CN102803660B - 用于涡轮发动机的光学监测系统 - Google Patents

用于涡轮发动机的光学监测系统 Download PDF

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Abstract

用于燃气涡轮发动机的监测系统(10)包括具有内端(34)和外端(36)的视管组件(32)。内端布置成靠近燃气涡轮发动机内的热燃气流动路径，外端布置成靠近燃气涡轮发动机的外机匣。开孔壁(68)位于视管组件的内端并且光学元件(42)靠近内端布置在视管组件内并与开孔壁间隔开，以限定了它们之间的冷却和清洗室(72)。开孔(96)限定在开孔壁中用于将来自热燃气流动路径的光通向光学元件。漩涡通路(80)在视管组件中限定在开孔壁和光学元件之间，用于将来自视管组件外部位置的冷却空气通入室(72)中，其中漩涡通路使得空气在室内沿圆周方向漩涡运动。

Description

用于涡轮发动机的光学监测系统
本发明根据美国能源部授权的合同号DE-FC26-01NT41232在美国政府的支持下完成。美国政府对该发明享有一定的权利。
技术领域
本发明总体涉及涡轮发动机，更具体地，涉及用于监测燃气涡轮发动机的热燃气路径中的部件的监测系统。
背景技术
诸如燃气涡轮发动机的内部的难以到达或受限区域经常需要例行检查，以检验内部的发动机部件的完整性，并通过识别潜在的问题(即在部件失效前部件中的缺陷)或识别现有问题的来源来维持发动机的安全运行。例如，在燃气涡轮发动机的例行停机维护期间，可以通过使用内孔镜(borescope)的视觉检查来识别问题。
在发动机运行期间可以对涡轮发动机执行额外的光学监测，以进一步识别布置在发动机的热燃气路径内的部件的状况。在发动机运行期间发动机部件的光学监测需要将光学元件放置在发动机内，可能会将它们暴露于比光学材料的工作范围高的温度中。在已知的系统中，压缩冷空气、水或液氮形式的外部冷却被添加至系统，以冷却光学元件使其温度低于最高工作温度。该方案一般极大地增加了光学系统的复杂性并增加了额外的成本。此外，因为光学元件在发动机运行期间必须被持续地冷却，因此优选地仅在短期基础上使用这样的外部冷却系统。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于燃气涡轮发动机的监测系统。该监测系统包括具有内端和外端的视管组件。内端布置成靠近燃气涡轮发动机内的热燃气流动路径，外端布置成靠近燃气涡轮发动机的外机匣。开孔壁位于视管组件的内端处，开孔壁从视管组件的内表面径向向内地延伸。光学元件靠近内端布置在视管组件内并与开孔壁间隔开，以限定了它们之间的冷却和清洗室。开孔限定在开孔壁中用于将来自热燃气流动路径的光通向光学元件。一个或多个漩涡通路(swirl passage)在视管组件中限定在开孔壁和光学元件之间，用于将来自视管组件外部位置的冷却空气通入室中，其中一个或多个漩涡通路使得空气在室内沿圆周方向漩涡运动。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于燃气涡轮发动机的监测系统，其中燃气涡轮发动机包括围绕通过涡轮发动机的热燃气路径的径向内机匣和径向外机匣壁。该监测系统包括具有内端和外端的视管组件。内端布置成靠近内机匣壁，外端布置成靠近燃气涡轮发动机的外机匣壁。开孔壁位于视管组件的内端处，开孔壁从视管组件的内表面径向向内地延伸。光学元件靠近内端布置在视管组件内并与开孔壁间隔开，以限定了它们之间的冷却和清洗室。开孔限定在开孔壁中，用于将来自热燃气流动路径的光通向光学元件。多个周向间隔开的漩涡通路从视管组件的外表面延伸至视管组件的内表面，并靠近光学元件布置，用于将来自视管组件外部位置的冷却空气通入室中，其中漩涡通路各自相对于通过视管组件的中心纵轴的向内方向成一角度，以使空气在室内沿圆周方向漩涡运动，并且随后冷却空气通过开孔流出所述室。
附图说明
尽管说明书所附的权利要求书具体地指出并清楚地保护了本发明，不过相信，结合附图阅读以下说明将更好地理解本发明，附图中相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1为通过涡轮发动机的一部分的横截面视图，描绘了根据本发明的监测系统；
图2为通过监测系统的视管组件的内端部分的横截面视图；
图3为沿图2中的3-3线截取的横截面视图；
图4为用于视管组件的透镜壳体的侧视图；以及
图5为用于视管组件的透镜管的一部分的侧视图。
具体实施方式
在以下的优选实施例的详细说明中，参考形成说明书的一部分的附图，并且其中通过示意的方式而不是限制的方式示出了可以实现本发明的具体的优选实施例。应当理解，可以采用其它的实施例，并且所做出的这些改变没有偏离本发明的精神和范围。
参考图1，示出了涡轮发动机12运行期间用于提供燃气涡轮发动机12中的部件的成像的监测系统10。具体地，成像系统10示出为安装至涡轮发动机12，并定位成在涡轮发动机12的径向外机匣壁18和内机匣壁20之间延伸，其中内机匣壁20从外机匣壁18径向向内地布置。径向内机匣壁20支撑环状的叶片环或罩结构22。内机匣壁20和环状的罩构造22包围延伸穿过涡轮发动机12的涡轮部26的热燃气路径24。
外机匣壁18和内机匣壁20之间的区域包括用于容纳外壳(shell)空气的外壳区域28，其中，外壳空气包括从涡轮发动机12的压缩机部(未示出)的出口流向燃烧室部(未示出)所提供的空气。此外，静叶冷却空气通路30限定在内机匣壁20和环状的罩构造22之间，用于以常规的方式将冷却空气提供至静叶排(未示出)，其中常规的方式例如从压缩机部的一个或多个级引气。在所示实施例中，监测系统10可以设置成用于对部件上的包括细长的涡轮叶片14的位置成像。
监测系统10包括视管组件32，该视管组件32具有靠近内机匣壁20布置的内端34和靠近燃气涡轮发动机12的外机匣壁18布置的外端36。视管组件32可以包括具有一个或多个管状元件的组件。例如，视管组件32通常可以包括基本上相似于美国专利No.7231817所描述的结构的结构，该美国专利通过引用引入本文。
参考图2，所示的视管组件32包括管状的透镜管38和布置在透镜管38内的透镜壳体40。透镜壳体40支撑光学元件42，该光学元件42可以包括一个或多个沿着视管组件32的纵轴44对齐的透镜，以用于将来自视管组件32的内端34的光学图像传输至外端36。应当理解，尽管出于详述本发明的目的示出了具体的光学元件，不过提供该图示仅用于示例的目的，其它的或附加的光学元件42可以包括在视管组件32中，例如视管组件32包括包含光纤或其它的光传输装置的光学元件42。
如图2所示，透镜管38包括用于接合内机匣壁20的结构。例如，透镜管38可以包括接合内机匣壁20的协作表面48的凸缘46，以限定透镜管38的轴向位置；并且还包括端部50，该端部50可以设置成用于接合位于端部50和罩结构22之间的衬套52。透镜管38的端部50限定了大致圆柱状的敞开区域，用于允许来自一个或多个部件即叶片14的光通向视管组件32内的光学元件42。此外，端部50可以包括凸缘54，该凸缘54从透镜管38的内端表面56径向向内延伸，并形成了用于接合透镜壳体40的端部58的支撑结构。
参考图2和图4，透镜壳体40包括具有第一端60和第二端62的管状构件，并包括限定了视管组件32的内部部分的内表面66和外表面64。光学元件42可以被支撑在内表面66上第一端60和第二端62之间的位置处。开孔壁68从内表面66径向向内延伸，并与光学元件42的内侧面70轴向间隔开以限定了开孔壁68和光学元件42之间的冷却和清洗室72。光学元件42防止燃气从所述室72通过光学元件42进入视管组件32中。
凸缘54包括开口74，该开口74用于允许来自热燃气路径24的光通入视管组件32中。此外，开孔壁68包括刀刃状边缘的光学开孔76，用于允许光通入透镜壳体40中并限定了用于将部件(即涡轮叶片14)上的位置成像至光学元件42的视场。相对于光学元件42的直径即相对于透镜，光学开孔76为基本上很小的开口，其中光学元件42((透镜)的直径比光学开孔76的直径大至少5倍。此外，透镜壳体40的端部58将开孔壁68与凸缘54隔开预定的轴向距离，以限定了它们之间的围绕光学开孔76的环状区域78。
参考图2和图3，透镜壳体40包括至少一个用于将冷空气通入室72中的漩涡通路80，并且优选地包括多个周向间隔开的漩涡通路80。漩涡通路80位于沿着室72基本上接近光学元件42的轴向位置处，并且平行于大致垂直于纵轴44的平面，该平面例如光学元件42的内侧面70限定的平面。
如图4中看到的，透镜壳体40包括靠近第一端60的第一凸缘79和靠近第二端62的第二凸缘81。第一凸缘79和第二凸缘81将透镜壳体40的外表面64与透镜管38的内部间隔开，使得冷却空气供给通路82限定在透镜管38和透镜壳体40之间的间隙中以接收冷却空气CA1(图2)。提供至空气通路82的冷却空气CA1可以包括从外壳区域28通入视管组件32中的外壳空气。例如，透镜管38可以设置有一个或多个孔84(也参见图5)，用于将外壳供给的冷却空气CA1从透镜管38外的位置通入空气通路82中。通过漩涡通路80提供至所述室72中的总的流通面积大于通过光学开孔76流出所述室72的流通面积，使得在所述室72内保持压力基本上与外壳空气的压力一样大。
如图3中看到的，漩涡通路80引导冷却空气CA1进入室72以沿向内的方向D流动，其中方向D横向于径向方向r，该径向方向r始自漩涡通路80处的内表面66并通过视管组件32的纵轴44，因此，通路80使得进入室72的冷却空气CA1形成了漩涡运动。具体地，漩涡通路80定向成引导冷却空气CA1沿大致切向于透镜壳体40的内表面66的方向D进入室72，使冷却空气CA1沿靠近光学元件42的圆周方向漩涡运动S。
要注意的是，流过热燃气路径24的热燃气易于流入视管组件32中，并且提供至室72的冷却空气CA1在室72内提供了增大的压力，其阻止或限制了热燃气的进入同时也为光学元件42提供了对流冷却。此外，可以确信的是，冷却空气CA1的漩涡运动S可实施成减少污染物在光学元件42上的沉积，例如从光学元件42的内侧面70将污染物扫除或清洗。冷却空气CA1的漩涡运动还可以实施成通过在光学元件42的表面处增强冷却空气的运动以增强对流冷却。
参考图2，附加的或辅助的冷却空气CA2可以通过形成在透镜管38中的开口88提供至视管组件32(图5)，以用于将辅助的冷却空气CA2通向环状区域78。具体地，辅助的冷却空气CA2通过靠近透镜壳体40的端部58的开口86，并且辅助的冷却空气CA2进入间隙区域90，该间隙区域90相反于外壳供给冷却空气CA1的空气通路82在第二凸缘81的一侧位于透镜管38和透镜壳体40之间。透镜壳体40的端部58可以包括多个周向间隔开的柱58a(图4)，其在相邻的柱58a之间限定了通向环状区域78的空气通路88。辅助的冷却空气CA2可以包括从静叶冷却通路30供给的静叶冷却空气，并且一般地包括比外壳区域28供给的冷却空气CA1压力小的空气。辅助的冷却空气CA2可以设置成进一步增加视管组件32内的冷却空气压力。
外壳供给的冷却空气CA1和辅助的冷却空气CA2的复合压力大于热燃气路径24中流动的热燃气的压力。因此，冷却空气流CA1、CA2提供的压力能够实施成阻止热燃气流入视管组件32中。
本发明有助于在燃气涡轮发动机运行期间使用光学监测系统，其中光学元件42(即一个或多个透镜)的工作温度一般地小于通过热燃气路径24的燃气的温度。因此，该系统通过为光学系统10的光学元件42提供增强的冷却和免受污染的保护，可以有助于光学系统10的长期运行。
尽管已经示出和描述了本发明的具体实施例，但是在不偏离本发明的精神和范围的情况下，做出各种其它的改进和变型对本领域技术人员将是显而易见的。因此，权利要求意图覆盖在该发明的范围内的所有的这些改进和变型。

Claims (19)

1.一种用于燃气涡轮发动机的监测系统，该监测系统包括:
视管组件，该视管组件具有内端和外端，内端布置成靠近燃气涡轮发动机内的热燃气流动路径，外端布置成靠近燃气涡轮发动机的外机匣；
开孔壁，该开孔壁位于视管组件的内端处，开孔壁从视管组件的内部部分径向向内地延伸；
光学元件，该光学元件靠近内端布置在视管组件内并与开孔壁间隔开，以限定了它们之间的冷却和清洗室；
开孔，该开孔限定在开孔壁中用于将来自热燃气流动路径的光通向光学元件；
一个或多个漩涡通路，该一个或多个漩涡通路在视管组件中限定在开孔壁和光学元件之间，用于将来自视管组件外部位置的冷却空气通入室中，其中一个或多个漩涡通路使得空气在所述室内沿圆周方向漩涡运动。
2.根据权利要求1的监测系统，其中一个或多个漩涡通路引导冷却空气进入所述室以沿向内的方向流动，该向内的方向横向于通过视管组件的中心纵轴的径向方向。
3.根据权利要求2的监测系统，其中一个或多个漩涡通路定向成引导冷却空气大致切向于视管组件的内部部分的内表面进入所述室。
4.根据权利要求2的监测系统，其中一个或多个漩涡通路平行于大致垂直于纵轴的平面。
5.根据权利要求1的监测系统，其中视管组件包括:
透镜管；和
透镜壳体，该透镜壳体在视管组件的内端处位于透镜管内，并限定了一个或多个漩涡通路。
6.根据权利要求5的监测系统，其中轴向延伸的空气通路限定在透镜管和透镜壳体之间的间隙中，用于将冷却空气供给至一个或多个漩涡通路。
7.根据权利要求6的监测系统，其中冷却空气从外壳空气提供至轴向延伸的空气通路，其中该外壳空气通过燃气涡轮发动机的径向外机匣壁和径向内机匣壁之间。
8.根据权利要求7的监测系统，包括限定在燃气涡轮发动机的内机匣壁和环状罩结构之间的静叶冷却空气通路，并且视管组件包括径向向内延伸的凸缘和开口，其中径向向内延伸的凸缘与开孔壁轴向间隔开，并在与室相反的开孔壁的一侧上限定了围绕开孔的环状区域，所述开口用于将来自视管组件外的静叶冷却空气通路的静叶冷却空气通入环状区域中。
9.根据权利要求7的监测系统，其中提供至所述室的外壳空气的压力大于提供至环状区域的静叶空气的压力。
10.根据权利要求1的监测系统，其中光学元件包括透镜，并且透镜的直径比开孔的直径大至少5倍。
11.一种用于燃气涡轮发动机的监测系统，其中燃气涡轮发动机包括围绕通过涡轮发动机的热燃气路径的径向内机匣和径向外机匣壁，所述监测系统包括：
视管组件，该视管组件具有内端和外端，内端布置成靠近内机匣壁，外端布置成靠近燃气涡轮发动机的外机匣壁；
开孔壁，该开孔壁位于视管组件的内端处，开孔壁从视管组件的内部部分径向向内地延伸；
光学元件，该光学元件靠近内端布置在视管组件内并与开孔壁间隔开，以限定了它们之间的冷却和清洗室；
开孔，该开孔限定在开孔壁中用于将来自热燃气流动路径的光通向光学元件；
多个周向间隔开的漩涡通路，所述漩涡通路从视管组件的外表面延伸至视管组件的内表面，并靠近光学元件布置，用于将来自视管组件外部位置的冷却空气通入室中，其中漩涡通路各自相对于通过视管组件的中心纵轴的向内方向成一角度，以使空气在室内沿圆周方向漩涡运动，并且随后冷却空气通过开孔流出所述室。
12.根据权利要求11的监测系统，其中漩涡通路平行于大致垂直于纵轴的平面。
13.根据权利要求12的监测系统，其中漩涡通路定向成引导冷却空气大致切向于视管组件的内表面进入室。
14.根据权利要求11的监测系统，其中视管组件包括:
透镜管；和
透镜壳体，该透镜壳体在视管组件的内端处布置在透镜管内，并限定了漩涡通路。
15.根据权利要求14的监测系统，其中轴向延伸的空气通路限定在透镜管和透镜壳体之间的间隙中，用于将冷却空气供给漩涡通路。
16.根据权利要求15的监测系统，其中冷却空气从通过外机匣壁和内机匣壁之间的外壳空气提供至轴向延伸的空气通路，并且包括限定在燃气涡轮发动机的内机匣壁和环状罩结构之间的静叶冷却空气通路，并且视管组件包括径向向内延伸的凸缘和开口，其中径向向内延伸的凸缘与开孔壁轴向间隔开，并在与室相反的开孔壁的一侧上限定了围绕开孔的环状区域，所述开口用于将来自视管组件外的静叶冷却空气通路的静叶冷却空气通入环状区域中。
17.根据权利要求16的监测系统，其中提供至所述室的外壳空气的压力大于提供至环状区域的静叶冷却空气的压力。
18.根据权利要求11的监测系统，其中漩涡通路中的每个的直径大于开孔的直径。
19.根据权利要求11的监测系统，其中光学元件包括透镜，并且透镜的直径比开孔的直径大至少5倍。
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