CN103511005B

CN103511005B - 涡轮机械监测系统和方法

Info

Publication number: CN103511005B
Application number: CN201310262804.4A
Authority: CN
Inventors: J.M.德尔沃瓦
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co PLC
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2017-09-19
Anticipated expiration: 2033-06-27
Also published as: US20140003905A1; JP6470898B2; EP2679769B1; CN103511005A; EP2679769A3; RU2013128692A; EP2679769A2; US9267378B2; JP2014009687A

Abstract

本发明涉及一种涡轮机械监测系统和方法。所述系统包括涡轮机械（10），涡轮机械（10）具有包括第一机械发光材料（102、104）的第一涡轮机械部件（12、14、18、16、22、24）。第一涡轮机械部件（12、14、18、16、22、24）构造成在暴露于足以引起第一机械发光材料（102、104）机械发光的机械刺激之后产生第一光发射（86、90）。该系统还包括涡轮机械监测系统（20），涡轮机械监测系统（20）构造成基于对第一光发射（86、90）的检测来监测第一部件（12、14、18、16、22、24）的结构健康。

Description

涡轮机械监测系统和方法

有关联邦资助研究和开发的声明

本发明根据通用电气公司和美国能源部之间的合同No.DE-FC26-05NT42643在美国政府支持下做出。美国政府在本发明中具有一定权利。

技术领域

本发明公开的主题涉及涡轮机械，并且更具体地涉及用于监测涡轮机械的结构健康的监测系统。

背景技术

涡轮机械可以一般地限定为构造成在流体和转子之间传递能量的机械，这可用于压缩流体（例如在压缩机中）或驱动连接到转子的载荷（例如在涡轮发动机中）。相应地，涡轮机械可以建立在很多不同的环境中，包括航天航空工业（例如喷气发动机）、能源工业（例如燃气涡轮发动机、发电厂中的蒸汽和/或水力涡轮机）、和汽车（例如压缩机）。

为实现上述能量传递，涡轮机械通常将包括转子和连接到转子的涡轮机械叶片，转子可以是轴、鼓、盘或轮。在能量从流体传递到转子的情况下，可以被加热和/或加压的流体将作用在（例如，在其间流过）叶片上以使得转子旋转。相反，在流体从转子接收能量的情况下，转子将旋转，使得叶片作用在流体上，从而增大流体的动能（例如，流率）和/或势能（例如压力）。因为诸如此类的涡轮机械部件经常暴露于恶劣环境（例如高温和高压），所以它们会经历劣化。例如，涡轮发动机的叶片在接触热燃烧气体时会经历相对较大量的压力和热量，并且在这些叶片旋转时，在这些叶片上会施加各种力。这些条件会导致叶片的变形、开裂和最终失效。这种劣化会导致性能降低，并且在某些情况下导致涡轮机械停工维修。

发明内容

下面总结与原始要求保护的发明范围相当的某些实施例。这些实施例不是要限制要求保护的发明的范围，相反这些实施例只是要提供对本发明的可能形式的简要总结。实际上，本发明可以包括与下述实施例类似或不同的各种形式。

在一个实施例中，一种系统包括涡轮机械，涡轮机械具有包括第一机械发光材料的第一涡轮机械部件。第一涡轮机械部件构造成在暴露于足以引起第一机械发光材料机械发光的机械刺激之后产生第一光发射。该系统还包括涡轮机械监测系统，涡轮机械监测系统构造成基于对第一光发射的检测来监测第一部件的结构健康。

在另一实施例中，一种系统包括涡轮机械监测系统，涡轮机械监测系统构造成通信连接到涡轮机械。涡轮机械监测系统包括光电检测器和控制器，光电检测器构造成检测来自具有机械发光材料的涡轮机械部件的光发射，控制器通信连接到光电检测器，控制器构造成测量与检测的光发射相关的参数。控制器构造成基于测量的参数来监测涡轮机械的结构完整性。

在另一实施例中，一种方法包括：利用涡轮机械监测系统来监测用于机械发光发射的燃气涡轮发动机的热气体通路，使用涡轮机械监测系统的光电检测器来检测第一机械发光发射，并且使用涡轮机械监测系统的控制器来判定第一机械发光发射是否表示燃气涡轮发动机的部件的机械失效、或早期机械失效。

附图说明

在参照附图阅读下文详细的说明的情况下，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在附图中相同的附图标记表示附图之间相同的部件，其中：

图1是根据本发明的一个方面的燃气涡轮机系统和构造成监测来自燃气涡轮机系统的机械发光发射的监测系统的实施例的示意图；

图2是根据本发明的一个方面的构造成监测涡轮机械叶片的图1的监测系统的实施例的示意图；

图3是根据本发明的一个方面的形成图2的涡轮机壳体的复合材料的实施例的放大视图；

图4是根据本发明的一个方面的形成图2的涡轮机械叶片的复合材料的实施例的放大视图；

图5是根据本发明的一个方面的图2的显示装置的实施例的示意图，显示装置示出由图2的监测系统产生的发射光谱；和

图6是根据本发明的一个方面示出方法的实施例的处理流程图，该方法用于监测来自涡轮机械的机械发光发射并基于监测的发射来控制操作参数。

具体实施方式

下面将描述本发明的一个或多个具体实施例。为了提供对这些实施例的简明描述，在说明中可能没有描述实际实施方式的所有特征。应当理解，在任意这种实际实施方式的开发中，如在任意工程或设计项目中一样，必须进行众多特定实施方式的决定，以达成开发者的具体目标（例如符合系统相关和业务相关的限制），这些具体目标会根据实施方式不同而改变。此外，应当理解，这种开发工作会是复杂而耗时的，但是对受益于本发明的本领域技术人员来说是设计、制造和生产的例行任务。

当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一个”、“该”和“所述”将表示存在一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”将是包括性的并且表示会存在除列出的元件之外的附加元件。

如上所述，涡轮机械的某些部件（例如叶片、转子等）会随着时间推移而经历劣化。由于这些部件经常处于运动中，在封闭环境内进行操作，并且会布置在相对强烈条件的区域内，所以很难在不停止涡轮机械至少一部分的操作的情况下监测这些部件的结构健康。例如，在使用热燃烧气体来驱动涡轮机的燃气涡轮发动机中，涡轮机械叶片、斗叶、护罩、喷嘴、燃烧衬套、壳体和排出导管（举出一些）都布置在封闭环境内，并且会经历相对高的热量水平（例如高于1000°F或高于约538°C）。这些条件会导致涡轮机械部件以规律的时间间隔（例如通过周期性关停涡轮机械）或者在检测到异常操作条件之后受到监测，而并非实时地受到监测。

因此，现已公认期望以不会导致涡轮机械停机的方式基本实时地监测涡轮机械部件的结构健康。相应地，本发明的实施例包括使用部件固有的特性来监测涡轮机械部件的结构健康的系统和方法。根据本发明受到监测的这样一个特性是各种涡轮机械部件的机械发光（mechanoluminescence）。例如，某些涡轮机械部件可以包括能够由于压力（例如压致发光）、摩擦（例如摩擦发光）、断裂（例如断裂发光）或其任意组合而机械发光的一种或多种材料。实际上，如本说明书所述，部件的机械发光旨在表示由于作用在部件或形成部件的材料上的任意机械作用引起的发光。通过示例，这种部件可以包括具有合成单一部件的两种宏观上不同的材料的基体复合材料，其中一种材料作为填料或增强剂，另一种材料作为主相。这些基体复合材料可以包括金属基复合材料（MMCs）、陶瓷基复合材料（CMCs）和聚合物基复合材料（PMCs）。CMC材料的一个非限制性示例是在碳化硅无定形基体（siliconcarbide amorphous matrix）内分散有碳化硅陶瓷纤维（silicon carbide ceramicfibers）的碳化硅复合材料（silicon carbide composite）。

根据本发明实施例，涡轮机械部件中任一者或组合的结构健康可以根据这些部件的机械发光而受到监测。例如，可以通过任意适合的电磁检测方法（包括但不限于，摄像机、高温测量、纤维光学等）监测由机械发光涡轮机械部件发出的光的强度、持续时间、波长和/或其他这样的参数。实际上，适合于检测电磁波谱（例如红外、可见、紫外、X射线）区域中的任一者或组合的检测器目前预期包含在本发明的系统和方法内。相应地，根据本发明实施例的一个结构健康监测系统可以包括连接到控制器的光电检测器，例如光电二极管阵列（PDA）、光电倍增管（PMT）、闪烁面板和/或摄像机，所述控制器具有构造成基于机械发光发射来监测部件的结构健康的数据采集和分析电路。该系统还可以包括构造成将光电检测器光学联接到机械发光部件的特征，例如一个或多个光纤线缆（即，光纤波导）。

在某些实施例中，结构健康监测系统可以构造成监测超过一种材料的机械发光。例如，涡轮机械可以包括各自由不同机械发光材料形成的不同部件，每种不同的机械发光材料具有不同的光发射（例如，发射光的波长）。在这种构造中，结构健康监测系统可以构造成监测来自任一个机械发光部件或机械发光部件组合的光发射（例如各种波长），以确定每个部件的结构健康。

此外，根据本发明实施例的结构健康监测系统可以用于监测任意涡轮机械部件的结构健康，例如燃气涡轮发动机、蒸汽涡轮发动机、喷气发动机、压缩机、风力涡轮机叶片、泵等的部件。相应地，尽管以燃气涡轮发动机为背景来阐述关于结构健康监测的本发明的方法，但是应当注意，这仅仅是为了便于阐明各种实施例，并且本说明书描述的结构健康监测系统和方法能够应用于可以利用机械发光材料的所有涡轮机械。

考虑到以上所述，图1示出根据本本发明实施例可受到监测的一个这种涡轮机械系统的框图。具体地，图1示出燃气涡轮机系统10，燃气涡轮机系统10具有压缩机部分12、涡轮机部分14、和设置在压缩机部分12和涡轮机部分14之间的多个燃烧器16。此外，每个燃烧器16具有至少一个相关燃料喷嘴18。系统10还包括连接到压缩机和涡轮机部分12、14的监测系统20（例如结构健康监测系统），以监测来自容纳在每个部分内的机械发光部件的光发射。例如，在图示的实施例中，监测系统20构造成监测压缩机部分12的至少一组压缩机叶片22和涡轮机部分14的一组涡轮机叶片24的结构健康。如下文更详细讨论的，监测系统20还可以构造成在燃气涡轮机系统10操作期间监测燃气涡轮机系统10的其他特征。

在燃气涡轮机系统10操作期间，压缩机部分12压缩接收的空气26以产生压缩空气28。压缩空气28被输送到燃料喷嘴18和/或燃烧器16，在燃料喷嘴18和/或燃烧器16中压缩空气28与燃料30（例如液体和/或气体燃料）混合。燃烧器16点火并燃烧产生的燃料-空气混合物，然后将产生的热加压燃烧气体32（例如排气）传送到涡轮机部分14中。

热加压燃烧气体32然后流过涡轮机叶片24和在涡轮机叶片24之间流动，这使得涡轮机叶片24将能量传递至涡轮机叶片24连接的转子34。换言之，热加压燃烧气体32在涡轮机叶片24上的作用，引起叶片24和转子34围绕转子34的纵向轴线36旋转。随着热加压燃烧气体32穿过压缩机部分12，热加压燃烧气体32的压力和温度被降低。产生的气体作为排气38离开涡轮机部分14，排气38可以用于驱动其他处理，例如形成用于蒸汽涡轮机的蒸汽（例如在联合循环系统中）。

附加地或可替换地，转子34可以联接到载荷40，载荷40通过转子34旋转而被提供动力。通过示例，载荷40可以是可通过涡轮机系统10的旋转输出来产生功率的任意合适装置，例如发电厂或外部机械载荷。例如，载荷40可以包括发电机、航空发动机的风扇等。转子36的旋转还可以用于驱动压缩机12内的压缩。

如图所示，压缩机12和涡轮机14、以及转子34的一部分分别被容纳在压缩机壳体42和涡轮机壳体44内。压缩机和涡轮机壳体42、44可以用作监测系统20的各种光检测元件的支撑件。具体地，如图所示，压缩机和涡轮机壳体42、44分别用作第一光电检测器46和第二光电检测器48的支撑件。但是，本发明实施例还提供将第一和第二光电检测器46、48设置在燃气涡轮机系统10的其他区域中，例如沿着任意流动区域（例如沿着排出导管、流动套筒、流动衬套、燃烧衬套）。实际上，光电检测器46、48可以放置在适合于监测燃气涡轮机系统10的部件（例如沿着系统10的热气体通路的部件）的任意位置。此外，应当注意，在某些实施例中，多于一个光电检测器可以用于压缩机和涡轮机部分12、14中的任一者或两者。例如，一个或多个光电检测器可以设置成接近、并且构造成监测每个涡轮机和/或压缩机级。换言之，每个压缩机和/或涡轮机级可以具有构造成监测该部分的叶片和/或其他部件的一个或多个光电检测器。在其他实施例中，压缩机部分12和/或涡轮机部分14中每一者中的光电检测器的数量可以大于一个，但是小于级的数量。所期望的是，具有光电检测器用于监测每一级的构造以促进检测和定位引起机械发光（mechanoluminescence）的任意可能机械破坏。

应当注意，尽管图1示出系统10包括两个光电检测器，但是目前可预期将任意数量的光电检测器用于监测系统20中。实际上，一个或多个光电检测器可以用于监测来自压缩机12和/或涡轮机14的光发射。所述光电检测器可以包括能够检测来自特定部件的光发射的任意检测元件。通过示例，本说明书讨论的光电检测器可以包括光电二极管阵列（PDA）、光电倍增管、闪烁阵列、高温计、摄像机或上述各项的任意组合。此外，每个光电检测器可以构造成检测与光发射相关的一个或多个参数。例如，每个光电检测器可以构造成检测小波长范围（例如使用窄带滤波器）或者构造成检测多个波长（例如使用宽带滤波器）。在将光电检测器构造成检测机械发光发射的一定波长特性的实施例中，监测系统20可以构造成监测与该特定波长相关的其他参数。例如，监测系统20可以监测强度、持续时间、周期性和其他参数，以确定受检测的发射表示潜在结构健康问题（例如，断裂、变形、磨损）的可能性。下文更详细地描述这种检测和监测方法。

如图所示，监测系统20包括监测单元50，监测单元50构造成执行本说明书描述的监测功能。一般地，监测单元50可以接收分别表示来自压缩机部分12和涡轮机部分14的受检测光发射的光电检测器46、48的信号。此外，信号可以表示机械发光发射的一个或多个参数，例如波长、强度、持续时间、周期性等。如参照图2所述，监测单元50可以包括能够存储指令和/或由检测的发射产生的历史数据的存储电路，例如，非易失性存储器、RAM、ROM、EPROM等。监测单元50可以基于与特定受检测发射相关的任一参数或参数组合，来判定发射是否表示机械破坏、早期机械破坏、或任何这种非期望的操作条件。

监测系统20还可以包括用于响应于由监测单元50监测的光发射来影响燃气涡轮机系统10的一个或多个部件的操作的特征。在图示的实施例中，例如，监测系统20包括控制单元52，控制单元52构造成响应于监测单元50作出的特定发射表示非期望操作条件的判定，来维持或调节燃气涡轮机系统10的一个或多个操作参数。作为一个示例，控制单元52可以响应于来自监测单元50的表示一个或多个涡轮机叶片已坏、正在穿过碎屑（例如外部物体碎屑、原生物体碎屑）区域、或者正在变形/已经变形的指示，向涡轮机部分14发送一个或多个控制信号，以停止转子36旋转。实际上，某些控制信号可以使燃气涡轮机系统10减慢或完全停止压缩机12、涡轮机14或两者组合的操作。

应当注意，监测系统20可以具有能够检测由燃气涡轮机系统10的一个或多个部件产生的机械发光发射的任意构造。例如，图2是通过系统20检测机械发光发射的方式的示意图，如图2所示，光电检测器46、48中一者或两者可以设置在远离压缩机12或涡轮机14的位置处。实际上，期望光电检测器48和与其相关的电路设置在远离由燃烧器16、涡轮机14和排气38形成的热气体通路一段距离处，以保护光电检测器48和电路免受无意的热相关损害。但是，尽管图2示出光电检测器48设置成远离涡轮机14的一个实施例，但是监测系统20可以在光纤线缆、电路、显示装置、操作者工作台等方面具有类似或相同构造。

在图2所示的实施例中，监测系统20除了别的部件之外还包括数据采集和处理电路60，数据采集和处理电路60构造成采集与机械发光发射相关的数据，并且处理该数据以判定受检测的发射是否表示潜在机械问题。数据采集和处理电路60包括至少一个处理器62和存储电路64以执行这些功能。一般地，存储电路64可以是能够存储指令、发射相关数据、系统特定信息、用户偏好等的任意电路。存储在存储电路64上的指令可由至少一个处理器62执行，以执行本说明书所述的监测功能并且在某些构造中执行控制功能。例如，存储电路64可以存储一组或多组指令，这些指令构造成当由至少一个处理器62执行时，针对机械发光发射监测燃气涡轮机系统10。所述指令还可以使得处理器62判定检测的机械发光发射是否表示燃气涡轮机系统10的部件的机械破坏或早期机械破坏。所述部件可以包括（但不限于）涡轮机叶片24、涡轮机壳体44、涡轮机斗叶、涡轮机护罩、燃料喷嘴、燃烧衬套、壳体、和排出导管。

数据采集和处理电路60（例如，处理器62和存储器64）通信联接到第二光电检测器48，并且在某些实施例中至少通信联接到第三光电检测器66，如下文所述，第二光电检测器48和第三光电检测器66两者都构造成检测来自系统10的机械发光发射。数据采集和处理电路60还通信联接到操作者工作台68，操作者工作台68可以在电路60和/或系统10的本地或远程。即，操作者工作台68可以定位在燃气涡轮机系统10的大致附近，或者可以远程定位在集中站中（例如办公室等）。

操作者工作台68一般地构造成使得操作者（例如技术人员）能够与监测系统20交互，并且在某些实施例中能够实现控制/调节燃气涡轮机系统10的一个或多个操作参数。一般地，操作者工作台68可以是具有用户界面70和显示装置72的、基于处理器的计算装置。相应地，操作者工作台68可以是台式或膝上型计算机（例如专用或通用）、平板电脑、个人数据助理（PDA）、电话、或提供用户界面和/或显示的功能的任意其他手持（例如无线）或固定装置。例如，用户界面70构造成使得用户能够将信息（例如命令）输入到监测系统20中。相应地，用户界面70可以（通过非限制性的示例）包括鼠标、键盘、小键盘、轨迹球、触摸板等。显示装置72可以是适合于提供各种受检测的、和/或可控制的参数（例如与检测到的机械发光发射相关的参数、用于监测系统20和/或燃气涡轮机系统10的操作参数等）的可视指示的任何显示装置。通过非限制性的示例，显示装置72可以包括液晶显示装置（LCD）、发光二极管（LED）显示装置、各种标度盘、基于电子墨水的屏幕、或上述各项的任意组合。如下所述，显示装置72可以（例如，基本实时地）向用户提供与由光电检测器48、66检测的特定发射的强度、时间、和/或波长相关的可视指示。

如上所述，数据采集和处理电路60构造成监测由光电检测器48、66检测的发射，以识别出存在潜在的机械问题。如图所示，第二光电检测器48和第三光电检测器66各自设置在远离涡轮机系统10一定距离处，并且分别通过第一光纤线缆74和第二光纤线缆76光学联接到系统10。尽管图示实施例描绘出每个光电检测器48、66通过单一光纤线缆联接到系统10，但是应当注意任意适当数量的光纤线缆都可用于此目的。相应地，第二光电检测器48和第三光电检测器66可以各自通过一个、两个、三个、四个、五个或更多个光纤线缆而光学联接到系统10。在另一实施例中，第二光电检测器48和第三光电检测器66可以共用一个或多个光纤线缆。此外，光纤线缆可以包括任意合适的光纤材料，包括二氧化硅、各种聚合物种类等。此外，可以利用绝缘层使光纤线缆绝缘，以提供保护防止由于这些光纤线缆定位在涡轮机系统10的热气体通路上或内部而引起的热降解。在某些实施例中，系统10可以包括使用例如空气（例如压缩空气）、氮（例如压缩氮）、或类似流体来冷却线缆、检测器和其他这种设备的特征。例如，在一个实施例中，来自压缩机区域12的压缩空气可以用于冷却可沿着涡轮机系统10的热气体通路设置的各种特征。

在图示的实施例中，第一光纤线缆74使第二光电检测器48与涡轮机壳体44中的第一开口78连接。类似地，第二光纤线缆76使第三光电检测器66与涡轮机壳体44中的第二开口80连接。应当注意，第一开口78和第二开口80被描绘成设置在涡轮机壳体44的不同部分上，以便于讨论可以监测涡轮机14的各种部件的方式。因此，第一开口78和第二开口80可以定位在沿着壳体44（或者燃气涡轮机系统10的其他部分）的任意合适的点处，该点使得各种部件的机械发光发射能够沿着光纤线缆74、76被传送到光电检测器46、48、66。实际上，第一开口78和第二开口80可以分开并且有区别，或者可以相同。此外，如上所述，涡轮机和/或压缩机部分的不同级可以由单独的光电检测器监测。实际上，通过非限制性的示例，第一开口78和第二开口80可以沿壳体44设置在不同周向和/或轴向部分上，以使得各级能够被分开监测。此外，尽管示出为沿壳体42、44设置在相同轴向位置上，但是开口不需要与涡轮机叶片一样沿着壳体42、44在相同轴向位置处。相反，在某些实施例中，开口78、80相比于所述级可以沿壳体42、44设置在不同轴向位置处。

如上所述，第一开口78和第二开口80能够通过检测机械发光发射使得涡轮机系统10的各种部件受到监测。具体地，如图所示，第一开口78和第二开口80使得光发射能够从涡轮机部分14内部（例如从由涡轮机壳体44限界的区域内部）到达光电检测器48、66。此外，尽管开口78、80被显示为壳体44内的空穴，但是应当注意光纤线缆74、76可以以限制经过开口78、80的热量和/或压力损失量的方式穿过壳体44。例如，开口78、80的尺寸可经设计，从而只提供足以使得第一光纤线缆74和第二光纤线缆76能够进入涡轮机部分14中的间隙。换言之，第一光纤线缆74和第二光纤线缆76可以紧贴地安装在开口78、80中。

在其他实施例中，开口78、80可以填充有与壳体44的材料相比基本类似的一种或多种材料。通过非限制性的示例，壳体44可以由陶瓷基复合（CMC）材料形成，开口78、80可以利用CMC材料、利用CMC材料的基体、利用CMC材料的填料等等来填充。在其他实施例中，开口78、80可以利用具有适当绝缘特性的材料来填充，以限制壳体44内的压力或热量损失并同时使光纤线缆74、76能够接收和传送光发射。因此，光纤线缆74、76能够以能实现这种传输的方式跨越开口78、80的全部或一部分长度。

如上一般地所述，由光电检测器48、66检测的机械发光发射可以是由于涡轮机14的一个或多个机械发光部件受到足以引起部件发光的机械性刺激而产生的结果。在一个实施例中，这种发光可以由组成部件的材料中的分子级别变形（molecular-leveldeformations）和/或改变而引起。例如，在涡轮机14的机械发光部件（例如涡轮机叶片24）包括CMC材料的实施例中，发光可以由足以导致陶瓷填料和/或陶瓷基体中的分子键（molecular bonds）断裂或变形达到使产生的分子临时被激发到激发态（excited state）的程度的机械应力引起。当分子松弛到低能态时，发出光。相应地，足以使复合材料中的分子键断裂或变形的机械应力可以引起复合材料发光（即，发出光）。如上所述，光发射可以是由于机械变形、断裂、摩擦或上述各项的任意组合引起的结果。相应地，光发射可以表示结构异常。

由涡轮机14的每个机械发光部件发出的光可以是构造部件所用的特定材料的特性。实际上，尽管期望使用相同材料来构造涡轮机械部件以促进生产，但是还期望由不同机械发光材料来构造部件，以使得监测系统20能够将特定的所检测发射与特定涡轮机械部件的结构异常相关联。因此，涡轮机叶片24、轴34和涡轮机壳体44可以由相同或不同的机械发光部件形成。在图示的实施例中，涡轮机叶片24和涡轮机壳体44由不同的机械发光材料形成，这使得监测系统20能够检测到每一者中的潜在结构异常。下文将分别参照图3和图4更详细讨论可以用于形成壳体44和叶片24的复合材料的示例。

例如，如箭头所示，涡轮机叶片24和轴34可以沿旋转方向82旋转。如上所述，涡轮机叶片24会经受可能导致叶片24变形、开裂或完全断裂的各种力。相应地，如图所示，在充分暴露于特定机械应力之后，如箭头所示，第一涡轮机叶片84产生第一光发射86。第一光发射86可以由第一光纤线缆74和/或第二光纤线缆76传送到第二光电检测器48和/或第三光电检测器66。第二光电检测器48和/或第三光电检测器66然后可以产生信号，该信号表示第一光发射86的波长、第一光发射86的强度、第一光发射86的持续时间、第一光发射86的周期性、或者上述各项的任意组合。数据采集和处理电路60然后可以接收并处理这些信号，以判定第一光发射86是否表示第一涡轮机叶片84中的结构异常。

如上所述，第一光发射86可以被传送到第二光电检测器48和/或第三光电检测器66，并由第二光电检测器48和/或第三光电检测器66检测到。但是，应当注意，涡轮机系统10的部件（特别是沿着热气体通路布置的那些部件）可以具有相对高的温度，并因此在大于可见光波长的波长（例如，红外光（IR））中具有相对高的辐照度（irradiance）。因此，涡轮机14除了机械发光发射之外还可以具有相对高数量的背景发射。相应地，监测系统20可以包括能够阻止某些部分电磁波谱沿着光纤线缆74、76传导、和/或被光电检测器48、66检测到的一个或多个光纤。通过示例，所述光纤可以沿着光纤线缆74、76布置在光电检测器48、66和由壳体44限定的区域之间、或者布置在光纤线缆74、76的末端处、或者以上两者的组合。相应地，所述光纤可使得数据采集和处理电路60能够监测选择的光波长。这可以期望地实现延长光电检测器48、66的寿命、以及增强对机械发光发射的敏感度。此外，为第一光纤线缆74和第二光纤线缆76各自选择的分开的光纤可以使得光电检测器48、66中每一者成为用于特定发射波长的专用通道，以使得第一光纤线缆74和其相关光纤产生第一光发射专用的第一通道，并且第二光纤线缆76和其相关光纤产生第二光发射专用的第二通道。这种构造适宜促进对单独发射的检测、区分和处理，这将在下文详细描述。实际上，在某些实施例中，不同波长可由光电检测器48、66中每一者监测到，波长表示来自不同来源的发射。

如上所述，涡轮机壳体44可以由第二机械发光材料形成。涡轮机壳体44不一定会受到与涡轮机叶片24相同的力。但是，壳体44仍然会受到由暴露于热燃烧气体引起的热膨胀/收缩所产生的机械应力，以及在涡轮机叶片24接触壳体44（为便于讨论，壳体44可以包括涡轮机护罩、斗叶等）的情况下产生的磨损。在图示的实施例中，涡轮机叶片24或另一物体已经接触壳体44，从而产生碎屑区域（field of debris）88。碎屑区域88可以包括壳体材料、涡轮机叶片材料、或者上述两者的组合。为简便起见并为便于讨论，在仅包括壳体材料的背景下讨论碎屑区域88，然而应当理解碎屑区域还可以包括涡轮机14的外来或本地的其他材料。

在叶片24旋转时，它们穿过碎屑区域88，从而在叶片24和组成碎屑区域88的颗粒两者上造成磨损。这会导致第一光发射86或者如箭头所示的由壳体材料引起的第二光发射90。实际上，导致形成碎屑区域88（即，叶片24相对于壳体44的磨损）的情况也会造成第二光发射90。

由于壳体44由不同的机械发光材料形成，第二光发射90可以与第一光发射86不同。例如，与第一光发射86相比，第二光发射90的波长可以不同。这种波长差别使得数据采集和处理电路60能够将第一光发射86的第一检测波长特性与第一涡轮机叶片84相关联，并且将第二光发射90的第二检测波长特性与涡轮机壳体44相关联。监测系统20可以提供涡轮机叶片24和/或壳体44可能被损坏或可由于维修而受益的用户直观指示，例如显示装置72上的可视化表示。

如上所述，用于形成壳体44和涡轮机叶片24的材料可以包括具有布置在基体中的填料（例如，颗粒、纤维、杆状物、环状物、盘状物、球体、纳米分散体）的复合材料。填料、基体或这两者可以是机械发光材料，包括碳化硅、无机氧化物（例如，二氧化硅、氧化铝、二氧化钛）、无机氧化衍生物（例如SrAl₂O₄）、掺杂无机氧化物（例如，掺Pr的BaTiO₃、掺Eu或Dy的SrAl₂O₃、掺Eu的SrMgAl₆O₁₁、掺Ce的Ca₂Al₂SiO₇、掺Ti的ZrO₂）、掺Mn的ZnS、ZnMnTe、或者具有期望物理特性的任意机械发光材料。相应地，根据本实施例可由图1和图2的监测系统20监测的波长可以对应于在机械发光期间由这些材料中任一者或组合发出的（多个）特定波长。通过示例，碳化硅发出在约580nm处的窄波长带。实际上，在一个实施例中，机械发光材料可以是碳化硅，碳化硅可以在某些构造/配置中（例如在CMC复合材料中）机械发光，并且还具有期望的热稳定性和机械强度以用于燃气涡轮机中。壳体44和涡轮机叶片24在某些实施例中可以通过将多个层层叠在一起而制成，其中多个层中每一者具有布置在基体（例如，金属、聚合物或陶瓷基体）内的陶瓷填料。在图3和图4中分别提供壳体44和涡轮机叶片24的放大示意图。

具体地，图3示出在图2的线3-3内获取的壳体44的实施例的放大示意图。如图所示，通过彼此互相层叠的多个层100来形成壳体44。应当注意，层100可以弯曲从而产生壳体44的曲率。但是，目前还可预期层100基本平直的构造或配置。每个层100包括布置在陶瓷基体104内的陶瓷填料102（显示为陶瓷纤维）。在一个实施例中，陶瓷填料102和基体104是碳化硅。如图所示，在不同层100之间，填料102在基体104内的取向可以相同或者可以不同。例如，壳体44的放大视图示出第一层106，第一层106的相应填料沿第一取向。如图所示，第二层108的相应填料102沿第二取向，第二取向基本垂直于第一层106中的填料102。实际上，层100可以具有任意的填料102相对取向。例如，第三层100的相应填料110相比于第一层106成一定角度。第四层112、第五层114和第六层116的取向都基本平行于第一层106。根据本实施例的涡轮机械部件可以具有这些相对取向中任一者或组合。

陶瓷填料102、陶瓷基体104或者两者的组合可以在机械变形时发出光。陶瓷基体104可以是相对无定形的（例如无序的），并且可以使少量变形来增大陶瓷复合材料的弹性。但是，陶瓷填料102在图示的实施例中为有序纤维，该有序纤维不打算变形达到明显程度。相应地，如果变形（例如，弯曲、开裂、断裂），则与在涡轮机系统10正常操作过程期间由基体104经历的典型变形所产生的发射相比，填料102可以产生相对强的发射。因此，在检测到“尖峰”或相对强的发射的实施例中，这表示填料102（例如，纤维、颗粒）可以由于严重弯曲、开裂、断裂或相对大量的磨损而变形。

如上所述，图4示出在图2的线4-4内获取的一个涡轮机叶片24的放大视图。具体地，涡轮机叶片24包括多个层120，每个层120具有布置在基体124内的填料122。此外，尽管层120显示为基本平直，但是在某些实施例中层120可以弯曲（例如图3中所示）、扭曲、或者这两者的任意组合。换言之，某些层120可以是平直的，而其他层可以是弯曲和/或扭曲的。以与上文参照图3所述类似的方式，填料122在基体124内可以具有各种取向。实际上，如图所示，涡轮机叶片24包括第七层126，每个第七层126的填料122的取向相对于彼此、并且相对于由层126限定的平面基本平行，该平面大致平行于每个叶片的纵向轴线。涡轮机叶片24还包括第八层128和第九层130，第八层128的填料122相对于由层128限定的平面成角度，第九层130的填料122相对于由层130限定的平面基本垂直。应当注意，给定层120内的填料122不需要具有相同的取向。相应地，如图所示，涡轮机叶片24还包括第十层132，第十层132的填料122具有基本随机的取向。

本说明书描述的复合材料可以具有上文参照图3和图4描述的任一种层构造。实际上，期望每个层内的填料的一定取向可促进检测特定类型的机械应力。通过非限制性的示例，涡轮机叶片24可以包括所具有的填料的取向能够实现在沿一定方向变形（例如由离心力、转矩等产生的变形）之后机械发光发射的层，或者由这些层组成。一种这样的构造可在第七层126中示出，这种构造由于作用在层上的剪切应力而使得最大数量的纤维能够变形。实际上，在一般意义上，填料、层、基体等中变形/断裂的键的数量越大，则机械发光发射越多。

类似地，壳体44的填料的取向可以以磨损之后促进机械发光的方式设置。例如，图3中第二层108所示的取向可以促进这种发射，因为涡轮机叶片24很可能沿着与第二层108中的填料的取向基本正交的方向产生磨损。换言之，正交取向可以促进填料的变形和/或断裂，这会增强发射强度。

如上所述，监测系统20可以监测来自燃气涡轮机系统10的一个或多个机械发光部件的发射，并且可以（在图2的显示装置72上）显示可以与部件相关联的各种发射光谱。图5中示出显示装置72的示例。在图示的实施例中，显示装置72包括针对第一监测波长（例如对应于图2的第一涡轮机叶片84）的发射强度随时间变化的第一曲线（first plot）140，和针对第二监测波长（例如对应于图2的涡轮机壳体44）的发射强度随时间变化的第二曲线142。第一曲线140和第二曲线142可以（如图所示但非必须地）对应于相同的时间点。即，尽管第一曲线140和第二曲线142被描述为可能在基本相同时间产生，但是在某些实施例中，检测到发射从而产生第一曲线140和第二曲线142的时间点可能不同。

此外，在某些实施例中，显示装置72可以一次仅显示一个监测的波长（或者监测的波长带），或者可以提供对多个监测的波长（或监测的带）的显示。实际上，每个曲线可以对应于特定数据通道。例如，由监测系统20的每个光电检测器产生的信号可以组成单独通道。以此方式，显示装置72可以表示多个光电检测器中相同的监测波长或波长带。

如图所示，第一曲线140包括与由监测系统20的一个或多个光电检测器检测到的发射相对应的多个峰值。峰值包括第一峰值144，第一峰值144比曲线140的剩余部分具有相对更高的强度。这样的峰值可以表示例如由一个或多个涡轮机叶片24的断裂和/或破损引起的相对强烈的短时间发射。第一曲线140还包括一系列相对低强度的峰值146，这些峰值146可以表示一个或多个涡轮机叶片24中的轻微变形。实际上，峰值146的重复性质可以表示由变形的旋转涡轮机叶片24产生的发射。此外，第一曲线140还包括相对强烈且长时间的第二峰值148。这个峰值可以表示叶片24在旋转时例如由于碎屑（例如图2的碎屑区域88）而正受到基本恒定的磨损。

为便于显示在显示装置72中与第一曲线140分开的部分中示出的第二曲线142包括相对强烈且短时间的第三峰值150。这个峰值以与第一峰值144类似的方式，可以表示壳体44中的断裂，例如由涡轮机叶片24撞击壳体44的表面引起的断裂。第二曲线142还包括相对强烈且长时间的第四峰值152。实际上，第四峰值152可以是由于与第二峰值148相同或类似的问题（即，叶片24旋转穿过碎屑区域）造成的结果。例如，第二峰值148可以由于来自叶片24的机械发光发射而产生，而第四峰值152可以由于来自组成碎屑区域的材料的机械发光发射而产生。

应当注意，所检测到的发射的性质可以使监测系统20能够判定发射是否表示最终机械失效（即，断裂）、早期破坏（例如，可能导致最终失效的变形）、重度磨损、撞击等，并且基于判定结果采取适当动作。如参照图2所述，监测系统20可以包括构造成执行这些动作的数据采集和处理电路。图6示出方法160的实施例的处理流程图，方法160用于监测机械发光发射、判定机械发光发射的性质（即，发射是否表示特定类型的机械变形或失效）并且基于判定结果执行适当控制动作。

方法160可以由监测系统20执行，其中某些监测和分析步骤基于存储在存储器64中的指令由处理器62执行，如上所述，存储器64可以是集体存储可由处理器62执行的指令的一个或多个非暂时性机器可读介质。相应地，方法160的动作可以完全或部分自动化。

在图示的实施例中，方法160包括针对机械发光发射监测（框162）涡轮机械（例如燃气涡轮机系统10）。例如，监测系统20可以监测由于机械发光材料产生的检测光而由光电检测器46、48、66（图1和图2）中任一者或组合产生的信号。在燃气涡轮机械的受监测的部件由碳化硅CMC材料（例如与图3和图4中所示材料类似）形成的实施例中，例如，监测系统20可以监测以约580nm为中心的发射。实际上，在一般意义上，监测系统20可以监测波长在可见光区域内（例如在约400到750nm之间）的发射，尽管目前还可以预期此范围之外的其他波长（例如小于400nm）。此外，与电磁波谱的红外区域相对应的波长可以被滤波，因为这些波长对应于由于热气体通路部件的加热引起的背景发射。同样如上所述，监测系统20可以通过摄像机、高温计、二极管阵列、闪烁面板、光电倍增管或者上述各项的任意组合来监测机械发光发射。

方法160还包括分析（框164）根据框162检测的发射。例如，监测系统20可以分析与检测的发射相关的任意参数，例如发射的强度、发射的持续时间、发射的周期性或频率、发射的波长、发射的时间、各种波长之间的相对强度、或者上述各项的任意组合。

例如，高强度的短时间发射可以表示最终失效，而相对强烈的短时间发射（例如由图5的峰值144、150表示）可以表示撞击、断裂、最终失效或者上述各项的任意组合。宽峰值（例如图5的峰值148和152）可以表示碎屑区域，重复峰值（例如图5的峰值146）可以表示由于有规律施加的机械应力（例如由于旋转、转矩和其他离心力引起的剪切造成的机械应力）引起的一个或多个部件的重复发射。在某些实施例中，分析的参数可以表示发射是否为摩擦发光（triboluminescence）、断裂发光（fractoluminescence）、压致发光（piezoluminescence）等造成的结果。在执行由框164表示的动作时，监测系统20还可以判定发射是否来自具有第一机械发光材料的第一部件的第一光发射，还是来自具有第二机械发光材料的第二部件的第二光发射。实际上，在其他实施例中，即使在部件由基本相同的材料形成的情况下，监测系统基于发射的分析参数也可以判定发射来自第一部件还是第二部件。在这种实施例中，基于组成不同部件的复合材料的取向或构造的差异引起的发射的一个或多个特性，检测的发射可以与特定部件相关联。

方法160还包括提供作为分析结果的用户可感知指示，或者基于分析结果执行适当控制动作（框166）。例如，在分析导致监测系统20判定发射是机械失效或早期机械失效的结果的实施例中，监测系统20可以为技术人员提供视觉或听觉警告，警告表示涡轮机械需要维修。监测系统20还可以提供统计结果，例如与燃气涡轮机系统10的各种结构部件相关的历史数据。例如，监测系统20可以向用户提供可视指示，该指示表明某些部件的评估的磨损、某些部件将失效的可能性或者类似指示。

在这种实施例中，监测系统20可以附加地或可替换地执行适合的控制动作。例如，监测系统20可以停止、开始或减慢燃气涡轮机系统10的全部或一部分的操作。实际上，在一般意义上，监测系统20可以由于检测到失效而执行减轻对燃气涡轮机系统进一步损坏的控制动作，直到执行了适当的维护为止。通过非限制性的示例，监测系统20可以调节涡轮机叶片24相对于壳体44（例如，相对于壳体的护罩）的间隙，以校正叶片24相对于壳体的任意摩擦、或者叶片24对壳体44的撞击。

本说明书使用示例来公开本发明（包括最佳模式），还使得任意本领域技术人员可实践本发明（包括制造和使用任意装置或系统和执行任意结合的方法）。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求书的文字语言并非不同的结构元件、或者如果这样的其他示例包括与权利要求书的文字语言具有非实质性区别的等同结构元件，则这样的其他示例意欲落入权利要求书的范围内。

Claims

1.一种用于监测涡轮机械的系统，包括：

涡轮机械，包括具有第一机械发光材料的第一涡轮机械部件，其中所述第一涡轮机械部件构造成在暴露于足以引起所述第一机械发光材料机械发光的机械刺激之后产生第一光发射；和

涡轮机械监测系统，构造成基于对所述第一光发射的检测来监测所述第一涡轮机械部件)的结构健康；其中，所述涡轮机械监测系统包括数据采集和处理电路，以基于通过将所述第一光发射与所述第一涡轮机械部分的机械发光相关联来对所述第一光发射所进行的分析来监测所述第一涡轮机械部件的结构异常，所述涡轮机械监测系统还构造为提供对于所述第一涡轮机械部件的结构健康的用户可感知指示，并基于所述分析响应于所述第一光发射的相关参数或者其组合来调整所述涡轮机械的运行速度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述涡轮机械监测系统包括：

光电检测器，构造成检测所述第一光发射并产生表示所述第一光发射的第一电信号；和

控制器，构造成分析所述第一电信号以测量与所述第一光发射相关的参数。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制器构造成测量所述参数，以判定发射是否表示所述第一涡轮机械部件的机械失效或早期机械失效。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述参数包括检测的第一光发射的强度、所述第一光发射内的一个或多个波长的相对强度、所述第一光发射的时间、所述第一光发射的波长、所述第一光发射)的频率、或上述各项的任意组合。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制器构造成响应于测量的参数的判定值引起所述涡轮机械的操作参数改变，并且所述判定值表示所述第一涡轮机械部件的机械失效或早期机械失效。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述涡轮机械监测系统包括光纤线缆，所述光纤线缆将所述第一涡轮机械部件与所述光电检测器光学联接。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述涡轮机械监测系统包括摄像机，所述摄像机构造成捕获所述第一光发射的至少一部分。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述涡轮机械包括涡轮机、压缩机或泵，并且所述第一涡轮机械部件包括燃料喷嘴、燃烧器、排出部分、旋转叶片、或上述各项的任意组合当中的至少一部分。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一涡轮机械部件包括各自由陶瓷基复合材料形成的多个层叠的层。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述涡轮机械包括具有第二机械发光材料的第二涡轮机械部件，并且所述第二涡轮机械部件构造成在暴露于足以引起所述第二机械发光材料发射的第二机械刺激之后产生第二光发射，并且其中，所述涡轮机械监测系统构造成基于对所述第二光发射的检测来监测所述第二涡轮机械部件的结构健康。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第一光发射和所述第二光发射各自包括一个或多个特性发射参数，并且所述涡轮机械监测系统构造成区分所述第一光发射和所述第二光发射，以判定是否表示所述第一涡轮机械部件和所述第二涡轮机械部件的机械失效或早期机械失效。

12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机械刺激包括下列至少一者：在所述第一机械发光材料上的压力、在所述第一机械发光材料上的磨损、在所述第一机械发光材料上的振动和稳定载荷、或在所述第一机械发光材料上的外来物体损伤。

13.一种用于监测涡轮机械的系统，其包括：

涡轮机械监测系统，其构造成可通信地连接至涡轮机械，包括：

光电检测器，构造成检测由所述涡轮机械的具有机械发光材料的部件产生的光发射；和

控制器，构造成通过地连接到所述光电检测器及检测与所述光发射有关的参数，其中所述控制器构造成基于所述参数来监测所述涡轮机械的结构异常。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于：所述控制器构造成使所述涡轮机械监测系统在判定所述光发射表示所述涡轮机械部件或者另一涡轮机械部件的早期机构失效或机械失效时提供用户可感知的指示。

15.根据权利要求13所述的系统，其特征在于：所述控制器构造成判定是否所述光发射是基于与所述光发射相关的参数或者其它检测到的参数而为压致发光、断裂发光、摩擦发光、或其中某一组合等造成的结果。

16.根据权利要求13所述的系统，其特征在于：所述涡轮机械监测系统包括光纤光学波导，所述光纤光学波导构造成设置于所述涡轮机械热气路径内、或靠近所述涡轮机械热气路径，以使得所述光纤光学波导从所述涡轮机械部件到所述光电检测器传送所述光发射的至少一部分。

17.根据权利要求13所述的系统，其特征在于：所述系统包括所述涡轮机械，其中所述涡轮机械包括具有热气路径的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括：

燃烧器，构造成在有压缩空气的情况下燃烧燃料以产生热燃烧气体；

涡轮机，构造成从所述燃烧器接收所述热燃烧气体，并在所述热燃烧气体和涡轮机叶片之间造成相互作用以产生机械能和排气；及

排出装置，构造成将所述排气从所述燃气涡轮发动机排出；及

其中所述涡轮机械部件包括燃烧衬套、排气管道、涡轮护罩、涡轮叶片、或涡轮叶轮。

18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于：所述涡轮机械部件包括多个层叠设置的层，每个层由陶瓷基体材料制成，并且所述多个层叠设置的层中的至少一个由碳化硅复合材料制成。

19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于：所述碳化硅复合材料是第一机械发光材料，所述第一机械发光材料构造成产生第一特征机械发光发射；及所述多个层叠设置的层中的至少另外一层包括第二机械发光材料，所述第二机械发光材料构造成产生第二特征机械发光发射；及所述控制器构造成判定是否所检测的光发射是第一特征机械发光发射、还是第二特征机械发光发射、或者两者都是，以判定所述涡轮机械部件的结构健康。

20.一种用于监测涡轮机械的方法，包括以下步骤：

利用涡轮机械监测系统针对机械发光发射来监测燃气涡轮发动机的热气路径；

使用所述涡轮机械监测系统的光电检测器来检测第一机械发光发射；及

使用所述涡轮机械监测系统的控制器来判定所述第一机械发光发射是否表示所述燃气涡轮发动机的部件的机械失效、或早期机械失效。