CN106895965A - 用于监测涡轮构件的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于监测涡轮构件的方法。其中，用于监测构件的方法包括定位构件上的多个自然出现的表面特征，定位至少一个参考点，测量在多个自然出现的表面特征与至少一个参考点之间的多个第一距离。

Description

用于监测涡轮构件的方法
技术领域
本文公开的主题涉及构件，更具体地涉及使用如加工的表面特征或自然出现的表面特征的参考表面特征来监测构件。
背景技术
一些构件可能需要在包括升高温度和/或腐蚀性条件的环境中操作。例如，涡轮机广泛用于诸如发电和飞行器发动机的领域中。此燃气轮机系统包括压缩机区段、燃烧器区段和至少一个涡轮区段。压缩机区段构造成在空气流过压缩机区段时压缩空气。空气然后从压缩机区段流至燃烧器区段，在该处，其与燃料混合且燃烧，生成热气流。热气流提供至涡轮区段，涡轮区段通过从其获得能量来使用热气流，以对压缩机、发电机和其它各种负载供能。
在燃气涡轮发动机的操作期间，燃烧气体的温度可超过3000℉，远高于与这些气体接触的发动机的金属零件的熔化温度。这些发动机在高于金属零件熔化温度的气体温度下的操作可部分地依靠一个或多个保护性涂层和/或通过各种方法将冷却空气供应至金属零件的外表面。具体经历高温且因此需要相对于冷却的特别关注的这些发动机的金属零件是形成燃烧器的金属零件和位于燃烧器后方的零件。
此外，这些和其它构件可在其操作寿命内经历来自各种力的应力和/或应变。尽管各种工具可用于在相对标准的环境中测量给予的应力和应变，但涡轮和其它构件可经历穿过多个位置的各种力，这与在单点处或沿线性路径相反。
因此，具有基于阵列的应变传感器的备选构件和用于监测其的方法将是本领域中受欢迎的。
发明内容
在一个实施例中，公开了一种用于监测构件的方法。该方法可包括定位构件上的多个自然出现的表面特征，定位至少一个参考点，以及测量在多个自然出现的表面特征与至少一个参考点之间的多个第一距离。
在另一个实施例中，公开了一种用于监测涡轮构件的方法。该方法包括定位涡轮构件上的多个自然出现的表面特征，定位至少一个参考点，以及测量在多个自然出现的表面特征与至少一个参考点之间的多个第一距离。该方法还可包括使用涡轮机中的涡轮构件，在涡轮构件用于涡轮机中之后的第二时间点定位涡轮构件上的多个自然出现的表面特征，在第二时间点定位至少一个参考点，测量在第二时间点处的多个自然出现的表面特征与至少一个参考点之间的多个第二距离，以及将多个第一距离与多个第二距离相比较来确定应变分析。
技术方案1. 一种用于监测构件的方法，所述方法包括：
定位所述构件上的多个自然出现的表面特征；
定位至少一个参考点；以及
测量在所述多个自然出现的表面特征与所述至少一个参考点之间的多个第一距离。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在第二时间点定位所述构件上的所述多个自然出现的表面特征；
在所述第二时间点定位所述至少一个参考点；
在所述第二时间点测量在所述多个自然出现的表面特征与所述至少一个参考点之间的多个第二距离；以及
将所述多个第一距离与所述多个第二距离相比较来确定应变分析。
技术方案3. 根据技术方案2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于所述应变分析继续使用所述构件。
技术方案4. 根据技术方案2所述的方法，其特征在于，将所述多个第二距离与所述多个第一距离相比较包括产生示出距离变化的应变图。
技术方案5. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述自然出现的表面特征包括颗粒结构。
技术方案6. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述自然出现的表面特征包括表面形貌特征。
技术方案7. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，定位所述多个自然出现的表面特征包括确定所述多个自然出现的表面特征中的各个的质心。
技术方案8. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，定位所述多个自然出现的表面特征包括设定所述自然出现的表面特征中的各个的二维坐标位置。
技术方案9. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述多个自然出现的表面特征中的各个包括等于或小于500微米的直径。
技术方案10. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述参考点包括所述多个自然出现的表面特征中的一个。
技术方案11. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，定位多个参考点，且所述多个第一距离包括在所述多个自然出现的表面特征中的各个与所述多个参考点中的各个之间的距离。
技术方案12. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述构件包括涡轮构件。
技术方案13. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述构件包括镍基或钴基超级合金。
技术方案14. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述自然出现的表面特征定位在所述构件的涂层中。
技术方案15. 根据技术方案14所述的方法，其特征在于，所述涂层包括氧化钇稳定的氧化锆(yttria stabilized zirconia)。
技术方案16. 一种用于监测涡轮构件的方法，所述方法包括：
定位所述涡轮构件上的多个自然出现的表面特征；
定位至少一个参考点；
测量在所述多个自然出现的表面特征与所述至少一个参考点之间的多个第一距离；
在涡轮机中使用所述涡轮构件；
在所述涡轮构件用于所述涡轮机中之后的第二时间点定位所述涡轮构件上的所述多个自然出现的表面特征；
在所述第二时间点定位所述至少一个参考点；
在所述第二时间点测量在所述多个自然出现的表面特征与所述至少一个参考点之间的多个第二距离；以及
将所述多个第一距离与所述多个第二距离相比较来确定应变分析。
技术方案17. 根据技术方案16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于所述应变分析继续使用所述涡轮构件。
技术方案18. 根据技术方案16所述的方法，其特征在于，所述自然出现的表面特征包括颗粒结构。
技术方案19. 根据技术方案16所述的方法，其特征在于，所述自然出现的表面特征包括表面形貌特征。
技术方案20. 根据技术方案16所述的方法，其特征在于，所述参考点包括所述多个自然出现的表面特征中的一个。
由本文所述的实施例提供的这些和附加特征将鉴于连同附图的以下详细描述而更完整地理解。
附图说明
附图中提出的实施例在性质上为示范性和示例性的，且不旨在限制由权利要求限定的发明。示范性实施例的以下详细描述可在连同以下附图阅读时理解，其中相似的结构以相似的参考标号指出，且在附图中：
图1为根据本文所示或所述的一个或多个实施例的包括参考表面特征的示例性构件；
图2为根据本文所示或所述的一个或多个实施例的包括加工的表面特征的图1中所示的构件的一部分的透视图；
图3为根据本文所示或所述的一个或多个实施例的包括自然出现的表面特征的图1中所示的构件的一部分的放大图；
图4为根据本文所示或所述的一个或多个实施例的示出在自然出现的表面特征与参考点之间的距离的图1中所示的构件的一部分的放大视图；
图5为用于定位构件上的参考表面特征的系统的透视图；
图6为根据本文所示或所述的一个或多个实施例的两个不同时间间隔下的包括参考表面特征的构件的透视图；以及
图7为根据本文所示或所述的一个或多个实施例的利用参考表面特征监测构件的示例性方法。
具体实施方式
下文将描述本发明的一个或多个特定实施例。为了提供这些实施例的简要描述，可在说明书中不描述实际实施方式的所有特征。应当认识到的是，在任何此类实际实施方式的开发中，如任何工程或设计项目中那样，必须进行许多实施方式特有的决定来实现开发者的特定目标，如，符合系统相关和业务相关的约束，这可从一个实施方式到另一个不同。此外，应当认识到的是，此开发工作可能复杂且耗时，但对于受益于本公开内容的普通技术人员仍是设计、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"、"一种"、"该"和"所述"旨在意指存在一个或多个元件。用语"包括"、"包含"和"具有"旨在为包含性的，且意思是可存在除所列元件之外的附加元件。
仍参看图1至图6，构件10大体上包括表面11和多个参考表面特征50，以及构件10的表面11上的至少一个参考点60(其自身可包括其中一个参考表面特征50)。如本文将变得更好认识到的那样，参考表面特征50可包括加工的表面特征51(例如，涡轮构件上的冷却孔、加工的轮廓、凹座、划线、凹痕、边缘等)和/或自然出现的表面特征52(例如，颗粒结构(grain structure)、表面形貌特征(surface topography feature)等)。参考表面特征50可有助于促进穿过构件10的该区域的应变、应变率、蠕变、疲劳、应力等的确定，而不添加单独的应变传感器相关的构件。
构件10(且更具体而言，整个构件10的基底11)可包括用于多种不同应用的多种类型的构件，诸如例如用于高温应用的构件(例如，包括镍基或钴基超级合金的构件)。在一些实施例中，构件10可包括工业燃气轮机或汽轮机构件，如，燃烧构件或热气体通路构件。在一些实施例中，构件10可包括涡轮叶片、压缩机叶片、导叶、喷嘴、护罩、转子、过渡件或罩。在其它实施例中，构件10可包括涡轮的任何其它构件，如，燃气轮机、汽轮机等的任何其它构件。在一些实施例中，构件可包括非涡轮构件，包括但不限于汽车构件(例如，小汽车、卡车等)、航空构件(例如，飞机、直升机、航天飞机、铝零件等)、火车或轨道构件(例如，列车、列车轨道等)、结构、基础结构或土木工程构件(例如，桥梁、建筑物、建筑设备等)，和/或发电站或化学处理构件(例如，用于高温应用的管)。
现在参看图1至图6，构件上的参考表面特征50可包括加工的表面特征51和/或自然出现的表面特征52。
如图2中最佳所示，加工的表面特征51可包括加工到构件10中的任何肉眼可分辨的特征。如本文使用的"加工"可宽泛地包括任何沉积、添加制造、减除或外形改变技术，例如，包括铸造、喷丸或喷点、激光(添加或除去)、划线、钻孔、雕刻、退火、变色、抛光、表面重整或经由一个或多个操作将材料加入构件10、从构件10除去或改变构件10上的材料。加工的表面特征51可包括功能或非功能特征，且可在包括初始制造或保养间隔的任何阶段加入构件10。
在一些实施例中，加工的表面51可包括凹座、断片、孔、凹痕、划线或从构件10除去材料的其它形式。在一些实施例中，加工的表面特征51可包括凸起、突出特征或材料加至构件10的其它形式。在一些实施例中，加工的表面特征51可包括构件10中的轮廓，如，转角、接头、边缘、凸脊等。
如上文所述，构件10可包括用于高温应用的涡轮构件或其它类型的构件。在此实施例中，加工的表面特征51可包括构件10中的冷却孔。
如图3至图4中最佳所示，自然出现的表面特征52可包括任何特征，包括微观特征(例如，小于500或甚至100微米的直径)，其自然出现在构件10上。例如，自然出现的特征52可包括材料自身的颗粒结构和/或由材料制造和/或精整方法引起的标记，如但不限于切割、挤出、轧制、铸造、热处理、喷砂、清洁、蚀刻等。在一些实施例中，自然出现的表面特征52可包括表面形貌特征，如，具有多个峰和谷的自然出现的表面粗糙度。
参看图2和4，构件10还可包括至少一个参考点60。参考点60可包括构件10上的任何可识别的点，其可用于测量在至少一个参考点60与构件10的一个或多个参考表面特征50之间的多个距离。在一些实施例中，参考点60可包括其中一个参考表面特征50(例如，加工的表面特征51或自然出现的表面特征52)。在一些实施例中，参考点60可包括任何其它特征，如，沉积的材料、涂料、桩等。此外，在一些实施例中，参考点60可设置在不太可能经历扭曲、磨损、氧化等的区域(例如，涡轮构件上的燕尾部)中。此实施例可通过提供从其测量其它参考表面特征50的相对移动的更一致的参考位置来促进将来的读取(包括甚至可在整个机器原地进行的批量检查读取)。
多个参考表面特征50(例如，加工的表面特征51和/或自然出现的表面特征52)和至少一个参考点60可通过适合的成像方法来定位，例如，取决于构件的类型、材料、尺寸和形状和/或参考表面特征50的类型。
例如，在一些实施例中，如在参考表面特征50包括宏观规模的加工的表面特征51时，多个参考表面特征50可使用结构光扫描如蓝光或白光来定位。在一些实施例中，参考表面特征50可通过识别各个参考表面特征50的3维坐标位置来定位。在此实施例中，各种3维成像技术可使用，如，CAT扫描或激光形貌分析。
在一些实施例中，如，在参考表面特征50包括自然出现的表面特征52时，多个参考表面特征50可通过微观成像技术(例如，光学、SEM、TEM、AFM等)来定位。在一些实施例中，多个参考表面特征50可通过识别各个参考表面特征50的二维坐标位置(例如，如图4中所示的X#,Y#)来定位。
如图3中最佳所示，在一些实施例中，多个参考表面特征50可通过确定各个参考表面特征50的质心来定位。根据本公开内容的质心为区域(如，二维区域)的几何中心，且因此是此形状的所有点的算术平均或平均位置。在示例性实施例中，质心可通过成像装置和处理器的使用来定位。在此类实施例中，例如分析多个参考表面特征50的图像的处理器可计算且因此定位多个参考表面特征50中的各个的质心。
现在参看图2和图5，系统100可用于定位如本文所述的构件10上的多个参考表面特征50和/或至少一个参考点60。例如，此示例性系统100可包括成像装置106和处理器104。
处理器104大体上可分析从成像装置106采集的数据，且执行如本文所述的各种计算和其它功能。尤其是，根据本公开内容的系统100可提供多个参考表面特征50关于涡轮构件10的准确且有效的探测。
大体上，如所述使用的用语"处理器"不但是指本领域中称为包括在计算机中的集成电路，而且是指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路，以及其它可编程电路。处理器104还可包括各种输入/输出通道来用于接收来自各种其它构件的输入和发送控制信号至各种其它构件，利用它们处理器104与诸如成像装置106、数据采集装置、机械臂(本文所述)等通信。处理器104大体上执行如本文所述的各种步骤。此外，应当理解的是，根据本公开内容的处理器104可为与系统100的其它各种构件通信的单个主处理器104，且/或可包括多个独立的构件处理器，即，成像装置处理器、数据采集装置处理、机械臂处理器等。各种独立的构件处理器可与彼此通信，且还可与主处理器通信，且这些构件可共同地称为处理器104。
系统100还可包括用于获得涡轮构件10的图像的成像装置106。例如，成像装置106可包括透镜组件和图像采集装置。透镜组件大体上可放大通过成像装置查看的图像。例如，在一些实施例中，透镜组件例如可为适合的相机透镜、望远镜透镜等，且可包括间隔开来提供所需的放大的一个或多个透镜。图像采集装置大体上可与所述透镜组件通信来用于接收和处理来自透镜组件的光以生成图像。例如，在示例性实施例中，图像采集装置可为相机传感器，其接收和处理来自相机透镜的光以生成图像，如，数字图像，这如通常所理解的那样。例如，成像装置106还可经由适合的有线或无线连接来与处理器104通信，以用于储存和分析来自成像装置106的图像。显著地，在示例性实施例中，处理器104执行和操作成像装置106执行本文公开的各种步骤或操作。
如图5中进一步所示，系统100还可包括机械臂130。机械臂130可支持和便于系统100的其它构件的移动，如成像装置106和处理器104的构件。例如，成像装置106可安装到机械臂130上。处理器104可与机械臂130通信，如，利用各种电动机，和/或其驱动构件，且可触动机械臂130来按需要移动。在示例性实施例中，此移动可使成像装置106关于构件10定位。在示例性实施例中，机械臂130为六自由度的臂130，其提供沿3条单独轴线和沿单个单独的角(围绕相应轴线)的移动。
现在参看图2和4，一旦多个参考表面特征50(例如，加工的表面特征51和/或自然出现的表面特征52)和至少一个参考点60定位，则多个距离D可在多个参考表面特征50和至少一个参考点60之间测得。这些距离然后可在随后的时间再测量(例如，在构件使用之前、期间和之后)，以比较来分析穿过构件10的该区域的应变、应变率、蠕变、疲劳、应力等。例如，比较可用于产生示出距离D的变化的应变图。
还参看图7，示出了用于监测构件10如涡轮构件(如图1至图6中所示)的方法200。方法200首先包括在步骤210中定位多个参考表面特征50(例如，加工的表面特征51和/或自然出现的表面特征52)和在步骤220中定位至少一个参考点60。多个参考表面特征50，至少一个参考点60可包括任何适合的特征，且通过如本文所述的适合方法来定位。应当认识到的是，步骤210和220还可以以任何相关顺序发生，且/或同时出现。
方法200然后还可包括在步骤230中测量在多个参考表面特征50(例如，加工的表面特征51和/或自然出现的表面特征52)与至少一个参考点60之间的多个第一距离D。如本领域将认识到那样，这些距离D可储存来用于参考。例如，在一些实施例中，在之前的距离D已经事先测得或已经知道时，步骤230中测得的距离D可用于应变分析。
在一些实施例中，方法200还可包括在多个第一距离D在步骤230中测得之后在步骤240中使用构件。在这些和其它实施例中，方法200然后还可包括反映步骤210,220和230的反复的距离测量过程，使得可确定在相同的相应参考表面特征50与参考点60之间的新距离。具体而言，方法200还可包括在步骤250中的第二时间点(即，步骤210之后)定位多个参考表面特征50(例如，加工的表面特征51和/或自然出现的表面特征52)，以及在步骤260中在第二时间点定位至少一个参考点60。如前文所述，应当认识到的是，步骤210和220也可以以任何相对顺序发生和/或同时地发生。
方法200然后还可包括在步骤270中的第二时间点测量在多个参考表面特征50(例如，加工的表面特征51和/或自然出现的表面特征52)与至少一个参考点60之间的多个第二距离D。
方法200还可包括在步骤280中将多个第一距离D(从第一时间点)与多个第二距离D(从第二时间点)相比较来确定应变分析。步骤280中的应变分析可包括从第一时间点和第二时间点的在多个参考表面特征50和参考点60之间的任何距离比较。例如，步骤280中的应变分析可包括穿过构件10的该区域的应变、应变率、蠕变、疲劳、应力等的分析，如，通过产生示出距离D的变化的应变图。
最后，在一些实施例中，方法200可包括基于步骤280中的比较来在步骤290中作出构件10的使用确定，诸如例如基于应变分析继续使用构件10，基于应变分析来改变或修理构件10，或基于应变分析废弃构件10。
现在应当认识到的是，包括加工的表面特征和自然出现的表面特征两者的参考表面特征可位于构件上来用于监测构件的特定区域的应变、蠕变等。参考表面特征的使用可通过限制或避免附加传感器或材料的需要来使应变监测过程流线化。该信息然后可用于确定对构件的任何所需的改变，或检验其对于未来使用的适用性。
尽管仅结合了有限数目的实施例详细描述本发明，但应当理解的是，本发明不限于此公开实施例。相反，本发明可改变以结合迄今未描述的但与本发明的精神和范围相当的任何数目的变型、改型、置换或等同布置。此外，尽管已经描述了本发明的各种实施例，但将理解的是，本发明的方面可仅包括一些所述实施例。因此，本发明未看作是前述描述的限制，但仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (10)

1.一种用于监测构件的方法，所述方法包括：
定位所述构件上的多个自然出现的表面特征；
定位至少一个参考点；以及
测量在所述多个自然出现的表面特征与所述至少一个参考点之间的多个第一距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在第二时间点定位所述构件上的所述多个自然出现的表面特征；
在所述第二时间点定位所述至少一个参考点；
在所述第二时间点测量在所述多个自然出现的表面特征与所述至少一个参考点之间的多个第二距离；以及
将所述多个第一距离与所述多个第二距离相比较来确定应变分析。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于所述应变分析继续使用所述构件。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述多个第二距离与所述多个第一距离相比较包括产生示出距离变化的应变图。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述自然出现的表面特征包括颗粒结构。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述自然出现的表面特征包括表面形貌特征。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，定位所述多个自然出现的表面特征包括确定所述多个自然出现的表面特征中的各个的质心。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，定位所述多个自然出现的表面特征包括设定所述自然出现的表面特征中的各个的二维坐标位置。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个自然出现的表面特征中的各个包括等于或小于500微米的直径。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考点包括所述多个自然出现的表面特征中的一个。
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