NASA tech brief on high temp materials

8/12/2019 NASA tech brief on high temp materials

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NASA Technical Memorandum 100282

Recent Advances in High TemperatureInstrumentation for HotSection Applications

David R. Englund and Richard G. SeasholtzLewis Research CenterCleveland Ohio

llASA-TM-lO0282) BBCEUT ADVANCES I Y U G P b1a8- 143TEMPERATURE ~ I S T B U f l E U T A T l O BFOR HOT SECTIOEIAPPLICATIONS (HAS&) 25 p CSCL 14B UnclasG3/35 0118105

Prepared for the33rd International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Expositionsponsored by the American Society of Mechanical EngineersAmsterdam, The Netherlands, June 5-9, 1988


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ORIGIN= PAGE ISOE POOR QUALITY

QECENT ADVANCES I N HIGH-TEMPERATURE INST RUMENTAT ION FOR HOT SECT ION APP LICA TION SD a v i d R . E n g l u n d a n d R i c h a r d G . S e a s h o l t zN a t i o n a l A e r o n a u t i c s a n d S pa ce A d m i n i s t r a t i o n

L e w i s R e s e a r c h C e n t e rC l e v e l a n d , O h i o 4 4 13 5

ABSTRACTPr o g r a m s t o d e v el o p r e s e a r c h i n s t r u m e n t a t i o n f o ru se i n t u r b i n e e n g i n e h o t s e c t i o n s a r e d e s c r i b e d .Th es e p r og r am s w er e i n i t i a t e d t o p r o v i d e i m p r o v e d mea-s ur em en ts c a p a b i l i t y a s s u p p o r t f o r a m u l t i d i s c i p l i -n a r y e f f o r t t o e s t a b l i s h t e c hn o l og y l e a d i n g t oi m pr ov e d h o t s e c t i o n d u r a b i l i t y . S p e c i f i c m ea su re me nts ys te ms d e s c r i b e d h e r e i n c l u d e h e a t f l u x s e n s o r s, ad y n a mi c ga s t e m p e r a t u r e m e a s u r i n g s y s t e m s , l a s e r a n e-m o m e t r y for h o t s e c t i o n a p p l i c a t i o n s , a n o p t i c a l s ys -tem f o r v i e w i n g t h e i n t e r i o r o f a c o m b u st o r d u r i n go p e ra t i o n , t h i n f i l m s e n s o r s f o r s u r f a c e t e m p e r a t u r ea nd s t r a i n m e a su re me nt s, a nd h i g h t e m p e r a t u r e s t r a i nm e a s u r i n g s y s t e m s . T he p a p e r w i l l d e s c r i b e t he s t a t eo f d e v e l o p m e n t o f t h e s e s e n s o r s a n d m e a s u r i n g s y s t e m sa n d , i n some c a s e s , w i l l show examples o f m e a su r e m e n t smade w i t h t h i s i n s t r u m e n t a t i o n . The p a p er c o v e r s work

d on e a t t h e N A S A L e w is R e se a rc h C e n t e r a n d a t v a r i o u sc o n t r a c t a nd g r a n t f a c i 1 i i e s .INTRODUCTION

The Turbine E n g i n e Hot S e c t i o n T e c hn o l og y (HOST)P r og r am was s t a r t e d b y NASA i n t h e l a t e 1 9 7 0 ' s i no r d e r t o d e v e l o p t e c h n o l o gy l e a d i n g t o i m p r o v e d h o ts e c t i o n d u r a b i l i t y . The p ro gr am was a m u l t i d i s c i p l i -n a r y e f f o r t i n v o l v i n g s t r u c t u r es , s u r fa c e p r o t e c t i o n ,f a t i g u e , c o m b u st i o n, h e a t t r a n s f e r , a nd i n s t r u m e nt a -t i o n . The o b j e c t i v e o f t h e i n s t r u m e n t a t i o n p o r t i o n o ft h e p r o g r a m wa s t o d e v e lo p im p r o ve d m e a su r e m e n t s ca p a -b i l i t y t o m e a s u r e t h e e n v i r o n m e n t w i t h i n t h e h o ts e c t i o n a nd me a su r e t h e r e s p o n s e of h o t s e c t i o n c o m p o -n e n t s t o t h a t i m po s ed e n v i r o n m en t . I n s t r u m e n t d e v e l o p -m en t pr o gr a ms t h a t r e s u l t e d i n c l u d e d t h e f o l l o w i n g :f l u x o n . c om b us t or l i n e r s an d t u r b i n e a i r f o i l s .a t i n g c om po ne nt o f c o mb u st o r e x i t t e m p e r a t u r e w i t h af r e q u e n c y r e s p o n s e t o 1 0 0 0 H 2.a p p l i c a t i o n s i n h o t s ec t i on s .t he i n t e r i o r o f a c o mb u st o r d u r i n g o p e r a t i o n .

1 ) D e v e l o p m e n t o f s e n s o r s f o r m e a s u r i n g t h e h e a t2 ) D e v e l o p m e n t o f a sys t e m t o m ea su re t h e f l u c t u -

( 3 ) De ve lo p m e n t o f l a s e r a ne mo me te r t e c h n i q u e s fo r( 4 ) D e v e l o p m e n t o f an o p t i c a l s y s t e m f o r v i e w i n g

5) D e v e l o p m e n t of h i g h t e m p e r a tu r e s t r a i n m ea su r-i n g s y s t e m s .I n a d d i t i o n t o t h i s , a m a j o r e f f o r t was s t a r t e dj u s t p r i o r t o t h e s t a r t o f HOST t o d e ve lo p t h i n f i l ms e n s o r s for a p p l i c a t i o n s i n h o t s e c t i o n s , p a r t i c u l a r l yf o r t h e m e a s u r e m e n t o f t u r b i n e a i r f o i l s u r fa c e t emp er a-t u r e .o f t h e s e s e n s o r s a n d m e a s u r i n g s y s t e m s a n d , i n somec a s e s , w i l l sh o w e xa m p le s of m e a su r e m e n t s m ad e w i t ht h i s new i n s t r u m e n t a t i o n . The work d e s c r i b e d w as d o n ea t t h e N ASA L e w i s R e s e a r c h C e n t e r a n d a t v a r i o u s c on -t r a c t a nd g r a n t f a c i l i t i e s .HEAT FLUX SENSORS

T h i s p a p e r w i l l d e s c r i b e th e s t a t e o f d e v e l o p m e n t

One o f t h e i m p o r t a n t e n v i r o n m e n ta l p a r a m et e r s i nt h e h o t s e c t i o n i s h e a t f l u x . The h e a t f l u x i s on e o ft h e v a r i a b l e s i n t h e h e a t b a l a n ce e q u a t i o n w hi c h e st a b -l i s h e s t h e c o o l i n g r e qu i r em e n ts a nd t h e a n t i c i p a t e ds u r f a c e t e m p e r a t u r e o f a h o t s e c t i o n c o mp o ne n t. T h e r ei s n o t s u f f i c i e n t k no wl ed ge of h e at t r a n s f e r c o e f f i -c i e n t s u n de r en g i ne o p e r a t i n g c o n d i t i o n t o p e r m i t p r e -d i c t i o n of s u r f a c e t e m p e r a t u r e s t o w i t h i n a c c ep t a b l ea c cu ra c y. T h i s i s e s p e c i a l l y t r u e as h e at f l u x e sa p p ro a c h 1 MW/m2. I n i t i a l wo r k was d i r e c t e d a t d e v e l -o p i n g s e n s o r s f o r u se i n c om bu st or l i n e r s ( A t k i n s o ne t a l . , 1 9 83 ; A t k i n s o n a n d S t r a n g e , 1 9 82 ; A t k i n s o ne t a l . , 1 98 5a ). I n l a t e r work se n so r s we r e m o u n t e di n t o a i r c o o l e d b la d e s an d va ne s ( A t k i n s o n e t a l . ,1 98 4; A t k i n s o n e t a l . , 1 98 5b ).w h i ch t h e t e mp e r at u r e d i f f e r e n c e p r o p o r t i o n a l t o h e a tc o n d u c t i o n t h r o u g h t h e s e n so r b o d y i s m e as ur ed . O i f -f e r e n t i a l t h er m oc o up l es u s i n g t h e s e ns o r bo dy m a t e r i a la s p a r t o t h e c i r c u i t we re u s ed t o m e a s u r e t h e t e m p e r -a t u r e d i f f e r e n c e s . C a l i b r a t i o n s (H o la n da , 1 9 84 ) w er emade o f t h e t h e rm o e l e c t r i c p o t e n t i a l of a number o fe n g in e e r i n g a l l o y s a nd t he s e e s ta b l i s h e d t h e v a l i d i t yo f t h i s a pp ro ac h, w h ic h c o ns i d e r a b l y s i m p l i f i e d f a b r i -c a t i o n .F i g u r e s 1 a n d s how t h e s e ns o r s t h a t we r e d e v e l -o p e d f o r c om bu st or l i n e r s . The se ns or i s b u i l t i n t o aH a s t e l l o y X d i s k 0 . 8 cm i n d i a m e t e r a n d t h e s ame t h i c k -n es s a s t h e l i n e r . A f t e r c a l i b r a t i o n o f t h e s e n s o r

S e ns o r d e s i g n s f o l l o w e d c o n v e n t i o n a l c o n c e p t s i n

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t h e d i s k i s we ld ed i n t o a h o l e c u t i n t h e l i n e r . F i g -u r e s hows th e embedded the r m oc o up le s en s or . Thed iSK i s g r o o v e d so t h a t 0 . 2 5 mm o u t s i d e d i a m e t e rs h e at h e d, s i n g l e c o n d u c t o r t h e r m o co u p l e w i r e c a n bel a i d i n t o t h e g r o ov es a nd c o ve r ed w i t h w e ld m a t e r i a l .The t h e r m o c o u p l e w i r e s a r e I S A Type K , C h r o m e l - A l u m e l ,and s i n g l e c o n d u c t o r l e a d s a r e u s e d so a s t o m a i n t a i ng oo d i q s u l a t i o n r e s i s t a n c e b e tw ee n t h e w i r e a nd t h eI c c a t e d on t h e h o t a nd c o l d s i d e o f t h e s e n s o r b o d ya n d a C n ro m el j u n c t i o n i s added t o t h e c o l d s i d e . A' v o l t a g e m ea su re me n t b e t we e n t h e A l u m e l l e a d w i r e s ( i . e . ,; s i n g t h e A l u m el - H a st e l l oy X -A lu me l d i f f e r e n t i a l t h e r -n o c o u p l e ) c r o v i d e s The n o t - t o - c o l d s i d e t e m p e r a t u r ei i F f e r e r i c e o r o p o r t i o n a l t o t h e o n e - d im e n s io n a l h e a tf l o w t i r s u g n t h e s en so r b od y a t t h a t p o i n t . A measure-v e n t u s i n g r h e c o n v e n t i o n a l C h r o me l - A l u me l t h e rm o co u -3 i e s r o v i d e s T he c o l d s i d e t e m p e r a t u r e o f t h e s e n s o r .:ne ; e ns or x a y na s a 1 . 5 mm d i am e te r c y l i n d r i c a lc a v i r j i 3n t n e c o l d s i d e so t h a t a t h i n me mb ra ne o f; n a r e ~ . i a l i s l e f t o n t h e h o t s i d e . A lu me l w i r e s ar ep o s i r i o n e d so t h e j u n c t i o n s a r e f or me d w i t h t h eH a s t e l l o y a t t h e c e n t er o f t h e m e m b r a n e a n d h a l f w a yup :ne s id eH a l1 o f t h e c a v i t y . A C hro me 1 w i r e j u n c t i o ni s a l s o made o n t h e s i d e w a l l o f t h e c a v i t y . A f t e r th et he rm oc ou pl es a r e i n s t a l l e d , t h e c a v i t y i s f i l l e d w i t hc e r a m i c c e m e n t .S e n s o r s o f t h e e m be dd ed t h e r m o c o u p l e a n d G a rd o nGage t y p es h a ve a l s o be en b u i l t i n t o a i r c o o l e d b l a de sa n d v a n e s . I n t h e ca s e o f t u r b i n e b l a d e s , t w o- p ie c eb l a d e s we re u s e d a n d t h e s e n s o r s we r e i n s t a l l e d f romt h e c o o l i n g pa ss ag e s i d e of t h e b l a d e . T he two b l a d eh a l v e s w er e t h e n j o i n e d b y b r a z i n g . I n t h e c as e o fv a n e s , s e c t i o n s o f t h e v an e w a l l o p p o s i t e t o t h ed e s i r e d s e n s o r s i t e s we re r e m ov e d a n d t h e s e n s o r s w e rei n s t a l l e d t h r o ug h t h e se w i nd o ws . F i g u r e 3 d e p i c t st h e i n s t a l l a t i o n pr o ce s s o n a t u r b i n e va ne .The h e a t f l u x s e n s or s we re c a l i b r a t e d o v e r a h e a tf l u x r a ng e up t o 1 .7 M W / m 2 a n d a t e m p e r a t u r e r a n g e t o1250 K . The c a l i b r a t i o n s w e r e a c c o m p l i s h e d b y i mp o s-i n g a kno wn r a d i a n t h e a t f l u x o n t h e h o t s i d e s u r f a c eo f t h e s e ns or a nd f l o w i n g c o o l i n g a i r o v e r t h e c o l ds i d e s u r f a c e . The h o t s i d e s u r f a c e was c o a t e d w i t h at a n c e a n d e m i t t a n c e o f 0 . 8 9 o v e r t h e t e s t t e m p er a t u rer a n g e . I n a i l c as es t h e r e f e r e n c e t e m p e r a t u r e was mea-s u r e d a n d u s e d t o e s t i m a t e t h e h o t s i d e s u r f a ce t e mp e r -a t u r e so t h a t e n e r g y b e i n g r a d i a t e d aw ay f rom t h e h o ts u r f a c e c o u l d be c a l c u l a t e d a n d t a k e n i n t o a c c ou n t .E s t i m a t e s o f t h e c o n v e c t i v e h e a t f l o w f r o m t h e h o t s u r -f a c e w e r e a l s o made a n d u se d i n t h e h e a t b a l a n c e .The h e a t f l u x s e n s o r c a l i b r a t i o n s ys te ms u s e d b a nk so f t u n g s t e n f i l a m e n t l am ps e n c l o se d i n q u a r t z t u b e s a sh e a t f l u x s o u rc e s; t h e most p o w e r f u l o f t h e s e s y s t e m sp r o v i d e d h e a t f l u x e s u p t o 1 . 7 M W / m 2 . T h e q u a r t z l a m pr i g s w er e c a p a bl e o f l o n g t im e a nd c y c l i c o p e r a t i o n a tr e du c ed h e a t f l u x e s . T he rm al c y c l i n g a nd d r i f t t e s t sw ere r u n o n t he s e s en so r s u s i n g t h i s c a p a b i l i t y .f l u x s e n so r s h av e i n d i c a t e d t h a t m ea su re me n ts c a n b ea c hi e ve d f a i r l y r e a d i l y o n co mb us to r l i n e r s , b u t t h a ta c c u ra t e mea su re me nts o n a i r f o i l s a r e d i f f i c u l t t oa c h i e v e . C o m b u st o r l i n e r me a s u r e me n t s h a v e b e e n m ad eb o t h a t ' a c o n t r a c t o r f a c i l i t y a nd a t NASA L ew is u s i n gs en so rs whose c a l i b r a t i o n u n c e r t a i n t y i s w i t h i n e5 p e r -c e n t o f a n om in al f u l l s c a l e h e at f l u x o f 1 M W / m 2 .F i g u r e 4 sh ow s a n i n s t r u m e n t e d c o m b u s t o r l i n e r s e g me n t .F i g u r e 3 c om pares m eas ured v a lues o f h e a t f l u x c o n-a u c t e l t h r o ug h a co mb us to r l i n e r a nd r a d i a n t f l u x i n c i -d e nt on t h e l i n e r a t d i f f e r e n t c om bu st or p r e s s u r el e v e l s . The r a d i a n t h e a t f l u x was me as ur e d w i t h a com-m e r c i a l r a d i om e t e r . The co mb us to r l i n e r i n t h i s t e s t

e x t e r n a l m e ta l s h e a th . G ro u nd e d A l um e l j u n c t i o n s a r e

i 3ur? 2 s ho ws a G a r d o n G ag e s e n s o r . I n t h i s c a se

h i g h t e m p e r a t u r e b l a c k p a i n t w i t h a m e as ur e d a b s o rp -

C a l i b r a t i o n a nd p e rf o rm a nc e t e s t s on t o t a l h e a t

2

was t h e t y p e w i t h l o u v e r l i p s an d b l e e d h o l e s t o p r o -v i d e f i l m c o o l i n g of t h e h o t s i d e s u rf a c e . The d a t a ofF i g . 5 i n d i c a t e t h a t t h e r e i s s i g n i f i c a n t c o n v ec t i v ec o o l i n g o f t h e h o t s i d e s u rf a c e o f t h e c o m b u s t o r .f o i l s i n d i c a t e t h a t t he se s en so rs a r e s u f f i c i e n t l ys e n s i t i v e t o t r a n s v e r s e g r a d i e n t s i n h e a t f l u x a n d tem-p e r a t u r e t h a t a p p l i c a t i o n s i n b l a de s a nd v an es m u st b ec a r e f u l l y e v a l u a t e d . The g r e a t e r c o m p l e x i t y o f t h ea i r f o i l s ( e . g. , h i g h s u r f a c e c u r v a t u r e a nd c o o l i n g p as -s ag e s t r u c t u r e ) c a u se s m or e s e v e r e g r a d i e n t s t h a n w er ee nc ou nt er ed i n c om bu st or l i n e r s . S e n s i t i v i t y t o t r a n s -v e r se g r a d i e n t s i s e s p e c i a l l y a p p a r e nt i n t h e G ar do ngage s ens or bec aus e o f i t s l a c k o f s y m m et r y .DYNAMIC GAS TEMPERATURE MEASURING SYSTEM

T e st r e s u l t s f rom s en so rs m ou nt ed i n t u r b i n e a i r -

A n o t he r i m p o r t a n t e n v i r o n m e n t a l p a r a me t e r i n t h eh o t s e c t i o n o f a t u r b i n e e n g i ne i s t h e g as t e m p e r a t u r e .I n g e ne r a l , m os t a t t e n t i o n ha s been d i r e c t e d a t t h et i m e - a v e r a g e v a l u e o f g as t e m p e r a t u r e r a t h e r t h a n t h ef l u c t u a t i n g co mp on en t of g a s t e m p e r a t u r e . I t i s g en er -a l l y a g re e d t h a t t h e r e may b e s i g n i f i c a n t t e m p e r a tu r ef l u c t u a t i o n i n t h e ga s e x i t i n g a c om bu st or d ue t oi n c o mp l e t e m i x i n g o f t h e c o m bu s ti o n a nd d i l u t i o n ga ss t r e a m s . I t i s a l s o a gr ee d t h a t t h er m al c y c l i n g o ft h e s u r f a c e s of t u r b i n e a i r f o i l s c an r e s u l t i n s p a l l -i n g of o x i d e f i l m s u se d f o r c o r r o s i o n p r o j e c t i o n a n dt h us s h o rt e n t h e l i f e o f t h e a i r f o i l s . D ev el op me nt o fa s y s tem t o m e as u re g a s t e m p e r a t u r e f l u c t u a t i o n s wasu n d e r t a k e n t o a i d i n m o d e l in g c o m bu st o r f l ow an d i ns t u d y i n g t h e t h er m al c y c l i n g o f a i r f o i l s u r f a c es . Com-b u s t o r m o d e l i n g r e q u i r e m e n t s s e t t h e f r eq u e n cy r e s po n s eg oa l a t 1000 Hz.t o d e t e r mi n e i n s i t u t h e c om pe n sa ti o n s p ec t ru m r e q u i r e dt o c o r r e c t for t h e l i m i t e d f r eq u e n c y r es p on s e o f at h e r mo c o u pl e p ro b e l o c a t e d i n t h e g as s t re a m . F r e -q u e nc y c o mp e n sa t i on h a s o f t e n b e en u s ed , e s p e c i a l l yw i t h h o t w i r e a n e mo m e te r s, i n t h e m e a s u r e m e n t o fdy nam ic f low p he no me na . The p r o b l e m w i t h t h i s t e c h -n i q u e when a p p l i e d t o a t h e r m a l e l e m e n t i n a f l o ws t r e a m i s t h a t t h e r e q u i r e d c o m pe n sa t io n s p ec tr u m i s af u n c t i o n o f b o t h t h e t h e r m a l ma ss of t h e t h e r m o c o u p l ea nd t h e c o e f f i c i e n t f o r h e a t t r a n s f e r b e tw e en t h e g a sa nd t h e t h er m oc o up l e. T h i s h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n ti s a f u n c t i o n o f t h e g a s f l o w c o n d i t i o n s . E ac h t i m et h e f l o w c o n d i t i o n s c h an g e , t h e c o m p e n s a t i o n s p e c t r u mm u s t b e r e d e t e r m i n e d . I n some c a s e s e s t i m a t e s o f t h ec o mp e n sa t io n s p e ct r u m may b e s u f f i c i e n t ; i n t h i s c a sei t w a s i m p o r t a n t t o b e a b l e t o make i n s i t u d e t e rm i n a -t i o n s o f t h e c o m p e n s a t io n s p e c t r u m .The s y s t e m t h a t was d e v e l o p e d ( E l m o r e e t a l . , 1 9 8 4;E l mo r e e t a l . , 1 9 83 ; E l mo r e e t a l . , 1 98 6a a n d b ; S t o c k sa n d E l m o r e , 1 9 8 6 ) u s e s a d u a l e l e m e n t t h e r m o c o u p l ep r o b e s uc h a s sh ow n i n F i g . 6 . T h e rm o co u p le s a r ef or me d w i t h c a r e f u l l y b u t t we ld ed j u n c t i o n s so t h a tt h e r e i s n o v a r i a t i o n i n d i am et er i n t he r e g i o n o f t h ej u n c t i o n . T he se t h e r mo c o u pl e s a r e e ac h s u p p o r t e da c r o ss a p a i r o f s u p p o r t p o s t s so t h a t t h e y a r e p a r a l -l e l c y l i n d e r s i n c ro s s f l o w a n d a r e i n c l o s e e n o ug hp r o x i m i t y ( a p pr o x 1 mm) so t h a t t h e y a r e me a s u ri n g t h esame t e m p e r a t u r e . T he t h e r m o c o u p l e w i r e s a n d t h e su p -p o r t p o s t s a r e m a d e from Pt -30R hIP t -6R h . The the rm o-c o u p l e j u n c t i o n s a r e m id wa y be t w ee n t h e s u p p o r t p o s t s .The two t h er m oc o up l es h av e d i f f e r e n t d i a m et e r s, com-m o n l y 7 5 a n d 250 pm. N e i t h e r o f t h e s e t h e r m o c o u p l e sh a ve t h e d e s i r e d f r e q u e n c y r e s p o ns e , b u t a c o mp a r i so no f t h e i r d yn am ic s i g n a l s c a n l e a d t o the needed compen-s a t i o n s pe c tr u m. T he t e c h n i q u e i s b as ed o n t h e u se o ft he r a t i o o f t h e F o u r i e r c o e f f i c i e n t s o f t h e d y na m i cs i g n a l s f o r f r e q u e n c i e s i n t h e r a ng e wh er e t h e s i g n a l s

The a p p ro a ch u s ed i n t h i s work was t o de v i s e a way

.ORIGINAL PAGE IS'OE OOR QUALITY


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bec ome a t t e n u a t e d . I n t h e s y s t e m w h i c h h a s be e n d e ve -l o p e d , t h e s i g n a l s a r e r e c o r d e d o n m ag n e t i c t a p e a ndp r o ce s s e d i n a g e n e r a l p u r po s e d i g i t a l c o mp u te r a t al a t e r t i m e . The d a t a r e d u c t i o n p r o ce s s t a k e s a p p r o x i -m a t e l y 5 m i n f o r e a ch f l o w c o n d i t i o n f o r wh ic h a newc c m p e r s a t i o n s p e c tr u m mu s t b e c a l c u l a t e d .t o a e m o n s t r a te t h e f r e q u e n c y r e s p on s e of t h e s y s t e m .M ea su re me nt s w er e made i n a s p e c i a l l y d e s i g n e d t e s t r i gand i r t h e e x h a u s t of a n a t m o s p h e r i c b u r n e r . C o m pa r i-s cn s we r e m a d e o e t we e n t h e d yn a m ic g a s t e m p e r a t u r e sys -te m a r, d v e r y f i n e w i r e r e s i s t a n c e t h er m om e te r s ( 6 andL pm w i r e d i a m e t e r s ) . A t low f r e q u e n c i e s ( b e l o w25 Hz) w i t h r e a s on a b le t e m p e r a t u re f l u c t u a t i o n s a g r e e-T en ts * i t h i n + 2 3 p e r c e n t w er e o b t a i n e d . P o o r e r r e s u l t se r e o b t a i n e d ar h i g h e r f r e q u e n c i e s b u t h e r e t h e t em -c e r a t L r e F l u c t u a t i o n s w er e so s m a l l a s t o m ak e t h e d a t a; c e s r i o n a b l e .T t - i s s y s t e m h a s b ee n u s e d t o m ea su re f l u c t u a t i n gT e mp e ra t ur e i n D o t h t u r b i n e e n g i ne s a nd i n c o m bu s to rt e s t r i g s . A sa m p le o f d a t a f rom a t u r b i n e e n g i n et e s t i s shown . n F i g . 7 . I n t h i s t e s t t h e p r o be wasl o c a t e d b et we en f i r s t - s t a g e t u r b i n e v an es . F o r t h ed a t a s how n i n F i g . 7 . t h e e n g i n e was o p e r a t i n g a t a ni n t e r m e d i a t e p o we r l e v e l a n d t h e a v e r a ge g as t e m pe r a-t u r e was 1 2 0 0 K . F i g u r e 7 shows f o u r p l o t s o f f l u c t u -a t i n g t e m p e r a t u re v e r s u s t i m e . F i g u r e s 7 ( a ) a nd b)s h o w n t h e u n c o m p e n s a t e d s i g n a l s f rom t h e 7 5 a n d 2 5 0 pmt h e r m o c o u p l es . N o te t h a t t h e t e m p e r a tu r e s ca l e s o nt h e se p l o t s h a v e be en a d j u s t e d so a s t o show the wave-f o r m s . A l s o n o t e t h a t t h e rm s t e m pe r a tu r e f l u c t u a t i o ni s l i s t e d o n e a ch p l o t . F i g u r e 7 ( c ) shows t h e compen-s a t ed t e m pe r a tu r e f l u c t u a t i o n f r o m t h e 7 5 pm t h e r m o co u -p l e , a n d F i g . 7 ( d ) s ho w a n ex p a n de d t i m e s e g me n t o ft h e c o m p e n s a t e d s i g n a l .s a t ed t e m p er a t ur e f l u c t u a t i o n i s 21 8 K a n d t h e p e a k -t o- pe ak f l u c t u a t i o n i s ap p r o x i m a t e l y 2 50 0 K .

LASER ANEMOMETRY

E l mo r e e t a l . ( 1 98 6 a a nd b ) d e s c r i b e e x p e ri m e n t s

. ^

T h e r m s va lu e of the compen-

T he l a s e r a n e mo m et e r ( L A) h a s be co me a va lu a b let o o l i n t u r b i n e e n gi n e re s ea rc h , p r o v i d i n g d a t a t h a tw o u l d b e a l m o s t i m p o s s i b l e t o g a t h e r u s i n g co n ve n -t i o n a l i n s t r u m e n t a t i o n . H ow ev er , t h e u s e of LA i n t u r -b o m a c h i n e r y h as p r o v e n t o be one o f i t s more d i f f i c u l ta p p l i c a t i o n s . T u rb o ma c hi n er y c om po ne nt s a r e t y p i f i e db y s m a l l p as sa ge s a nd h i g h l y a c c e l e r a t e d , h i g h - v e l o c i t yf l o w s . T h i s l e a d s t o t h e n e e d f o r s m al l s ee d p a r t i c l e st h a t w i l l f a i t h f u l l y f o l l o w t h e f l o w . U n f o r t u n a t e l y ,small p a r t i c i e r a r e weak l i g h t s c a t t e r e r s , w h i c h r e s u l ti n l ow s i g n a l l e v e l s . I n a d d i t i o n , m ea su re me nt s i ns m al l p as sa ge s r e q u i r e g r e a t c a r e i n t h e d e s i g n o f t h eo p t i c s t o m i n i m i z e t h e a m o u n t o f d e t e c t e d s u r f a c e -s c a t t e r e d l a s e r l i g h t ( f l a r e ) . A l l t h e s e c o n s i d e r a -t i o n s m u s t b e i n c l u d e d i n t h e d e s i gn o f an LA t oo b t a i n t h e m a x i m u m a m o u n t o f a c c u r a t e d a t a i n min imume x p e r i m e n t a l r u n t i m e s .HOST e x p e r i m e n t s w h e re r e s e a r c h e r s p l a n n e d t o u s eL A w e r e s t u d i e d t o d e t er m i ne c r i t i c a l t e c hn o l og y a re a s .R e s e a rc h p r og r a m s w e re t h e n c o n d u c t e d i n s e v e r a l o ft h e se a r ea s i n c l u d i n g o p t i c a l d e s i g n , s ee d g e n e r a t i o n ,s i g n a l p r o c e s s i n g , a nd d a t a a c q u i s i t i o n . An a m b i e n tp r e s s u r e , l a b o r a t o r y - t y p e c o mb u st o r was u se d t o e v a l u -a t e o p t i c a l s ys te ms a nd s i g n a l p r o c e s s o r s .M o d e l i n q o f F r i n g e - T vp e L A1 9 8 4 ) u s i n g t h e C ra m er - Ra o l o we r b o u n d for t h e v a r i -a n ce o f t h e e s t i m a t e o f t h e D o p p l e r f r e q u e n c y a s af i g u r e o f m e r i t . M i e s c a t t e r i n g t h e o r y was u s ed t oc a l c u l a t e t h e D o p p l e r s i g n a l w i t h b o t h t h e a m p l i tu d ea n d p h a se o f t h e s c a t t e r e d l i g h t t a k en i n t o a c co u nt .T he n o i s e d u e t o w a l l s c a t t e r ( f l a r e ) w as c a l c u l a t e d

The f r i n g e - t y p e LA was a n a l y z e d ( S e a s h o l t z e t a l .

u s i n g t h e w a l l b i - d i r e c t i o n a l r e f l e c t a n c e d i s t r i b u t i o nf u n c t i o n (BRDF) a n d t h e i r r a d i a n c e o f t h e i n c i d e n tbeams. A p r o c e d u r e w as d e v e l o p e d t o f i n d t h e op t im u ma p e r t u r e s t o p s h ap e f o r t h e p r o b e v o lu m e l o c a t e d ag i v e n d i s t a n c e f r o m a w a l l . F i g u r e 8 sh ow s SNR a s af u n c t i o n o f p r o b e v o l u m e t o w a l l d i s t a n c e f o r two o p t i -c a l s y s t e m s w i t h o p t i m u m a p e r t u r e m a s k s .The BRDF was measured f o r a number o f u n c o a t e dm a t e r i a l s , f i n i s h e s , a nd s u rf a ce c o a t i n g . D a ta w er eo b t a i n e d f o r a s m a c h i n ed s u r f a c e s , p o l i s h e d s u r -f a ce s , g l o s s y b l a c k c o a t i n g s , a nd f l a t b ac k c o a t i n g s .B as ed o n t h e s e d a t a , t h e b e s t s u r fa c e f o r L A a p p l i c a -t i o n s a p p e a r s t o b e a g l o s s y b l a c k c o a t i n g . A l t h o u g ha b l a c k g l o s s y s u r f ac e h as a r e l a t i v e l y l a r g e s p e c u l a rr e f l e c t i o n , t h e d i f f u s e l y r e f l e c t e d l i g h t . \dh i ch i su s u a l l y o f g r e a t e s t c o nc er n i n L A s y s r e m s , i s s u b s t a n -t i a l l y l e s s t ha n t h e d i f f u s e l y r e f l e c t e d l i g h t from af l a t b l a c k c o a t i n g .S e e d i n gP a r t i c l e c h a r a c t e r i s t i c s n ec es sa ry f o r h o t s e c t i o nLA a r e p r i m a r i l y t h e s ame as low t e m p e r a t u r e L A , w i t ht h e e x c e p t i o n t h a t t h e p a r t i c l e s m us t r e t a i n t h os ec h a r a c t e r i s t i c s a t h i g h te m p er a t ur e s . B as ed o n as u r v e y o f a v a i l a b l e m a t e r i a l s , a p a r t i c u l a r g ra de o fa l u m i nu m o x i d e ( n o m i n a l 1 pm d i a m ) was s e l e c t e d . Ac o m m e r c i a l , h i g h - v o l u m e f l u i d i z e d b e d was c ho s en t od i s p e r s e t h e s ee d p a r t i c l e s .f e a s i b i l i t y o f u s i n g c h e m i c a l l y f o r me d s e ed f o r h o tf l o w s . T i t a n i u m t e t r a c h l o r i d e v ap or was i n j e c t e d i n t ot h e f l o w w h e r e i t r e a c t e d w i t h t h e w a t e r v a po r t o f o r mt i t a n i u m d i o x i d e an d h y d r o c h l o r i c a c i d ( H C l ) . Thet i t a n i u m d i o x i d e i s a s u i t a b l e h i g h t e m pe r a tu r e se edm a t e r i a l ; i t w as a s u b - m i c r o n s i z e , a n d i t i s p r o d u c e di n l a r g e q u a n t i t i e s . H ow ev er, t h e HC l , i f n o t n e u t r a l -i z e d , c a n c a us e c o r r o s i o n , w h i c h l i m i t s t h e a p p l i c a -t i o n o f t h i s s e e di n g te c h n iq u e .

An e x p e r i m e n t was a l s o c o n d u c te d t o d e t e r m i n e t h e

P r e p r o c e s s o r f o r F r i n g e - T yp e L AThe q u a l i t y o f d a t a f rom an LA i s c r i t i c a l l yd e p e n d e n t o n a n u mb e r o f c o n t r o l s e t t i n g s of t h e s i g -n a l p r o c e s s o r . T he se t y p i c a l l y i n c l u d e t h e o p t i c a ld e t e c t i o n s y st e m g a i n ( d e t e r m i ne d b y t h e p h o t o m u l t i -p l i e r t ub e h i g h v o l t a g e an d a m p l i f i e r g a i n ) a nd t h ee l e c t r i c a l f i l t e r s u se d t o r e m o ve t h e low f r e q u e n c yp e d e s t a l c o m p o n e n t a n d t o r e d u c e s h o t n o i s e . A s t u d ywas made t o q u a n t i f y t he e f f e c t o f f i l t e r s o n me as ur e-m en t a c c u r a c y ( O b e r l e an d S e a s h o l t z , 1 9 8 5 ) . S e v e r a lt h a t b o t h t h e f i l t e r t y p e a nd th e c u t o f f f r e qu e n c i e sm us t b e c a r e f u l l y s e l e c t e d t o a v o i d f i l t e r - i n d u c e de r r o r s i n c o u nt e r -t y p e p r o c e s s o r s . I t was shown tha tt he se e r r o r s a re p a r t i c u l a r l y s i g n i f i c a n t f o r p r o b ev o lu m es c o n t a i n i n g a s m a l l n um be r o f f r i n g e s a nd f o rh i g h l y t u r b u l e n t f l o w .E xp er im en ts i n t u rb o ma c hi n er y t e s t f a c i l i t i e s u su -a l l y h av e h i g h o p e r a t i o n a l c o s t s , so i t i s n e ce s sa ryt o a c q u i r e t h e d e s i r e d d a t a i n a m in im um t i m e . E x t en -s i v e o p e r a t o r i n t e r a c t i o n w i t h t h e i n s t r u m e n t a t i o n d ur -i n g a t e s t r u n i s u s u a l l y n o t d e s i r a b l e . To p r o v i d ef o r e f f i c i e n t d a t a a c q u i s i t i o n a nd c o r r e c t p r oc e ss o rs e t t i n g s , a c o m p u t e r - c on t r o l l e d i n t e r f a c e ( c a l l e d ap r e p r o c e s s o r ) was d es i g n e d , f a b r i c a t e d , a n d t e s t e d( O b e r l e , 1 9 8 7 ) . The p r e p r o c e s s o r ( F i g . 9 ) a m p l i f i e st h e s i g n a l f r om t h e p h ot o d e te c to r , f i l t e r s i t u s i n gb o t h low- a nd h ig h- pa ss f i l t e r s , a nd th e n r o u t e s i t t ot h e c o u n t e r p r oc e s s o r .The c h i e f v i r t u e of t h e p r e p r o c e s s o r i s t h a t i tp r o v i d e s d i r e c t c om p ut er c o n t r o l o f t h e PMT h i g h v o l t -a g e , t h e r f g a i n ( 50 dB o f a m p l i f i c a t i o n a n d a p ro gr am -m a bl e a t t e n u a t o r a r e u s ed t o p r o v i d e c o n t r o l o v e r t h er a n g e - 7 7 d B t o + 50 dB i n 1 dB s t e p s ) . a n d s e l e c t i o n

common f i l t e r d e s i g n s w e r e e x a m i n e d . I t was s h o w n

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of t h e low- a n d h i g h -p a s s f i l t e r s ( 8 l ow -p a ss a n d3 h i g h -p a s s ). I n a d d i t i o n , t h e p r e p r o c e s s o r p r o v i d e sc o m p u t e r c o n t r o l o f t h e s e e d g e n e r a t o r a n d a l l o w s com-o u t e r m o n i t o r i n g o f t h e PMT d c c u r r e n t . W i t h p r o p e r; o f t wa r e , t h e p r e p r o c e s s o r w i l l a l l o w t h e r e s e a r c h e r'3 p r e p ro g r a m t h e v a r i o u s p r o c e s s o r s e t t i n g s b a se d o nthe eXD eC ted f l o w c o n d i t i o n s . I t w i l l a l s o b e p o s s i -s l e to u se s m a rt a d a p t i v e s o f t w a r e t o s e l e c t t h es r o p e r s e t t i n g s b a se d c u r r e n t m e as ur em e nt p a r am e t e rss uc h as t h e f re q u en c y, t u r b u l e n c e i n t e n s i t y , a n d n o i s e; ? v e l .- w r - S p o t LAa nce a n g le ( i . e . , i t c an m ea su re v e l o c i t i e s h a v i n g ai d e r a n g e o f f l o w a n g l e s ) , b u t i t ha s a r e l a t i v e l yl a r g e p r ob e v o lu m e . T h i s l a r g e p r o be vo l um e l i m i t st h e c l o s e s t m e as u re m e nt s t o a b o u t 1 mm f rom s u r f a c e s .The c o n v e n t i o n a l t i m e - o f - f l i g h t LA ( a k a t w o - sp o t o rt r a n s i t L A) h a s a mu ch s m a l l e r p r o b e v o lu m e , w h i c ha l l o w s i t t o m e a s u r e m uc h c l o s e r t o s u r f a c e s . How-e v e r , t h e t w o - s p o t LA h a s a v e r y l i m i t e d a c c e p t a n c ea n g l e , w h ic h g r e a t l y r e du c es i t s c a p a b i l i t i e s i n h i g h l yt u r b u l e n t f l o w s .a c c e p t a n c e a n g l e o f t h e f r i n g e LA a nd th e a b i l i t y o ft h e t w o - s p o t LA t o m e a s u r e c l o s e t o w a l l s l e d t o t h ed e v e l o p m e n t o f a n e w t y p e o f t i m e - o f - f l i g h t LA ( L a d i ng ,1983 ; Werne t and Edw ards , 1 986 ) . The new Four -Spo t LA ,sho wn i n F i g . 10 , i n c o r p o r a t e s two f e a t u r e s . O n e i st h e u s e o f e l l i p t i c a l r a t h e r t h a n c i r c u l a r s p o ts t og i v e a l a r g e a c c e pt a n c e a n g l e . ( T h i s u se o two e l l i p -t i c a l s p ot s i s a l s o c a l l e d a t w o- da sh or t w o - s h e e tt i m e - o f - f l i g h t L A. ) The o t h e r f e a t u r e , w h ic h i su n i q u e , i s t h e u s e o f f o u r beams a r r a n g e d t o form twop a i r s o f o r t h o g o n a l l y p o l a r i z e d , p a r t i a l l y o v e r l a p p i n gs p o t s . T h i s a l l o w s t h e u se o f a n o p t i c a l m et ho d t oa c c u r a t e l y de t er m in e t h e s t a r t a n d s t o p t i m i n g s i g n a l s .P r e v i o u s l y , d e l a y - a n d - su b t r a c t t e c h n i q u e s w e r e u s e d t og e n e r a te t h e t i m i n g s i g n a l s . The o p t i c a l me th od ,u n l i k e d e l a y a nd s u b t r a c t , i s i nd e p en d en t o f t h e v e l o c -i t y . T h i s i s a dv an ta ge ou s i n h i g h l y t u r b u l e n t f l o w o ri n o t h e r f l o w s w i t h a w i d e r a ng e o f v e l o c i t i e s .T he F o u r - S p o t LA w as d e s i g n e d , f a b r i c a t e d , a n d s u c -c e s s f u l l y t e s t e d . M ea su r em e nt s w e re o b t a i n e d a s c l o s eas 75 pin from a n o r m a l s u r f a c e ( W e r n e t , 1 9 8 7 ) . C om pa r-i s o n m e as u r em e n ts we r e a l s o made u s i n g t h e f o u r - s p o tLA , a t w o - sp o t L A, a n d a f r i n g e - t y p e LA i n t h e v i c i n -i t y o f a s i n g l e t u r b i n e v an e mo un te d i n t h e e x h a u s t o ft h e o p en j e t b u r n e r ( W e r ne t a nd O b e r l e , 1 9 8 7) .

The c o n v e n t i o n a l f r i n g e - t y p e LA h a s a l a r g e a c c e p t -

The need fo r a n a ne mo me te r i n c o r p o r a t i n g t h e l a r g e

W ind ows a nd C o r r e c t i o n O p t i c sI n t u rb o m a ch i n e r v s t u d i e s i t i s h i a h l v d e s i r a b l e t oo b t a i n m e asu re me nt s w i t h o u t a l t e r i n g t 6 e f l o w b e i n gs t u d i e d . W i t h o p t i c a l t e c hn i q u e s t h i s means t h a t t h ew in do w co n t o u r s h o u l d ma t ch t h e i n t e r n a l f low pas s agec o n t o u r . One L e wi s HOST f a c i l i t y was a 5 0 8 mm diam-e t e r , s i n g l e st a ge , a x i a l f l o w t u r b i n e f a c i l i t y . Twoc y l i n d r i c a l w in do ws w er e d e s i g ne d t o a l l o w m e a s u r e m e n t sM i t h i n t h e s t a t o r a nd r o t o r pas s a ges . These w indow s ,n o we ve r , a c t a s c y l i n d r i c a l l e n s e s t h a t i n t r o d u c e a b er -r a t i o n s i n t o t h e LA o p t i c a l s ys te m. I f n o t c o r r e c t e d ,t n e s e a b e r r a t i o n s c a n g r e a t l y d e g r ad e t h e m e as u re me n tsor e v e n p r e v e n t a n y m e a s u r e m e n t s . A m o n o c h r o m a t i c c o r -r e c t i o n o p t i c ( F i g . 1 1 ) w as des igned fo r t h i s a p p l i c a -t i o n ( W e rn e t a nd S e a s h o l t z , 1 9 8 7) . The a d d i t i o n o f t h ec o r r e c t i o n o p t i c r e s t o r e s t he d i f f r a c t i o n l i m i t e d p er -formance o f t h e o p t i c a l s ys te m .COMBUSTOR V I E W I N G SYSTEM

A n o t h e r w a y t o d e t e r m i n e t h e r e s p o n s e o f a compo-n e n t t o t h e h o t s e c t i o n e n v i r o nm e n t i s to m o n i t or v i s -

u a l i m a g e s o f t h e co mp on en t d u r i n g o p e r a t i o n . T h i s i sn o t l i k e l y t o p r od u ce q u a n t i t a t i v e d a t a b u t , i n somec a se s, q u a l i t a t i v e d a t a a r e s u f f i c i e n t o r e v e n p r e f e r a -b l e . A c as e i n p o i n t i s t h e C om bu st or V i e w in g S y s te m( M o r e y , 1 9 8 4 ; M o r e y . 1 9 8 5 ) . T h i s s y s t e m was d e s i g n e dt o p r o v i d e r e c o r d e d i ma ge s o f t h e i n t e r i o r o f a combus-tor d u r i n g o p e r a t i o n ; t h e o b j e c t i v e w as t o p r o d u c e av i s u a l r e c o r d of some o f t h e c a u s e s o f p r e m a t u r e h o ts e c t i o n f a i l u r e .The C o m b us t or V i e w i n g S y s t e m c o n s i s t s o f a w a t e rc o o l ed o p t i c a l p r o b e , a p r ob e a c t u a t o r , a n o p t i c a l i n -t e r f a ce u n i t t h a t c o u pl e s t h e p ro b e t o cameras and t oa n i l l u m i n a t i o n s o u r c e , a n d s y st e m c o n t r o l s . The D ro b ew i t h i t s a c t u a t o r i s d e s i g n e d t o m ou nt d i r e c t l y o n a ne n g i n e or a c o m b u s t o r . T he p r o b e i s 1 2 . 7 mm i n d ia m-e t e r , s m a l l e n o u g h t o f i t i n t o an i g n i t e r p o r t . Thea c t u a t o r p r o v i d es a r o t a t i o n a l m o t i o n o f 2 1 8 0 a n dr a d i a l i n s e r t i o n t o a max imum depth o f 7 . 6 cm. Twop ro be s w er e b u i l t t o u s e w i t h t h e s y s t e m . The w i d ef i e l d - o f - v i e w p r ob e c an b e f i t t e d w i t h l e ns e s f o r 90an d 6 0 f i e l d s - o f - v i e w , w i t h t h e v i e w in g a x i s o r i e n t e d45 t o t h e a x i s o f t h e p r o b e . The n a r r o w f i e l d - o f - v i e wp r o b e h a s l e n s e s f o r 3 5 a nd 1 3 f i e l d s - o f - v i e w t h a ta r e o r i e n t e d 60 r e l a t i v e t o t h e p r o b e a x i s . B o t hp r o b e s a r e w a t e r c o o l e d a n d g a s p u r g e d an d a r e c a p a b l eo f o p e r a t i n g w i t h i n t h e p r i m a r y c o mb u st i on z on e o f ac o m b u s t o r .F i g u r e s 1 2 (a ) a n d ( b ) sho w c r o s s s e c t i o n v i e ws o ft h e two p r o b e s . I n e a ch ca s e a n im ag e c o n d u i t i s u s e dto t r a n s f e r t h e i ma ge t hr o u g h t h e l e n g t h o f t h e p r o b e .The i m a ge c o n d u i t i s a f u s e d b u n d l e o f f i b e r s 3 mm i nd i a m e t e r a n d c o n s i s t s o f a b o u t 7 5 000 f i b e r s 10 p m i nd i a m e t e r . E a c h o f t h e s e f i b e r s c o rr e sp o n ds t o a p i c -t u r e e l e m e nt . The im ag e c o n d u i t i s 3 3 cm lo ng and i sc o u p l e d t o a f l e x i b l e f i b e r b u n dl e wh i ch co nn ec ts t h ep r o b e t o t h e o p t i c a l i n t e r f a c e u n i t . Each p ro be i sa l s o e q u ip pe d w i t h two 1 mm d i a m e te r p l a s t i c c l a d f u se dq u a r t z f i b e r s u se d f o r i l l u m i n a t i o n when r e q u i r e d .t e r s , an d a n i l l u m i n a t i o n s o ur c e. E i t h e r f i l m o rv i d e o c a me r as c a n be r e m o t e l y s e l e c t e d a n d up t o e i g h tf i l t e r s c a n be i n s e r t e d i n t o t h e v i e w in g p a t h . Thei l l u m i n a t i o n s o u rc e i s a m e r c ur y a r c l am p w h ic h i sf o c u s e d o n t h e e n d s o f t h e i l l u m i n a t i o n f i b e r s .T h i s s y st e m ha s b e e n u s ed i n b o t h c o m b u st o r a n df u l l s c a l e e n gi n e t e s t s . A l t h o ug h th e o r i g i n a l u se f o rt h e s y st em was i n c om bu st or l i n e r d u r a b i l i t y s t u d i e s ,t h e s y s te m a l s o h as c a p a b i l i t y a s a f l o w p a t h d i ag n os -t i c d e v i c e . I t h a s b e e n u s e d t o e xa mi ne l i g h t o f f andb l o w o ut c h a r a c t e r i s t i c s a n d ap p ea r s t o h a v e c o n s i d e r a -b l e p o t e n t i a l fo r o t h e r t i m e d e p e n d e n t p he no me na a n dfor f l a m e r a d i o m e t r y . S u b se q u e nt t o t h e i n i t i a l de v e l -o pm en t pr o gr a m, a d d i t i o n a l s ys te ms we re b u i l t a nd p u ti n t o s e r v i c e i n a i r c r a f t e n g in e d e v e l o p m e n t w o r k a n di n t e s t i n g t u r b i n e e ng in es u s ed t o g en e ra te e l e c t r i c a lpow er .H I G H TEMPERATURE STRAIN MEASURING SYSTEMS

The o p t i c a l i n t e r f a c e u n i t c o n t a i n s ca me ra s, f i l -

Th e m o s t a m b i t i o u s i n s t r u m e n t a t i o n d e v e lo p m en te f f o r t i n t h i s p ro gr am i s t h e d ev e lo pm en t o f h i g h - t e m -p e r a t u r e s t r a i n m e a s ur i n g s ys te ms . The t a r g e t g o a l f o rt h i s work i s t o m e as ur e s t r a i n ( a p p r o x 2 0 0 0 m i c r o -s t r a i n , maximu m) a t t e m p e r a t u r e s u p t o 1250 K w i t h a nu n c e r t a i n t y o f r 1 0 p e r c e n t . T h i s r e q u i re m e n t i s f o rr e l a t i v e l y s h o r t t e rm t e s t i n g ; a 50 h r s en so r l i f e i sc o ns i de r ed s u f f i c i e n t . S p a t i a l r e s o l u t i o n o f t h e o r d e ro f 3 mm i s d e s i r e d a nd wh e re m e as ur e me n ts a r e r e q u i r e do n b l a d e s o r v an es , l a r g e t e m p e r a t u re g r a d i e n t s a r ea n t i c i p a t e d . I n g e n e r a l , t h e r e qu i re m en t i s f o rs t e a d y - s t a t e m e as ur em en ts as d i f f e r e n t i a t e d f romd y na m ic ( f l u c t u a t i n g c om po ne nt o n l y ) m ea s ur e me n ts .

.ORIGINAL PAGE ISQI POOR QUALITY


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The p r i n c i p a l c a n d i d a t e f o r m a k i n g s u c h m e a s u r e -m en ts u n a er s i m i l a r b u t l o w e r t e m p er a t u r e c o n d i t i o n s( l e s s t h a n a p p r ox 7 0 0 K ) i s t h e r e s i s t a n c e s t r a i n g ag e.H ow ev er , a t :he h i g h e r t e m p e r a t u r e s , s t r a i n m e as u re -m en ts become i n c r e a s i n g l y d i f f i c u l t a nd t h e c om mo nl yu se d s t r a i n g ag es a r e m a r g i n a l a t b e s t . As t h e r e -q u i r e a t e m p e ra t u r e r a n g e i n c r e a s e s , t h e m a g n it u d e o fr he c o r r e c t i o n f o r a p p a r e n t s t r a i n b ec om ess u b s t a n t i a l l y l a r g e r t h a n t h e s t r a i n s i g n a l a nd th eJ n c e r t a i n t y of t h e c o r r e c t i o n i s e x c e s s i v e. To m ee tt h e g c a l s l i s t e d a bo ve , t h e u n c e r t a i n t y o f t h ea pp a re nt s t r a i n c o r r e c t i o n m us t b e l e s s t h a n 2200v i c r o s t r a i n . T h is r eq u ir em e nt t r a n s l a t e s t o a r e p e a t -a b i l i t y o f t h e r e s i s t a n c e v e r s u s t e m p e r a tu r e f o r t h em u n t e d s t r a i n g age t o b e w e l l w i t h i n ~400 a r t s p e rn i l l i o n (Dpm,, b a se d o n a g ag e f a c t o r o f two.We maae an e x t e n s i v e s t u d y o f p o t e n t i a l l y u s e f u lh i g h - t m p e r a T u r e s y a t i c s t r a i n m ea su re me nt t e c h n i q ue s( Y ul se e t a i . . 1 98 7a ). A s a r e s u l t o f t h i s s t u d y , wea re p u r s u i n g r h e f o l l o w i n g t o i m p r o v e o u r h i g h t e mp e ra -t u r e s t r a i n m e as ur in g c a p a b i l i t y :( 1 ) d e v e l o p i n g i m p r o ve d h i g h t em p e r a t u re s t r a i n

2 ) l e a r n i n g how b e t t e r t o u se a v a i l a b l e s t r a i n( 3 ) d e v e l o p i n g o p t i c a l s t r a i n m e a s u ri n g s ys te ms a s

3agesg a g e sa l t e r n a t i v e s t o s t r a i n g a g e s

The f o l l o w i n g s e c t i o n w i l l d i s c u s s t h e s e t h r e e a r e a s o fw o r k .D e v e l o p m e n t o f I m p r o v e d H i g h T e m p e r at u r e S t r a i n G ag esI n a t t e m p t i n g t o d e v e l o p i m p r o v e d h i g h t e m p e r a t u r es t r a i n g a g e s , w e a r e e m p h a si z i n g d e v e l o pm e n t o f a l l o y sw i t h v e r y r e p e a t a b l e r e s i s t a D c e v e r s u s t e m p e r a tu r ec h a r a c t e r i s t i c s ( H u ls e e t a l . , 1 98 5; H u ls e e t a l . ,1 9 8 7 b) . We t e s t e d a n um be r o f a l l o y c o m po s i ti o n s f r omf i v e a l l o y f a m i l i e s . These a l l o y f a m i l i e s a r e F eC rA l,N i C r S i ( N i c r o s i l ) , P tP dM o, P d Cr , a nd P tW . I n a l l c as ese x c e p t f o r t h e t h er m oc o up l e a l l o y N i c r o s i l , we l o o k eda t a r a ng e o f c o m p o s i t io n s . A l l o y s am pl e w e re c a s t i n t or o d s an d t h e n m a ch i ne d i n t o s u i t a b l e t e s t s a m pl es .Measurements were made o f r e s i s t a n c e v e r s u s t e m p e ra t u r eo v e r a n u m b er o f c y c l e s i n wh i ch c o o l i n g r a t e s w er ev a r i e d f r o m 5 0 t o 2 50 K / m in u t e. A d d i t i o n a l t e s t si n c l u d e d o x i d a t i o n ( w e i g h t g a i n m e th od ) a nd r e s i s t a n c ed r i f t f o r u p t o 3 h r i n a i r a t 12 5 0 K . The r e s u l t s o ft he se t e s t s i n d i c a t e d t h a t two a l l o y s , o ne i n t h eF eC rA l f a m i l y a n d o ne i n t h e P dC r f a m i l y , h a d t h e b e s tp o t e n t i a l f o r h i g h t e m p e ra t u r e s t r a i n g a ge sa p p l i a t i o n s .The F e C r A l a l l o y was d e s i g n a t e d a s M od 3 . Thef r a c t i o n a l r e s i s t a n c e c ha ng e w i t h t e mp e r at u r e for t h i sa l l o y a t t e m p e ra t u re s u p t o 1250 K i s c om pa re d w i t h t h ec o m m e r c i a l K a n t h a l A - 1 ( a l s o F eC rA l ) a l l o y i n F i g . 1 3 .I n t h i s c as e b o t h a l l o y s w e re a n n ea l ed f o r 2 h r a t1150 K p r i o r t o t e s t i n g . The r e s i s t a n c e c ha ng e o f t h eMod 3 a l l o y i s much l e s s t h a n t h a t o f t h e K a n t h a l A - 1a l l o y a nd shows c o m p a r a t i v e l y l i t t l e c ha ng e fo r d i f f e r -e n t c o o l i n g r a t e s . T h i s a l l o y do es , h ow ev er , e x h i b i td i f f e r e n t r e s i s t a n c e v e rs u s te m p er a tu r e c h a r a c t e r i s -t i c s , d ep e nd i ng o n p r e v i o u s t he r ma l h i s t o r y . F i g u r e 1 4i l l u s t r a t e s t h i s e f f e c t f o r e x p o s u r e t o 1 25 0 K a i r f o rt i m e s r a n g i n g f r o m 10 t o 1 0 5 h r . B e ca u se of t h i se f f e c t , w o r k o n t h i s a l l o y h as be en d e- em ph as iz ed i nf a v o r : o f t h e P dC r a l l o y .c u r v e w h i c h i s c h a r a c t e r i s t i c o f a s o l i d s o l u t i o na l l o y w i t h n o ph as e o r i n t e r n a l s t r u c t u r e c h an ge sb e i n g e v i d e n t . The r e s i s t a n c e i s e s s e n t i a l l y l i n e a rr i t h t e m pe ra t ur e an d no t a f f e c t e d b y c h an ge s i n c o o l -i n g r a t e o r p r e v i o u s t h e rm a l h i s t o r y . C y c l e - t o -c y c l er e p e a t a b i l i t y o f t h e f r a c t i o n a l c han ge i n r e s i s t a n c ew i t h t e m pe r a tu r e i s e x c e l l e n t . T e s ts o v e r f o u r t h e r

The P dC r a l l o y h as a r e s i s t a n c e v e r s u s t e m p e r a t u r e

m al c y c l e s s ho we d a n a ve r a g e ( o v e r t h e t e m p e r a t u r er a n ge ) s t a n d a rd d e v i a t i o n o f I 3 0 p pm . The g r e a t e s tv a r i a t i o n was a t a p p r o x i m a t e l y 7 00 K w i t h a s t a n d a r dd e v i a t i o n of 2 45 ppm. The l o n g t e r m d r i f t o f cast sam-p l e s o f t h i s a l l o y a t 1100 a nd 1 25 0 K i n a i r a nd i na r g o n i s s how n i n F i g . 1 5. I t s h o u l d be n o t e d t h a tt h e se d a t a i m p l y a r e p e a t a b i l i t y i n r e s i s t a n c e m ea su re -ment t o t h e o r d e r of 100 ppm; i t i s l i k e l y t h a t so m e o ft h e f l u c t u a t i o n i n t he s e cu r v es i s a t t r i b u t a b l e t o t h em e a su r in g s ys t e m r a t h e r t h a n t h e r e s i s t a n c e o f t h ea l l o y s am pl es .The r e p e a t a b i l i t y o f t h e P d C r a l l o y i s t h e p r o -p e r t y t h a t we f e e l i s e s s e n t i a l f o r h i g h - t e m p e r a t u r es t r a i n g ag e work. H ow ev er , t h e r e a r e o t h e r p r o p e r t i e sr e q u i r e d f o r g oo d s t r a i n g ag e s a nd t h e P dC r a l l o y m ayn o t b e i d e a l c o n s i d e r i n g t he s e p r o p e r t i e s . The te m pe r -a t u r e c o e f f i c i e n t o f r e s i s t a n c e i s h i g h e no ug h t h a tt e m p e r a t u r e c o m p en s a t io n w i l l b e r e q u i r e d ; t h e a dd edc o m p l i c a t i o n an d t h e l a r g e r g ag e s i z e r e q u i r e d for t h i sw i l l h a v e t o b e a cc om mo da te d. O t h e r p o t e n t i a l p r o b l e m ss uc h as o x i d a t i o n r e s i s t a n c e o f h i g h s u r f a c e - t o - v o l u m er a t i o t h i n f i l m s a nd f i n e w i r e s , g ag e f a c t o r c ha ng esw i t h t e m pe r a tu r e , an d t h e e l a s t i c / p l a s t i c s t r a i n p r op -e r t i e s a r e s t i l l u nd er i n v e s t i g a t i o n .

Work W i t h A v a i l a b l e S t r a i n GagesL e a r n i n g how b e s t t o u se a v a i l a b l e s t r a i n g ages i nh i g h- t em p e ra t u re a p p l i c a t i o n s r e q u i r e s t h a t c o n s i d e r -a b l e e x p e r i m e n t a l work b e d o n e t o e x p l o r e s t r a i n g agec h a r a c t e r i s t i c s a nd d e v i s e op t im u m p r o c e d u re s f o r sp e c -i f i c a p p l i c a t i o n s . Such w ork i s v e r y t i m e c o n s u m i n g,e s p e c i a l l y when t e s t s a t many d i f f e r e n t t e m pe r a tu r e sa r e r e q u i r e d . C o n se q u en t l y, o n e of o u r o b j e c t i v e s i nt h i s w o r k w as t o e s t a b l i s h a co mp ut er c o n t r o l l e d t e s t -i n g c a p a b i l i t y a t NASA L e w is so t h a t t e s t i n g c o u l d bea c c o m p l i s h e d w i t h m i n im a l o p e r a t o r a t t e n t i o n .The au t om a te d s t r a i n g ag e t e s t l a b o r a t o r y h as t h ec a p a b i l i t y t o m e as u re a p p a r e n t s t r a i n a n d g ag e f a c t o ro v e r a r a n ge o f t e m p e r a t u r e s f r o m 3 0 0 t o 1 3 7 0 K . Thel a b o r a t o r y h as two o v e n s ( o n e o f w h i ch c o n t a i ns a t e s tf i x t u r e fo r a c o n s t a n t s t r a i n be am ), a c o m pu t e r c o n-t r o l l e d a c t u a t o r f o r d e f l e c t i n g t h e beam, s t r a i n ga gea n d t e m p e r a t u r e i n s t r u m e n t a t i o n , a n d a p e r s o n a l com-p u t e r f o r c o n t r o l l i n g t h e t e s t s a nd c o l l e c t i n g t h ed a t a . C o m m un i c a ti o n b e t w ee n v a r i o u s p a r t s o f t h e s y s -t em i s a c c o mp l i sh e d u s i n g b o t h a n IEEE-488 d a t a b u s a n da n RS-232 s e r i a l i n t e r f a c e . A v e r y v e r s a t i l e c o n t r o lp r o g r a m was d e v e l o p e d t h a t a l l o w u s t o c o n s t r u c t av a r i e t y o f t e s t p r o f i l e s b y e n t e r i n g a se r i e s o f tem-p e r t u r e s a n d command s t a t e m e n t s i n t o a d a t a s e t .F i g u r e 1 6 sh ow s a b l o c k d i a g r a m o f t h e s y s t e m .s t r a i n g ag es i s o u t l i n e d by S t e ts o n (1 9 8 4) . I n t h i swork u s i n g K a n t h a l A - 1 a l l o y , i t was d e t e r m i n e d t h a tt h e a pp a re n t s t r a i n of t h e g ag e was s t r o n g l y a f f e c t e db y t h e r a t e a t w h i c h t h e g a ge was c o o l e d from t h e h i g h -e s t u se t e mp e r at u r e. F u r t h e r , t h e a p p ar e nt s t r a i n f o rt h e n e x t t h e r m a l c y c l e f o l l o w e d t h a t e s t a b l i s h ed b y t h ec o o l i n g p a r t of t h e p r e v i o u s c y c l e ; a r e p e a t a b l e ap p ar -e n t s t r a i n c o u l d be o b ta i n e d i f t h e c o o l i n g r a t e c o u l db e r e p r o d u ce d d u r i n g e ac h t h e r m a l c y c l e . T h i s i m p l i e st h a t a n a c c u r a t e a p p ar e n t s t r a i n c o r r e c t i o n c o u l d beo b t a i n e d b y ma t ch i ng t h e c o o l i n g r a t e d u r i n g c a l i b r a -t i o n t o t h a t w h i c h w ou l d b e i m pr e s se d o n t h e s t r a i ng ag e d u r i n g u s e . I t i s n e c es s a ry , of c o u rs e , t h a t t h ec o o l i n g r a t e s b e c o n t r o l l a b l e d u r i n g u se an d t h a t i sn o t a lw a ys p o s s i b l e . B u t for t h e work o f S t e t s o n( 1 9 84 ) . t h e c o o l i n g r a t e s c o u l d b e m a tc h ed a nd ,a l t h o u g h i t took c o n s i d e r ab l e e f f o r t , t h e r e s u l t wasu s a b l e s t a t i c s t r a i n m ea su re me nt s a t t e m p e r a t u r es u pt o 950 K.b e en u n d e r t a k e n a t NASA L e w i s . H a s t e l l o y X p l a t e s 1 3

One approach t o b e t t e r u t i l i z a t i o n of a v a i l a b l e

Work b as ed o n c o n t r o l l e d c o o l i n g r a t e s h as a l s o

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7/25

b y 20 c m w er e i n s t r u m e n t e d w i t h K a n t h a l A - 1 andChinese FeCRAl 700 C (Wu e t a l . , 1 9 81 ) s t r a i n g a g es .A p l a t e h o l d i n g f i x t u r e was made t h a t p e r m i t t e d c o o l -i n g g as t o f l o w o v er t h e p l a t e u n i f o r m l y so as t o g e tc o n r r o l l e d c o o l i n g r a t e s . The K a n t ha l A - 1 gages w erem o un t e d u s i n g a f l a m e s p r a y e d a l u m i n a a n d c e r a m i cc em en t p r o c e s s a n d t h e C h i n e s e g a g e s w e r e m o u n te d w i t ha C h i n es e ce r a mi c c em en t u s i n g d i r e c t i o n s s u p p l i e d w i t hr h e g a g es . The p l a t e s w er e a l s o i n s t r u m e n t e d w i t h 1 0:he rm oc oup les so as t o m ea sl jr e t h e t e m p e r a tu r e d i s t r i -c u t i o n a t t h e s t r a i n g ag es . A p pa r en t s t r a i n me as ur e-T e n t s w e r e ma de o v e r a t e m p e r a t u r e r a n g e f r o m 300 t o350 K w i t h c o o l i n g r a t e s c o n t r o l l e d a t 0 . 1 , 1 .0 , a nd5 . 6 K / s e c . F i g u r e 1 7 shows t h e r e s u l t i n g r e s i s t a n c ev e rs u s r e m p er a t u re d a t a . P l o t t e d h e r e a r e f r a c t i o n a lc na ng es i n r e s i s t a n c e f o r o n e e a c h o f t h e K a n t ha l A - 1a n d C h i n e s e g a g e s f o r t h e t h r e e d i f f e r e n t c o o l i n gr a t e s . T he d a t a show t h e K a n t h a l g a g e t o b e s t r o n g l yg ep en de nt o n c o o l i n g r a t e b u t r e p e at a b l e i n r e s i s t a n c ea t t h e ma xi mu m t e m p e r a t u r e . The r e s i s t a n c e o f t h eC h ines e gage i s i n d e p e n d e n t o f c o o l i n g r a t e a t b o t h300 and 950 K , b u t a t i n t e r m e d i a t e te m p e ra t u r es t h ec u r v e s d e v i a t e d e p e n di n g o n c o o l i n g r a t e . Th e ma ximumd e v i a t i o n s i n t h es e c u r ve s o cc u r i n t h e t e m p e ra t u r er a n g e from 650 t o 800 K , r o u g h l y t h e same r e g i o n f o rw hi ch h i g h d r i f t r a t e s h a ve b ee n r e p o r t e d f o r t h eC h i n e s e g a g es ( H o b a r t , 1 9 8 5 ) .O p t i c a l S t r a i n M e as ur em en tt o r e s i s t a n c e s t r a i n g ag es f o r a l l t u r b i n e e ng in ea p p l i c a t i o n s , b u t t h e y a p pe ar t o h av e h i g h p o t e n t i a lfo r p r o v i d i n g h i g h t em p e ra t u r e, n o n c o n t a c t , two-d i me n si o na l s t r a i n m e as ur in g s ys te ms w i t h v i r t u a l l yu n l i m i t e d s t r a i n ra ng e. An o p t i c a l t e c h ni q u e t h a tr e q u i r e s n o m o d i f i c a t i o n t o t h e s u r f a ce u n d e r t e s tu s es l a s e r s p e c k l e p a t t e r n s . T he se p a t t e r n s a r e f o r m edb y c o n s t r u c t i v e and d e s t r u c t i v e i n t e r f e r e n c e o f l a s e rl i g h t r e f l e c t e d f rom a d i f f u s e s u r f a c e . T he s o u r c e o ft h e p a t t e r n i s t h e i r r e g u l a r i t i e s i n t h e s u r f a ce ; whent h e s u r f a ce i s d i s t o r t e d , for e xa mp le b y s t r a i n i n t h ep l a n e o f t h e s u r f a c e , t h e s p e c k l e p a t t e r n c h a ng e s.P r e c i s e m e a s u r e m e n t s o f c ha ng e s i n r e c o r d e d s p e c k l ep a t t e r n s c an p r o v i d e i n f o r m a t i o n o n t h e s t r a i n i mp os edo n t h e s u r f a c e . A p r a c t i c a l i m p l em e n t at i o n o f t h i st e c h n i q u e i s a l a s e r s p e c k l e p h o t o g r a m me t r i c s y st e m i nw h ic h s p e c k l e p a t t e r n s a r e r e c o r d ed o n p h o t o g r a p h i cf i l m ( S t e t s o n , 1 9 8 3 ) . S p e ck l e p a t t e r n p h o t og r a p hs( c a l l e d s pe c kl e gr a ms ) a r e made a t d i f f e r e n t i n c re m e n tso f l o a d i n g of t h e t e s t s a mp le an d t h e n p a i r s o f s p e c k -l e g ra m s a r e e x am in e d i n an a ut o ma t e d i n t e r f e r o m e t r i cp h o t o c o m p a r a t o r . The s ys t e m u s es h e t e r o d y n e t e c h -n i q u e s t o a c h i e v e a c c u r a t e m e a su r e me n t s t o a f r a c t i o no f an i n t e r f e r e n c e f r i n g e . No a t t e m p t w i l l be madeh e r e t o d e s c r i b e t h i s s y st em i n d e t a i l ; i t h a s b e e nt h o r ou g h l y d es c r ib e d i n t h e op en l i t e r a t u r e ( S t e t s o n ,1 9 8 3 ) .The l a s e r s p e c k l e p h o t o g r a m m e t r i c s y s t e m h a ss u c c e s s f u l l y m e a su re d h i g h -t e m p e r a t u r e s u r f a c e d e f or m a-t i o n . S t e t s o n ( 1 9 83 ) d e s c r i b e s a n e x p e r i m e n t t o meas-u r e t h e t h e r m a l e x p a n s i o n o f a n u n re s t r a i n e d p l a t e o fH a s t e l l o y X a t t e m p e r at u r e s u p t o 1150 K . Th e p l a t ewas h e a t e d i n a l a b o r a t o r y f u r n a c e t o 1 1 5 0 K a n d t h e na l l o w e d t o c o o l t o 500 K o v e r a p e r i o d o f s e v e r a lh o u r s . S p ec kl e gr am s we re r e c o r d e d a t r o u g h l y 2 0 0 Ki n t e r v a l s d u r i n g t h e h e a t i n g a n d c o o l i n g a nd S U C -c e e d i n g s p e c k l e g r a m p a i r s w e r e u s ed t o d e t e r m i n e t h et h e r m a l e x p a n s i o n o f t h e p l a t e . M ea su re d t h e r m a le x p a ni s o n a g r e e d w i t h v a l u e s c a l c u l a t e d f rom the meas-u r e d t em p e ra t u r e an d t h e t h er m al e x p an s i o n c o e f f i c i e n tt o w i t h i n 3 p e r c e n t .g r am me t ri c s y st em i n t e s t c e l l e n vi r on m en t s. I n o ne

O p t i c a l s ys te ms may n o t p r o v i d e e x a c t a l t e r n a t i v e s

We h a v e a t t e m p t e d t o u se t h e l a s e r s p e c k l e p h o t o -

6

a t t e m p t we r e c o r d e d s p e c k l e g r a m s of a c o mb u s to r l i n e ri n a h i g h -t e m p er a t u re , h i g h -p r e ss u r e c om bu st o r t e s t r i g( S t e t s o n . 1 9 8 4 ) . The s p e c kl e g r a m s w e re t a k e n t h r o u g ha v i e w i n g p o r t i n t h e p r e s su r e v es s e l o f t he t e s t r i ga s co m b u s t or p r e s s u r e an d t e m p e r a t u r e w e re v a r i e d . Ap o t e n t i a l p ro b l em i n t h i s a p p l i c a t i o n i s t h a t t h e h ig h -p r es s u r e c o o l i n g a i r f l o w i n g o v e r t h e e x t e r i o r s u rf a ceo f t h e co mb us to r l i n e r i s i n t h e o p t i c a l v i e w i n g p a th ,a nd t u r b u l e n c e i n t h e g as f l o w may c au se s u f f i c i e n to p t i c a l d i s t o r t i o n t o p r ev e nt c o r r e l a t i o n o f s uc c eed-i n g p a i r s o f s p e c k l e g r a m s . E x a m p l e s o f u n d i s t o r t e da n d d i s t o r t e d s p e c kl e g ra m s a r e sh ow n i n F i g s . 1 8 ( a )a nd ( b ) . T h i s e f f e c t p r o ve d t o b e a f u n d a m e n t a l l i m i -t a t i o n f o r t h e m e as ur in g s ys te m i n t h i s a p p l i c a t i o nwhe n c o m b u st o r p r e s s u r e was h i g h e r t h a n a p p r o x i m a t e l y3 a tm . We i n t e n d t o e x p l o r e f u r t h e r h i g h t e m pe r a r ur ea p p l i c a t i o n s of o p t i c a l s t r a i n m e a su r in g s y st e ms .T H I N FILM SEUSORS

One o f t h e f u n d a m en t a l p r e c e p t s o f e x p e r i m e n t a t i o ni s t h a t t h e s e n so r s u se d t o g e t e x p e r i m e n t a l d a t a m u stn o t p e r t u r b t h e s u b j e c t o f t h e e x p e r i m e n t f rom i t s c on-d i t i o n p r i o r t o t h e i n t r o d u c t i o n o f t h e s e n so r s . I nt u r b i n e e n g i n e t e s t i n g t h e r e a r e many s i t u a t i o n s i nw h i ch t h i s p r e c e p t may be v i o l a t e d . A p r i m e e x a m p l e i st h e m e a s u r e m e n t of t u r b i n e a i r f o i l s u r f ac e te m pe r at u re .C o n ve n t i on a l t e c h no l o g y i n v o l v e s l a y i n g s h ea t he d t h e r -m oc ou pl e w i r e i n t o g r oo v es c u t i n t o th e s u r f a c e o f t h ea i r f o i l , t h en c o v e r i n g t h e i n s t a l l a t i o n and s mo ot hi ngt h e a i r f o i l c o n to u r . A l t ho ug h t h e a i r f o i l c on to u r i sr e s t o r e d , t h e t h e r mo c ou p le d i s t u r b s t h e t e m p er a t u red i s t r i b u t i o n , d oe s n o t g i v e a t r u e m ea su re o f t h e o u t -s i d e s u rf a c e t em p e r at u r e , a nd t h r e a t e n s t h e i n t e g r i t yo f t h e s t r u c t u r e of t h i n w a l l e d b l a d e s a nd v a ne s.a p p e a r s t o b e a n i d e a l s o l u t i o n fo r b l a d e a n d va n e s u r -f a c e t e m p e r a t u r e m ea su re me n t ( G r a n t a n d P r z y b y s z e w s k i .1 98 0; G ra n t e t a l . , 1 98 1; G ra n t e t a l . , 1 9 82 ) . As se eni n t h e c r o s s - s e c t i o n a l s k e t c h o f t h e s en so r i n F i g . 20,t h e s en s or ha s m i n im a l i n t r u s i v e n e s s . I n t h i s ca se t h eb l a d e o r v an e, c o a t e d w i t h a n M Cr Al Y a n t i c o r r o s i o nc o a t i n g , i s p o l i s h e d a nd t h en o x i d i z e d t o form a na d h e re n t s u r f a c e c o a t i n g o f a l u m i n u m o x i d e . A d d i -t i o n a l a l um in u m o x i d e i s d e p o s i t e d o v e r t h i s f i l m t oform a n e l e c t r i c a l l y i n s u l a t i n g f i l m o f r o u g h l y 2 pmt h i c k n e s s . F i l m s o f t h e r m o c o u p l e a l l o y ( P t andP tl O% Rh ) a r e s p u t t e r d e p o s i t e d t h r o u g h a p p r o p r i a t emasks so t h a t t h e f i l m s o v e r l a p a t on e p o i n t t o formt h e t h e r m o c o u p l e j u n c t i o n . Th e t h e r m o c o u p l e f i l m se x t e n d t o t h e r o o t o f t h e v a n e w h e r e c o n n e c t i o n s t oc o n v e n t i o n a l l e a d w i r e s a r e ma de. F i l m - t o - l e a d w i r e c on -n e c t i o n s a r e made b y p a r a l l e l - g a p w e l d i n g . The com-p l e t e i n s t a l l a t i o n o f i n s u l a t i n g f i l m a n d t h e r m o c o u p l ea l l o y f i l m s h as a t h i c k n e s s o f l e s s t h a n 20 pm. Thei n s t a l l a t i o n h as n o t ch an ge d t h e c o n t ou r or t h es t r e n g t h o f t h e c om po n en t an d t h e g r e a t e s t t h e r m a lc ha ng es a p p a r e n t a r e t h e d i f f e r e n t a b s or p t a nc e a nde m i t t a n c e o f t h e t h e r m o c o u p l e f i l m s c om pa re d t o t h eo x i d i z e d M Cr Al Y s u r f a c e . The t e c h n o l o g y f o r t h i n f i l mt h e r mo c o u pl e s an d t u r b i n e a i r f o i l s ha s b e en d e v e lo p e dto t h e e x t e n t t h a t i n s t r u m e n t e d va n es a nd b la d e s a r eb e i n g u se d i n t u r b i n e e n g i n e t e s t s a t t e m pe r at u re s u pt o 1250 K .T h i n f i l m s e n so r d e v e lo p m en t w o rk i s g o i n g o n b o t ha t c o n t r a c t o r f a c i l i t i e s a nd a t NASA L e wi s. F i g u r e 21sh ows t h e t h i n f i l m s e n s o r l a b o r a t o r y a t NASA L e w i s.The l a b o r a t o r y i s ho us ed i n a c l e a n room i n wh ic h b o t ht e m pe r a t ur e a nd h u m i d i t y a r e c o n t r o l l e d . On t h e l e f ti n t h e p h o t og r a p h a r e t h r e e va cu um s p u t t e r i n g ma c hi n e sfo r d e p o s i t i o n o f b o t h i n s u l a t o r a n d s en so r f i l m s . I nt h e r i g h t - h a n d c o r n e r of t h e room i s e q ui p me n t forp h o t o l i t h o g r a p h y o f s e ns o rs ; c o n v e n t i o n a l p h o t o - r e s i s t

The t h i n f i l m t h e r m o c o u p l e sh ow n i n F i g . 1 9

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t e c h n i q u e s a c e u s e d . A t t h e f a r r i g h t e dg e of t h e p h o -t o g r a p h i s a w e l d e r f o r c o n n e c t i n g l e a d w i r e s t o s e n s o rf i l m s .CONCLUDING REMARKS

T h i s p a p e r h as r e v i e w e d t h e s t a t e o f d e v e l o p m e n t o fa number o f a dv an ce d i n s t r u m e n t a t i o n p r o j e c t s a p p l i c a -b l e t o t h e h o t s e c t i o n s o f t u r b i n e e n g in e s . M os t o ft h es e p r o j e c t s a r e co m pl e te an d t h e i n s t r u m e n t a t i o n i sI n u s e . T h i s i s t h e c as e fo r t h e C o m b u s t o r V i e w i n gS y s t em , t h e Dyn a m ic G a s T e m p e r a t u r e M e a su r i n g Sys t e m ,t o t a l h e a t f l u x s e ns o rs , t h e l a s e r a n em om et ry p r o j e c t sa e s c r ' b e d h e re , a nd t h i n f i l m t h e r m o c o u p l e s . Work i ntn e 1 ;enera l a r ea o f t h i n f i l m s en so rs i s c o n t i n u i n g i no r d e r r o f u r t h e r i m D ro v e t h e t e c h n o l o g y a n d e x p an d se n-sor t y p e s a nd a p p l i c a t i o n s . The work t o i m p ro v e o u rh i g h- te m p er a t u r e s t r a i n m ea su ri ng c a p a b i l i t y i s s t i l li n p r o gr e s s .

REFERENCESA t k i n s o n , W . H. , a nd S t r a n g e , R . R . , 1 9 8 2 , D e v e l o p m e n to f A d v a n c e d H i g h - T e m p e r a t u r e H e a t F l u x S e n s o r s , NASA

A t k i n s o n , W . H . , H o b a r t , H . F . a n d S t r a n g e , R . R . , 1 9 8 3 ,A d v a n c e d H i g h T e m p e r a t u r e H e a t F1 u x S e n s o r s ,I'P r o c e e d i n g s o f t h e 3 8 t h I n s t r u m e n t S o c i e t y o f A m e r i c aC o n f er e n ce , A dv an ce s i n I n s t r u m e n t a t i o n , V o l . 3 8 ,P a r t 2 , I n s t r u m e n t S o c i e t y o f Am e r i ca , p p . 1 4 5 7 - 1 4 7 9 .

A t k i n s o n , W . H . , C y r , M . A . , a n d S t r a n g e , R . R . , 1984,T u r b i n e B l a d e a n d V an e H e a t F l u x S e n s o r D e v e l o p m e n t ,Phase I, ASA CR-168297.A t k i n s o n , W . H . , C y r , M . A . , a n d S t r a n g e , R . R . , 1 9 8 5 a ,D e v e l o p m e n t o f H i g h - T em p e r a t ur e H e a t F l u x S e n s o r s ,Phase I 1 - V e r i f i c a t i o n T e s t i n g , NASA C R- 17 49 73 .A t k i n s o n , W . H . , C y r , M . A . , a n d S t r a n g e , R . R . , 1 9 8 5 b ,T u r b i n e B l a d e a n d V an e H e a t F l u x S e n s o r D e v e l o p m e n t ,Phase 11 , N A S A CR-174995.E l m o r e , D . L . , R o b i n s o n, W . W . , a n d W a t k i n s , W.B., 1 9 8 3 ,D y n am i c G as T e m p e r a t u r e M e a s u r em e n t S y s t e m F i n a lR e p o r t , V o l u m e I e c h n i c a l E f f o r t s , NASA CR-168267.E l m o r e , D . L . , R o b i n s o n , W . W . , a n d W a t k i n s , W . B . , 1 9 8 4 ,Dyn a m ic G a s T e m p e r a t u r e M e a su r e m e n t Sys t e m , ' 'P r o c e e d i n g s o f t h e 3 0 t h I n t e r n a t i o n a l I n s t r u m e n t a t i o nS ym po si um , I n s t r u m e n t a t i o n i n t h e A e r os p a ce I n d u s t r y ,V o l . 3 0 , A d v a nc e s i n T e s t M e a s u r em e n t s , V o l . 2 1 ,I n s t r u m e n t S o c i e t y o f A m e r i c a , p p . 2 8 9 - 3 0 2 .E l m o r e , D . L . , R o b i n s o n , W . W . , a n d Wa t k i n s , W. B. ,1 9 8 6a , F u r t h e r D e v el o p me n t o f t h e Dyn a m ic G a sT e m p e r a t u r e M e a s u r em e n t S y s t e m , V o l . I e c h n i c a lE f c r t s , I N A S A CR- 1 7 9 5 1 3.E l m c r e , D . L . , R o b i n s o n , W . W . , a n d W a t k i n s , W . B . ,1 9 8 6 b , F u r t h e r D e v e l o pm e n t o f the Dynamic GasT e m p e r a t u r e M e a su r e m e n t Sys t e m , A I A A P a p e r 8 6 - 1 6 4 8 .

CR-155618.

G r a n t , H . P . . a n d P r z y b y s z e w s k i , J . S . , 1 98 0, T h i n F i l mTem Ler a tu re Se nso r , NASA CR-159782.G r a r t , H . P . , P r z y b y sz e w s k i, J . S . , a n d C l a i n g , R . G . ,1 9 8 1. T u r b i n e B l a d e T e m p e r a t u r e M e a s u r em e n t s U s i n gT h in F i l m T e m p e r a t u r e Se n so r s , NASA CR-1 65 20 1 .

G r a n t , H . P . , P r z y b y s z e w s k i , J . S . , C l a i n g , R . G . , a n dA n d e r s o n , W . L. , 1 9 82 . T h i n F i l m T e m p e r a t u r e S e n s o r s ,Phase 111. NASA CR-165476.H o b a r t , H . F. . 1 98 5 , E v a l u a t i o n R e s u l t s o f t h e 7OO0CCh in e se S t r a i n G a g e s , NASA T M- 86 97 3 .H o l a n d a , R . , 1 9 8 4 , A n a l y s i s o f T h e r m o e l e c t r i cP r o p e r t i e s o f Hig h - T e m p e r a t u r e Co m p le x A l l o y s o fN i c k e l - B a s e , I r o n - B a s e , a n d C o b a l t - B a s e G r o u p s , ' ' NASATP-2278.H u l s e, C . O. , B a i l e y , R . S . , and Lemkey, F . D . , 1 9 8 5 ,H i g h T e m pe r at u re S t a t i c S t r a i n Gage A l l o y D e v el o p me nPr og ra m. NASA CR-174833.H u l s e , C. O. , e t a i . , 1 9 8 6, A d v an c e d H i g h T e m p e ra t u r eS t a t i c S t r a i n S e n s o r D e v e l o p m en t , NASA C R -1 7 95 20 .H u l s e, C .O . , B a i l e y , R .S . , G r a n t , H . P . , a n dP r z y b y s z e w s k i , J . S . , 1 9 87 , H i g h T e mp e r at u re S t a t i cS t r a i n G age D e v e l o pm e n t C o n t r a c t , N A S A CR-180811.L a d i n g , L . , 1 9 8 3, E s t i m a t i n g T im e a n d T i m e- L ag i nT i m e - o f - F l i g h t V e l o c i m e t r y , A p p l i e d O p t i c s , V o l . 2 2 ,NO. 22 , pp . 3637-3643.M o r e y , W . W . , 1 9 8 4 , Hot S e c t i o n V i e w i n g S y s t e m , NASACR-174773.M o r e y , W . W . , 1 9 8 5, J e t E n g i n e C o m bu s to r V i e w i n gS y s te m , C o n f er e n c e o n La s e r s a nd E l e c t r o - O p t i c s ,I E E E , New York, p . 2 9 8 .O b e r l e , L . G. , a n d S e a s h o l t z , R . G . , 1 98 5, F i l t e rI n d uc e d E r r o r s i n L a s e r A n em om et ry U s i n gC o u n t e r - P r o c e s s o r, ' ' I n t e r n a t i o n a l S y mp os i um o n L a s e rAnemometry, ASME FED V o l . 33, A . Dyb b s a n d P . A . P f u n d ,eds . , ASME, New Yo rk . pp . 221-230.O b e r l e , L . G. , 1 9 87 , " A C om pu te r C o n t r o l l e d S i g n a lP r e p r o c e s s o r f o r L a s e r F r i n g e A n em o me te rAp p l i c a t i o n s , NASA T M- 88 98 2.S e a s h o l t z , R . G . , O b e r l e , L . G . , a n d W e i k l e , D . H . , 1 9 84O p t i m i z a t i o n o f F r i n g e - T y p e L a s e r A n e mo m et e rs fo rT u r b i n e E n g i n e Co mp on e nt T e s t i n g , A I A A P a p e r 8 4 - 1 4 5 9 .(NASA TM-83658).S t e t s o n , K . A . 1 9 8 3 , The U s e o f H e t e r o d y n e S p e c k l eP h o t o g r a m m e t r y t o M e a su r e H i g h - T em p e r a t ur e S t r a i nD i s t r i b u t i o n s , H o l o g r a p h i c D a ta N o n d e s t r u t i v eT e s t i n g , D . V u k i c e v i c , e d . , P r o c . SP I E -3 7 0, S P I E ,B e l l i n g h a m , WA, p p . 4 6 - 5 5 .S t e t s o n , K . A . , 1 9 8 4, D e m o n s t r a t i o n T e s t o f B u r n e rL i n e r S t r a i n M e a s u r i n g S ys t e m , NASA C R -1 74 74 3.S t o cke s , D. R ., a n d E lm o r e , D . L . , 1 9 8 6 , F u r t h e rD e v e l o p m e n t o f t h e Dyn a m ic Ga s T e m p e r a t u r e M e a su r e m e nSystem, V o l . I 1 - C o m pu t er P r o g r a m U s e r ' s M a n u a l ,

We r n e t , M . P . , a n d Ed wa r d s , R . V . , 1 9 8 6 , I m p l e m e n t a t i o no f a New Type o f T i m e - o f - F l i g h t L a s e r A n em o me te r,A p p l i e d O p t i c s , Vol. 2 5 , No . 5 , p p . 6 4 4 - 5 4 8 .We r n e t , M . P . , 1 9 8 7 a , F o u r Sp o t L a se r An e mo m e te r a n dO p t i c a l A c c es s T e c h ni q u e s f o r T u r b i n e E n g i n eA p p l i c a t i o n s , I C IA S F ' 8 7 , I n t e r n a t i o n a l C o ng re ss o nI n s t r u m e n t a t i o n i n A er os pa ce S i m u l a t i o n F a c i l i t i e s ,I E E E , New York, pp. 245-254. (NASA TM-88972) .

NASA CR-179513-VOL-2.

ORIGINAL PAGE I9OF POOR QUALITY 7


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Werne t . M . P . , and O b er le , L .G . , 1987b , Las e r Wu, T .T . , M a, L .C . , and Zhao , L . B . , 1981 , D ev e l opm e ntAnem om et r y Tec hn iques fo r T u r b i ne A p p l i c a t i o n s , ASME o f T e m p e r a t u r e C o mp e n sa t e d R e s i s t a n c e S t r a i n Ga ge s forPap er 87-GT-241. (NASA TM-88953). Use t o 7 0O oC . E x p e r i m e n t a l M e c h a n i c s , Vol 2 1 , No. 3 ,Werne t , M . P . , a n d S e a s h o l t z , R . G . , 1987c , Zoom LensC om pens a to r fo r a C y l i n d r i c a l W ind ow i n La s e rA ne mo me te r U s e s , A p p l i e d O p t i c s , Vol . 2 6 , No. 2 1 ,

pp . 117-123 .

p p . 4603-4611.

ALUHEL7 r CHROMEL

- CM DI A .*NOT TO SCALE

ALUHEL/ CHROMEL ./------2/ / / /

HASTELLOY-XHOT SIDE

3ALUMEL1-2 = TREFERENCE1-3 = SENSOR OUTPUT

FIGURE 1. - EMBEDDED THERMOCOUPLE HEAT FLUX SENSOR.

8

ORIGINAL PAGE s8 POOR QUALITY


10/25

I +0 . 8 CM+NOT TO SCALE

3CHROMEL/ / / /

1-2 = SENSOR OUTPUT1-3 = T~~~~~~~~~

FIGURE 2. - GARDON GAGE HEAT FLUX SENSOR.

9


11/25

FIGURE 3. - HEAT FLUX SENSORS INSTALLED I N TURBINE VANE.

ONGD - J a PAGE ISOF POOR QUALITY

FIGURE 4. - COMBUSTOR SEGMENT INSTRU-MENTED WITH HEAT FLUX SENSORS.

1 0


12/25

1

vE

a //RADIOMETER

CONDUCTED HEATSENSOR FLUX.4- /.2 I

15 20 25-10

4 1/I

.2 15 20 25-10

COMBUSTOR PRESSURE, ATMFIGURE 5. - COMPARISON OF HEAT FLUX CONDUCTED THROUGH THECOMBUSTOR LINER AND INCIDENT RADIANT HEAT FLUX FOR VARI-

OUS LEVELS OF COMBUSTOR PRESSURE, RADIA NT HEAT FLUX WASMEASURED WITH A COMMERCIAL RADIOMETER.

11


13/25

FIGURE 6 . - DUAL ELEMENT THERMOCOUPLE PROBE FOR MEASURING FLUCTUATINGGAS TEMPERATURE.

12


14/25

0t 12 K RMS 2oo0 0

u -40t i -200+2 A 00 200 300 400 500

1 K RMS

100 200 300 400 500E A) 250 P M THERMOCOUPLE UNCOMPENSATED. B) 75 V M THERMOCOUPLE UNCOMPENSATED.z+ 1000

500

0

-500

-1000TIME, M/SEC

0 225 235 245 255 265 275C) 75 U M THERMOCOUPLE COMPENSATED. D) 75 pM THERMOCOUPLE COMPENSATED.

FIGURE 7. - DYNAMIC GAS TEMPERATURE SIGNALS FROM AN ENGINE TEST.

13


15/25

25

20

15

10

5

0

-5

m -10-0

e -15

-

0 1 230

25

20

15

10

5

0

LL4 5 10

B) ~/2.5 PTICS.FIGURE 8. - SIGNAL-TO-NOISE RATIO

SNR) FOR OPTIMUM MASK VERSUSDISTANCE OF PROBE VOLUME FROMWALL.

1 4


16/25

PHOTOMULTIPLIERINPUT

COUNTERPROCESSOR

SELECTED TIME

BUFFERETO DATA ACQUISI-TION SYSTFM rn

CONSTAN\

H I G H PASSFILTER BANK

I 20 dB IAMPLIFIERy

LOW PASSFILTER BANK

PROGRAMMABLE

-c7ETERGRAPH

--w COMPARATORIILARM


17/25

HORIZONTAL POLAR ZATIONLINEARLY L 1 Q 1 w 1 t VERT CAL POLAR Z AT ON

POLARIZATION L7 w3 H2 L4 L6BEAN SPLITTER

FIGURE 10. - SCHEMATIC VIEW OF THE TRANSMITTING AND RECEIVING OPTICS.

16


18/25

85cU

17


19/25

VIEWINGLENS

TILLUMINATING FIBER

\L12.7 MM DIA.FIGURE 12(A>. - CROSS SECTION OF WIDE FIELD OF VIEW COMBUSTOR

VIEWING PROBE.

y ILLUMINATINGMAGE\,FIBERIBERS \\\ /

\COOL NG \\L 2.7 MM DIA.FIGURE 12 B). - CROSS SECTION OF NARROW FIELD OF VIEW COMBUSTOR

VIEWING PROBE.

1 8


20/25

KANTHAL A-1ECRALMOD 3 25oK/MIN~M MIN A 5N/MIN25OK/MIN ~ ~ J / M I N

-10 000

60

30

I I I I I

80

40

2eQ-40

-80

000

000

0

000

000273 473 673 873 1073 1273 1473TEMPERATURE, K

FIGURE 13. - FRACTIONAL RESISTANCECHANGE OF KANTHAL A-1 AND FECRALMOD 3 AS A FUNCTION OF TEMPERATURE.

Oo0r +lo5 HR

TEMPERATURE, KFIGURE 14. - EFFECT OF SOAK TIME AT 1250 K ON THE RESISTANCE

VERSUS TEMPERATURE CHARACTER ST IC OF FECRAL MOD #3,

19


21/25

500r

STRAIN GAGE , ~RES1STANCE

-1 000 1250 K . ARGONI I10 20 30 40 50FIGURE 15. - LONG-TERM RESISTANCE DRIFT OF PDCR ALLOY I N

-1 5000TIME, HR

ARGON AND AIR.

IEEE 488MULTIMETER

RS 2320-CHANNELDIGITALTHERMOMETERTHERMOCOUPLES

r

I

SINGLE AXIS A ACTUATORACTUATOR CONTROLLER

10-CHANNEL

DIG ITA L TOANALOG CON-VERTER OVENPROGRAMMERVEN 2

I-RArI

STRAIN GAGES STRAIN GAGEREADOUT-

20


22/25

000

000000000

000

0

ooOO 300 400 500 600 700 800 900 1000TEMPERATURE, K

FIGURE 17. - FRACTIONAL RESISTANCE CHANGE VERSUS TEMPERATURE FORKANTHAL A-1 AND 700 OC CHINESE GAGES WITH THREE DIFFERENT COOL-ING RATES.

30 O o o r25

20

k 15? 10

-5

FIGURE 18(A). - SPECKLEGRAM OF COMBUSTOR LINER WITH NO DISTORTION DUE TO FLOW.

21


23/25

FIGURE 18(B). - SPECKLEGRAM OF COMBUSTOR LINER WITH DISTORTION FROMTURBULENT GAS FLOW.

FIGURE 19. - A TURBINE VANE INSTRUMENTED WITH THI N FILM THERMOCOUPLES.

22


24/25

21.1m2 u m I-P U l l E R E D F I L M

THERMOCOUPLE/

..-XIDE LAYER:::--- M C r A l Y C O AT IN G(SPUTTERED OREVAPORATED)

t120 1 1 m

=- ORIGINALMETAL SURFACE

A S E M E T A L

THE STABLE ADHERENT AI2$ INSUL ATING LAYER IS OBTAINEDB Y A T L EA S T 5 0 - h r O X I D A T I O N ( A T 1300 K OF THE COATING.FOLLOWED BY A1203 SPUTTERING.

FIGURE 20. - THIN FILM THERMOCOUPLE CROSS SECTION.

FIGURE 21. - THIN F ILM SENSOR LABORATORY AT THE LEWIS RESEARCH CENTER.

23


25/25

National A e l o n a u t i ~ ~nd

1 Report NoNASA TM-100282

Report Documentation Page2 Government Accession No 3 Recipient's Catalog No

Space Admin istra t ion

4 Title and SubtitleR ecen t A dvances i n H i gh T em pe ra tu re I ns t r um en t a t i onf o r Hot S e c t i o n A p p l i c a t i o n s

7 Author(s)D a v i d R . Eng lund and R ichard G . S e a s h o l t z

N a t i o n a l A e r o n a u t i c s a n d S p a c e A d m i n i s t r a t i o nWashington, D . C . 20546-0001

5 Report Date

6 Performing Organization Code

Perform ing Organization Report NoE-3923

10 Work Unit No505-62-0 1

14, Sponsoring Agency Code

7. Key Words (Suggested by Author(s))P r o p u l s i o n i n s t r u m e n t a t i o n ; S e n s o rs ; H e at f l u x ;Gas t e m p e r a t u r e ; L a s e r a ne m o m e tr y ; T h i n f i l ms e n s o r s ; S t r a i n g a ge s

I15 . Supplementary NotesPrepared f o r t he 33 rd I n t e rna t i ona l G as T u rb i ne and A e roeng i ne C ong ress and E xpo -s i t i o n , s p on s or ed b y t h e Am e ri ca n S o c i e t y of Mechanica l Engineers, Amsterdam,The Ne th er lan ds , June 5-9, 1988.

18 Distribution StatementU n c l a s s i f i e d - U n l i m i t e dS ub j ec t C a t ego ry 35

6. AbstractPrograms t o d e v e l o p r e s e a r c h i n s t r u m e n t a t i o n f o r use i n t u r b i n e e n gi ne h o ts e c t i o n s a r e d e s c r i b e d . T he se p ro g ra m s w er e i n i t i a t e d t o p r o v i d e i m p r o v e dm ea su re me nts c a p a b i l i t y as s u p p o r t f o r a m u l t i d i s c i p l i n a r y e f f o r t t o e s t a b l i s ht e c h n o l o g y l e a d i n g t o i mp ro ve d h o t s e c t i o n d u r a b i l i t y . S p e c i f i c m easurem ents ys te ms d e s c r i b e d h e r e i n c l u d e h e a t f l u x s e n s o r s , a dy na mi c ga s t e m p e r a t u r emeasur ing s y s t e m s , l aser anemomet ry f o r h o t s e c t i o n a p p l i c a t i o n s , an o p t i c a lsystem f o r v ie w in g t he i n t e r i o r of a c om b us to r d u r i n g o p e r a t i o n , t h i n f i l msensors f o r s u r f a c e t e m p e r a t u r e and s t r a i n me as ur em en ts , and h i g h t e m p e r a t u r es t r a i n m easu ri ng sys tem s . The pape r w i l l d e s c r i b e t h e s t a t e o f deve lopment o fthe se senso rs and mea sur ing systems and, i n some cases, w i l l show examples o fm easu rement s made w i t h t h i s i n s t ru m e n t a t i on . The pape r cove rs work d on e a t t h eNASA L ew is R es ea rc h C e n te r and a t v a r i o u s c o n t r a c t and g r a n t f a c i l i t i e s .

NASA tech brief on high temp materials

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