CN102589843A - 用于旋转机械在线监测的系统和方法 - Google Patents

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CN102589843A CN2011104615660A CN201110461566A CN102589843A CN 102589843 A CN102589843 A CN 102589843A CN 2011104615660 A CN2011104615660 A CN 2011104615660A CN 201110461566 A CN201110461566 A CN 201110461566A CN 102589843 A CN102589843 A CN 102589843A
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Abstract

本发明涉及一种用于旋转机械在线监测的系统和方法。在一个实施例中，一种系统(10)包括配置成与旋转机械(18)的内部在光学上连通的光学监测系统(36)。该光学监测系统(36)配置成在旋转机械(18)运行时使视野(98，102)朝着旋转机械(18)的内部内的部件(56)的不同区域(108，112)改变方向，以及捕获各个区域(108，112)的图像(114)。

Description

用于旋转机械在线监测的系统和方法
技术领域
本文所公开的主题涉及一种用于旋转机械在线监测的系统和方法。
背景技术
某些燃气涡轮发动机包括具有观察口的涡轮，该观察口配置成有利于监测涡轮内的各种部件。例如，高温测量系统可与观察口光学连通且配置成测量涡轮的热气体路径内的某些部件的温度。此外，光学监测系统可联接到观察口且配置成捕获涡轮部件的二维图像。某些光学监测系统配置成提供在线监测，即在涡轮运行期间捕获涡轮部件的图像。这样的光学监测系统可包括物镜，该物镜朝向涡轮部件而定向，并且配置成将部件的图像经由光学连接器(例如，管道镜、内窥镜、纤维镜等)传送到检测器。遗憾的是，由于各个观察口的位置和取向相对于涡轮壳体固定，各个涡轮部件(例如，涡轮叶片顶端、平台等)的某些部分可能在视野之外。
此外，如果物镜配置成提供狭窄的视野，则可以高空间分辨率监测涡轮部件的特定区域。反之，如果物镜配置成提供宽广的视野，则可监测各个部件的很大的部分，但会降低空间分辨率。因此，典型的光学监测系统可能只能以高空间分辨率监测部件的有限区域或以低空间分辨率监测部件的较大区域。
发明内容
在一个实施例中，一种系统包括配置成与旋转机械的内部在光学上连通的光学监测系统。该光学监测系统配置成在旋转机械运行的同时使视野朝着旋转机械内部中的部件的不同区域改变方向，并且捕获各个区域的图像。
在另一个实施例中，一种系统包括配置成与旋转机械的内部在光学上连通的光学监测系统。该光学监测系统包括光转向装置，光转向装置配置成在旋转机械运行的同时使视野朝着旋转机械内部中的部件的不同区域改变方向。该光学监测系统还包括与光转向装置光学连通的检测器阵列。检测器阵列配置成捕获各个区域的图像。
在另外的实施例中，一种方法包括在旋转机械运行的同时使视野朝着旋转机械内部中的部件的不同区域改变方向。该方法还包括捕获各个区域的图像。
附图说明
当参考附图阅读下面的具体实施方式时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中，在所有图中类似的符号表示类似的部件，在附图中：
图1是包括光学监测系统的涡轮系统的实施例的框图，该光学监测系统配置成使视野朝着涡轮部件的不同区域改变方向，并且捕获各个区域的图像；
图2是示例性涡轮段的剖视图，示出了可通过光学监测系统的实施例监测的各种涡轮部件；
图3是示例性光转向装置的示意图，该光转向装置配置成将视野围绕旋转轴线可旋转地转向；
图4是指向在第一位置和第二位置上的涡轮叶片的示例性光转向装置的后透视图；
图5是图4中所示的示例性光转向装置的前透视图；
图6是示出用于将涡轮部件的图像映射到该涡轮部件的三维模型的示例性技术的示意图；以及
图7是用于捕获涡轮部件的不同区域的图像的示例性方法的流程图。
部件列表：
  10   燃气涡轮系统
  12   燃料喷射器
  14   燃料供应
  16   燃烧器
  18   涡轮
  19   轴
  20   排气口
  22   压缩机
  24   进气口
  26   负载
  28   --
  30   空气
  32   压缩空气
  34   燃料空气混合物
  36   光学监测系统
  38   光学连接器
  40   检测器阵列
  42   旋转机构
  44   平移机构
  46   控制器
  48   热气体流
  50   轴向
  52   周向
  54   第一级导叶
  56   第一级叶片
  58   涡轮转子
  60   第二级导叶
  62   第二级叶片
  64   端壁
  66   径向
  68   平台
  70   柄部
  72   天使翼
  74   涡轮护罩
  76   检查口
  78   光转向装置
  80   旋转轴线
  82   旋转方向
  84   棱镜的第一角度
  86   棱镜的第二角度
  88   反射涂层
  90   示例性光束
  92   示例性光束和旋转轴线之间的角度
  94   视角
  96   聚焦机构
  97   内芯
  98   第一视野
  99   外层
  100   第一涡轮叶片位置
  101   光源
  102   第二视野
  104   第二涡轮叶片位置
  106   吸力表面
  108   吸力表面的第一区域
  110   压力表面
  112   压力表面的第二区域
  114   二维图像
  116   三维模型的二维投影
  118   裂口面
  120   第一基准点
  122   第二基准点
  124   第三基准点
  126   第四基准点
  128   第一对应点
  130   第二对应点
  132   第三对应点
  134   第四对应点
  136   方法流程图
  138   见流程图
  140   见流程图
  142   见流程图
具体实施方式
将在下面描述本发明的一个或多个具体实施例。为了致力于对这些实施例提供简明的描述，可能不会在说明书中描述实际实现的所有特征。应当理解，在任何工程或设计项目中开发任何这种实际实现时，必须作出许多对于实现而言专有的决定，以实现开发者的具体目的，例如遵守与系统相关的和与商业相关的约束，这些约束可在(不同的)实现之间彼此有所不同。此外，应当理解，这种开发工作可为复杂和费时的，但尽管如此，其仍然是受益于本公开的普通技术人员的设计、生产和制造的例行任务。
当介绍本文公开的各种实施例的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”意图指存在一个或多个元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意图为包括性的，并且指可存在所列出的元件之外的额外的元件。
通过提供能够使视野朝着各个涡轮部件的不同区域改变方向的光学监测系统，本文所公开的实施例可增强对涡轮部件的在线监测。在一个实施例中，光学监测系统配置成与涡轮的内部在光学上连通。光学监测系统包括光转向装置，光转向装置配置成在涡轮运行的同时使视野朝着涡轮内部中的部件的不同区域改变方向。该光学监测系统还包括与光转向装置光学连通的检测器阵列。检测器阵列配置成捕获各个区域的图像。在某些实施例中，光学监测系统包括配置成使光转向装置围绕旋转轴线旋转的旋转机构。在这样的实施例中，光学监测系统可通过旋转光转向装置捕获部件的不同区域的图像。在另外的实施例中，光学监测系统包括配置成使光转向装置相对于该部件移动的平移机构。这样的实施例可在光转向装置被定位成离该部件较远时提供扩大的视野，以及在光转向装置被定位成离该部件较近时提供更窄的视野。此外，平移机构可配置成将光转向装置完全收回到观察口内部，以显著减少外表面上的颗粒积聚和/或从热气体流移除光转向装置。因此，可显著延长光转向装置的有效使用寿命。
光学监测系统还可包括配置成将各个区域的图像映射到部件的三维模型上的控制器。通过查看表面映射的三维模型，操作者可容易地将图像的元素与涡轮部件上的位置相关联。因此，操作者可能能够识别涡轮叶片内的堵塞的冷却孔、估计涡轮部件的剩余寿命和/或确定所需检查间隔。因此，可显著提高涡轮系统的可靠性和/或可用性。
现在转到附图，图1是包括光学监测系统的涡轮系统的实施例的框图，该光学监测系统配置成使视野朝着涡轮部件的不同区域改变方向，并且捕获各个区域的图像。虽然下面描述了涡轮系统，但应当理解，光学监测系统可用于监测(例如)诸如压缩机、喷气发动机、泵或蒸汽涡轮的其它旋转机械或涡轮机械内的部件。图示涡轮系统10包括燃料喷射器12、燃料供应14和燃烧器16。如图所示，燃料供应14将液体燃料和/或诸如天然气的气体燃料通过燃料喷射器12发送至燃气涡轮系统10并送入燃烧器16中。如下面讨论的，燃料喷射器12配置成喷射燃料并将燃料与压缩空气混合。燃烧器16点燃并燃烧燃料空气混合物，且然后将热压缩气体送入涡轮18。如将理解的，涡轮18包括具有固定的导叶或叶片的一个或多个定子以及具有相对于定子旋转的叶片的一个或多个转子。热气体流穿过涡轮转子叶片，从而驱动涡轮转子旋转。在涡轮转子和轴19之间的联接将导致轴19的旋转，轴19也联接到燃气涡轮系统10中的各处的若干部件，如图所示。最后，气体流可经由排气口20离开燃气涡轮系统10。
压缩机22包括刚性地安装到由轴19驱动以旋转的转子上的叶片。当空气流过旋转的叶片时，空气压力增加，从而为燃烧器16提供用于合适的燃烧的足够的空气。压缩机22可经由进气口24将空气吸入到燃气涡轮系统10。此外，轴19可联接到负载26，负载26可通过轴19的旋转驱动。如将理解的，负载26可以是可使用燃气涡轮系统10的旋转输出的功率的任何合适的装置，例如，发电设备或外部机械负载。例如，负载26可包括发电机、飞行器的推进器等。进气口24通过诸如冷空气进气口的合适的机构将空气30吸入燃气涡轮系统10。空气30接着流过压缩机22的叶片，压缩机22提供压缩空气32到燃烧器16。具体地，燃料喷射器12可将压缩空气32和燃料14作为燃料空气混合物34喷入燃烧器16。备选地，压缩空气32和燃料14可直接喷入燃烧器以用于混合和燃烧。
如图所示，涡轮系统10包括光学地联接到涡轮18的光学监测系统36。在图示实施例中，光学监测系统36包括从检测器阵列40伸入涡轮18内的光学连接器38(例如，管道镜、内窥镜、纤维镜等)。如下文详细讨论的，光转向装置(例如，棱镜、反射镜等)联接到光学连接器38的端部，并且配置成在涡轮18运行的同时使视野朝着涡轮内部中的部件的不同区域改变方向。因此，检测器阵列40可捕获该涡轮部件的各个区域的图像。例如，在图示实施例中，光学监测系统36包括旋转机构42和平移机构44。旋转机构42配置成旋转光转向装置以使视野朝着部件的不同区域改变方向。此外，平移机构44配置成使光转向装置相对于部件移动以或者扩大或者收窄视野。此外，平移机构44可配置成在不使用光学监测系统36时使光转向装置远离涡轮18内的热气体流移动，从而显著增加光转向装置的使用寿命。通过使视野朝着涡轮部件的不同区域改变方向，光学监测系统36可以窄视野监测部件表面的相当大一部分，从而生成高空间分辨率图像。因此，操作者可能能够识别涡轮部件内的微小的缺陷，例如，堵塞的冷却孔、热障涂层(TBC)的损耗和/或涡轮部件内的裂缝。
在图示实施例中，检测器阵列40通信地联接到控制器46。在某些实施例中，控制器46配置成将各个区域的图像映射到部件的三维模型上。例如，控制器46可指示旋转机构42朝部件的所需区域定向光转向装置，并且将各个所需区域的所得图像映射到部件的三维模型上。由于操作者可查看映射到三维模型上的二维图像，操作者可容易地将图像的元素与涡轮部件上的位置相关联。因此，操作者可能能够识别涡轮叶片内的堵塞的冷却孔，估计涡轮部件的剩余寿命和/或确定所需检查间隔。
图2是示例性涡轮段的剖视图，示出了可通过光学监测系统36的实施例监测的各种涡轮部件。如图所示，来自燃烧器16的热气体流48在轴向50和/或周向52上流入涡轮18。图示涡轮18包括至少两个级，图2中示出了头两个级。其它涡轮构造可包括更多或更少的涡轮级。例如，涡轮可包括1、2、3、4、5、6或更多个涡轮级。第一涡轮级包括在周向52上围绕涡轮18大致等距隔开的导叶54和叶片56。第一级导叶54刚性地安装到涡轮18，并且配置成将燃烧气体导向叶片56。第一级叶片56安装到转子58，转子58由流过叶片56的热气体流48驱动以旋转。转子58又联接到轴19，轴19驱动压缩机22和负载26。热气体48接着流过第二级导叶60和第二级叶片62。第二级叶片62也联接到转子58。当热气体流48流过各个级时，来自气体的能量被转化为转子58的旋转能。在流过各个涡轮级之后，热气体48在轴向50上离开涡轮18。
在图示实施例中，各个第一级导叶54在径向66上从端壁64向外延伸。端壁64配置成阻止热气体48进入转子58。类似的端壁可存在于邻近第二级导叶60以及后续的下游导叶(如果存在的话)处。相似地，各个第一级叶片56在径向66上从平台68向外延伸。如将理解的，平台68是将叶片56联接到转子58的柄部70的一部分。柄部70还包括配置成阻止热气体48进入转子58的密封件或天使翼72。类似的平台和天使翼可存在于邻近第二级叶片62和后续的下游叶片(如存在)处。此外，护罩74定位于第一级叶片56的径向外侧。护罩74配置成最小化旁路掉叶片56的热气体48的量。气体旁路是不期望的，因为来自旁路气体的能量未被叶片56捕获和转化成旋转能。虽然下文结合监测燃气涡轮发动机10的涡轮18内的部件描述了光学监测系统36的实施例，但应当理解，光学监测系统36可用来监测(例如)诸如喷气发动机、蒸汽涡轮或压缩机的其它旋转机械内的部件。
如图所示，光学连接器38通过检查口76伸入涡轮18的内部。如将理解的，检查口可沿涡轮壳体定位在不同位置处，以有利于在涡轮停用时检查涡轮部件。在图示实施例中，光学监测系统36配置成在涡轮18运行期间监测涡轮部件，以使操作者或自动化系统能够在涡轮正在运行时检测部件内的缺陷(例如，堵塞的冷却孔、TBC的损耗、裂缝形成、蠕变等)。虽然图示实施例包括朝向第一级叶片56而导向的单个光学连接器38，但应当理解，备选实施例可包括多个光学连接器38。例如，某些实施例可采用1、2、3、4、5、6、7、8或更多个光学连接器38，以将各个叶片56的图像传输至检测器阵列40。如将理解的，所采用的光学连接器38越多，可被监测的叶片56的区域越多。此外，光学连接器38可包括成像光学系统，例如，诸如管道镜、内窥镜或纤维镜。
虽然在图示实施例中光学连接器38朝向第一级叶片56而定向，但应当理解，在备选实施例中光学连接器38可朝向其它涡轮部件而导向。例如，一个或多个光学连接器38可朝向第一级导叶54、第二级导叶60、第二级叶片62、端壁64、平台68、天使翼72、护罩74或涡轮18内的其它部件而导向。其它实施例可包括朝向涡轮18内的多个部件而导向的光学连接器38。类似于第一级叶片56，光学监测系统36可捕获各个部件的不同区域的图像，从而使操作者能够易于识别涡轮部件内的缺陷(例如，过高的温度、裂缝、堵塞的冷却孔等)。此外，光学监测系统36可配置成监测压缩机22内部中的部件(例如，叶片、导叶等)和/或燃烧器16内部中的部件(例如，衬里、燃料喷嘴等)。
如此前讨论的，光学连接器38将来自涡轮18的图像传输至检测器阵列40。检测器阵列40可配置成在一段时间上捕获多个图像。如将理解的，诸如上述第一级叶片56的某些涡轮部件可沿涡轮18的周向52高速旋转。因此，为了捕获这样的部件的图像，检测器阵列40可配置成在足够为控制器46提供各个部件的高空间分辨率图像的积分时间上工作。例如，在某些实施例中，检测器阵列40可配置成在短于约10、5、3、2、1或0.5微秒或更少的积分时间上输出指示涡轮部件的图像的信号。
在采用多个光学连接器38的实施例中，光学连接器38可联接到检测器阵列40内的多路复用器，以有利于从各个观测点监测图像。如将理解的，来自各个光学连接器38的图像可在空间、时间或波长上多路复用。例如，如果多路复用器配置成在空间上多路复用图像，则各个图像可被投影到检测器阵列40内的图像感测装置(例如，电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)、焦平面阵列(FPA)等)的不同部分上。在该构造中，例如，来自第一光学连接器的图像可被引导向图像感测装置的上部，来自第二光学连接器的图像可被引导向图像感测装置的中部，而来自第三光学连接器的图像可被引导向图像感测装置的下部。因此，图像感测装置可以三分之一分辨率扫描各个图像。换句话讲，扫描分辨率与空间复用的信号的数目成反比。如将理解的，与较高分辨率的扫描相比，较低分辨率的扫描为控制器46提供较少的关于涡轮部件的信息。因此，空间复用的信号的数目可由最低所需分辨率限制。
备选地，由多个光学连接器提供的图像可在时间上多路复用。例如，检测器阵列40可交替地使用图像感测装置的全分辨率扫描来自各个光学连接器38的图像。使用该技术，可以利用图像感测装置的全分辨率，但扫描频率可能与被扫描的观测点的数目成比例地减小。例如，如果扫描两个观测点，并且图像感测装置频率为100Hz，则检测器阵列40只能够以50Hz的频率扫描来自各个观测点的图像。因此，时间复用的信号的数目可受所需扫描频率限制。
此外，由多个光学连接器提供的图像可在波长上多路复用。例如，来自第一光学连接器的图像可包括在第一窄波长带内的光谱信息，且来自第二光学连接器的图像可包括在不同于第一窄波长带的第二窄波长带内的光谱信息。在这样的构造中，多光谱检测器阵列40可使用图像感测装置的全分辨率同时扫描两个图像。如将理解的，接收具有不同波长带的涡轮部件的两个图像可以使光学监测系统36能够过滤热气体流48的干涉作用，从而使控制器46能够准确测量由部件发出的辐射。使用该技术，可以利用图像感测装置的全分辨率，但信号强度可能与被扫描的波长范围的数目成比例地降低。换句话讲，信号强度与波长范围的数目成反比。因此，波长范围的数目可由检测器阵列灵敏度限制。
在某些实施例中，光学监测系统36可配置成基于涡轮部件发出的辐射的强度确定该涡轮部件的温度。例如，当叶片的温度升高时，该叶片56将在较宽的波长范围内发出辐射。此外，诸如水蒸汽和二氧化碳的某些燃烧产物物类响应于温度的升高在较宽波长范围内吸收和发出辐射。因此，在燃气涡轮发动机10运行期间，由叶片56发出的波长中只有一部分以足够的强度和对准确的强度测量而言可忽略的干涉到达光学监测系统36。因此，光学监测系统36可配置成测量某些波长的强度以确定叶片56的温度，这些波长更可能在没有显著吸收或干涉的情况下穿过热气体流48。例如，可见光谱红色部分内和/或近红外光谱内的波长可以比其它频率范围更少的吸收穿过热气体流48。因此，某些实施例可利用这样的频率范围来确定叶片56的温度。例如，某些光学监测系统36可配置成测量在大约0.5至1.4微米、1.5至1.7微米和/或2.1至2.4微米范围内的波长的强度，以确定叶片温度。然而，应当理解，备选实施例可测量在可见、红外和/或紫外光谱的其它部分内的电磁辐射的强度。
在图示实施例中，光转向装置78(例如，棱镜、反射镜等)联接到与检测器阵列40相对的光学连接器38的端部。光转向装置78配置成使视野朝着涡轮部件(例如，第一级叶片56)的不同区域改变方向。如下文详细讨论的，光转向装置78可使视野朝着各个叶片56的压力表面改变方向。当叶片56在周向52上旋转时，各个叶片将经过视野，从而使光学监测系统36能够捕获压力表面的图像。旋转机构42可接着朝各个叶片56的吸力表面旋转光转向装置78。当叶片56在周向52上旋转时，各个叶片将经过视野，从而使光学监测系统36能够捕获吸力表面的图像。旋转机构42可接着朝叶片56的其它区域旋转光反射装置78，使得各个叶片56的表面的相当大一部分被监测。由于与各个图像相关的窄视野，可能能够检测各个叶片56的表面各处的微小缺陷(例如，小于约500微米或更小)。此外，由于捕获了覆盖相当大一部分叶片表面的图像，控制器46可将图像映射到叶片的三维模型，从而增强对表面缺陷的在线监测。
如此前讨论的，光学监测系统36还包括平移机构44，平移机构44配置成使光转向装置78相对于涡轮部件(例如，第一级叶片56)移动。如将理解的，使光转向装置78移动至更靠近部件将缩小视野，而使光转向装置78移动至更远离部件则将扩大视野。因此，可至少部分地通过将光转向装置78移动至距部件所需距离处来调节视野。此外，平移机构44可配置成在光学监测系统36不工作时使光转向装置78远离热气体流48移动。因此，可显著延长光转向装置78和/或光学连接器38的有效使用寿命。
图3是示例性光转向装置78的示意图，该光转向装置78配置成使视野围绕旋转轴线可旋转地转向。在图示实施例中，光转向装置78是包括30度、60度和90度角度的三棱镜。这种棱镜可描述为Littrow(利特罗)棱镜。如图所示，棱镜78配置成在方向82上围绕轴线80旋转，从而使视野朝着诸如图示的第一级叶片56的涡轮部件的不同区域改变方向。在图示实施例中，利特罗棱镜78包括第一角度84和第二角度86。第一角度84为约60度，而第二角度86为约30度。棱镜78还包括设置在与第一角度84相对的一侧上的反射涂层88。在该构造中，以角度92进入棱镜78的示例性光束90将被棱镜78的表面反射，如图3中所示，并将进入检测器阵列40。基于上述Littrow棱镜的几何形状，角度92为约60度。因此，当棱镜78旋转时，检测器阵列40可捕获位于相对于轴线80约60度处的区域的图像。此外，视野可由相对于示例性光束90的视角94限定。视角94可基于检测器阵列构造和/或定位在棱镜78和检测器阵列40之间的光学器件变化。例如，视角94可大于0度和小于90度。在某些实施例中，视角94可在约0至90度之间、约0至60度之间、约0至45度之间、约0至30度之间、或约0至15度之间的范围内。另外的实施例可采用具有不同几何构造的棱镜78，以在示例性光束90和旋转轴线80之间提供不同的角度。此外，虽然上文描述了棱镜，但应当理解，备选实施例可采用其它光转向装置，例如，诸如反射镜或成角度的光导。
如此前讨论的，旋转机构42(例如电动马达)联接到光学连接器38，并且配置成旋转光转向装置78以使视野朝着涡轮部件的不同区域改变方向。相似地，平移机构44(例如电动马达)联接到光学连接器38，并且配置成使光转向装置78相对于部件移动。如将理解的，调节光转向装置78和涡轮部件之间的距离将影响入射到检测器阵列40上的光的焦点。因此，图示实施例包括定位在光学连接器38和检测器阵列40之间的聚焦机构96。聚焦机构96配置成自动地调节焦点，以补偿光转向装置78和涡轮部件之间的距离的变化。因此，检测器阵列将捕获具有高空间分辨率的图像，从而有利于检测涡轮部件内的微小缺陷(例如，小于500微米)。
光学监测系统36还可包括物镜，该物镜配置成将涡轮叶片56发出和/或反射的光聚焦到光学连接器38上。在某些实施例中，物镜可定位成邻近棱镜78的外表面，使得该镜头加宽或收窄视野。备选地，物镜可定位在棱镜78和光学连接器38之间。在另外的实施例中，物镜可与棱镜78一体化，从而避免用于会聚来自涡轮部件的光的单独的镜头。
如此前讨论的，某些实施例可采用具有不同几何构造的棱镜78，以在示例性光束90和旋转轴线80之间提供不同的角度。例如，虽然在图示实施例中采用了三面棱镜，但应当理解，在备选实施例中可使用具有4、5、6或更多个面的棱镜。此外，应当理解，可以采用角度、反射涂层和非反射涂层的各种组合来确立示例性光束90和旋转轴线80之间的所需角度92。在备选实施例中，可采用反射镜来确立示例性光束90的所需角度92。例如，可将反射镜定位成邻近光学连接器38的端部并成角度，以将来自涡轮叶片56的光反射至光学连接器。在这样的实施例中，物镜可定位在反射镜和涡轮部件之间或光学连接器38和反射镜之间。
在图示实施例中，光学连接器38包括内芯97和外层99。内芯97和外层99两者都包括配置成有利于光穿过光学连接器38的光透射材料(例如，光纤、光导等)。在图示实施例中，外层99配置成将来自光源101的光传输至棱镜78，而内芯97配置成将来自棱镜78的光传输至检测器阵列40。在该构造中，光源101可将光投射到涡轮叶片56上，使得检测器阵列40捕获叶片56反射出的光的图像。如将理解的，光源101可包括配置成以所需波长发出辐射的任何合适的装置(例如，发光二极管、弧光灯、闪光灯等)。例如，光源101可配置成发出可见、红外或紫外光谱内的光，该光谱大致对应于检测器阵列40的波长范围。在某些实施例中，光源101可配置成以高频率脉动，以使检测器阵列40能够捕获旋转的涡轮叶片56的高空间分辨率图像。在另外的实施例中，光源可从第二检查口76指向涡轮部件，从而消除光学连接器38的外层99。在备选实施例中，检测器阵列40可配置成捕获由高温涡轮叶片56发出的辐射(例如，红外波长)。在这样的实施例中，可省略光源101和外层99。
图4是指向在第一位置和第二位置上的涡轮叶片的示例性光转向装置的后透视图。如此前讨论的，涡轮叶片56配置成在周向52上旋转。因此，当叶片旋转时，光学监测系统36可捕获各个叶片的不同区域的图像。例如，光学监测系统36可在叶片靠近光转向装置78时捕获各个叶片的第一侧面，而在叶片远离光转向装置移动时捕获各个叶片的第二侧面。在图示实施例中，第一视野98指向在第一位置100上的涡轮叶片56，而第二视野102指向在第二位置104上的涡轮叶片56。如图所示，第一视野98指向叶片56的吸力表面106，从而使光学监测系统36能够捕获吸力表面106的第一区域108的图像。
由于叶片56在周向52上旋转，当叶片进入第一视野98时，光学监测系统36可捕获各个叶片56的第一区域108的图像。一旦捕获了各个叶片56的第一区域108的图像，控制器46即可指示旋转机构42使光转向装置78朝第二叶片位置104旋转。如下文详细讨论的，光学监测系统36可接着捕获叶片56的不同区域的图像。虽然在图示实施例中示出了两个视野，但应当理解，可以利用额外的视野来捕获叶片56的其它部分的图像，例如，诸如顶端和平台68的图像。此外，可利用光学监测系统36捕获其它涡轮部件(例如，护罩、天使翼和导叶，连同其它涡轮部件)的图像。
图5是图4中所示的示例性光转向装置的前透视图。如图所示，第二视野102指向叶片56的压力表面110，从而使光学监测系统36能够捕获压力表面110的第二区域112的图像。由于叶片56在周向52上旋转，当叶片进入第二视野102时，光学监测系统36可捕获各个叶片56的第二区域112的图像。通过使视野朝着各个叶片的不同区域改变方向，可以高空间分辨率监测叶片的相当大一部分表面，从而有利于检测叶片内的微小缺陷(例如，小于500微米)。此外，一旦捕获了覆盖各个叶片的相当大一部分表面的图像，即可将图像映射到叶片的三维模型上，从而进一步增强对叶片缺陷的检测。
图6是示出了用于将涡轮部件的图像映射到该涡轮部件的三维模型的示例性技术的示意图。将二维图像应用到三维模型上的过程开始于通过将二维图像映射到三维模型的二维投影来确定变换。在图示实施例中，确定变换的过程包括将二维图像上的多个基准点与三维模型的二维投影上的对应点对准，以及基于该对准建立双线性变换。如图所示，涡轮叶片56和平台68的二维图像114的基准点与被监测部件的三维模型的二维投影116的对应点对准。在图示实施例中，基准点沿平台68的裂口面(slash face)118定位。然而，应当理解，在备选实施例中，基准点可位于涡轮部件的其它区域内。
如图所示，二维图像114包括沿第一裂口面118定位在平台68的顶端处的第一基准点120、沿第二裂口面118定位在平台68的顶端处的第二基准点122、沿第一裂口面118定位在平台68内的弯曲处的第三基准点124，以及沿第二裂口面118定位在平台68内的弯曲处的第四基准点126。为了建立双线性变换，第一基准点120可与二维投影116上的第一对应点128对准，第二基准点122可与第二对应点130对准，第三基准点124可与第三对应点132对准，并且第四基准点126可与第四对应点134对准。虽然在图示实施例中对准了四个点，但应当理解，在备选实施例中可使用更多个点。例如，某些实施例可包括4、5、6、7、8、9、10或更多个点，以有利于双线性变换的计算。
通过测量二维图像114上的各个基准点和三维模型的二维投影116上的各个对应点的二维位置，可以计算双线性变换。如将理解的，可基于下列方程计算双线性变换：
u＝a0+a1x+a2y+a3xy
v＝b0+b1x+b2y+b3xy
其中，(x，y)是二维图像114上的各个点的坐标，(u，v)是三维模型的二维投影116上的各个点的坐标，并且a0、a1、a2、a3、b0、b1、b2和b3是限定双线性变换的参数。由于图示实施例将二维图像114的四个基准点映射到三维模型的二维投影116上的四个对应点上，基于上述方程组将产生总共八个方程(即，每个点两个方程)。因此，八个方程可求解出限定双线性变换的八个参数(a0、a1、a2、a3、b0、b1、b2和b3)。如果使用四个以上的点，则可以使用最小平方法确定这八个参数。
一旦计算了双线性变换，即可将该变换应用于二维图像114以确定变换后的图像。例如，二维图像114上的各个点(例如像素)的位置(例如，(x，y)坐标)可通过以上方程变换成变换后的图像上的对应点的位置(例如，(u，v)坐标)。虽然图示实施例使用双线性变换，但应当理解，备选实施例可使用其它变换(例如，仿射、Procrustes、透视、多项式等)将二维图像114映射到三维模型的二维投影116上。
然后，可以将变换后的图像应用于三维模型以建立复合模型(例如，具有映射表面的模型)。例如，图示实施例可使用逆透视变换将变换后的图像映射到三维模型上。如将理解的，三维模型包括限定涡轮部件的形状的一系列顶点或节点。三维模型的二维投影116内的各个节点的位置可基于投影116的位置、取向和视野进行计算。由于变换后的图像的坐标大致对应于二维投影116的坐标，变换后的图像的节点可通过逆透视变换与三维模型的节点对齐。然后，可将变换后的图像映射到三维模型上，从而建立复合模型。如将理解的，可使用诸如逆正交投影的其它变换将变换后的图像应用到三维模型上。
由于光学监测系统36配置成捕获覆盖涡轮部件的相当大一部分表面的图像，当把各个图像映射到三维模型上时，可生成基本上完整的复合模型。完整的复合模型可以使操作者能够比观察二维图像更快速地识别堵塞的冷却孔和/或其它异常。因此，操作者可能能够高效地估计部件的剩余使用寿命和/或确定所需检查间隔。
图7是用于捕获涡轮部件的不同区域的图像的示例性方法136的流程图。首先，如框138所表示的，在涡轮运行时使视野朝着涡轮部件的不同区域改变方向。例如，可围绕旋转轴线旋转光转向装置以使视野朝着涡轮部件的不同区域改变方向。此外，可相对于涡轮部件平移光转向装置，从而提供例如更窄或更宽的视野。接着，如框140所表示的，捕获各个区域的图像。如此前讨论的，可使用聚焦机构将各个图像自动地聚焦到检测器阵列上，从而补偿光转向装置和涡轮部件之间的距离的变化。通过使更窄的视野朝着涡轮部件的不同区域改变方向，可以高空间分辨率监测该部件的相当大一部分表面。因此，可以检测部件内的微小(例如，小于约500微米)缺陷，例如堵塞的冷却孔、裂缝、TBC的损耗和/或其它缺陷。
在某些实施例中，将各个区域的图像映射到涡轮部件的三维模型上，如框142所表示的。例如，控制器可指示旋转机构朝部件的所需区域定向光转向装置，并且将各个所需区域的所得图像映射到部件的三维模型上。由于操作者可查看映射到三维模型上的二维图像，操作者可容易地将图像的元素与涡轮部件上的位置相关联。因此，操作者可能能够识别涡轮叶片内的堵塞的冷却孔、估计涡轮部件的剩余寿命和/或确定所需检查间隔。
该书面描述用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可获得专利的范围由权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种系统(10)，包括：
配置成与旋转机械(18)的内部在光学上连通的光学监测系统(36)，其中所述光学监测系统(36)配置成在所述旋转机械(18)运行时使视野(98，102)朝着所述旋转机械(18)的内部内的部件(56)的不同区域(108，112)改变方向，并且捕获各个区域(108，112)的图像(114)。
2.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述光学监测系统(36)包括配置成使所述视野(98，102)围绕旋转轴线(80)可旋转地转向的光转向装置(78)。
3.根据权利要求2所述的系统(10)，其特征在于，所述光转向装置(78)包括棱镜。
4.根据权利要求2所述的系统(10)，其特征在于，所述光学监测系统(36)包括配置成驱动所述光转向装置(78)来旋转的旋转机构(42)。
5.根据权利要求2所述的系统(10)，其特征在于，所述光学监测系统(36)包括配置成使所述光转向装置(78)相对于所述部件(56)移动的平移机构(44)。
6.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述光学监测系统(36)包括配置成捕获各个区域(108，112)的所述图像(114)的检测器阵列(40)。
7.根据权利要求6所述的系统(10)，其特征在于，所述光学监测系统(36)包括配置成将各个区域(108，112)的所述图像(114)自动地聚焦到所述检测器阵列(40)上的聚焦机构(96)。
8.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述光学监测系统(36)包括配置成照亮所述部件(56)的光源(101)。
9.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述光学监测系统(36)包括配置成将各个区域(108，112)的所述图像(114)映射到所述部件(56)的三维模型上的控制器(46)。
10.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述光学监测系统(36)配置成经由所述旋转机械(18)的壳体内的检查口(76)与所述旋转机械(18)的所述内部在光学上连通。
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