用于燃气涡轮机环境的热电偶制造技术

公开了用于燃气涡轮机部件的薄膜热电偶（１２）。该热电偶可以被形成在非平坦基底（２２）上，该基底具有形成于其上的电绝缘层（３４），该电绝缘层能够在燃气涡轮机的操作温度下维持其隔绝特性。由纯铂制成的第一热电偶腿（２６）之后被沉积在介电层（３４）上。由另一纯金属或透明陶瓷氧化物制成的第二热电偶腿（２８）也被形成在介电层（３４）上，其中第一和第二热电偶腿在每个腿的第一端处形成欧姆接触从而形成热接点（３０）以便将热转换为电信号。热电偶可以被沉积在热屏障涂层的表面上或热屏障涂层和底层金属基底之间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体涉及热电偶及其制造方法，且具体地涉及薄膜单元素热电元件和结构 形成的热电偶并且所述热电偶可以被沉积在非平坦表面上且在超高温度时是有效的。
技术介绍
存在对于在超高温度下操作的现代燃气涡轮机内关键运动部件的结构整体性的 实时测量的日益需求。此外，未来的燃气涡轮机将需要更高操作温度。不过，在这些涡轮机 中存在的严酷的涡轮机环境以及缺乏长期有效的传感器功能，使得难以满足这些目标。被 暴露于热气路径的材料更接近其设计余量被操作，这需要研发准确且可靠的传感器来监控 操作期间材料的情况。当寿命预测工具利用实验室产生的数据时，具有嵌入式传感器的主 动监控使得能够更好地理解材料失效、由于材料退化而导致的功能损失以及涂层分层或裂 纹或剥落的物理现象。涡轮机通常包括在旋转元件上各种暴露于高温和大的离心力的多种 部件材料，且其经常由高度导电的金属材料围绕。具有真实可靠性的温度传感器是热电偶。原则上，当由不同金属制成的两个导体 在两端结合时，形成热电电路。当这个电路的其中一端被加热时，在热电电路中存在流动的 持续电流。在1821年由Thomas Seebeck发现了这个现象。如果这个电路在中心断开，则 热开路电压(Seebeck电压)是接点温度和两种金属的成分的函数。这种电路被公知为热电偶。大多数现有技术的热电偶是由电线制成的。例如，诸如S型热电偶的标准热电偶 的构造是其中一个电线腿是纯钼电线而第二电线腿是近似90%钼和10%铑的合金。另一种 标准现有技术热电偶的示例是R型热电偶，其具有由95%钼和5%铑构成的合金制成的一个 电线腿以及由87%钼和13%铑构成的合金制成的另一个电线腿。当热电偶由电线制成且其 中组分的百分比沿电线长度一致时这些合金组合工作良好。当热电偶腿被沉积在薄膜结构 中时这是不必要的。例如，当沉积合金(例如钼-10%铑)时，沿热电偶腿的长度将发生成分 变化。也就是说，10%铑将不会在各处均勻分布，而这会导致热电偶性能的偏差。因此，需要可靠且能够承受燃气涡轮机的严酷环境的热电偶。当热电偶需要在温 度可高于1300摄氏度的涡轮机热气路径段中工作时，也需要热电偶对于部件的性能或寿 命具有最小影响。附图说明参考附图在下述说明中解释了本专利技术，附图示出了 图1是涡轮机叶片的立体图，该涡轮机叶片具有形成于其上的传感器，例如热电偶。图2是涡轮机叶片的一部分的横截面图，其示出了根据本专利技术形成在叶片上的热4屏障涂层上的薄膜热电偶。图3是根据本专利技术的薄膜热电偶的平面图。图4A是涡轮机叶片的一部分的横截面图，其示出了根据本专利技术的实施例形成在 叶片上的热屏障涂层(TBC)上的高温电介质上的热电偶。图4B是涡轮机叶片的一部分的横截面图，其示出了根据本专利技术的实施例形成在 直接被沉积到叶片基底上且在TBC层下方的高温电介质上的热电偶。图4C是涡轮机叶片的一部分的横截面图，其示出了根据本专利技术的实施例形成在 TBC层内的热电偶。图5是根据本专利技术沉积在TBC层上方或下方的高温电介质上的薄膜热电偶的平面 图。图6是示出单元素热电偶随温度增加的性能的示图。图7是示出了单元素热电偶与标准S型热电偶相比较的性能的示图。具体实施例方式随着薄膜技术的发展，已经认识到对于测量固体表面温度而言，薄膜热电偶具有 优于标准电线热电偶的多个优点。它们具有小的质量从而提供非常快速的响应，相比于电 线传感器薄膜的厚度不会干扰表面的对流热传递特性，并且其小尺寸非常适合于复杂电子 制造技术。此外，当附连于涡轮机部件时薄膜传感器的小的质量不会产生与因涡轮机旋转 而导致的被施加于热电偶上的离心力相关的问题。此外，薄膜传感器允许适用于涡轮机部 件的非平坦表面。附加地，薄膜传感器在严酷涡轮机环境中关键运动部件上的实施方式为 操作期间基于情况的监控提供了优秀的数据来源。这些热电偶提供了能够可靠监控服役中 的部件的实时温度分布。一种这样的薄膜传感器族是单元素热电偶。单元素热电偶具有两 个腿，每个腿由不同的单一元素材料(例如，如钼、钯、铑或铱的贵金属)制成。换言之，单元 素热电偶不会使用如S型和R型电线热电偶中所用的合金电线制成的腿。可以使用纯钼和纯钯金属作为热电偶的两个腿，这是因为其CTE相比于沉积在涡 轮机部件(即叶片)上的底层陶瓷热屏障涂层(TBC)而言具有微小的不匹配度。而且，由于 这些金属的纯度(即，它们均是单元素的)，沿被沉积的热电偶线路的长度存在极小的有助 于热电偶性能变化的化学差异。这里使用的术语“纯”或“单元素”意味着纯度水平为至少 99wt.%。使用这些金属的其他优点包括它们具有优异的氧化特性和高的熔点(例如钼是 1769摄氏度)，这允许热电偶被沉积在可能会直接暴露于热燃气路径环境中的TBC的顶表 面上。图1中示出了一种能够收集实时温度数据的仪表化运动涡轮机部件，其中燃气涡 轮机11的涡轮机叶片10具有安装在其上的热电偶12和通向电路16的导体14，该电路16 处理并传输源自热电偶12的数据至涡轮机11外部的接收器电路(未示出)。电路16的有 效技术方案被公开于标题为 “SMART COMPONENT FOR USE IN AN OPERATING ENVIRONMENT” 的已公开的美国专利申请公开号US 2005/0198967 Al。现在参考图2，示出了涡轮机叶片10的一部分的横截面图，该涡轮机叶片10具有 安装于其上的根据本专利技术的一种实施例的薄膜热电偶12，该薄膜热电偶12形成于覆盖金 属叶片的TBC 20顶部。叶片10的底层基底22具有首先形成于其上的粘结层M，该粘结层对将180 20分离于基底并且确保这二者间的良好粘结。图3是热电偶12的平面图，其中 根据一种实施例，第一腿26由纯钼形成且第二腿观由纯钯形成。两个腿沈和观的第一 端在点30处结合在一起，这使得这两个腿之间形成欧姆接触并且形成热接点以用于将热 转换成电信号(即，kebeck电压)。结合片32A和32B分别形成于腿沈和观的另一端上， 这允许与导体14产生电接触以便将电信号(即kebeck电压)传输到电路16。高温涡轮机环境(例如高于800摄氏度)的另一考虑是TBC材料的介电/离子导电 性。由氧化钇稳定氧化锆制成的标准TBC在800摄氏度之上损失其介电强度。因此，可需 要陶瓷绝缘涂层34 (图4A)将热电偶12分离于TBC 20，该绝缘涂层通常具有1100摄氏度 之上的介电强度(高温阻抗大于0.5兆欧)。各种氧化物能够在高温保持这样的强度。一 种受关注的成分是钇铝石榴石(YAG)，其已经以50-250微米范围内的厚度被沉积并且已经 被证明在高温(例如高于1100摄氏度)时具有优异的热电偶性能。图4A示出了 TBC 20上 的介电绝缘涂层34的横截面图。具体而言，介电绝缘涂层34物理地且电学地将热电偶12 分离于TBC 20。图4B示出了本专利技术的可替代实施例，其示出了涡轮机叶片的另一部分，其 中介电绝缘涂层34被直接沉积到基底22上并且热电偶12被沉积在这个介电绝缘涂层上。 而且，如果需要，另一个介电绝缘涂层35 (例如具有相同材料和厚度)可以被沉积在热电偶 12上。最后，TBC层20被沉积在介电绝缘涂层35上(或直接沉积在热电偶上)。因此，热 电偶12被嵌入在结构中本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种在燃气涡轮发动机的高温环境中使用的热电偶，包括：第一电绝缘层，其被形成在所述燃气涡轮发动机的部件的表面上并且在发动机的操作温度下有效地提供一定程度的电绝缘从而有效地允许热电偶的操作；包含铂的第一热电偶腿，其具有５０－１００微米范围内的厚度且被沉积在所述第一绝缘层上；以及包括钯的第二热电偶腿，其也被形成在所述第一绝缘层上并且具有在５０－１００微米范围内的厚度，其中所述第一和第二热电偶腿在每个腿的第一端处形成欧姆接触从而形成热接点以用于将热转换成电信号，并且其中每个腿的第二端被设置成电接触用于将所述电信号处理成所述部件的所述表面的温度的读数的电路。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·A·库尔卡尼，
申请(专利权)人：西门子能源公司，
类型：发明
国别省市：US