ОБЪЕКТИВ ОПТИЧЕСКОГО ПИРОМЕТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
OPTICAL PYROMETRIC TRANSDUCER OBJECTIVE-LENS

Изобретение относится к бесконтактным средствам измерения температуры поверхности нагретых тел - оптическим пирометрическим преобразователям (ОПП), в частности к конструкции его узла - объектива. Изобретение может найти применение в ОПП, предназначенных для измерения температуры поверхности рабочих лопаток турбины газотурбинных двигателей (ГТД), обнаружения розжига пламени в форсажной и основной камерах сгорания ГТД, в камерах сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД).
Известен радиационный пирометр [1], объектив которого содержит защитное лейкосапфировое окно (ЛО), впаянное во втулку с буртиком, обращенным вовнутрь, в сторону оси ЛО. Объектив этого радиационного пирометра имеет невысокую светосилу вследствие малого рабочего оптического диаметра ЛО, нестабильного светопропускания объектива в процессе длительной эксплуатации из-за отложения копоти продуктов неполного сгорания топлива на наружной оптической поверхности ЛО.
Известен также ОПП, объектив которого также содержит защитное ЛО и втулку-оправу, выполненную в виде полого цилиндра с буртиком, обращенным в сторону оси защитного ЛО. Объектив данного ОПП обладает аналогичными недостатками - недостаточной светосилой, нестабильностью светопропускания.
Наиболее близким техническим решением к заявленному устройству является конструкция объектива ОПП, представленная в [3]. Объектив известного технического решения состоит из защитного ЛО и металлического корпуса, соединенных между собой пайкой. Металлический корпус в этом объективе выполнен в виде составного полого цилиндра, содержащего втулку-оправу с одним буртиком, обращенным в сторону наружней поверхности защитного ЛО и основного цилиндрического корпуса. Втулка-оправа и основной цилиндр сопрягаются телескопическим сочленением, причем величина общей сопрягаемой поверхности составляет 1…4 толщины защитного ЛО. Сочленение герметично фиксируется посредством пайки. Данная конструкция объектива ОПП имеет невысокую светосилу, т.к. буртик втулки-оправы и мениск припоя перекрывают часть оптической поверхности защитного ЛО и уменьшают эффективную рабочую площадь защитного ЛО. Такая конструкция объектива ОПП не обеспечивает стабильности светопропускания, т.к. значительные размеры буртика втулки-оправы и мениска припоя способствуют отложению грязи, копоти, продуктов неполного сгорания топлива на наружной оптической поверхности защитного ЛО.
Целью настоящего изобретения является повышение точности измерения оптического пирометрического преобразователя, светосилы и стабильности светопропускания объектива.
Указанная цель достигается тем, что в известной конструкции объектива ОПП, содержащем входное защитное ЛО, герметично запаянное в металлический корпус цилиндрической формы при помощи металлической втулки-оправы, имеющей буртик, обращенный вовнутрь к оси ЛО и соединенный телескопически с корпусом, втулка-оправа выполнена в виде конструкции с двумя буртиками на одном из торцов, обращенными в противоположные стороны, причем внешний буртик, обращенный наружу, расположен над лейкосапфировым окном, а внутренний буртик, ориентированный вовнутрь к оси объектива, прилегает к наружной поверхности ЛО, меньший диаметр внутреннего буртика меньше диаметра ЛО, при этом отношение большого диаметра внешнего буртика и его ширины к посадочному диаметру ЛО составляет соответственно 1,03…1,30 и 0,007…0,15, а отношение меньшего диаметра внутреннего буртика и его ширины к посадочному диаметру ЛО составляет соответственно 0,97…0,99 и 0,004…0,02, а толщина стенки посадочной части цилиндрической втулки-оправы за пределами буртиков составляет 0,02…0,05 посадочного диаметра ЛО.
Цель достигается также и тем, что ЛО выполнено в виде плоско-выпуклой лейкосапфировой линзы и обращено выпуклой поверхностью в сторону внутреннего буртика, а внешний буртик втулки-оправы имеет спрофилированную обтекаемую форму, например в виде конической поверхности, образующая которой направлена по касательной к выпуклой поверхности линзы при сопряжении ее с передним торцом втулки-оправы.
Цель достигается тем, что в известном способе закрепления входного защитного ЛО объектива ОПП, заключающемся в предварительной сборке объектива, состоящего из ЛО, цилиндрической титановой втулки-оправы, коваровой втулки-корпуса, причем ЛО вставлено вовнутрь втулки-оправы, а втулка-оправа телескопически соединена с втулкой-корпусом, в укладке дозы припоя в технологическую проточку - зазор в месте телескопического сочленения втулки-оправы и втулки-корпуса, в помещении собранного объектива в вакуумную термическую установку /печь/ в вертикальном положении, в установлении технологического груза на свободный верхний торец втулки-корпуса, в создании контролируемой атмосферы в зоне пайки объектива, например, вакуума внутри колпака печи, в установке и поддержании заданного температурного режима, получении жидкой текучей фазы припоя, смачивании и диффузии припоя по сочленяемым поверхностям защитного окна, втулки-оправы, втулки-корпуса, дополнительно втулку-оправу выполняют в виде цилиндра с двумя буртиками, обращенными в противоположные стороны, причем внутренний буртик обеспечивает удержание ЛО от перемещения вниз при пайке объектива под действием технологического груза и смачивания припоя, а параметры режима пайки - температуру, длительность, вакуум - задают исходя из условия обеспечения гарантированного протекания, смачивания жидкой фазой припоя сопрягаемых цилиндрических поверхностей обеих втулок, защитного ЛО и части периферии, торцевой поверхности ЛО, а также контролируют допустимую величину мениска припоя, образующегося на границе торцевой поверхности защитного ЛО и внешней цилиндрической поверхности внутреннего буртика.
Заявляемая конструкция объектива ОПП по сравнению с прототипом [3] имеет существенные отличительные признаки, т.е. обладает новизной, к существенным отличительным признакам следует отнести:
1) конструктивное исполнение втулки-оправы;
2) наличие двух буртиков;
3) ориентация буртиков;
4) соотношение размеров буртиков;
5) соотношение размера толщины стенки посадочной части втулки-оправы;
а также
6) конструктивное исполнение лейкосапфирового окна в виде плоско-выпуклой линзы;
7) ориентация линзы относительно втулки-оправы;
8) конструктивное исполнение внешнего буртика втулки-оправы;
9) ориентация конической поверхности внешнего буртика относительно выпуклой поверхности лейкосапфировой линзы.
Заявляемое техническое решение (устройство) обладает также существенными отличиями от известных технических решений, т.к. в известных технических решениях [1] признаков, сходных с признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа, т.е. признаков 1)…9), нет. Таким образом, все эти признаки в отдельности и в совокупности обуславливают существенное отличие. Именно такие отличительные признаки позволяют достигнуть положительный эффект - повысить точность измерения оптического пирометрического преобразователя, повысить светосилу и стабильность светопропускания объектива ОПП. Отсутствие какого-либо одного из признаков 1)…3) приводит к потере частично или полностью положительного эффекта.
Заявляемый способ закрепления входного защитного лейкосапфирового окна объектива ОПП по сравнению с прототипом [3] имеет существенные отличительные признаки, т.е. обладает новизной. К существенным отличительным признакам следует отнести:
1) выполнение втулки-оправы, участвующей в процессе пайки, с удерживающим внутренним буртиком;
2) удержание лейкосапфирового окна от перемещения вниз под действием технологического груза и смачивания припоем;
3) задание режима технологической операции (температура, длительность, вакуум);
4) смачивание жидкой фазой припоя сопрягаемых цилиндрических поверхностей обеих втулок, защитного лейкосапфирового окна и части периферии торцевой поверхности лейкосапфирового окна;
5) визуальный контроль допустимой величины мениска припоя в процессе пайки.
Заявляемое техническое решение (способ) обладает также существенными отличиями от известных технических решений, т.к. в известных технических решениях [1] признаков, сходных с признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа, т.е. признаков 1)…5), нет. Таким образом, все эти признаки в отдельности и в совокупности обуславливают существенные отличия. Такие отличительные признаки позволяют достигнуть положительный эффект - увеличение рабочей оптической поверхности защитного лейкосапфирового окна, увеличение светосилы объектива, точности измерения и сокращение расхода припоя. Отсутствие какого-либо одного из признаков 1)…5) приводит к потере частично или полностью положительного эффекта.
На Фиг. 1 представлена конструкция объектива ОПП. На Фиг. 2 представлен другой вариант конструкции объектива ОПП. На Фиг. 3 представлена схема технологической установки для осуществления способа закрепления объектива ОПП.
Объектив ОПП может быть выполнен в виде конструкции,  представленной на Фиг. 1. Во втулку-оправу 1, выполненную, например, из титана марки ОТ-4-1, по посадке Н8/9 вставлено защитное окно 2, выполненное, например, в виде лейкосапфирового диска, а также вставлена сочленяемая часть металлического корпуса 3, изготовленного, например, из коварового сплава НК29 или материала НК33. Втулка-оправа 1, защитное окно 2 и корпус 3 герметично и неразъемно соединены посредством пайки припоем на основе серебра, например марки ПСР-72, находящимся в полости 4. Объектив ОПП может быть выполнен в конструкции, представленной на Фиг. 2. В этом варианте изменена конструкция, форма защитного окна, а также форма внешнего буртика. Окно выполнено в виде плоско-выпуклой линзы, а внешний буртик имеет форму усеченного конуса.
Способ закрепления объектива ОПП может быть реализован следующим образом.
Объектив ОПП, предварительно собранный и снабженный необходимой дозой припоя, помещается под колпак 5 вакуумной печи 6, на верхнюю часть объектива устанавливается технологический грузик 7. Далее создается необходимый уровень вакуума под колпаком, задается требуемый температурный режим. При достижении требуемой температуры припой начинает плавиться, смачивает сопряжаемые поверхности втулки-оправы, корпуса и защитного окна и под действием гравитационного поля и капиллярного напора протекает к нижнему торцу втулки-оправы, и далее диффундирует в материал втулки-оправы, корпуса и защитного окна. Значение температуры, длительность подбирают экспериментально и обеспечивают требуемую скорость натекания, смачивания припоем сопрягаемых поверхностей, при этом визуально контролируют мениск припоя 4 через окно 8 печи 6, далее ступенчато снижают температуру вакуум под колпаком 5, вынимают объектив, контролируют величину мениска припоя и степень герметичности пайки.
Заявляемое техническое решение по сравнению с прототипом позволяет:
1. Уменьшить величину мениска припоя, т.е. уменьшается величина растекания припоя на 0,5-1,0 мм, что при посадочном диаметре защитного окна ⌀=9,0 мм увеличивает рабочую площадь окна на 20-25%, что дает эквивалентное увеличение светосилы объектива на 4…6%, точности измерения на 4…5%.
2. Уменьшить загрязнение объектива продуктами сгорания, т.е. приводит к увеличению ресурса объектива между регламентными работами. Экспериментальные работы, проведенные с макетными образцами ОПП типа ОПП-16Т, ОПП-99В, ОПП-94, показали, что наработка до проведения регламента может быть увеличена в 3-5 раз, что эквивалентно уменьшению прямых эксплуатационных расходов, связанных с обслуживанием ОПП и ГТД.