CN106931935A - 具有嵌入的应变传感器的构件及监测其的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有嵌入的应变传感器的构件及监测其的方法。构件可包括基底、包括设置在基底上的至少两个基准点的嵌入的应变传感器，以及设置在嵌入的应变传感器的至少一部分上的外涂层。

Description

具有嵌入的应变传感器的构件及监测其的方法
技术领域
本文公开的主题涉及应变传感器，并且更具体地涉及具有嵌入的应变传感器的构件和用于监测其的方法。
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。取决于涡轮机的总体构造(即，燃气轮机、汽轮机和/或发电机的并入)，此涡轮机系统可包括一个或更多个压缩机区段、燃烧器区段、涡轮区段、蒸汽路径区段和/或发电机区段。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。热气流被提供至涡轮区段，涡轮区段通过从热气流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。蒸汽路径区段可使用涡轮机系统中(诸如，由余热回收蒸汽发生器产生的)的任何蒸汽流来从其获得能量，以用于发电。同样，发电机区段可将来自涡轮区段(例如，燃气涡轮或蒸汽涡轮区段)的旋转移动转化成电力。
在涡轮机的操作期间，涡轮机内且特别是涡轮机的涡轮区段或发电机区段内的诸如涡轮叶片的各种构件(共同称为涡轮构件)可经历高温和高应力引起的蠕变。对于涡轮叶片，蠕变可促使整个叶片的部分拉长，使得叶片末梢接触静止结构(例如，涡轮壳)，且可能在操作期间引起不需要的振动和/或降低性能。
尽管各种工具可用于测量相对标准的环境中给予的应力和应变，但涡轮和其它构件可经历可能不适用于此测量工具的更热和/或更大腐蚀性的工作条件。
因此，具有嵌入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，公开了一种构件。构件可包括基底、包括设置在基底上的至少两个基准点的嵌入的应变传感器，以及设置在嵌入的应变传感器的至少一部分上的外涂层。
在另一个实施例中，公开了另一种构件。构件可包括基底、设置在基底的至少一部分上的一个或更多个中间涂层、包括设置在一个或更多个内涂层上的至少两个基准点的嵌入的应变传感器，以及设置在嵌入的应变传感器的至少一部分上的外涂层。
在又一个实施例中，公开了一种用于监测构件的方法。该方法包括将电磁辐射施加到构件上，其中构件包括：包括设置在基底上的至少两个基准点的嵌入的应变传感器和设置在嵌入的应变传感器的至少一部分上的外涂层。该方法还包括经由电磁辐射和嵌入的应变传感器的相互作用测量第二时间间隔下的至少两个基准点之间的第二距离，以及将第二距离与从第一时间间隔测得的至少两个基准点之间的第一距离相比较。
本发明的第一技术方案提供了一种构件，包括：基底；包括设置在所述基底上的至少两个基准点的嵌入的应变传感器；以及，设置在所述嵌入的应变传感器的至少一部分上的外涂层。
本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，所述外涂层覆盖所述整个嵌入的应变传感器。
本发明的第三技术方案是在第一技术方案中，多个涂层设置在所述嵌入的应变传感器的至少一部分上。
本发明的第四技术方案是在第一技术方案中，所述外涂层包括粘结涂层或热障涂层。
本发明的第五技术方案是在第一技术方案中，所述外涂层包括不透明材料。
本发明的第六技术方案是在第一技术方案中，所述外涂层还设置在所述基底的至少一部分上。
本发明的第七技术方案是在第一技术方案中，所述嵌入的应变传感器包括由电磁光谱中的波长激励的材料。
本发明的第八技术方案是在第一技术方案中，所述嵌入的应变传感器包括钨或铂。
本发明的第九技术方案是在第一技术方案中，所述基底包括涡轮构件。
本发明的第十技术方案是在第一技术方案中，所述基底包括镍基或钴基超级合金，以及其中所述嵌入的应变传感器包括比所述镍基或钴基超级合金更致密的材料。
本发明的第十一技术方案提供了一种构件，包括：基底；设置在所述基底的至少一部分上的一个或更多个中间涂层；包括设置在一个或更多个内涂层上的至少两个基准点的嵌入的应变传感器；以及，设置在所述嵌入的应变传感器的至少一部分上的外涂层。
本发明的第十二技术方案是在第十一技术方案中，所述基底包括涡轮构件。
本发明的第十三技术方案是在第十二技术方案中，所述一个或更多个中间涂层包括粘结涂层。
本发明的第十四技术方案是在第十三技术方案中，所述外涂层包括热障涂层。
本发明的第十五技术方案是在第一技术方案中，所述外涂层包括不透明材料。
本发明的第十六技术方案是在第一技术方案中，所述外涂层还设置在所述一个或更多个中间涂层的至少一部分上。
本发明的第十七技术方案是在第一技术方案中，所述嵌入的应变传感器包括由电磁光谱中的波长激励的材料。
本发明的第十八技术方案提供了一种用于监测构件的方法，所述方法包括：将电磁辐射施加至所述构件，其中所述构件包括：包括设置在基底上的至少两个基准点的嵌入的应变传感器，以及设置在所述嵌入的应变传感器的至少一部分上的外涂层；经由所述电磁辐射与所述嵌入的应变传感器的相互作用测量第二时间间隔下的所述至少两个基准点之间的第二距离；以及，将所述第二距离与从第一时间间隔测得的所述至少两个基准点之间的第一距离相比较。
本发明的第十九技术方案是在第十八技术方案中，施加所述电磁辐射包括施加x射线。
本发明的第二十技术方案是在第十八技术方案中，所述基底包括涡轮构件。
由本文所论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被更完整理解。
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更多个实施例的包括嵌入的应变传感器的示例性构件；
图2为根据本文所示或所述的一个或更多个实施例的示例性嵌入的应变传感器；
图3为根据本文所示或所述的一个或更多个实施例的示例性构件的截面；
图4为根据本文所示或所述的一个或更多个实施例的另一个示例性构件的截面；以及，
图5为根据本文所示或所述的一个或更多个实施例的用于监测构件的示例性方法。
零件列表
10 传感器构件
11 基底
40 嵌入的应变传感器
41 第一基准点
42 第二基准点
45 负空间
47 唯一标识符
50 外涂层
51 中间涂层(一个或更多个)
D 距离
100 方法
110 步骤(施加EM)
120 步骤(测量第二距离)
130 步骤(与第一距离相比较)。
具体实施方式
下文将描述本发明的一个或更多个特定实施例。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，诸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，词语"一个"、"一种"、"该"和"所述"旨在意指存在一个或更多个元件。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。
现在参看图1，构件10大体上包括基底11、包括设置在基底11上的至少两个基准点41和42的嵌入的应变传感器40，以及设置在嵌入的应变传感器40的至少一部分上的外涂层50。
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、汽轮机或诸如燃烧构件的发电机构件、热气体路径构件、蒸汽路径构件或发电机构件。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、过渡件或壳。在其它实施例中，构件10可包括涡轮的任何其它构件，诸如用于燃气轮机、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1-5，嵌入的应变传感器40设置在总体构件10的基底11的外表面的一部分上。嵌入的应变传感器40大体上包括至少两个基准点41和42，其可用于以多个时间间隔测量上述至少两个基准点41和42之间的距离D。如本领域的技术人员将认识到的那样，这些测量结果可有助于确定构件10的该区域处的应变量、应变率、蠕变、疲劳、应力等。只要至少两个基准点41和42之间的距离D可测量，则至少两个基准点41和42可取决于特定构件10设置在多种距离处和多种位置。此外，至少两个基准点41和42可包括点、线、圆、框或任何其它几何形状或非几何形状，只要它们可一致地识别，且可用于测量其间的距离D。
嵌入的应变传感器40还可包括穿过外涂层50可读取的材料。在此实施例中，外涂层50可覆盖嵌入的应变传感器40，以有助于保护其免受构件10的操作环境(例如，工业燃气轮机中的升高温度)，同时操作者仍可测量嵌入的应变传感器40。取决于使用的外涂层50和/或探测(读取或测量)技术的类型，嵌入的应变传感器40还可包括有助于将其与基底11区分开的任何一种或更多种材料。
在一些实施例中，嵌入的应变传感器40可包括由电磁光谱中的特定波长激励的材料。例如，嵌入的应变传感器40可由X射线、UV辐射、红外线辐射、微波或甚至无线电波激励。此可激励的反应可在读取嵌入的应变传感器40以确定至少两个基准点41和42之间的距离时使用。此外，在嵌入的应变传感器40由可见光谱外的波长激励时，嵌入的应变传感器40仍可甚至在外涂层50包括将妨碍第一基准点41和第二基准点42的视觉读取的不透明材料时读取。例如，嵌入的应变传感器可包括钨或钛，使得其经由X射线或CT探测方法来测量。
在一些实施例中，嵌入的应变传感器40可仅包括比基底11更致密的材料，使得其经由X射线或CT探测方法来突出。例如，如果基底11包括镍或钴超级合金(例如，涡轮构件)，嵌入的应变传感器40可包括比镍或钴超级合金更致密的材料。在一些实施例中，材料可掺杂对于X射线或CT探测方法作出不同反应的材料。例如，嵌入的应变传感器40可包括掺杂钡的诸如氧化钇稳定的氧化锆(也称为YSZ)的热障涂层，使得经由X射线、CT或荧光镜探测方法可读取钡。
在一些实施例中，嵌入的应变传感器40可包括视觉透明的材料(例如，玻璃)，其可在使用各种红外线成像方法(诸如，中波长红外线、短波长红外线、长波长红外线或远红外线方法)时显示为不透明的。
在一些实施例中，嵌入的应变传感器40可引起基底11的表面中的轮廓变化，使得嵌入的应变传感器40的反射可经由超声(例如，相控阵)或声学显微术来测量。在一些实施例中，嵌入的应变传感器40可包括不同于基底11的传导性或反射性，使得其可分别使用涡流或激光反射计来探测。在甚至一些实施例中，嵌入的应变传感器40可包括极化不同氧化物涂层且调制厚度使得其可使用拉曼光谱学探测到材料或多种材料。
如图2中最佳所示，嵌入的应变传感器40可包括多种不同的构造和截面，诸如通过结合多种不同地成形的、确定尺寸的和定位的基准点41和42。例如，如图2中所示，嵌入的应变传感器40可包括多种不同的基准点，其包括各种形状和尺寸。此类实施例可提供较多种类的距离测量结果D，诸如最外基准点(如图所示)之间、两个内部基准点之间，或其间的任何组合。较多种类还可通过提供跨过较多种类的位置的应变测量结果来提供构件10的特定部分上的更稳健的应变分析。
此外，嵌入的应变传感器40的大小例如可取决于构件10、嵌入的应变传感器40的位置、测量的目标精度、沉积技术和探测(例如，读取或测量)技术。例如，在一些实施例中，嵌入的应变传感器40可包括范围从小于1毫米到大于300毫米的长度和宽度。此外，嵌入的应变传感器40可包括在不会显著影响下方的构件10的性能的情况下，适用于沉积且随后光学识别的任何厚度。例如，在一些实施例中，嵌入的应变传感器40可包括小于大约1毫米到大于1毫米的厚度。在一些实施例中，嵌入的应变传感器40可具有基本一致的厚度。此实施例可有助于促进第一基准点41与第二基准点42之间的随后应变计算的更准确测量。
在一些实施例中，嵌入的应变传感器40可包括正沉积的正方形或矩形，其中第一基准点41和第二基准点42包括上述正方形或矩形的两个相对侧。在其它实施例中，嵌入的应变传感器40可包括由负空间45(即，其中嵌入的应变传感器40材料未沉积的区域)分开的至少两个沉积的基准点41和42。
如图2中所示，在甚至一些实施例中，嵌入的应变传感器40可沉积为形成唯一标识符47(下文为"UID")。UID47可包括任何类型的条码、标记、标签、序列号、图案或便于该特定嵌入的应变传感器40的识别的其它识别系统。在一些实施例中，UID47另外或作为备选包括关于构件10(例如，涡轮构件)或构件10并入其中的系统或机器(例如，燃气轮机或汽轮机)的信息。UID47因此可有助于特定嵌入的应变传感器40、构件10或甚至整个系统或机器的识别和跟踪，以有助于过去、当前和未来的操作跟踪的相关测量。
构件10还包括外涂层50，其设置在嵌入的应变传感器40的至少一部分上。外涂层50可有助于保护嵌入的应变传感器40且可能地基底11免受构件10的操作环境(例如，工业燃气轮机中的升高温度)。例如，嵌入的应变传感器40可由于在没有外涂层50保护情况下的腐蚀和/或侵蚀而经历边缘退化。
外涂层50可包括例如部分地基于构件10的环境的多种材料。在一些实施例中，外涂层50可包括可提供提高的温度耐久性的陶瓷材料。例如，在一些实施例中，陶瓷材料可包括热障涂层，诸如氧化钇稳定的氧化锆(也称为YSZ)。在此实施例中，例如，YSZ可包括YSZ-D111。在甚至一些实施例中，外涂层50可包括金属粘结涂层和/或热增长氧化物，以有助于陶瓷顶部涂层(例如，YSZ)的沉积。在一些实施例中，外涂层50可包括凝胶涂层，诸如凝胶铝化合物。
在一些实施例中，外涂层50可包括可溶解的材料。例如，外涂层50可经由水或另一溶液溶解，以露出嵌入的应变传感器40来用于测量。在其它实施例中，外涂层50是诸如通过熔化、刮擦或其它适合的手段可除去的。在此实施例中，外涂层50可为牺牲性的，使得其在基底11的操作期间保护嵌入的应变传感器40，但然后在进行嵌入的应变传感器40的附加读取之前除去。
在一些实施例中，外涂层50仅可覆盖嵌入的应变传感器40的一部分，诸如仅外缘，或仅一个或更多个表面区域。然而，在一些实施例中，外构件50可覆盖整个嵌入的应变传感器40。此外，在一些实施例中，外涂层50还可设置在基底11的至少一部分上。在此实施例中，外涂层50可有助于保护嵌入的应变传感器40和基底11两者免受操作状态。
此外，基底11、嵌入的应变传感器40和外涂层50可以以多种相对构造设置。例如，如图3中所示，在一些实施例中，嵌入的应变传感器40可直接地设置在基底11上，且外涂层50可设置在嵌入的应变传感器40和基底11两者上。在一些实施例中，如，图4中所示，一个或更多个中间涂层51可施加到基底11与嵌入的应变传感器40之间。外涂层50然后仅设置在嵌入的应变传感器40上，或如图所示可设置在嵌入的应变传感器40和一个或更多个中涂层51两者上。
嵌入的应变传感器40可沉积在基底11上的多种位置中的一个或更多个中。例如，如果基底包括涡轮构件，则嵌入的应变传感器40可沉积在涡轮叶片、压缩机叶片、导叶、喷嘴、护罩、转子、过渡件或壳上。在此实施例中，嵌入的应变传感器40可沉积在已知在单元操作期间经历各种力的一个或更多个位置，诸如在翼型件、平台、末梢或任何其它适合的位置上或附近。此外，由于嵌入的应变传感器40至少部分地由外涂层保护，故嵌入的应变传感器40可沉积在已知经历升高温度的一个或更多个位置(其中包括其它材料的应变传感器可腐蚀和/或侵蚀)。例如，嵌入的应变传感器40可沉积在热气体路径或燃烧涡轮构件上。
在甚至一些实施例中，多个嵌入的应变传感器40可沉积在单个涡轮构件上或多个涡轮构件上。例如，多个嵌入的应变传感器40可在各种位置处沉积在单个涡轮构件(例如，涡轮叶片)上，使得应变可在关于独立涡轮构件的较多数目的位置处确定。作为备选或另外，多个类似的涡轮构件(例如，多个涡轮叶片)可各自具有沉积在标准位置的嵌入的应变传感器40，使得由各个特定涡轮构件经历的应变量可与其它类似的涡轮构件比较。甚至在一些实施例中，同一涡轮单元的多个不同涡轮构件(例如，同一涡轮的涡轮叶片和导叶)可各自具有沉积在其上的嵌入的应变传感器40，使得可确定整个涡轮内的不同位置处经历的应变量。
还参看图5，示出了用于监测构件10的另一个方法100。方法100首先包括在步骤110中将电磁辐射施加到构件10上，其中构件10包括：包括至少两个基准点41和42的嵌入的应变传感器40，以及设置在嵌入的应变传感器的至少一部分上的外涂层50。在步骤110中施加电磁辐射可通过任何适合的方法(诸如经由X射线或CT探测方法)来促进。
方法100还包括在步骤120中经由电磁辐射与嵌入的应变传感器40之间的相互作用测量第二时间间隔下的至少两个基准点41和42之间的第二距离D。具体而言，嵌入的应变传感器40可由电磁辐射激励，使得第一基准点41和第二基准点42的位置可识别，使得可测量其间的距离D。
最后，方法100包括将第二距离D与从第一时间间隔在至少两个基准点41和42之间测得的第一距离D相比较。在第一时间间隔下测得的第一距离D可在任何较早的时间点确定，使得第一时间间隔与第二时间间隔之间的距离的差别允许应变的确定。例如，第一距离可在基底11(例如，涡轮构件)甚至用于较大系统或机器(例如，涡轮)之前的第一时间间隔下测量。
现在将认识到的是，嵌入的应变传感器可由外涂层保护，以有助于保持嵌入的应变传感器的完整性和精度。嵌入的应变传感器然后可穿过涂层测量，诸如经由施加能量来激励嵌入的应变传感器材料，或通过一起除去外涂层。嵌入的应变传感器因此可便于监测构件的性能，同时经得起潜在地恶劣的操作状态。
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。而是，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。另外，尽管已经描述了本发明的各种实施例，但将理解的是，本发明的各方面可仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明未看作由前述描述限制，但仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (10)

1.一种构件，包括：
基底；
包括设置在所述基底上的至少两个基准点的嵌入的应变传感器；以及，
设置在所述嵌入的应变传感器的至少一部分上的外涂层。
2.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述外涂层覆盖所述整个嵌入的应变传感器。
3.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，多个涂层设置在所述嵌入的应变传感器的至少一部分上。
4.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述外涂层包括粘结涂层或热障涂层。
5.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述外涂层包括不透明材料。
6.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述外涂层还设置在所述基底的至少一部分上。
7.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述嵌入的应变传感器包括由电磁光谱中的波长激励的材料。
8.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述嵌入的应变传感器包括钨或铂。
9.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述基底包括涡轮构件。
10.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述基底包括镍基或钴基超级合金，以及其中所述嵌入的应变传感器包括比所述镍基或钴基超级合金更致密的材料。
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