CN109990903A - 对高温燃烧环境中的涡轮机部件温度测绘的设备及方法 - Google Patents
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Abstract
用于校准处于燃烧环境中的涡轮机部件的热辐射图的方法和系统。至少一个斑点(18)材料布置在该部件表面上。红外线(IR)成像器(14)设置成斑点位于成像器的视场内，以获得斑点的成像数据。处理器(30)构造成当燃烧环境的温度增加时，处理成像数据以产生图像序列。监控器(42,44)可联接到处理器，用于当温度增加时，监控图像序列以确定斑点的物理变化的发生。校准模块(46)可构造成当确定斑点发生物理变化时，给涡轮机部件的表面分配第一温度值。
Description
本申请是申请日为2012年2月7日、申请号为201280017231.2、发明名称为“对高温燃烧环境中的涡轮机部件进行温度测绘的设备及方法”的发明专利申请的分案申请。
关于联邦政府资助开发的声明
本发明的开发由合同No.DE-FC26-05NT42644部分地支持，该合同由美国能源部授权。相应地，美国政府可具有本发明的一定权利。
技术领域
本发明总体上涉及温度记录，更具体地说，涉及对处于高温燃烧环境中的涡轮机部件进行温度测绘的热成像系统和技术。
背景技术
已知使用比如钴或镍基超耐热合金的各种超耐热合金材料来制造桨叶、叶片和用于发电用涡轮机、推进设备等的其它部件。这些涡轮机能够在比较高的温度下操作，并通常由一系列保护涂层保护。所述涂层可包括金属底漆层、热生长氧化物层(这样的层在工作运行的部件中生长)和最终陶瓷热障涂层(“TBC”)。这些陶瓷涂层长期暴露于不利的高温磨蚀环境(这样的涡轮机通常在这种环境中运行)中会在涂层中导致相不稳定、烧结、微裂纹、层离和最终分裂，暴露超耐热合金部件，并可导致快速降解或失效，并且可能需要昂贵和繁重的维修。
发明名称为“Method And Apparatus For Measuring On-Line Failure OfTurbine Thermal Barrier Coatings”的美国专利No.7690840描述了一种基于红外线(IR)的系统，该系统构造成在需要相对高空间分辨率的图像而不需要精确的绝对温度信息的地方监控TBC缺陷的形成和发展的情况下无损测量燃气轮机中的涡轮机部件的辐射能。上述专利共同转让给本发明的受让人，其全部内容通过引用并入本文。
期望获得涡轮机部件的二维IR图像，以始终提供所述部件的精确的绝对温度测量结果。然而，由于各种因素，会引入温度测量误差，在现有技术下，这些因素没有被适当地考虑。例如，TBC的发射率会根据波长、温度、时期、污染等变化。相应地，期望提供克服前述问题的系统和技术。
附图说明
在下列描述中参考附图来说明本发明，附图示出：
图1是温度记录系统的一个示例实施例的示意图，该温度记录系统可构造成对涡轮机中处于操作条件下的涡轮机部件的表面范围内的温度分布进行测绘。
图2示出正经受包含本发明各方面的校准过程的涡轮机部件的示例状况。
图3是具有基底材料的示例部件的部分横截面视图，基底材料可由用在高温环境中的热障涂层(TBC)覆盖。
具体实施方式
根据本发明的一个或多个实施例，本文中描述了有益于基本实时精确地测量涡轮机部件(比如旋转的涡轮叶片或固定轮叶)的绝对温度的结构布置和/或技术。在下列详细描述中，阐述了各种具体细节，以提供对这些实施例的全面理解。然而，本领域技术人员应理解的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例，本发明不局限于所示实施例，本发明可以以许多替代实施例来实践。在其它情况下，没有详细描述本领域一般技术人员所熟知的方法、过程和部件，以避免不必要的赘述。
而且，各种操作可描述为以有助于理解本发明实施例的方式执行的多个分立步骤。然而，描述的顺序不应被理解为暗示这些操作需要以它们所呈现的顺序来执行，这些操作也并不依赖于所述顺序。此外，短语“一个实施例”的重复使用并非一定指代相同的实施例，但是其是可以指代相同的实施例的。最后，如本申请中所使用的，术语“包括”、“包含”、“具有”等意在是同义的，除非另有说明。
图1是温度记录系统10的一个示例性实施例的示意图，该温度记录系统构造成对涡轮机15中处于操作条件下的涡轮机部件12(例如，涡轮桨叶、涡轮叶片等)的表面范围内的温度分布进行测绘。例如，桨叶可以以大约1.2马赫或每小时890英里等级的超音速线速度移动。处于典型操作条件下的涡轮机部件的示例表面温度可以处于大约1000摄氏度至大约1800摄氏度的范围内。
如图1所示，材料的一个或多个斑点(比如斑点181、182、183)可沉积或以其它方式布置在涡轮机部件的表面上。如本文中所使用的，术语斑点包括具有已知物理特性(例如已知的熔点)的附于部件表面的比较薄的材料片。应明白，尽管图1示出圆形斑点，但是应明白，本发明的各方面不局限于任何特定形状的斑点。例如，斑点可以为非圆形，例如条状等。而且，尽管图1示出了数量为三个的斑点，但是该数量并不应理解为限制性的，因为该数量仅表示可使用的斑点的示例数量。
在一个示例实施例中，斑点181、182、183的各自材料可具有彼此不同的熔点，并可以以彼此隔开的关系设置在部件表面上。应明白，图1所示斑点的示例布置(即，柱状布置)不应被理解为限制性的，因为其它布置可同等有效地工作(行、斜线、随机)。
在一个示例实施例中，对于电磁频谱的给定光谱区(比如对应于近红外(IR)光谱区)，斑点材料的各自发射率值可具有相对于部件表面的期望发射率值不同的值。例如，这会允许区分出来自斑点的IR发射与来自表面部件的IR发射。
在一个示例实施例中，涡轮机控制器40可构造成控制涡轮机，使得涡轮机的燃烧环境的温度可在预定温度范围内增加。
热像仪14在视场内(概念上由线16限定)感测来自涡轮机部件的IR发射(例如近IR发射)。例如，IR口21可设置成提供关于包括斑点181、182、183的部件12的直接“视线”。在一个示例实施例中，热像仪14可包括焦平面阵列传感器(例如，电荷耦合器件(CCD)阵列)，以测量部件发出的辐射。为了获得以1.2马赫速度移动的桨叶的适当空间分辨率，焦平面阵列传感器应当能够在3微秒或更少的时间内整合所接收的IR信号。
在热像仪14接收光学信号之前，压力挡板22可用于使IR发射从IR口21传到用于适当光学信号调节(例如，焦距选择和适当的光学放大倍率)的光学系统23。
处理器30联接到热像仪14，以当燃烧环境涡轮机的温度增加时处理来自热像仪的成像数据，例如可用于产生斑点181、182、183的图像序列。
在一个示例实施例中，监控器42可联接到处理器30。在该示例实施例中，当燃烧环境涡轮机的温度增加时，人类使用者可使用监控器42监控斑点181、182、183的图像序列，以确定相应斑点181、182、183中相应物理变化的相应发生。该相应斑点181、182、183中的相应物理变化是由相应斑点材料的熔化引起的。
应明白，监控器42不必局限于视觉显示器，因为在一个示例实施例中，可以设想的是，处理器30可选择地包括图像识别模块44，该图像识别模块构造成自动地确定相应斑点中相应物理变化的发生。
如本领域一般技术人员所明白的，物理变化可包括任何给定斑点从部件表面的全部或部分分离。例如，由于离心力和/或通过部件表面的高速气体，熔化的斑点材料的主要部分可从部件表面飞脱。应明白，由相应斑点材料的熔化引起的物理变化不必局限于斑点与部件表面的物理分离。例如，物理变化可涉及斑点在熔化时因损害斑点材料的粘附力和内聚力变化而变形。表1是对一些示例斑点材料的说明。
| 熔化温度[C] | |
| 铂 | 1770 |
| 钛 | 1670 |
| 不锈钢 | 1510 |
| 镍 | 1453 |
| 铍 | 1411 |
| 铜 | 1285 |
| 玻璃状材料 | 根据组分含量而变化 |
校准模块46可构造成当确定相应斑点发生物理变化时，将相应温度值分配给涡轮机部件的表面。例如，如果斑点181的相应熔点低于斑点182的熔点，且斑点182的熔点低于斑点183的熔点，则在该示例中，当确定了斑点181的物理变化时，可分配第一温度值，当确定了斑点182的物理变化时，可分配第二温度值，当确定了斑点183的物理变化时，可分配第三温度值。
图2示出一示例状况，其中涡轮机的燃烧环境的温度增加到斑点183的熔点，而斑点181和182已达到它们各自的熔点并基本上已从部件表面分离。
图3是示例部件12的部分横截面视图，该示例部件具有基底材料32，该基底材料由比如用在高温环境中的热障涂层(TBC)34的屏蔽涂层覆盖。如TBC涂层领域的一般技术人员所易于明白的，在施加TBC材料34之前，比如MCrAIY材料的粘合层36可沉积在基底32上，以增强涂层34到基底32的附着。应明白，本发明的各方面不局限于图3所示的示例涂层布置，这些方面也不局限于具有TBC涂层的部件。
处理器30还可构造成基于来自涡轮机部件的IR发射产生部件的辐射图。根据本发明的各方面，可基于由校准模块46分配的温度值校准辐射图，以产生部件的校准热图，该校准热图显示出部件表面范围内的绝对温度。在旋转的部件的情况下，为了同步之目的，每分钟转数(RPM)传感器24可用于给处理器30提供同步脉冲。
本发明的各方面还可体现为存储在计算机可读介质中的计算机可读代码。计算机可读介质可以是能够存储数据的任何物理数据存储装置，之后所述数据能被计算机系统读取出。计算机可读介质的示例可包括只读存储器、随机存储器、CD-ROM、DVD、磁带、光学数据存储装置。本领域一般技术人员应明白，计算机可读代码可经由计算机可读传输介质分布到联网计算机系统，然后，计算机可读代码可以以分布的方式被存储和/或执行。
基于前述说明，可使用包括计算机软件、固件、硬件或它们的任何组合或子集的计算机编程或工程技术来实施本发明的各方面。根据本发明，任何这样产生的程序(具有计算机可读代码器件)可包含或放置在一个或多个计算机可读介质内，从而制成计算机程序产品，即制造物品。计算机可读介质可以是例如固定(硬盘)驱动器、磁盘、光盘、磁带、比如只读存储器(ROM)的半导体存储器等，并可涉及比如因特网或其它通讯网络或链路的传输/接收介质。可通过直接从一个介质中执行代码、通过将代码从一个介质拷贝到另一个介质或者通过网络传输代码而制成和/或使用包含计算机代码的制造物品。
用于制造、使用或出售本发明各方面的设备可以是一个或多个处理系统，包括但并不局限于中央处理单元(CPU)、存储器、存储装置、通讯链路和装置、伺服器、I/O装置或一个或多个处理系统的任何子部件，包括软件、固件、硬件或它们的任何组合或子集，它们并入权利要求中阐述的本发明。
使用者输入可从键盘、鼠标、笔、声音、触摸屏或人类能够将数据输入计算机的任何其它器件接收，包括经由比如应用程序的其它程序。
计算机科学领域的技术人员能够易于将如所述产生的软件与适当通用或特殊用途计算机硬件结合起来，以制成包含本发明各方面的计算机系统或计算机子系统。
尽管本文中显示和描述了本发明的各种实施例，但是明显地，这些实施例仅以示例的方式提供。在不脱离本发明的情况下，可以进行许多变型、改变和替代。相应地，本发明仅受所附权利要求的精神和范围限制。
Claims (9)
1.一种用于校准涡轮机的处于高温燃烧环境中的旋转涡轮机部件的热辐射图的方法，所述方法包括：
将至少两个隔开的相应斑点材料布置在涡轮机部件的表面上，相应材料具有不同的熔点；
操作涡轮机由此导致涡轮机部件旋转；
将成像器设置成至少两个斑点处于成像器的视场内，以获得包括至少两个斑点的旋转涡轮机部件的成像数据；
增加涡轮机的燃烧环境的温度；
当燃烧环境涡轮机的温度增加时，处理成像数据以产生包括至少两个斑点的旋转涡轮机部件的二维图像序列；
当燃烧环境涡轮机的温度增加时，监控包括至少两个斑点的图像序列以确定所述至少两个斑点的相应物理变化的发生，其中，相应物理变化是由相应材料的熔化引起的，其中，相应材料的熔点是已知的；以及
当确定所述至少两个斑点发生相应物理变化时，给旋转涡轮机部件的表面分配相应温度值，其中，分配给旋转涡轮机部件表面的相应温度值对应于相应材料的熔点；
基于来自旋转涡轮机部件的红外线(IR)发射产生旋转涡轮机部件的热辐射图；以及
基于所分配的温度值来校准旋转涡轮机部件的辐射图，以产生旋转涡轮机部件的校准热图，该旋转涡轮机部件的校准热图表示旋转涡轮机部件表面范围内的绝对温度，
其中，所述至少两个斑点的物理变化包括由于离心力和/或通过旋转涡轮部件表面的高速气体，斑点从旋转涡轮机部件表面的全部或部分分离或者由于斑点在熔化时因损害斑点材料的粘附力和内聚力变化，旋转涡轮部件表面上的斑点的变形，并且其中，监控包括至少两个斑点的图像序列的步骤确定了斑点何时从旋转涡轮机部件表面全部或部分分离或者斑点何时在旋转涡轮机部件表面上变形。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述增加涡轮机的燃烧环境的温度包括控制涡轮机，使得涡轮机的燃烧环境的温度在预定温度范围内增加。
3.如权利要求1所述的方法，其中，涡轮机部件包括热障涂层(TBC)。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述监控包括至少两个斑点的图像序列包括自动地确定所述至少两个斑点的相应物理变化的发生。
5.一种用于校准涡轮机的处于高温燃烧环境中的旋转涡轮机部件的热辐射图的系统，所述系统包括：
至少两个隔开的相应斑点材料，布置在涡轮机部件的表面上，其中，在电磁频谱的至少光谱区中，至少两个相应斑点材料的相应发射率值具有相对于涡轮机部件表面的发射率值的不同值；
控制器，操作涡轮机并由此导致涡轮机部件旋转；
红外线(IR)成像器，设置成至少两个斑点位于成像器的视场内，以获得包括至少两个斑点的旋转涡轮机部件在光谱区中的成像数据；
处理器，构造成当燃烧环境涡轮机的温度增加时，处理包括所述至少两个斑点的成像数据，以产生包括至少两个斑点的旋转部件的二维图像序列；
监控器，联接到处理器，用于当燃烧环境涡轮机的温度增加时，监控包括至少两个斑点的图像序列，以确定所述至少两个斑点的相应物理变化的发生，其中，所述至少两个斑点的相应物理变化是由相应材料的熔化引起的，其中，相应材料具有不同熔点，其中，相应材料的熔点是已知的；以及
校准模块，构造成当确定所述至少两个斑点发生相应物理变化时，给旋转涡轮机部件的表面分配相应温度值，其中，通过校准模块分配给旋转涡轮机部件表面的相应温度值对应于相应材料的已知熔点，其中，处理器构造成基于来自旋转涡轮机部件的红外线(IR)发射产生旋转部件的热辐射图，并且基于所分配的温度值来校准旋转涡轮机部件的辐射图，以产生旋转涡轮机部件的校准热图，该旋转涡轮机部件的校准热图显示了旋转涡轮机部件表面范围内的绝对温度，
其中，所述至少两个斑点的物理变化包括由于离心力和/或通过旋转涡轮部件表面的高速气体，斑点从旋转涡轮机部件表面的全部或部分分离或者由于斑点在熔化时因损害斑点材料的粘附力和内聚力变化，旋转涡轮部件表面上的斑点的变形，并且其中，监控包括至少两个斑点的图像序列的监控器确定了斑点何时从旋转涡轮机部件表面全部或部分分离或者斑点何时在旋转涡轮机部件表面上变形。
6.如权利要求5所述的系统，其中，所述控制器构造成控制涡轮机，使得涡轮机的燃烧环境的温度在预定温度范围内增加。
7.如权利要求5所述的系统，其中，涡轮机部件包括热障涂层(TBC)。
8.如权利要求6所述的系统，其中，斑点材料包括具有处于预定温度范围内的各自熔点的金属材料和玻璃状材料之一。
9.如权利要求5所述的系统，其中，监控器包括图像识别模块，所述图像识别模块构造成自动地确定所述至少两个斑点的相应物理变化的发生。
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