[发明专利]控制燃气轮机用的光学高温计的窥视管组件

说明书

本发明涉及同传感装置相结合，用来连续监控燃气轮机内转动叶片温度的光学传感装置如光学高温计和窥视管组件。本发明还涉及采用上述光学高温计的燃气轮机，以及用来读出此种燃气轮机内转动叶片状态的装置。此外，本发明还包括了监控和读出这些转动涡轮叶片之状态的方法。

在公用事业和其他一些工业中，常采用大型固定式燃气轮机来驱动发电机、泵或其他机械。其中发动机的涡轮段上，有若干排称作涡轮叶片的杯形叶片装设在转子轴上。将加热到极高温度（通常高于980℃）的气体导向涡轮叶片，就会驱使叶片转动，从而带动转子轴。在每一排转动涡轮叶片前方有一排固定导向叶片，它们是此涡轮段结构的一部分。当热气体通过涡轮段时，每一排导向叶片就引导此气流，使之以恰当的角度冲击下一排转动叶片。

燃气轮机的功率输出与燃料（热）效率随着燃烧温度的升高而增加。燃气轮机部件（涡轮叶片与导向叶片）的使用寿命则随着温度的提高而缩短。这样，就存在最佳燃烧温度的问题，在此温度下能产生最大的功率并能使燃料消耗（每单位功率耗用的燃料）最小，同时能使燃气轮机部件在其整个设计寿命期内保持完好。

第一排导向叶片与第一排涡轮叶片运行时的温度高于继后各排的导向叶片与涡轮叶片的运行温度。（热气随着它本身从涡轮中的高压态膨胀到涡轮排气管中接近大气压力的过程而冷却）。在大型的工业用燃气轮机中，当前并无可靠的方法来直接监控它的第一排导向叶片和第一排涡轮叶片的温度。在这样高的温度下，热电偶的寿命是很短的。此外，热电偶也难以用来测量转动涡轮叶片的温度。这些叶片在历史上已知是这样的部件，即它们在温度过高而发生破坏时，将使涡轮发动机严重损坏。为此，迫切要求能对第一排转动涡轮叶片的金属材料温度实行直接监控。

在现阶段，涡轮发动机中的平均燃烧温度常由控制处理机进行计算，处理机以汽轮机的平均排气温度与燃气轮机的压气机出口压力作为输入数据。此控制处理机调节供入涡轮发动机中燃烧室（或一组燃烧室）的燃料量，借此控制此发动机的涡轮入口处的气体温度。

光学高温计当前已用于许多军用飞机的涡轮机发动机中。这类光学高温计通常采用一种端接于发动机的光纤光导管，通过发动机之涡轮段的部件，为叶片提供一条照准线。当发动机停止运转时，可对位于发动机内的光学高温计系统的部件进行维修。

可用于测量叶片温度与控制燃气轮机运行的一种较好的既有光学高温计系统，已由兰德涡轮传感器公司试制成功。现在，这种兰德光学高温计系统与光纤光学仪器相结合，主要用于监控喷气式飞机飞行中的发动机温度、获取喷气式飞机的叶片温度分布以及其他装设在试验台上的涡轮发动机的叶片温度分布。还有若干种市售的其他类型的高温计系统可以用来测量涡轮叶片的温度，但且前还没有适用于工业规模燃气轮机的任何这类系统。

下面将讨论现有的光学高温计测温系统的某些不足之处。以兰德光学高温计系统作为这方面的代表性例子，这种高温计的传感器包括纤维感光头、柔性光导元件以及探测器-放大器组件。此系统的窥视管部件安装在涡轮发动机上，使其下端通过此发动机外壳内的涡轮段，且固定在第一排固定导向叶片段两叶片之间。纤维感光头则连接到窥视管的上端，而此感光头的探头则向下伸入窥视管。探头的下端是个观察物镜，它位于通过导向叶片段之窥视管开口后的不远处。这就能使此类高温计得以观察第一排转动涡轮叶片。

窥视管在离其上端很近的地方设有清洗空气入口。用来冷却探头和清洗镜头的空气直接引向以上入口，经由此入口朝下通过介于探头和窥视管内侧之间的狭小环形空间。柔性纤维光导元件则一端连接到感光头而另一端连接到探测器-放大器组件，此组件封闭在一罩子内并安装在很远地方。

兰得高温计系统的主要缺点是其中某些传感部件不得不工作于涡轮发动机的苛刻环境内，经受到高温、高压、激烈的震动和污染。由于这些部件是处在这种发动机的内部环境中，检修或更换此类部件时，就必须周期性地停止发动机的工作。在大型的工业用涡轮机中，由于它们的结构不同于飞机用的燃气轮发动机，尤其不希望将窥视管的下端穿过第一排固定导向叶片段。

兰德高温计系统的另一不足之处是感光头至第一排涡轮叶片的照准线的尺寸和位置都受到限制。除此而外，探头在窥视管内的滑配合无法把照准线调整到能使靶点在转动的叶片表面上移向不同的位置。由于“固定”的靶点未必是涡轮叶片的最热部分，因而是不希望受到上述限制的。举例来说，涡轮叶片上积聚的鳞状物就能影响获得正确的温度读数。因此，要是靶点落到叶片上起鳞的部分，温度读数就可能不准。