高溫探測器的制造方法
【專利說明】局溫?米測器
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求在2014年3月11日提交的題為"高溫探測器"的臨時申請61/951,068、 在2013年11月22日提交的題為"高溫探測器"的臨時申請61/907,555以及在2013年8月7日 提交的題為"高溫探測器"的臨時申請61/863,119的權(quán)益，這些申請的內(nèi)容通過引用合并到 本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及溫度測量領(lǐng)域，并且更具體地，涉及用于在惡劣環(huán)境例如飛機渦輪中 使用的溫度探測器。
【背景技術(shù)】
[0004] 需要溫度探測器來在惡劣環(huán)境例如飛機渦輪中測量溫度。存在于飛機渦輪中的排 氣是強勁的、熱的且化學活性的。此外，在未來的飛機渦輪中排氣溫度預計會增加。目前，使 用金屬例如鎳合金來保護在飛機渦輪的惡劣環(huán)境中使用的探測器。然而，在未來更熱的排 氣應(yīng)用中，這樣的探測器將具有相對短的壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的方面包括溫度探測器和形成溫度探測器的方法。溫度探測器可以包括 棒、熱電偶、外管、內(nèi)管和護套。熱電偶被埋置在棒中。外管包圍棒的至少一部分。內(nèi)管被設(shè) 置在棒與管之間以防止棒的移位。陶瓷基質(zhì)復合物護套基本包圍棒和外金屬管。
[0006] 本發(fā)明的另一個方面包括用于組裝溫度探測器的方法。用于組裝溫度探測器的方 法可以包括在第一構(gòu)件與第二構(gòu)件之間設(shè)置熱電偶;使第一構(gòu)件與第二構(gòu)件配合以形成 棒;在棒的一部分上布置外管以使第一構(gòu)件與第二構(gòu)件結(jié)合;在棒的至少一部分與外管的 至少一部分之間布置內(nèi)管，以使棒相對于外管固定；以及施加陶瓷基質(zhì)復合物護套以基本 覆蓋棒和外金屬管。
[0007] 本發(fā)明的附加的方面包括溫度探測器，所述溫度探測器包括棒、埋置在棒中的熱 電偶、以及在棒的端部上延伸的探測器底座。溫度探測器還可以包括覆蓋棒的至少一部分 和探測器底座的一部分的護套。棒、探測器底座、或護套中的至少之一包含陶瓷基質(zhì)復合材 料。
[0008] 本發(fā)明的另一些方面涉及用于組裝溫度探測器的方法，所述方法包括形成具有至 少一個通道的棒;通過至少一個通道安裝熱電偶的線;在棒的端部上設(shè)置探測器底座;在探 測器底座和棒上纏繞陶瓷編織物；以及將陶瓷編織物加工成陶瓷基質(zhì)復合材料，由此形成 包圍探測器底座和棒的護套。
【附圖說明】
[0009] 當結(jié)合附圖閱讀下面的詳細描述時，根據(jù)下面的詳細描述來最好地理解本發(fā)明， 相似的元件具有相同的附圖標記。當存在多個類似的元件時，單個附圖標記可以使用表示 特定元件的小符號標識來指代多個類似的元件。附圖中包括下面的圖：
[0010] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的一些方面的探測器的截面圖；
[0011] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一些方面的棒的構(gòu)件的透視圖；
[0012] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的一些方面的棒的透視圖；
[0013] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的一些方面的包圍棒的外管的透視圖；
[0014] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的一些方面的在包圍棒的外管內(nèi)布置的內(nèi)管的透視圖；
[0015] 圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明的一些方面的組裝探測器的步驟的流程圖；
[0016] 圖7是根據(jù)本發(fā)明的一些方面的探測器的截面圖；
[0017]圖8A和圖8B是根據(jù)本發(fā)明的一些方面的用于探測器的棒的視圖；
[0018] 圖9A和圖9B是根據(jù)本發(fā)明的一些方面的用于探測器的具有底座的棒的視圖；
[0019] 圖10A和圖10B是根據(jù)本發(fā)明的一些方面的探測器的視圖；
[0020] 圖11是示出了根據(jù)本發(fā)明的一些方面的組裝探測器的步驟的流程圖；
[0021] 圖12A和圖12B是根據(jù)本發(fā)明的一些方面的探測器的視圖；
[0022] 圖13A和圖13B是根據(jù)本發(fā)明的各方面的探測器的視圖；以及
[0023] 圖14是示出了根據(jù)本發(fā)明的一些方面的組裝探測器的步驟的流程圖。
【具體實施方式】
[0024] 需要更高性能的溫度傳感器。對于感測溫度的需要，近來或最新的渦輪的溫度將 達到約1100°C至約1200°C范圍內(nèi)。為了必要的傳感器精確度和有益于監(jiān)測，未來的渦輪將 需要高于1300°C。先前用于這些傳感器的標準材料(鎳基超級合金)在大于1200°C的溫度下 將不再可用。
[0025] 保持測量更靠近燃燒室意味著更精確的熱部監(jiān)測。這有益于維護間隔計劃 (interval planning)和禍輪效率。
[0026]傳感器可在最高達1350°C的渦輪流中短時間可用并且高于1200°C的渦輪流中持 續(xù)可用。在一個實施方案中，陶瓷基質(zhì)復合物探測器帶有陶瓷絕緣的Platine膽熱電偶，該 熱電偶具有與κ型標準輸出十分類似的EMF輸出。
[0027] 在不具有高于1300°C的溫度性能的情況下，溫度傳感器必須遠離渦輪的較熱部。 在具有1300°C的感測器溫度性能的情況下，傳感器較近，并且渦輪監(jiān)測的數(shù)據(jù)較好。
[0028] 設(shè)計了對于渦輪應(yīng)用達1350°C的陶瓷基質(zhì)復合物基溫度傳感器。先前最高溫度性 能的渦輪傳感器使用鎳基超級合金，以實現(xiàn)接近1200°C的性能。嚴重限制了使用任意鎳合 金的在遠高于1200°C的溫度下的壽命。用于由渦輪OEM制造出的新型熱部部件的合適的材 料包括陶瓷基質(zhì)復合物。陶瓷基質(zhì)復合物與單獨的抗懦變性裸陶瓷(bare ceramic)相比具 有益處。在高性能溫度傳感器內(nèi)部已經(jīng)使用了通常為鎂氧化物形式的陶瓷;還使用了鋁氧 化物。在一個實施方案中，利用氧化鋁纖維和基質(zhì)兩者將鋁氧化物陶瓷基質(zhì)復合物應(yīng)用到 高性能溫度探測器的外部。與需要環(huán)境阻擋涂層的、使其容易被腐蝕并且隨后失效的碳復 合物相比，氧化物類陶瓷對于渦輪燃燒室的極具挑戰(zhàn)性的化學環(huán)境而言具有更好的抵抗 力。然而，硅碳化物基復合物中的一些碳與氧化物陶瓷相比具有更高的溫度額定值。
[0029]鋁氧化物陶瓷基質(zhì)復合物在大于1200°C下進行工作，并且因為其對渦輪內(nèi)部的環(huán) 境有抵抗力，所以鋁氧化物陶瓷基質(zhì)復合材料不需要環(huán)境阻擋涂層。
[0030] 在不具有大于1300°C的溫度性能的情況下，溫度傳感器必須遠離渦輪較熱部。傳 感器位置遠離渦輪以使鎳合金能夠使用，意味著傳感器將測量熱的燃燒氣體與冷卻壓縮機 空氣的混合物，這增加了對于知曉渦輪溫度的不確定性并且監(jiān)測渦輪的溫度降低的能力較 差，這對維護計劃有不利影響。
[0031] 本發(fā)明的益處在于:不損害等同于新型渦輪需求的溫度傳感器性能。在常規(guī)傳感 器渦輪位置中，陶瓷基質(zhì)復合物探測器可以距燃燒室更近，并且能夠不損失性能信息。新型 以及未來的渦輪計劃在更高的溫度下工作。在渦輪的熱部中的部件需要滿足新的更高的性 能水平，特別是當溫度升高時的溫度。
[0032] 在此之前，在渦輪溫度傳感器中未曾使用陶瓷基質(zhì)復合材料。較高的溫度性能增 加了渦輪的價值，并且為渦輪的運營者增加了價值，這使得該渦輪與其競爭者相比不同。對 于始終期望的重量輕的益處，陶瓷基質(zhì)復合物的密度還小于金屬的密度。
[0033]可以根據(jù)本發(fā)明的實施方案來使用由較小剛性的材料制成的可替代的棒。剛性棒 與由陶瓷基質(zhì)復合(CMC)材料制成的棒相比幾乎不具有延展性。CMC材料相比于剛性陶瓷 (例如氧化鋁)在失效時更緩和(gracefully)。下面將描述與陶瓷棒相比較不易碎的棒的實 施方案。
[0034] 圖1描繪了根據(jù)本發(fā)明的一些方面的探測器100的一個實施方案的截面圖。所示出 的探測器100包括護套108、棒103、內(nèi)管106和外管104。參考圖2在下文所描述的，探測器100 還包括埋置在棒103內(nèi)的熱電偶。探測器100具有穿過探測器100的中心的縱向延伸的軸 110〇
[0035] 棒103可以是氧化鋁基(例如，鋁氧化物）、硅基、硅碳化物基(例如，SiC纖維、SiC基 質(zhì)等）、碳基和/或其他材料/適于在溫度探測器內(nèi)使用的材料的組合。棒103、護套108、管 106和104和/或探測器100的其他部件可以由待形成為CMC材料的纖維/基質(zhì)材料構(gòu)造。例 如，纖維可以包括CH NicalonTM、Hi-NicalonTM、SylramicTM、Carbon、Nextel TM 312、Nextel? 610、Nextel? 720、鎳合金金屬等?；|(zhì)可以是硅基材料(例如，SiNC、SiC+Si3N4、SiC、Si02 等）、氧化鋁基材料（例如，A1203等）和/或硅基材料與氧化鋁基材料的組合（例如，Si02+ A1203等） 。
[0036]圖1中所示的棒103由第一構(gòu)件102a和第二構(gòu)件102b形成?？梢匝剌S110將構(gòu)件 102a與構(gòu)件102b配合，以