本发明的主题是一种同传感仪表相结合，用来连续监控燃气轮机内转动中叶片温度的光学高温计窥视管组件。本发明还涉及到采用上述光学高温计的一种燃气轮机，以及用来传感此种燃气轮机内转动中叶片状态的手段。此外，本发明还包括了监控和传感这些旋转的汽轮机汽叶之状态的方法。

在公用事业和其他一些工业中，常采用大型的固定式的燃气轮机来驱动发电机、泵或其他机械。其中发动机的燃气轮机段上，有若干排称作汽轮机汽叶的杯形叶片，它们装设在一叶轮的轴上。将加热到极高温度（通常高于980℃）的一种气体导向汽轮机的汽叶，就会驱使汽叶转动，从而带动叶轮的轴。在每一排转动的汽轮机汽叶的前方有一排固定的导向叶片，它们是此汽轮机段结构中的一部分。当热的气体通过汽轮机段，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中转动的汽叶。

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（汽轮机汽叶与导向叶片）的使用寿命则随着温度的提高而缩短。这样，就存在在一个最佳燃烧温度问题，在这一温度下能产生最大的功率，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善。

第一排导向叶片与第一排汽轮机汽叶运行时的温度，高于继后各排的导向叶片与汽轮机汽叶的运行温度。（热气随着它本身从汽轮发动机的高压态膨胀到汽轮机的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汽轮机汽叶二者的温度。在那样高的温度下，热电偶的寿命是很短的。此外，热电偶也难以用来测量旋转的汽轮机汽叶的温度，这种汽叶在历史上已知是这样的部件，它们在温度过高而发生破坏时，将使燃气轮发动机严重损毁。为此，迫切要求能对转动中之第一排汽轮机汽叶的金属材料温度实行直接监控。

在现阶段，燃气轮发动机中的平均燃烧温度常由一控制处理机进行计算，处理机将汽轮机的平均的排气温度与燃气轮机的压气机出口压力作为输入数据接收。此控制处理机调制供给到燃气轮发动机中燃烧室（或一组燃烧室）的燃料，借此控制此发动机的汽轮机段入口处的气体温度。

光学高温计当前已用于许多军用飞机的燃气轮机发动机中。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，通过发动机之汽轮机段的部件，为汽叶提供一照准线。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。

可用于测量汽叶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（Land）汽轮机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、获取喷气式飞机的汽叶温度分布以及其他装设在实验台上的燃汽轮发动机的汽叶温度分布。还有若干种市售的其他类型的高温计系统可以用来测量汽轮机汽叶的温度，但且前还没有可简捷用于工业规模燃气轮机的任何这类系统。

下面将讨论旧有的光学高温计测温系统的某些不足之处。现以兰德光学高温计系统作为这方面的一个有代表性的例子，这种高温计的传感器包括一纤维感光头、一可弯曲的光导元件以及一探测器-放大器组件。此系统的窥视管部件安装在燃气轮发动机上，使其下端通过此发动机外壳内的汽轮机段，且固定在第一排固定式导向叶片段的两叶片之间的一个开口内。纤维感光头则连接到窥视管的上端，而此感光头的探针则向下伸入窥视管。探针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旋转的汽轮机汽叶。

窥视管在离其上端很近的地方有一个空气清洗用入口。用来冷却探针和清洗镜头的空气被直接引向以上入口，经由此入口朝下通过一介于探针和窥视管内侧之间的狭小环形空间。可弯曲的光学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的一个场所。

兰得高温计系统的一个主要缺点是，它的某些传感部件不得不工作在燃气轮发动机的苛刻的环境内，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。在大型的工业用汽轮机中，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的导向叶片段。

兰德高温计系统的另一不足之处在于，从感光头至第一排汽轮机汽叶的照准线其大小和位置都受到限制。除此，探针在窥视管内的密配合无法把照准线调整到能使靶点在旋转的汽叶表面上移向不同的位置。由于“固定”的靶点未必是汽轮机汽叶的最热部分，因而是不希望受到上述限制的。举例来说，汽轮机汽叶上积聚的鳞状物就能影响获得正确的温度读数。因此，要是靶点落到汽叶上起鳞的部分，温度读数就可能不准。

本发明的光学高温计与窥视管组件，在测量汽轮机汽叶温度方面，有着一些明显优于其他系统的特点。例如，本发明的高温计与探测器部件是固定在窥视管上，完全在此汽轮发动机的高温与高压环境之外的某个位置。窥视管在汽轮机中的装设位置，可使高温计部件有一照准线指向第一排汽叶。同时，此照准线能在窥视管内运动，使高温计可扫描汽叶的表面，从而发现最热或最冷的点。本发明还包括有使高温计部件与发动机环境隔立开来的装置，以便进行维修工作或在卸下高温计时毋须关停汽轮机本身。本发明的另一个优点是，此种窥视管的结构有助于极清晰地观察旋转的汽叶，而不用穿透过汽轮机段结构中固定式导向叶片或其他部件。

本发明的较独特之处还表现在，其中的燃气轮机包括一列装在轴上的可以活动的叶片;至少有一根导管构成热气的通路;将热气导向可动叶片的装置，此种装置中有一列固定的气体导向叶片和这些导向叶片的支撑件;以及燃气轮机用的外罩，其特征是，窥视管组件（A）所在位置是沿着一条基本上是直的通道，伸过外罩（16）经热气导管而进入热气通路，上述的直通道提供了一条照准线路向指向可动汽叶的固定导向叶片之间伸展，同时也提供了传感可动汽叶状态的手段。

本发明还提供了一种监控装设在燃气轮机轴上之可动叶片的方法，而此种汽轮机至少有一根构成热气通路的导管;同时有将热气引向可动叶片的装置，此中装置包括有一列固定的气体导向叶片和这些导向叶片的支撑件;以及燃气轮机用的外罩，其特征表现在，传感可动叶片状态步骤是通过安放在照准线上的传感装置来完成的，后者经由一窥视管组件与可动叶片连通，此窥视管组件沿着一条基本上是直的通道延伸，穿过汽轮机的外罩并经热气导管而进入热气通路，其中，照准线在固定的叶片间延伸并指向可动叶片，而这里的传感装置是与上述通道成直线且指向可动叶片。

本发明还包括燃气轮机用的窥视管组件，其中包括外罩部件，至少一根热气导管、若干排固定的导向叶片、若干排可旋转的汽轮机汽叶，以及用于传感这些固定导向叶片之状态的装置，其特征为，此窥视管有一外端和一内端，此外端伸过外罩部件并由观察窗玻璃封闭，而内端则位于此汽轮机内并居于固定的导向叶片前方，此窥视管还提供了一条直接通路，用于在一排固定的导向叶片上观察所选择的区域;所说的传感装置与该窥视管通道成一直线，以直接观察该排固定导向叶片上所选定的区域。

本发明除此还包括有用于控制燃气轮机内燃烧温度的窥视管组件与光学传感装置，而这种燃气轮机的汽轮机部分则有若干排固定式导向叶片和若干排转动的汽轮机汽叶，其特征在于：此光学传感装置（10）包括有确定一带开口端的连结颈部（11）之第一管状件;

一个第二管状件（14），它的第一端伸过汽轮机的外罩部分（16），而第二端固定在上述联结颈的开口端;

位于此第二个管状件（14）内的窥视管（15），此窥视管的第一端位于连结颈部（11）的开口端和管状件的第二端（14a）之间，而窥视管的第二端则伸延过汽轮机上的一根热气导管件（18），此窥视管的外径小于上述第二管状件的内径，从而在窥视管与第二管状件之间界定出一环形空间;

在连结颈部与窥视管的第一端之间有一透明;

该窥视管的第二端是位于前述第一排固定导向叶片前方，而此第一排固定的导向叶片则位于第一排旋转的汽轮机汽叶的前方;

窥视管组件装设的位置使照准给从传感装置出发，经观察窗玻璃片和窥视管，在一对固定的导向叶片之间，最后到达旋转汽轮机汽叶上的某个选定区域;在这里可由传感装置获得旋转的汽叶的图象，从而使得此传感装置得以连续地监控转动中叶片的温度，借以控制汽轮机段的燃烧温度。

为了得到合乎本发明要求的一个或多个合适的通道，不妨采用以下程序。开始时先使可动叶片安装就位，在第一排中选定一对相邻的气体导向件，使一条照准线从第一排可动汽叶通过这对气体导向件之间。这样就产生了一组照准线，这组照准线都从第一排的可动汽叶起始，然后通过所选定的一对相邻的气体导向件之间，最后终止于汽轮机的外罩。这样就确定了一组通道，它们从以上罩子的外表面出发，通过导管的壁，进入热气的通路。这些通道都是指向可动叶片的。

至此再行确定每条通道将在合处与燃气轮机的各个部件相交。这时要对与燃气轮机各个部件相交的每条通道之贯穿效应作出评价。以这样的评价为据，在这些可能的通道之中选择一条作为所用的通道。若对至少另一相邻的气体导向件重复以上程序，再评价每一通道，就能使通道的选择最优化，由此能选定所求得的最佳通道。

这里所谓的“通道”是指这样的一种通道，它基本上取直线形式，它能把反映可动汽叶状态的信号传至对此叶片状态敏感的装置。按此定义，这种通道可以是一种开式的通道，一种不受阻的通道，一种这样的光学通道，它包括有能透过用于在叶片与传感器之间建立联系之一定波长的光之元件或构件，一种能透过声波的通道，以及一种带有探头的通道，例如纤维光学探头。这样的通道本身可以包含控制装置，例如阀门或活栓等，当关闭阀门或插上活栓时，可使通道暂时不能传输信号;而当打开阀门或撤下活塞时，又可使通道能传输信号。

上述通道最好设置于窥视管内。窥视管的外端用一种起到观察窗玻璃片作用的透明件封闭，而窥视管的另一端则至少要伸到导管壁的附近，为的是能大大限制气流从导管与外罩两者的壁部之间进入通道。实际上常采用紧邻配合、滑配合、膨胀接头、叠套段或有关工艺中已知的其他手段，来从实质上限制窥视管周围的气体进入通道。

窥视管采用滑配合或膨胀接头的目的，在于能让汽轮机的各导管与窥视管部件自由独立的膨胀，同时继续保持对气流进入通道的限制。要是并无或并不要求这些部件是自由和独立的膨胀，则可以将它们彼此相互固定。通道的管线经过第一排导引气体进入的导向叶片之一对相邻的叶片间。此通道同上面装设有可动汽叶的轴优选的是构成一个约20至80度的角，而以构成40至60度的角更好。通道的管线并不经过导引气体进入的导向叶片之支撑件。

可用来传感汽叶参数的装置，举例来说，有光学高温计、分光光度计以及测振仪等。能够传感的参数包括汽叶温度、汽叶表面鳞状物堆积的程度，汽叶的振动幅度以及汽叶表面的化学组成。汽叶的温度例如可用光学高温计传感，而其表面上堆积的鳞状物之化学组成例如可用分光光度计传感。用于传感振动幅度的手段可包括频闪观测仪以及一光束，该光束可为激光光束。传感器件要与通道对准并指向可动汽叶。

本发明还提供了连续监控叶片温度的光学高温计与窥视管组件，同时能利用所得数据控制燃气轮中的燃烧温度。在一个从优选择的实施例中，这类光学高温计装置上有一个从它本身延伸出去的管状件，由此定出一个带开口端的连结颈部。本发明包括一个具有开闭位置的阀门，阀门的一端与高温计连结颈部相连通。用作观察窗玻璃片的透明件位于高温计连结颈部与此阀门之间。另有一管状件界定出一个固定在汽轮机外罩上的排气管。此排气管的另一端有一联接管与上述阀门连通。

窥视管位于该联接管内，而窥视管的带凸缘之端部则夹定在联接管与阀门之间。窥视管的另一端延伸经过汽轮机的热气导件。窥视管的外径小于联接管的内径，从而在这两个管子之间限定出一个环形空间。燃气轮机中包括有一个汽轮机段，其中有若干排固定的导向叶片和若干排旋转的汽轮机汽叶，它们位于各排导向叶片之后。终结于热气导管的窥视管端部，位于第一排固定的导向叶片之前方，而这一排导向叶片则又处在第一排旋转的汽轮机汽叶之前方。

窥视管处在汽轮机段的位置，要使得照准线能从高温计装置直接通过观察窗玻璃片、窥视管、第一排固定叶片，然后落到第一排旋转的汽叶上某个选择好的部位。毋须对汽轮机段进行有形的穿透。为了观察汽叶，只须穿过一根热气导管。使阀门居于其开启位置，高温计装置就能连续监控旋转汽叶的温度，而所得的数据即可用于控制汽轮机的燃烧温度。将阀门移向关闭位置，使观察窗玻璃片与高温计装置同汽轮机段的环境隔离开来，便可在汽轮机继续运行的同时，对高温计装置或观察窗玻璃片进行快速的维修或更换。

图1是一台汽轮机的部分等角图，示意地表明了光学高温计连接到窥视管组件的情形。图中的高温计与窥视管是装设在一燃气轮机上的一个典型的作业位置处。

图2是图1示意的光学高温计与窥视管组件的一个部分的辅助性正视图。

图3是沿图2中3-3线的剖面图，其中图示出了经窥视管观察到的汽轮机的旋转汽叶。

图4是图2所示窥视管组件的一个放大的局部图。本图专用于说明窥视管与联接管之间的一个环形空间以及此窥视管中的这样一些开口，这些开口可用于从窥视管中清除有害的蒸汽相物质和粒状材料。

现在细致的参看图1与图2，字母A统一地代表本发明中的一种光学高温计和窥视管组件的一个实施例。数字10指上述光学高温计，从此高温计伸延出的一个管状件确定一连接颈部11。此连接颈部11的凸缘端连接到阀门12的一个凸缘端上。观察窗玻璃片（压力封接式）13即夹定在连接颈部11与阀门12的凸缘端之间。

将阀门12关闭，即可使高温计装置10与观察窗玻璃片13同汽轮机的入口段19a的周围环境分隔开。阀门12可用人工或自动操作，后者可采用电动的或气动的控制系统。适用于上述目的之阀门可为这样的形式，即当此阀门处于开启位置时，阀门中有一条通过阀门孔的清楚的照准线。这类阀门的例子有闸阀、球阀和旋塞阀。

窥视管组件主要由窥视管15和一管形件14构成。管形件14的前端有一个装设在阀门12凸缘端的凸缘14a，此阀门12与连接颈部11的位置相对。管形件14的相反一端（无凸缘的一端）固定在汽轮机的外罩16上。窥视管15装配在管形件14之内。窥视管15前端上的凸缘15a夹定在管形件14的凸缘端14a与阀门12的凸缘之间。窥视管的外径略小于管形件14的内径，得以如图4中所清楚示明的那样，在窥视管15与管形件14之间界定一个环形空间17。

窥视管15的下端通到一热气导管件18内，防止压气机排出的空气过多地泄漏到汽轮机的入口段19a内。图2中非常清楚地表明，窥视管的下端最好同导管件18的内表面18a平接无缝。在表面18a之外就是汽轮机的入口段19a，这一带的气体温度是极其之高的。实施本发明时，之所以不让窥视管15伸入上述热气导管，其原因在于减少高温环境会使此窥视管的端部热裂解成为碎片与破裂的可能性。从图4中可以看到，窥视管15在临近管形件的凸缘14a处有若干个小的开口20。

汽轮式压气机21的压气机排气段是一个位于外罩16与热气导管18（或若干热气导管）之间的区域，一般以数字21a表示。在汽轮机段19的内部有若干排固定的导向叶片22以及若干排转动的汽叶23。图1中极清楚的表明，每一排汽轮机汽叶都是安装在叶轮的转轴24上，而每一排固定的导向叶片则装设在汽轮机段之内，且在每排汽轮机汽叶23之前有一排导向叶片22。

在一种典型的作业中，此高温计装置连续地监控第一排旋转中的汽轮机汽叶23的温度，并利用此种数据自动地控制着汽轮机的燃烧温度。有若干种市售的光学高温计系统可用于实施本发明。这类系统中之一的一种双色高温计最好用作为本发明基本的温度监控系统。此种双色高温计的探测器能对两个辐射波段作出反应，其中的温度数据乃是以这两个波段的比值计算出来的。

这种双色高温计的一个独特之优点在于它能补偿转动中汽叶辐射率的变化。另一个优点是它能补偿辐射透过观察窗玻璃片时的变化，这种变化会因有可能妨碍透过窗玻璃片进行观察的薄膜或其他材料而引起。由于它的探测器的反应速率慢，就无法获得各个汽叶的温度分布，不过，它却能读出平均温度值。

另一类传统的光学高温计系统利用一个单一的波段来探测辐射热。这些系统中的某些具有一种特殊的优点，即它们的探测器对辐射热有很高的反应速度。这样就能使相应的高温计“读出”各个汽叶的温度，由此而发现出汽轮机段的最热汽叶。此种探测器的缺点之一是辐射率的变化，而辐射率则是探测器功能的一个整体部分。这样的变化，使得此装置本身经一段长时间而求得平均汽叶温度读数的可靠性降低。

另一类称之为光谱分析仪的市售光学系统，在实施本发明时，可用于监控燃气轮机中旋转汽叶的温度。这种光谱仪既可用来代替上述高温计系统，也可用作一种辅助仪表去补充修正由前面两种仪器之一所获得的温度数据。光谱分析仪的一个独到优点是，其探测器能反应从红外到紫外整个光谱区的辐射能波长。由于它的反应速度慢，故在要求各片汽叶的温度数据时，最好与一台兰德光学高温计相结合使用。

为了对燃气轮机汽叶进行温度监控，按以上所述，将光学高温计装置10与窥视管组件依图1和图2所示位置安装就位。安装完毕后，起动燃气轮机，将阀门12打开。然后调节高温计装置10。使能直接和清楚地观察第一排旋转的汽轮机汽叶23上所选择的靶点。图3中的一个典型的靶点用一个小的“S”示意，它出现在通过现场的一片汽轮机汽叶上。

如图所示，以参考数字26指出的照准线，沿着从高温计装置10出发的一条直接路线，经阀门12、窥视管15，从而通过第一排叶片中的两个固定导向叶片22之间的开口。前面谈到过，第一排固定的导向叶片22是位于第一排汽轮机汽叶23之前方。

窥视管15在汽轮发动机中的实际定位标准，要能使高温计装置10沿一条直接的照准线观察到旋转的汽轮机汽叶23。如图所示光学高温计10得以沿着直接的照准线，不通过汽轮机段的任何部件就能观察汽轮机汽叶23的本领，据认为在光学高温计测量汽轮机汽叶的温度方面，是一项较任何已有技术都是一项独特的改进技术。

前面谈到过，光学高温计装置10的功能在于连续的监控和传感汽轮机汽叶23的温度。这一温度数据传输到一电子控制电路（图中未示明），此电路控制汽轮机的各项运行参数，如进口的气体温度、出口的气体温度、燃料输入量，等等。这样便可使控制电路自动地调节汽轮机的燃料供应，据此而将燃烧温度保持到所要求的水平。

在汽轮机运行中，它内部结构中的水蒸汽能通过窥视管15和阀门12向上移动，而冷凝在观察窗玻璃片13上。这样的在此观察窗玻璃片上冷凝成的薄膜足以妨碍照准线并使之产生不正确的温度读数。从压气机排出段输出加压空气来清洁此窥视管15，就可解决上述问题。例如，压气机排出段的空气压强约为150磅/平方英寸，它与汽轮机入口段19a的气体入口压力相比，约高出5磅/平方英寸。这一压差得以使压气机排出段21a中的空气反流通过管形件14和窥视管15之间的环形空间17。环形空间17中的空气通过开口20经窥视15而流至汽轮机段。随着此空气通过窥视管15，也就带走了任何可能存在的水蒸汽。

窥视用玻璃件13对于高温计装置10起着观察窗的作用。由于这样的窗玻璃片13是一个无开口的固体材料片，它当阀门12处于开启位置时，就在汽轮机与高温计装置10之间当作一个临界的压力密封件。

在此处所述并加以阐明的，本发明之优选的实施例中，阀门12提供了一种手段，使观察窗玻璃片13与高温计装置10同汽轮发动机的环境隔离开来。正如前面已指出的，这是本发明的一个重要特点，因为这就有可能在汽轮机处于运行状态中，卸下和更换高温计装置10或观察窗玻璃片13，或者检修高温计。本发明的范围还包括有第二实施例，其中，从这里所谈到的结构内省去了阀门12。在这个实施例中，高温计装置10的连接颈部11直接连通到管形件14与窥视管15的凸缘14a与15a上，且使观察窗玻璃片13位于连接颈部11的凸缘与窥视管15的凸缘15a之间。

前面述及，此窥视管在汽轮发动机中的实际所处位置，应使此高温计装置能够沿着一条直接的照准线来观察旋转的汽轮机汽叶。本发明在具体实施过程中还包括这样一项内容，即可以将窥视管装设到这样一个位置、其中允许高温计或另一类传感仪表去观察汽轮机内的其他部件，例如固定的导向叶片、热气导管、燃烧室或另外的器件等。

另一种可用于本发明的高温计，是一种已转向于以热气导管中存在的气体之发射波长为对象的高温计。这样一种高温计可与窥视管联合使用并依本发明所述的方式安装，而此窥视管可由某种适当的气体清洁，这种气体则能自由地传输热气导管中气体发出的辐射热。这样就能使此光学高温计连续地监控热气导管中的气体温度。

为简单起见，所披露的本项发明参照附图作为一种采用了单一热气导管的燃气轮机的情形进行了说明。本发明依照以上文字的描述，可以用于包括有一列热气导管的燃气轮机。事实上，本发明最初是被用在多导管的汽轮机之中的。热气导管的数目多寡原本是燃气轮机本身的设计问题，而与本发明的主题无关。