CN102608198B - 用于检测转子叶片的材料缺陷的方法、系统和器械 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于检测转子叶片的材料缺陷的方法、系统和器械。一种用于检测在燃烧涡轮发动机的涡轮转子叶片中的缺陷的系统。该系统可包括：包括隔离涂层的涡轮转子叶片；电连接到涡轮转子叶片的第一电极；接近涡轮转子叶片的第二电极；用于引起穿过第一电极和第二电极的电压的装置；和用于检测在第一电极与第二电极之间流动的电流的装置。

Description

用于检测转子叶片的材料缺陷的方法、系统和器械

技术领域

本申请大体涉及用于检测可在工业制造过程、发动机或类似系统中出现的缺陷、包括表面缺陷的方法、系统和器械。更尤其地，但不以限制的方式，本申请涉及与缺陷的检测有关的方法、系统和器械，该缺陷形成在诸如暴露于燃烧涡轮发动机的热气体路径的涡轮转子叶片的构件上。

背景技术

大体上在操作中燃烧涡轮发动机可利用由压缩器供应的压缩空气燃烧燃料。如本文中所用并且除非另外明确地陈述，燃烧涡轮发动机意图包括所有类型的涡轮或旋转燃烧发动机，包括燃气涡轮发动机、航空器发动机等。产生的热气体的流，典型地称作工作流体，通过发动机的涡轮区段膨胀。工作流体与涡轮区段的转子叶片的相互作用引起涡轮轴中的旋转。以这种方式，燃料中包含的能量转化成旋转轴的机械能，其例如可然后用于旋转压缩器的转子叶片，使得产生为燃烧所需要的压缩空气的供应，并且用于旋转发电机的绕组，使得生成电能。在操作期间，将理解暴露于热气体路径的构件被极端机械和热负荷高度加压。这是由于工作流体的极端温度和速度以及涡轮的旋转速度而产生。由于更高的燃烧温度对应于更有效率的热发动机，故技术不断推动用于这些应用的材料的极限。

不管是否由于极端温度、机械负荷或两者的联合而产生，构件失效依然是燃烧涡轮发动机中的显著关注点。主要的失效能追溯到材料疲劳，其典型地为裂缝蔓延的开始所预先警告。更尤其地，由材料疲劳导致的裂缝的形成依然是构件已达到它的有效寿命的极限并且可接近失效的主要指示。这对诸如涡轮转子叶片的旋转构件尤其正确。因此，检测裂缝的形成的能力依然是重要的工业目标，尤其是当考虑单一构件诸如涡轮转子叶片的失效可发生的灾难性的损害时。这种失效事件可导致连锁反应，其破坏下游系统和构件，这要求昂贵的维护和长的运行中断。

可延长热气体路径构件的有效寿命的一种方式是通过保护涂层，例如热障涂层的利用。总体上，暴露表面利用这些涂层覆盖，并且涂层使构件对热气体路径的最极端温度隔离。然而，本领域技术人员将理解，这些类型的涂层在使用期间磨损或者成碎片，该过程典型地称作“涂层剥落”或“剥落”。剥落可导致在受影响的构件的表面上的离散区域或小块处的未涂覆或暴露区域的形成和生长。这些未保护的区域经历更高的温度并且因而经受更迅速的劣化，包括疲劳裂缝和其它缺陷的过早形成。在燃烧涡轮发动机中，涂层剥落是对涡轮转子叶片和燃烧器内的构件，诸如过渡件的特别关注点。涂层剥落的早期检测可允许作业者在构件被增加的热应力彻底损害之前采取纠正措施。

虽然燃烧涡轮发动机的作业者想要避免利用在操作期间冒失效风险的磨损的或损坏的构件，但是他们也具有在构件的有效寿命耗尽之前不过早替换它们的利益冲突。就是说，作业者想要耗尽各构件的有效寿命，由此最小化部件成本同时还降低用于进行部件替换的发动机运行中断的频率。因此，在发动机构件中的精确的裂缝和/或涂层剥落的检测是显著的工业需要。然而，传统方法普遍要求部件的定期目视检查。虽然有用，但是目视检查费时并且要求发动机停机达延长的时间。

当发动机运行时对裂缝的形成和保护涂层的剥落来监控热气体路径中的构件的能力依然是长期的需要。所需要的是系统，通过其可当发动机操作时监控裂缝形成和剥落，以致在失效事件出现或显著的构件损害实现之前可采取必须的行动。这种系统还可延长构件的寿命，因为对构件替换的需要可基于实际的、测量的磨损而不是所预测的磨损。此外，这种系统可降低执行要求发动机停机的评估，诸如目视检查的需要或频率。到这些目标可以以成本节约的方式达到的程度时，效率可被增强并且工业需求将很高。

发明内容

本发明因而描述了用于当发动机操作时检测在燃烧涡轮发动机的涡轮转子叶片中的缺陷的系统。在一个实施例中，系统包括：包括隔离涂层的涡轮转子叶片；电连接到涡轮转子叶片的第一电极；接近涡轮转子叶片的第二电极；用于引起穿过第一电极和第二电极的电压的装置；和用于检测在第一电极与第二电极之间流动的电流的装置。

本发明还描述了用于当燃烧涡轮发动机操作时检测在燃烧涡轮发动机的涡轮转子叶片中的缺陷的方法。在一个实施例中，方法包括如下步骤：提供电连接到涡轮转子叶片的第一电极；提供接近涡轮转子叶片的第二电极；施加穿过第一电极和第二电极的电压；并且检测在第一电极与第二电极之间流动的电流。

在当结合附图和所附权利要求阅读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

本发明的这些和其它特征将通过对以下结合附图的本发明的示范实施例的更详细描述的仔细研究而更彻底地明白和理解，其中：

图1示出本申请的实施例可用于其中的示范燃烧涡轮发动机的示意图；

图2示出可用于图1的燃气涡轮发动机的示范压缩器的截面视图；

图3示出可用于图1的燃烧涡轮发动机的示范涡轮的截面视图；

图4示出根据本申请的示范实施例的示范涡轮和系统的截面视图；并且

图5示出根据本申请的示范实施例的示范涡轮和用于监控材料缺陷的系统的截面视图。

具体实施方式

现在参考附图，图1示出在其中可采用本发明的实施例的燃烧或燃气涡轮发动机100的示意图。总体上，燃气涡轮发动机通过从由燃料在压缩空气的流中燃烧而产生的热气体的加压流抽取能量而操作。如图1所示，燃气涡轮发动机100可构造成带有：轴向压缩器106，其由共用轴或转子机械联接到下游涡轮区段或涡轮110；和燃烧系统112，其如图所示是定位在压缩器106与涡轮110之间的筒形燃烧器。

图2示出可用于燃气涡轮发动机100的轴向压缩器106的视图。如图所示，压缩器106可包括多个级。各级可包括由成排的压缩器定子叶片122跟随的成排的压缩器转子叶片120。从而，第一级可包括成排的压缩器转子叶片120，其围绕中心轴旋转，由在操作期间保持固定的成排的压缩器定子叶片122跟随。压缩器定子叶片122通常彼此周向间隔并且围绕旋转轴线固定。压缩器转子叶片120围绕转子的轴线周向间隔并且在操作期间围绕轴旋转。本领域技术人员将理解，压缩器转子叶片120构造成使得，当围绕轴旋转时，它们给予动能到流过压缩器106的空气或工作流体。本领域技术人员将理解，除了在图2中示出的级以外，压缩器106可具有许多其它级。各额外级可包括由多个周向间隔的压缩器定子叶片122跟随的多个周向间隔的压缩器转子叶片120。

图3示出可用于燃气涡轮发动机100中的示范涡轮区段或涡轮110的局部视图。涡轮110可包括多个级。示出三个示范级，但更多或更少个级可存在于涡轮110中。第一级包括：多个涡轮动叶或涡轮转子叶片126，其在操作期间围绕轴旋转；和多个喷嘴或涡轮定子叶片128，其在操作期间保持固定。涡轮定子叶片128通常彼此周向间隔并且围绕旋转轴线固定。涡轮转子叶片126可安装在涡轮叶轮130上(如图4所示)用于围绕轴旋转。还示出涡轮110的第二级。第二级类似地包括多个周向间隔的涡轮定子叶片128，其由也安装在涡轮叶轮上用于旋转的多个周向间隔的涡轮转子叶片126跟随。还示出第三级，并且其类似地包括多个周向间隔的涡轮定子叶片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的热气体路径中。通过热气体路径的热气体的流的方向由箭头指示。本领域技术人员将理解，涡轮110可具有除了图3中示出的级以外的许多其它级。各额外级可包括由多个周向间隔的涡轮转子叶片126跟随的多个周向间隔的涡轮定子叶片128。

以上所述的种类的燃气涡轮发动机可如下操作。在轴向压缩器106内的压缩器转子叶片120的旋转压缩空气的流。在燃烧器112中，如以下更详细地描述地，当压缩空气与燃料混合并且点燃时，能量被释放。来自燃烧器112的所得到的热气体的流可然后引导越过涡轮转子叶片126，这可引起涡轮转子叶片126围绕轴的旋转，从而将热气体的流的能量转化成旋转轴的机械能。轴的机械能可然后用于驱动压缩器转子叶片120的旋转，使得产生压缩空气的必需供应，并且还例如驱动发电机以发电。

在进一步进行之前，将理解为了清楚地传达本发明，将变得有必要选取指示并且描述涡轮发动机和相关系统，特别是燃烧器系统的特定部件或机器构件的术语。只要可能，工业术语将以与它的公认意思一致的方式利用和采用。然而意味着任何这种术语被给予宽泛的含义并且不是狭窄地解释，使得本文中意图的含义和所附权利要求的范围被不合理地约束。本领域技术人员将理解特定构件经常可利用若干不同词语来参考。此外，本文中描述成单一部件的部件可在另一背景中包括若干构件部件并且可参考为由若干构件部件组成，或者本文中描述成包括多个构件部件的部件可塑造成单一部件并且在一些情形中称作单一部件。因而，在理解本文中所述的发明的范围时，不应当仅仅注意提供的术语和描述，而是还应当注意本文中提供的结构、构型、功能和/或构件的利用。

此外，若干描述性词语可在本文中经常性地利用，并且在这里限定这些词语是有用的。这些词语和给定它们在本文中的利用的它们的定义如下。词语“转子叶片”，没有进一步的特殊性时，是表示压缩器或涡轮的旋转叶片，“转子叶片”包括压缩器转子叶片和涡轮转子叶片。词语“定子叶片”，没有进一步的特殊性时，是表示压缩器或涡轮的固定叶片，“定子叶片”包括压缩器定子叶片和涡轮定子叶片。词语“叶片”将在本文中用于表示各种类型的叶片。因而，没有进一步的特殊性时，词语“叶片”包括所有类型的涡轮发动机叶片，包括压缩器转子叶片、压缩器定子叶片、涡轮转子叶片和涡轮定子叶片。而且，如本文中所用的，“下游”和“上游”是指示相对于流体，诸如通过涡轮的工作流体的流的方向的词语。因而，词语“下游”表示与工作流体的流的方向大致对应的方向，并且词语“上游”通常表示工作流体的流的方向相对的方向。词语“前部”或“在前”和“后部”或“在后”通常表示关于涡轮发动机的前部端和后部端的相对位置(即压缩器在发动机的前部端并且具有涡轮的端是后部端)。有时，词语“在前”和“在后”可表示旋转部件的旋转方向，这在给出描述后将清晰可见。当在这种情形中，旋转部件的“在前边缘”是在旋转中领先的边缘，并且“在后边缘”是落在后面的边缘。

词语“径向”表示垂直于轴线的运动或位置。它经常为在关于轴线的不同径向位置处的所述部件所要求。在这种情形中，如果第一构件比第二构件更靠近轴线，则在本文中可陈述为第一构件在第二构件的“径向朝内”或“在内”处。如果在另一方面，第一构件比第二构件距轴线更远，则在本文中可陈述为第一构件在第二构件的“径向朝外”或“在外”处。术语“轴向”表示平行于轴线的运动或位置。最后，词语“周向”或“角位置”表示围绕轴线的运动或位置。

参考图4和图5，提供本发明的示范实施例。根据本发明的示范实施例，涡轮转子叶片126可利用隔离涂层129涂覆。在一些实施例中，隔离涂层129可包括热障涂层。特别地，氧化锆热障涂层可用于特定的优选环境中。然而，本发明不受限于这种类型的涂层。可利用适合于用于涡轮环境中并且证明比转子叶片126的底层结构更不易导电的任何涂层。

涡轮110的流动路径的外部周界，如图所示，可被涡轮壳体或壳体132封闭。第一电极134可电连接到成排的涡轮转子叶片126。例如，可使得该连接经由传统滑环到诸如转子叶轮的构件或直接到诸如支承表面的静止部件。第二电极135可定位在固定结构，其接近第一电极134附连到其上的成排的涡轮转子叶片126。第二电极135可至少部分定位在热气体流动路径内。在示范实施例中，如图所示，第二电极135在成排的转子叶片126的恰好下游处附连到壳体132。第二电极135可由能够承受热气体流动路径的严苛要求的材料构建。例如，第二电极135可包括铜、银、锰、硅或其它适当材料。第一电极134和第二电极135，如图4所示，可连接到控制单元136。控制单元136可包括构造成施加穿过两个电极134、135的电压的电压源。电压源可包括具有电压供应的任何传统系统。控制单元136可包括安培计或类似仪器用于确定电流是否在两个电极134、135之间流动和/或在两个电极134、135之间流动的电流的水平。

在正常操作中，将理解控制单元136将观察不到在两个电极134、135之间流动的电流或者观察到很小的在两个电极134、135之间流动的电流。这是由于覆盖并且电隔离转子叶片126的隔离涂层129而产生。然而，当裂缝出现在转子叶片126上的任何位置时，它可破坏隔离涂层129并且最终导致在涂层中的脆弱位置，使得缺陷138形成，缺陷138将涡轮转子叶片126的金属表面的小块或部分暴露到热气体流动路径的热气体中。本领域技术人员将理解热气体导电并且电路141可通过其中形成。因而，控制单元136或安培计将检测到电流在两个电极134、135之间流动并且电路141已经形成。在示范实施例中，电路141的检测可导致系统提供如下警告通知：缺陷138是可能的和/或应当采取纠正措施。系统的灵敏度可通过利用不同的电压或要求在发布警告通知之前满足特定的预定电流阈值来调整。将理解这种电流阈值可构造成对应于特定大小的缺陷(即转子叶片的特定量的更易导电表面区域的暴露)。

在可选实施例中，在正常操作期间可观察到电流在两个电极134、135之间流动，然后当检测到缺陷时电流开始提升。这可以是由于特定类型的保护隔离涂层导电(或至少比其它类型的涂层更易导电)的事实而产生。因此，在这种情形中，在正常操作中，将理解可存在两个电极134、135之间被控制单元136观察到的电流的水平。然而，当将涡轮转子叶片126的更易导电的表面的小块或部分暴露到流动路径的热气体的裂缝发生时，控制单元136将观察到在两个电极134、135之间流动的电流的增加的水平。在该实施例中，电流的增加的观察提供对缺陷138的警告信号。如之前，通过电路141的增加的电流的检测可导致系统提供如下警告通知：缺陷138是可能的和/或应当采取纠正措施。系统的灵敏度可通过利用不同的电压或要求在发布警告通知之前满足指示电流改变的特定水平的特定预定电流阈值或多个阈值来调整。

在一些实施例中，流动路径的热气体的导电率可通过利用导电材料掺杂燃料或将导电介质注射到压缩空气的流动路径中而显著增加。在一些实施例中，这可在执行对缺陷(即裂缝形成或涂层剥落)的测试的测试周期期间周期性地进行。此外，缺陷138的大小可通过给定所施加的电压和现有缺陷大小以及其它相关条件(即是否存在掺杂剂等)，利用流过所形成的电路141的电流的大小而校正系统来确定。例如，更高的电流水平将指示更大的缺陷大小。并且，没有提升到超过阈值电流水平的较低的电流水平可指示转子叶片基本没有缺陷。

没有裂缝形成时，电隔离涂层的腐蚀或剥落也可导致缺陷138，其将转子叶片126的金属表面暴露到流动路径的热气体。这还可引起在两个电极134、135之间的电路的形成并且导致控制单元136检测出指示电流。剥落可由于转子叶片126的隔离涂层的磨损掉或腐蚀而导致。在这种情形下，系统可通过警告涂层剥落来防止裂缝的形成(以及转子叶片的氧化)，涂层剥落在没有纠正措施时可导致对转子叶片126的更大热应力。

将理解在发动机操作时监控裂缝形成和涂层剥落可降低对定期的目视检查的需要，这还可降低发动机停机时间。此外，当发动机操作时监控可检测显著缺陷的形成，该缺陷否则将直到下一次预定检查才被注意到。在该情形中，可避免灾难性的失效事件。

本领域技术人员将理解，以上描述的关于若干示范实施例的许多不同的特征和构型可进一步选择性地施加以形成本发明的其它可能的实施例。为简短起见并且考虑本领域技术人员的能力，所有可能的重复都不提供或不详细讨论，但是被若干权利要求所包含的所有联合和可能的实施例或其它意图为当前申请的部分。此外，从本发明的若干示范实施例的以上描述中，本领域技术人员将意识到改进、改变和修改。在本领域内的这些改进、改变和修改也意图被所附权利要求覆盖。而且，应当显而易见上述仅仅涉及本申请的所描述的实施例并且可在本文中做出大量改变和修改而不脱离为权利要求和其等价物所限定的本申请的精神和范围。

Claims (22)

1.一种用于当燃烧涡轮发动机操作时检测在所述燃烧涡轮发动机的涡轮转子叶片中的缺陷的系统，所述系统包括：

包括隔离涂层的涡轮转子叶片；

电连接到所述涡轮转子叶片的第一电极；

其特征在于，所述系统还包括：

接近所述涡轮转子叶片的第二电极；

用于引起穿过所述第一电极和所述第二电极的电压的装置；和

用于检测在所述第一电极与所述第二电极之间流动的电流的装置。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一电极连接到转子叶轮，所述涡轮转子叶片附连至所述转子叶轮内；

其中，所述第一电极到所述转子叶轮的连接包括如下连接中的一种：a)到旋转部件的滑环连接；和b)到非旋转支承表面的连接；并且

其中，所述第二电极连接到涡轮壳体。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二电极在所述涡轮转子叶片包括在其中的成排的涡轮叶片的恰好下游处连接到固定结构；

其中，所述第二电极暴露于所述燃烧涡轮发动机的热气体流动路径；并且

其中，所述隔离涂层包括热障涂层。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括控制单元；

其中，所述控制单元包括电压源，其构造成施加穿过所述第一电极和所述第二电极的预定水平的电压；并且

其中，所述控制单元包括安培计，其构造成检测在所述第一电极与所述第二电极之间流动的电流。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述控制单元包括安培计，其构造成检测在所述第一电极与所述第二电极之间流动的电流的水平；并且

其中，所述控制单元构造成确定在所述第一电极与所述第二电极之间的检测到的电流水平是否超过阈值电流水平。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一电极、所述第二电极和所述控制单元构造成使得当所述隔离涂层包括在所述涡轮转子叶片的表面上的期望水平的覆盖时，穿过所述第一电极和所述第二电极施加的预定电压水平不能引起在所述第一电极与所述第二电极之间的检测到的电流水平超过所述阈值电流水平。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一电极、所述第二电极和所述控制单元构造成使得：

在第一操作条件期间，在所述第一电极与所述第二电极之间的检测到的电流水平不超过所述阈值电流水平；并且

在第二操作条件期间，在所述第一电极与所述第二电极之间的检测到的电流水平超过所述阈值电流水平；

其中，所述第二操作条件包括缺陷存在于所述隔离涂层中的操作条件。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述缺陷包括在所述涡轮转子叶片上的预定大小的暴露区域，所述暴露区域包括大致不再被所述隔离涂层覆盖的区域；并且

其中，所述暴露区域的预定大小对应于如下暴露的区域，即在所述区域处所述预定电压水平引起检测到的电流水平超过所述阈值电流水平。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述缺陷包括所述隔离涂层的剥落和所述涡轮转子叶片内的裂缝形成中的一种。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一操作条件包括如下操作条件，即在其中可暴露于所述燃烧涡轮发动机的热气体流动路径的所述涡轮转子叶片的表面的期望的部分被所述隔离涂层覆盖；并且

其中，所述控制单元构造成当所述第二操作条件出现时发布警告通知。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于：

所述隔离涂层包括小于所述涡轮转子叶片的导电率的导电率；

所述隔离涂层包括小于在操作期间在所述涡轮转子叶片与所述第二电极之间的所述热气体流动路径的近似导电率的导电率；并且

所述期望的部分包括可暴露于所述燃烧涡轮发动机的热气体流动路径的涡轮转子叶片的大致所有的表面区域。

12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在操作期间所述燃烧涡轮发动机的热气体流动路径包括导电掺杂剂；并且

其中，所述导电掺杂剂以预定测试间隔注射进所述热气体流动路径。

13.一种用于当燃烧涡轮发动机操作时检测在所述燃烧涡轮发动机的涡轮转子叶片中的缺陷的方法，所述方法包括如下步骤：

提供电连接到所述涡轮转子叶片的第一电极；

提供接近所述涡轮转子叶片的第二电极；

施加穿过所述第一电极和所述第二电极的电压；并且

检测在所述第一电极与所述第二电极之间流动的电流。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括利用隔离涂层涂覆所述涡轮转子叶片的步骤；

其中：

所述隔离涂层包括小于所述涡轮转子叶片的导电率的导电率；并且

所述隔离涂层包括小于在所述燃烧涡轮发动机的操作期间在所述涡轮转子叶片与所述第二电极之间的热气体流动路径中的燃烧气体的近似导电率的导电率。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第二电极在所述涡轮转子叶片包括在其中的成排的涡轮叶片的恰好下游处连接到固定结构；并且

其中，所述第二电极定位成使得所述第二电极在所述燃烧涡轮发动机的操作期间暴露于所述热气体流动路径中的燃烧气体。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：

检测在所述第一电极与所述第二电极之间流动的电流的水平；和

确定检测到的电流水平是否超过阈值电流水平。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述阈值电流水平对应于阈值，在所述阈值之上检测到的电流水平包括由在所述隔离涂层中的缺陷导致的高可能性。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述缺陷包括在所述涡轮转子叶片上的预定大小的暴露区域，所述暴露区域包括大致不再被所述隔离涂层覆盖的区域；并且

其中，所述暴露区域的预定大小对应于如下大小，即在所述大小处所述预定电压水平引起检测到的电流水平超过所述阈值电流水平。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，不超过所述阈值电流水平的检测到的电流水平对应于当可暴露于所述热气体流动路径的燃烧气体的所述涡轮转子叶片的表面区域的期望部分保持被所述隔离涂层覆盖时出现的电流水平；

还包括当检测到的电流水平超过所述阈值电流水平时发布警告通知的步骤。

20.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括将导电掺杂剂在所述涡轮转子叶片的上游的热气体流动路径中的位置处注射进所述热气体流动路径的步骤。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述导电掺杂剂构造成增加在所述燃烧涡轮发动机的操作期间流过所述热气体流动路径的所述燃烧气体的导电率。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述导电掺杂剂周期性地注射，注射的周期对应于期望的测试进度。