CN103261859B - 监控涡轮发动机中所关注的高温区域的方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于监控涡轮发动机(10)中所关注的高温区域的方法。该方法包括提供内部冷却的静叶片(12)。该方法还可包括将至少一个监控口(14)布置在静叶片中，并将监控装置(16)活动性地连接到监控口，以提供所关注区域的视场。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年10月21日提交的美国临时专利申请No.61/405377的权益，该临时专利申请作为引用并入本文。本申请涉及美国专利申请no.13/274692(代理人案号2010P20143US01，发明名称“SYSTEM FOR MONITORING A HIGH-TEMPERATURE REGION OFINTEREST IN A TURBINE ENGINE”)，该专利申请与本申请同时提交，并作为引用并入本文。
技术领域
本发明的各方面涉及涡轮发动机，更具体地说，涉及一种用于监控所关注的高温区域的方法，例如可以通过位于涡轮机的静叶片内部的监控装置来执行。
背景技术
本发明的受让人已成功展示用于在线监控涡轮发动机的旋转和/或静止部件的设备和技术。例如参见发明名称为“Method and Apparatus For Measuring Online FailureOf Turbine Thermal Barrier Components”的美国专利7690840所述的设备和技术，该专利的全部内容作为引用并入本文。
鉴于在涡轮发动机的密闭空间访问(confined space access)情形下可能出现的几何形状和热约束，由已知设备提供的热和/或空间视角通常局限于相对于涡轮机的柱形结构径向向内布置的区域。例如，获得径向向外布置的区域的热和/或空间视角还没能实现，或者基本受限于尺寸和/或入射角。
此外，已知设备涉及比较长的光路，这一般需要相对大量的光学元件(例如中继光学等)，因为这样的设备位于与通常会出现在涡轮机的工作气体的路径中的高温和/或高压间隔开的区域中。长光路可迫使设计者使用涉及光学权衡(optical tradeoff)的光学元件(在这样的长光路情形下需要这样的光学元件)，例如可涉及使用具有比较低的反射特性的光学元件。例如，具有比较高的反射特性的光学元件可能不适于在涉及大量这样的元件的长光路中，但是可适于在涉及较少数量的光学元件的短光路中。这些考虑因素可稍微限制设计者进行光学设计以处理其它权衡的能力，例如使用更粗糙的光学材料的能力，更粗糙的光学材料可具有较高的反射特性。
因此，鉴于前述考虑，继续需要对设备和/或技术进行改进，用于监控涡轮发动机中所关注的高温区域。
附图说明
在下面说明中参考下面附图解释本发明的各方面：
图1部分示出根据本发明各方面的可用于监控涡轮发动机中所关注的高温区域的系统的示例性实施例的示意图。
图2-4示出根据本发明各方面的静叶片的各个示例性实施例的各自局部剖视图，该静叶片包括监控装置(例如观察装置)，其活动性地连接到静叶片的观察口以提供所关注区域的视场。
图5是可连接成将观察装置固定在轮叶中的盖组件的示例性实施例的横截面视图。
图6是可连接成将观察装置固定在轮叶中的扭转锁定组件的示例性实施例的横截面视图。
图7是观察装置的示例性实施例的局部剖视图，该观察装置例如可由光学纤维束制成。
具体实施方式
图1部分示出系统8的示例性实施例的示意图，这可用于在线监控涡轮发动机10中所关注的高温区域20，如可用在陆基、海上或航空应用中。本领域技术人员应当明白的是，涡轮机10可包括许多内部冷却(例如空气冷却)的静叶片，这位于涡轮机的工作气体的路径中，并由此经受例如约几千华氏度的比较高的温度，比如约2800℉或更高。
根据本发明的各方面，轮叶12可构造成包括监控口141，并在其内部容纳监控装置16，监控装置活动性地连接到监控口141，以例如提供远离轮叶12的所关注区域20的视场18。应当明白的是，本发明的各方面不局限于构造在轮叶12中的单个监控口141。例如，比如监控口142和143的另外的监控口可构造在轮叶12中，以提供远离轮叶12的另外所关注区域的相应视场。可位于所关注区域20中的示例性涡轮机部件可包括定位在相应的转动叶片(未示出)的叶尖附近的静止环段(未示出)。本领域技术人员应当明白的是，位于这些环段上的热障涂层(TBC)可经受加速磨损和撕裂，因为这些环段在高压环境和/或与叶尖的有损接触(hard contact)下遭受高速、高温气体的影响。
在一个示例性实施例中，系统8包括联接到监控装置16以从所关注区域获得数据的数据采集装置22。在一个示例性实施例中，数据采集装置22可以是联接到监控装置16以获得所关注区域的成像数据的红外(IR)成像装置，例如红外摄像机。在一个示例性实施例中，处理器23可活动性地联接成处理来自红外成像装置22的成像数据，以产生所关注区域的图像(空间和/或热图像)。对于渴望获得与处理来自红外摄像机的成像数据的示例性技术有关的一般背景信息的读者，可以参考美国专利7690840。应当明白的是，监控装置16、数据采集装置22和处理器23不必分别局限于监控、收集和处理成像数据，因为可以设想的是，监控装置16、数据采集装置22和处理器23可选择地适于(例如，基于特定应用的需要)监控、收集和处理非成像数据，非成像数据例如可涉及高温测定数据、光谱数据、化学成分数据、振动数据、声学数据、光学数据等。下面示例性说明着重于示例性成像应用，监控装置16可指的是观察装置。然而，如上所注意，这样的示例性说明不应理解为局限性的。
在一个示例性实施例中，红外摄像机22可具有通常背离所关注区域20的视轴(viewing axis)24。例如，视轴24可相对于涡轮机的旋转轴径向面向内，这有助于监控涡轮机的径向向内区域，但是并不有益于监控涡轮机的向外区域，例如区域20。因此，根据本发明的各方面，观察装置16可构造有适当定位的棱镜或反射镜组件，以相对于红外摄像机的视轴24的径向向内方向提供逆向视角(retroview)(例如倾斜地背离)，使得所关注区域20落在红外摄像机的视轴内。应当明白的是，观察装置16可适于重新定位在轮叶12内，例如可绕轴24旋转和/或可沿轴24径向地移动，以监控替代的所关注区域，例如可通过监控口141、142和143来执行。
在一个示例性应用中，监控装置16可布置成测量和/或观察例如可从所关注区域(可位于第一排轮叶的上游)获得的各种化学和/或物理指标，例如可提供朝向燃烧室的视角。这些指标可用于确定燃烧流的特性。示例性指标可以是流动特性、化学成分、化学反应动力学等。另外的可与包含本发明各方面的系统一起使用的示例性应用可以是监控叶尖间隙。
应当明白的是，可以处理从两个或多个监控装置获得的数据，以产生来自所关注区域的立体(例如视差)或3D测量结果或者成像，例如，来自双观察装置16的成像数据可用于使所关注区域立体成像。
应当明白的是，在一个示例性实施例中，这样的双观察装置可布置成彼此邻近(原则上与并排的双目观察镜类似)，并可提供所关注区域的部分重叠视场。应当明白的是，两个或多个观察装置不必布置成彼此邻近。例如，两个或多个观察装置可以布置在预定的精确间隔开的位置处，以提供所关注的给定区域的不同透视图，不同的透视图可随后被处理以产生来自所关注区域的立体或3D测量结果或者成像。
从图1中可明白，在一个示例性实施例中，红外摄像机22可布置在由涡轮机的内壳28和外壳30限定的夹层空间26中。在该示例性实施例中，红外摄像机22可包括水冷却系统32，因为尽管夹层空间26中的温度基本上比热温度工作气体操作的区域凉，但是其可以是几百华氏度，例如约850℉或更高。应当明白的是，红外成像装置22不必布置在夹层空间26中，因为红外成像装置22可位于其它区域，例如涡轮机外壳30的外部，这可消除对水冷却系统32的需要。
本领域技术人员应当明白的是，观察装置16可使用各种示例性安装装置中的任一种牢固地附接在轮叶12的内部。例如，图2示出轮叶12的局部剖视图，该轮叶可包括构造成接收观察装置16的远端的引导管33。图3示出用于固定观察装置16的另一示例性装置，其中，轮叶12包括托架34，该托架34连接在轮叶12的近端以支撑用于将观察装置16接收进轮叶12中的漏斗状管36。如图3所示，观察口14可包括限制器21(例如突起)，以限制冷却空气流过轮叶的观察口。
图4示出托架34可连接到盖组件40的示例性实施例，盖组件可布置成将观察装置16固定在轮叶12中，并提供轴向力以将观察装置16的壳体的远端推靠在基板41上。
如图5进一步所示，在一个示例性实施例中，盖组件40可由凸形盖44构成，凸形盖可连接到托架34，以接收凹形盖46，盖44和46可布置成提供彼此之间的螺纹连接。弹簧偏置元件48可布置在构造于观察装置16中的凸缘50之间，使得当凹形盖46紧固在凸形盖44上时，弹簧偏置元件28提供轴向力以将观察装置16的远端推靠在基板41上(图4)。
如图6所示，在另一示例性实施例中，托架34可包括扭转锁定组件52，其可包括用于接收构造在观察装置16中的锁定销56的锁定槽54，并还可包括弹簧偏置元件58，该弹簧偏置元件布置成提供轴向力以将观察装置的末端推靠在底板上。如图6可理解，托架32可包括多个穿孔57，以减少对经过轮叶的工作气体的阻碍。
应当明白的是，观察装置16不必局限于刚性光学实施方式(与摄影长焦镜头的结构类似)，因为可以设想的是，在一个示例性实施例中，如图7所示，观察装置16可由一个或多个布置成观察来自所关注区域20的红外发射的光学纤维束60(与柔性医用内窥镜类似)构成。应当明白的是，与刚性光学实施方式相比，该实施例可提供光学路由柔性(opticalrouting flexibility)。例如，光学纤维束60和红外摄像机22(图1)之间的光学耦合给设计者提供适应性，例如与红外摄像机22的位置有关的适应性。
在操作时，体现本发明各方面的光机电系统可构造成提供位于所关注区域中的涡轮机部件的温度测绘和/或空间成像。在一个示例性实施例中，可根据相对或绝对温度来校准红外数据，以产生位于所关注区域中的涡轮机部件的温度图。例如，这可允许确定这样的涡轮机部件的一个或多个区域是否在经受热损坏。本领域技术人员应当明白，这样的热损坏可导致特定涡轮机部件的寿命缩短或损坏。
在操作时，体现本发明各方面的光机电系统可构造成实时或近实时监控所关注区域的温度和状况。根据本发明各方面的系统可创造地布置成提供朝向所关注区域的回顾观察(例如大致向后观察)。该系统可构造成在涡轮机的各操作状况(例如启动、基本载重和关闭)下监控所关注区域。
在一个示例性实施例中，可以处理红外数据以产生位于所关注区域中的涡轮机部件的空间成像。例如，空间成像可用于使这样的涡轮机部件的可能正在经受物理损坏的一个或多个区域可视化。空间成像还可用于觉察与未如期望般工作的涡轮机部件有关的操作问题。应当明白的是，热测绘和空间成像可以协同组合地用于获得与位于所关注区域中的涡轮机部件的各特性有关的常识性知识，例如操作性能、寿命缩短或损坏的诱发因素、制造缺陷、维护导致的缺陷等。应当明白的是，由体现本发明各方面的监控装置获得的数据可以以不同的波长获得。可随后处理这些数据以例如进一步表征或量化温度或其它光谱测量值，例如可用于产生来自特定所关注区域的多光谱图像和/或测量值。
本发明的示例性方面可包括：热和/或空间成像，用于检查处于运动或静止的涂覆有TBC的部件；在不会或很少中断涡轮机的操作的情况下进行定量测量的能力；以及基本实时地做出操作决定以减少由TBC故障引起的危险和损坏。应当明白的是，体现本发明各方面的系统不局限于在线操作，并可适于离线操作，例如可允许当涡轮机处于离线模式时在各种情形下进行无损和非接触的定量测量，比如新的、维护不加保护的修理部件。
在一个示例性在线实施例中，在涡轮机的近实时操作期间，可以周期地监控和监看指示测量值和/或适于产生所关注区域的图像的数据。可以设想的是，快速分析和确定系统(如可利用专家和/或监管子系统)可用于分析收集的数据，并做出与涡轮机的操作有关的决定。该专家和/或监管子系统可包括预测算法，这可允许预测当检测到特定的故障状况时可用的操作时间。该专家和/或监管子系统可构造成允许操作者基本实时地改变涡轮机操作状况和/或与监管控制器互相作用，以基本实时地改变涡轮机操作状况。
尽管本文中示出并描述了本发明的各实施例，但是应当明白的是，仅以示例的方式提供这样的实施例。在不脱离本发明的情况下，可以进行许多变化、改变和替代。因此，本发明仅受所附权利要求的精神和范围的限制。
Claims (13)
1.一种用于监控涡轮发动机中所关注的高温区域的方法，所述方法包括：
提供内部冷却的静叶片；
将监控口定位在所述静叶片中；
将监控装置活动性地连接到所述监控口，以提供所关注区域的视场，其中，所述监控装置具有容纳在静叶片内的远端，其中，所述监控装置能够绕叶片的纵轴重新定位在静叶片内；
将另外的监控口布置在静叶片中，以提供另外的关注区域的另外视场；
通过联接到所述监控装置的数据采集装置获得来自所关注区域的数据，其中，所述监控装置包括观察装置，所述数据采集装置包括红外(IR)成像装置，并且其中，所述获得来自所关注区域的数据包括同时通过联接到所述红外(IR)成像装置的观察装置获得所关注区域的成像数据；
处理来自红外(IR)成像装置的成像数据以产生所关注区域的图像，所关注区域的图像包括具有相应热障涂层(TBC)的一个或多个涡轮部件的热图像和空间图像，一个或多个涡轮部件位于涡轮发动机中的所关注的高温区域中；在不中断涡轮发动机的操作的情况下，将所述监控装置重新定位在静叶片中，以活动性地连接到另外的监控口，其中，所述将所述监控装置重新定位在静叶片中包括旋转所述监控装置、沿径向移动所述监控装置，或者既在静叶片内旋转所述监控装置，又沿径向移动所述监控装置；以及
基于对位于涡轮发动机中的所关注的高温区域中的一个或多个涡轮部件的TBC的变化的了解来改变涡轮发动机的操作条件，所述了解从位于涡轮发动机的所关注的高温区域中的一个或多个涡轮部件的所产生的热图像和空间图像中收集到。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述红外成像装置包括红外摄像机，所述方法还包括布置所述观察装置的视场以相对于红外摄像机的视轴提供逆向视角，所述视轴背离所关注区域，所述观察装置的视场布置成所关注区域位于红外摄像机的视轴内。
3.如权利要求1所述的方法，还包括通过静叶片中的引导管引导所述监控装置，并将所述引导管构造成接收所述监控装置的远端。
4.如权利要求1所述的方法，还包括限制穿过所述监控口的气流。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述红外成像装置包括红外摄像机，所述方法还包括将所述红外摄像机布置在由涡轮机的内壳和外壳限定的夹层空间中。
6.如权利要求1所述的方法，还包括利用所述监控装置监控叶尖间隙。
7.一种用于监控涡轮发动机中所关注的高温区域的方法，所述方法包括：
提供内部冷却的静叶片；
将监控口定位在所述静叶片中；
将监控装置活动性地连接到所述监控口，以提供所关注区域的视场，其中，所述监控装置具有容纳在静叶片内的远端，其中，所述监控装置能够绕叶片的纵轴重新定位在静叶片内；
将另外的监控口布置在静叶片中，以提供另外的关注区域的另外视场；
在不中断涡轮发动机的操作的情况下，将所述监控装置重新定位在静叶片中，以活动性地连接到另外的监控口，其中，所述将所述监控装置重新定位在静叶片中包括旋转所述监控装置、沿径向移动所述监控装置，或者既在静叶片内旋转所述监控装置，又沿径向移动所述监控装置；
通过联接到所述监控装置的数据采集装置获得来自所关注区域的数据，其中，所述监控装置包括观察装置，所述数据采集装置包括红外(IR)成像装置，并且其中，所述获得来自所关注区域的数据包括同时通过联接到所述红外(IR)成像装置的观察装置获得所关注区域的成像数据；
处理来自红外(IR)成像装置的成像数据以产生所关注区域的图像，所关注区域的图像包括具有相应热障涂层(TBC)的一个或多个涡轮部件的热图像和空间图像，一个或多个涡轮部件位于涡轮发动机中的所关注的高温区域中；
获得与位于涡轮发动机中的所关注的高温区域中的一个或多个涡轮部件的TBC的变化相关的了解，所述了解从位于涡轮发动机中的所关注的高温区域中的一个或多个涡轮部件的热图像和空间图像的协同组合中收集到。
8.如权利要求7所述的方法，还包括将两个或更多个监控装置活动性地连接到相应的监控口，以提供所关注区域的相应视场。
9.如权利要求8所述的方法，其中，处理来自所述两个或更多个监控 装置的数据构造成产生所关注区域的三维测量结果、所关注区域的图像，或者产生所关注区域的三维测量结果和所关注区域的图像两者。
10.如权利要求9所述的方法，还包括将两个或更多个监控装置中的至少一些彼此邻近地布置，以提供所关注区域的部分重叠的视场。
11.如权利要求9所述的方法，还包括将两个或更多个监控装置中的至少一些布置在预定的间隔开的位置处，以提供所关注区域的至少不同透视图。
12.如权利要求7所述的方法，其中，所述获得来自所关注区域的数据包括获得处于至少两种不同波长的数据。
13.如权利要求12所述的方法，其中，处理获得的处于所述至少两种不同波长的数据构造成产生来自所关注区域的多光谱图像和/或来自所关注区域的多光谱测量结果。
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