CN102183291A - 用于测量涡轮叶片振动响应的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的某些实施例可包括用于测量涡轮叶片振动响应的系统和方法。根据本发明的实例实施例，提供一种用于测量多个涡轮叶片(106)的振动响应的方法。该方法可包括安装光学探针(114)，该光学探针具有至少一个探针针尖光学表面(212)，其中该至少一个探针针尖光学表面(212)相对于多个涡轮叶片(106)中至少一个的尾缘表面在约+15或约-15度内基本上平行，将光导向多个涡轮叶片(106)中至少一个的尾缘表面，从多个涡轮叶片(106)中的该至少一个接收反射光，并且至少部分地基于该反射光来确定多个叶片(106)中的该至少一个的相对位置。

Description

用于测量涡轮叶片振动响应的系统和方法

技术领域

本发明大体而言涉及燃气涡轮，且更特定而言涉及用于测量涡轮叶片振动响应的系统和方法。

背景技术

燃气涡轮通常包含绕转子周围布置的多个涡轮叶片。在燃气涡轮操作期间，在相关联涡轮燃烧室中产生的膨胀气体在叶片上赋予力以转动该转子。所造成的旋转能又可经由附连到转子的发电机而转变成电力。

某些涡轮包含多行独立式叶片，其并不与相邻叶片接触或者由相邻叶片支承，且这些独立式叶片可由于过度振动而损坏，过度振动是由于动态条件造成，诸如流动引致振动、燃烧动态和喷嘴作用。因此需要监视叶片振动从而可避免涡轮故障。用于测量叶片振动的常规方法包括使用附连到叶片的应变计。但是，这样的监视方法通常很复杂且昂贵，这归因于在固定构件与旋转构件之间的电连接。用于在操作期间测量叶片振动响应的其它常规方法包括安装到叶片护罩的电容探针、磁性探针或光学探针，其用于在叶片顶端经过探针时测量它们。但是，这些叶片顶端测量技术中的许多技术具有有限效用，因为它们并不直接测量在叶片边缘的扭转振动和其它振动。

虽已尝试了用于测量涡轮叶片的振动响应的其它方法，但涡轮内的不利环境可成为困难挑战。在涡轮燃烧室内的相对较高的温度通常达到或超过1200华氏度(649摄氏度)，这高于许多传感器材料的熔点。而且，燃烧副产物和废气可污染传感器构件。

举例而言，镜面放置于一行涡轮叶片尾缘附近的光学探针端部以垂直于涡轮叶片尾缘表面导向激光。由涡轮叶片反射的光然后由相同镜面重导向回到检测器，检测器可驻留在涡轮的不利环境外部。在此情况下，镜面能以相对于竖直方向或水平方向成锐角将激光导向到废气框架(exhaust frame)内，而光路径可由镜面修改使得其垂直地入射到尾叶片边缘表面上。从尾叶片边缘反射的光然后可由镜面沿着光路径重导向到检测器。这种办法的一个问题在于涡轮废气可包含未燃尽燃料、残留燃烧化学种类和可造成光学探针或镜面随时间变脏的其它碎屑，由此减弱了确定叶片振动响应所需的信号。由于有限的可接近性，在此配置中，清洁光学元件和镜面可较为困难。

因此，仍存在对于测量涡轮叶片振动响应的改进的系统和方法的需要。

发明内容

可由本发明的某些实施例来解决上述需要中的某些或所有需要。本发明的某些实施例可包括用于测量涡轮叶片振动响应的系统和方法。本发明的其它实施例可包括用于在涡轮操作期间测量涡轮叶片振动响应的系统和方法。本发明的另外的实施例可包括可清洁的涡轮叶片尾缘光学探针。

根据本发明的实例实施例，提供一种用于测量多个涡轮叶片的振动响应的方法。该方法可包括安装光学探针，该光学探针包括至少一个探针针尖光学表面，其中该至少一个探针针尖光学表面相对于多个涡轮叶片中至少一个的尾缘在约+15度或约-15度内基本上平行，将光导向多个涡轮叶片中至少一个的尾缘表面，从多个涡轮叶片中的这至少一个接收反射光，以及，至少部分地基于反射光确定多个涡轮叶片中的这至少一个的相对位置。

根据另一实例实施例，提供一种燃气涡轮系统。该燃气涡轮系统可包括：压缩机、燃烧室、多个涡轮叶片和光学探针，该光学探针包括至少一个光学探针针尖表面。该光学探针可通过操作将光导向至多个涡轮叶片中至少一个的尾缘表面，且进一步通过操作以接收从多个涡轮叶片中至少一个的尾缘表面反射的光，其中该至少一个探针针尖光学表面基本上平行于多个涡轮叶片中至少一个的尾缘表面。

根据另一实例实施例，提供一种用于在涡轮操作期间测量多个涡轮叶片的振动响应的设备。该设备可包括光学探针。该光学探针可包括一个或多个相关联的探针针尖光学表面，探针针尖光学表面基本上平行于多个涡轮叶片的至少一个的尾缘表面定位。光学探针还可包括：至少一个波导内孔，其包括至少一个传输光学纤维和至少一个接收光学纤维；至少一个空气内孔，其被配置成传输增压空气通过光学探针；以及，针尖，其包括至少一个针尖空气内孔，针尖空气内孔与至少一个空气内孔连通且被配置成冷却光学纤维和从一个或多个相关联的探针针尖光学表面净化碎屑。

本发明的其它实施例和方面在本文中详细地描述，且被认为是所要求保护的发明的一部分。可参考下文的发明详述、附图和所附权利要求来了解其它实施例和方面。

附图说明

现将参考所附图表，其未必按照比例绘制，且其中：

图1是根据本发明的示范性实施例的说明性燃气涡轮系统的方块图。

图2是根据本发明的示范性实施例的说明性光学探针的透视图。

图3是根据本发明的示范性实施例的说明性光学探针的侧视截面图。

图4是根据本发明的示范性实施例的示范性方法的流程图。

部件列表：

100燃气涡轮系统

102压缩机

104燃烧室

106涡轮叶片

108转子

110废气框架

112扩散器

114光学探针

118套筒

122锐角

124探针的第一端

126探针的第二端

128纵向轴线

130转子轴线

132叶片尾缘表面法线

200探针针尖组件

202主管

204接箍

206针尖

208固定螺钉孔口(可选的)

210空气孔

212光学表面

301波导和空气内孔

302光学纤维管

304传输纤维

306接收纤维

308空气内孔

310纤维端部与针尖空隙

312压配接口

314螺纹固定螺钉内孔(可选的)

316弯曲半径

318光学纤维和管内孔

320光学纤维和管的第一端

322针尖的第一端

324针尖的第二端

326接箍针尖内孔

327针尖主体空气内孔

328针尖端部空气内孔

330针尖轴线

332针尖出口孔口

具体实施方式

将参看附图在下文中更全面地描述本发明的实施例，在附图中示出了本发明的实施例。但本发明可以许多不同形式实施且不应被认为限于本文所述的实施例；而是，提供这些实施例使得本公开内容全面且完整，且将向本领域技术人员全面传达本发明的范围。相似的附图标记在全文中指代相似元件。如在本文全文中所用的用语“示范性”被定义为表示“实例”。

本发明的某些实施例能在涡轮操作期间测量涡轮叶片振动。根据本发明的某些示范性实施例，光学探针可用于确定涡轮叶片尾缘的一部分何时经过光学探针的针尖。光学探针可利用强制空气来从探针光学表面净化污物和燃烧污染物，同时冷却探针内的光学构件。本发明的某些实施例还允许在燃气涡轮的操作循环之间清洁探针。

根据本发明的示范性实施例，激光可从激光源通过传输光学纤维而传输到经过的涡轮叶片的尾缘。根据示范性实施例，传输光学纤维可为单模光学纤维。自每个涡轮叶片的反射激光可由接收光学纤维接收。接收光学纤维(例如)可为多模光学纤维。所接收的光可穿过该接收光学纤维到光学检测器用于转变成电信号，电信号可由处理器数字化以确定每个经过涡轮叶片的到达时间。根据示范性实施例，然后可处理定时数据以计算每个涡轮叶片的振动响应。

为了克服与清洁光学探针的光学表面相关联的问题，提供一种探针针尖。根据示范性实施例，直径约0.125英寸(3.175mm)的光学元件可靠近探针针尖弯曲约45度且延伸到尽可能靠近探针针尖，但仍受到探针针尖保护。在示范性实施例中，光学元件可从探针针尖端部凹入约1微米至1mm。检修孔可设于涡轮框架内以允许人使用小型工具在完成每次循环后对光学器件进行清洁。

由于尾缘探针的大部分经受废气和接近1,200°F(649摄氏度)的温度，光学元件必须能在整个测试循环期间承受热长的时段。因此，根据本发明的示范性实施例，可供应高压冷却空气以流经该主体且从探针针尖出来以冷却整个探针。根据示范性实施例，高压冷却空气可从约每平方英寸150磅(psi)(1.03MPa)增压到约250psi(1.72MPa)。根据本发明的示范性实施例，探针针尖可包括多个空气净化孔使得在针尖的流动被堵住以在操作期间最大化对光学元件表面的净化和清洁。利用净化与手动清洁的组合，光学元件可保持清洁和可操作的。

本发明的另一方面在于光学探针使得能在涡轮叶片的边缘进行振动测量，而常规叶片针尖探针并不提供到叶片边缘的接近。而且，本发明的另一方面在于其提供探测光相对于叶片边缘表面的接近法线入射和反射，从而提供高光学效率。

现将参看附图来描述根据本发明的示范性实例用于便于测量涡轮叶片、用于冷却光学探针和用于清洁该探针的光学表面的各种系统构件。

图1示出示范性燃气涡轮系统100。根据本发明的示范性实施例，燃气涡轮系统100可包括压缩机102、燃烧室104和附连到转子108的多个涡轮叶片106。压缩空气和气体可从压缩机102导向至燃烧室104，在燃烧室104中，其可被点燃。所得燃烧气体可迫使成角度涡轮叶片106经过以使转子108绕转子轴线130旋转。在经过涡轮叶片106之后，废气可经由废气框架110和扩散器112导向至废气端口。

根据本发明的示范性实施例，光学探针114可以锐角122突伸穿过废气框架110和扩散器112中适当大小的孔。各种套筒118可便于将光学探针114安装到废气框架和/或扩散器112上。光学探针114可具有第一端124、第二端126和纵向轴线128。光学探针114的纵向轴线128可相对于扩散器112和/或废气框架110成锐角122的角度以便于在沿着涡轮叶片106的长度所需位置探测涡轮叶片106的尾缘。在示范性实施例中，光学探针114的第一端124可位于距涡轮叶片106的尾缘约2至3厘米处。在其它示范性实施例中，光学探针114的第一端124可位于距涡轮叶片106的尾缘约1厘米至约10厘米范围内。

根据本发明的示范性实施例，光学探针114的第一端124可进一步成角度以基本上垂直于叶片132的尾缘表面的角度传输光至涡轮叶片106。光学探针114的第一端124也可接收从涡轮叶片106反射的光。

根据本发明的示范性实施例，光学探针的第二端126可通过操作以接受增压空气来冷却光学探针114。增压冷却空气可从光学探针114的第一端124出来使得从第一端出来的冷却空气净化或清洁光学探针114的光学表面。

图2是如图1所示且根据本发明的示范性实施例，对应于光学探针114的第一端124的探针针尖组件200的透视图。探针针尖组件200可包括主管202、接箍204、针尖206、可选的固定螺钉孔口208、空气孔210和光学表面212。根据本发明的示范性实施例，针尖206可相对于光学探针114的纵向轴线128成角度。接箍204可提供成角度的接合表面和孔口用于将针尖206附连到主管202上。固定螺钉可进入接箍204中的固定螺钉孔口208以将针尖206固定到接箍204上。根据本发明的示范性实施例，光学表面212可被多个空气孔210包围。

图3描绘了穿过由图2中的截面线3′所限定的截面的探针针尖组件200的示范性截面图。根据本发明的示范性实施例，探针针尖组件200可包括波导和空气内孔301，波导和空气内孔301可在主管202的整个长度上限定。光学纤维管302可插入到波导和空气内孔301内，且光学纤维管可延伸穿过从第二端126到第一端124的光学探针114的长度。根据本发明的示范性实施例，传输光学纤维304和接收光学纤维306可插入到光学纤维管302内。

根据本发明的示范性实施例，光学纤维和管320的第一端可略微凹入于第一端针尖322内以提供约1微米至约1毫米的纤维端部与针尖空隙310以保护传输光学纤维304和接收光学纤维306的端部。纤维端部与针尖空隙310也可允许清洁传输光学纤维304与接收光学纤维306的端部的光学表面212而无损光学纤维304、306。

根据本发明的示范性实施例，波导与空气内孔301还可限定空气内孔308，空气内孔308允许净化空气从光学探针114的第一端124传递到第二端126。净化空气可用于冷却光学纤维304、306和从光学表面212净化废气和燃烧碎屑的双重目的。根据示范性实施例，空气内孔308可继续穿过接箍204，且空气内孔308可与针尖主体空气内孔327连通。针尖主体空气内孔327可与多个针尖端部空气内孔328连通。多个针尖端部空气内孔328可限定在针尖324的第二端的空气孔210，且多个针尖端部空气内孔328可朝向针尖轴线330成约30度至约60度的角以将空气导向至针尖出口孔口332。

图3描绘了根据本发明的示范性实施例的探针组件针尖200的额外特点。举例而言，光学纤维管302、传输纤维304和接收纤维306可经历弯曲半径316以进入光学纤维与管内孔318内的成角度的针尖206。弯曲半径316可足够大使得光学纤维304、306并不遭受明显弯曲损失。根据本发明的示范性实施例，接箍204可以一定角度压配或焊接到主管202上，以便于涡轮叶片的接近法线光入射。

根据本发明的示范性实施例，探针针尖组件200可有利地通过以下步骤而组装：将光学纤维304、306和光学纤维管件302穿过主管202插入到光学探针的第一端124，之后将针尖206插入到接箍针尖内孔326内。光学纤维304、306和光学纤维管件302然后可谨慎地螺纹接合到光学纤维和管内孔318内，且可通过在光学纤维与管320的第一端或附近限定逐渐更窄的光学纤维与管内孔318而控制纤维端部与针尖空隙310。一旦光学纤维304、306和光学纤维管件302适当地插入到光学纤维和管内孔318内，针尖206可插入到接箍针尖内孔内以在压配接口312做出贴合的装配。

根据本发明的示范性实施例，可通过将固定螺钉插入到可选的固定螺钉孔口208内而将针尖206固定到接箍204。固定螺钉可被螺纹接合且螺纹可与螺纹固定螺钉内孔314配合。通过拧紧固定螺钉，针尖206可被固定到接箍204上。

根据本发明的示范性实施例，光学探针114可包括针尖出口孔口332，针尖出口孔口332与光学纤维和管内孔318连通。针尖出口孔口318可允许光从传输纤维304出来，从涡轮叶片106反射且由接收纤维304接收。根据示范性实施例，涡轮叶片106可选择性地被涂刷(例如)

涂层，氧化铝基材料或其它合适涂层以增强涡轮叶片106的反射率。

根据本发明的示范性实施例，传输纤维304可为单模纤维，且耦合到传输纤维304内的光可包括在近红外或可见范围的波长。举例而言，激光二极管可用于将光耦合到传输纤维304内，且激光二极管可产生波长范围约650nm至约850nm的光。根据本发明的示范性实施例，接收光学纤维306可包括多模纤维，其具有大的有效数值孔径用于接受反射光。在本发明的其它示范性实施例中，多个接收光学纤维306可用于增强所反射光的信号强度。在其它示范性实施例中，小型透镜(例如，渐变折射率(GRIN)透镜)可装配于传输光学纤维304和/或接收光学纤维306的端部以帮助聚焦由传输纤维305所传输的光和/或增加该接收光学纤维306的接受角。

现将参考图4的流程图来描述用于确定涡轮叶片106的相对位置和振动响应的示范性方法400。该方法400始于方块402。在方块404中且根据本发明的示范性实施例，可安装光学探针。光学探针可包括至少一个探针针尖光学表面，其中至少一个探针针尖表面相对于多个涡轮叶片中至少一个的尾缘表面在约+15至约-15度内基本上平行。在方块406中且根据示范性实施例，将光导向至多个涡轮叶片中至少一个的尾缘表面。在方块408中且根据示范性实施例，可从多个涡轮叶片中至少一个接收反射光。在方块410中且根据示范性实施例，至少部分地基于反射光来确定多个涡轮叶片中至少一个的相对位置。该方法400止于方块412。

因此，本发明的示范性实施例可提供形成基于从涡轮叶片106的反射光来确定多个涡轮叶片106中至少一个的相对位置的某些系统和方法的技术效果。本发明的示范性实施例可提供另外的技术效果：提供用于确定涡轮叶片106的振动响应的系统和方法。本发明的示范性实施例可提供另外的技术效果：提供用于在涡轮操作期间冷却光学纤维与构件的系统和方法，以保持构件免于被热损坏，且同时从探针光学表面净化碎屑。本发明的示范性实施例可提供另外的技术效果：提供用于清洁探针光学表面的系统和方法。

根据需要，本发明的实施例可包括具有图1、图2和图3所示的或多或少的构件的燃气涡轮系统100和探针针尖组件200。

虽然结合目前被认为是最实用且多样的实施例描述了本发明，但应了解本发明并不限于所公开的实施例，而是本发明预期涵盖包括于所附权利要求的范畴内的各种修改和等效布置。尽管在本文中采用了特定用语，但它们只是以一般且描述性的意义使用且并不用于限制目的。

本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳实施方式，且也能使本领域技术人员实践本发明，包括做出和使用任何装置或系统和执行任何合并的方法。专利保护范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质不同的等效结构元件，那么其它实例预期在权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于测量多个涡轮叶片(106)的振动响应的方法，所述方法的特征在于：

安装光学探针(114)，所述光学探针(114)具有至少一个探针针尖光学表面(212)，其中，所述至少一个探针针尖光学表面(212)相对于所述多个涡轮叶片(106)中至少一个的尾缘表面在约+15度至约-15度内基本上平行；

将光导向所述多个涡轮叶片(106)中至少一个的尾缘表面；

从所述多个涡轮叶片(106)中的所述至少一个接收反射光；以及

至少部分地基于所述反射光来确定所述多个涡轮叶片(106)中的所述至少一个的相对位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，传输压缩空气通过所述光学探针(114)的相关联的针尖(206)，以便冷却相关联的光学纤维(304，306)且从所述至少一个探针针尖光学表面(212)净化碎屑。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过向所述尾缘表面施加耐热反射性材料来增强所述多个涡轮叶片(106)中的所述至少一个的尾缘表面的光学反射率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学探针(114)还包括至少一个波导内孔(301)，所述至少一个波导内孔(301)在所述光学探针(114)中从所述第一端(124)延伸到所述第二端(126)，所述波导内孔(301)被配置成接收光学纤维管(302)，且所述光学纤维管(302)可通过操作以接纳传输光学纤维(304)和接收光学纤维(306)。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学探针(114)还包括：

接箍(204)，其以锐角(122)定位到光学探针的第一端(124)；

穿过波导内孔(301)和针尖(206)的光学纤维和管孔口(318)安装的多个光学纤维(304，306)和管(302)；并且

所述针尖(206)安装到所述接箍(204)上。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过加热所述接箍(204)以便邻近所述接箍(20)压配针尖(206)而将所述针尖(206)安装到所述接箍(204)上。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，穿过波导内孔(301)和针尖(206)的光学纤维和管孔口(318)安装的所述多个光学纤维(304，306)和管(302)包括插入至距离针尖(206)的第一端(322)约1微米至约1毫米的多个光学纤维(304，306)和管(302)。

8.一种燃气涡轮系统，其特征在于：

压缩机(102)；

燃烧室(104)；

多个涡轮叶片(106)；以及

光学探针(114)，所述光学探针(114)具有至少一个探针针尖光学表面(212)，所述光学探针(114)可通过操作将光导向所述多个涡轮叶片(106)中至少一个的尾缘表面，且所述光学探针可进一步通过操作以接收从所述多个涡轮叶片(106)中至少一个的尾缘表面反射的光，所述至少一个探针针尖光学表面(212)基本上平行于所述多个涡轮叶片(106)中的所述至少一个的尾缘表面。

9.根据权利要求8所述的燃气涡轮系统，其特征在于，空气内孔(308)延伸穿过所述光学探针(114)且与针尖空气内孔(328)和一个或多个空气孔(210)连通，以便冷却光学纤维(304，306)且从所述至少一个探针针尖光学表面(212)净化碎屑。

10.根据权利要求9所述的燃气涡轮系统，其特征在于，所述一个或多个空气孔(210)以约30度至约60度朝向所述针尖轴线(330)成角度。

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