CN109632885A - 热障涂层散裂检测系统 - Google Patents

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Abstract

本申请因此提供一种用于燃气涡轮的热障涂层散裂检测系统。热障涂层散裂检测系统可包括具有磷光体层和热障涂层的热气体路径部件、刺激性辐射源和光学装置，以使得所述光学装置在热障涂层处引导刺激性辐射并接收发射辐射。接收的发射辐射的变化表明了热障涂层的散裂。

Description

热障涂层散裂检测系统
技术领域
本申请及所得的专利大体上涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及基于热成像的热障涂层散裂检测系统，其提供热气体路径部件上的热障涂层的完整性的连续实时反馈。
背景技术
总体燃气涡轮操作和效率随着较高的操作温度而改善。然而，考虑到这些较高温度和恶劣的操作条件，热气体路径中的部件的寿命可能受损。陶瓷涂层如热障涂层可用于保护部件免受热气体路径内发现的热温度、化学环境和物理条件。
随着时间的推移，热障涂层可能经受散裂。当散裂发生时，热气体路径部件必须在短时间内除去和替换，否则可能发生灾难性的故障。结果，燃气涡轮发动机必须定期关闭来检查散裂和其它损坏类型。就生产损失和和检查所需的工时而言，这种关闭可能是昂贵的。
发明内容
本申请和所得的专利因此提供一种用于燃气涡轮的热障涂层散裂检测系统。热障涂层散裂检测系统可包括具有磷光体层和热障涂层的热气体路径部件、刺激性辐射源和光学装置，以使得所述光学装置在热障涂层处引导刺激性辐射并接收发射辐射。接收的发射辐射的变化表明了热障涂层的散裂。
本申请和所得的专利还提供了一种检测热气体路径部件的热障涂层的散裂的方法。该方法可包括以下步骤：在热障涂层处发射刺激性辐射、从热障涂层接收发射辐射、比较连续的接收发射辐射以及如果连续接收的发射辐射中示出变化则表明热障涂层的散裂。
本申请及所得的专利还提供了一种用于燃气涡轮发动机的热障涂层散裂检测系统。热障涂层散裂检测系统可包括具有磷光体层和热障涂层的热气体路径部件、刺激性辐射源、在热障涂层处引导刺激性辐射且接收发射辐射的光学装置，以及与光学装置通信的数字相机。显示在数字相机上的接收的发射辐射的变化表明了热障涂层的散裂。
除了上述方面，本申请还提供以下技术方案：
技术方案1.一种用于燃气涡轮发动机的热障涂层散裂检测系统，其包括：
热气体路径部件；
所述热气体路径部件包括磷光体层和热障涂层；
刺激性辐射源；以及
光学装置；
其中所述光学装置在所述热障涂层处引导刺激性辐射，且接收发射辐射；以及
其中接收的发射辐射的变化表明所述热障涂层的散裂。
技术方案2.根据技术方案1所述的热障涂层散裂检测系统，其中所述刺激性辐射源包括激光器。
技术方案3.根据技术方案1所述的热障涂层散裂检测系统，其还包括与所述光学装置通信的滤光器。
技术方案4.根据技术方案1所述的热障涂层散裂检测系统，其还包括与所述光学装置通信的数字相机。
技术方案5.根据技术方案4所述的热障涂层散裂检测系统，其中所述数字相机包括像素网格。
技术方案6.根据技术方案5所述的热障涂层散裂检测系统，其中所述像素网格的变化表明所述热障涂层的散裂。
技术方案7.根据技术方案1所述的热障涂层散裂检测系统，其中所述磷光体层包括基于热成像的磷光体层。
技术方案8.根据技术方案7所述的热障涂层散裂检测系统，其中所述基于热成像的磷光体层包括晶体。
技术方案9.根据技术方案8所述的热障涂层散裂检测系统，其中所述晶体包括钇铝石榴石(YAG)晶体、镥铝石榴石(LuAG)晶体、钪铝石榴石(ScAG)晶体、钇铝硼氮石榴石(YABNG)晶体、钇铝硼石榴石(YABG)晶体、石英晶体或蓝宝石晶体。
技术方案10.根据技术方案8所述的热障涂层散裂检测系统，其中所述基于热成像的磷光体层包括稀土元素。
技术方案11.根据技术方案10所述的热障涂层散裂检测系统，其中所述稀土元素包括钕(Nd)、铬(Cr)、铒(Er)、镱(Yb)、铈(Ce)、镝(Dy)或铥(Tm)。
技术方案12.根据技术方案1所述的热障涂层散裂检测系统，其中所述热障涂层包括氧化锆。
技术方案13.根据技术方案1所述的热障涂层散裂检测系统，其中所述热气体路径部件包括其上具有基础涂层的基底。
技术方案14.根据技术方案13所述的热障涂层散裂检测系统，其中所述磷光体层定位在所述热障涂层与所述基础涂层之间。
技术方案15.一种检测热气体路径部件的热障涂层的散裂的方法，其包括：
在所述热障涂层处发射刺激性辐射；
从所述热障涂层接收发射辐射；
比较连续接收的发射辐射；以及
如果连续接收的发射辐射中示出变化则表明热障涂层的散裂。
技术方案16.一种用于燃气涡轮发动机的热障涂层散裂检测系统，其包括：
热气体路径部件；
所述热气体路径部件包括磷光体层和热障涂层；
刺激性辐射源；
光学装置；
其中所述光学装置在所述热障涂层处引导刺激性辐射，且接收发射辐射；以及
与所述光学装置通信的数字相机；
其中显示在所述数字相机上的接收的发射辐射的变化表明所述热障涂层的散裂。
技术方案17.根据技术方案16所述的热障涂层散裂检测系统，其中所述刺激性辐射源包括激光器。
技术方案18.根据技术方案16所述的热障涂层散裂检测系统，其中所述数字相机包括像素网格，并且其中所述像素网格的变化表明所述热障涂层的散裂。
技术方案19.根据技术方案16所述的热障涂层散裂检测系统，其中所述磷光体层包括基于热成像的磷光体层。
技术方案20.根据技术方案16所述的热障涂层散裂检测系统，其中所述热气体路径部件包括基础涂层，并且其中所述磷光体层定位在所述热障涂层与所述基础涂层之间。
对于所属领域的一般技术人员而言，结合若干附图及所附权利要求书阅读以下详细描述，本申请案及所得专利的这些以及其它特征及改进将变得显而易见。
附图说明
图1是燃气涡轮发动机的示意图，示出了压缩机、燃烧器、涡轮和负载。
图2是涡轮叶片形式的热气体路径部件的透视图。
图3是可在本文描述的热障涂层散裂检测系统的示意图。
图4是图3中的热障涂层散裂检测系统的输出的示意图，示出未散裂。
图5是图3中的热障涂层散裂检测系统的输出的示意图，示出散裂。
具体实施方式
现在参看附图，其中在若干视图中类似的附图标记表示类似的元件，图1示出如可以在本文中使用的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可以包括压缩机15。压缩机15压缩进入的空气流20。压缩机15将压缩的空气流20传递到燃烧器25。燃烧器25使压缩的空气流20与加压燃料流30混合，并点燃混合物以产生热燃烧气体流35。尽管仅展示单个燃烧器25，但燃气涡轮发动机10可以包括任何数量的燃烧器25。热燃烧气体流35继而又输送至涡轮40。热燃烧气体流35驱动涡轮40以产生机械功。在涡轮40中产生的机械功通过轴45驱动压缩机15以及例如发电机等的外部负载50。
燃气涡轮发动机10可以使用天然气、各种类型的合成气、液态燃料和/或其它类型的燃料和其共混物。燃气涡轮发动机10可以是由纽约州斯卡奈塔第(Schenectady,NewYork)的通用电气公司提供的多个不同燃气涡轮发动机中的任一个，包括但不限于例如7系或9系重型燃气涡轮发动机等的那些燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机10可以具有不同构造，并且可以使用其它类型的部件。本文也可以使用其它类型的燃气涡轮发动机。也可以在本文中共同使用多个燃气涡轮发动机、其它类型的涡轮机以及其它类型的发电设备。
图2是热气体路径部件55如轮叶或喷嘴的实例的透视图。热气体路径部件55可接收如下文将更详细描述的热障涂层。本文中可使用其它部件如护罩、燃烧器、过渡件等。本文中可使用面对热燃烧气体35的任何部件。
图3是可如本文所述的热障涂层散裂检测系统100的示意图。热障涂层散裂检测系统100可包括刺激性辐射源110。在该实例中，刺激性辐射源110可为常规激光器120等。刺激性辐射源110可产生预定波长范围内的光形式的辐射。其它类型的刺激性辐射源110可包括紫外源、红外源和其它类型的常规光源。
热障涂层散裂检测系统100还可包括一个或多个光学装置130。光学装置130可包括常规滤镜、谐振器、传感器等，以发射刺激性辐射并响应于其接收发射辐射。热障涂层散裂检测系统100还可包括一个或多个常规滤光器140和数字相机150。还可使用常规光电探测器。滤光器140可聚焦和/或分解接收到的辐射辐射的颜色，使得接收到的发射辐射可由数字相机处理、显示和记录。本文可使用不同类型的图像处理软件。在本文中可使用其它部件及其它配置。
热障涂层散裂检测系统100可结合一个或多个热气体路径部件160使用。如上文所述，热气体路径部件160可为轮叶、喷嘴、护罩、燃烧器、过渡件等。热气体路径部件160可包括基底170。基底170可由镍、钴、铁或它们的组合的合金制成。例如，基底170可包括高温耐热合金，例如，超级合金。适合的高温镍基合金的非限制性实例包括(例如，合金)、或它们的组合。具体而言，基底130可由镍基超级合金、钴基超级合金、陶瓷基质复合物和类似材料中的一种或多种制成。
热气体路径部件160可包括基底160上的基础涂层180。基础涂层180可由金属抗氧化材料形成，其保护下覆的基底170，且允许下文所述的热障涂层更牢固地粘合到基底上。基础涂层180因此提供了促进粘合和抗氧化的形式的功能。用于基础涂层180的适合材料可包括M1CrAlY合金粉末，其中M1可代表诸如铁、镍、铂或钴的金属。其它材料可包括硅化物化合物或元素硅，以及金属铝化物，例如铝化镍、铝化铂或其组合。
热气体路径部件160可包括热障涂层190。热障涂层190可为能够基本减少至热气体路径部件160的下覆基底170的热流的材料，即，形成热障层。热障涂层190可具有大于1000℃到大约3000℃的熔点。陶瓷热障涂层材料的实例包括且不限于各种氧化锆，尤其是化学稳定的氧化锆(例如，与氧化锆混合的金属氧化物)如，氧化钇稳定的氧化锆、氧化铈稳定的氧化锆、氧化钙稳定的氧化锆、氧化钪稳定的氧化锆、氧化镁稳定的氧化锆、氧化铟稳定的氧化锆、氧化镱稳定的氧化锆、氧化镧稳定的氧化锆、氧化钆稳定的氧化锆，以及此类稳定的氧化锆的混合物。
热气体路径部件160还可具有定位在基础涂层180与热障涂层190之间的基于热成像的磷光体层200。基于热成像的磷光体层200可由具有磷光材料等的任何类型的发光材料制成。实例包括诸如钇铝石榴石(YAG)晶体、镥铝石榴石(LuAG)晶体、钪铝石榴石(ScAG)晶体、钇铝硼氮石榴石(YABNG)晶体、钇铝硼石榴石(YABG)晶体、石英晶体、蓝宝石晶体或掺杂有热成像磷光体的任何其它合适的晶体的材料。借助于实例，晶体可以掺杂有稀土元素，例如钕(Nd)、铬(Cr)、铒(Er)、镱(Yb)、铈(Ce)、镝(Dy)、铥(Tm)，或任何其它合适的热成像磷光体及其组合。在本文中可使用其它部件及其它配置。
在使用中，基础涂层180、基于热成像的磷光体层200和热障涂层190可以以常规方式施加到热气体路径部件160的基底170上。热气体路径部件160可以以常规方式在燃气涡轮发动机10内投入运行。热障涂层散裂检测系统100可连续地或定期地监测热障涂层190。确切地说，热障涂层散裂检测系统100可经由光学装置130将刺激性辐射从激光器120或其它类型的刺激性辐射源110引导，且接收发射辐射。发射辐射可经由滤光器140和数字相机150处理和显示。如图4中所示，如果发射辐射导致数字照相机150中的像素网格210上的均匀响应，则可示出热障涂层190是完整的。如图5中所示，如果存在像素网格210中示出的变化，则可能发生散裂。换言之，热成像磷光体层200可能由于散裂而可见，且引起其发荧光，从而改变发射辐射的性质。因此，热障涂层散裂检测系统100可表明的是，关闭用于进一步的检测以及可能的修理是必需的。
因此，热障涂层散裂检测系统100连续或定期监测热气体路径部件160或由热障涂层保护的其它部件。结果，可消除针对散裂的定期检测。相反，客户可连续地运行燃气涡轮发动机10，直到热障涂层散裂检测系统100表明发生了散裂。因此可避免针对定期检测的定期停机的总体成本，同时客户可安心地运行燃气涡轮发动机。
应显而易见的是，上文仅涉及本申请案和所得专利的某些实施例。在不脱离如由以下权利要求书及其等效物界定的本发明的一般精神和范围的情况下，本领域一般技术人员可以对本文作出许多改变和修改。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮发动机的热障涂层散裂检测系统，其包括：
热气体路径部件；
所述热气体路径部件包括磷光体层和热障涂层；
刺激性辐射源；以及
光学装置；
其中所述光学装置在所述热障涂层处引导刺激性辐射，且接收发射辐射；以及
其中接收的发射辐射的变化表明所述热障涂层的散裂。
2.根据权利要求1所述的热障涂层散裂检测系统，其中所述刺激性辐射源包括激光器。
3.根据权利要求1所述的热障涂层散裂检测系统，其还包括与所述光学装置通信的滤光器。
4.根据权利要求1所述的热障涂层散裂检测系统，其还包括与所述光学装置通信的数字相机。
5.根据权利要求4所述的热障涂层散裂检测系统，其中所述数字相机包括像素网格。
6.根据权利要求5所述的热障涂层散裂检测系统，其中所述像素网格的变化表明所述热障涂层的散裂。
7.根据权利要求1所述的热障涂层散裂检测系统，其中所述磷光体层包括基于热成像的磷光体层。
8.根据权利要求7所述的热障涂层散裂检测系统，其中所述基于热成像的磷光体层包括晶体。
9.一种检测热气体路径部件的热障涂层的散裂的方法，其包括：
在所述热障涂层处发射刺激性辐射；
从所述热障涂层接收发射辐射；
比较连续接收的发射辐射；以及
如果连续接收的发射辐射中示出变化则表明热障涂层的散裂。
10.一种用于燃气涡轮发动机的热障涂层散裂检测系统，其包括：
热气体路径部件；
所述热气体路径部件包括磷光体层和热障涂层；
刺激性辐射源；
光学装置；
其中所述光学装置在所述热障涂层处引导刺激性辐射，且接收发射辐射；以及
与所述光学装置通信的数字相机；
其中显示在所述数字相机上的接收的发射辐射的变化表明所述热障涂层的散裂。
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