CN103649704B - 实现全覆盖涡轮燃烧室的分布式裂缝及脱落瓷砖检测的设备 - Google Patents

实现全覆盖涡轮燃烧室的分布式裂缝及脱落瓷砖检测的设备 Download PDF

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Abstract

一种用于对气体涡轮发动机的燃烧室中的瓷砖（34）的状况进行监测的部件传感系统。该传感系统包括光纤（36），该光纤安装至受监测的部件，例如，气体涡轮燃烧室中的瓷砖（34）。光纤（36）可以以任意合适的取向或构造来形成，如弯曲取向或蛇形取向。光纤光耦接至布里渊信号分析仪（38），该分析仪向光纤的传感段提供光脉冲，并且随着脉冲沿光纤行进对来自光纤的布里渊反向散射进行检测。相对于沿光纤的传感段的距离来监测布里渊反向散射信号（44）的频率。温度上升的光纤位置处在分析仪中示为反向散射信号的频率的增加。

Description

实现全覆盖涡轮燃烧室的分布式裂缝及脱落瓷砖检测的设备
技术领域
本发明一般地涉及利用布里渊反向散射来监测部件中的缺陷的传感器系统，更具体地，涉及对部件中的缺陷进行检测的这样一种传感器系统，其中，该系统包括与该部件耦接的光纤以及与该光纤耦接的布里渊信号分析仪，布里渊信号分析仪响应于被测变量的例如温度的变化来检测在沿该光纤的可识别位置处的布里渊反向散射信号的频率的变化。
背景技术
所有的光纤响应于通过光纤传播并且与玻璃纤维或其他纤维材料相互作用的光束来生成反向散射信号，这称为布里渊反向散射并且为本领域技术人员所熟知。反向散射信号的频率与光束的频率、光纤的材料以及光纤内起作用的具体被测变量有关，其中，反向散射信号的频移与被测变量的变化直接相关。该被测变量可以是引起光纤的玻璃基体的变化的温度、压力、界面等。
已经在通信行业中使用布里渊反向散射分析来确定光纤中的切口、断裂、界面等的位置。当通过光纤传播的光束与这些类型的转变点(transitions)相互作用时，反向散射信号的频率改变，这可以在布里渊信号分析仪中观察到，该分析仪对与沿光纤的距离有关的布里渊反向散射频率进行绘图。此外，已经使用布里渊光时域反射仪(BOTDR，BrillouinOpticalTimeDomainReflectometer)开发了传感器和传感器系统，以作为分布式光纤传感器沿着光纤的长度查询光纤。已经证明这些系统在通信应用中是成功的，但是作为传感器是受限的。特别地，在高温监测领域，尚没有可以传送实际所需的必要空间分辨率和温度动态范围的BOTDR。
气体涡轮发动机通常包括压缩段、燃烧段以及涡轮段，其中，发动机的运转以本领域的技术人员很好理解的方式使输出轴转动以提供转动能。气体涡轮发动机具有作为能量源的各种已知应用，如发电厂中的发电机、飞机发动机、船舶发动机等。压缩段和涡轮段两者都包括相对于固定的静叶片定位的多个可转动的动叶片。燃烧段可以包括围绕涡轮发动机环绕定位的多个燃烧室。空气吸进压缩段中，在这里将空气进行压缩并且驱向燃烧段。燃烧段将空气与燃料混合，在这里将燃料点燃以生成温度通常超过1300℃的工作气体。工作气体膨胀通过涡轮段，并且使涡轮动叶片转动，进而使输出轴转动，由此提供机械功。可以在转让给本申请的受让人并且通过引用结合在本文中的标题为“ApparatusandMethodofMonitoringOperatingParameterofaGasTurbine(对气体涡轮的运转参数进行监测的设备及方法)”的美国专利No.7,582,359中找到该类型的气体涡轮发动机的更详细讨论。
在一种气体涡轮发动机设计中，燃烧段包括围绕发动机的整个圆周设置的环形燃烧室。将燃料注入使燃料点燃的室内的烧嘴设置在燃烧段周围。因为燃烧室中的温度非常高，所以已知的是，将能够承受和限制热耗散的瓷砖安装至室的基底金属，以保护涡轮中的各种部件。然而，由于严酷的燃烧环境，这些瓷砖有时损坏并且形成裂缝，或者从基底金属脱落，这会造成如继发性损坏的各种灾难性的机器故障等。在发动机的正常维护期间、以及在出现超过某个加速阈值的燃烧动态事件后，对气体涡轮发动机的燃烧室进行定期地目视检查。然而，希望能够在涡轮运转期间连续地监测瓷砖的情况。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种部件传感系统，该系统的一个应用是对气体涡轮发动机的燃烧室中的瓷砖的状况进行监测。该传感系统包括光纤，该光纤安装至受监测的部件，例如，气体涡轮燃烧室中的瓷砖。光纤可以以任意合适的取向或构造来形成，例如，弯曲取向或蛇形取向。光纤被光耦接至布里渊信号分析仪，布里渊信号分析仪向光纤的传感段提供光脉冲，并且随着脉冲沿光纤行进对来自光纤的布里渊反向散射进行检测。相对于沿光纤的传感段的距离来监测布里渊反向散射信号的频率。由于特定瓷砖损坏或脱掉而导致光纤的某一位置处的温度上升在分析仪中显示为反向散射信号的频率的增加。
结合附图，根据以下描述和所附权利要求，本发明的其他特征将会很明显。
附图说明
图1是气体涡轮发动机的燃烧段部分的剖切透视图；
图2是可对图1中所示的气体涡轮发动机的燃烧段中的瓷砖的损坏以可操作的方式进行检测的分布式温度异常检测系统的平面图；以及
图3是示出光纤中的各个层的剖切透视图。
具体实施方式
涉及对布里渊反向散射进行监测的传感系统的本发明的实施方式的以下讨论本质上仅是示例性的，并不意图限制本发明或本发明的应用或用途。特别地，以下讨论涉及使用传感系统来检测气体涡轮发动机的燃烧室中的瓷砖的损坏。然而，如本领域的技术人员将会理解的，本发明的传感系统将具有其他应用和其他用途。
图1是上面简要讨论的类型的气体涡轮发动机的燃烧段10的剖切透视图。燃烧段10包括接收空气流和合适燃料的环形燃烧室12，燃料通过在燃烧段10的外壁24环绕安装的一系列气体喷射器14注入室12中。通过室12中的燃料燃烧而生成的加热气体通过转动动叶片28吸至室12中的静叶片16之间的发动机的涡轮段(未示出)，并且用于使轴(未示出)转动以做功。燃烧室12为环形，并且具有外壁20所环绕包围的圆柱形中心构件18，外壁20限定了其与圆柱形中心构件18之间的室12。一系列或一组瓷砖22以本领域的技术人员很好理解的方式安装至构件18和外壁20。本领域的技术人员很好理解的是，瓷砖22由限制热量散发到燃烧室12的外壳和转子侧金属结构的高温陶瓷材料制成，以保护燃烧室12的基底金属。为了本文讨论的目的，瓷砖22可以具有任何合适的厚度和任何合适的尺寸，如3英寸×4英寸。如上面所讨论的，如果瓷砖22形成裂缝、或脱落或其他损坏，则可能发生严重的发动机故障。产生的最严重问题是整个瓷砖22或瓷砖22的一部分从室12脱落。该瓷砖22可以阻隔第一气体涡轮静叶片正上游侧的这部分气体流动区域，导致下游出现静压力比周围流动路径更高的滞流区域。因此，在一个回转期间，每个涡轮动叶片面对高压区域和低压区域，这可能导致动叶片故障和严重的涡轮损坏。
图2是分布式温度异常检测(DTAD，distributedtemperatureanomalydetector)系统30的平面图，该系统适于在气体涡轮发动机运转期间对瓷砖22的裂缝或其他损坏进行检测。DTAD系统30包括具有传感段的高温DTAD光纤36，传感段安装在燃烧室12中壁18和壁20的基底金属与瓷砖22之间。可以使用任何合适的技术或工艺，如在壁18和壁20的表面或瓷砖22的后表面中形成可以将光纤36定位在其中的沟槽，将光纤36设置在该位置。可以采用合适的高温水泥将光纤36可靠地保持在适当的位置。作为系统30的一部分的瓷砖22表示为瓷砖34的阵列32，特别是一排矩形瓷砖。在该非限制性实施方式中，光纤36示为相对于瓷砖34的后表面以蛇形或弯曲取向安装，使得光纤36沿阵列32来回穿行并且5次穿过每个瓷砖34。在每个单独的瓷砖34上的光纤36的分辨率或覆盖率的量将是这样的具体应用：能够根据系统的不同来调整光纤36的长度和取向。
系统30包括布里渊信号分析仪38，该分析仪生成沿光纤36传播的预定频率的脉冲信号，其中，信号与光纤36的玻璃基体或其他材料相互作用并且生成如上讨论的布里渊反向散射信号。分析仪38接收示为示踪信号44的布里渊反向散射信号，并且相对于沿着光纤36的距离来显示信号44的频率，其中，沿光纤36的位置限定瓷砖34上的位置。分析仪38包括可以通过合适的光连接器42与光纤36光耦接的光纤40。以这种方式，如果希望仅在瓷砖测试期间将分析仪38与光纤36连接，则可以将分析仪38与光纤36分离。可选地，分析仪38可以是气体涡轮发动机的固定部分，在这种情况下光纤36自身与分析仪38耦接。
在该非限制性实施方式中，分析仪38所提供的脉冲信号生成15GHz的反向散射外差信号作为示踪信号44，其中，入射/反向散射频移由光纤36的芯的材料和脉冲信号的频率来确定。位置X0表示光纤36的传感段开始被安装到瓷砖34的位置，位置Xend表示光纤36的末端。在该示例中，沿光纤36的位置X1、X2和X3示出温度异常，这些位置具有相对于它们在瓷砖34上的位置的已知位置。在该具体示例中，在位置X1和X2处的瓷砖34已经形成裂缝、脱掉或其他损坏，其中，在这些位置处暴露的或部分暴露的光纤36的温度与在气体涡轮发动机的正常运转期间会另外产生的温度相比升高。特别地，在该示例中，温度是反向散射信号的频率发生改变的被测变量。光纤36中的这些“热点”使得布里渊示踪信号44的频率升高，如分析仪38中的位置X1和X2处的异常46所表明的那样。同样地，在位置X3，在瓷砖34上的那个位置已沉淀了使光纤36的温度降低的残渣、涂层等，诸如碳渣，这造成如信号踪迹44中的异常48所示的布里渊反向散射信号的频率上的降低。
光纤36可以包括由适合本文所讨论的目的的多种材料制成的多个层。通常来说，光纤包括玻璃芯和包围该芯的玻璃包层，其中，包层的折射率小于芯的折射率，以使得与芯/包界面相互作用的沿芯传播的光被反射回芯中，只要相互作用的入射角小于基于芯和包层的折射率来确定的临界角即可。围绕包层布置一个或更多个外部保护层来保护芯和包层。通常来说，芯的直径非常小，大约小于10μm量级，以限制芯中的传播模式的数量。
图3是可以用作光纤36并且包括上述类型的光芯52和外包层54的光纤50的一段的剖切透视图。在该实施方式中，在包层54周围设置第一涂覆层56，并且在第一涂覆层56周围设置第二涂覆层58。涂覆层56和涂覆层58的厚度可以是适合本文所讨论的应用的任何厚度。例如，第二涂覆层58的厚度可以在900μm至1200μm之间。根据特定应用和预期的热量，芯和包层可以由能够承受温度约1500℃(2732℉)的合适的高温光纤材料制成。蓝宝石是能够承受这些高温并且适合作为光纤材料的一种已知材料。
此外，根据应用，涂覆层56和涂覆层58可以由增强或放大光纤50的加热的材料制成，如金属材料，例如，金。换句话说，为了确保承载布里渊信号的芯52响应于瓷砖22中的缺陷而足够快速地被加热并且加热至足够显著的程度，可以使用使光纤50的加热增强的材料来包围芯52，在这种情况下分析仪38将迅速且容易地检测到该温度。此外，对于那些温度可能非常高并且光纤50可以非常快地进行加热的应用，涂覆层56和涂覆层58可以由阻热的材料(如陶瓷材料)制成。
上面的讨论明确用于检测气体涡轮发动机的燃烧室内的瓷砖的损坏。然而，如所提到的，DTAD系统将具有其他应用。例如，DTAD系统可以用于检测蒸汽泄漏，其中，DTAD线缆邻接关键蒸汽管道和导管连接点、包括涡轮外壳接头的接头和穿透件来走线。如果发生蒸汽泄漏，则热蒸汽将与识别该泄漏的DTAD光纤的一段接触。
在另一示例中，DTAD可以用于流排放罐功能验证。在该实施方式中，DTAD光纤沿排放罐和相关管道来走线。如果排放罐下游的温度上升后没有启动排放罐，则分析仪可以对该事件进行检测，这可识别排放罐位置。另外，能够对部分阻塞和泄漏的排放情况进行检测。
DTAD系统还可以用于监测发电机集电刷。在该实施方式中，DTAD光纤在集电刷组件上方走线。过高的电刷电流情况导致电刷组件的加热，这可以由分析仪检测到。可以通过比较所有的集电刷组件的温度来检测低电刷电流情况，如表现不佳的电刷集电组件，在这种情况下，基于偏差测量发出警报。
DTAD系统还可以用于监测等相总线松紧链路(flexlinks)。在该实施方式中，DTAD光纤沿着与每条松紧链路接触的总线的长度来走线，在这种情况下，能够监测一个接头处的十二个松紧链路。分析仪可以监测接头处的过高温度，在这种情况下，可以比较所有松紧链路的温度，并且如果检测到异常低的链接温度，则可以发出包括非传导链路的位置的警报。
DTAD系统还可以用在烟道补偿器中。在该实施方式中，在开放环境中DTAD线缆可以布置在烟道补偿器正上方或靠近烟道补偿器布置。如果存在泄漏，则热烟道气体加热传感光纤并且分析仪检测该泄漏。
DTAD系统还可以用于监测HRSG头焊缝泄漏。在该实施方式中，DTAD沿着HRSG头焊缝走线，并且如果发生焊缝故障，则热气体将加热光纤。
DTAD系统还可以用作转换器的监测器。在该实施方式中，DTAD光纤沿着已经经历过损坏(如损失的金属部分)的地方的转换器的外表面和连接接头走线。导致冷却气体增加的金属损失造成DTAD温度降低。
前述讨论仅公开和描述了本发明的示例实施方式。本领域的技术人员将从这样的讨论中、以及从附图和权利要求中容易地认识到，在不脱离如下面的权利要求中所限定的本发明的范围的情况下，可以在其中进行各种改变、变形以及变化。

Claims (17)

1.一种用于对用于热保护的瓷砖的故障进行检测的传感器系统，所述系统包括：
光纤，其相对于所述瓷砖的阵列来安装并且具有与所述阵列中的每个瓷砖上的位置对应的预定长度，所述光纤相对于所述瓷砖的阵列以蛇形取向安装并且被配置成5次穿过所述每个瓷砖；以及
与所述光纤耦接的布里渊反向散射信号分析仪，所述布里渊反向散射信号分析仪提供沿所述光纤传播的脉冲光信号，并且对来自所述光纤的布里渊反向散射信号进行分析；所述分析仪相对于所述光纤的长度来识别所述布里渊反向散射信号的频率，其中，被测变量在沿所述光纤的长度的任意位置处的变化识别为在所述任意位置处所述布里渊反向散射信号的频率的变化。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述被测变量是温度，在这种情况下，在所述任意位置处所述光纤的温度的变化引起所述布里渊反向散射信号的频率的变化。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤包括由蓝宝石材料制成的光纤芯和包层。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤包括光纤芯、包层和围绕所述包层形成的至少一个外部保护层，所述至少一个外部保护层由热增强材料制成。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述热增强材料是金属材料。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述金属材料是金。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤包括光纤芯、包层和围绕所述包层形成的至少一个外部保护层，所述至少一个外部保护层由热阻材料制成。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述瓷砖安装至气体涡轮发动机的燃烧室内的壁。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述光纤设置在所述壁与所述瓷砖之间。
10.一种用于对涡轮燃烧室中的瓷砖的故障进行检测的传感器系统，所述系统包括：
光纤，其相对于所述瓷砖的阵列来安装并且具有与所述阵列中的每个瓷砖上的位置对应的预定长度，所述光纤以蛇形取向安装在燃烧室壁与所述瓷砖的阵列之间并且被配置成5次穿过所述每个瓷砖；以及
与所述光纤耦接的布里渊反向散射信号分析仪，所述布里渊反向散射信号分析仪提供沿所述光纤传播的脉冲光信号并且对来自所述光纤的布里渊反向散射信号进行分析；所述分析仪相对于所述光纤的长度来识别所述布里渊反向散射信号的频率，其中，沿所述光纤的长度的任意位置处的温度的变化识别为所述任意位置处所述布里渊反向散射信号的频率的变化。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述光纤包括由蓝宝石材料制成的光纤芯和包层。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述光纤包括光纤芯、包层和围绕所述包层形成的至少一个外部保护层，所述至少一个外部保护层由热增强料制成。
13.根据权利要求10所述的系统，其中，所述光纤包括光纤芯、包层和围绕所述包层形成的至少一个外部保护层，所述至少一个外部保护层由热阻材料制成。
14.一种气体涡轮发动机，包括：
燃烧段，其包括以可操作的方式接收燃料和空气的燃烧室，所述燃烧室包括室壁，在所述室壁上安装有多个瓷砖；以及
传感器系统，其包括以蛇形取向设置在所述燃烧室的所述壁与所述瓷砖之间的光纤，其中所述光纤被配置成5次穿过每个瓷砖，所述光纤具有与沿所述瓷砖的位置对应的预定长度；所述传感器系统还包括与所述光纤耦接的布里渊反向散射信号分析仪；所述布里渊反向散射信号分析仪提供沿所述光纤传播的脉冲光信号，并且对来自所述光纤的布里渊反向散射信号进行分析；所述分析仪相对于所述光纤的长度来识别所述布里渊反向散射信号的频率，其中，沿所述光纤的长度的任意位置处的温度的变化识别为所述任意位置处所述布里渊反向散射信号的频率的变化。
15.根据权利要求14所述的发动机，其中，所述光纤包括由蓝宝石材料制成的光纤芯和包层。
16.根据权利要求14所述的发动机，其中，所述光纤包括光纤芯、包层和围绕所述包层形成的至少一个外部保护层，所述至少一个外部保护层由热增强材料制成。
17.根据权利要求14所述的发动机，其中，所述光纤包括光纤芯、包层和围绕所述包层形成的至少一个外部保护层，所述至少一个外部保护层由热阻材料制成。
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