the landing diameter of the LO is 1.03 ... 1.30 and 0.007 ... 0.15, respectively the ratio of the smaller diameter of the inner flange and its width to the landing diameter of the LO is 0.97 ... 0.99 and 0.004 ... 0.02, respectively, and the wall thickness of the landing part of the cylindrical sleeve-frame outside the beads is 0.02 ... 0.05 of the landing diameter LO.

Цель достигается также и тем, что ЛО выполнено в виде плоско-выпуклой лейкосапфировой линзы и обращено выпуклой поверхностью в сторону внутреннего буртика, а внешний буртик втулки-оправы имеет спрофилированную обтекаемую форму, например в виде конической поверхности, образующая которой направлена по касательной к выпуклой поверхности линзы при сопряжении ее с передним торцом втулки-оправы.The goal is also achieved by the fact that the LO is made in the form of a plano-convex leucosapphire lens and faces with a convex surface towards the inner flange, and the outer flange of the sleeve-frame has a profiled streamlined shape, for example in the form of a conical surface, the generatrix of which is directed tangentially to the convex surface lenses when pairing it with the front end of the sleeve-frames.

Цель достигается тем, что в известном способе закрепления входного защитного ЛО объектива ОПП, заключающемся в предварительной сборке объектива, состоящего из ЛО, цилиндрической титановой втулки-оправы, коваровой втулки-корпуса, причем ЛО вставлено вовнутрь втулки-оправы, а втулка-оправа телескопически соединена с втулкой-корпусом, в укладке дозы припоя в технологическую проточку - зазор в месте телескопического сочленения втулки-оправы и втулки-корпуса, в помещении собранного объектива в вакуумную термическую установку /печь/ в вертикальном положении, в установлении технологического груза на свободный верхний торец втулки-корпуса, в создании контролируемой атмосферы в зоне пайки объектива, например, вакуума внутри колпака печи, в установке и поддержании заданного температурного режима, получении жидкой текучей фазы припоя, смачивании и диффузии припоя по сочленяемым поверхностям защитного окна, втулки-оправы, втулки-корпуса, дополнительно втулку-оправу выполняют в виде цилиндра с двумя буртиками, обращенными в противоположные стороны, причем внутренний буртик обеспечивает удержание ЛО от перемещения вниз при пайке объектива под действием технологического груза и смачивания припоя, а параметры режима пайки - температуру, длительность, вакуум - задают исходя из условия обеспечения гарантированного протекания, смачивания жидкой фазой припоя сопрягаемых цилиндрических поверхностей обеих втулок, защитного ЛО и части периферии, торцевой поверхности ЛО, а также контролируют допустимую величину мениска припоя, образующегося на границе торцевой поверхности защитного ЛО и внешней цилиндрической поверхности внутреннего буртика.The goal is achieved by the fact that in the known method of fixing the input protective LO of the OPP lens, which consists in preassembling the lens, consisting of LO, a cylindrical titanium sleeve-frame, insidious sleeve-body, and LO is inserted inside the sleeve-frame, and the sleeve-frame is telescopically connected with a sleeve-body, in laying the dose of solder in the technological groove - a gap at the telescopic joint of the sleeve-frame and sleeve-body, in the premises of the assembled lens in a vacuum thermal installation / furnace / vertically in the technological position on the free upper end of the sleeve-body, in creating a controlled atmosphere in the area of the lens soldering, for example, vacuum inside the furnace cap, in setting and maintaining the specified temperature regime, obtaining a liquid fluid phase of the solder, wetting and diffusion of the solder in the articulated surfaces of the protective window, sleeve-frame, sleeve-body, optionally, the sleeve-frame is made in the form of a cylinder with two flanges facing in opposite directions, with both inner flange it keeps the LO from moving downward when brazing the lens under the action of technological load and wetting the solder, and the parameters of the soldering mode — temperature, duration, vacuum — are set based on the conditions for ensuring guaranteed flowing, wetting of the mating cylindrical surfaces of both bushings, the protective LO and part the periphery, the end surface of the LO, and also control the allowable size of the meniscus of solder formed on the boundary of the end surface of the protective LO and the outer cylindrical surface Nost inner collar.

Заявляемая конструкция объектива ОПП по сравнению с прототипом [3] имеет существенные отличительные признаки, т.е. обладает новизной, к существенным отличительным признакам следует отнести:The inventive design of the lens OPP in comparison with the prototype [3] has significant distinguishing features, ie possesses novelty, the essential distinguishing features include:

1) конструктивное исполнение втулки-оправы;1) the design of the sleeve-frame;

2) наличие двух буртиков;2) the presence of two shoulders;

3) ориентация буртиков;3) the orientation of the beads;

4) соотношение размеров буртиков;4) the ratio of the size of the beads;

5) соотношение размера толщины стенки посадочной части втулки-оправы;5) the ratio of the size of the wall thickness of the landing part of the sleeve-frame;

а такжеas well as

6) конструктивное исполнение лейкосапфирового окна в виде плоско-выпуклой линзы;6) the design of the leucosapphire window in the form of a flat convex lens;

7) ориентация линзы относительно втулки-оправы;7) the orientation of the lens relative to the sleeve-frames;

8) конструктивное исполнение внешнего буртика втулки-оправы;8) the design of the outer flange of the sleeve-frames;

9) ориентация конической поверхности внешнего буртика относительно выпуклой поверхности лейкосапфировой линзы.9) the orientation of the conical surface of the outer flange relative to the convex surface of the leucosapphire lens.

Заявляемое техническое решение (устройство) обладает также существенными отличиями от известных технических решений, т.к. в известных технических решениях [1] признаков, сходных с признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа, т.е. признаков 1)…9), нет. Таким образом, все эти признаки в отдельности и в совокупности обуславливают существенное отличие. Именно такие отличительные признаки позволяют достигнуть положительный эффект - повысить точность измерения оптического пирометрического преобразователя, повысить светосилу и стабильность светопропускания объектива ОПП. Отсутствие какого-либо одного из признаков 1)…3) приводит к потере частично или полностью положительного эффекта.The claimed technical solution (device) also has significant differences from the known technical solutions, because in known technical solutions [1] features similar to those that distinguish the claimed technical solution from the prototype, ie signs 1) ... 9), no. Thus, all these signs individually and in the aggregate cause a significant difference. It is precisely such distinguishing features that make it possible to achieve a positive effect — to increase the measurement accuracy of the optical pyrometric transducer, and to increase the aperture ratio and stability of light transmission of the OPP lens. The absence of any one of the signs 1) ... 3) leads to the loss of a partially or completely positive effect.

Заявляемый способ закрепления входного защитного лейкосапфирового окна объектива ОПП по сравнению с прототипом [3] имеет существенные отличительные признаки, т.е. обладает новизной. К существенным отличительным признакам следует отнести:The inventive method of fixing the input protective leucosapphire window of the OPP lens in comparison with the prototype [3] has significant distinguishing features, i.e. has novelty. Significant distinguishing features include:

1) выполнение втулки-оправы, участвующей в процессе пайки, с удерживающим внутренним буртиком;1) the implementation of the sleeve-frames involved in the soldering process, with a retaining inner flange;

2) удержание лейкосапфирового окна от перемещения вниз под действием технологического груза и смачивания припоем;2) keeping the leucosapphire window from moving down under the influence of the process load and wetting with solder;

3) задание режима технологической операции (температура, длительность, вакуум);3) setting the operation mode (temperature, duration, vacuum);

4) смачивание жидкой фазой припоя сопрягаемых цилиндрических поверхностей обеих втулок, защитного лейкосапфирового окна и части периферии торцевой поверхности лейкосапфирового окна;4) wetting with a liquid phase of solder of the mating cylindrical surfaces of both bushings, a protective leucosapphire window and a part of the periphery of the end surface of the leucosapphire window;

5) визуальный контроль допустимой величины мениска припоя в процессе пайки.5) visual control of the permissible meniscus size of the solder during the soldering process.

Заявляемое техническое решение (способ) обладает также существенными отличиями от известных технических решений, т.к. в известных технических решениях [1] признаков, сходных с признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа, т.е. признаков 1)…5), нет. Таким образом, все эти признаки в отдельности и в совокупности обуславливают существенные отличия. Такие отличительные признаки позволяют достигнуть положительный эффект - увеличение рабочей оптической поверхности защитного лейкосапфирового окна, увеличение светосилы объектива, точности измерения и сокращение расхода припоя. Отсутствие какого-либо одного из признаков 1)…5) приводит к потере частично или полностью положительного эффекта.The claimed technical solution (method) also has significant differences from the known technical solutions, because in known technical solutions [1] features similar to those that distinguish the claimed technical solution from the prototype, ie signs 1) ... 5), no. Thus, all these signs individually and in the aggregate cause significant differences. Such distinguishing features make it possible to achieve a positive effect - an increase in the working optical surface of the protective leucosapphire window, an increase in the aperture ratio of the lens, measurement accuracy, and a reduction in the consumption of solder. The absence of any one of the signs 1) ... 5) leads to the loss of a partially or completely positive effect.

На Фиг. 1 представлена конструкция объектива ОПП. На Фиг. 2 представлен другой вариант конструкции объектива ОПП. На Фиг. 3 представлена схема технологической установки для осуществления способа закрепления объектива ОПП.In FIG. 1 shows the design of the lens OPP. In FIG. 2 shows another design of the OPP lens. In FIG. 3 presents a diagram of a technological installation for implementing the method of attaching an OPP lens.

Объектив ОПП может быть выполнен в виде конструкции, представленной на Фиг. 1. Во втулку-оправу 1, выполненную, например, из титана марки ОТ-4-1, по посадке Н8/9 вставлено защитное окно 2, выполненное, например, в виде лейкосапфирового диска, а также вставлена сочленяемая часть металлического корпуса 3, изготовленного, например, из коварового сплава НК29 или материала НК33. Втулка-оправа 1, защитное окно 2 и корпус 3 герметично и неразъемно соединены посредством пайки припоем на основе серебра, например марки ПСР-72, находящимся в полости 4. Объектив ОПП может быть выполнен в конструкции, представленной на Фиг. 2. В этом варианте изменена конструкция, форма защитного окна, а также форма внешнего буртика. Окно выполнено в виде плоско-выпуклой линзы, а внешний буртик имеет форму усеченного конуса.The OPP lens can be made in the form of the construction shown in FIG. 1. A protective window 2, made, for example, in the form of a leucosapphire disk, is inserted into the sleeve-frame 1, made, for example, of titanium grade OT-4-1, for landing Н8 / 9, and an articulated part of the metal case 3 made , for example, from the insidious alloy NK29 or material NK33. The barrel sleeve 1, the protective window 2 and the housing 3 are hermetically and permanently connected by soldering with silver-based solder, for example, ПСР-72 grade, located in the cavity 4. The OPP lens can be made in the design shown in FIG. 2. In this embodiment, the design, the shape of the protective window, as well as the shape of the outer flange are changed. The window is made in the form of a flat convex lens, and the outer bead has the shape of a truncated cone.

Способ закрепления объектива ОПП может быть реализован следующим образом.The method of fixing the lens OPP can be implemented as follows.

Объектив ОПП, предварительно собранный и снабженный необходимой дозой припоя, помещается под колпак 5 вакуумной печи 6, на верхнюю часть объектива устанавливается технологический грузик 7. Далее создается необходимый уровень вакуума под колпаком, задается требуемый температурный режим. При достижении требуемой температуры припой начинает плавиться, смачивает сопряжаемые поверхности втулки-оправы, корпуса и защитного окна и под действием гравитационного поля и капиллярного напора протекает к нижнему торцу втулки-оправы, и далее диффундирует в материал втулки-оправы, корпуса и защитного окна. Значение температуры, длительность подбирают экспериментально и обеспечивают требуемую скорость натекания, смачивания припоем сопрягаемых поверхностей, при этом визуально контролируют мениск припоя 4 через окно 8 печи 6, далее ступенчато снижают температуру вакуум под колпаком 5, вынимают объектив, контролируют величину мениска припоя и степень герметичности пайки.The OPP lens, pre-assembled and equipped with the necessary dose of solder, is placed under the hood 5 of the vacuum oven 6, a technological weight is installed on the top of the lens 7. Next, the necessary vacuum level is created under the hood, the required temperature regime is set. When the required temperature is reached, the solder begins to melt, wetts the mating surfaces of the sleeve, the case and the protective window, and flows under the influence of the gravitational field and capillary pressure to the lower end of the sleeve, and then diffuses into the material of the sleeve, the case, and the protective window. The temperature value, the duration are selected experimentally and provide the required speed of leakage, wetting of the mating surfaces by solder, while the meniscus of the solder 4 is visually controlled through the window 8 of the furnace 6, then the vacuum under the hood 5 is gradually reduced, the lens is removed, the size of the solder meniscus and the degree of tightness of the solder are controlled .

Заявляемое техническое решение по сравнению с прототипом позволяет:The claimed technical solution in comparison with the prototype allows you to:

1. Уменьшить величину мениска припоя, т.е. уменьшается величина растекания припоя на 0,5-1,0 мм, что при посадочном диаметре защитного окна ⌀=9,0 мм увеличивает рабочую площадь окна на 20-25%, что дает эквивалентное увеличение светосилы объектива на 4…6%, точности измерения на 4…5%.1. Reduce the size of the meniscus solder, ie the size of the spreading of solder decreases by 0.5-1.0 mm, which, with the landing diameter of the protective window ⌀ = 9.0 mm, increases the working area of the window by 20-25%, which gives an equivalent increase in lens aperture by 4 ... 6%, measurement accuracy by 4 ... 5%.

2. Уменьшить загрязнение объектива продуктами сгорания, т.е. приводит к увеличению ресурса объектива между регламентными работами. Экспериментальные работы, проведенные с макетными образцами ОПП типа ОПП-16Т, ОПП-99В, ОПП-94, показали, что наработка до проведения регламента может быть увеличена в 3-5 раз, что эквивалентно уменьшению прямых эксплуатационных расходов, связанных с обслуживанием ОПП и ГТД.2. To reduce the pollution of the lens with combustion products, ie leads to an increase in the resource of the lens between routine maintenance. Experimental work carried out with prototype OPP-16T, OPP-99V, OPP-94 prototypes showed that the operating time before the procedure can be increased by 3-5 times, which is equivalent to a decrease in direct operating costs associated with maintenance of the OPP and gas turbine engine .

Claims

1. The lens of the optical pyrometric transducer, containing the input protective leucosapphire window, hermetically sealed in a cylindrical metal case with a metal sleeve of a frame having a shoulder facing inwardly to the axis of the leucosapphire window and telescopically connected to the case, characterized in that, in order to improve accuracy measurements, aperture ratio, stability of light transmission, one of the ends of the sleeve-frame is made with two shoulders facing in opposite directions, and the outer drill IR facing outwardly disposed above leykosapfirovym window, and the inner bead is formed adjacent to the outer surface leykosapfirovogo window, wherein the inner diameter of the smaller diameter bead selected window.

2. The lens of the optical pyrometric transducer according to claim 1, characterized in that the leucosapphire window is made in the form of a plano-convex lens facing outward with a convex surface, and the outer bead has a shape in the form of a conical surface, the generatrix of which is directed tangentially to the convex surface of the lens at pairing it with the front end of the barrel sleeve.