CN102565286A - 用于检测发动机的燃烧器中材料缺陷的方法、系统和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于检测发动机的燃烧器中材料缺陷的方法、系统和设备。一种用于在燃气轮机发动机运行时检测燃气轮机发动机的燃烧系统的燃烧管道中的缺陷的系统，其中，燃烧管道包括暴露于燃烧气体的热侧和与热侧相反的冷侧。该系统可包括：设置在燃烧管道的外表面上的指示涂层，指示涂层包含可检测物质；以及定位在燃烧器的下游的气体传感器，气体传感器构造成测量燃气轮机发动机的燃烧产物中的可检测物质的量。

Description

用于检测发动机的燃烧器中材料缺陷的方法、系统和设备
技术领域
本申请大体涉及用于检测可发生在工业制造过程、发动机或类似的系统中的缺陷(包括表面缺陷)的方法、系统和设备。更具体而言，但不作为限制，本申请涉及关于形成于暴露于燃气轮机发动机的热气的构件(例如在燃烧器中找到的那些)上的缺陷的检测的方法、系统和设备。
背景技术
在运行中，一般而言，燃气轮机发动机可燃烧燃料与由压缩机供应的压缩空气。如本文所用，以及除非另有具体地说明，燃气轮机发动机意味着包括所有类型的涡轮或旋转式燃烧发动机，包括燃气轮机发动机，航空器发动机等。典型地称为工作流体的产生的热气流通过发动机的涡轮区段而膨胀。工作流体与涡轮区段的转子叶片的相互作用引起涡轮轴的旋转。照这样，燃料中含有的能量转换成旋转轴的机械能，例如，然后该机械能可用来使压缩机的转子叶片旋转，使得产生燃烧所需的压缩空气的供应，并且该机械能可用来使发电机的线圈旋转，使得产生电功率。在运行期间，将理解，暴露于热气路径的构件变得受极端的机械载荷和热载荷的高度压迫。这归因于工作流体的极端温度和速度以及涡轮的旋转速度。因为较高的燃烧温度对应于较高效的热力发动机，所以技术正不断推进在这些应用中使用的材料的极限。
不管是由于极度温度、机械载荷或是由于两者的组合的原因，构件失效仍然是燃气轮机发动机中的重大顾虑。大部分失效均可追溯到材料疲劳，这典型地由裂纹传播的开始所预警。更具体而言，由材料疲劳引起的裂纹的形成仍然是关于构件已经达到其使用寿命的极限且可能接近失效的主要指标。检测裂纹的形成的能力仍然是重要的工业目标，尤其是考虑到单个构件的失效可引起的灾难性损害时。这种失效事件可引起损坏下游系统和构件的连锁反应，这需要昂贵的修理和漫长的被迫停机。
其中可延长热气路径构件的使用寿命的一种方式是通过使用保护涂层，例如隔热涂层。大体上，用这些涂层来覆盖暴露的表面，并且涂层针对热气路径的最极端温度隔离构件。但是，如本领域普通技术人员将理解的那样，这些类型的涂层在使用期间会磨损或碎裂，这是典型地称为“涂层剥落”或“剥落”过程。剥落可导致在受影响的构件的表面上的离散区域或斑块处形成或发展未涂覆的或暴露的区域。这些未受保护的区域经历较高的温度，以及因而，经受更迅速的退化，包括过早形成疲劳裂纹和其它缺陷。在燃气轮机发动机中，涂层剥落对于涡轮转子叶片和燃烧器内的构件(例如衬套和过渡件)是特别的顾虑。及早检测到涂层剥落可允许操作员在构件由于热应变提高而变得完全受损或涡轮被迫停机之前采取修正行动。
虽然燃气轮机发动机的操作员想要避免使用在运行期间有失效的风险的磨损的或受到损害的构件，但是他们也有在它们的使用寿命用尽之前不过早地更换构件的竞争性利益。也就是说，操作员想要用尽各个构件的使用寿命，从而最大程度降低零件成本，同时也减小为了更换部件而进行的发动机停机的频率。因此，发动机构件中的精确的裂纹检测和/或涂层剥落是重要的工业需求。但是，传统的方法一般需要经常地对部件进行目视检查。虽然是有用的，但是目视检查既是耗时的，而且又需要发动机停机一段延长的时期。
在发动机运行时针对裂纹的形成和保护涂层的剥落而监测热气路径中的构件的能力仍然是长久以来的需求。所需要的是这样的系统：通过该系统，可在发动机运行时监测裂纹形成和剥落，使得可在失效事件发生或获得重大的构件损害之前采取必要的措施。这种系统还可延长构件的寿命，因为部件更换的需要可以实际的实测磨损而非所预期的为基础。另外，这种系统将减小执行要求使发动机停机的评估(例如目视检查)的需要或频率。到可以成本有效的方式实现这些目标的程度，将提高效率，并且工业需求将是高的。
发明内容
因而，本发明描述了一种用于在燃气轮机发动机运行时检测燃气轮机发动机的燃烧系统的燃烧管道中的缺陷的系统，其中，燃烧管道包括暴露于燃烧气体的热侧和与热侧相反的冷侧。该系统可包括：设置在燃烧管道的外表面上的指示涂层，指示涂层包含可检测物质；以及定位在燃烧器的下游的气体传感器，气体传感器构造成测量燃气轮机发动机的燃烧产物中的可检测物质的量。
本发明进一步包括一种用于在燃气轮机发动机运行时检测燃气轮机发动机的燃烧系统的燃烧管道中的缺陷的方法，其中，燃烧管道包括暴露于燃烧气体的热侧和与热侧相反的冷侧。该方法可包括以下步骤：用指示涂层涂覆过渡件的冷侧，指示涂层包含可检测物质；将气体传感器定位在燃烧器的下游，气体传感器构造成测量燃气轮机发动机的燃烧产物中的可检测物质的量；以及使用气体传感器来确定燃气轮机发动机的燃烧产物中的可检测物质的量。
在审阅结合附图和所附权利要求得到的优选实施例的以下详细描述之后，本申请的这些和其它特征将变得显而易见。
附图说明
通过仔细研究结合附图得到的本发明的示例性实施例的以下更详细的描述，将更加完全地明白和理解本发明的这些和其它特征，其中：
图1是其中可使用本申请的实施例的一个示例性涡轮发动机的示意图；
图2是可用于图1的燃气轮机发动机中的一个示例性压缩机的截面图；
图3是可用于图1的燃气轮机发动机中的一个示例性涡轮的截面图；
图4是可用于图1的燃气轮机发动机中以及其中可采用本发明的一个示例性燃烧器的截面图；
图5是其中可采用本发明的实施例的一个示例性燃烧器的透视剖面图；
图6示出了过渡件和根据本发明的一个示例性实施例的用于监测材料缺陷的系统的截面图；
图7示出了其可根据本发明的一个实施例来检测缺陷时的图6的系统；
图8示出了过渡件和根据本发明的一个备选实施例的用于监测材料缺陷的系统的截面图；
图9示出了其可根据本发明的一个实施例来检测缺陷时的图8的系统；
图10示出了过渡件和根据本发明的一个备选实施例的用于监测材料缺陷的系统的截面图；
图11示出了用于燃气轮机发动机的烟囱和根据图10的实施例的检测器的示意图；以及
图12示出了其可根据本发明的一个实施例来检测缺陷时的图10和11的系统。
具体实施方式
现在参看附图，图1示出了其中可采用本发明的实施例的燃气轮机发动机100的示意图。大体上，燃气轮机发动机通过从燃料在压缩空气流中燃烧所产生的加压热气流中抽取能量来运行。如图1中示出的那样，燃气轮机发动机100可构造有轴向压缩机106和燃烧系统112，轴向压缩机106通过公共的轴或转子来以机械的方式联接到下游涡轮区段或涡轮110上，如所显示的那样，燃烧系统112是定位在压缩机106和涡轮110之间的筒形燃烧器。
图2示出了可用于燃气轮机发动机100中的轴向压缩机106的视图。如所显示的那样，压缩机106可包括多个级。各个级均可包括压缩机转子叶片120排，后面是压缩机定子叶片122排。因而，第一级可包括绕着中心轴旋转的压缩机转子叶片120排，后面是在运行期间保持固定的压缩机定子叶片122排。压缩机定子叶片122彼此大体沿周向隔开，并且固定在旋转轴线的周围。压缩机转子叶片120在转子的轴线的周围沿周向隔开，并且在运行期间绕着轴旋转。如本领域普通技术人员将理解的那样，压缩机转子叶片120构造成使得当绕着轴旋转时，它们对流过压缩机106的空气或工作流体施加动能。如本领域普通技术人员将理解的那样，除了图2中示出的级之外，压缩机106可具有许多其它级。各个另外的级均可包括多个沿周向隔开的压缩机转子叶片120，后面是多个沿周向隔开的压缩机定子叶片122。
图3示出了可用于燃气轮机发动机100中的一个示例性涡轮区段或涡轮110。涡轮110可包括多个级。示出了三个示例性级，但是涡轮110中可存在更多或更少的级。第一级包括在运行期间绕着轴旋转的多个涡轮轮叶或涡轮转子叶片126以及在运行期间保持固定的多个喷嘴或涡轮定子叶片128。涡轮定子叶片128大体沿周向彼此隔开，并且固定在旋转轴线的周围。涡轮转子叶片126可安装在涡轮轮(未显示)上，以绕着轴(未显示)旋转。还示出了涡轮110的第二级。第二级类似地包括多个沿周向隔开的涡轮定子叶片128，后面是也安装在涡轮轮上以进行旋转的多个沿周向隔开的涡轮转子叶片126。还示出了第三级，其类似地包括多个沿周向隔开的涡轮定子叶片128和涡轮转子叶片126。将理解，涡轮定子叶片128和涡轮转子叶片126位于涡轮110的热气路径中。通过热气路径的热气流的方向由箭头指示。如本领域普通技术人员将理解的那样，除了图3中示出的级之外，涡轮110可具有许多其它级。各个另外的级均可包括多个沿周向隔开的涡轮定子叶片128，后面是多个沿周向隔开的涡轮转子叶片126。
以上描述的性质的燃气轮机发动机可运行如下。压缩机转子叶片120在轴向压缩机106内的旋转压缩空气流。在燃烧器112中，如下面更详细地描述的那样，当压缩空气与燃料混合且被点燃时，能量被释放。来自燃烧器112的产生的热气流然后可被引导到涡轮转子叶片126上面，这可引起涡轮转子叶片126绕着轴旋转，因而将热气流的能量转变成旋转轴的机械能。轴的机械能然后可用来驱动压缩机转子叶片120的旋转使得产生必要的压缩空气的供应，以及例如还驱动发电机发电。
在进一步继续之前，将理解，为了清楚地传达本发明，选择参照和描述涡轮发动机和有关系统(尤其是燃烧器系统)的某些部件或机器构件的术语将成为必要。只要可能，将以与其接受的含义一致的方式来使用和采用行业术语。但是，意图任何这种术语均给予宽泛的含义，而不应受到狭窄的理解，使得本文所意图的含义和所附权利要求的范围受到不合理的限制。本领域普通技术人员将理解，通常，可使用若干个不同的用语来参照特定的构件。另外，在本文中被描述为单个部件的事物可包括若干个构件部件，以及在另一个语境中参照为由若干个构件部件组成，或者，在本文中可被描述为包括多个构件部件的事物可塑造成单个部件，以及在一些情况下，作为单个部件来参照。因而，在理解本文描述的本发明的范围时，不应仅注意提供的术语和描述，而且还要注意本文提供的构件的结构、构造、功能和/或用途。
另外，可在本文中有规律地使用若干个描述性用语，并且在这点上这可有助于限定这些用语。鉴于它们在本文中的用途，这些用语和它们的定义如下。用语“转子叶片”，在无另外的特殊性的情况下，是对或者压缩机或者涡轮的旋转叶片的参照，其包括压缩机转子叶片和涡轮转子叶片两者。用语“定子叶片”，在无另外的特殊性的情况下，是对或者压缩机或者涡轮的固定叶片的参照，其包括压缩机定子叶片和涡轮定子叶片两者。在本文中将使用用语“叶片”来参照任一种类型的叶片。因而，在无另外的特殊性的情况下，用语“叶片”包括所有类型的涡轮发动机叶片，包括压缩机转子叶片、压缩机定子叶片、涡轮转子叶片和涡轮定子叶片。另外，如本文所用，“下游”和“上游”是指示相对于诸如通过涡轮的工作流体的流体流的方向的用语。因而，用语“下游”指大体对应于工作流体流的方向的方向，而用语“上游”大体指与工作流体流的方向相反的方向。用语“前部”或“前”和“后部”或“后”大体指与涡轮发动机的前部端和后部端有关的相对位置(即压缩机是发动机的前部端，而具有涡轮的端部是后部端)。有时，用语“前”和“后”可指旋转部件的旋转方向，考虑到描述这将是清楚的。当情况是这样时，旋转部件的“前缘”是在旋转时领先的边缘，而“后缘”是跟在后面的边缘。
用语“径向”指垂直于轴线的运动或位置。常常需要描述关于轴线在不同的径向位置处的部件。在这种情况下，如果第一构件比第二构件驻留得更靠近轴线，则在本文中可这样陈述，第一构件在第二构件的“径向内侧”或“内侧”。另一方面，如果第一构件比第二构件驻留得离轴线更远，则在本文中可这样陈述，第一构件在第二构件的“径向外侧”或“外侧”。用语“轴向”指平行于轴线的运动或位置。最后，用语“周向”或“角位置”指在轴线的周围的运动或位置。
图4和5示出了一个示例性燃烧器130，它可用于燃气轮机发动机中，而且在该示例性燃烧器130中可使用本发明的实施例。如本领域普通技术人员将理解，燃烧器130可包括头端163和端盖170，头端163大体包括将必要的空气和燃料供应给燃烧器的各种歧管。多个燃料线路137可通过端盖170延伸到定位在前部壳或帽组件140的后部端处的燃料喷嘴或燃料喷射器138。将理解，帽组件140在形状上是大体圆柱形的，并且在前部端处固定到端盖170上。
大体上，燃料喷射器138聚集燃料和空气的混合物，以进行燃烧。燃料例如可为天然气，而空气可为从压缩机中供应的压缩空气(在图4中通过若干箭头指示了压缩空气流)。如本领域普通技术人员将理解，燃料喷射器138的下游是其中发生燃烧的燃烧室180。燃烧室180大体由衬套146限定，衬套146包围在流动套管144内。在流动套管144和衬套146之间形成环带。在流向下游行进到涡轮区段(在图4中未显示)时，从衬套146起，过渡件148使流从衬套的圆形截面过渡到环形截面。过渡件冲击套管150(下文中为“冲击套管150”)可包围过渡件148，从而也在冲击套管150和过渡件148之间建立环带。在过渡件148的下游端处，过渡件后部框架152可将工作流体流引导向定位在涡轮110的第一级中的翼型件。将理解，流动套管144和冲击套管150典型地具有通过它们而形成的冲击孔口(在图4中未显示)，冲击孔口允许来自压缩机106的压缩空气的冲击流进入形成于流动套管144和衬套146之间以及冲击套管150和过渡件148之间的腔体。通过冲击孔口的压缩空气流以对流的方式冷却衬套146和过渡件148的外表面。
现在参看图6至12，将论述用于检测燃气轮机发动机内的过渡件148内的缺陷的若干种方法。将理解，对“缺陷”的参照包括在过渡件148内形成裂纹和典型地施用到过渡件的内表面上的保护涂层(即隔热涂层)剥落两者。
图6示出了过渡件148和根据本发明的一个实施例的用于监测过渡件148内的材料缺陷的系统的截面图。(本领域普通技术人员将理解，本文描述的系统和方法可按相同的方式应用于燃烧系统内的衬套146。下面提供了过渡件148在若干示例性使用中的用法，因此，其意图还适于在燃烧器的衬套146内使用。当在所附权利要求中共同参照时，过渡件148和衬套146将称为“燃烧管道”)图7示出了其根据一个示例性实施例来检测过渡件148内的缺陷时的系统的运行。将理解，可对过渡件148的内表面(常常也称为“热侧”)涂覆保护涂层161，该保护涂层161可为传统的隔热涂层。根据本发明，可对过渡件148的外表面(常常称为“冷侧”)涂覆指示涂层163。在一个实施例中，如下面详细地描述的那样，指示涂层163可包括包含诸如锌、镉、镁或任何其它有颜色的粉末的粉末物质以及粘合剂的涂层。在一些实施例中粘合剂可包括在高温处具有良好的抗蠕变属性的陶瓷粘合剂(ResbondTM919&920)、陶瓷灰泥或环氧硅树脂，或者其它类似类型的材料或粘合剂。如所显示的那样，可将指示涂层163施用到过渡件148的冷侧的较大面积上。将理解，粘合剂将把涂层结合到过渡件148的冷侧上。
根据本发明的实施例，检测器165可定位成使得其检测或者从过渡件148的冷侧反射或者从冷侧中发出的光，如图6中示出的那样。检测器165可连接到固定结构166上，使得检测器165的位置和监测过渡件148的冷侧的能力保持稳定。检测器165可定位成使得过渡件148的特定区域在检测器148的视场内。在一些实施例中，固定结构166可包括燃烧器壳体的区段。在其它实施例中，固定结构166可包括包围过渡件148的冲击套管150的区段。检测器165可定位成距过渡件148有预定距离，使得实现合乎需要的覆盖区域。
在一个实施例中，检测器165包括传统的光传感器或光检测器，即能够检测光的传统传感器。更具体而言，检测器可包括能够检测本文描述的指示涂层163的变化的任何传统的光检测器。根据一个实施例，检测器165包括传统的颜色传感器，其可包括Bayer型传感器、Foveon X3型传感器、3CCD型传感器或其它类型的颜色传感器。根据一个备选的实施例，检测器165包括光电二极管光传感器或构造成检测在可用来掺入指示涂层163的物质燃烧之后可出现的亮光或闪光的其它类型的光检测器。
如图6中示出的那样，检测器165可与控制单元170通讯，控制单元170构造成确定检测器165是否检测到超过预定标准的颜色或光。在超过了预定标准的情况下，控制单元170则可构造成发送自动警告信号或执行修正动作。例如，警告信号可包括给操作员的警报或其它信息，例如电子邮件或自动消息，并且修正动作可包括使燃气轮机发动机停机。
在运行中，指示涂层163的粘合剂将涂层的粉末结合到过渡件148的冷侧上。将理解，在没有形成缺陷173的情况下，指示涂层163可构造成使得其保持结合到过渡件148的冷侧上，以及因此，检测器165记录不到从冷侧上反射或发出的光的变化。
如图7中示出的那样，可在过渡件148内形成缺陷173。如所陈述的那样，缺陷173可包括使保护涂层161剥落的、在过渡件148内的裂纹，或者缺陷173可包括过渡件148上的保护涂层161的腐蚀或剥落。在形成了缺陷173的情况下，过渡件148的温度将提高，并且导致有沿着过渡件148的冷侧的区段形成的“热点”。在包括通过过渡件148的裂纹的缺陷173的情况下，这可包括通过裂纹所吸入的热气，这可使沿着过渡件148的冷侧的温度有甚至更大的提高。
考虑到温度的提高，根据本发明的一个实施例，将理解，涂层可构造成使得粘合剂开始失去其粘合特性和/或粉末物质开始熔化。如本领域普通技术人员将理解，这些状况可使过渡件148的冷侧失去指示涂层163对其的覆盖，即发展出图7中示出的裸露的斑块。在检测器165包括颜色传感器的情况下，这将使可由检测器165检测到的颜色有变化。例如，过渡件148的冷侧的颜色可由于热损坏的原因而改变。或者，例如，在指示涂层是白色时，过渡件148的冷侧的颜色可为灰色的，使得指示涂层163的移除引起明显的颜色变化。如所陈述的那样，在示例性实施例中，检测到颜色的变化可使控制单元170提供关于很可能有缺陷173和/或应当采取修正动作的警告通知。将理解，可通过在发布警告通知之前使用关于接收自检测器的信号的不同标准来调节系统的敏感度。
在一个备选实施例中，指示涂层163可包括在经受吸入的热的路径气体的高温之后发出亮光和/或明亮的闪光的材料，例如镁。以另一种方式，在涂层剥落(由于材料熔化或失去粘合属性的原因)且沿着过渡件148的冷侧流到燃烧器的空气入口(未显示)或流过过渡件和衬套之间的泄漏路径(呼拉圈形密封路径)或流过裂纹之后，也可检测到这个事件。松散断片163a可燃烧，并且从而在过渡件/衬套的热侧处释放可由安装在或者过渡件后部端处或者烟囱处的分光镜(类似于图10至12中示出的系统)检测到的可检测亮光。在这种情况下，检测器165可包括能够记录这样的亮光和/或明亮的闪光的光检测器或分光镜。例如，检测器165可包括光电二极管。在这种情况下，在缺陷173形成之后可出现的升高的温度和/或吸入的气体可使镁或其它这种材料产生亮光或明亮的闪光。在示例性实施例中，检测到亮光/闪光可使控制单元170提供关于很可能有缺陷173和/或应当采取修正动作的警告通知。将理解，可通过在发布警告通知之前使用关于接收自检测器165的信号的不同标准来调节系统的敏感度。
在另一个备选实施例中，两个之前的实施例可形成检测颜色变化和亮光/闪光两者的组合实施例。将理解，在这种实施例中，可构造不同的检测模式来表明不同的种类的缺陷173。例如，检测器165检测到颜色变化可指示由于过渡件148的内表面上的保护涂层161的腐蚀而引起的热点。在另一方面，检测到亮光/闪光可指示更严重的问题，包括通过过渡件148中的裂纹吸入热流径气体。在任何情况下，当然可调节参数，这取决于系统的特性和期望的敏感度，如本领域普通技术人员将理解的那样。
图8示出了过渡件和根据本发明的用于监测材料缺陷的系统的截面图，而图9示出了其根据一个示例性实施例来检测缺陷时的系统的运行。
类似于上面论述的实施例，可对过渡件的内表面涂覆保护涂层161，保护涂层161可为传统的隔热涂层。可对过渡件148的外表面涂覆指示涂层163。在这个实施例中，指示涂层163可为实现本文描述的性能标准的任何传统的涂层。例如，在一些优选实施例中，指示涂层163可包括在高温处具有良好的抗蠕变属性的陶瓷粘合剂、陶瓷灰泥或环氧硅树脂，或者其它类似类型的材料或粘合剂。如所显示的那样，可将指示涂层163施用到过渡件148的冷侧的较大面积上。将理解，涂层的粘合性质将把指示涂层结合到过渡件148的冷侧上。在优选实施例中，可施用指示涂层161，使得其具有大约0.001英寸至0.80英寸的厚度。
根据本发明的备选实施例，接近传感器175可连接到固定结构166上，使得其相对于过渡件148的位置被固定。接近传感器175可定位成使得过渡件148的特定区域在接近传感器175的视场内。在一些实施例中，固定结构166可包括燃烧器壳体的区段。在其它实施例中，固定结构166可包括包围过渡件148的冲击套管150的区段。根据特定的接近传感器175的性能特性，检测器165可定位成距过渡件148有适当的距离。在一个优选实施例中，接近传感器120是激光接近探测器。在其它实施例中，接近传感器120可为涡电流传感器、电容传感器、微波传感器或任何其它类似类型的装置。
如图8中示出的那样，接近传感器175可与控制单元170通讯，控制单元170构造成确定接近传感器175是否检测到接近传感器和指示涂层163之间的距离的变化超过预定标准。在超过了预定标准的情况下，控制单元170则可构造成发送自动警告信号或执行修正动作。例如，警告信号可包括给操作员的警报或其它信息，例如电子邮件或自动消息，并且修正动作可包括使燃气轮机发动机停机。
在运行中，指示涂层163的粘合剂大体将涂层结合到过渡件148的冷侧上。在没有形成缺陷173的情况下，将理解，指示涂层163可构造成使得其保持结合到过渡件148的冷侧上，以及因此，接近传感器175记录不到距指示涂层163的表面的距离(在图8中指示为“d1”)的变化。
如图9中示出的那样，可在过渡件148内形成缺陷173。如所陈述的那样，缺陷173可包括使保护涂层161剥落的、在过渡件148内的裂纹，或者缺陷173可包括在过渡件148内没有裂纹时形成的、过渡件148上的保护涂层161的腐蚀或剥落。在形成缺陷173的情况下，过渡件148的温度将提高，并且导致有沿着过渡件148的冷侧的区段形成的“热点”。在包括通过过渡件148的裂纹的缺陷173的情况下，这可包括正通过裂纹吸入的热气，这可使沿着过渡件148的冷侧有甚至更大的温度提高。
考虑到温度的提高，根据本发明的一个实施例，将理解，涂层可构造成使得粘合剂开始失去其粘合特性和/或粉末物质开始熔化。如本领域普通技术人员将理解，这些状况可使过渡件148的冷侧失去指示涂层163对其的覆盖，即发展出图7中示出的裸露的斑块。接近传感器175可测量到距过渡件148的距离的变化(即接近传感器175可指示距离已经增加到图9中的“d2”所指示的距离)。在示例性实施例中，检测到距离的变化可使控制单元170提供关于很可能有缺陷173和/或应当采取修正动作的警告通知。将理解，可通过在发布警告通知之前使用需要的关于距离变化的不同标准来调节系统的敏感度。
图10和11分别示出了过渡件和包括根据本发明的用于监测材料缺陷的系统的下游烟囱的视图，而图12示出了其根据一个示例性实施例来检测缺陷时的系统的运行。
类似于上面论述的实施例，可对过渡件的内表面涂覆保护涂层161，保护涂层161可为传统的隔热涂层。可对过渡件148的外表面涂覆指示涂层163。在这个实施例中，如下面更详细地描述的那样，指示涂层163可为在高温处具有良好的抗蠕变属性的陶瓷粘合剂、陶瓷灰泥或环氧硅树脂，或者其它类似类型的材料或粘合剂。如下面更加详细地描述的那样，指示涂层163可包括能够由位于下游的气体分析器或传感器181检测到的物质。在某些优选实施例中，这个可检测物质是稀土元素。在其它实施例中，可检测物质可为镉或镁。将理解，还可使用其它物质。如所显示的那样，可将指示涂层163施用到过渡件148的冷侧的较大面积上。将理解，涂层的粘合性质将把指示涂层结合到过渡件148的冷侧上。
根据本发明的备选实施例，如所陈述的那样，气体分析器181可位于燃烧器的下游的适当位置上。一旦这样的优选位置在燃气轮机发动机的烟囱178内，如图11中示出的那样。气体传感器181可包括适于所描述的应用的任何传统的气体分析器，如本领域普通技术人员可理解或将理解的那样。在一个优选实施例中，气体传感器181包括色谱分析器。还可使用其它类型的传统的气体传感器。
如图11中示出的那样，气体传感器181可与控制单元170通讯，控制单元170构造成确定正被分析的气体是否包括指示涂层163的可检测物质。控制单元170可构造成确定是否超过了可检测物质的预定阈值。在超过了预定阈值的情况下，控制170则可构造成发送自动警告信号或执行修正动作。例如，警告信号可包括给操作员的警报或其它信息，例如电子邮件或自动消息，并且修正动作可包括使燃气轮机发动机停机。
在运行中，指示涂层163的粘合剂大体将涂层结合到过渡件148的冷侧上。在没有形成缺陷173的情况下，将理解，指示涂层163可构造成使得其保持结合到过渡件148的冷侧上，以及因此，气体传感器记录不到在流过烟囱170的燃烧产物内检测到指示涂层161的可检测物质。
如图9中示出的那样，可在过渡件148内形成缺陷173。如所陈述的那样，缺陷173可包括使保护涂层161剥落的、在过渡件148内的裂纹，或者缺陷173可包括在过渡件148内没有裂纹时形成的、过渡件148上的保护涂层161的腐蚀或剥落。在形成缺陷173的情况下，过渡件148的温度将提高，并且导致有沿着过渡件148的冷侧的区段形成的“热点”。在包括通过过渡件148的裂纹的缺陷173的情况下，这可包括正通过裂纹吸入的热气，这可使沿着过渡件148的冷侧有甚至更大的温度提高。
考虑到温度的提高，根据本发明的一个实施例，将理解，涂层可构造成使得粘合剂开始失去其粘合特性和/或粉末物质开始熔化。如本领域普通技术人员将理解，这些状况可使指示涂层163从过渡件148的冷侧上腐蚀掉。被腐蚀的指示涂层的断片(在图12中指示为“163a”)可沿着过渡件148的冷侧流到燃烧器的空气入口(未显示)。松散断片163a可燃烧，并且从而释放指示涂层161内的可检测物质。备选地，可检测物质可在发展出热点之后被释放，以及/或者经由通过过渡件148而形成的裂纹被吸入热气流径中。
如所陈述的那样位于燃烧器的下游且在一个优选实施例中位于在烟囱178内的气体传感器181然后可检测到指示涂层163的可检测物质。在示例性实施例中，检测到可检测物质可使控制单元170提供关于很可能有缺陷173和/或应当采取修正动作的警告通知。将理解，可通过在采取修正动作之前要求被检测物质的不同阈值水平来调节系统的敏感度。照这样，可避免过渡件有灾难性失效。
备选地，根据本发明的另一个实施例，可对在过渡件148的热侧上的保护涂层161(例如隔热涂层)掺入可检测物质。在保护涂层161剥落时，在烟囱178或其它下游位置处的气体传感器181则可检测到可检测物质的痕迹。这将指示保护涂层的剥落和/或裂纹的形成。
将理解，通过在发动机运行时监测裂纹的形成和涂层的剥落，可减小对定时目视检查的需要，这还可减少发动机停机时间。如将理解的那样，典型地，直到在燃烧系统运行几千小时之后经历诊断检验才会检查过渡件。在发动机运行时监测裂纹的形成和剥落可检测在这次检查进行以前以别的方式不会被注意到的显著缺陷的形成。如果发动机继续运行且不采取修正动作，特别是如果失效释放对下游构件造成损害的过渡件断片，则可发生显著损害，这取决于缺陷的严重性。如果可获得本发明的实时监测能力，则可避免这种事件。
如本领域普通技术人员将理解，可进一步选择性地应用以上关于若干示例性实施例所描述的许多各不相同的特征和构造，以形成本发明的其它可行实施例。为了简洁以及考虑到本领域普通技术人员的能力，没有提供或详细论述所有可行的重复，但是由所附若干权利要求或以其它方式包括的所有组合和可行实施例意图为本申请的一部分。另外，根据本发明的若干示例性实施例的以上描述，本领域技术人员将认识到改进、变化和修改。在本领域的技术内的这样的改进、变化和修改意图由所附权利要求覆盖。另外，应当显而易见的是，前述内容仅涉及本申请的描述的实施例，并且可在本文中作出许多改变和修改，而不偏离由所附权利要求及其等效方案所限定的本申请的精神和范围。

Claims (25)

1.一种用于在燃气轮机发动机运行时检测所述燃气轮机发动机的燃烧系统的燃烧管道中的缺陷的系统，其中，所述燃烧管道包括暴露于燃烧气体的热侧和与所述热侧相反的冷侧，所述系统包括：
设置在所述燃烧管道的外表面上的指示涂层，所述指示涂层包含可检测物质；以及
定位在所述燃烧器的下游的气体传感器，所述气体传感器构造成测量所述燃气轮机发动机的燃烧产物中的所述可检测物质的量。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述指示涂层包括在阈值温度以上退化的涂层。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述指示涂层构造成使得在所述阈值温度以上的退化使所述指示涂层与所述燃烧管道的所述冷侧脱开。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述指示涂层包含粘合剂；
其中，所述指示涂层的所述粘合剂构造成结合到所述燃烧管道的所述冷侧上，直到达到阈值温度为止；以及
其中，所述指示涂层的所述粘合剂的粘合特性构造成一旦达到所述阈值温度就退化。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述指示涂层构造成使得在所述阈值温度以上的退化使所述涂层与所述燃烧管道的所述冷侧脱开。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述热侧包括保护涂层；以及
其中，所述阈值温度对应于由于所述热侧的所述保护涂层中的缺陷而引起的升高的温度。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述缺陷包括所述保护涂层从所述热侧上的区域上剥落，剥落区域至少包括阈值大小，其中，所述阈值大小对应于在所述冷侧处引起所述阈值温度所需的大小。
8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括与所述气体传感器通讯的控制单元；
其中，所述控制单元和所述气体传感器构造成对所述燃气轮机发动机的所述燃烧产物中的所述可检测物质的量进行初始测量，以及记录初始测量结果；以及
其中，所述控制单元和所述气体传感器构造成对所述燃气轮机发动机的所述燃烧产物中的所述可检测物质的量进行后续测量，以及记录后续测量结果。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述控制单元构造成比较所述初始测量结果与所述后续测量结果，以确定所述燃烧产物中的所述可检测物质的量是否增加。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述控制单元构造成确定所述燃烧产物中的所述可检测物质的量是否增加超过预定阈值；以及
其中，所述控制单元构造成在所述燃烧产物中的所述可检测物质的量增加超过所述预定阈值的情况下发送警告信息。
11.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述燃烧管道包括过渡件和衬套中的一个；
其中，所述保护涂层包括隔热涂层；以及
其中，所述指示涂层的所述粘合剂包括陶瓷粘合剂、陶瓷灰泥和环氧硅树脂中的一个。
12.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述气体传感器设置在烟囱中。
13.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述可检测物质包括稀土元素。
14.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述可检测物质包括镉或镁。
15.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述气体传感器包括色谱分析器。
16.一种用于在燃气轮机发动机运行时检测所述燃气轮机发动机的燃烧系统的燃烧管道中的缺陷的方法，其中，所述燃烧管道包括暴露于燃烧气体的热侧和与所述热侧相反的冷侧，所述方法包括以下步骤：
用指示涂层涂覆所述过渡件的冷侧，所述指示涂层包含可检测物质；
将气体传感器定位在所述燃烧器的下游，所述气体传感器构造成测量所述燃气轮机发动机的燃烧产物中的所述可检测物质的量；以及
使用所述气体传感器来确定所述燃气轮机发动机的所述燃烧产物中的所述可检测物质的量。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述指示涂层包括在阈值温度以上退化的涂层；以及其中，所述指示涂层构造成使得在所述阈值温度以上的退化使所述指示涂层与所述燃烧管道的所述冷侧脱开，以及使所述可检测物质进入所述燃气轮机发动机的所述燃烧产物；
所述方法进一步包括以下步骤：确定所述燃气轮机发动机的所述燃烧产物中的所述可检测物质的量是否超过预定阈值。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述指示涂层包括粘合剂；
其中，所述指示涂层的所述粘合剂构造成结合到所述燃烧管道的所述冷侧上，直到达到阈值温度为止；以及
其中，所述指示涂层的所述粘合剂的粘合特性构造成一旦达到所述阈值温度就退化。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述热侧包括保护涂层；以及
其中，所述阈值温度对应于由于所述热侧的所述保护涂层中的缺陷而引起的升高的温度。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述缺陷包括所述保护涂层从所述热侧上的区域上剥落，剥落区域至少包括阈值大小，其中，所述阈值大小对应于在所述冷侧处引起所述阈值温度所需的大小。
21.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：
对所述燃气轮机发动机的所述燃烧产物中的所述可检测物质的量进行初始测量，以及记录初始测量结果；
对所述燃气轮机发动机的所述燃烧产物中的所述可检测物质的量进行后续测量，以及记录后续测量结果；以及
比较所述初始测量结果与所述后续测量结果，以确定所述燃烧产物中的所述可检测物质的量是否增加，以及，如果所述燃烧产物中的所述可检测物质的量增加，则确定增加速率。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述控制单元构造成确定所述增加速率是否大于预定阈值。
23.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述燃烧管道包括过渡件和衬套中的一个；
其中，所述保护涂层包括隔热涂层；以及
其中，所述指示涂层的所述粘合剂包括陶瓷粘合剂、陶瓷灰泥和环氧硅树脂中的一个。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述气体传感器设置在烟囱中；以及
其中，所述可检测物质包含稀土元素。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述可检测物质包括镉和镁；以及
其中，所述气体传感器包括色谱分析器。
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