高溫探測(cè)器的制造方法
【專利說明】局溫?米測(cè)器
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求在2014年3月11日提交的題為"高溫探測(cè)器"的臨時(shí)申請(qǐng)61/951,068、 在2013年11月22日提交的題為"高溫探測(cè)器"的臨時(shí)申請(qǐng)61/907,555以及在2013年8月7日 提交的題為"高溫探測(cè)器"的臨時(shí)申請(qǐng)61/863,119的權(quán)益，這些申請(qǐng)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(cè)量領(lǐng)域，并且更具體地，涉及用于在惡劣環(huán)境例如飛機(jī)渦輪中 使用的溫度探測(cè)器。
【背景技術(shù)】
[0004] 需要溫度探測(cè)器來在惡劣環(huán)境例如飛機(jī)渦輪中測(cè)量溫度。存在于飛機(jī)渦輪中的排 氣是強(qiáng)勁的、熱的且化學(xué)活性的。此外，在未來的飛機(jī)渦輪中排氣溫度預(yù)計(jì)會(huì)增加。目前，使 用金屬例如鎳合金來保護(hù)在飛機(jī)渦輪的惡劣環(huán)境中使用的探測(cè)器。然而，在未來更熱的排 氣應(yīng)用中，這樣的探測(cè)器將具有相對(duì)短的壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的方面包括溫度探測(cè)器和形成溫度探測(cè)器的方法。溫度探測(cè)器可以包括 棒、熱電偶、外管、內(nèi)管和護(hù)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(fù)合物護(hù)套基本包圍棒和外金屬管。
[0006] 本發(fā)明的另一個(gè)方面包括用于組裝溫度探測(cè)器的方法。用于組裝溫度探測(cè)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(duì)于外管固定；以及施加陶瓷基質(zhì)復(fù)合物護(hù)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(cè)器，所述溫度探測(cè)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(cè)器底座。溫度探測(cè)器還可以包括覆蓋棒的至少一部分 和探測(cè)器底座的一部分的護(hù)套。棒、探測(cè)器底座、或護(hù)套中的至少之一包含陶瓷基質(zhì)復(fù)合材 料。
[0008] 本發(fā)明的另一些方面涉及用于組裝溫度探測(cè)器的方法，所述方法包括形成具有至 少一個(gè)通道的棒;通過至少一個(gè)通道安裝熱電偶的線;在棒的端部上設(shè)置探測(cè)器底座;在探 測(cè)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(fù)合材料，由此形成 包圍探測(cè)器底座和棒的護(hù)套。
【附圖說明】
[0009] 當(dāng)結(jié)合附圖閱讀下面的詳細(xì)描述時(shí)，根據(jù)下面的詳細(xì)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(biāo)記。當(dāng)存在多個(gè)類似的元件時(shí)，單個(gè)附圖標(biāo)記可以使用表示 特定元件的小符號(hào)標(biāo)識(shí)來指代多個(gè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器的步驟的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 需要更高性能的溫度傳感器。對(duì)于感測(cè)溫度的需要，近來或最新的渦輪的溫度將 達(dá)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(cè)，未來的渦輪將 需要高于1300°C。先前用于這些傳感器的標(biāo)準(zhǔn)材料(鎳基超級(jí)合金)在大于1200°C的溫度下 將不再可用。
[0025] 保持測(cè)量更靠近燃燒室意味著更精確的熱部監(jiān)測(cè)。這有益于維護(hù)間隔計(jì)劃 (interval planning)和禍輪效率。
[0026]傳感器可在最高達(dá)1350°C的渦輪流中短時(shí)間可用并且高于1200°C的渦輪流中持 續(xù)可用。在一個(gè)實(shí)施方案中，陶瓷基質(zhì)復(fù)合物探測(cè)器帶有陶瓷絕緣的Platine膽熱電偶，該 熱電偶具有與κ型標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)離渦輪的較熱部。 在具有1300°C的感測(cè)器溫度性能的情況下，傳感器較近，并且渦輪監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)較好。
[0028] 設(shè)計(jì)了對(duì)于渦輪應(yīng)用達(dá)1350°C的陶瓷基質(zhì)復(fù)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(jí)合金，以實(shí)現(xiàn)接近1200°C的性能。嚴(yán)重限制了使用任意鎳合 金的在遠(yuǎn)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(fù)合物。陶瓷基質(zhì)復(fù)合物與單獨(dú)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(gè)實(shí)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(fù)合物應(yīng)用到 高性能溫度探測(cè)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(fù) 合物相比，氧化物類陶瓷對(duì)于渦輪燃燒室的極具挑戰(zhàn)性的化學(xué)環(huán)境而言具有更好的抵抗 力。然而，硅碳化物基復(fù)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(fù)合物在大于1200°C下進(jìn)行工作，并且因?yàn)槠鋵?duì)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(fù)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(yuǎn)離渦輪較熱部。傳 感器位置遠(yuǎn)離渦輪以使鎳合金能夠使用，意味著傳感器將測(cè)量熱的燃燒氣體與冷卻壓縮機(jī) 空氣的混合物，這增加了對(duì)于知曉渦輪溫度的不確定性并且監(jiān)測(cè)渦輪的溫度降低的能力較 差，這對(duì)維護(hù)計(jì)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(fù)合物探測(cè)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(jì)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(dāng)溫度升高時(shí)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(fù)合材料。較高的溫度性能增 加了渦輪的價(jià)值，并且為渦輪的運(yùn)營(yíng)者增加了價(jià)值，這使得該渦輪與其競(jìng)爭(zhēng)者相比不同。對(duì) 于始終期望的重量輕的益處，陶瓷基質(zhì)復(fù)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(shí)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(fù)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(shí)更緩和(gracefully)。下面將描述與陶瓷棒相比較不易碎的棒的實(shí) 施方案。
[0034] 圖1描繪了根據(jù)本發(fā)明的一些方面的探測(cè)器100的一個(gè)實(shí)施方案的截面圖。所示出 的探測(cè)器100包括護(hù)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(cè)器100 還包括埋置在棒103內(nèi)的熱電偶。探測(cè)器100具有穿過探測(cè)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(cè)器內(nèi)使用的材料的組合。棒103、護(hù)套108、管 106和104和/或探測(cè)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