WO2009135814A1 - Temperaturmessung an teilen einer strömungsmaschine - Google Patents

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WO2009135814A1
WO2009135814A1 PCT/EP2009/055345 EP2009055345W WO2009135814A1 WO 2009135814 A1 WO2009135814 A1 WO 2009135814A1 EP 2009055345 W EP2009055345 W EP 2009055345W WO 2009135814 A1 WO2009135814 A1 WO 2009135814A1
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optical waveguide
black body
body layer
temperature
glass fiber
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PCT/EP2009/055345
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Thomas Bosselmann
Thorsten Thiel
Michael Willsch
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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    • G01J5/04—Casings
    • G01J5/046—Materials; Selection of thermal materials

Definitions

  • the present invention relates to a method and an arrangement for measuring the temperature at a part of a turbomachine, for example a guide vane or the combustion chamber wall of a gas turbine.
  • Turbomachines such as steam or gas turbines, are used as heat-power machines in the art to convert an energy stored in a gas stream into a mechanical energy, in particular a rotational movement.
  • the temperature of a gas flow flowing into the gas turbine is increased to more than 1200 0 C.
  • the blades of the turbine are provided with a coating which withstands a particularly high load.
  • Such a coating is, for example, the so-called thermal barrier coating of blades of a gas turbine, referred to below as TBC, wherein an airfoil is provided on its gas flow-exposed surface with such a coating.
  • TBC thermal barrier coating of blades of a gas turbine
  • an airfoil is provided on its gas flow-exposed surface with such a coating.
  • a coating for example, "yttrium stabilized zirconia" is contemplated, and because of the temperature dependence of the efficiency, it is desirable to raise the temperature of the gas flow to a maximum limit without damaging the TBC, which requires measurement methods and devices for accurate temperature determination of the TBC Blade surfaces and in particular the blade surface coatings during operation of the turbomachine.
  • thermocouples A common possibility for determining the temperature is the attachment of thermocouples to the position to be investigated. len. Due to the high temperatures in the gas stream of the turbomachine, the thermocouples usually fail after a few hours of operation and are destroyed in most cases.
  • thermocouples An alternative to thermocouples are optical pyrometers with which the temperature of the object can be optically deduced from the radiation emitted by the hot object to be examined.
  • the problem is that the TBC coating in gas turbines is to a considerable extent transparent to heat radiation. It therefore allows heat radiation to pass through other objects.
  • a temperature determination based on the heat radiation from the direction of the TBC layer is possibly greatly distorted. This is known to be solved by recording the
  • a fiber such as sapphire fiber is used, the end of which is provided with a black body layer. This is brought into contact with the TBC layer, whereby the black body layer largely assumes the temperature of the TBC layer.
  • the thermal radiation generated by the black body layer is conducted from the fiber to a receiver.
  • the problem here are the already mentioned high operating temperatures. With glass fibers, these lead to degradation phenomena, which reduce the service life of the pyrometer or at least the measuring accuracy.
  • the use of high-temperature-stable sapphire fibers at the location of the glass fibers in turn has the disadvantage that sapphire fibers have a higher flexural sensitivity and are therefore harder to lay.
  • the aim is in particular the determination of the temperature to 1 0 C exactly.
  • This object is achieved by a device having the features of claim 1.
  • the dependent claims relate to advantageous embodiments of the device according to the invention.
  • the device according to the invention serves for the pyrometric measurement of the temperature of a surface coating, for example a so-called thermal barrier coating (TBC) of a part of a turbomachine. It has a black body layer arranged on the surface coating for emitting heat radiation and an optical waveguide for transmitting the thermal radiation. In this case, the surface coating facing the end of the optical waveguide has a distance from the surface coating.
  • TBC thermal barrier coating
  • the black body layer is mounted on the side of the surface coating facing away from the surface of the part of the turbomachine.
  • the black body layer points to the inside, for example, of the rotor blade, so it is expedient to observe it also from the inside of the part of the turbomachine.
  • the black body layer is expediently mounted directly on the surface coating, and thus, like the surface coating itself, is essentially parallel to the surface of the part of the turbomachine.
  • the optical waveguide looks at a not too far 90 ° angle, ideally perpendicular to the blackbody layer. For this he has his end at least in the direction perpendicular to the surface of the
  • the invention has the advantage that the advantageous use of a glass fiber is made possible even at the highest turbine temperatures, for example 1400 ° C. Glass fibers, however, are less sensitive to bending and therefore easier to lay. Sapphire fibers also have the disadvantage that they have no sheath and therefore heat radiation can also couple laterally into the fiber, resulting in measurement inaccuracy.
  • the distance is more than 1 mm, in particular more than 2 mm or more than 5 mm.
  • the surface coating is a coating of a metal carrier. On the side facing away from the surface coating of the metal expedient cooling air is passed over. This creates a strong temperature gradient in the metal, which can be several hundred 0 C per cm. Therefore, the temperature to which the optical waveguide is exposed decreases with increasing distance from the surface coating.
  • the device is therefore configured such that only light of the black body layer couples into the optical waveguide.
  • a lens may be provided at the end of the optical waveguide.
  • the end of the optical fiber itself may form a lens by providing the end with a microstructure. It is thereby achieved that the area "visible" to the optical waveguide is limited to the extent of the blackbody layer Alternatively, it is also possible to make the black body layer extended so that it fills the entire field of view of the optical waveguide, whereby a lens is unnecessary.
  • the blackbody layer is platinum and is less than 100 microns thick. Platinum is highly temperature stable and does not oxidize, so that the emissivity of the blackbody layer remains substantially constant.
  • a thin as possible, in particular 10 microns thick layer has the advantage of showing a low temperature gradient across the thickness, whereby a very accurate measurement is possible.
  • the device according to the invention can advantageously be used in a gas turbine.
  • the temperature measurement is advantageous for example on the turbine wall, but also on blades and vanes.
  • a simple, reliable and accurate temperature determination of the surface coating can be achieved with the device according to the invention, whereby more effective operation can be ensured and expensive downtime due to maintenance and repair because of destroyed surface coatings, for example on the blades, can be further reduced.
  • an increase in the availability of a gas turbine equipped with a power supply can be achieved.
  • the surface coating is arranged on a metallic carrier and a part of the optical waveguide runs in the carrier, then it is advantageous if this part of the optical waveguide is surrounded by a protective capsule which has a lower heat conduction than the carrier. As a result, the temperature of the optical waveguide is additionally reduced. It is particularly advantageous if the optical waveguide runs in the region of a guide or moving blade such that it has a distance of at least 1 mm to each hot surface of the blade. In other words, the optical waveguide is guided with a certain distance inside the blade and is not just embedded in the surface. At a temperature gradient within the blade of, for example, 300 0 C per mm distance from the wall, this leads to a significant thermal discharge of the optical waveguide. Also in the area of the black body layer, this distance is maintained as already described. As a result, it is possible, for example, advantageously to use a quartz glass fiber instead of a sapphire fiber.
  • the TBC coating is approx. 100 ⁇ m thick.
  • the layer is largely transparent due to their composition to thermal radiation, which occur at the high temperatures of the gas turbine.
  • On the other side of the wall 3 is the cooling air space 4.
  • the structure causes a high temperature gradient over between the turbine interior 1 and the cooling air space 4.
  • the temperature has already fallen to 950 0 C.
  • the temperatures are to be understood here as exemplary values.
  • a bore is now provided for measuring the temperature at the boundary layer between the TBC coating 2 and the metallic part of the turbine wall 3 in the metallic part, which extends to the TBC coating 2.
  • a black body layer 9 is applied on the thus exposed inner surface of the TBC coating 2.
  • the black body layer 9 is made of other high temperature resistant materials such as iridium or tungsten or a known commercially available metal alloy. Other layer thicknesses are conceivable such as 2 microns or 5 microns.
  • the black body layer 9 must remain opaque to heat radiation and also the life of the black body layer 9 must be taken into account.
  • a protective tube 5 which lines the wall of the bore.
  • the protective tube 5 has a lower thermal conductivity than the surrounding metal.
  • a quartz glass fiber 6 At a distance of, for example, 1 mm from the black body layer 9 begins a quartz glass fiber 6. It is a standard fiber, for example, 50/125 microns, 61/125 microns, 100/140 microns or 200/220 microns. It extends in the protective tube 5, as far as the protective tube 5 extends and expediently ends at a detector for receiving the heat radiation of the black body layer 9. The detector is not shown in the figures. Since the quartz glass fiber 6 terminates at a distance from the black body layer 9, its field of view 11 is greater than the diameter of the fiber core 7.
  • the size of the black body layer 9 is therefore selected in this example so that it fills the entire field of view 11 of the quartz glass fiber 6 , This ensures that only thermal radiation of the black body layer 9 falls into the quartz glass fiber 6 and is forwarded by this, whereby errors in the accurate measurement of the temperature can be prevented.
  • the black body layer 9 largely assumes the metal-side temperature of the TBC coating 2.
  • the black body layer 9 then emits heat radiation according to its temperature, and the heat radiation is picked up by the quartz glass fiber 6 and sent to a detector. From the heat radiation, the temperature of the black body layer 9 and thus of the TBC coating 2 can be determined in another known manner. From the figures, it can be seen that the distance between the end of the quartz glass fiber 6 and the black body layer 9, the quartz glass fiber 6 is disposed in a region of significantly reduced temperature with respect to the black body layer 9.
  • the quartz glass fiber 6 only temperatures of up to about 600 0 C. This is not a problem for a quartz glass fiber 6 and the use of, for example, a sapphire fiber is unnecessary.
  • FIG. 2 accordingly shows an embodiment in which the distance between the end of the quartz glass fiber 6 and the black body layer 9 is two millimeters.
  • the field of view 11 of the quartz glass fiber 6 would result in this case without further adaptation of the structure to a relatively large black body layer 9. Therefore
  • the end of the quartz glass fiber 6 facing the black body layer 9 has a liner taper 8, ie a rounded end face.
  • the light path is parallelized by imaginary light beams that originate from the quartz glass fiber 6, ie, the field of view 11 is narrowed for the incident heat radiation. It is expedient to restrict the field of view 11 in such a way that the black body layer 9 does not have to be larger than the protective tube 5.
  • a third embodiment according to FIG. 3 shows the end of the quartz glass fiber 6 at a distance of 5 mm from the black body layer 9. This achieves a sharp reduction in the temperature in the region of the end of the quartz glass fiber 6.
  • a ball lens 10 is provided in this case, which is located upstream of the end of the quartz glass fiber 6. By the ball lens 10, the beam path is parallelized in this example, so that even more distances beyond 5 mm can be realized.
  • the invention is not limited to the illustrated embodiments.
  • the use of the protective tube 5 is not absolutely necessary. Also shorter distances than 1 mm or longer distances than 5 mm can be used.
  • the quartz glass fiber 6 instead of the quartz glass fiber 6, another fiber may be used, for example a sapphire fiber.

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Abstract

Für die pyrometrische Temperaturmessung an einem bis zu 500°C heißen Teil einer Gasturbine, beispielsweise deren Schaufel oder Wandung, wird vorgeschlagen, eine Glasfaser zu verwenden. Am Teil selbst wird eine Schwarzkörperfläche vorgesehen. Das Ende der Glasfaser behält einen Abstand, beispielsweise 1-5 mm, von der Schwarzkörperfläche, um die thermische Degradierung der Faser zu verhindern. Die Wärmestrahlung von der Schwarzkörperfläche wird von der Glasfaser aufgefangen. Die Schwarzkörperfläche wird in ihrer Größe an das Sichtfeld der Faser angepasst. Alternativ oder zusätzlich ist eine Linse am Ende der Faser vorgesehen.

Description

Beschreibung
Temperaturmessung an Teilen einer Strömungsmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung der Temperatur an einem Teil einer Strömungsmaschine, beispielsweise einer Leitschaufel oder der Brennkammerwand einer Gasturbine.
Strömungsmaschinen, wie beispielsweise Dampf- oder Gasturbinen, werden als Wärme-Kraft-Maschinen in der Technik eingesetzt, um eine in einem Gasstrom gespeicherte Energie in eine mechanische Energie zu überführen, insbesondere eine Drehbewegung. Um den Wirkungsgrad solcher Maschinen zu erhöhen, werden immer höhere physikalische Anforderungen an die verwendeten Materialien der Strömungsmaschine gestellt. So wird zur Erhöhung des Wirkungsgrads einer Gasturbine die Temperatur einer in die Gasturbine einströmenden Gasströmung auf mehr als 12000C gesteigert. Um den hohen physikalischen An- forderungen, insbesondere aufgrund der Temperatur, standhalten zu können, werden die Schaufeln der Turbine mit einer Be- schichtung versehen, die einer besonders hohen Beanspruchung standhält. Eine solche Beschichtung ist beispielsweise das so genannte Thermal Barrier Coating von Schaufeln einer Gastur- bine, im folgenden TBC genannt, wobei ein Schaufelblatt an seiner der Gasströmung ausgesetzten Oberfläche mit einer derartigen Beschichtung versehen wird. Als Beschichtung kommt beispielsweise „Yttrium stabilisiertes Zirkoniumoxid" in Frage. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Wirkungsgrades ist es wünschenswert, die Temperatur der Gasströmung bis zu einem maximalen Grenzwert zu erhöhen, ohne dass das TBC beschädigt wird. Dazu bedarf es Messverfahren und Vorrichtungen zur genauen Temperaturbestimmung der Schaufeloberflächen und insbesondere der Schaufeloberflächenbeschichtungen während des Betriebes der Strömungsmaschine.
Eine gängige Möglichkeit zur Temperaturbestimmung ist die Anbringung von Thermoelementen an die zu untersuchenden Stel- len. Aufgrund der hohen Temperaturen im Gasstrom der Strömungsmaschine fallen die Thermoelemente in der Regel nach einigen Stunden Betriebszeit aus und sind in den meisten Fällen zerstört.
Eine Alternative zu Thermoelementen stellen optische Pyrometer dar, mit denen aus der vom zu untersuchenden heißen Objekt abgestrahlten Strahlung auf optischem Wege auf die Temperatur des Objektes schließen kann. Problematisch ist dabei, dass die TBC-Beschichtung in Gasturbinen zu einem erheblichen Teil transparent für Wärmestrahlung ist. Sie lässt daher Wärmestrahlung anderer Objekte passieren. Eine Temperaturbestimmung anhand der Wärmestrahlung aus der Richtung der TBC- Schicht wird dadurch möglicherweise stark verfälscht. Dies wird bekanntermaßen dadurch gelöst, dass zur Aufnahme der
Wärmestrahlung eine Faser, beispielsweise Saphirfaser verwendet wird, deren Ende mit einer Schwarzkörperschicht versehen ist. Diese wird in Berührung mit der TBC-Schicht gebracht, wodurch die Schwarzkörperschicht weitgehend die Temperatur der TBC-Schicht annimmt. Die von der Schwarzkörperschicht erzeugte Wärmestrahlung wird von der Faser zu einem Empfänger geleitet. Problematisch sind hierbei die bereits angesprochenen hohen Betriebstemperaturen. Diese führen bei Glasfasern zu Degradationserscheinungen, die die Lebensdauer des Pyrome- ters oder zumindest die Messgenauigkeit verringern. Die Verwendung hochtemperaturstabiler Saphirfasern and der Stelle der Glasfasern hat wiederum den Nachteil, dass Saphirfasern eine höhere Biegempfindlichkeit aufweisen und somit schwerer zu verlegen sind.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit der die Temperatur der Oberflächenbeschichtung einer Strömungsmaschine, insbesondere bei hohen Temperaturen in der Strömungsmaschine, möglichst betriebssicher und genau ermittelt werden kann. Ziel ist dabei insbesondere die Bestimmung der Temperatur auf 1 0C genau. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der pyrometrischen Messung der Temperatur einer Oberflächenbeschichtung, beispielsweise ein sog. Thermal Barrier Coating (TBC), eines Teils einer Strömungsmaschine. Sie weist eine an der Oberflä- chenbeschichtung angeordnete Schwarzkörperschicht zur Aussendung von Wärmestrahlung und einen Lichtwellenleiter zur Weiterleitung der Wärmestrahlung auf. Dabei hat das der Oberflächenbeschichtung zugewandte Ende des Lichtwellenleiters einen Abstand von der Oberflächenbeschichtung.
Dabei ist die Schwarzkörperschicht auf der von der Oberfläche des Teils der Strömungsmaschine abgewandten Seite der Ober- flächenbeschichtung angebracht. Anders formuliert weist die Schwarzkörperschicht auf die Innenseite beispielsweise der Laufschaufei, ist also zweckmäßig auch von der Innenseite des Teils der Strömungsmaschine aus zu beobachten. Dabei ist die Schwarzkörperschicht zweckmäßig direkt auf der Oberflächenbeschichtung angebracht, ist also wie die Oberflächenbeschichtung selbst im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Teils der Strömungsmaschine.
Daher ist es auch vorteilhaft, wenn der Lichtwellenleiter in einem von 90° nicht allzu fernen Winkel, idealerweise senkrecht auf die Schwarzkörperschicht blickt. Hierzu hat er sein Ende zumindest in senkrechter Richtung zur Oberfläche des
Teils der Strömungsmaschine - also parallel zur Oberflächennormalen - einen Abstand von der Schwarzkörperschicht.
Durch die Trennung von Schwarzkörperschicht und Lichtwellen- leiter und den vertikalen Abstand von der Oberfläche wird vorteilhaft erreicht, dass das Ende des Lichtwellenleiters nicht der Temperatur der Oberflächenbeschichtung ausgesetzt ist, sondern einer demgegenüber verringerten Temperatur. Durch die Beabstandung des Lichtwellenleiters von der Schwarzkörperschicht ergibt sich weiterhin der besondere Vorteil, dass eine verringerte Wärmeableitung aus der Schwarzkörperschicht erreicht wird, da diese ja nun einseitig an Luft grenzt. Die Temperatur der Schwarzkörperschicht stimmt daher genauer mit der der TBC-Schicht überein. Hierdurch wird die Temperaturmessung genauer. Schließlich hat die Erfindung den Vorteil, dass die vorteilhafte Verwendung einer Glasfaser auch bei höchsten Turbinentemperaturen von beispielsweise 1400°C ermöglicht wird. Glasfasern sind aber unempfindlicher gegen Biegung und daher leichter in der Verlegung. Saphirfasern weisen weiterhin den Nachteil auf, dass sie keinen Mantel besitzen und daher Wärmestrahlung auch seitlich in die Faser einkoppeln kann, was zu Messungenauigkeit führt.
Bevorzugt beträgt der Abstand mehr als lmm, insbesondere mehr als 2 mm oder mehr als 5 mm. Zweckmäßigerweise ist die Ober- flächenbeschichtung eine Beschichtung eines Trägers aus Metall. Auf der von der Oberflächenbeschichtung abgewandten Seite des Metalls wird zweckmäßig kühlende Luft vorbei geleitet. Dadurch entsteht im Metall ein starker Temperaturgradient, der mehrere hundert 0C pro cm betragen kann. Daher sinkt die Temperatur, der der Lichtwellenleiter ausgesetzt ist, mit wachsendem Abstand von der Oberflächenbeschichtung.
Durch den Abstand von Lichtwellenleiter und Schwarzkörperschicht ist es bei der Erfindung möglich, dass Licht oder Wärmestrahlung in den Lichtwellenleiter einkoppelt, das nicht von der Schwarzkörperschicht stammt, was die Messung verfäl- sehen kann. Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung daher derart ausgestaltet, dass nur Licht der Schwarzkörperschicht in den Lichtwellenleiter einkoppelt. Hierzu kann beispielsweise am Ende des Lichtwellenleiters eine Linse vorgesehen sein. Alternativ kann das Ende des Lichtwellenleiters selbst eine Linse bilden, indem das Ende mit eine Mikrostrukturierung versehen wird. Es wird dadurch erreicht, dass der Bereich, der für den Lichtwellenleiter „sichtbar" ist, auf die Ausdehnung der Schwarzkörperschicht begrenzt ist. In einer weiteren Alternative ist es auch möglich, die Schwarzkörperschicht derart ausgedehnt auszugestalten, dass sie das gesamte Sichtfeld des Lichtwellenleiters ausfüllt, wodurch eine Linse unnötig ist.
Vorzugsweise besteht die Schwarzkörperschicht aus Platin besteht und ist weniger als 100 μm dick. Platin ist hochtempe- raturstabil und oxidiert nicht, so dass die Emissivität der Schwarzkörperschicht im Wesentlichen konstant bleibt. Eine möglichst dünne, insbesondere 10 μm dicke Schicht, hat den Vorteil, einen geringen Temperaturgradienten über die Dicke zu zeigen, wodurch eine sehr genaue Messung ermöglicht wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft in einer Gasturbine verwendet werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Gasturbine mit mehreren Vorrichtungen auszustatten. Die Temperaturmessung ist beispielsweise an der Turbinenwandung, aber auch an Lauf- und Leitschaufeln vorteilhaft. Gerade im Großmaschinenbereich kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine einfache, betriebssichere und genaue Temperaturbestimmung der Oberflächenbeschichtung erreicht werden, wodurch ein effektiverer Betrieb gewährleistet werden kann und insbesondere teure Stillstandzeiten wegen Wartung und Reparaturmaßnahmen wegen zerstörter Oberflächenbeschichtungen, beispielsweise an den Schaufeln, weiter reduziert werden können. So kann beispielsweise eine Erhöhung der Verfügbarkeit einer mit einer Gasturbine ausgerüsteten Energieversorgung erreicht werden.
Ist die Oberflächenbeschichtung wie üblich auf einem metallischen Träger angeordnet und verläuft ein Teil des Lichtwellenleiters im Träger, dann ist es vorteilhaft, wenn dieser Teil des Lichtwellenleiters von einer Schutzkapsel umgeben ist, die eine geringere Wärmeleitung als der Träger aufweist. Hierdurch wird die Temperatur des Lichtwellenleiters zusätzlich vermindert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Lichtwellenleiter so im Bereich einer Leit- oder Laufschaufel verläuft, dass er zu jeder heißen Oberfläche der Schaufel einen Abstand von wenigstens 1 mm hat. Mit anderen Worten wird der Lichtwellen- leiter mit einem gewissen Abstand innerhalb der Schaufel geführt und ist nicht etwa nur in die Oberfläche eingebettet. Bei einem Temperaturgradienten innerhalb der Schaufel von beispielsweise 300 0C pro mm Abstand von der Wand führt das zu einer erheblichen thermischen Entlastung des Lichtwellen- leiters. Auch im Bereich der Schwarzkörperschicht wird dieser Abstand wie bereits beschrieben eingehalten. Dadurch kann beispielsweise in vorteilhafter Weise eine Quarzglasfaser statt einer Saphirfaser verwendet werden.
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und gewisse Merkmale sind nur schematisiert dargestellt. Die Figuren zeigen jeweils einen Aus- schnitt aus einer Wand einer Gasturbine mit einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei sind einander entsprechende Teile in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die metallische Wand 3 der Gasturbine gemäß der Figuren 1 bis 3 weist auf der zum Turbineninnenraum 1 weisenden Seite eine TBC-Beschichtung 2, TBC = thermal barrier coating, aus Yttri- um-stabilisiertem Zirkonoxid auf, um den in der Gasturbine auftretenden physikalischen Beanspruchungen Stand zu halten. Die TBC-Beschichtung ist ca. 100 μm dick. Weiterhin ist die Schicht aufgrund ihrer Zusammensetzung gegenüber Wärmestrahlung, die bei den hohen Temperaturen der Gasturbine auftreten, weitgehend transparent. Auf der anderen Seite der Wand 3 befindet sich der Kühlluftraum 4. Der Aufbau bedingt einen hohen Temperaturgradienten über zwischen dem Turbineninnenraum 1 und dem Kühlluftraum 4. So herrscht im Turbineninnenraum 1, also insbesondere an der Oberfläche der TBC-Beschichtung 2 eine Temperatur von 1250 0C. An der Grenzschicht zwischen der TBC-Beschichtung 2 und dem metallischen Teil der Turbinenwand 3 ist die Temperatur bereits auf 950 0C gefallen. Über den metallischen Teil der Wand 3 hinweg fällt die Temperatur weiter auf etwa 450 0C. Die Temperaturen sind hierbei als beispielhafte Werte zu verstehen.
Gemäß Figur 1 ist nun zur Messung der Temperatur an der Grenzschicht zwischen der TBC-Beschichtung 2 und dem metallischen Teil der Turbinenwand 3 im metallischen Teil eine Boh- rung vorgesehen, die bis zur TBC-Beschichtung 2 reicht. An der so offengelegten inneren Oberfläche der TBC-Beschichtung 2 ist eine Schwarzkörperschicht 9 aufgebracht. Diese besteht vorteilhaft aus Platin und ist 10 μm dick. In alternativen Ausführungsmöglichkeiten besteht die Schwarzkörperschicht 9 aus anderen hochtemperaturbeständigen Materialien wie beispielsweise Iridium oder Wolfram oder einer bekannten kommerziell erhältlichen Metalllegierung. Auch andere Schichtdicken sind denkbar wie beispielsweise 2 μm oder 5 μm. Zur Maximie- rung und Stabilisierung der Emissivität der Schwarzkörper- schicht 9 ist es zweckmäßig, wenn sie möglichst rau und bereits mit einer Oxidationsschicht versehen ist. Eine hohe Genauigkeit der Messung wird auch durch eine möglichst geringe Dicke der Schwarzkörperschicht 9 begünstigt. Allerdings muss die Schwarzkörperschicht 9 dabei undurchsichtig bleiben für Wärmestrahlung und auch die Lebensdauer der Schwarzkörperschicht 9 muss berücksichtigt werden.
In der Bohrung ist ein Schutzröhrchen 5 vorgesehen, das die Wand der Bohrung auskleidet. Das Schutzröhrchen 5 weist eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als das umgebende Metall. In einem Abstand von beispielsweise 1 mm von der Schwarzkörperschicht 9 beginnt eine Quarzglasfaser 6. Es handelt sich dabei um eine Standard-Faser, beispielsweise 50/125 μm, 61/125 μm, 100/140 μm oder 200/220 μm. Sie verläuft im Schutzröhrchen 5, soweit das Schutzröhrchen 5 reicht und endet zweckmäßig bei einem Detektor zur Aufnahme der Wärmestrahlung der Schwarzkörperschicht 9. Der Detektor ist in den Figuren nicht dargestellt. Da die Quarzglasfaser 6 in einem Abstand von der Schwarzkörperschicht 9 endet, ist ihr Sichtfeld 11 größer als der Durchmesser des Faserkerns 7. Die Größe der Schwarzkörper- schicht 9 ist daher in diesem Beispiel so gewählt, dass sie das gesamte Sichtfeld 11 der Quarzglasfaser 6 ausfüllt. Hierdurch wird erreicht, dass ausschließlich Wärmestrahlung der Schwarzkörperschicht 9 in die Quarzglasfaser 6 fällt und von dieser weitergeleitet wird, wodurch Fehler bei der genauen Messung der Temperatur verhindert werden.
Durch die Anordnung der Schwarzkörperschicht 9 an der TBC- Beschichtung 2 nimmt die Schwarzkörperschicht 9 weitgehend die metallseitige Temperatur der TBC-Beschichtung 2 an. Die Schwarzkörperschicht 9 emittiert dann Wärmestrahlung entsprechend ihrer Temperatur und die Wärmestrahlung wird von der Quarzglasfaser 6 aufgenommen und an einen Detektor weitergeleitet. Aus der Wärmestrahlung kann in anderweitig bekannter Weise die Temperatur der Schwarzkörperschicht 9 und damit der TBC-Beschichtung 2 ermittelt werden. Aus den Figuren ist erkennbar, dass der Abstand zwischen dem Ende der Quarzglasfaser 6 und der Schwarzkörperschicht 9 die Quarzglasfaser 6 in einem Bereich deutlich verringerter Temperatur gegenüber der der Schwarzkörperschicht 9 angeordnet ist. So erfährt bei dem Beispiel gemäß Figur 1 die Quarzglasfaser 6 lediglich Temperaturen von bis zu etwa 600 0C. Diese sind für eine Quarzglasfaser 6 unproblematisch und die Verwendung beispielsweise einer Saphirfaser ist unnötig.
Eine Vergrößerung des Abstands zwischen dem Ende der Quarzglasfaser 6 und der Schwarzkörperschicht 9 ermöglicht eine weitere Verringerung der Temperatur, der die Quarzglasfaser 6 ausgesetzt ist. Figur 2 zeigt dementsprechend ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Abstand zwischen dem Ende der Quarzglasfaser 6 und der Schwarzkörperschicht 9 zwei Millimeter beträgt. Das Sichtfeld 11 der Quarzglasfaser 6 würde in diesem Fall ohne weitere Anpassung des Aufbaus zu einer verhältnismäßig großen Schwarzkörperschicht 9 führen. Daher weist das zur Schwarzkörperschicht 9 weisende Ende der Quarzglasfaser 6 im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 einen Lin- sentaper 8 auf, d.h. eine abgerundete Endfläche. Durch diese wird der Lichtweg von gedachten aus der Quarzglasfaser 6 tre- tenden Lichtstrahlen parallelisiert, also das Sichtfeld 11 für die einfallende Wärmestrahlung verengt. Zweckmäßig ist es dabei, das Sichtfeld 11 derart einzuschränken, dass die Schwarzkörperschicht 9 nicht größer als das Schutzröhrchen 5 sein muss.
Ein drittes Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 3 zeigt das Ende der Quarzglasfaser 6 in einem Abstand von 5 mm von der Schwarzkörperschicht 9. Hierdurch wird eine starke Verringerung der Temperatur im Bereich des Endes der Quarzglasfaser 6 erreicht. Zur Begrenzung des Sichtfelds 11 der Quarzglasfaser 6 ist in diesem Fall eine Kugellinse 10 vorgesehen, die dem Ende der Quarzglasfaser 6 vorgelagert ist. Durch die Kugellinse 10 wird in diesem Beispiel der Strahlenweg parallelisiert, so dass auch über 5 mm hinaus auch weitere Abstände realisierbar sind.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist beispielsweise die Verwendung des Schutzröhrchens 5 nicht unbedingt notwendig. Auch können kür- zere Abstände als 1 mm oder längere Abstände als 5 mm verwendet werden. Auch kann statt der Quarzglasfaser 6 eine andere Faser zum Einsatz kommen, beispielsweise eine Saphirfaser.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur pyrometrischen Messung der Temperatur einer Oberflächenbeschichtung eines Teils einer Strömungsma- schine, mit
- einer Schwarzkörperschicht zur Aussendung von Wärmestrahlung, die auf der von der Oberfläche des Teils der Strömungsmaschine abgewandten Seite der Oberflächenbeschichtung angebracht ist, und - einem Lichtwellenleiter zur Weiterleitung der Wärmestrahlung, wobei das der Oberflächenbeschichtung zugewandte Ende des Lichtwellenleiters zumindest in senkrechter Richtung zur Oberfläche des Teils der Strömungsmaschine im Bereich der Schwarzkörperschicht einen Abstand von der Oberflächenbeschichtung aufweist.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Abstand mehr als 1 mm, mehr als 2 mm oder mehr als 5 mm beträgt.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei am Ende des Lichtwellenleiters eine Linse vorgesehen ist oder das Ende des Lichtwellenleiters zur Bildung einer Linse strukturiert ist .
4. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der um den Lichtwellenleiter herum im Bereich seines Endes eine Schutzkapsel mit geringerer Wärmeleitung vorgesehen ist.
5. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Lichtwellenleiter eine Quarzglasfaser ist.
6. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Schwarzkörperschicht aus Platin besteht und weniger als 100 μm dick ist.
7. Gasturbine mit einer Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
8. Gasturbine gemäß Anspruch 7, bei der die Oberflächenbe- schichtung auf einem metallischen Träger angeordnet ist und ein Teil des Lichtwellenleiters im Träger verläuft, wobei der Teil von einer Schutzkapsel umgeben ist, die eine geringere Wärmeleitung als der Träger aufweist.
9. Gasturbine gemäß Anspruch 7 oder 8, bei der der Lichtwellenleiter so im Bereich einer Leit- oder Laufschaufel ver- läuft, dass er zu jeder heißen Oberfläche der Schaufel einen Abstand von wenigstens 1 mm hat.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016030254A1 (de) * 2014-08-26 2016-03-03 Heraeus Holding Gmbh Vorrichtung zur temperaturmessung
EP3159665A1 (de) * 2015-10-19 2017-04-26 Siemens Aktiengesellschaft Temperaturmesseinrichtung und verfahren zum betrieb einer strömungsmaschine
EP3282235A1 (de) * 2016-08-08 2018-02-14 Ansaldo Energia Switzerland AG Temperaturmessvorrichtung zur für ein gasturbinenkraftwerk und gasturbinenkraftwerk mit der besagten temperaturmessvorrichtung
EP4116545A1 (de) * 2021-07-05 2023-01-11 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Messanordnung für kontinuierliche strömungsmaschine

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8961007B2 (en) * 2011-03-15 2015-02-24 Siemens Energy, Inc. Thermocouple and method of forming a thermocouple on a contoured gas turbine engine component
DE102011077908A1 (de) * 2011-06-21 2012-12-27 Siemens Aktiengesellschaft Gasturbine mit Pyrometer
DE102013213805B4 (de) * 2013-07-15 2016-02-11 Federal-Mogul Friction Products Gmbh Bremsbelag und System zur Messung der Temperatur einer Bremse

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4859079A (en) * 1988-08-04 1989-08-22 Luxtron Corporation Optical system using a luminescent material sensor for measuring very high temperatures
EP0425229A1 (de) * 1989-10-25 1991-05-02 Tacan Corporation Hochtemperatursensor
US5078507A (en) * 1991-03-18 1992-01-07 General Electric Company Temperature sensor
US20040179575A1 (en) * 2003-01-23 2004-09-16 Markham James R. Instrument for temperature and condition monitoring of advanced turbine blades

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5164999A (en) * 1991-05-20 1992-11-17 Johnson Matthey, Inc. Blackbody fired on silica fiber
DE19736276B4 (de) * 1997-08-21 2006-07-27 Alstom Technology Ltd Optisches Pyrometer für Gasturbinen
US6364524B1 (en) * 1998-04-14 2002-04-02 Advanced Fuel Research, Inc High speed infrared radiation thermometer, system, and method

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4859079A (en) * 1988-08-04 1989-08-22 Luxtron Corporation Optical system using a luminescent material sensor for measuring very high temperatures
EP0425229A1 (de) * 1989-10-25 1991-05-02 Tacan Corporation Hochtemperatursensor
US5078507A (en) * 1991-03-18 1992-01-07 General Electric Company Temperature sensor
US20040179575A1 (en) * 2003-01-23 2004-09-16 Markham James R. Instrument for temperature and condition monitoring of advanced turbine blades

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016030254A1 (de) * 2014-08-26 2016-03-03 Heraeus Holding Gmbh Vorrichtung zur temperaturmessung
EP3159665A1 (de) * 2015-10-19 2017-04-26 Siemens Aktiengesellschaft Temperaturmesseinrichtung und verfahren zum betrieb einer strömungsmaschine
WO2017067795A1 (de) * 2015-10-19 2017-04-27 Siemens Aktiengesellschaft Temperaturmesseinrichtung und verfahren zum betrieb einer strömungsmaschine
EP3282235A1 (de) * 2016-08-08 2018-02-14 Ansaldo Energia Switzerland AG Temperaturmessvorrichtung zur für ein gasturbinenkraftwerk und gasturbinenkraftwerk mit der besagten temperaturmessvorrichtung
US10508954B2 (en) 2016-08-08 2019-12-17 Ansaldo Energia Switzerland AG Temperature detecting device for a gas turbine power plant and gas turbine power plant comprising said temperature detecting device
EP4116545A1 (de) * 2021-07-05 2023-01-11 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Messanordnung für kontinuierliche strömungsmaschine

Also Published As

Publication number Publication date
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