CN101315270B - 用于测量涡轮中叶片变形的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量涡轮中叶片变形的方法和系统，具体而言，一种用于确定燃气涡轮(2)中的叶片(4)，(9)的径向变形的方法包括：1)利用一个或多个围绕着叶片级(4)，(9)的周缘而设置的接近度传感器(22)进行叶片(4)，(9)的初始测量；2)在初始测量之后，利用一个或多个接近度传感器(22)进行叶片(4)，(9)的第二测量；3)通过比较初始测量与第二测量而做出叶片(4)，(9)的径向变形的判定。初始测量和第二测量可在涡轮(2)运行时进行。

Description

用于测量涡轮中叶片变形的方法和系统

技术领域

本申请大致涉及用于确定涡轮叶片变形的方法和系统。更具体地说，但绝不作为限制，本申请涉及在涡轮运行时用于测量涡轮叶片变形的方法和系统。

背景技术

工业燃气涡轮发动机和航空发动机的涡轮叶片工作在高温环境中，其中温度通常达到600℃至1500℃之间。此外，通常的趋势是提高涡轮运行温度以提高输出和发动机效率。与这些状态相关联的作用在涡轮叶片上的热应力是很严重的。

通常，由于经由涡轮转速而施加的力，涡轮叶片经受高水平的机械应力。这些应力在适应涡轮叶片设计的努力中已经被驱动到甚至更高的水平，该设计包括较高的环形区域，其在运行期间产生较高的输出扭矩。另外，设计具有更大表面面积的涡轮叶片顶端叶冠的需求给涡轮叶片的末端增加了额外的重量，其进一步提高了在运行期间作用于叶片的机械应力。当这些机械应力与严重的热应力结合时，结果是使涡轮叶片在材料的设计极限或接近材料的设计极限而工作。在这种状态下，涡轮叶片通常经受缓慢变形，它经常被称为“金属蠕变”。金属蠕变指金属部件由于长久地暴露于应力和高温下而缓慢地改变形状的情况。涡轮叶片可在径向或轴向方向上变形。

类似地，由于经由涡轮转速而施加的力，压缩机叶片经受高水平的机械应力。结果压缩机叶片也可能经受与金属蠕变相关联的缓慢变形。

结果是，涡轮中最令人担心的涡轮叶片和压缩机叶片的故障模式是金属蠕变，尤其是径向金属蠕变(即，涡轮或压缩机叶片的拉长)。如果不注意，金属蠕变最终可造成涡轮或压缩机叶片破裂，其可能对涡轮单元造成极大损伤，并且导致极长的修理停工期。通常，用于监测金属蠕变的传统方法包括：(1)试图通过使用分析工具例如有限元分析程序来预测取决于时间的叶片累积蠕变拉长，该程序基于实验室中对等温蠕变试验棒执行的蠕变应变试验的算法而计算蠕变应变；或(2)在单元停工期间执行肉眼检查和/或手工测量。然而，预测性的分析工具经常是不精确的。并且，肉眼检查和/或手工测量是劳动密集的，高成本的，而且经常还产生不精确的结果。

无论如何，关于涡轮或压缩机叶片的健康状态的不精确的预测，不管是利用分析工具，肉眼检查或手工测量进行，都可能是高成本的。一方面，不精确的预测可能使叶片超出其有效的工作寿命范围工作而导致叶片故障，其可能导致对涡轮单元的严重损伤和修理停工期。另一方面，不精确的预测可能使涡轮或压缩机叶片提前退役(即，在完成其有效的工作寿命之前)，这导致低下的效率。因此，精确地监测涡轮和/或压缩机叶片的金属蠕变变形的能力可提高涡轮发动机单元的整体效率。这种监测可最大限度地提高叶片的使用寿命，同时避免叶片故障的风险。另外，如果这种监测可在没有耗时且劳动密集的肉眼检查或手工测量的代价下完成，那么将进一步提高效率。因此，存在对用于监测或测量涡轮和压缩机叶片的金属蠕变变形的改进系统的需求。

发明内容

因而本申请描述了一种用于确定涡轮中的叶片径向变形的方法，其包括：1)利用一个或多个围绕着叶片级周缘而设置的接近度传感器而进行叶片的初始测量；2)在初始测量之后，利用一个或多个接近度传感器而进行叶片的第二测量；3)通过将初始测量与第二测量进行比较而做出叶片径向变形的判定。初始测量和第二测量可各指示叶片顶端到一个或多个接近度传感器的距离。初始测量和第二测量可在涡轮运行时进行。

在某些实施例中，该方法还可包括当已经确定存在预定水平的径向变形时，给涡轮操作员发送警报的步骤。在其它实施例中，该方法还可包括如下步骤：1)测量叶片的径向温度分布；和2)从径向温度分布中确定径向变形均匀或集中的程度。

在某些实施例中，接近度传感器的数量可以是两个或更多个，并且该方法还可包括如下步骤：1)从由两个或更多个接近度传感器所作的测量中确定转子位移；和2)当做出叶片径向变形的判定时考虑转子位移。在其它实施例中，接近度传感器的数量可以是一个，并且该方法还可包括如下步骤：1)利用一个或多个转子探头测量转子位移；和2)当做出叶片径向变形的判定时考虑转子位移。

本申请还进一步描述了一种用于确定涡轮中的叶片径向变形的系统，其包括：1)围绕着叶片级周缘而设置的一个或多个接近度传感器；和2)从接近度传感器中接受测量数据的控制系统。控制系统可配置成通过比较由一个或多个接近度传感器所作的叶片的初始测量和第二测量而确定叶片的径向变形。初始测量和第二测量可各指示叶片顶端到一个或多个接近度传感器的距离。初始测量和第二测量可在涡轮运行时进行。

在某些实施例中，该系统可包括红外线高温计。在这种实施例中，红外线高温计可测量叶片的径向温度分布，并为控制系统提供径向温度分布数据。然后，控制系统可从径向温度分布数据中确定径向变形均匀或集中的程度。在某些实施例中，控制系统可配置成当已经确定存在预定水平的径向变形时产生并发送警报给涡轮操作员。

在某些实施例中，接近度传感器的数量可以是两个或更多个。在这种实施例中，控制系统可从两个或更多个接近度传感器所作的测量中确定转子位移。控制系统还可在做出叶片径向变形的判定时考虑转子位移。

在其它实施例中，接近度传感器的数量可以是一个。在这种实施例中，控制系统可利用一个或多个转子探头测量转子位移。控制系统还可在做出叶片径向变形的判定时考虑转子位移。

本申请可进一步描述了一种用于确定涡轮中的叶片轴向变形的方法，其包括：1)利用一个或多个围绕着叶片级周缘而设置的接近度传感器进行从涡轮外壳上的固定位置至叶片的距离的初始测量，该固定位置为如下三个固定位置中的其中一个位置，这三个固定位置是远离该叶片级的轴向位置的上游，远离该叶片级的轴向位置的下游，以及远离该叶片级轴向位置的上游和下游；2)在初始测量之后，利用一个或多个接近度传感器进行距离的第二测量；和3)通过比较初始测量和第二测量而做出叶片轴向变形的判定。初始测量和第二测量可各指示叶片侧面到一个或多个接近度传感器的距离。初始测量和第二测量可在涡轮运行时进行。

在某些实施例中，该方法还可包括如下步骤：1)测量叶片的径向温度分布；和2)从径向温度分布中确定轴向变形均匀或集中的程度。

本申请还描述了一种用于确定涡轮中的叶片轴向变形的系统，其包括：1)设置在围绕叶片级周缘的固定位置上的一个或多个接近度传感器，该固定位置为如下三个固定位置中的其中一个位置，这三个固定位置是远离该叶片级的轴向位置的上游，远离该叶片级的轴向位置的下游，以及远离该叶片级轴向位置的上游和下游；和2)从接近度传感器接受测量数据的控制系统。该控制系统可配置成通过比较由一个或多个接近度传感器所作的叶片的初始测量和第二测量而确定叶片的轴向变形。初始测量和第二测量可各指示叶片侧面到一个或多个接近度传感器的距离。初始测量和第二测量可在涡轮运行时进行。

在某些实施例中，该系统还可包括红外线高温计。这种红外线高温计可测量叶片的径向温度分布，并为控制系统提供径向温度分布数据。然后，控制系统可从径向温度分布数据中确定轴向变形均匀或集中的程度。

通过查看以下结合附图和所附权利要求所作的优选实施例的详细说明将明晰本申请的这些以及其它特征。

附图说明

图1是燃气涡轮的透视剖面图，其展示了其中可应用本发明的一个实施例的示范性涡轮。

图2是图1的燃气涡轮的横截面图，其展示了本发明的一个示范性实施例。

图3是图1的燃气涡轮的横截面图，其展示了根据本发明的一个示范性实施例的接近度传感器的周向布置。

图4是图1的燃气涡轮的横截面图，其展示了本发明的一个示范性实施例。

图5是图1的燃气涡轮的横截面图，其展示了本发明的一个示范性实施例。

部件列表：

2     燃气涡轮

4     压缩机

5     压缩机叶片

6     燃烧器

8     涡轮

9     涡轮叶片

10    隔膜

11    转子

12    涡轮外壳

20    叶片径向变形监测系统

22    接近度传感器

30    叶片轴向变形监测系统

32    上游接近度传感器

34    下游接近度传感器

40    红外线高温计

具体实施方式

目前已经开发出一种精确可靠地，并且以相对低廉的成本实时地，即在燃气涡轮运行时测量涡轮叶片变形的技术。现在参看图1，其显示了在其中可应用本发明的示范性实施例的典型的燃气涡轮2。虽然图1显示了燃气涡轮，但是应该懂得本发明还可用于蒸气涡轮。如图所示，燃气涡轮2可包括压缩机4，其可包括若干级压缩机叶片5，压缩机4压缩工作流体，即空气。燃气涡轮2可包括燃烧器6，其燃烧燃料并压缩空气。燃气涡轮2还可包括涡轮8，其包括若干级翼面或涡轮叶片9，叶片将来自膨胀的热燃气的能量转换成旋转的机械能量。如此处所用术语“叶片”将用来指压缩机叶片或涡轮叶片。涡轮8还可包括隔膜10，如图2中所示，其是将热气流引导到涡轮叶片9上的固定部件。燃气涡轮2可包括转子11，压缩机叶片5和涡轮叶片9安装在转子11上。涡轮外壳12可封闭燃气涡轮2。

如图2中所示，根据本发明的叶片径向变形监测系统20可包括一个或多个接近度传感器22，它们围绕单级压缩机叶片5或涡轮叶片9的周缘而间隔开。具体地说，接近度传感器22可安装在涡轮外壳10中，使得接近度传感器22面向压缩机叶片级5，或者如图所示，从外部的径向位置面向涡轮叶片级9。通过这种方式，不管情况如何，接近度传感器22都可测量从接近度传感器22到压缩机叶片5或涡轮叶片9的顶端的距离。在某些实施例中，接近度传感器22可以是涡电流传感器、电容传感器、微波传感器、激光传感器或另一相似类型的装置。

通过传统方法，传感器可连接在控制系统(未显示)上，其可接收、存储并基于接近度传感器22所获得的接近度数据而进行计算。控制系统可包括任何合适的大功率固态开关装置。控制系统可以是计算机；然而，这仅仅是属于本申请范围内的一个合适的大功率控制系统的示例。例如，但决不作为限制，控制系统可包括可控硅整流器(SCR)、晶闸管、MOS控制的晶闸管(MCT)和绝缘栅双极型晶体管中的至少一个。控制系统还可作为单个专用集成电路，例如ASIC而实现，其具有用于整体的、系统水平控制的主或中央处理器部分，以及专用于在中央处理器部分的控制下执行各种不同的特定组合、功能和其它过程的独立部分。本领域中的技术人员应该懂得控制系统还可利用各种单独的专用或可编程的集成电路或其它电子电路或装置来实现，例如硬布线的电子或逻辑电路，其包括分立元件电路或可编程逻辑装置，例如PLDs、PALs、PLAs等等。控制系统还可利用合适的预编程通用计算机来实现，例如微处理器或微控制器或其它处理器装置，例如单独的或与一个或多个周边数据和信号处理装置一起的CPU或MPU。

在使用时，叶片径向变形监测系统20可运行如下。虽然这个运行示例将涉及测量涡轮叶片9的变形，但是普通技术人员应该认识到相同的通用操作方法可应用于压缩机叶片5。接近度传感器22在燃气涡轮2的起动期间可进行各涡轮叶片9的初始测量。如本领域中的普通技术人员应该理解的，各叶片的表面差异可通过由接近度传感器22所测量的分布而为控制系统识别各个具体的叶片。具体地说，各叶片的细微的表面差异可容许控制系统识别单独的叶片，并从而跟踪各单独叶片的变形。初始测量可指示各涡轮叶片9的初始长度。这可通过已知的转子11的尺寸和位置以及从接近度传感器22到各涡轮叶片9的顶端所测量的距离来确定。也就是说，从这两个值中可计算出涡轮叶片9的长度。初始测量数据可存储在控制系统中。

在燃气涡轮2运行时，可进行后续的或第二测量。这些测量可周期性地进行，例如，它们可每秒或每分钟或每小时或经过某些更长的周期进行。第二测量可指示各涡轮叶片9在测量时的长度。同样，这个长度可通过已知的转子的尺寸和位置以及从接近度传感器22到涡轮叶片9的顶端所测量的距离来确定。从这两个值可计算出涡轮叶片9的长度。第二测量数据可存储在控制系统中。

控制系统可处理测量数据以确定涡轮叶片9是否已经在径向方向上变形，即涡轮叶片在使用期间是否已经“被拉长”。具体地说，控制系统可将第二测量与初始测量进行比较，以确定已经发生的变形或蠕变的量。控制系统可预编程以便一旦变形达到某一水平即警告涡轮操作员。例如，控制系统可为某个计算机终端提供闪光警报，给涡轮操作员发送电子邮件或传呼(page)，或使用某些其它方法来警告涡轮操作员。当变形水平指示涡轮叶片9接近或处于其使用寿命终点时，可发送这种警报。这时，可从燃气涡轮2中拔出涡轮叶片9，并进行修理或更换。

如上所述，叶片径向变形监测系统20可包括一个或多个接近度传感器22。如图3中所示，叶片径向变形监测系统20可包括围绕叶片周缘而均匀地间隔开的三个接近度传感器22；但是本领域中的普通技术人员应该认识到可使用更多或更少的接近度传感器20。具有多个传感器的优势是，在计算实际的叶片变形或蠕变时可确定并考虑转子11在外壳12中的相对位置。本领域中的普通技术人员应该懂得，转子相对于涡轮外壳12的相对位置会由于转子下垂、轴承运动、涡轮外壳不圆以及其它问题而发生变化。如果不通过若干个接近度传感器22考虑到这种位移，其可能被认为是叶片变形。因而，可归因于转子运动的叶片的位移可被虑及以确定实际的叶片变形。例如，在图3所示的三个传感器的情况下，测量数据可能指示，对于其中一个接近度传感器22而言，其中一个叶片已经拉长了，而对于另两个接近度传感器22而言，该叶片已经收缩了。这些结果指示转子在外壳中已经朝着接近度传感器22移动，这显示了拉长。按传统方法，在给定三个测量值的情况下，控制系统可使用算法确定转子位移。这样，控制系统可消除转子位移以确定各叶片的实际径向变形。

如上所述，在某些实施例中，可只使用一个接近度传感器22。在这种系统中，使用传统的转子探头，例如Bently探头来确定转子位置可能是有利的。转子探头可定位在转子上的任何点上，并可实时测量转子的实际径向位置。如上所述，本领域中的技术人员应该懂得，转子可能在运行期间径向移动。如果没有考虑实际的转子定位，这个位移可能看起来像叶片的变形。如果另一方面，通过转子探头计算实际的转子位移，那么控制系统可计算实际的叶片变形。

在某些实施例中，接近度传感器22可定位成使得它们测量轴向变形。如图4中所示，这可通过将接近度传感器22放置在某个位置上，使得它们从位于叶片轴向位置的上游或前面的某个位置或从位于叶片轴向位置的下游或后面的某个位置观测叶片来完成(即，接近度传感器并不向下，而是从某个角度位置观测叶片级)。因而，叶片轴向变形监测系统30可在围绕叶片级周缘一个或多个位置包括上游接近度传感器32，下游接近度传感器34，或两者均包括。上游接近度传感器32可测量从涡轮外壳12中固定的上游位置到叶片侧面的距离。类似地，下游接近度传感器34可测量从涡轮外壳12中固定的下游位置到叶片侧面的距离。因而，在叶片的上游或下游方向上的任何轴向变形可通过检查由上游接近度传感器32，下游接近度传感器34或两者所进行的连续测量而确定。

类似于叶片径向变形监测系统20，使多个接近度传感器22围绕叶片级周缘而间隔开对叶片轴向变形监测系统30可能是有利的。具有多个传感器的优势是，在确定实际的叶片轴向变形时可确定并考虑转子的相对位置。

如图5中所示，在某些实施例中，叶片径向变形监测系统20和/或叶片轴向变形监测系统30可利用传统的红外线高温计40进行增大，红外线高温计40提供各叶片的径向温度分布。用于这种实施例的红外线高温计可以是任何传统的红外线高温计或相似装置。在使用中，红外线高温计40可测量各叶片在运行期间的径向温度分布。控制系统可为各叶片跟踪由接近度传感器22测量的径向蠕变和/或由上游接近度传感器32测量的轴向蠕变，以及径向温度分布。径向温度分布将容许控制系统确定是否有任何叶片在运行期间形成了“热点”(即，温度升高的区域)。利用这个信息，控制系统可确定是否有更大百分比的所测量的轴向或径向蠕变可归因于与该热点重合的叶片区域，因为温度升高的区域以更快的速率发生变形或蠕变。本领域中的普通技术人员应该懂得，蠕变在整个叶片上是否均匀或集中会影响预期的部件寿命。因而，如果确定由于所测量的热点，叶片可能经受集中的蠕变或变形，那么部件的预期寿命将降低。另一方面，如果确定由于不存在任何热点，叶片可能经受均匀的蠕变，那么部件的预期寿命将不会下降。通过这种方式，可避免由于集中蠕变引起的故障。

从本发明的优选实施例的上述细节描述中，本领域中的技术人员将想到改进、变型和改型。所附权利要求意图覆盖这种本技术领域中的改进、变型和改型。此外，明显的是前述仅涉及本申请的所述实施例，并且在不脱离由以下权利要求和其等效物所限定的本申请的精神和范围的情况下，在此处可实现许多变型和改型。

Claims (8)

1.一种用于确定涡轮中的叶片的轴向变形的方法，所述方法包括如下步骤：

利用设置在叶片的级的周缘周围的一个或多个接近度传感器进行从涡轮壳体上的固定位置到所述叶片的距离的初始测量，所述固定位置为如下位置的其中一个：所述叶片的级的轴向位置的上游、所述叶片的级的所述轴向位置的下游、以及所述叶片的级的所述轴向位置的上游和下游两者；

在所述初始测量之后，利用所述一个或多个接近度传感器进行所述距离的第二测量；以及

通过将所述初始测量与所述第二测量进行比较做出所述叶片的轴向变形的判定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述初始测量和所述第二测量各指示从所述叶片的侧面到所述一个或多个接近度传感器的距离。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述涡轮运行的同时进行所述初始测量和所述第二测量。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法还包括如下步骤：

测量所述叶片的径向温度分布；和

从所述径向温度分布确定所述轴向变形均匀或集中的程度。

5.一种用于确定涡轮中的叶片的轴向变形的系统，所述系统包括：

围绕着叶片的级的周缘而设置在固定位置处的一个或多个接近度传感器，所述固定位置为如下位置的其中一个：所述叶片的级的轴向位置的上游、所述叶片的级的所述轴向位置的下游、以及所述叶片的级的所述轴向位置的上游和下游两者；和

接收来自所述接近度传感器的测量数据的控制系统；

其中所述控制系统配置成通过将由所述一个或多个接近度传感器进行的所述叶片的初始测量与所述第二测量进行比较而确定所述叶片的轴向变形。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于所述初始测量和所述第二测量各指示从所述叶片的一侧到所述一个或多个接近度传感器的距离。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于在所述涡轮运行的同时进行所述初始测量和所述第二测量。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于所述系统还包括红外线高温计；

其中所述红外线高温计测量所述叶片的径向温度分布，并为所述控制系统提供径向温度分布数据；

其中所述控制系统从所述径向温度分布数据确定所述轴向变形均匀或集中的程度。

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