ITTO950779A1 - Dispositivo sensore di temperatura ad alta pressione. - Google Patents

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.

Description

Descrizione dell invenzione industriale dal titolo: "Dispositivo sensore dì temperatura ad alta risoluzione<" >.

Campo tecnico

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.

Sfondo tecnologico

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.

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.

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.

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.

I pirometri esistenti sono inoltre limitati ad applicazioni per temperature di oggetti superiori ad approssimativamente 1100 °F.

La presente invenzione mira a superare uno più dei problemi precedentemente specificati.

Descrizione dell'invenzione

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.

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.

L'invenzione comprende inoltre altre caratteristiche e vantaggi che diverranno evidenti da uno-studio più dettagliato dei disegni e delle descrizioni.

Breve descrizione dei disegni

Per una migliore comprensione della presente nvenzione , si può fare riferimento ai disegni allegati , in cui :

la-figura 1 è una vista schematica in sezione di una sonda; e

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.

Modo migliore per realizzare l'invenzione

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Applicabilità industriale

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.

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.

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.

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.

Altri aspetti, scopi, e vantaggi della presente invenzione possono venire desunti dallo studio dei disegni, della descrizione, e delle rivendicazioni allegate.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sonda per un pirometro, comprendente: una, camera cilindrica predisposta per estendersi all'interno dì un dispositivo e per ricevere-energia indicativa della temperatura; una; fibra ottica rastremata disposta all'interno di detta camera cilindrica avente diametro sostanzialmente maggiore in corrispondenza di una prima estremità in confronto alla seconda estremità; una-lente disposta all'interno di detta camera cilindrica e avente una lunghezza focale sostanzialmente uguale alla distanza tra la prima estremità di detta fibra ottica e detta lente, detta lente focalizzando detta energia indicativa della temperatura su detta prima estremità di detta fibra ottica rastremata ; un sistema di raffreddamento avente un'apertura per l'aria ed una pluralità di alette di convezione forzata, un elemento comprendente una prima apertura; e un ;prolungamento cilindrico comprendente una seconda japertura, detta energia indicativa della temperatura viaggiando attraverso dette prima e seconda apertura prima di raggiungere detta lente.