Entwicklung und Test eines langwelligen Strahlungsthermometers zur
berührungslosen Temperaturmessung in Gasturbinen während des
Betriebs

Jochen Manara; Thomas Stark; Matthias Zipf; Mariacarla Arduini; Hans-Peter Ebert; Jürgen Hartmann; Andreas Tutschke; Andrew Hallam; Jagdevinder Hanspal; Mark Langley

doi:10.1515/teme-2017-0077

Article

Entwicklung und Test eines langwelligen Strahlungsthermometers zur berührungslosen Temperaturmessung in Gasturbinen während des Betriebs

Jochen Manara
Jochen Manara studierte Physik an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und promovierte dort 2001. Seit 2002 leitet er die Arbeitsgruppe Angewandte IR-Metrologie am Bayerischen Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V. (ZAE Bayern). Dabei ist er bei auf dem Gebiet der Entwicklung und Charakterisierung von Funktionsmaterialien für Hochtemperaturanwendungen zur Erhöhung der Energieeffizienz (z. B. von Gasturbinen) aktiv. Ein Fokus seiner Arbeiten liegt auf der IR-Spektroskopie und der berührungslosen Temperaturmessung. Gemeinsam mit Forschungsinstituten und Industriepartnern werden Turbinenbauteil (Wärmedämmschichten, etc.) infrarot-optisch charakterisiert und Strahlungsthermometer zur berührungslosen Messung von Oberflächentemperaturen unter extremen Bedingungen entwickelt. Dabei wird nicht nur die Emission der Wärmabstrahlung von Oberflächen oder den Strahlungsaustausch zwischen Oberflächen, sondern auch auf der Strahlungstransport durch Materialien (wie semi-transparente Keramikbeschichtungen) und Gase betrachtet.
Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V. (ZAE Bayern), Magdalene-Schoch-Str. 3, 97074 Würzburg
, Thomas Stark
Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V. (ZAE Bayern), Magdalene-Schoch-Str. 3, 97074 Würzburg
, Matthias Zipf
Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V. (ZAE Bayern), Magdalene-Schoch-Str. 3, 97074 Würzburg
, Mariacarla Arduini
Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V. (ZAE Bayern), Magdalene-Schoch-Str. 3, 97074 Würzburg
, Hans-Peter Ebert
Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V. (ZAE Bayern), Magdalene-Schoch-Str. 3, 97074 Würzburg
, Jürgen Hartmann
Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt, Ignaz-Schön-Str. 11, 97421 Schweinfurt
, Andreas Tutschke
Siemens AG, Energy Sector, Fossil Power Generation Division, Huttenstr. 12, 10553 Berlin
, Andrew Hallam
Meggitt Sensing Systems, The Laurels, Jays Close, Viables Industrial Estate, Basingstoke, RG22 4BS, Vereinigtes Königreich Großbritannien und Nordirland
, Jagdevinder Hanspal
Meggitt Sensing Systems, The Laurels, Jays Close, Viables Industrial Estate, Basingstoke, RG22 4BS, Vereinigtes Königreich Großbritannien und Nordirland
and Mark Langley
Meggitt Sensing Systems, The Laurels, Jays Close, Viables Industrial Estate, Basingstoke, RG22 4BS, Vereinigtes Königreich Großbritannien und Nordirland

Published/Copyright: November 7, 2017

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From the journal tm - Technisches Messen Volume 85 Issue 1

Zusammenfassung

Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Entwicklung eines langwelligen Strahlungsthermometers zur berührungslosen Messung von Oberflächentemperaturen in stationären Gasturbinen während des Betriebs der Turbinen innerhalb des EU-geförderten Projektes „Sensors Towards Advanced Monitoring and Control of Gas Turbine Engines (Acronym STARGATE)“. Im Rahmen der Arbeit wurden die infrarot-optischen Eigenschaften der Wärmedämmschichten und der vorhandenen Brenngase am ZAE Bayern bei hohen Temperaturen bis 1600 K und Drücken bis 13 bar bestimmt. Mit Hilfe dieser experimentellen Charakterisierungen konnte ein geeigneter Spektralbereich um 10 μm für das langwellige Strahlungsthermometer identifiziert werden. Entsprechend dieser Erkenntnisse wurde zunächst ein Laboraufbau mit geeigneten optischen Bauteilen (Filter, IR-Wellenleiter, etc.) realisiert und verifiziert. Anschließend wurde ein Prototyp für Messungen in Gasturbinen während des Betriebs der Turbinen entwickelt und in einem Turbinenteststand der Firma Siemens AG in Berlin erfolgreich getestet. Abschließend wurde eine Unsicherheitsanalyse durchgeführt, die eine erweiterte Messunsicherheit der gemessenen Temperaturen von etwa ± 30 K ergab.

Abstract

The aim of this work was the development of a long wavelength infrared radiation thermometer for the non-contact measurement of surface temperatures in stationary gas turbines during operation within the EU-project „Sensors Towards Advanced Monitoring and Control of Gas Turbine Engines (acronym STARGATE)“. In this work, the infrared-optical properties of the thermal barrier coatings and the combustion gases were determined at ZAE Bayern at high temperatures up to 1600 K and pressures up to 13 bar. Based on these experimental characterizations, a suitable spectral range could be identified which lies around 10 μm for the long-wavelength infrared radiation thermometer. According to these findings, a laboratory setup with suitable optical components (filters, IR-fibers, etc.) was firstly realized and verified. Subsequently, a prototype for measurements in gas turbines during operation of the turbines has been developed and tested successfully in a test rig of Siemens AG in Berlin. Finally, an uncertainty analysis has been performed which lead to an expanded measurement uncertainty of the measured temperatures of about ± 30 K.

Schlagwörter: Berührungslose Temperaturmessung; Strahlungsthermometrie; Wärmedämmschicht; Gasturbine; Emissionsgrad; Infrarot-Strahlung

Keywords: Non-contact temperature measurement; radiation thermometry; thermal barrier coating; gas turbine; emissivity; infrared radiation

About the authors

Jochen Manara

Jochen Manara studierte Physik an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und promovierte dort 2001. Seit 2002 leitet er die Arbeitsgruppe Angewandte IR-Metrologie am Bayerischen Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V. (ZAE Bayern). Dabei ist er bei auf dem Gebiet der Entwicklung und Charakterisierung von Funktionsmaterialien für Hochtemperaturanwendungen zur Erhöhung der Energieeffizienz (z. B. von Gasturbinen) aktiv. Ein Fokus seiner Arbeiten liegt auf der IR-Spektroskopie und der berührungslosen Temperaturmessung. Gemeinsam mit Forschungsinstituten und Industriepartnern werden Turbinenbauteil (Wärmedämmschichten, etc.) infrarot-optisch charakterisiert und Strahlungsthermometer zur berührungslosen Messung von Oberflächentemperaturen unter extremen Bedingungen entwickelt. Dabei wird nicht nur die Emission der Wärmabstrahlung von Oberflächen oder den Strahlungsaustausch zwischen Oberflächen, sondern auch auf der Strahlungstransport durch Materialien (wie semi-transparente Keramikbeschichtungen) und Gase betrachtet.