CN107085294A - 检查涡轮发动机部件的光学设备和观察管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于从燃气涡轮发动机外壳中的开口插入并且在高温下检查内部涡轮部件的设备，所述设备具有：光学观察管，所述光学观察管配置成通过设置在燃气涡轮发动机内部的远端以及设置在所述内部涡轮部件外部并且由第一纵向壁限定的近端与所述内部进行光通信；至少一个透镜，所述至少一个透镜位于与所述纵向壁相邻的所述光观察管的所述远端；以及至少一个纵向冷却槽，所述纵向冷却槽位于所述纵向壁内，用于使得冷却介质从所述涡轮外部的位置流动，以在至少与所述远端相邻的位置冷却所述光学观察管。
Description
背景技术
涡轮发动机，尤其是气体或燃气涡轮发动机，均为从穿过发动机流到各种涡轮叶片上的燃烧气体流中提取能量的旋转式发动机。燃气涡轮发动机已用于陆地和航海移动和发电，但是最常用于飞行器等航空应用，包括直升机。在飞行器中，燃气涡轮发动机用于推进飞行器。在陆地应用中，涡轮发动机通常用于发电。
飞行器的燃气涡轮发动机被设计成在高温下操作，以最大限度地提高发动机的效率。高压涡轮中的温度大约为1000℃到2000℃，而压缩机中的流体大约为500℃到760℃。燃气涡轮和蒸汽涡轮的内部部件，例如，蒸汽涡轮叶片通常在涡轮停用期间进行目视检查，方法是将管道镜插入涡轮外壳中的开口中，然后连接管道镜的显像头，以呈现所需的检查视图。通常需要在关机之后等待一段时间才能进行检查，因为当前的管道镜检查设备的具有大约50℃的温度限制。由于此温度限制，在涡轮从其常规操作温度冷却之前，燃气涡轮和蒸汽涡轮检查无法进行。
发明内容
一方面，本发明涉及一种用于从燃气涡轮发动机的外壳中的开口插入，并且在高温下检查内部涡轮部件的设备。所述设备包括：光学观察管，所述光学观察管配置成通过设置在燃气涡轮发动机的内部的远端以及设置在内部涡轮部件的外部并且由第一纵向壁限定的近端与所述内部进行光通信；至少一个透镜，所述至少一个透镜位于与所述纵向壁相邻的所述光观察管的所述远端；以及至少一个纵向冷却槽，所述纵向冷却槽位于所述纵向壁内，用于使得冷却介质从所述涡轮外部的位置流动，以在至少与所述远端相邻的位置冷却所述光学观察管。
另一方面，本发明涉及一种用于查看燃气涡轮发动机的内部部件的光学观察管，所述光学观察管包括：第一细长圆柱形壁；位于所述第一细长圆柱形壁的远端的至少一个透镜；以及至少一个纵向冷却槽，所述纵向冷却槽位于所述第一细长圆柱形壁中，用于使得冷却介质从所述涡轮外部的位置流动，以在至少与所述远端相邻的位置冷却所述光学观察管。
其中所述光学观察管进一步包括所述第一细长壁中的多个孔，所述多个孔与所述至少一个透镜相邻，用于引导冷却介质从所述至少一个纵向冷却槽流向所述至少一个透镜，以清洗所述至少一个透镜。该光学观察管包括多个纵向冷却槽。
其中光学观察管包括所述至少一个透镜中的多个槽。
其中光学观察管进一步该包括与所述第一细长壁同心的第二细长壁。
其中所述至少一个纵向冷却槽是嵌入在所述第一和第二细长壁内的多个纵向冷却槽。
该光学观察管进一步包括所述第一细长壁中的多个孔，所述多个孔与位于所述光学观察管的所述远端处的所述至少一个透镜相邻，用于引导所述冷却介质从所述至少一个槽流向位于所述光学观察管的所述远端处的所述至少一个透镜，以清洗位于所述光学观察管的所述远端处的所述至少一个透镜，其中所述第一细长壁中的所述多个孔与所述多个纵向槽之间存在一对一关系。该光学观察管进一步包括所述第一细长壁中的多个孔，所述多个孔与位于所述光学观察管的所述远端处的所述至少一个透镜相邻，用于引导冷却介质从所述至少一个槽大体垂直于位于所述光学管的所述远端处的所述至少一个透镜流动。该光学观察管进一步包括连接，所述连接用于以可拆除方式固定入口喷嘴以供应所述冷却介质。该光学观察管进一步包括多个透镜，所述多个透镜以间隔排列的方式定位于所述光学观察管的范围上
附图说明
在附图中：
图1是飞行器的燃气涡轮发动机的截面示意图。
图2是示出根据本说明书中所述的多个方面的光学显像系统的方框图。
图3A是截面图，其示出了根据本说明书中所述的多个方面的一种配备光学观察管的光学显像系统的设备。
图3B是图3A中的光学观察管的远端的透视图。
图3C是图3A中的光学观察管的远端的截面图。
图4A是截面图，其示出了根据本说明书中所述的多个方面的一种配备光学观察管的光学显像系统的设备。
图4B是图4A中的光学观察管的远端的透视图。
图4C是图4A中的光学观察管的远端的截面图。
图5A是截面图，其示出了根据本说明书中所述的多个方面的一种配备光学观察管的光学显像系统的设备。
图5B是图5A中的光学观察管的远端的透视图。
图5C是图5A中的光学观察管的远端的截面图。
具体实施方式
本说明书中所述的多个方面涉及一种配备光学观察管的光学显像系统，例如管道镜，以及一种用于在涡轮发动机正在工作期间检查涡轮发动机的内部部件的方法。安装器件以监控和显像正在工作的燃气涡轮机中的诸如机翼和燃烧器等热气通道部件，并不是一项轻松而直接的任务。目前，刚性光学器件投射光线的显像保真性高于纤维光学器件，因此可将刚性光学器件设置在燃气涡轮机内部，以便将图像传输到能够设置诸如红外线(IR)相机等显像装置的便利位置。但是，为了使用固定的光学探针来显像其内部，发动机必须关闭。本说明书中所述的多个方面涉及一种配备光学观察管的光学显像系统，以使得，在燃气涡轮机正在工作的同时，可通过远程移动该探针来查看热气通道的不同区域。本说明书中所述的多个方面提高了测试的效率，并且使得能够查看更多区域。此外，本说明书中所述的多个方面可特别用于查看位于燃气涡轮发动机中的一组旋转的涡轮叶片上方的护罩。
为便于说明，本发明将参考飞行器燃气涡轮发动机进行描述。但是应了解，本发明并不限于此，并且可一般适用于非飞行器应用，例如其他移动应用和非移动工业、商业和住宅应用。图1是可操作本说明书中所述的光学成像系统的用于飞行器的传统燃气涡轮发动机10的截面示意图。发动机10具有大体上纵向延伸的轴或中心线12，该轴或中心线从前部14延伸到后部16。发动机10包括，以下游串行流关系：风扇部分18，所述风扇部分包括风扇20；压缩机部分22，所述压缩机部分包括增压器或低压(LP)压缩机24以及高压(HP)压缩机26；燃烧部分28，所述燃烧部分包括燃烧器30；涡轮部分32，所述涡轮部分包括HP涡轮34和LP涡轮36；以及排气部分38。
风扇部分18包括围绕风扇20的风扇外壳40。风扇20包括多个风扇叶片42，所述风扇叶片围绕中心线12径向设置。
HP压缩机26、燃烧器30和HP涡轮34构成了发动机10的核心44，所述核心产生燃烧气体。核心44被核心外壳46围绕，所述核心外壳可与风扇外壳40相连。
围绕发动机10的中心线12同轴设置的HP轴或绕线轴48以传动方式将HP涡轮34连接到HP压缩机26。围绕发动机10的中心线12同轴设置在较大直径的环状HP绕线轴48内的LP轴或绕线轴50，以传动方式将LP涡轮36连接到LP压缩机24和风扇20。
LP压缩机24和HP压缩机26分别包括多个压缩机级52、54，其中一组压缩机叶片56、58相对于对应组的固定压缩机轮叶60、62(也称为喷嘴)旋转，以压缩或增压穿过所述级的流体流。在单个压缩机级52、54中，可以以环状、并且相对于中心线12从叶片平台径向向外延伸到叶片尖端的方式设置多个压缩机叶片56、58，而对应的固定压缩机轮叶60、62设置在下游并且与旋转叶片56、58相邻。应注意，图1中所示的叶片、轮叶和压缩机级的数量仅出于说明的目的而如此选择，还可以采用其他数量。
HP压缩机34和LP压缩机36分别包括多个压缩机级64、66，其中一组压缩机叶片68、70相对于对应组的固定涡轮轮叶72、74(也称为喷嘴)旋转，以提取穿过该级的流体流中的能量。在单个涡轮级64、66中，可以以环状、并且相对于中心线12从叶片平台径向向外延伸到叶片尖端的方式设置多个涡轮叶片68、70，而对应的固定涡轮轮叶72、74设置在下游并且与旋转叶片68、70相邻。应注意，图1中所示的叶片、轮叶和涡轮级的数量仅出于说明的目的而如此选择，还可以采用其他数量。
在操作中，旋转风扇20将环境空气提供给LP压缩机24，该LP压缩机又将压缩的环境空气提供给HP压缩机26，该HP压缩机对该环境空气进行进一步增压。来自HP压缩机26的压缩空气与燃烧器30中的燃料混合，从而产生燃烧气体。HP涡轮34从这些气体中提取一定的功，从而驱动HP压缩机26。燃烧气体排放到LP涡轮36，该LP涡轮提取额外的功以驱动LP压缩机24，并且排放气体最终通过排放部分38从发动机10排出。LP涡轮36的驱动可驱动LP绕线轴50以旋转风扇20和LP压缩机24。
风扇20供应的一些环境空气可绕过发动机核心44并且用于冷却发动机10的多个部分，尤其是高温部分，并且/或者用于为飞行器的其他方面提供冷却或动力。在涡轮发动机的背景下，发动机的高温部分通常在燃烧器30的下游，尤其是涡轮部分32的下游，HP涡轮34是温度最高的部分，因为其位于燃烧部分28的直接下游。其他冷却流体来源可包括但不限于，从LP压缩机24或HP压缩机26排出的流体。
图2更清楚地示出，核心外壳46(如图1中所示)可包括径向壁110，该径向壁限定发动机10的外部113和内部115。至少一个小孔111可形成于径向壁110的一部分中，并且优选地位于一组涡轮叶片68、70(如图1中所示)附近，所述涡轮叶片位于发动机的内部115内，被配置成围绕转子旋转。转子可以是发动机的任何旋转部分，包括但不限于HP绕线轴48(如图1中所示)以及LP绕线轴(如图1中所示)。光学显像系统100被配置成在发动机10正在工作时，显像燃气涡轮发动机10的内部115的至少一部分。
光学显像系统100的实施例可包括外壳106、位于外壳106内的相机108以及光学观察管118。光学观察管118从外壳108延伸，并且固定地固持图像接收装置114。光学显像系统100可包括至少一个机构104，所述至少一个机构配置成操纵燃气涡轮发动机的内部115内的光学观察管118。外壳106被设置并且配置用于安装涡轮发动机的径向壁110。光学显像系统100可被操纵以定向控制图像接收装置114，包括设在燃气涡轮发动机10中时。
光学显像系统100可包括至少一个机构104，所述至少一个机构可与外壳106连接并且配置成推动光学观察管118沿纵向轴112移动或者横穿123纵向轴112，经由小孔111进入燃气涡轮发动机的内部115。此外，推动机构104可配置成使得光学观察管118围绕纵向轴112旋转以引发偏转125。推动机构104可包括用于使轴旋转和平移的一个或多个电机。例如，如图所示，推动机构104可包括平移电机122和旋转电机124。推动机构104可由用于将光学观察管118沿纵轴112推动或操纵到涡轮发动机的内部115内的腔中的任何装置，包括但不限于，一个或多个永磁铁步进电机、混合同步步进电机、可变磁阻步进电机、拉维特(Lavet)型电机、交流电机、直流电机、齿轮箱等，以及它们的组合。
图像接收装置114的定向控制由燃气涡轮发动机10外部的控制器102提供。因此，图像接收装置114被定向控制，以使得燃气涡轮发动机10内部的所选一个或多个部件可在燃气涡轮发动机10的外部查看。光学显像系统100的多个部分冷却，包括但不限于通过使得冷却介质沿光学观察管118的长度的绝大部分流动，尤其是围绕图像接收装置114流动来进行冷却。
如图2中所示，外壳106通过沿纵向轴112连接到推动机构104而间接安装到径向壁110。也就是说，推动机构104在涡轮发动机的外部113直接安装到径向壁110，并且外壳106通过可沿纵向轴112横穿123和偏转125的轴，从小孔111连接到推动机构。外壳106可通过任何已知的安装方法安装到径向壁110，并且可包括直接安装到径向壁110以及间接安装，其中外壳106连接到安装到径向壁110的额外部件。外壳106可由适用于保护壳装相机108遭受与燃气涡轮发动机关联的高温高压损坏的任何材料制成，包括但不限于不锈钢、铝、钛等。
相机108包含在外壳106内，其响应于设置在图像接收装置114的视场128内的涡轮发动机的一个或多个部件的成像数据。相机108配置成感测涡轮发动机的腔或内部115的表面温度。相机108可以是用于记录与表面温度关联的图像数据的任何装置，包括但不限于，红外线相机、可见光相机、高温计、多谱段相机、超光谱相机、电荷耦合装置、有效像素传感器、补充金属-氧化物-半导体(CMOS)传感器等。
光学观察管118配置成通过设置在燃气涡轮发动机的内部115的远端以及设置内部涡轮部件的外部113的近端与内部115进行光通信。光学观察管118的多个部分可位于一个或多个导管116、130内。光学观察管118，还可称为管道镜，从外壳106沿垂直于径向壁110的纵向轴112向涡轮发动机的内部115延伸。光学观察管118提供了从位于光学观察管118的端部的图像接收装置114到外壳106内的相机108的光通信的导管。光学观察管118可包括用于传输光学数据的任何部件，包括但不限于，自由空间、一个或多个透镜、纤维光缆以及它们的组合。
位于光学观察管118的远端的图像接收装置114可重定向入射的光学数据，以沿纵向轴112传递。如图2中所示，图像接收装置沿垂直于纵向轴的轴126传递视场128中的图像，以使得相机108能够查看大体垂直于纵向轴112的图像。图像接收装置114可配置成沿纵向轴112将来自任何适当的视场128的图像以及透射轴传递到相机108。图像接收装置114可包括用于重定向光学图像的任何已知的光学元件，包括但不限于，镜子、光纤、透镜以及它们的组合。
一个或多个导管116、130与光学观察管118同心，可保护并且帮助操纵光学观察管118。移动导管116可横穿并且沿纵向轴112随相机外壳106一起旋转。固定或静止的导管130可固定到涡轮发动机壁，其中该壁可以是涡轮发动机内的任何内部结构，包括但不限于，构成涡轮机的轮叶的径向壁。
当光学观察管118或管道镜被操纵到所需位置和偏转角时，探针光学器件使得相机108能够显像护罩120的表面。有利地，相机108附接到横穿和偏转推动机构104并且连接到光学观察管118，该光学观察管使得能够在燃气涡轮发动机正在工作的同时对护罩120进行显像。光学观察孔与导管116、130一起可包括配备光学元件的多个管和导管以及用于冷却和清洗的通道，如下文详述。
使用光学技术测量燃气涡轮发动机内的热气通道部件的表面温度需要对诸如透镜等光学部件进行原位清洁，该等部件将由于暴露于燃气涡轮环境中的热气中而被弄脏。因此，需要通过清洁空气或气体，对光学观察管218的可能包括透镜、镜子或其组合的远端部分进行清洗。此外，在一些情况下，透镜均涂覆有抗反射(AR)涂层，并且AR涂层可具有结构或操作温度限制，该等结构或操作温度限制可小于燃气涡轮发动机内的热气通道环境的温度。因此，可冷却透镜，以避免损伤AR涂层。一个或多个入口喷嘴236可将清洁空气或气体喷射到光学观察管217中。
现在参见图3A，其中示出了从燃气涡轮发动机的外壳中的开口插入的设备300的截面图。设备300包括光学观察管302，该光学观察管302的远端303设置在内部涡轮部件的内部，而近端305设置在内部涡轮部件的外部。光学观察管302由纵向壁318限定，该纵向壁沿光学观察管302的长度延伸。纵向壁318可以用于形成光学观察管的任何几何形状成形，包括但不限于细长圆柱形。设备300包括位于光学观察管302的远端303的至少一个透镜310，但是其他透镜308可以以间隔排列的方式定位于光学观察管302的范围上。
纵向壁318中的至少一个纵向冷却槽316使得冷却介质304从涡轮外部的位置流动，以冷却光学观察管302中与光学观察管302的远端303相邻的位置。也就是说，一个或多个入口喷嘴306将诸如空气等冷却介质304供应到光学观察管302。如图3A、B和C中所示，透镜308、310不完全与纵向壁318接触，因此透镜308、310包括与光学观察管302的纵向壁318中的纵向冷却槽316对应的槽。冷却介质304沿纵向壁318中的一个或多个纵向冷却槽316，沿光学观察管302的范围流动，并且通过光学观察管302的一个端部部件312与远端透镜310之间的一个或多个开口来清洗光学观察管302的远端303。
一个或多个导管314A、B和C可与光学观察管302的多个部分同心布置。外部导管314A终止于未达光学观察管302的远端303处。因此，对于热气通道中存在小径钻孔的应用，设备300使得光学显像系统能够在较高温度下检查内部涡轮部件。
图4A是截面图，其示出了根据本说明书中所述的多个方面的一种配备光学观察管402的光学显像系统的设备400。设备400与图3A中所示的设备类似，因此，类似的零件将以类似的数字加上100的方式表示；应了解，除非另作说明，否则第一设备的类似零件的说明也适用于第二设备。
光学观察管402包括两个同心纵向壁；相对于彼此隔开的内部纵向壁418A和外部纵向壁418B。内部纵向壁418A与外部纵向壁418B之间的腔限定了纵向冷却槽416。纵向冷却槽416将冷却介质404从与外部来源相连的内部喷嘴406导向到与纵向壁418A中与远端透镜410相邻的多个孔420。冷却介质404从多个孔流向远端透镜410。
图5A是截面图，其示出了根据本说明书中所述的多个方面的一种配备光学观察管502的光学显像系统的设备500。设备500与图4A中所示的设备类似，因此，类似的零件将以类似的数字加上100的方式表示；应了解，除非另作说明，否则第一设备的类似零件的说明也适用于第二设备。
冷却介质504进入最靠近光学观察管502的远端503的导管514。冷却介质504流过导管514内的一个或多个冷却槽522。光学观察管502包括多个纵向冷却槽516A和B，其设置在导管514内的一部分冷却槽522上。冷却介质504从冷却槽522流过纵向冷却槽516A和B。冷却介质504通过位于纵向壁518A的端部部件512处的多个孔520进行清洗。与光学观察管502的远端503相邻的多个孔520引导冷却介质504从纵向槽516A和B流向位于光学观察管502的远端503处的透镜510，以清洗透镜510。
可以采用任何数量的孔520和纵向槽516来清洗与光学观察管502的远端503相邻的空气，包括但不限于，多个孔520与多个纵向槽516之间存在一对一关系，或者多个孔520与多个纵向槽516之间存在多对一关系的配置。
此外，纵向壁418、518中与位于光学观察管402、502的远端403、503处的透镜410、510相邻的多个孔420、520可包括用于引导空气以清洗和冷却透镜410、510的任何配置，包括但不限于，引导冷却介质504沿大体垂直于位于光学观察管504的远端503处的透镜510的方向流动，引导冷却介质流过光学观察管504的远端503处的透镜510，以及它们的组合。
上述实施例的优势包括，光学显像系统不包括将导管定位在光学系统的前端附近。与较大直径的导管相反，所得的光学显像系统仅受限于光学观察管的直径。因此，对于热气通道中存在小径钻孔的情况，可使用实施上述设备的光学显像系统，以插入燃气涡轮发动机的外壳中的开口中。
本说明书使用各个实例来公开本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可包括所属领域中的普通技术人员得出的其他实例。如果任何其他实例的结构要素与权利要求书的字面意义无差别，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也在权利要求书的范围内。
Claims (10)
1.一种用于插入穿过涡轮发动机外壳中的开口并且在高温下检查内部涡轮部件的设备，所述设备包括：
光学观察管，配置成通过设置在燃气涡轮发动机内部的远端以及设置所述内部涡轮部件外部并且由第一纵向壁限定的近端与所述内部进行光通信；
至少一个透镜，位于所述光学观察管中与所述纵向壁相邻的所述远端；以及
所述纵向壁中的至少一个纵向冷却槽，用于使得冷却介质从所述涡轮的外部的位置流动，以在至少与所述远端相邻的位置冷却所述光学观察管。
2.根据权利要求1所述的设备，进一步包括所述纵向壁中与所述透镜相邻的多个孔，用于引导冷却介质从所述至少一个槽流向所述透镜，以清洗所述透镜。
3.根据权利要求1所述的设备，包括多个纵向冷却槽。
4.根据权利要求1所述的设备，包括所述至少一个透镜中的多个槽。
5.根据权利要求1所述的设备，进一步包括与所述第一纵向壁同心的第二纵向壁。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述至少一个纵向冷却槽是嵌入在所述第一和第二纵向壁内的多个纵向冷却槽。
7.根据权利要求6所述的设备，进一步包括所述第一纵向壁中的多个孔，所述多个孔与位于所述光学观察管的所述远端处的所述至少一个透镜相邻，用于引导所述冷却介质从所述至少一个槽流向位于所述光学观察管的所述远端处的所述至少一个透镜，以清洗位于所述光学观察管的所述远端处的所述至少一个透镜，其中所述纵向壁中的所述多个孔与所述多个纵向槽之间存在一对一关系。
8.根据权利要求1所述的设备，进一步包括所述第一纵向壁中的多个孔，所述多个孔与位于所述光学观察管的所述远端处的所述至少一个透镜相邻，用于引导冷却介质从所述至少一个槽大体垂直于位于所述光学管的所述远端处的所述至少一个透镜流动。
9.根据权利要求1所述的设备，进一步包括入口喷嘴，所述入口喷嘴以可拆除的方式固定到所述光学观察管，以供应所述冷却介质。
10.根据权利要求1所述的设备，进一步包括多个透镜，所述多个透镜以间隔排列的方式定位于所述光学观察管的范围上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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