CN102608039B - 用于检测涡轮发动机内的剥落的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于检测涡轮发动机内的剥落的系统及方法。具体而言，在一个实施例中，一种系统(10)包括多光谱高温测定系统(36)，其构造成用以从涡轮构件(56)接收宽波长带辐射信号(80)、将宽波长带辐射信号(80)分成多个窄波长带辐射信号(94)、基于窄波长带辐射信号(94)来确定涡轮构件(56)的发射率(122)，以及基于发射率(122)来检测涡轮构件(56)表面上的剥落(104)。

Description

用于检测涡轮发动机内的剥落的系统及方法
技术领域
本文所公开的主题涉及用于检测涡轮发动机内的剥落(spall)的系统及方法。
背景技术
有些燃气涡轮发动机包括具有观察端口的涡轮，该观察端口构造成便于监测涡轮内的各种构件。例如，高温测定系统可经由观察端口接收辐射信号，以便测量涡轮热气体通路内的某些构件的温度。高温测定系统可包括光学传感器，该光学传感器构造成用以测量由涡轮构件发射的在固定波长范围内的辐射强度。如将认识到的那样，通过估计发射率(emissivity)，构件温度可基于特定波长下的辐射强度来确定。
令人遗憾的是，构件的发射率可随着时间的推移由于温度变化、构件上的残余物累积和/或涡轮构件氧化而改变。此外，发射率的测量可受观察端口窗上的污垢积聚所影响。此外，包括热障涂层(TBC)的涡轮构件可经历剥落，也即其中部分TBC与构件表面分离的一种状态，从而露出基础材料。如将认识到的那样，基础材料的发射率可显著地高于TBC的发射率。因此，采用恒定发射率的高温测定系统对于剥落涡轮构件可能会提供不准确的温度测量。例如，构造成用以测量固定波长范围内的辐射的高温测定系统可从具有剥落区的涡轮构件检测到增大的辐射强度。由于高温测定系统不能在升高的温度与增加的发射率之间予以区分，故高温测定系统将报告较高的温度。因此，操作人员或自动系统可能停用涡轮发动机以确定涡轮构件温度升高的原因。由于涡轮构件的实际温度可能处在所期望的操作范围内，故这种操作可能不必要地降低涡轮发动机的可用性。
发明内容
在一个实施例中，一种系统包括多光谱高温测定系统，其构造成用以从涡轮构件接收宽波长带辐射信号，将宽波长带辐射信号分成多个窄波长带辐射信号，基于窄波长带辐射信号来确定涡轮构件的发射率，以及基于该发射率来检测涡轮构件表面上的剥落。
在另一实施例中，一种系统包括多光谱高温测定系统，其构造成用以与涡轮的内部光学地通信。多光谱高温测定系统包括波长分离装置，该波长分离装置构造成用以从涡轮内部内的涡轮构件接收宽波长带辐射信号，以及将宽波长带辐射信号分成多个窄波长带辐射信号。多光谱高温测定系统还包括与波长分离装置成光学通信的检测器。检测器构造成用以接收窄波长带辐射信号，以及输出表示各窄波长带辐射信号的强度的输出信号。多光谱高温测定系统还包括控制器，该控制器构造成用以基于输出信号来确定涡轮构件的发射率，以及基于该发射率来检测涡轮构件表面上的剥落。
在又一实施例中，一种方法包括从涡轮构件接收宽波长带辐射信号，以及将宽波长带辐射信号分成多个窄波长带辐射信号。该方法还包括基于窄波长带辐射信号来确定涡轮构件的发射率，以及基于该发射率来检测涡轮构件表面上的剥落。
附图说明
当参照附图阅读如下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，所有附图中的相似标号表示相似的零件，在附图中：
图1为包括多光谱高温测定系统的涡轮系统实施例的框图，该多光谱高温测定系统构造成用以确定涡轮构件的发射率，以及基于该发射率来确定涡轮构件表面上的剥落；
图2为示例性涡轮区段的截面视图，示出了可由多光谱高温测定系统的实施例所监测的各种涡轮构件；
图3为多光谱高温测定系统的实施例的简图，该系统具有使用多个分色镜以将宽波长带辐射信号转变成多个窄波长带辐射信号的波长分离装置；
图4为多光谱高温测定系统的实施例的简图，该系统具有构造成用以确定涡轮构件的二维温度图和/或确定涡轮构件表面上的剥落区域的控制器；以及
图5为用于检测涡轮构件表面上的剥落的示例性方法的流程图。
零件清单
10燃气涡轮系统
12燃料喷射器
14燃料供送源
16燃烧器
18涡轮
19轴
20排气出口
22压缩机
24进入口
26负载
30空气
32压缩空气
34燃料空气混合物
36多光谱高温测定系统
38光学连接件
40观察端口
42波长分离装置
44检测器
46控制器
48排出气体
50轴向方向
52圆周方向
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径向方向
68平台
70柄部
72天使翼
74涡轮罩盖
76第一光学连接件
78第二光学连接件
79第三光学连接件
80宽波长带辐射信号
82光学准直仪
84准直射束
86第一分色镜
88第二分色镜
90第三分色镜
92反射涂层
94窄波长带辐射信号
96辐射
98光学装置
100透镜
102照准线
104剥落
106第一信号
108第二信号
110第三信号
112温度
114图表
116 X轴
118 Y轴
120曲线
122发射率
124图表
126 X轴
128 Y轴
130曲线
132局部最大值
134视场
136二维温度图
138二维发射率图
140高发射率区
142方法流程图
144见流程图
146见流程图
148见流程图
150见流程图
152见流程图
154见流程图
具体实施方式
下文将描述一个或多个特定的实施例。为了提供对这些实施例的简要描述，在说明书中可不描述实际实现方式的所有特征。应当认识到，在任何此种实际实现方式的开发中，如在任何工程或设计项目中一样，必须作出许多特定实现方式的决定以实现开发者的特定目标，如遵循关于系统和关于商业的约束，这可能从一种实现方式到另一种实现方式而有所不同。此外，应当认识到，此种开发工作可能很复杂和耗时，但对于受益于本公开内容的普通技术人员来说，仍为设计、制作和生产的常规任务。
在介绍本文所公开的各种实施例的元件时，用词″一个″、″一种″、″该″和″所述″意在表示存在所述元件中的一个或多个。用语″包括″、″包含″和″具有″旨在为包括性的，且意为可存在除所列元件外的附加元件。
本文所公开的实施例可通过提供构造成用以在温度变化与发射率变化之间予以区分的多光谱高温测定系统来提高涡轮发动机的可用性。因此，高温测定系统可识别某些涡轮构件上的剥落和/或提供更为准确的温度测量。在一个实施例中，多光谱高温测定系统包括波长分离装置，其构造成用以从涡轮内部内的涡轮构件接收宽波长带辐射信号，以及将宽波长带辐射信号分成多个窄波长带辐射信号。多光谱高温测定系统还包括与波长分离装置成光学通信的检测器。检测器构造成用以接收窄波长带辐射信号，以及输出表示各窄波长带辐射信号的强度的输出信号。多光谱高温测定系统还包括控制器，该控制器构造成用以基于输出信号来确定涡轮构件发射率，以及基于该发射率来检测涡轮构件表面上的剥落。控制器还可构造成用以基于信号来确定涡轮构件的温度。由于多光谱高温测定系统计算表观有效发射率，故控制器可提供比基于单个波长测量的温度确定更为准确的温度确定。在某些实施例中，控制器可构造成用以基于发射率来确定涡轮构件表面上的剥落区域。如果该区域超过阈值，则控制器可通知操作人员和/或自动地停用涡轮发动机以显著降低或消除与TBC涂层损失相关的过度磨损的可能性。
现在转到附图，图1为包括多光谱高温测定系统的涡轮系统10的框图，该多光谱高温测定系统构造成用以确定涡轮构件的发射率，以及基于该发射率来检测涡轮构件表面上的剥落。涡轮系统10包括燃料喷射器12、燃料供送源14和燃烧器16。如图所示，燃料供送源14将液体燃料和/或诸如天然气的气体燃料引送至燃气涡轮系统10，穿过燃料喷射器12进入燃烧器16中。如下文所述，燃料喷射器12构造成用以喷射燃料并将燃料与压缩空气相混合。燃烧器16点燃并燃烧燃料空气混合物，且然后使热的加压排出气体进入涡轮18中。如将认识到的那样，涡轮18包括具有固定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。排出气体穿过涡轮转子叶片传送，从而驱动涡轮转子旋转。涡轮转子与轴19之间的联接将导致轴19旋转，该轴19还联接到整个燃气涡轮系统10的若干构件上，如图所示。最后，燃烧过程的排气可经由排气出口20离开燃气涡轮系统10。
压缩机22包括刚性地安装到转子上的叶片，该转子由轴19驱动以旋转。当空气经过旋转叶片传送时，空气压力增大，从而向燃烧器16提供足够的空气以便完全燃烧。压缩机22可经由空气进入口24将空气引入燃气涡轮系统10。此外，轴19可联接到负载26上，该负载26可通过轴19的旋转来供能。如将认识到的那样，负载26可为可使用燃气涡轮系统10的旋转输出功率的任何适合的装置，例如发电设备或外部机械负载。例如，负载26可包括发电机、飞机螺旋桨等。空气进入口24将空气30经由诸如冷空气进入口的适合机构吸入燃气涡轮系统10中。然后，空气30流经压缩机22的叶片，这向燃烧器16提供压缩空气32。具体而言，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喷射到燃烧器16中。作为备选，压缩空气32和燃料14可直接地喷射到燃烧器中以便混合和燃烧。
如图所示，涡轮系统10包括光学地联接到涡轮18上的多光谱高温测定系统36。在所示的实施例中，高温测定系统36包括在进入涡轮18中的观察端口40与波长分离装置42之间延伸的成像光学系统或光学连接件38(例如，光纤线缆、光波导等)。尽管所示的观察端口40指向涡轮18的入口，但应当认识到的是，观察端口40可定位在沿涡轮18的各种位置处。如下文详细描述那样，波长分离装置42构造成用以将来自于涡轮内部的辐射信号分成多个窄波长带辐射信号。光学地联接到波长分离装置42上的检测器44构造成用以输出表示各窄波长带辐射信号的强度的信号。在所示的实施例中，检测器44可通信地联接到控制器46上，该控制器46构造成用以基于信号来确定涡轮内部内的涡轮构件的发射率，以及用以基于发射率来检测涡轮构件表面上的剥落。如下文详细描述那样，控制器46还可构造成用以基于输出信号来确定涡轮构件的温度。在某些实施例中，宽波长带辐射信号可为涡轮构件的二维图像。在此种实施例中，波长分离装置可构造成用以将宽波长带图像分成多个窄波长带图像，且检测器可构造成用以输出表示各窄波长带图像的二维强度图的信号。此外，控制器可构造成用以基于输出信号来确定涡轮构件的二维温度图，从而使得构件内的热应力能够通过测量跨越涡轮构件的热梯度来确定。在另外的实施例中，控制器可构造成用以基于发射率来确定涡轮构件表面上的剥落区域。如果该区域超过阈值，则控制器46可通知操作人员和/或自动地停用涡轮发动机10，以便显著地降低或消除与TBC涂层损失相关的过度磨损的可能性。
图2为示例性涡轮区段的截面视图，示出了可由多光谱高温测定系统36的实施例所监测的各种涡轮构件。如图所示，来自于燃烧器16的排出气体/燃烧产物48沿轴向方向50和/或圆周方向52流入涡轮18中。所示的涡轮18包括至少两级，其中在图2中示出了头两级。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个或更多的涡轮级。第一涡轮级包括沿圆周方向52围绕涡轮18大致等距地间隔开的导叶54和叶片56。第一级导叶54刚性地安装到涡轮18上且构造成用以朝叶片56引导燃烧气体。第一级叶片56安装到转子58上，该转子58由流经叶片56的排出气体48驱动以旋转。继而，转子58又联接到轴19上，该轴19驱动压缩机22和负载26。然后，排出气体48流经第二级导叶60和第二级叶片62。第二级叶片62也联接到转子58上。当排出气体48流经各级时，来自于气体的能量转变成转子58的旋转能。在穿过各涡轮级传送之后，排出气体48沿轴向方向50流出涡轮18。
在所示的实施例中，各第一级导叶54均从端壁64沿径向方向66向外延伸。端壁64构造成用以阻挡热排出气体48进入转子58。类似的端壁可存在于第二级导叶60和随后的下游导叶(如果存在的话)附近。同样，各第一级叶片56均从平台68沿径向方向66向外延伸。如将认识到的那样，平台68为将叶片56联接到转子58上的柄部70的一部分。柄部70还包括构造成用以阻挡热排出气体48进入转子58的密封件或天使翼72。相似的平台和天使翼可存在于第二级叶片62和随后的下游叶片(如果存在的话)附近。此外，罩盖74定位在第一级叶片56的径向外侧。罩盖74构造成用以最大限度地减小绕过叶片56的排出气体48量。气体旁通并不合乎需要，因为来自旁通气体的能量未由叶片56捕获并转变成旋转能。尽管下文参照监测燃气涡轮发动机10的涡轮18内的构件来描述多光谱高温测定系统36，但应当认识到的是，高温测定系统36可用于监测其它旋转和/或往复机器内的构件，例如涡轮，在其中蒸汽或其它工作流体经过涡轮叶片传送以提供动力或推力。此外，高温测定系统36可用于监测往复式发动机的内部，例如汽油或柴油供能的内燃机。
如将认识到的那样，涡轮18内的各种构件(例如，导叶54和60、叶片56和62、端壁64、平台68、天使翼72、罩盖74等)将暴露于来自燃烧器16的热排出气体48。因此，可能期望的是在涡轮18的操作期间测量某些构件的温度，以便确保温度保持在所期望的范围内和/或监测构件内的热应力。例如，多光谱高温测定系统36可构造成用以确定第一级涡轮叶片56的温度。在另外的实施例中，高温测定系统36可构造成用以确定叶片56的二维温度图。如将认识到的那样，二维温度图可用于确定跨越各叶片56的温度梯度，从而便于计算叶片56内的热应力。
除升高叶片温度之外，热排出气体48可导致热障涂层(TBC)从叶片56和/或涡轮18内的其它构件的表面分离，从而使基础材料暴露于热气体48。这种情况可称为剥落，且会显著增大涡轮构件上的磨损。由于基础材料可具有比TBC显著更高的发射率，故多光谱高温测定系统36可构造成用以通过识别发射率增大的区来检测剥落。在某些实施例中，高温测定系统可构造成用以基于发射率来确定各涡轮构件的表面上的剥落区域。如果该区域超过阈值，则控制器可通知操作人员和/或自动地停用涡轮发动机，以便显著地降低或消除与TBC涂层损失相关的过度磨损的可能性。
所示的实施例包括三个光学连接件38以将观察端口40光学地联接到波长分离装置42上。如图所示，第一光学连接件76联接到定位在叶片56上游且朝叶片56成角度(或倾斜)的观察端口40上，第二光学连接件78联接到定位在叶片56的径向外侧且指向叶片56的圆周侧的另一观察端口40上，以及第三光学连接件79联接到定位在叶片56下游且沿上游方向成角度的第三观察端口40上。如将认识到的那样，观察端口40可沿轴向方向50、圆周方向52和/或径向方向66成角度以使观察端口40指向叶片56的期望区。在备选实施例中，更多或更少的观察端口40和光学连接件38可用于从第一级叶片56获得辐射信号。例如，某些实施例可使用1、2、3、4、5、6、7、8个或更多的观察端口40和对应数目的光学连接件38，以将叶片56的辐射信号传送至波长分离装置42。如将认识到的那样，使用的观察端口40和光学连接件38越多，则可监测的叶片56区便越多。如前文所述，光学连接件38可例如包括光纤线缆或光学成像系统(例如，刚性成像光波导系统)。还应当认识到的是，某些实施例可省略光学连接件38，且波长分离装置42可直接地光学联接到观察端口40上。
尽管在所示的实施例中观察端口40指向第一级叶片56，但应当认识到的是，在备选实施例中，观察端口40可指向其它涡轮构件。例如，一个或多个观察端口40可指向第一级导叶54、第二级导叶60、第二级叶片62、端壁64、平台68、天使翼72、罩盖74或涡轮18内的其它构件。其它实施例可包括指向涡轮18内的多个构件的观察端口40。类似于第一级叶片56，多光谱高温测定系统36可确定涡轮构件的温度和/或发射率以识别高的热应力和/或TBC的过度损失。
如前文所述，光学连接件38(例如，光纤线缆、光学波导等)将辐射信号从涡轮内部传送至波长分离装置42。继而，波长分离装置42又构造成用以将宽波长带辐射信号分成多个窄波长带辐射信号，且将窄波长带辐射信号发送至检测器44。检测器44可构造成用以捕获一定时间周期内的多个辐射信号。如将认识到的那样，诸如上述第一级叶片56的某些涡轮构件可沿涡轮18的圆周方向52以高速旋转。因此，为了从此类构件捕获辐射信号(例如，图像)，检测器44可构造成用以在足以向控制器46提供各构件的大致静止图像的频率下操作。例如，在某些实施例中，检测器44可构造成以大于100,000Hz、200,000Hz、400,000Hz、600,000Hz、800,000Hz或1,000,000Hz或更大的频率输出表示各辐射信号的强度的信号。在另外的实施例中，检测器44可构造成以大约10微秒、5微秒、3微秒、2微秒、1微秒或0.5微秒或更短的积分时间输出表示各图像强度的信号。以此方式，可测量对于各涡轮构件的发射率，从而能够即时检测涡轮表面上的剥落。
在某些实施例中，光学连接件38可联接到波长分离装置42内的多路器(multiplexer)上，以便向检测器44提供来自各观测点的辐射信号。如将认识到的那样，来自于各光学连接件38的辐射信号可在空间或时间上多路传输。例如，在某些实施例中，检测器44可构造成用以捕获各窄波长带辐射信号(例如，图像)的二维强度图。在此类实施例中，如果多路器构造成用以在空间上多路传输图像，则各图像均可投射到检测器44的不同部分上。在此种构造中，来自于第一光学连接件76的图像可引向检测器44的第一部分(例如，第一个三分之一)，来自于第二光学连接件78的图像可引向检测器44的第二部分(例如，第二个三分之一)，以及来自于第三光学连接件79的图像可引向第三部分(例如，第三个三分之一)。结果，检测器44可以三分之一的分辨率获取各图像。换言之，空间分辨率与空间上的多路传输信号的数目成反比。如将认识到的那样，较低的分辨率比较高的分辨率向控制器46提供对涡轮构件的更少空间覆盖度。因此，空间上的多路传输信号的数目可由最低分辨率所限制，该最低分辨率足以用于控制器46建立所期望的涡轮构件二维温度图和/或所期望的涡轮构件二维发射率图。例如，在某些实施例中，检测器44可构造成用以捕获具有小于大约1000微米、小于大约750微米、小于大约500微米或小于大约250微米的空间分辨率的图像。因此，各涡轮构件的微小特征可识别到，如涡轮叶片上受阻的膜冷却孔。
作为备选，由光学连接件38提供的图像可及时地多路传输。例如，检测器44可使用检测器44的整个分辨率来从各光学连接件38交替地获取图像。使用该技术，便可采用检测器44的全分辨率，但捕获频率可与扫描的观测点的数目成比例地减少。例如，如果扫描两个观测点且检测器频率为100,000Hz，则检测器44仅能够以50,000Hz扫描来自各观测点的图像。因此，暂时多路传输的信号的数目可由期望的扫描频率所限制。
图3为多光谱高温测定系统36的实施例的简图，该系统具有使用多个分色镜以将宽波长带辐射信号转变成多个窄波长带辐射信号的波长分离装置42。如图所示，高温测定系统36指向第一级涡轮叶片56。然而，应当认识到的是，在备选实施例中，高温测定系统36可指向其它涡轮构件(例如，导叶54和60、叶片62、端壁64、平台68、天使翼72、罩盖74等)。如将认识到的那样，电磁辐射可从叶片56发射并作为宽波长带辐射信号80由高温测定系统36所捕获。这种辐射信号80可包括具有电磁光谱的红外区和/或可见区内的波长的辐射。
由于燃烧产物48可在观察端口40与叶片56之间流动，故仅某些波长带可传输至成像系统36。例如，某些燃烧产物种类，如水蒸气和二氧化碳，在较宽波长范围内吸收和发射辐射。结果，在燃气涡轮发动机10的操作期间，由叶片56所发射的波长仅一部分以足够的强度和可以忽略的干涉到达高温测定系统36来用于准确的强度测量。因此，高温测定系统36可构造成用以测量某些波长的强度，这些强度更有可能穿过气体48传送而不会显著吸收或干涉，以便确定叶片56的发射率和/或温度。例如，可见光谱的红色部分内和/或近红外光谱内的波长可以低于其它频率范围的吸收穿过燃烧产物48传送。因此，某些实施例可使用这些频率范围来用于发射率和/或温度确定。然而，应当认识到的是，备选实施例可测量可见光谱、红外光谱和/或紫外光谱的其它部分内的电磁辐射的强度。
如将认识到的那样，构件温度可通过测量由构件以特定波长发出的电磁辐射的强度来确定。例如，假定发射率为1(黑体假定)，则可采用普朗克定律由测得的辐射强度来计算温度。然而，由于实际的构件可能具有小于1的发射率，但某些高温测定系统采用恒定的发射率值。由于发射率可基于包括温度和波长的诸多因素变化，故这种假定可能产生不准确的温度测量。例如，涡轮构件的发射率可随着燃烧产物48的残余物积聚在构件上而变化。此外，残余物和/或其它碎片可累积在观察端口40上，从而减小由波长分离装置42所接收的辐射强度。此外，诸如煤烟的燃烧产物还会有损来自于构件的辐射信号。如下文详细描述那样，包括TBC的涡轮构件可经历剥落，也即其中部分TBC与构件表面分离的一种状态，从而露出基础材料。如将认识到的那样，基础材料的发射率可显著地高于TBC的发射率。因此，采用恒定发射率的高温测定系统可提供对于剥落的涡轮构件的不准确的温度测量。例如，高温测定系统可检测来自具有剥落区的涡轮构件的增大的辐射强度。由于当前的高温测定系统不能在升高的温度与增加的发射率之间予以区分，故这种高温测定系统将报告较高的温度。
在所示的实施例中，多光谱高温测定系统36构造成用以确定涡轮构件的发射率，从而便于准确的温度计算以及使控制器46能够检测构件表面上的剥落。具体而言，高温测定系统36构造成用以将宽波长带辐射信号分成多个窄波长带辐射信号，并用以测量各窄波长带的辐射信号的强度。在此种构造中，控制器46通过多通道算法(multichannel algorithm)，可能够计算涡轮构件的表观有效发射率，以便可确定更准确的温度。此外，由于基础材料的发射率可高于TBC的发射率，故控制器46可通过识别发射率增大的区来检测涡轮构件表面上的剥落。
如图所示，宽波长带辐射信号80首先穿过光学准直仪82，光学准直仪82将叶片56发射出的辐射转变成准直射束84。然后，准直射束84穿过一系列分色镜86，88和90，在其中宽波长带辐射信号80转变成一系列窄波长带辐射信号。如将认识到的那样，分色镜包括反射表面，该反射表面构造成用以反射所期望的波长范围的辐射，同时容许剩余的辐射穿过。具体而言，第一分色镜86包括构造成用以反射具有窄波长带的辐射的涂层92。例如，反射的辐射可具有小于大约200nm，150nm，100nm，50nm，30nm，20nm，10nm，5nm，3nm或1nm或更小的波长范围。穿过第一分色镜86的辐射96可具有包括除由第一分色镜86所反射的波长之外的准直射束84的各波长的波长范围。
然后，对应于窄波长带辐射信号94的辐射可穿过光学装置98，如镜(mirror)或棱镜，该光学装置98构造成用以朝检测器44引导辐射。在到达检测器44之前，辐射可穿过透镜100，该透镜100将窄波长带辐射信号94聚焦在检测器44上。在某些实施例中，光学装置98和/或透镜100可包括滤波器，该滤波器构造成用以使辐射信号94的波长带进一步变窄。例如，光学装置98和/或透镜100可使波长范围变窄至小于大约200nm，150nm，100nm，50nm，30nm，20nm，10nm，5nm，3nm或1nm或更小。
具有未由第一分色镜86反射的波长的辐射96将穿过第一镜86且入射到第二分色镜88上。类似于第一分色镜86，第二镜88构造成用以反射具有窄波长带的辐射，同时便于剩余波长通过。然后，反射的辐射以类似于上文参照第一分色镜86所述的反射辐射的方式朝检测器44引导。分色镜90可以相似的方式起作用，以便将对应于附加窄波长带辐射信号的辐射提供给检测器44。在该构造中，检测器44将接收分别具有不同波长范围的三个窄波长带辐射信号94。尽管三个分色镜86，88和90在所示的实施例中用于将宽波长带辐射信号80分成三个窄波长带辐射信号94，但应当认识到的是，在备选实施例中可使用更多或更少的分色镜。例如，某些实施例可包括2，3，4，5，6，7，8个或更多的分色镜来将宽波长带辐射信号80分成对应数目的窄波长带辐射信号94。
如前文所述，透镜100构造成用以将窄波长带辐射信号94聚焦在检测器44上。在所示的构造中，单个检测器44用于输出表示各窄波长带辐射信号94的强度的信号。因此，各透镜100均构造成用以将各窄波长带辐射信号94聚焦在检测器44的相应非重叠区上。以此方式，检测器44可监测各窄波长带辐射信号94的强度。在某些实施例中，多个检测器44可用于监测各窄波长带辐射信号94的强度。例如，各窄波长带辐射信号94可聚焦在单独的检测器44上。在此种构造中，各检测器44均可包括光电二极管，该光电二极管构造成用以输出表示各窄波长带辐射信号94的聚集强度的信号。
尽管所示的波长分离装置包括分色镜以将宽波长带辐射信号分成多个窄波长带辐射信号，但应当认识到的是，在备选实施例中也可使用其它波长分离装置。例如，在某些实施例中，波长分离装置可包括构造成用以将宽波长带辐射信号分成多个复制辐射信号的信号分配器，以及构造成用以接收相应的复制辐射信号并过滤该相应的复制辐射信号以获得相应窄波长带辐射信号的多个窄波长带滤波器。在另外的实施例中，波长分离装置可包括多通道波长分离棱镜，其构造成用以将宽波长带辐射信号分成多个窄波长带辐射信号。在某些实施例中，检测器44可包括多个检测器元件，使得可产生表示二维强度图的信号。在此类实施例中，波长分离装置可包括具有多个窄波长带滤波器的滤波器屏框(mask)，在其中各窄波长带滤波器均与检测器的相应检测器元件成光学通信。
当涡轮叶片56沿圆周方向52旋转时，波长分离装置42跨越各叶片56扫描照准线(LOS)102。如将认识到的那样，LOS 102的角度至少部分地取决于观察端口40和光学连接件38的位置和定向。在某些实施例中，各涡轮叶片56均涂布有TBC以保护基础材料免受流经涡轮18的热排出气体48。令人遗憾的是，随着时间的推移，TBC部分可与基础材料分离，从而形成剥落区104。由于基础材料可具有比TBC显著更高的发射率，故剥落区104可比TBC涂布的叶片56的其余部分发射更多辐射。因此，在照准线102穿过剥落区104时，检测器44将输出表示较高强度的信号。
如前文所述，检测器44构造成用以接收窄波长带辐射信号94，并用以输出表示各窄波长带辐射信号的强度的信号。在所示的实施例中，检测器44构造成用以接收具有不同波长范围的三个窄波长带辐射信号。因此，检测器44构造成用以输出表示第一窄波长带辐射信号的强度的第一信号106、表示第二窄波长带辐射信号的强度的第二信号108，以及表示第三窄波长带辐射信号的强度的第三信号110。如图所示，各窄波长带辐射信号的强度在一定时间内随涡轮叶片56旋转而变化。具体而言，该强度当LOS 102穿过剥落区104时由于基础材料的较高发射率而增大。结果，各信号106，108和110均包括对应于涡轮叶片56上的剥落区104的局部最大值。
如前文所述，由叶片56发射的波长仅一部分以足够的强度和可以忽略的干涉到达高温测定系统36来用于准确的强度测量。因此，高温测定系统36可构造成用以测量某些波长的强度，这些波长更有可能穿过气体48而不会显著吸收或干涉，以便确定叶片56的发射率和/或温度。在所示的实施例中，第一信号106可代表具有大约1000nm至1100nm、1025nm至1075nm、1050nm至1070nm或大约1064nm的波长范围的辐射强度。第二信号108可代表具有大约1200nm至1300nm、1225nm至1275nm、1240nm至1260nm或大约1250nm的波长范围的辐射强度。第三信号110可代表具有大约1550nm至1650nm、1575nm至1625nm、1590nm至1610nm或大约1600nm的波长范围的辐射强度。如将认识到的那样，在备选实施例中可使用在可见光谱和/或红外光谱内的其它波长范围。例如，某些实施例可构造成用以监测大约600nm至700nm和/或2100nm至2300nm的波长范围内的辐射。此外，尽管在所示的实施例中监测三个波长范围，当应当认识到的是，备选实施例可使用2，3，4，5，6，7，8个或更多的波长来确定涡轮构件的发射率和/或温度。
在所示的实施例中，控制器46构造成用以接收信号106，108和110，并基于该信号来确定涡轮构件的温度和/或发射率。例如，控制器46可构造成用以通过解决发射率变化的多通道算法来计算温度112。因此，温度112可比基于单个波长测量的温度计算更为准确。如图所示，温度描绘为具有代表时间的x轴116和代表温度的y轴118的图表114。曲线120代表随时间变化的涡轮叶片56的温度。由于涡轮叶片56沿圆周方向52旋转，故由x轴116代表的时间表示沿LOS
102的位置。因此，曲线120代表跨越LOS 102的一维温度分布。如下文详细描述那样，图表114显示跨越LOS 102的温度大致恒定，从而表明剥落区104的温度不会显著高于涡轮叶片56的周围TBC涂布部分的温度。
此外，控制器46构造成用以基于信号106，108和110通过多通道算法计算发射率122。如图所示，发射率描绘为具有代表时间的x轴126和代表发射率的y轴128的图表124。曲线130代表随时间变化的涡轮叶片56的发射率。由于涡轮叶片56沿圆周方向52旋转，故由x轴126代表的时间表示沿LOS 102的位置。因此，曲线130代表跨越LOS 102的一维发射率分布。如图所示，发射率曲线130包括对应于剥落区104位置的局部最大值132。如前文所述，发射率增大可由TBC与基础材料之间的发射率差异所引起。因此，控制器46可构造成用以通过识别发射率曲线130中的局部最大值132来自动地检测剥落区104。例如，如果发射率增大高于阈值，则控制器46可检测到剥落。
在某些实施例中，控制器46还可构造成用以识别过度的温度(例如，如果温度曲线120超过阈值)，并用以提醒操作人员该状态和/或自动地停用涡轮发动机10。例如，如果涡轮叶片56的冷却孔变为阻塞的，则叶片的温度会升高。控制器46可构造成用以识别此种状态，从而显著减小或消除涡轮叶片过度磨损的可能性。由于控制器46构造成用以解决温度计算中的发射率变化，故控制器能够区分温度变化和发射率变化。例如，如图表114和124中所示，发射率可指出剥落区104，但温度可保持在期望容限以下。因此，控制器46可通知操作人员检测到剥落，同时容许涡轮18继续操作。相反，构造成用以测量固定波长范围内的辐射的高温测定系统可从剥落的涡轮叶片56上检测到增大的辐射强度，且报告较高的温度。因此，操作人员或自动系统可不必停用涡轮发动机来确定温度升高的原因。由于所示的高温测定系统36使用多通道技术来计算温度和发射率，故此种不准确的温度测量可显著减少或消除，从而提高了涡轮发动机10的可用性。
尽管上文描述了一维LOS 102，但应当认识到的是，多光谱高温测定系统36可构造成用以在叶片沿圆周方向52旋转时捕获各涡轮叶片56的二维图像。例如，在某些实施例中，视场可横向于叶片56的表面，从而使得多光谱高温测定系统36能够捕获多个二维图像。类似于上文所述的LOS 102，波长分离装置42可将各二维图像分成多个窄波长带图像，从而便于确定二维温度图和/或二维发射率图。
图4为多光谱高温测定系统36的实施例的简图，该系统具有构造成用以确定涡轮构件的二维温度图和/或确定涡轮构件表面上的剥落区域的控制器。如图所示，波长分离装置42指向涡轮叶片56，使得视场134包含叶片。类似于上文参照图3所述的实施例，波长分离装置42构造成用以将涡轮叶片56的宽波长带辐射信号(例如，图像)分成多个窄波长带图像(例如，通过一系列分色镜)。检测器44构造成用以接收窄波长带图像并用以输出表示各窄波长带图像的二维强度图的信号。继而，控制器46又构造成用以接收信号并基于该信号来确定涡轮构件的二维温度图和/或发射率图。
在所示的实施例中，控制器46构造成用以输出涡轮叶片56的二维温度图136。类似于上文参照图3所述的一维温度测量，包括二维温度图136的温度可比由单个波长高温计测量的温度更为准确。具体而言，测量多个窄波长带图像的强度使控制器能够解决发射率的变化，从而提供更为准确的二维温度图。二维温度图可使操作人员或自动系统能够通过测量跨越涡轮构件的热梯度来确定构件内的热应力。如果构件温度升高超过阈值，则高温测定系统36还可构造成用以提醒操作人员和/或自动地停用涡轮发动机10。
此外，控制器46可构造成用以输出涡轮叶片56的二维发射率图138。如前文所述，涡轮叶片基础材料的发射率可高于TBC涂层的发射率。因此，叶片56上的剥落区可作为发射率增大的区域检测到。例如，如在二维发射率图138中所示，高发射率区140大致对应于叶片56的剥落区104。在某些实施例中，控制器46可构造成用以基于二维发射率图138来测量剥落区域。如果该区域超过阈值，则控制器46可通知操作人员和/或自动地停用涡轮发动机10，以便显著减少或消除与TBC涂层损失相关的过度磨损的可能性。
图5为用于检测涡轮构件表面上的剥落的方法142的流程图。首先，如方框144所示，从涡轮构件接收宽波长带辐射信号。接下来，如方框146所示，将宽波长带辐射信号分成多个窄波长带辐射信号。例如，使用多个分色镜的波长分离装置可用于将宽波长带辐射信号转变成多个窄波长带辐射信号。然后，如方框148所示，基于窄波长带辐射信号来确定涡轮构件的发射率。例如，控制器可使用多通道算法来计算涡轮构件的表观有效发射率。接下来，如方框150所示，基于发射率在涡轮构件的表面上检测剥落。如前文所述，基础材料的发射率可高于TBC的发射率。因此，剥落区可识别为具有发射率局部增加的叶片区。
在某些实施例中，多光谱高温测定系统可构造成用以捕获涡轮构件的二维强度图。在此类实施例中，如方框152所示，基于发射率确定涡轮构件的表面上的剥落区域。如果该区域超过阈值，则可通知操作人员该状态和/或涡轮发动机10可自动地停用，以便显著减小或消除与TBC涂层损失相关的过度磨损的可能性。最后，如方框154所示，基于窄波长带辐射信号来确定涡轮构件的温度。由于多光谱高温测定系统解决了温度计算中的发射率变化，故温度确定可比由单个波长高温计所确定的温度更为准确。此外，某些实施例可构造成用以产生涡轮构件的二维温度图，从而便于在构件内的热应力测量。
本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员所想到的其它实例。如果这些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，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无实质差异的同等结构元件，则认为这些实例在权利要求的范围之内。

Claims (8)

1.一种用于检测涡轮发动机内的剥落的系统(10)，包括：
多光谱高温测定系统(36)，所述多光谱高温测定系统构造成用以从涡轮构件(56)接收宽波长带辐射信号(80)，将所述宽波长带辐射信号(80)分成多个窄波长带辐射信号(94)，基于所述多个窄波长带辐射信号(94)来确定所述涡轮构件(56)的发射率(122)，基于所述发射率(122)来确定所述涡轮构件(56)的表面上的剥落区域，基于所述多个窄波长带辐射信号(94)来确定所述涡轮构件(56)的温度，以及基于所述剥落区域和所述温度确定所述涡轮构件(56)的操作。
2.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述多光谱高温测定系统(36)构造成用以基于所述多个窄波长带辐射信号(94)来确定所述涡轮构件(56)的二维温度图(136)。
3.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述多光谱高温测定系统(36)构造成用以将所述宽波长带辐射信号(80)分成至少三个窄波长带辐射信号(94)。
4.根据权利要求3所述的系统(10)，其特征在于，第一窄波长带辐射信号(94)包括1000nm至1100nm的波长范围，第二窄波长带辐射信号(94)包括1200nm至1300nm的波长范围，以及第三窄波长带辐射信号(94)包括1550nm至1650nm的波长范围。
5.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述多光谱高温测定系统(36)包括构造成用以将所述宽波长带辐射信号(80)分成所述多个窄波长带辐射信号(94)的波长分离装置(42)，其中所述波长分离装置(42)包括多个分色镜(86,88,90)。
6.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述多光谱高温测定系统(36)构造成用以基于所述多个窄波长带辐射信号(94)来确定所述涡轮构件(56)的二维发射率图(138)。
7.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述系统(10)包括涡轮(18)，所述涡轮(18)包括所述涡轮构件(56)和进入所述涡轮(18)的观察端口(40)，其中所述多光谱高温测定系统(36)构造成用以经由光纤线缆或成像光学系统光学地联接到所述观察端口(40)上。
8.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述涡轮构件(56)包括叶片(56,62)、导叶(54,60)、端壁(64)、平台(68)、天使翼(72)，或罩盖(74)。
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