高溫探頭的製作方法

2023-07-30 09:02:51

專利名稱：高溫探頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高溫探頭，特別是用於高達約1550℃的熱氣體流內的高溫探頭，在其中有一根傳感器管設置在一根探頭管的內通孔內，該內通孔平行於管軸心線的方向伸展，其中的一個溫度傳感器的傳感器尖設置在位於探頭管下端的一個測量空間內並與一個包圍著探頭管的熱氣區相連。
一種這樣的高溫探頭披露在例如DE-OS-2413909中。
在燃氣輪機的運行過程中，通常都需要測量熱的燃燒氣體的溫度，這個溫度可以在幾百度至1550℃的範圍內。為此目的提出過一些高溫探頭，它們可以插入渦輪機的熱氣體殼體上的相應的開孔中，並連同一個在其下端包含有內在的測量元件的探頭管伸入熱氣流中。
US-A-5,180,227披露了一種光學運作的高溫探頭，在其中有一個用藍室石制的光學傳感器構件設置在形成於探頭管下端的測量空間內。該測量空間通過一個設在傳感器元件下面的入口和一個在傳感器元件的高度上的出口與周圍的熱氣體區域相連。從熱氣體流通過入口進入的氣體由於這樣的結構而在測量空間內減速，並以很低的速度在其重新通過出口逸出之前圍繞著傳感器元件流動。測量空間因此也被稱作「滯流室」。探頭可以用到高達1300℃的溫度並在探頭管的上部由在探頭凸緣處輸入並在緊挨著絕熱層的上方重新排出的空氣或另一種氣體進行冷卻，該絕熱層將傳感器元件從探頭的上部分開。
此外，本文開頭所提到的DE-OS-2413909披露一種用於燃氣輪飛機發動機止的、溫度達800℃的高溫探頭，它以一個熱電偶作為溫度傳感器。裝在具有礦物質絕緣的金屬鎧裝電纜內的熱電偶在一個探頭管內朝下通過一個密封縮口進入一個測量空間內，使熱電偶的兩線之間的連接點大約設置在測量空間的中部。這裡同樣為了與待測量的熱氣體相接觸而在連接點的下面設置一個入口和在連接點的上面設置一個出口，它們使測量空間與周圍的熱氣區域相連。這裡熱氣體因而也由於出入口開孔的安排和設計被堵阻而滯留在測量空間內。
在這種公知的探頭中，待測量的熱氣體的流速大大地降低了，當與相應的傳感器元件相接觸時，熱氣體幾乎處於停滯狀態。因此，氣體與傳感器元件之間的對流熱傳遞降低了，這種情況在時間常數增大和實際溫度與測得溫度之間的差異增大時變得明顯。
本發明的目的在於進一步發展一種如本文開頭提到的類型的高溫探頭，要使氣體與溫度傳感器之間的熱傳遞得到改善，並定出一種用於高達1550℃的溫度的溫度探頭的合適的結構設計。
根據本發明，這一目的可以通過以下的技術方案來實現，測量空間設計成一個橫向於探頭管軸心線的、為待測量的熱氣體流而設的通流通道；探頭管具有一個平行於第一內通孔的第二內通孔，其內設有一根支撐管；探頭管和傳感器都是用一種陶瓷製成。
通過將測量空間作為流動通道的這種特殊結構，熱氣體能夠幾乎不受阻擋地從中通過並圍繞著傳感器尖流過，這就能達致最佳的氣體與傳感器元件之間的熱傳遞，這種熱傳遞同時減小了諸如通過探頭管之類的熱傳導的帶幹擾性的二次影響。
本發明的探頭的一個優選實施例的特徵在於通流通道在側面由探頭管壁所限定，探頭管壁形成一個輻射防護屏。這樣，周圍環境對測量結果的幹擾作用可以進一步減小。
用碳化矽或氧化鋁陶瓷製造探頭管將特別有利。此外，設置在這探頭管內用以包住傳感器元件的、並在下文中稱作傳感器管的管子用純氧化鋁陶瓷來製造也是有利的，這是因為在高溫下例如用熱電偶進行測量就不受氧化鋁的影響。所述的陶瓷即便在比要測量的溫度更高的溫度下也是熱穩定的。
如果探頭管藉助裝配輔助手段通過由氧化物彌散強化(ODS)的超耐熱合金製成的、經受冷卻的支撐管而被彈性地安裝在熱氣體殼體上，則測量裝置的長期穩定性將會顯著地改善。一種這樣的以鐵為基本金屬的、具有高含量的鉻和鋁的超耐熱合金，在市場上可購得例如由PM高溫金屬公司供應的標號PM2000(材料號1.4768)。
用上面所述的材料製造探頭管、傳感器管和支撐管，高溫探頭由於材料的高的抗蠕變性和非常良好的抗氧化性和耐蝕性而具有長的使用壽命。
下面將藉助附圖所示的一個實施例對本發明進行說明，在附圖中

圖1是一個高溫探頭的結構的縱向截面圖；圖2是沿圖1的II-II線截取的高溫探頭的截面圖；圖3是沿圖1的III-III線截取的高溫探頭的截面圖。
圖中僅示出對理解本發明必需的構件。工作介質的流動方向用箭頭表示。
在藉助附圖對本發明作較詳細的說明之前，首先還需將所述類型的高溫探頭放置在其上的典型燃氣輪機的工作情況予以概述熱氣體(Heissgas)殼體的壁溫 900℃強制進氣室(plenum)內的燃燒用空氣的溫度 400℃熱氣體的溫度 高達1500℃氣體壓力 30巴氣體速度 150m/秒為了在這種極端的工作條件下-還加上振動和其它機械性載荷-能夠獲得同時具有高的長期穩定性的精確的氣體溫度測量，需要有一種高溫探頭的特殊設計，這將藉助於附圖中的一個實施例進行說明。
在圖1中示出一個高溫探頭1的結構的縱向截面圖，該高溫探頭主要包含有一根探頭管2，它具有兩個平行於管軸心線的通孔2a和2b，通孔內分別裝有一根傳感器管19和一根支撐管6。
探頭管和傳感器管是由一種氧化鋁(Al2O3)陶瓷製成，這種陶瓷甚至在高於高達1500℃的要測量的熱氣體的溫度下仍保持穩定。但是這種材料對於機械載荷的經受性卻是較差的，因此它需要在結構上採取措施以防止這些管碎裂。用於支撐管6的材料是一種以鐵為基本金屬的、具有高含量的鉻和鋁的超耐熱合金，在市場上可購得例如由PM高溫金屬公司供應的標號PM2000(材料號1.4768)。這種材料在1000℃溫度下具有24000小時的使用壽命。這種超耐熱合金基於它的高的抗蠕變性和耐蝕性，在高達約1200℃時仍具有非常好的機械性能，但是在熱負荷上卻沒有象前述的氧化鋁陶瓷那樣高。在使用適當的冷卻(將在下文中敘述)的情況下，支撐管6的優良機械性能將與探頭管2的優良熱性能互為補充地利用。
通孔2a、2b起始於探頭管2的頂端5a。這裡，通孔2b伸展通過整個探頭管2並開口於一個擴大的開孔4；通孔2a終止於一個在探頭管2的底部5b區域內的、位於第一通流通道3a下面的第二通流通道3b內。探頭管2的頂端5a插入一個凸緣13的管接頭29內，該凸緣13將熱氣體區26從區域27(下文中將稱作強制進氣室)分開。
凸緣13在朝向強制進氣室27的一側具有管接頭12和31，其在凸緣13中的通孔12a和31a跟在探頭管2上的相應通孔2a和2b相互對準地對置著。管接頭12終接有一個凸緣14，並在這凸緣14下面具有空氣進入開孔15a和15b。在管接頭12內設有一根支撐管6，其在強制進氣室27區域內的頂端28內設有內螺紋11。支撐管6設置成穿過通孔12a和2b直至擴大的開孔4，並在那裡如圖3所示由一個偏心於支撐管軸心線的環8作為終端。在管接頭12的區段內，支撐管6具有空氣進入開孔10a、b，這些開孔設置成與管接頭12的空氣進入開孔15a、b徑向鄰接。空氣進入開孔10a、b通向支撐管6的一個內通孔7，由此形成一個在強制進氣室27與熱氣體區26之間的冷卻空氣流23、23a、23b的流道形式的連通。在強制進氣室27內，在其中流動的壓縮空氣大約有400℃的溫度並具有一個高於熱氣體流24的壓力大約1巴的超壓。因而支撐管6由一股冷卻空氣流23a、b從中流過將其冷卻。
支撐管6在其在探頭管2範圍內的長度上具有相互交替地設置的外徑6a和6b，從而形成支撐環9，支撐管利用這些支撐環支撐在探頭管2的通孔2b內。通過這樣的結構，使支撐管與探頭管之間的熱傳導接觸面積減小了。由此待測量的熱氣體的溫度在很大程度上不受冷卻空氣流23的影響，而支撐管本身又只是較小程度地吸收來自探頭管2的熱。
一個放置在旋入內螺紋11中的螺釘18與凸緣14之間的預加載螺旋壓縮彈簧17通過經支撐管6的環8傳遞給探頭管2的彈簧力將溫度探頭1整個固定在凸緣13上。一個帶有螺旋壓縮彈簧22的卡口式鎖緊器21將凸緣13固定到熱氣體殼體壁25的開口30上，使探頭管2插入熱氣體區26內。這樣，溫度探頭1的固定是在熱氣體殼體外面實現的，因而在維修時不需拆卸熱氣體殼體。由於在高達1200℃的溫度下仍具有優良的機械材料性能，因此，帶有管接頭12、29和31的凸緣13也可以同樣地用超耐熱合金製成，它可以在沒有特定的冷卻的情況下用於正常溫度約為900℃的熱氣體殼體壁25上。
傳感器管19從強制進氣室27區域穿過管接頭31、凸緣13中的通孔31a、探頭管2中的通孔2a、通流通道3a，以傳感器尖20終止在通流通道3b內。這裡，通流通道3a、b都是朝著熱氣體流24定向的。
圖2通過沿著圖1的II-II線取的截面示出通流通道3a、b的Y形平面圖。示出3c是一條流入通道，朝著熱氣體流24定向；而3d、e是流出通道，它們跟熱氣體流的方向成一個角度設置在裝入支撐管6的通孔2b的側邊。
傳感器尖20設置在流入通道3c的中央；由此流入通道形成一個抵擋熱輻射的輻射防護屏，例如，抵擋來自熱氣體殼體壁25的熱輻射。待測量的熱氣體在通流通道3a、b內幾乎不受阻攔地和並不減速地繞流經過傳感器管19和傳感器尖20。因此熱氣體流24的熱快速和有效地傳遞給傳感器尖20，在這裡用一個熱電偶34作為傳感器，這是一種其線直徑為大約0.5mm的B型鉑銠熱電偶。使用這種選定的裝置就可獲得τ《1秒的熱時間常數。同時，實際氣體溫度與測出的氣體溫度之間的差異保持住很小。
渦輪機殼體上的用於穿置傳感器管19的引線32的引導裝置在圖中未示出，該引線32與一個測量變換器33相連。
當然，本發明並不僅限於所示的和所描述的實施例。因此，也可以例如用一個藍寶石溫度計來代替熱電偶34。此外，探頭管1和傳感器管19在另一個實施例變型中也可以用碳化矽陶瓷製成。在本發明的構思範圍內，也是可以想像到用另一種合適的合金來製造支撐管6和凸緣13。通流通道3a、b的數目根據本發明也並不局限於2。
權利要求
1.一種高溫探頭(1)、特別是用於高達約1550℃的熱氣體流(24)內的高溫探頭，在其中有一根傳感器管(19)設置在一根探頭管(2)的內通孔(2a)內，該內通孔(2a)平行於管軸心線的方向伸展，其中的一個溫度傳感器的傳感器尖(20)設置在位於探頭管(2)下端的一個測量空間內並與一個包圍著探頭管的熱氣體區(26)相連，其特徵在於，-測量空間設計成一個橫向於探頭管軸心線的、為待測量的熱氣體流(24)而設的通流通道(3b)，-探頭管(2)具有一個平行於第一內通孔(2a)的第二內通孔(2b)，其內設有一根支撐管(6)，和-探頭管(2)和傳感器管(19)都是用一種陶瓷製成。
2.按權利要求1所述的高溫探頭，其特徵在於，傳感器管(19)包含至少一個熱電偶或至少一個溫度計。
3.按權利要求1所述的高溫探頭，其特徵在於，支撐管(6)由一種氧化物彌散強化(ODS)的超耐熱合金製成，並在熱氣體區(26)的一端具有一個環(8)，該環的直徑大於為支撐管設置的通孔(2b)的直徑，還在於環(8)設置在探頭管(2)端頭的一個擴大開孔(4)內。
4.按權利要求1所述的高溫探頭，其特徵在於，在熱氣體區(26)的範圍內，探頭管(2)的頂端(5a)插入一個凸緣(13)的管接頭(29)內，還在於這凸緣(13)將熱氣體區(26)從稱作強制進氣室的區域(27)分開，還在於在凸緣(13)的朝向強制進氣室(27)的一側具有帶有通孔(12a、31a)的管接頭(12、31)，支撐管(6)和傳感器管(19)穿過這些通孔(12a、31a)從熱氣體區(26)伸入強制進氣室(27)內。
5.按權利要求4所述的高溫探頭，其特徵在於，設置在強制進氣室(26)內的支撐管(6)的頂端(28)具有一個內螺紋(11)，還在於支撐管的通孔(7)的空氣進入開孔(10a、b)設置在內螺紋(11)的下方。
6.按權利要求5所述的高溫探頭，其特徵在於，圍繞著支撐管(6)的管接頭(12)具有在徑向上緊挨著支撐管的空氣進入開孔(10a、b)來設置的空氣進入開孔(15a、b)，還在於這管接頭(12)在空氣進入開孔(15a、b)的上面終接有一個凸緣(14)。
7.按權利要求6所述的高溫探頭，其特徵在於，一個螺旋壓縮彈簧(17)設置在擰入支撐管(6)的內螺紋(11)內的螺釘(18)與凸緣(14)之間，經預加載地支撐在凸緣(14)上。
8.按權利要求4所述的高溫探頭，其特徵在於，凸緣(13)通過一個卡口式鎖緊器(21)在強制進氣室(27)內固定在熱氣體殼體壁(25)上的一個開口(30)上。
全文摘要
在一種特別用於高達1550℃的熱氣體流的高溫探頭中，傳感器管和支撐管分別設在探頭管的兩通孔內。裝入其內設有溫度傳感器的傳感器管的通孔終止於一個熱氣體流通流通道。裝入支撐管的通孔終止於一個支撐管的環裝入其內的擴大開孔。支撐管和傳感器管穿過凸緣(13)的通孔伸入強制進氣室內，支撐管的頂端具有一個供螺釘擰入的內螺紋。在螺釘與從凸緣(13)伸出的管接頭所帶的凸緣(14)之間裝有預加載彈簧以將高溫探頭彈性地裝配起來。
文檔編號G01D5/353GK1147629SQ96101788
公開日1997年4月16日 申請日期1996年3月11日 優先權日1995年3月11日
發明者U·L·吳-比爾曼 申請人:Abb管理有限公司