专利名称：用于燃气涡轮温度测量的纤维布拉格光栅感测设备及系统的制作方法
技术领域：
本发明大致涉及感测技术，并且更具体地涉及用于例如燃气涡轮的多点温度测量 的光纤感测设备及系统。
背景技术：
温度感测对于许多工业过程的安全和有效的操作及控制来说是不可或缺的。如燃 气涡轮、燃煤锅炉操作、燃烧、发电和气化的工业过程包含用于实时工业过程监测或用于控 制及优化的高温测量。气体温度是用于燃气涡轮操作的关键控制参数之一，并且温度测量精确度的任 何提高可提高涡轮效率。压缩机/燃气涡轮的排气管道处的温度接近600-1200华氏度
F)，并且气体质量流量很大，用于控制用途的直接燃烧器温度测量超出大多数温度测量 装备的能力。在燃烧控制实践中，使用环形排列的热电偶来测量排气温度以控制流入燃烧 器中的燃料流量。只要检测到故障温度，不论是过冷还是过热，就发生燃气涡轮的燃料流速 调节或过早停机。此类燃烧控制方法需要精确的环形排气温度测量。然而，当前使用环形 排列的热电偶(TC)的排气温度测量仅提供有限的感测点，并且感测空间分辨率为约半米， 这大于最佳分辨率。因此，燃气涡轮的控制策略具有过大的裕量，其导致较低的发电效率和 较低的诊断能力。然而，由于它们需要庞大的设备及大量的电线，因此难以从当前方法增加 现有TC的数量和位置。基于二氧化硅的石英纤维材料在诸如例如约2700° F的高温下熔化，因此基于二 氧化硅材料的四面体纤维布拉格光栅(FBG)传感器被认为有很大的潜力用于在苛刻环境 如涡轮机系统、燃烧器、发电机、发动机和气化器中进行多点温度测量。此外，FBG传感器包 括构成在石英光纤中的高质量反射体，其反射特定波长的光并使其它波长的光透过。由于 具有低质量、高灵敏度、多元能力、多点分布能力、多感测功能和抗电磁干扰能力，FBG传感 器是有利的。监测燃气涡轮工况不仅需要热稳定的纤维布拉格光栅传感器，而且需要坚固的纤 维传感器设备。如果具有容易在燃气涡轮内部展开以用于多点温度测量或任何瞬态热力学 测量的传感器设备则将是有用的。安装好的纤维传感器设备应当耐受燃气涡轮初始起动和 从环境温度上升至1000-1200° F的瞬态温度。考虑到排气可能包括CO、CO2, NOx, H2O等， 纤维传感器设备应当被密闭地密封，以便不仅用于可靠的温度测量，而且用于克服振动、热 循环和应力腐蚀引起的机械疲劳而保持坚固的机械强度。然而，在任何工业发电系统中展开纤维传感器毫无疑问需要适当的纤维传感器设 备和相应的安装方法。同时，由于各工业系统工况例如在温度、压力、流速、振动和腐蚀方面 可能变化，所以安装方法可能在一个工业系统与另一工业系统之间不同。希望具有一种改 进的FBG传感器设备、安装方法以及能耐受不同的苛刻环境条件的集成的感测系统。

发明内容
按照本文公开的一个实施例，一种纤维布拉格光栅多点温度感测系统包括纤维感 测线缆设备和在壁的内表面沿着圆周方向分布的多个夹紧装置，用于定位纤维感测线缆设 备。纤维感测线缆设备包括基于纤维布拉格光栅的感测线缆，该感测线缆设备包括至少一 条光纤、多个刻(inscribe)在光纤中的布拉格光栅以及包围光纤的套管。纤维感测线缆设 备包括用于将光线传输至布拉格光栅的光源，以及接收从布拉格光栅反射的光线的检测器 模块。各夹紧装置包括辐射T形管并且限定至少一个用于定位纤维感测线缆的安装孔。按照本文公开的另一实施例，一种纤维感测线缆设备包括光纤，其包括纤维芯 和包层以及围绕纤维包层的涂层；多个刻在纤维芯中的布拉格光栅；包围纤维包层的织物 层；在织物层周围的套管；用于将光线传输至布拉格光栅的光源；以及用于接收从布拉格 光栅反射的光线的检测器模块。织物层包括与纤维材料的热膨胀系数兼容的热膨胀系数。按照本文公开的又一实施例，一种方法包括获得刻有多个布拉格光栅的纤维以及 将该纤维附接在预先存在的刚性金属杆上。该金属杆包括在其外表面中并沿着杆的长度的 多个贯通孔。布拉格光栅各处于相应的贯通孔中。


当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得 更好理解，所有附图中相同的标记代表相同的部分，在附图中图1是根据本发明的一个实施例的示例性纤维布拉格光栅(FBG)感测线缆设备的 简化横截面图。图2是图1中的FBG感测线缆设备的FBG感测线缆的示例性横截面图。图3是图1的FBG感测线缆中的多个布拉格光栅的示例性波长谱。图4是图1的FBG感测线缆中的多个布拉格光栅响应燃气涡轮测试时段内的温度 变化的示例性波长位移谱。图5是根据本发明的另一实施例的多个FBG感测线缆设备的局部横截面图。图6是根据本发明的一个实施例安装在燃气涡轮的排气管道中的示例性FBG温度 感测系统。图7是夹紧装置的示例性分解图，该夹紧装置包括辐射T形管，该T形管用于定位 一对FBG感测线缆，周向FBG感测线缆组件靠近辐射T形管的顶部。图8是用于将FBG感测线缆定位在带有现有辐射T形管的燃气涡轮的排气管道内 的图7的夹紧装置的透视图。图9是用于径向温度分布映射的根据本发明的另一实施例的用于燃气涡轮的排 气管道中的示例性FBG感测耙(rake)设备。图10是根据本发明的又一实施例的用于燃气涡轮的排气管道中的示例性FBG感 测组件。图11是根据本发明的又一实施例的用于燃气涡轮的排气管道中的示例性FBG感 测组件。图12是图11的FBG感测组件的FBG感测耙的正视图。部件列表
10FBG感测设备；IlFBG线缆；12光纤；14布拉格光栅；16金属管；18织物层；20 纤维芯；22聚合物涂层；23包层；24加强部件；25加强部件的芯；27加强部件的金属层；26 编织套筒；28光源；30检测器模块；32光耦合器；34FBG感测设备；36，38第二和第三光纤； 40，42波长谱；44FBG感测系统；46燃气涡轮；48燃烧器的扩散器壁；49中心圆筒；50夹紧 装置；52FBG感测设备；53FBG线缆；54安装支柱；56固定元件；58安装孔；60定位元件；62 中间凹陷部；64板；68安装孔；70定位孔；72孔；73控制器；74FBG感测系统；75FBG感测 线缆或耙；76安装部分；84FBG感测系统；85FBG感测线缆或耙；86安装部分；88，90螺孔； 92FBG感测系统；94安装部分；95FBG感测线缆或耙
具体实施例方式本发明的实施例涉及基于纤维布拉格光栅(FBG)的温度感测设备以及将FBG感测 设备安装在苛刻环境如燃气涡轮中的方法。参照图1和2，用于高温测量的FBG感测线缆设备10包括FBG感测线缆11，该FBG 感测线缆11包括光纤12、多个刻在光纤12中的布拉格光栅14、包围光纤12的外套管16、 以及在光纤12与外套管16之间的织物层18。在一个实施例中，光纤12包括纤维芯20、包层23(图2)以及包围包层23的聚合 物涂层22。在某些实施例中，将使用金属涂层22来保护纤维包层。在某些实施例中，纤维 芯20包括锗和氟共掺杂的二氧化硅材料。在另一实施例中，纤维芯为二氧化硅，带有掺氟 二氧化硅包层。在又一实施例中，纤维芯包括石英。聚合物涂层22可包括丙烯酸脂、硅树 脂、聚酰亚胺、碳或它们的结合。由于具有机械柔韧性和低成本以及由于提高了光纤的机械 强度以有利于FBG感测线缆设备10的组装，所以聚合物涂层22是有利的。然而，聚合物涂 层22通常具有较低的熔化温度，例如，对于聚酰亚胺涂层来说为约750华氏度(° F) (400 摄氏度CC ))。在不具备织物层18的常规FBG感测线缆设备中，在升高的温度下，聚合物 层可能熔化并粘附在套管16的内表面上。套管16与光纤材料相比具有更大的热膨胀系数 并在升高的温度下膨胀，在不具备织物层18的情况下，该升高的温度可导致聚合物涂层22 和/或光纤12断裂。对于织物层18而言具有与光纤12的热膨胀系数兼容的热膨胀系数将是有利的。 如本文所用，“兼容”的意思是织物层18和光纤12的热膨胀系数(CTE)足够接近，使得纤维 将不会由于织物层18在升高的温度下的热膨胀而断裂。在某些实施例中，纤维芯20和织 物层18具有基本相同的CTE。在某些实施例中，通过使用以重量计包括至少80%的光二氧 化硅或硅石材料的织物层18实现这种兼容。例如，在一个实施例中，织物层18可包括例如 通过将玻璃纤维布溶解到SiO2而制造的硅石织物、涂覆有氟橡胶的玻璃纤维、涂覆有聚氯 丁烯的玻璃纤维织物、涂覆有硅橡胶的玻璃纤维或涂覆了聚四氟乙烯的玻璃纤维。在某些 实施例中，织物层18的形式可为包围光纤12的套筒、缠绕在光纤12周围的薄片或网、或卷 绕在光纤12周围的成束纤维。在升高的温度下，聚合物涂层22可熔化或粘附在织物层18 的内表面上。由于织物层18具有与纤维12兼容的热膨胀系数，所以织物因此保护纤维免 受损坏，并进一步保护FBG感测线缆设备10。在本发明的一个实施例中，织物层18包括套 筒，并且光纤插入该套筒中并被松散地容纳在织物层18中。下面在表1中示出用于织物层 18的一种示例性织物材料的物理性质。
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表 1 在某些实施例中，纤维布拉格光栅14通过光化学过程刻在纤维芯20中，诸如通 过紫外(UV)激光或近红外(NIR)毫微微秒(femtosecond)激光刻写，其后进行介于约 1000° F与约1500° F之间的温度的热退火过程。光化学过程通常需要从光纤12去除聚 合物涂层22的部分以便允许激光以充分的强度到达纤维芯20以实现希望的跃迁。可通过 各种方法从光栅区剥离聚合物涂层22，一个实例包括在硫酸中溶解聚合物。光纤12在部分 去除了聚合物涂层22的区域失去强度，并且因此，在一个实施例中，在纤维布拉格光栅14 形成在芯20中之后，对剥离了聚合物涂层22的光纤12的部分进行重新涂覆。在如图2最 佳地示出的另一实施例中，FBG感测线缆设备10还包括至少一个与光纤12 —起封闭在织 物层18中的纵向加强部件24以增加FBG感测线缆11的刚性。在图2所示的实施例中，加 强部件24包括一条或多条多模纤维。各多模纤维包括纤维芯25和带有聚合物涂层或金属 (Cu、Ni、Al等)涂层如铜、镍或铝的包层。在某些实施例中，光纤12和多模纤维24可绞在 一起并由聚合物涂层22保护。参照图1，在一个实施例中，外套管16包括金属材料和抛光的外表面。在本实施例 中，来自环境的短波热辐射能被套管16的抛光的外表面反射而不会影响温度测量精度。一 种示例性套管16材料为Inconel 600 或基于Inconel的合金，以及基于奥氏体镍-铬的 超合金材料，其具有耐高温性能和强抗氧化性能。在某些实施例中，管16的外径大于6. 35 毫米(mm)，管16的壁厚大于1. 2mm,因此套管16将保护FBG感测线缆11并耐受苛刻环境， 诸如热气流、3000至3600转每分(rpm)的转子叶片转速、范围从50至60Hz的固有振动频 率、以及范围从IOOHz至350Hz的势谐波分量。热响应时间是指纤维感测线缆响应温度变化的延时，其为用于FBG感测线缆设备 10的重要参数之一。短的热响应时间是理想的，其能使燃气涡轮控制系统更快地响应温度 变化。对于FBG感测线缆11而言，套管16的更小的直径和更薄的壁将提供相对更小的响 应时间，但将形成相对更弱的结构并且可能无法耐受燃气涡轮苛刻环境工况。另一种担心 是壁更小而且更薄的套管的振动频率可能与燃气涡轮转子叶片振动频率带宽重叠。使用更 重或更大的管状组装的FBG感测线缆可具有以更长的延迟响应时间为代价的良好的耐受力。一种优化的设备设计平衡了热响应特性同时设备管脱离转子基本频率的谐振频率及其 高次谐波分量。可通过方程1计算出热响应时间tQ t0 = r2 · Cp · P /k方程 1其中，r为设备材料的半径，cp为设备材料的比热，P为质量密度，而k为导热率。 在某些实施例中，套管16的外径在6. 35mm至9. 5mm的范围内，而套管16的壁厚在1.2mm 至2mm的范围内。以下表2给出了具有由不锈钢制成的外套管16的FBG感测线缆的示例性响应时 间，并且纤维层18具有Imm的半径以及套管16与纤维层18之间的3mm气隙，从热事件的 总响应时间为约2. 8秒。由于重设备可提供更长时间的耐受力的更好的机械强度，代价是 纤维传感器检测热事件的相对长的延时。对于涡轮控制和优化的目的，FBG感测线缆应当 耐受燃气涡轮苛刻工况同时具有可忽略不计的热响应时间。表2FBG感测线缆响应时间。 在一个实施例中，为了防止FBG感测线缆振动频率与燃气涡轮基本振动频率重 叠，已在自由夹紧和固定夹紧状态下模拟外径为3. 175mm和6. 35mm的两种套管尺寸。当 套管处于自由夹紧状态下时，套管可仅在水平轴线上自由移动而不能在竖直方向上自由移 动。当套管处于固定夹紧状态下时，不允许它自由移动。在自由夹紧的实施例中，希望该 3. 175mm的套管具有接近50Hz的振动频率，而希望6. 35mm管具有约130Hz的振动频率。对 于7FA、7FB和9FA燃气涡轮，从基本模式的正常振动频率为50Hz或60Hz。因此，在一个实 施例中，套管16包括壁厚大于1. 2mm的6. 35mm的Inconel 套管。在一些实施例中，热气体可辐射不同的电磁波并引起不精确的气体温度测量。在 图ι所示的实施例中，FBG感测线缆设备10还包括包围套管的外编织套筒26。编织套筒 26可用来削弱长波热辐射能量(诸如大于2微米的波长)。对于波长较长的任何热辐射而 言，该纤维套筒材料可有效地减弱来自热气体或扩散器壁的热辐射的影响。继续参照图1，FBG感测线缆设备10还包括用于将光线经光纤12传输至布拉格光 栅14的光源28，以及用于接收从布拉格光栅14反射的光线的检测器模块30。FBG感测线 缆设备10还可包括光耦合器32以管理来自光源28的入射光线以及来自布拉格光栅14的 反射信号。耦合器32将合适的反射信号引导到检测器模块30。检测器模块30接收来自布拉格光栅14的反射的光信号，并且与各种硬件和软件 合作，分析光信号内的嵌入信息。在一个实施例中，检测器模块30构造成基于从布拉格光栅14产生的反射谱估计环境的状态或参数。在某些实施例中，检测器模块30采用光谱分 析器来分析来自布拉格光栅14的信号。取决于希望的应用，检测器模块30可构造成测量 环境中的各种参数。此类参数的实例包括温度、气体的存在、应变、压力、振动和辐射。在一个实施例中，FBG感测线缆设备10用于涡轮机系统的苛刻工业环境如燃烧 器、发电机、发动机或气化器中的温度测量。当来自光源28的光线经光纤12传输至布拉格 光栅14时，光能在由方程2给出的相应布拉格波长λ Β被各布拉格光栅14反射。λΒ = 2neffA,方程 2其中“ λ Β”代表相应布拉格光栅14的布拉格波长，"neff"为折射指数，而“ Λ ”为 布拉格光栅14的周期。折射指数(nrff和布拉格光栅14的周期(Λ) 二者均为温度和应变 的函数。当FBG感测线缆设备10用于温度测量而未在布拉格光栅14上施加应变时，各布 拉格光栅14的波长位移(Δ λ )与以下方程3相对应Δλ(Τ) = λΒ(—+ = λΒ(β+α) T方程 3
neff 9Τ其中“&”为热膨胀系数，而“β ”为热光系数。考虑到非线性热光作用和热膨胀 作用，可通过方程4以温度(T)的三次函数来校准波长位移(Δ λ)。Δ λ (T) = a Δ T+b Δ T2+c Δ T3方程 4系数a、b和c可通过例如使用温度计如热电偶、电阻式温度检测器(RTD)或钼电 阻温度计(PRT)的预先实验校准获得。通过实验校准获得的系数的值的一个实例为a = 4. 87，b = 3. 20X 10_3和c = -8. OX 10_7。设置用于紧凑的感测线缆设备10内的环境的多 点温度测量的多个布拉格光栅14是方便的。在某些实施例中，多个布拉格光栅14设计有 波长空间距离为0. 5纳米至100纳米的不同波长以避免测量期间的任何可能的峰值重叠。 图3示出了同一光纤12内一定数量(N)的布拉格光栅14的示例性波长谱。如图所示，各布 拉格光栅14具有与别个不同的波长，并且因此当被检测器模块30接收时可彼此区分。图 4示出了多个布拉格光栅响应于温度变化在特定时段(T)内的示例性波长位移谱。FBG感 测线缆设备10因此可用于在线数据分析，其可提供用于燃气涡轮控制及优化的平均排气 温度和/或局部温度。虽然各布拉格光栅14具有不同的中心波长，但波长位移基本与温度 变化成比例。从波长位移至温度的转换基于方程4。在某些实施例中，FBG感测线缆设备10可包括同一 FBG感测线缆11内的两条或 多条光纤12以承载更多的布拉格光栅14。参照图5，根据本发明的另一实施例的FBG感测 线缆设备34包括同一 FBG感测线缆11内的第一、第二和第三光纤12、36、38。第一、第二 和第三光纤12、36、38中的各个均刻有多个布拉格光栅14。在一个实施例中，同一光纤12 中的布拉格光栅14沿着大致纵向分布。在一个实施例中，不同光纤中的布拉格光栅14沿 着FBG感测线缆11的纵向交错。在多条光纤的情况下，布拉格光栅14可沿着纵向以更紧 凑的方式设置并且可测量沿着纵向的更多点。在一个实施例中，第一、第二和第三光纤12、 36,38分别被相应的织物层18包围，并且然后被进一步容纳在套管16中。在另一实施例 中，第一、第二和第三光纤12、36和38被一个共同的织物层18包围，并且然后进一步容纳 在套管16中。图6-8示出了燃气涡轮系统中使用的示例性的基于FBG的分布的温度感测系统 44，例如，用于多点排气温度测量和热分布测量(thermalprofiling)。参照图6，在本发明的一个示例性实施例中，FBG感测系统44用于燃气涡轮46中，用来测量燃气涡轮46的排 气温度。燃气涡轮46包括将中心圆筒49封闭在其中的扩散器壁48。扩散器壁48具有基 本圆周的横截面图。FBG感测系统44包括扩散器壁48的内表面中的多个夹紧装置50，以 及包括由夹紧装置50支承的圆周的FBG感测线缆53的FBG感测线缆设备52。FBG感测线 缆设备52包括至少一条光纤12和刻在光纤中的多个布拉格光栅，如以上参照图1和2所 述，在需要的情况下可使用一条光纤或多条光纤和/或线缆。当多个布拉格光栅14沿着一 条或多条圆周的光纤分布时，可通过监测布拉格光栅14的波长位移而沿着光纤路径映射 圆形热分布。在一个实施例中，FBG感测线缆53的详细设计可与参照图1和4的FBG感测 线缆11所述类似。在升高的温度下，FBG感测线缆53具有沿着周向的热膨胀，并且该热膨胀引起FBG 感测线缆53中的应力和应变，其对于布拉格光栅14而言引起波长位移。在某些实施例中， FBG感测线缆设备52可包括串联连接的两条或更多FBG感测线缆以覆盖扩散器壁48的内 表面的整个周长。在图6所示的实施例中，FBG感测线缆设备52包括串联连接的两条半圆 形FBG感测线缆53以沿着扩散器壁48的内表面的整个周长延伸。各FBG感测线缆53因 此具有沿着整个圆周的热膨胀中的一些以降低线缆断裂的危险并提高温度测量的精度。图7和8分别是一个夹紧装置50的放大的分解图和放大的透视图。在所示的实 施例中，夹紧装置50包括定位在扩散器壁48 (图6)的内表面上的辐射T形管54、固定在辐 射T形管54的上部并限定安装孔58以保持FBG感测线缆53的固定元件56、以及附接在固 定元件56上以将FBG感测线缆53定位在安装孔58中的至少一个定位元件60。在某些实 施例中，辐射T形管54具有在30cm以上的高度，并且因此支承在固定元件56中的FBG线 缆53与扩散器壁48的内表面隔开约30厘米。在某些实施例中，夹紧装置50和辐射T形 管54包括与套管16相同的材料以使热电偶的安装和保护容易。在一个实施例中，固定元件56具有用于匹配辐射T形管54的前外周表面的中间 凹陷部62，以及从中间凹陷部62延伸的至少一个板64。在所示的实施例中，固定元件56 包括从中间凹陷部侧向延伸以定位两条FBG感测线缆53的一对板64。各板64限定了至少 一个安装孔58，用于容纳FBG感测线缆53并限制FBG线缆53的向下运动。在一个实施例 中，各安装孔58包括延伸通过板62的上边缘的倾斜槽以有利于更容易地将FBG感测线缆 53安装在安装孔58中。各定位元件60包括与安装孔58对应的安装孔68。在一个实施例 中，安装孔68包括延伸通过定位元件60的下边缘的倾斜槽，以有利于更容易地将FBG感测 线缆53安装在安装孔68中并限制FBG感测线缆53的向上运动。在一个实施例中，固定元 件56和定位元件60分别包括定位孔70以将固定元件56和定位元件60螺接在一起。在 一个实施例中，通过螺接穿过孔72将固定元件56固定在辐射T形管54上。返回参照图6，在一个实施例中，燃气涡轮46还包括控制器73，用于燃烧过程控制 和优化，例如，用于将燃料和空气的稀混合物喷射到燃气涡轮46中。温度变化是点火过程 动态的一个很重要的指标。因此，控制器73接收由FBG感测系统44监测的温度参数以执 行控制。在一个实施例中，燃气涡轮46本来设计有成圆环形分布在周壁48的内表面中的 热电偶，并且辐射T形管54本来设置成用于安装热电偶。所示的FBG感测线缆53采用了 用于安装FBG感测线缆53的辐射T形管54，其代替热电偶并可选地增加测量点的密度而 无需额外的大体积电线。因此，提高了温度测量精度，并且还使控制器73能够执行更精确的过程控制及优化。在其它实施例中，辐射T形管54可特别设计成用于安装FBG感测线缆 53。FBG感测线缆53在一些实施例中沿着燃气涡轮46的排气管道的整个内周延伸，而在其 它实施例中沿着内周的一部分延伸。参照图9的实施例，FBG感测系统74使用FBG感测线缆设备10或34，如参照图 1-5所述。在图9所示的实施例中，FBG感测线缆75基本上为直的和刚性耙的形式(“FBG 感测耙75”)，并且FBG感测系统74包括用于将FBG感测耙75定位在燃气涡轮46的排气 管道上的安装部分76。如图所示，FBG感测耙75通过扩散器壁48中的孔87延伸到燃气涡 轮46中并且大致垂直于燃气涡轮46的纵向或气流方向D。在本实施例中，FBG感测耙75 可用来测量燃气涡轮46从扩散器壁48至中心圆筒49的径向热分布。在所示的实施例中， 安装部分76通过螺接穿过分别在燃气涡轮46的安装部分86和扩散器壁48中的螺孔88 和90而定位在扩散器壁48的外表面上。在一个实施例中，燃气涡轮46本来在扩散器壁48 中设置有孔87以安装热电偶。在一个实施例中，扩散器壁48限定成环形分布的多个孔87， 并且FBG感测系统84包括通过对应的孔87延伸到燃气涡轮46中的多个FBG感测耙75以 测量燃气涡轮46的径向热分布。参照图10的实施例，用于燃气涡轮46的排气管道中的FBG感测系统84利用了如 参照图1-5所述的FBG感测线缆设备10或34，并且包括用于将FBG感测系统84定位在燃 气涡轮46的排气管道上的安装部分86。在所示的实施例中，FBG感测线缆或耙85沿着燃 气涡轮46的中心轴线并大致沿着燃气涡轮46的气流方向D延伸。因此，FBG感测系统84 可用来测量燃气涡轮46的轴向热分布。FBG感测耙85可延伸出燃气涡轮46，布拉格光栅 14沿其分布，并且因此可获得沿着从燃气涡轮46内部至燃气涡轮46外部的燃气涡轮46的 中心方向的热分布。在一个实施例中，安装部分86通过螺接穿过分别在燃气涡轮46的安 装部分86和周壁48中的螺孔88和90而定位在燃烧器壁48的外表面上。参照图11和12，用于燃气涡轮46的排气管道中的FBG感测系统92利用了如参 照图1-5所述的FBG感测线缆设备10或34，并且包括用于将FBG感测系统92定位在燃气 涡轮46的排气管道上的安装部分94。在所示的实施例中，FBG感测系统92包括FBG线缆 或耙95，其沿着燃气涡轮46的中心轴线并大致沿着燃气涡轮46中的气流方向D延伸。因 此，FBG感测系统92可用来测量燃气涡轮46的轴向热分布。在所示的实施例中，FBG感测 耙95包括在管状壁100的外表面中限定了多个贯通孔98的刚性杆96。FBG感测耙95包 括定位在管状壁100中的至少一条纤维102。纤维102刻有多个布拉格光栅14并且各布拉 格光栅设置在管状壁100中对应的贯通孔98中。因此，布拉格光栅14对燃气涡轮46的排 气管道的温度变化更敏感，并且可获得快的温度响应。在一个实施例中，杆96中的贯通孔 98本来设置成用于安装TC。在某些实施例中，纤维102定位在杆96的外表面上。在一个 实施例中，用于将纤维102定位在杆96的外表面上的方法包括首先在杆96的外表面中切 槽；将纤维102插入金属套管中以形成纤维感测管并且然后将纤维感测管定位在金属杆的 外表面上；将纤维感测管放置在槽中，使布拉格光栅处于对应的贯通孔98中；以及然后通 过在槽中填充粘合材料将纤维感测管嵌入杆96的外表面中。虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员应该理解的是，可作 出各种改变并且等同物可代替本发明的元件而不脱离本发明的范围。另外，可对本发明的 教导作出许多改型以适应具体情形或材料而不脱离本发明的实质范围。因此，本发明并非想要局限于作为为实施本发明而预期的最佳模式公开的特定实施方式，而是将包括落在权 利要求的范围内的所有实施方式。应该理解的是，上述的这种目的或优点不一定全部按照任何特定实施方式实现。 因此，例如，本领域技术人员应该认识到的是，实施和执行本文所述的系统和技术的方式可 以是实现或优化了本文教导的一个优点或优点的组而不一定实现了如本文可教导或提出 的其它目的或优点。此外，技术人员应该认识到不同实施例的各种特征的可互换性。本领域技术人员 可混合和匹配所述的各种特征以及用于各特征的其它已知等同物，以构成按照本公开内容 的原理的另外的系统和技术。
权利要求
一种纤维布拉格光栅多点温度感测系统(44)，包括纤维感测线缆设备(52)，包括基于纤维布拉格光栅的温度感测线缆(53)，包括至少一条光纤(12)、刻在所述光纤中的多个布拉格光栅(14)、包围所述光纤的织物层(18)、以及包围所述光纤的套管(16)；用于传输光线至所述布拉格光栅的光源；以及接收从所述布拉格光栅反射的光线的检测器模块；以及在壁的内表面沿着圆周方向分布的多个夹紧装置(50)，各夹紧装置包括辐射T形管(54)并且限定至少一个安装孔(58)以定位所述纤维感测线缆。
2.根据权利要求1所述的纤维布拉格光栅多点温度感测系统，其特征在于，各夹紧装 置包括固定元件，所述固定元件定位在所述辐射T形管上并且限定至少一个安装孔以容纳 所述基于纤维布拉格光栅的温度感测线缆，以及定位元件，所述定位元件与所述固定元件 可分离地定位，以定位所述基于纤维布拉格光栅的温度感测线缆。
3.根据权利要求1所述的纤维布拉格光栅多点温度感测系统，其特征在于，各定位元 件限定与所述固定元件中的所述安装孔对应的安装孔，以容纳所述基于纤维布拉格光栅的 温度感测线缆。
4.根据权利要求3所述的纤维布拉格光栅多点温度感测系统，其特征在于，所述固定 元件中的所述安装孔包括延伸通过所述固定元件的上边缘的槽，并且所述定位元件中的所 述安装孔包括延伸通过所述固定元件的下边缘的槽。
5.一种纤维多点温度感测线缆设备，包括包括纤维芯和包层以及包围所述纤维包层的涂层的光纤； 刻在所述纤维芯中的多个布拉格光栅；包围所述纤维包层的织物层，所述织物层包括与所述纤维材料的热膨胀系数兼容的热 膨胀系数；围绕所述织物层的套管；用于将光线传输至所述布拉格光栅的光源；以及用于接收从所述布拉格光栅反射的光线的检测器模块。
6.根据权利要求5所述的纤维温度感测线缆设备，其特征在于，所述织物层包括二氧 化硅或硅树脂材料的套筒。
7.根据权利要求5所述的纤维温度感测线缆设备，其特征在于，所述纤维套筒织物层 包括以重量计至少80%的二氧化硅或硅树脂材料。
8.根据权利要求6所述的纤维温度感测线缆设备，其特征在于，所述纤维温度感测线 缆设备还包括封闭在所述织物层中的加强部件。
9.根据权利要求8所述的纤维温度感测线缆设备，其特征在于，所述加强部件包括一 条或多条多模纤维。
10.根据权利要求5所述的纤维温度感测线缆设备，其特征在于，所述纤维温度感测线 缆设备包括带有多个刻在所述纤维芯内部的多个布拉格光栅的至少两条光纤。
全文摘要
本发明涉及一种纤维布拉格光栅多点温度感测系统(44)，其包括纤维感测线缆设备(52)和在壁的内表面沿着圆周方向分布以固定该纤维感测线缆设备的多个夹紧装置。该纤维感测线缆设备包括基于纤维布拉格光栅的感测线缆(53)，其包括至少一条光纤(12)、多个刻在光纤中的布拉格光栅(14)以及织物层(18)，以及包围光纤的套管(16)。该多点纤维温度感测系统包括用于将光线传输至基于布拉格光栅的感测线缆设备的光源，以及接收反射的信号的检测器模块。各夹紧装置包括辐射T形管(54)并且限定至少一个安装孔(58)以定位纤维感测线缆。
文档编号G01K11/32GK101886955SQ201010184259
公开日2010年11月17日 申请日期2010年5月14日 优先权日2009年5月15日
发明者B·K·李, C·J·沃纳, D·R·奥康诺尔, J·G·罗佩斯, J·R·努特, J·吴, K·T·麦卡锡, K-L·邓, M·J·克罗克, R·K·吉尔斯特拉普, 夏华 申请人:通用电气公司