Brevet FR2528976A1 — publié le 19831223

ELEMENT OPTIQUE POUR MESURES PYROMETRIQUES. La présente invention concerne un élément optique et plus particulière- ment, mais non exclusivement,des lentilles ou des fenêtres pour des py- romètres à radiations, ou d'autres appareils optiques susceptibles d'ê- tre souillés. Les pyromètres à radiations utilisés sur les turbines à gaz, en particu- lier pour mesurer la température des pales de la turbine, comportent ha- lo bituellement un tête optique conçue pour transmettre les radiations à travaers un conduit de dérivation aboutissant à la chambre de la turbine. La tête est orientée de manière à recevoir les radiations émises par les pales de la turbine et comporte une lentille ou une autre fenêtre optique logée dans le tube de surveillance, qui débouche dans la paroi -de la cham- bre L'utilisation d'un tube de surveillance permet de limiter l'angle de réception des radiations et d'éviter que la fenêtre soit directement ex- posée à la chaleur de la combustion à l'intérieur de la chambre. Un des problèmes qui se pose pour ce type de pyromètres, est que la len- tille ou la fenêtre est rapidement souillée, notamment par les produits de la combustion pendant le fonctionnement de la turbine, ce qui réduit con- sidérablement la transmission des radiations. Pour nettoyer cet élément optique, on peut projeter de l'air en direction du tube d'observation, ce qui a pour effet de réduire quelque peu l'encras- sement Toutefois, ce problème subsiste en particulier pendant le démarra- ge et l'arrêt de la turbine, lorsque la pression du jet d'air est réduite, ou lorsque le système de nettoyage est endommagé ou bloqué Enfin, dans certaines turbines, il est impossible de monter un tel dispositif de net- toyage automatique, de sorte qu'il est indispensable de démonter le py- romètre pour nettoyer la lentille après un fonctionnement de 30 à 100 heu- res de la turbine. La présente invention se propose de diminuer l'encrassement de tels élé- ments optiques et par conséquent, de réduire les problèmes dûs à cet en- crassement. A cet effet, l'élément optique selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte une couche de surface, comprenant un matériau catalytique destiné à réduire l'encrassement de cet élément par des substances opa- ques. Ce matériau catalytique permet de réduire la température d'oxydation des substances opaques, de manière à favoriser la-transformation de ces sub- stances solides en substances gazeuses Dans ce but, la couche de surface comporte avantageusement de l'oxyde d'aluminium et de platine L'élément optique peut être une lentille ou un élément réfléchissant. La présente invention concerne également un appareil de surveillance d'une chambre de combustion, comportant une lentille disposée à son extrémité antérieure, à proximité de la chambre de combustion, ainsi qu'un élément optique transparent monté à proximité de l'extrémité antérieure de cet appareil, cet élément optique laissant passer les radiations provenant de la chambre de combustion, vers un détecteur de radiations, caractérisé en ce que la surface antérieure de l'élément optique comporte une surface re- vêtue d'une couche de matériau catalytique, destiné à réduire la tempéra- ture d'oxydation de substances opaques qui se déposent sur ledit élément, à une température inférieure à la température de cet élément lorsque l'ap- pareil est en fonctionnement, de manière à favoriser la transformation de ces substances solides en substances gazeuses. La présente invention concerne enfin un appareil pyromètrique comportant un détecteur de radiations, et un élément optique transparent monté à l'avant du détecteur, de telle manière que les radiations traversent l'é- lément optique pour atteindre le détecteur, cet appareil étant caractéri- sé en ce que la surface antérieure de l'élément optique comporte une cou- che de surface comprenant un matériau catalytique destiné à favoriser l'oxydation des substances déposées sur cette couche, et à les transfor- mer en substances gazeuses. -3- La présente invention sera mieux comprise en référence à la description d'un exemple de réalisation d'un pyromètre à radiations, monté sur une turbine à gaz et comportant un élément optique selon l'invention, et au dessin annexé dans lequel: la figure 1 représente une vue en coupe partielle du pyromètre selon l'in- vention, et la figure 2 représente une vue en coupe plus détaillée de ce pyromètre. En référence aux figures, le pyromètre à radiations comporte une tête optique 1 contenue dans un manchon métallique 2, montée sur la carcasse 3 d'une turbine Le manchon 2 s'étend à travers un conduit de dérivation 4 de la'chambre de combustion 5, pour diriger la tête 1 en direction des pales de la turbine Plus particulièrement, le manchon 2 comporte un tu- be d'observation 7 qui débouche dans la chambre 5, à travers le conduit 4 et sert de canal aux radiations transmises par les pales 6 en direction d'une lentille 8, en saphir synthétique (voir figure 2) de la tête optique 1 La lentille 8 focalise les radiations transmises par les pales 6 sur l'extrémité 9 d'un câble 10 à fibres optiques. Ce dispositif comporte des moyens pour évacuer le carburant ou les produits de la combustion du tube 7 pendant le fonctionnement de la turbine, et à cet effet, le tube 7 comporte une fente 30 qui débouche dans le conduit de dérivation 4 L'air de refroidissement qui est amené de façon traditionnel- le à travers le conduit 4 en provenance d'un compresseur, circule à tra- vers la fente 30 dans le tube 7 pour être refoulé dans la chambre 5, de manière à empêcher dans la mesure du possible, la pénétration de carburant et des produits de combustion dans ce tube pendant le fonctionnement de la turbine. La pression de l'air de refroidissement transmis par le conduit 4 est tou- tefois relativement faible pendant la phase de démarrage du moteur)et est habituellement insuffisante pour empêcher la pénétration du mélange carbu- rant-air à l'intérieur du tube 7 pendant cette phase Pour renforcer cet effet de blocage, empêchant la pénétration du mélange carburant-air dans le tube 7, on peut purger avec de l'air provenant d'une source 31 sépa- rée. La source d'air séparée 31 est couplée au moyen d'une soupape anti-re- tour 32 à une embouchure 33 ménagée dans le manchon 2, destinée à injec- ter de l'air sous basse pression (par exemple à 5,6 Kg/cm 2) dans un es- pace annulaire 34 ménagé entre le manchon 2 et le boîtier 35 de la tête 1 L'air est soufflé de l'espace 34 sur la surface frontale de la len- tille 8 dans le tube 7,à travers des embouchures 36 régulièrement dis- tribuées le long de la circonférence d'une bague de retenue 37 de la lentille (voir figure 2) et logées dans le boîtier 35 Le flux d'air qui balaie la lentille 8 dans le tube 7, purge ce tube du mélange carburant- air, ce processus se poursuivant pendant la phase de démarrage de la tur- bine jusqu'à ce que la pression appliquée à l'orifice 33 est dépassée par celle régnant dans le conduit'de dérivation 4 Le flux d'air qui tra- verse la fente 30 et provient du conduit 4, pour purger le tube 7,crée un rideau qui piège un volume d'air propre et stagnant, restant en con- tact avec la lentille 8 au-dessus de la fente 30 La fente 30 est incli- née vers l'avant pour diriger le flux vers le bas du tube 7 et pour ac- croître de ce fait l'effet de rideau de protection - Pour diminuer encore davantage l'encrassement de la lentille 8, la sur- face antérieure exposée 20 de la lentille est revêtue d'une mince couche 21 d'oxyde, de platine et d'aluminium L'épaisseur de cette couche 21 est telle qu'elle soit transparente aux radiations qui correspondent à la gam- me de sensibilité du pyromètre Le matériau de revêtement 21 agit comme un catalyseur pour favoriser l'oxydation de suie ou d'autres substances résultant de la combustion, en abaissant la température à-laquelle se pro- duit l'oxydation à une température inférieure à celle à laquelle la len- tille est exposée en cours de fonctionnement de la turbine De cette ma- nière, la suie, au lieu de se déposer sous forme d'une couche opaque sur la surface exposée de la lentille, est transformée en une substance ga- zeuse transparente (tel que le monoxyde ou le dioxyde de carbone) qui n'empêche nullement le passage des radiations en direction de la len- tille - -5- Lorsqu'on effectue le revêtement de la lentille 8 par une couche cataly- tique 21 qui réduit l'encrassement, il est possible d'étendre les pério- des d'utilisation du pyromètre sans nettoyage intermédiaire de la lentil- le, notamment pour les dispositifs ne comportant aucun système de purge. La lentille 8 est fabriquée par polissage d'un module brut, en saphir synthétique, ce polissage ayant pour objet de former la lentille pour donner la distance focale souhaitée Cette lentille est ensuite revêtue d'une couche d'oxyde d'aluminium et de platine par dépôt en phase vapeur. Bien entendu, d'autres procédés de revêtements de la lentille pourraient être utilisés. On pourrait également utiliserdifférents autres matériaux catalytiques, qui n'auraient pas nécessairement pour effet d'accélérer l'oxydation Ces matériaux pourraient réduire l'encrassement de la lentille en favorisant d'autres réactions chimiques agissant sur les substances déposées sur sa surface En particulier, au lieu de transformer la substance opaque dé- posée en phase gazeuse, il serait possible par catalysation de transfor- mer cette substance en une substance solide ou liquide, ayant un degré de transparence plus élevé que celui des substances d'origine Un autre ca- talyseur pourrait favoriser la dispersion des substances qui encrassent la surface de la lentille. La couche catalytique a une durée de vie relativement longue, du fait qu'elle n'est pas changée en-permanence par l'action sur les substances déposées. Dans certaines circonstances, il est nécessaire d'équiper la lentille d'une couche protectrice avant d'effectuer le revêtement catalytique. La couche de matériau catalytique pourrait également être placée sur une fenêtre disposée à l'avant de la lentille, de manière à protéger cette dernière La présente invention pourrait être utilisée sur des éléments réflecteurs, tels que décrits dans la Demande de brevet britannique Nu 2 087 588 A. 6 - Il est bien entendu que le champ d'application de la présente invention n'est pas limité aux pyromètres, mais pourrait être utilisé sur tout é- lément optique ou autres appareils, sujets à un encrassement. 7-' Revendications 1 Elément optique caractérisé en ce qu'il comporte une couche de sur- face ( 21) comprenant un matériau catalytique destiné à réduire l'encras- sement de cet élément ( 8) par des substances opaques. 2 Elément optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau catalytique permet de réduire la température d'oxydation de sub- stances opaques, de manière à favoriser la transformation de ces substan- ces solides en substances gazeuses - 3 Elément optique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, ca- ractérisé en ce que la surface ( 21) comporte de l'oxyde d'aluminium et de platine. 4 Elément optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de surface ( 21) est déposée sur ltélement optique ( 8) par vaporisation. 5 Elément optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément optique est une lentille ( 8). 6 Elément optique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la len- tille est en saphir. 7 Elément optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, ca- ractérisé en ce que l'élément optique est un élément réflecteur. 8 Appareil de surveillance d'une chambre de combustion, comportant une lentille disposée à son extrémité antérieure à proximité de la chambre de combustion, ainsi qu'un élément optique transparent monté à proximité de l'extrémité antérieure de cet appareil, cet élément optique laissant passer les radiations provenant de la chambre de combustion vers un dé- tecteur de radiations, caractérisé en ce que la surface antérieure ( 20) de l'élément optique ( 8) comporte une surface ( 21) revêtue d'une couche -8- de matériau catalytique destinée à abaisser la température d'oxydation de substances opaques qui de séposent sur l'élément, à une température inférieure à la température de cet élément, lorsque l'appareil est en fonctionnement de manière à favoriser la transformation de ces substances solides en substances gazeuses. 9 Appareil pyrométrique comportant un détecteur de radiations et un élément optique transparent monté à l'avant du détecteur,-de telle ma nière que les radiations traversent l'élément optique pour atteindre le détecteur, caractérisé en ce que la surface antérieure ( 20) de l'élément ( 8) comporte une couche de surface ( 21) comprenant un matériau catalyti- que destiné à favoriser l'oxydation des substances déposées sur cette couche et à les transformer en substances gazeuses. 10 Appareil selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractéri- sé en ce qu'il comporte un câble ( 10) à fibres optiques, et en ce que les radiations traversant l'élément optique transparent ( 18) sont focali- sées sur un extrémité ( 9) du câble à fibres optiques.