CN109313081B - 用于检查涡轮机部件的闪光热成像设备 - Google Patents

用于检查涡轮机部件的闪光热成像设备 Download PDF

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Abstract

一种用于产生位于涡轮机(10)内部的涡轮机部件的红外图像的闪光热成像设备(40)。设备包括具有孔(48)的闪光壳体(46)。闪光源(50)被定位在孔中，其中，闪光源产生对涡轮机部件加热的光脉冲。设备还包括红外传感器(42)，其用于检测由涡轮机部件辐射的热能，其中，所辐射的热能通过孔传输到红外传感器以使得能够产生涡轮机部件的红外图像。

Description

用于检查涡轮机部件的闪光热成像设备
技术领域
本发明涉及与涡轮机结合使用的闪光热成像设备，并且更具体地，涉及具有包括用于对涡轮机部件加热的闪光源的闪光壳体的闪光热成像设备，其中该设备还包括用于检测由涡轮机部件辐射的热能以使得能够产生涡轮机部件的红外图像的红外传感器。
背景技术
在例如燃气涡轮机的用于能量转换的各种多级涡轮机中，使用流体产生旋转运动。参照图1和图2，示出了轴流式燃气涡轮机10的侧面局部截面图和透视局部截面图。涡轮机10包括沿水平中心轴线18布置的压缩机部12、燃烧部14和涡轮机部16。燃烧部14包括排列在燃烧部14周围的与燃烧部14内部流体连通的多个燃烧器28。每个燃烧器28包括顶帽部30和可移除的支承壳体32。压缩机部12向燃烧部14提供压缩的空气流，在燃烧部14中，空气与例如天然气的燃料混合并被点燃以产生热的工作气体。涡轮机部16包括布置成多排的多个涡轮机动叶20。热气体通过涡轮机部16膨胀，在涡轮机部16中其通过相关的固定静叶22被引导穿过动叶20的排。动叶20每个均被配置为附接到绕中心轴线18可旋转的轴的动叶组件。当热气体传递通过涡轮机部16时，气体使动叶20以及因此使轴旋转，从而提供机械功。每排动叶20和相关的静叶22(即统称为“叶型”)形成级。特别地，涡轮机部16可以包括四排动叶20和相关的静叶22的排，以形成四个级。燃气涡轮机10还包括定位成邻近涡轮机部16的排气缸部24和定位成邻近排气缸部24的外扩散器部26。
在气体沿涡轮机10中的热气体路径传送时暴露于热气体的涡轮机10的部分可以包括陶瓷基底涂层，其用于使部件的基底金属例如叶型基底金属对于可能导致基底金属氧化的高温的暴露最小化。这种涂层可以是施加于形成在基底金属上的粘合涂层(BC)上的已知的热障涂层(TBC)。
涡轮机10通常被操作较长的时间。TBC层或TBC层和BC层二者都可能在涡轮机10的操作期间不期望地劣化或分层。这使基底金属暴露于高温，其可能导致基底金属的氧化。定期检查涡轮机以检查可能已经发生的关于各种内部部件的磨损、损坏和其他不期望的状况。另外，检查TBC/BC层以确定TBC/BC层的劣化程度(即层的剩余厚度)和其他不期望的状况。为了检查涡轮机10内的部件，涡轮机10被关闭并使其冷却，这花费了大量的时间。然后，检查/评估组必须拆卸涡轮机10的主要部分，例如外壳34和相关部件，以便得以访问期望的内部涡轮机部件并执行对涡轮机部件的评定或检查。然而，目前的检查过程是劳动密集型的、耗时的且昂贵的。
发明内容
公开了一种用于产生位于涡轮机内部的涡轮机部件的红外图像的闪光热成像设备。设备包括具有孔的闪光壳体。闪光源被定位在孔中，其中，闪光源产生对涡轮机部件加热的光脉冲。设备还包括用于检测由涡轮机部件辐射的热能的红外传感器，其中，所辐射的热能通过孔传输到红外传感器以使得能够产生涡轮机部件的红外图像。
本领域技术人员可以以任何组合或子组合来联合地或分别地应用本发明的各个特征。
附图说明
通过结合附图考虑以下详细的描述，可以容易地理解本公开内容的教示，在附图中：
图1是轴流式燃气涡轮机的侧面局部截面图。
图2是轴流式燃气涡轮机的透视局部截面图。
图3描绘了根据本发明的实施方式的用于对涡轮机部件成像的闪光热成像设备。
图4是涡轮机的局部截面图，其中，闪光热成像设备被示出成位于燃烧器的顶帽部中。
图5是计算机的高级框图。
为了便于理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记来指定各个附图中共有的相同元件。
具体实施方式
尽管已经在本文中详细地示出和描述了包含本公开内容的教示的各种实施方式，但是本领域的技术人员可以容易地构思出仍包含这些教示的许多其他变化的实施方式。本公开内容的范围在其应用上不限于在说明书中阐述的或在附图中说明的部件的构造和布置的示例性实施方式细节。本公开内容涵盖其他实施方式并且以各种方式来实践或实施。而且，应当理解，本文使用的措辞和术语是为了描述的目的，并且不应当被视为限制。在本文中使用“包括(including)”、“包括(comprising)”或“具有”及其变型意在涵盖之后列出的项及其等同物以及另外的项。除非另有指定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支承”和“耦接”及其变型被广泛使用并且涵盖直接的和间接的安装、连接、支承和耦接。此外，“连接”和“耦接”不限于物理的或机械的连接或耦接。
参照图3，示出了根据本发明的实施方式的用于对涡轮机部件成像的闪光热成像设备40。设备40包括用于检测电磁波频谱的红外区域中的热能的红外(IR)传感器部42。在实施方式中，IR传感器42是具有透镜44的IR相机，然而应当理解，可以使用其他类型的IR传感器。作为示例，IR传感器42可以是例如能够从位于美国马萨诸塞州波士顿市的菲力尔公司(FLIR Systems)获得的IR相机。
设备40还包括具有壳体孔48的闪光壳体46，壳体孔48使透镜44暴露以使得能够通过IR传感器42检测热能。闪光源50被定位在壳体孔48的外缘周围。在实施方式中，闪光源50具有包括与壳体孔48和透镜44对准的闪光孔52的环形形状。闪光源50可以被配置成闪光管，然而应当理解，可以使用其他类型的闪光源。闪光壳体46还可以包括大致为锥形的反射器51。设备40还包括通过电连接58连接在计算机56与闪光源50之间的闪光电源54。闪光源50由闪光电源54供电，从而使闪光源50发出光脉冲，该光脉冲对例如涡轮机部件的部件加热。由部件辐射的热能的一部分传送通过壳体48和闪光孔52并由IR传感器42检测到。IR传感器42基于由部件辐射的热能来产生部件的IR图像。IR传感器42还可以被配置成在除了电磁波频谱的红外区域以外的或代替电磁波频谱的红外区域的其他频率处获得图像数据。
设备40被配置成捕获涡轮机10的内部部分的IR图像。例如，如前所述，燃烧部14包括排列在燃烧部14周围的与燃烧部14内部流体连通的多个燃烧器28。每个燃烧器28包括顶帽部30和可移除的支承壳体32。参照图4，示出了涡轮机10的局部截面图，其中，示出为移除了所选的支承壳体32。支承壳体32的移除提供了对涡轮机10中的开口53的访问，并因此提供了涡轮机10的内部部分的视图。根据本发明的方面，设备40被配置成捕获通过涡轮机10中的开口53所观察到的涡轮机10的内部部分的IR图像。在实施方式中，涡轮机10的内部部分的视图可以通过例如在燃烧器篮状部分62的导锥60中找到的开口53获得。根据本发明，设备40被定尺寸成使得能够将设备40定位在顶帽部30的凹槽内，使得透镜44被定位成邻近导锥60中的开口53。这使得能够捕获由设备40通过导锥60中的开口53观察到的例如在设备40的视线64(如虚线所示)内的涡轮机10的内部部件例如至少一个第1排静叶66的IR图像。在实施方式中，可以使用用于紧固支承壳体32的预先存在的孔68通过安装夹具来固定设备40。替选地，设备40可以由操作者手持。应当理解，可以使用涡轮机10中的其他开口来捕获涡轮机10的内部部分的IR图像。
为了获得例如静叶66的部件的IR图像，闪光源50由闪光电源54来供给能量，从而使闪光源50发出对静叶66加热的光脉冲。例如，闪光源50提供大约5000至6000焦耳的能量输出以对至少一个静叶66加热。光脉冲的持续时间可以取决于静叶66上的被检查的BC或TBC层的厚度。静叶66辐射的热能的一部分然后由IR传感器42检测到。IR传感器42基于静叶66辐射的热能产生静叶66的IR图像。用于检测辐射的热能的时间长度(即信号收集时间)取决于正被成像的部件的特性。因此，在本发明的当前实施方式中，在不移除涡轮机10的主壳体34的情况下非侵入式地获得例如第1排静叶66的内部涡轮机部件的IR图像。根据本发明的方面，例如过渡部件、动叶等的沿涡轮机热气体路径的其他部件也可以被成像。
在本文中，发明人已经发现，由设备40获得的部件的IR图像提供了足够的部件细节，以使得能够由检查/评估组进行评估。此外，设备40产生具有足够细节的IR图像，以使得能够使用已知方法确定形成在部件上的BC或TBC层的厚度。因此，本发明能够实现涡轮机部件的非破坏性评估(NDE)。如果存在对BC/TBC层的严重损坏，则检查/评估组可以快速做出要求维护的决策，以避免因BC/TBC层的损耗而导致对涡轮机部件的损坏。另外，2015年4月13日提交的题为“SYSTEM TO PROGNOSE GAS TURBINE REMAINING USEFUL LIFE”的Iyer等人的美国申请第14/684,471号的公开内容通过引用全部合并到本文中。
参照回图3，IR传感器42通过电连接58或无线连接通信地耦接到计算机56。计算机56包括用于控制IR传感器42、闪光电源54和闪光源50的操作的软件和驱动器。计算机56可以使用公知的计算机处理器、存储器单元、存储设备，计算机软件和其他部件。图5示出了这种计算机的高级框图。计算机56可以包括中央处理单元(CPU)80、存储器82和输入/输出(I/O)接口84。计算机56通常通过I/O接口84耦接到用于可视化的显示器86以及使得用户能够与计算机56交互的各种输入设备88，例如键盘、小键盘、触摸板、触摸屏、鼠标、扬声器、按钮或其任何组合。支持电路可以包括例如高速缓存、电源、时钟电路和通信总线的电路。存储器82可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、磁盘驱动器、磁带驱动器等或其组合。本公开内容的实施方式可以实现为例程90，例程90存储在存储器82中并由CPU 80执行以处理来自信号源92的信号。因此，计算机56是在执行例程90时变为专用计算机系统的通用计算机系统。计算机56可以经由网络适配器与例如局域网(LAN)、通用广域网(WAN)和/或公共网络(例如，因特网)的一个或更多个网络通信。本领域的技术人员将认识到，实际计算机的实现也可以包含其他部件，并且图5是用于说明目的的这种计算机的一些部件的高级表示。
计算机56还包括操作系统和微指令代码。在本文中描述的各种处理和功能可以是微指令代码的一部分或者是经由操作系统执行的应用程序的一部分(或其组合)。另外，例如另外的数据存储设备和打印设备的各种其他外围设备可以连接到计算机平台。可适于与计算机56一起使用的公知的计算系统、环境和/或配置的示例包括但不限于个人计算机系统、服务器计算机系统、瘦客户端、胖客户端、手持或笔记本计算机设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、机顶盒、可编程消费电子产品、网络PC、微型计算机系统、大型计算机系统以及包括以上任何系统或设备的分布式云计算环境等。
在一些示例中，计算机56被布置在IR传感器42或显示器86内并且被视为IR传感器42或显示器86的一部分。在其他示例中，计算机56可以同位于IR传感器42和显示器86二者中。在一些示例中，根据由IR传感器42获得的多个单独的图像或曝光来编译例如静叶66的部件的完整2D图像，即包括静叶66的外表面的全部360度或一些其他期望部分的合成2D图像，以由有资格的NDE检查者/操作者进行后续检查。另外，在一些示例中，计算机56被配置成组合由IR传感器42捕获的静叶66的多个图像，并且形成反映多个图像中的每个图像的图像数据的合成图像。
尽管已经说明和描述了本公开内容的特定实施方式，但是对于本领域的技术人员而言显而易见的是，在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下，可以进行各种其他改变和修改。因而，旨在在所附权利要求中涵盖本公开内容的范围内的所有这些变化和修改。

Claims (14)

1.一种用于产生位于涡轮机内部的涡轮机部件的红外图像的闪光热成像设备，包括：
闪光壳体，其具有孔；
闪光管，其被定位在所述孔中，其中，所述闪光管产生对所述涡轮机部件加热的光脉冲；
红外传感器，其用于检测由所述涡轮机部件辐射的热能，其中，所辐射的热能通过所述孔传输到所述红外传感器以使得能够产生所述红外图像，其中，所述闪光管是环形的，并且其中，所述红外传感器被定位成接收通过由所述闪光管限定的环形开口传递的热能，并且
其中，所述红外传感器被定位在涡轮机的顶帽部中并且所述红外传感器通过所述涡轮机中的开口捕获所述涡轮机部件的至少一个图像。
2.根据权利要求1所述的闪光热成像设备，其中，所述开口穿过涡轮机燃烧器的导锥。
3.根据权利要求1所述的闪光热成像设备，其中，所述红外传感器捕获所述涡轮机的至少一个静叶的至少一个图像。
4.根据权利要求1所述的闪光热成像设备，其中，所述涡轮机部件包括热障涂层和/或粘合涂层。
5.一种用于产生位于涡轮机内部的涡轮机部件的红外图像的闪光热成像设备，包括：
闪光壳体；
闪光源，其被定位在所述闪光壳体中，其中，所述闪光源是环形的并限定环形开口，所述闪光源可操作以产生对所述涡轮机部件加热的光脉冲；
圆锥形反射器，其被定位成周向地在所述环形开口内并限定反射器开口；
透镜，其被定位成周向地在所述反射器开口内；以及
红外传感器，其用于检测由所述涡轮机部件通过所述涡轮机中的开口辐射的热能，其中，所辐射的热能通过所述透镜传输到所述红外传感器以使得能够产生所述红外图像，并且
其中，所述红外传感器被定位在涡轮机的顶帽部中并且所述红外传感器通过所述涡轮机中的开口捕获所述涡轮机部件的至少一个图像。
6.根据权利要求5所述的闪光热成像设备，其中，所述闪光源是闪光管。
7.根据权利要求5所述的闪光热成像设备，其中，所述开口穿过涡轮机燃烧器的导锥。
8.根据权利要求5所述的闪光热成像设备，其中，所述红外传感器捕获所述涡轮机的至少一个静叶的至少一个图像。
9.根据权利要求5所述的闪光热成像设备，其中，所述涡轮机部件包括热障涂层和/或粘合涂层。
10.一种用于热成像地检查位于涡轮机内部的涡轮机部件的方法，包括：
提供具有孔的闪光壳体；
将闪光管定位在所述闪光壳体内，其中，所述闪光管产生对所述涡轮机部件加热的光脉冲，并且其中，所述闪光管是环形的并限定环形开口；
提供用于检测由所述涡轮机部件辐射的热能的红外传感器，其中，所辐射的热能通过所述孔并通过所述环形开口传输到所述红外传感器以使得能够产生所述红外图像；
将所述闪光壳体定位在涡轮机燃烧器的顶帽部中；
通过所述涡轮机燃烧器中的开口捕获所述涡轮机部件的至少一个图像；以及
检查涡轮机部件特性。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述开口穿过所述涡轮机燃烧器的导锥。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述红外传感器捕获所述涡轮机的至少一个静叶的至少一个图像。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述闪光壳体包括反射器。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述反射器是圆锥形的。
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