CN107014343A - 具有应变传感器和热反应性特征的构件和监测构件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有应变传感器和热反应性特征的构件和监测构件的方法。具体而言，构件能够包括基底、包括设置于基底上的至少两个参考点的应变传感器，以及在基底上设置成邻近于应变传感器的一个或更多个热反应性特征，其中，一个或更多个热反应性特征对一个或更多个高温起反应。

Description

具有应变传感器和热反应性特征的构件和监测构件的方法
技术领域
本文中所公开的主题涉及应变传感器，且更具体地，涉及具有应变传感器和热反应性特征的构件以及用于对此构件进行监测的方法。
背景技术
一些构件可能需要在包括高温和/或腐蚀性条件的环境下运行。例如，在比如飞机发动机之类的燃气涡轮发动机中，例如，空气被吸入发动机的前部中，被轴安装式旋转型压缩机压缩，并且，与燃料混合。使混合物燃烧，并且，使热废气穿过安装于轴上的涡轮。气流使涡轮转动，导致轴转动，并且，对压缩机和风扇进行驱动。热废气流从发动机的后部，驱动发动机和飞机向前。
在燃气涡轮发动机的运行的期间，燃气的温度可能超过3000ºF，比与这些气体接触的发动机的金属零件的熔融温度要高得多。这些发动机在高于金属零件熔融温度的气体温度下的运行可能部分地取决于一个或更多个保护涂层，且/或取决于通过各种方法而将冷却空气供给至金属零件的外表面。这些发动机的特别地承受高温，且因而要求特别注意冷却的金属零件是形成燃烧器的金属零件和位于燃烧器后部的零件。
此外，在经历运行温度的波动的运行寿命周期内，这些及其他构件可能经历应力和/或各种力所导致的应变。虽然可以利用各种工具来测量在相对标准的环境下给予的应力和应变，但涡轮及其他构件可能经历存在可能影响一个或更多个构件性能的温度波动的工作条件。
因此，具有应变传感器和热反应性特征的备选的构件以及用于对这些构件进行监测的方法将在本领域中受欢迎。
发明内容
在一个实施例中，公开了构件。构件能够是基底、包括设置于基底上的至少两个参考点的应变传感器，以及在基底上设置成邻近于应变传感器的一个或更多个热反应性特征，其中，所述一个或更多个热反应性特征对一个或更多个高温起反应。
在另一实施例中，公开了另一构件。构件能够包括基底和包括设置于基底上的至少两个参考点的应变传感器，其中，应变传感器包括对一个或更多个高温起反应的热反应性特征。
在又一实施例中，公开了用于对构件进行监测的方法。方法包括：测量在第二时段的构件上的应变传感器的至少两个参考点之间的第二距离；将应变传感器的至少两个参考点之间的第二距离与自第一时段的在应变传感器的至少两个参考点之间的第一距离比较，以确定第一时段与第二时段之间的应变；基于在构件上设置成邻近于应变传感器的一个或更多个热反应性特征的反应，确定第一时段与第二时段之间的暴露的高温；以及将暴露的高温与应变相互参考(referencing)。
更具体而言，根据本发明，提供了以下技术方案。
技术方案1．一种构件，包括：基底； 应变传感器，包括设置于所述基底上的至少两个参考点；以及一个或更多个热反应性特征，在所述基底上设置成邻近于所述应变传感器，其中，所述一个或更多个热反应性特征对一个或更多个高温起反应。
技术方案2．根据技术方案1所述的构件，其中，所述一个或更多个热反应性特征包括对第一高温起反应的第一热反应性特征和对比所述第一高温更高的第二高温起反应的第二热反应性特征。
技术方案3．根据技术方案2所述的构件，其中，所述一个或更多个热反应性特征进一步包括对比所述第二高温更高的第三高温起反应的第三热反应性特征。
技术方案4．根据技术方案1所述的构件，其中，所述一个或更多个热反应性特征通过改变颜色而对所述一个或更多个高温起反应。
技术方案5．根据技术方案1所述的构件，其中，所述一个或更多个热反应性特征通过从所述构件消失而对所述一个或更多个高温起反应。
技术方案6．根据技术方案1所述的构件，进一步包括设置于所述基底与所述应变传感器之间的涂层。
技术方案7．根据技术方案6所述的构件，其中，所述涂层还设置于所述基底与所述一个或更多个热反应性特征之间。
技术方案8．根据技术方案1所述的构件，其中，所述一个或更多个热反应性特征包括彼此分离的多个热反应性特征。
技术方案9．根据技术方案1所述的构件，其中，所述一个或更多个热反应性特征延伸长达所述应变传感器的所述至少两个参考点之间的至少整个距离。
技术方案10．根据技术方案1所述的构件，其中，所述一个或更多个热反应性特征中的至少一者设置在所述应变传感器的上面。
技术方案11．根据技术方案1所述的构件，其中，所述一个或更多个热反应性特征中的至少一者包括一种或更多种热致变色的颜料。
技术方案12．根据技术方案1所述的构件，其中，所述基底包括涡轮构件。
技术方案13．一种构件，包括：基底；和应变传感器，包括设置于所述基底上的至少两个参考点，其中，所述应变传感器包括对一个或更多个高温起反应的热反应性特征。
技术方案14．根据技术方案13所述的构件，其中，所述应变传感器包括通过改变颜色而对所述一个或更多个高温起反应的所述热反应性特征。
技术方案15．根据技术方案14所述的构件，其中，所述热反应性特征中的至少一者包括一种或更多种热致变色的颜料。
技术方案16．根据技术方案13所述的构件，进一步包括设置于所述基底与所述应变传感器之间的涂层。
技术方案17．根据技术方案13所述的构件，其中，所述应变传感器包括对多个高温起反应的多个热反应性特征。
技术方案18．根据技术方案13所述的构件，其中，所述基底包括涡轮构件。
技术方案19．一种用于监测构件的方法，所述方法包括：测量在第二时段的所述构件上的应变传感器的至少两个参考点之间的第二距离；将所述应变传感器的所述至少两个参考点之间的所述第二距离与自第一时段的在所述应变传感器的所述至少两个参考点之间的第一距离比较，以确定所述第一时段与所述第二时段之间的应变；基于在所述构件上设置成邻近于所述应变传感器的一个或更多个热反应性特征的反应，来确定所述第一时段与所述第二时段之间的暴露的高温；以及，将所述暴露的高温与所述应变相互参考。
技术方案20．根据技术方案19所述的方法，其中，所述基底包括涡轮构件。
结合附图，鉴于以下的详述，将更全面地理解由本文中所讨论的实施例提供的这些及另外的特征。
附图说明
附图中所阐述的实施例实质上是说明性的且示范性的，并且，不旨在限制由权利要求定义的发明。在结合以下的附图而阅读时，能够理解以下的对说明性的实施例的详述，其中，以相同的参考标号指示相同的结构，并且，其中：
图1是根据本文中所示出或描述的一个或更多个实施例的包括应变传感器和热反应性特征的示范性构件；
图2是根据本文中所示出或描述的一个或更多个实施例的示范性的应变传感器；
图3是根据本文中所示出或描述的一个或更多个实施例的具有应变传感器和热反应性特征的示范性构件的顶视图；
图4是根据本文中所示出或描述的一个或更多个实施例的具有应变传感器和热反应性特征的另一示范性构件的顶视图；
图5是根据本文中所示出或描述的一个或更多个实施例的在第一时段和第二时段两者具有应变传感器和热反应性特征的示范性构件的顶视图；并且，
图6是根据本文中所示出或描述的一个或更多个实施例的用于监测具有热反应性特征的构件上的应变传感器的示范性方法。
具体实施方式
将在下文中描述本发明的一个或更多个具体的实施例。为了提供对这些实施例的简明的描述，可能未在说明书中描述实际的实现方案的所有的特征。应当意识到，在任何这样的实际的实现方案的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须作出许多实现方案特有的决策，以实现开发者的特定目标，比如遵循可能因实现方案而异的系统相关的约束和商业相关的约束。此外，应当意识到，这样的开发努力可能复杂而费时，但对于受益于本公开的普通技术人员，将不过是从事设计、制备和制造的常规事务。
在介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”以及“所述”旨在意指存在一个或更多个元件。术语“包括”、“包含”以及“具有”旨在为包含性的，并且，意指除了所列出的元件之外可存在另外的元件。
现在，参考图1，构件10大体上包括基底11、设置于基底11上的包括至少两个参考点41和42的应变传感器40，以及在基底上设置成邻近于应变传感器40的一个或更多个热反应性特征50，其中，一个或更多个热反应性特征50在一个或更多个高温下起反应。从而，热反应性特征50可以提供邻近的应变传感器40所经历的(多个)相对温度的指示，以便可以利用温度信息连同参考点41和42之间的距离(如图5中所图示)的变化，以更好地理解构件10所经历的可能的应变、应变速率、蠕变、疲劳、应力等。
构件10(且更具体地，总体构件10的基底11)能够包括在各种不同的应用中使用的各种类型的构件，比如在高温应用中利用的构件(例如，包括镍或钴基超合金的构件)。在一些实施例中，构件10可以包括工业燃气涡轮或蒸汽涡轮构件，比如燃烧构件或热气路径构件。在一些实施例中，构件10可以包括涡轮叶片、压缩机叶片、导叶、喷嘴、护罩、转子、过渡件或外壳。在其他实施例中，构件10可以包括涡轮的任何其他构件，比如用于燃气涡轮、蒸汽涡轮等的任何其他构件。在一些实施例中，构件可以包括、但不限于非涡轮构件，包括汽车构件(例如，轿车、卡车等)、航空构件(例如，飞机、直升机、航天飞机、铝质零件等)、机车或轨道构件(例如，火车、火车轨道等)、结构、基础设施或土木工程构件(例如，桥梁、建筑、施工设备等)以及/或电厂或化学处理构件(例如，在高温应用中使用的管)。
现在，参考图1-5，使应变传感器40沉积于构件10的外表面的一部分上。应变传感器40大体上包括至少两个参考点41和42，至少两个参考点41和42能够用于在多个时段测量所述至少两个参考点41和42之间的距离D。本领域技术人员应当意识到，这些测量能够帮助确定构件10的该区域处的应变、应变速率、蠕变、疲劳、应力等的量。只要能够测量至少两个参考点41和42之间的距离D，就能够根据特定的构件10而将至少两个参考点41和42设置于各种距离和各种位置处。至少两个参考点41和42可以包括点、线、圆、方框或任何其他几何形状或非几何形状，只要这些形状始终可识别且可以用于测量该至少两个参考点41和42之间的距离D即可。此外，应变传感器40可以包括外缘，并且，根据应变传感器40的配置，可潜在地包括一个或更多个内缘。
如图1-5中最清楚地图示，比如通过将各种以不同的方式成形、选择尺寸且定位的参考点41和42结合，从而应变传感器40可以包括各种不同的配置和横截面。例如，如图2中所图示，应变传感器40可以包括各种不同的参考点，这些参考点包括各种形状和尺寸。这样的实施例可以提供比如在最外侧参考点(如图所示)之间、两个内部参考点之间或上述参考点之间的任何组合的更多种类的距离测量值D。更多种类可以通过跨越更多种类的位置而提供应变测量值，从而可进一步提供对构件10的特定部分的更稳健的应变分析。
此外，应变传感器40的尺寸可能取决于例如构件10、应变传感器40的位置、测量的目标精度、沉积技术以及光学测量技术。例如，在一些实施例中，应变传感器40可以包括在小于0.1毫米至大于300毫米的范围内的长度和宽度。此外，应变传感器40可以包括适合于沉积和随后的光学识别、而不显著地影响下方的构件10的性能的任何厚度。例如，在一些实施例中，应变传感器40可以包括小于大约1毫米至大于1毫米的厚度。在一些实施例中，应变传感器40可以具有大致一致的厚度。这样的实施例可以帮助促进更精确的测量，以便随后进行第一参考点41与第二参考点42之间的应变计算。
在一些实施例中，应变传感器40可以包括比如确切地沉积的正方形或矩形之类的任何配置，其中，第一参考点41和第二参考点42包括上述的正方形或矩形的两个相对侧。在其他实施例中，应变传感器40可以包括通过负空间45(即，未使陶瓷材料30沉积的区域)而分离的至少两个沉积的参考点41和42。负空间45可以包括例如构件10的外表面的暴露的部分12。备选地或附加地，负空间45可以包括有助于保护基底11和/或应变传感器40的至少一部分的涂层。
如图2中所图示，在甚至还有一些实施例中，可以使应变传感器40沉积，以形成唯一的标识符47(在下文中被称为“UID”)。UID 47可以包括有助于识别特定应变传感器40的条形码、标记、标签、序列号、图案的任何类型或其他识别系统。在一些实施例中，UID 47可以另外或备选地包括关于构件10(例如，涡轮构件)或结合有构件10的系统或机器(例如，燃气涡轮或蒸汽涡轮)的信息。从而，UID 47可以帮助识别和跟踪特定应变传感器40、构件 10或甚至整个系统或机器，以帮助关联(correlate)测量用于过去的、现在的以及未来的运行跟踪。
在一些实施例中，构件10可以进一步包括在基底11上设置成与应变传感器40相邻的涂层50。涂层可以设置于基底11与应变传感器40之间，且可能地设置于基底11与一个或更多个热反应性特征50之间。从而，涂层可以帮助保护基底11免受构件10的运行环境(例如，工业燃气涡轮中的高温)损害，且/或帮助确保用于应变传感器40和/或一个或更多个热反应性特征50的粘附。
现在，参考图3-5，构件10还能够包括设置成邻近于应变传感器40的一个或更多个热反应性特征50。一个或更多个热反应性特征50能够包括对一个或更多个高温起反应的任何材料和/或特征。如本文中所使用的，“起反应”能够指一个或更多个热反应性特征50的一个或更多个性质的任何可识别的变化，其比如是通过在单个温度下或在温度范围内改变颜色或从构件10消失(例如，燃烧、熔融或腐蚀)而实现的。此外，如本文中所使用的，“邻近”能够指，适合于指示应变传感器40经受与一个或更多个热反应性特征50大致相同的温度的任何距离。例如，“邻近”能够包括，一个或更多个热反应性特征50位于应变传感器40的上面、一个或更多个热反应性特征50紧邻(即，触碰)应变传感器40，或者一个或更多个热反应性特征50合适地接近应变传感器40(例如，在几毫米或几厘米内)，以抵消两个位置之间的任何相当大的程度的温度下降。
构件10能够包括任何数量的一个或更多个热反应性特征50。例如，构件10可以包括单个热反应性特征50。单个热反应性特征50可以对单个温度起反应(例如，在单个温度下改变颜色或消失)，或可以在温度范围内逐渐起反应(例如，在温度范围内，在两个或更多个颜色之间转变)。
在一些实施例中，构件10可以包括在第一高温下起反应的第一热反应性特征51，和对比第一高温更高的第二高温起反应的第二反应性特征52。构件10可以进一步包括分别对第三、第四以及第五高温起反应的第三热反应性特征53、第四热反应性特征54、第五热反应性特征55等。在这样的实施例中，热反应性特征50可以对以一定的间隔间隔开的高温一个一个地起反应。然后，人们可能能够基于热反应性特征50 是否起反应，而推断出应变传感器40所暴露于其中的最高温度。
如图3-5中所举例说明，一个或更多个热反应性特征50可以包括关于应变传感器40的各种配置和位置。例如，一个或更多个热反应性特征50可以包括比如点、正方形、线、方框或任何其他几何形状或非几何形状之类的各种不同的形状。一个或更多个热反应性特征50中的每个可以包括相同的形状，或者一个或更多个热反应性特征50可以独立地包括各种不同的形状。
在一些实施例中，一个或更多个热反应性特征50可以包括彼此分离的多个热反应性特征50。例如，一个或更多个热反应性特征50可以沿着应变传感器40的一个或更多个侧均等地隔开。在比如图4中所图示的一些实施例中，一个或更多个热反应性特征50可以延伸长达应变传感器40的至少两个参考点41和42之间的至少整个距离D。这样的实施例可以确保一个或更多个热反应性特征50的至少一部分经历与至少两个参考点41和42之间的构件10相同的温度。
在一些实施例中，一个或更多个热反应性特征50可以设置于应变传感器40的上面，或与应变传感器40一体集成。例如，一个或更多个热反应性特征50可以设置于所印刷的应变传感器40的上面。
备选地或附加地，应变传感器40可以包括热反应性特征50，比如在应变传感器40包括对一个或更多个高温起反应(例如，改变颜色)的材料时。例如，构件10可以包括基底11和应变传感器40，应变传感器40包括设置于基底11上的至少两个参考点41和42，其中，应变传感器40包括对一个或更多个高温起反应的热反应性特征50。
如上文中所讨论的，在一些实施例中，构件10可以包括一个或更多个涂层。例如，一个或更多个涂层可以设置于基底11与应变传感器40和/或热反应性特征50之间。在这样的实施例中，涂层可以在构件10的运行期间帮助确保应变传感器40和/或热反应性特征50的完整性。
一个或更多个热反应性特征50可以包括对一个或更多个高温起反应的任何合适的材料或多个材料。在一些实施例中，一个或更多个热反应性特征50可以包括热反应性墨水或涂料。例如，一个或更多个热反应性特征50可以包括在不同温度下起反应的一种或更多种在市场上可买到的热致变色的颜料。在一些实施例中，一个或更多个热反应性特征50可以包括在一个或更多个高温下燃烧、熔融、点燃或以另外的方式从构件10 消失的一种或更多种材料。
应变传感器40和一个或更多个热反应性特征50可被沉积于基底11上的各种位置中的一个或更多个位置。例如，如果基底包括涡轮构件，则可以使应变传感器40和一个或更多个热反应性特征50沉积于涡轮叶片、压缩机叶片、导叶、喷嘴、护罩、转子、过渡件或外壳上。在这样的实施例中，可以使应变传感器40和一个或更多个热反应性特征50沉积于已知在单元运行期间经受各种力的一个或更多个位置，所述一个或更多个位置比如是在翼型、平台、尖端上或任何其他合适的位置或与之邻近。此外，由于应变传感器40邻近于一个或更多个热反应性特征50，因而可以使应变传感器40沉积于热气路径或燃烧涡轮构件上，使得一个或更多个热反应性特征50可以帮助识别经历的运行温度的峰。
在甚至还有一些实施例中，可以使多个应变传感器40和一个或更多个热反应性特征50沉积于单个涡轮构件上或多个涡轮构件上。例如，可以使多个应变传感器40在各种位置处沉积于单个涡轮构件(例如，涡轮叶片)上，使得可以在单个的涡轮构件周围的更大数量的位置处确定应变。备选地或附加地，多个相似的涡轮构件(例如，多个涡轮叶片)可以各自具有应变传感器40，并且，使一个或更多个热反应性特征50沉积于标准的位置，以便各特定涡轮构件所经历的应变的量可以与其他相似的涡轮构件相比较。在甚至还有一些实施例中，同一涡轮单元的多个不同涡轮构件(例如，用于同一涡轮的涡轮叶片和导叶)可以各自具有应变传感器40和沉积于涡轮构件上的一个或更多个热反应性特征50，以便可以确定在整个涡轮内的不同位置经历的应变的量。
另外，参考图6，图示用于对构件10进行监测的方法100。方法100在步骤110中能够包括，测量在第二时段的构件10上的应变传感器40的至少两个参考点41和42之间的第二距离。方法100在步骤120中能够进一步包括，将应变传感器40的至少两个参考点41和42之间的第二距离(在步骤110中测量出)与自第一时段的在应变传感器40的至少两个参考点41和42之间的第一距离比较，以确定第一时段与第二时段之间的应变。第一时段可以包括更早的时间点，比如先于在运行中使用构件(例如，安装于涡轮上)。此外，可能已基于例如制造参数而测量或以另外的方式得知第一距离。
仍然参考图6，方法100在步骤130中能够进一步包括，基于在构件10上设置成邻近于应变传感器40的一个或更多个热反应性特征50的反应，来确定第一时段与第二时段之间的暴露的高温。如上文中所讨论的，“暴露的高温”能够指构件10在第一时段与第二时段之间所暴露于其中的最高温度。此外，指示暴露的高温的一个或更多个热反应性特征50的反应，可以包括任何合适的机理，例如改变颜色或消失。
最后，方法100在步骤140中能够包括，将在步骤130中确定的暴露的高温与在步骤120中确定的应变相互参考。步骤140中的相互参考可以帮助验证构件10的完整性，识别任何极端事件或偏离标准运行条件的偏差，且/或以另外的方式用于诊断或确定构件10的未来可用性。
现在，应当意识到，应变传感器和一个或更多个热反应性特征可以设置于基底上，以形成总体构件，能够就应变、蠕变等方面对总体构件进行监测。一个或更多个热反应性特征还可以允许理解应变传感器40所经历的暴露的高温，以帮助研究、诊断且/或验证总体构件。
虽然仅结合有限的数量的实施例而详细地描述了本发明，但应当容易地理解到，本发明不限于这样地公开的实施例。更确切地说，能够修改本发明，以结合将迄今为止未描述、但与本发明的实质和范围相应的任何数量的变型、变更、替代或等同的布置。另外，虽然描述了本发明的各种实施例，但要理解到，本发明的方面可能仅包括一些所描述的实施例。因此，本发明不应被视为受到前文的描述限制，而仅受到所附权利要求的范围限制。

Claims (10)

1.一种构件，包括：
基底；
应变传感器，包括设置于所述基底上的至少两个参考点；以及
一个或更多个热反应性特征，在所述基底上设置成邻近于所述应变传感器，其中，所述一个或更多个热反应性特征对一个或更多个高温起反应。
2.根据权利要求1所述的构件，其中，所述一个或更多个热反应性特征包括对第一高温起反应的第一热反应性特征和对比所述第一高温更高的第二高温起反应的第二热反应性特征。
3.根据权利要求2所述的构件，其中，所述一个或更多个热反应性特征进一步包括对比所述第二高温更高的第三高温起反应的第三热反应性特征。
4.根据权利要求1所述的构件，其中，所述一个或更多个热反应性特征通过改变颜色而对所述一个或更多个高温起反应。
5.根据权利要求1所述的构件，其中，所述一个或更多个热反应性特征通过从所述构件消失而对所述一个或更多个高温起反应。
6.根据权利要求1所述的构件，进一步包括设置于所述基底与所述应变传感器之间的涂层。
7.根据权利要求6所述的构件，其中，所述涂层还设置于所述基底与所述一个或更多个热反应性特征之间。
8.根据权利要求1所述的构件，其中，所述一个或更多个热反应性特征包括彼此分离的多个热反应性特征。
9.一种构件，包括：
基底；和
应变传感器，包括设置于所述基底上的至少两个参考点，其中，所述应变传感器包括对一个或更多个高温起反应的热反应性特征。
10.一种用于监测构件的方法，所述方法包括：
测量在第二时段的所述构件上的应变传感器的至少两个参考点之间的第二距离；
将所述应变传感器的所述至少两个参考点之间的所述第二距离与自第一时段的在所述应变传感器的所述至少两个参考点之间的第一距离比较，以确定所述第一时段与所述第二时段之间的应变；
基于在所述构件上设置成邻近于所述应变传感器的一个或更多个热反应性特征的反应，来确定所述第一时段与所述第二时段之间的暴露的高温；以及
将所述暴露的高温与所述应变相互参考。
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