CN109997033A - 闪光热成像摄影箱 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于涡轮机部件的自动状态评估的系统。该系统包括控制器和部分封闭的摄影箱。部分封闭的摄影箱包括适于承载涡轮机部件的可配置旋转台、垂直于并抵接水平平台的至少一个壁，旋转台被承载在该水平平台上。该摄影箱还包括配置成自动定位在围绕涡轮机部件的位置处并捕获涡轮机部件的图像的多个相机。控制器与相机中的每一者通信以分别控制每个相机的定位，以捕获涡轮机部件的期望视图。相机中的至少一者是配置成执行捕获涡轮机部件的一部分的热成像图像的闪光热成像的红外相机。使用热成像图像来评估涡轮机部件的状态。

Description

闪光热成像摄影箱
技术领域
本公开总体上涉及用于部件的非破坏性检查的方法和系统，并且更具体地，涉及用于使用闪光热成像来进行涡轮机部件的自动非破坏性检查的方法和系统。
背景技术
在许多工业应用中，在不造成损坏的情况下使用非破坏性测试方法来评估部件。一种这样的非破坏性测试的应用使用闪光热成像来测试涡轮发动机的部件，比如涡轮机动叶片或静叶片、燃烧室筒或者过渡部件。这些部件通常包括涂覆有保护基底免受高温和腐蚀性环境的影响的隔热涂层的基底。例如，涂覆的燃气涡轮机部件可能需要测试以确定热障涂层的厚度或者涂层是否具有任何分层、即涂层已经变得与基底分离的部分。分层的层可能在涡轮机的正常运转期间导致部件失效。
目前，涂覆的涡轮机部件的检查和测试可以使用闪光热成像来完成，闪光热成像是一种常用的非破坏性测试方法，其中，部件的表面被通常仅持续几毫秒的光脉冲加热。在正常条件下，随着沉积在表面处的热量流向较冷的内部，部件在闪光加热后冷却。然而，诸如空隙、夹杂物、分层、水分或者厚度或密度的变化之类的试件中的内部异常引起表面处冷却速率的变化。随后使用红外相机捕获由该部件发射的红外辐射以形成热成像图像。如上所述的内部异常在热成像图像中将是可见的。
为了捕获部件的多个三维表面的图像从而捕获整个表面或几乎整个表面的图像，将可能包括红外相机和可见光相机的混合的多个光学相机围绕部件的涂覆表面手动定位。使用闪光热成像来使部件成像的当前方法涉及相对于部件和期望的检查区域对相机进行冗长的手动设置和定位。从随后被关联回到三维部件的图像获得二维数据。必须为每个所需图像手动设置相机，这需要大量的时间和人力。因此，期望一种减少为了部件的每个所需图像而手动设置多个相机的当前方法所需的时间和人力的自动检查方法。
发明内容
简而言之，本公开的方面涉及一种用于涡轮机部件的自动状态评估的系统和一种用于涡轮机部件的自动状态评估的非破坏性方法。
提供了一种用于涡轮机部件的自动状态评估的系统。该系统包括控制器和部分封闭的摄影箱。部分封闭的摄影箱包括适于承载涡轮机部件的可配置旋转台、垂直于并抵接水平平台的至少一个壁，旋转台被承载在该水平平台上。该摄影箱还包括配置成自动定位在围绕涡轮机部件的位置处并捕获涡轮机部件的多个图像的多个相机。控制器与相机中的每一者通信以分别控制每个相机的定位，以捕获涡轮机部件的期望视图。多个相机中的至少一者是配置成执行捕获涡轮机部件的一部分的热成像图像的闪光热成像的红外相机。使用热成像图像来评估涡轮机部件的状态。
提供了一种用于涡轮机部件的自动状态评估的非破坏性方法。该方法包括：提供多个光学相机，每个相机都具有涡轮机部件的视野，光学相机中的至少一者是配置成执行闪光热成像的红外相机；通过控制器由所获得的涡轮机部件相对于可拍摄的校准目标的图像来创建三维模型；通过控制器使多个相机围绕摄影箱中的涡轮机部件自动定位，以捕获涡轮机部件的期望视图的至少一个图像；通过多个相机来捕获多个图像；通过控制器将多个图像缝合到三维模型上；使用缝合图像来分析涡轮机部件的特征。
附图说明
图1示出了轴流式燃气涡轮机的侧面部分横截面图；
图2示出了根据实施方式的摄影箱的立体图；
图3示出了旋转台的立体图；以及
图4示出了用于使涡轮机部件成像的闪光热成像装置；以及
图5示出了计算机的高级框图。
具体实施方式
为了便于理解本公开的实施方式、原理和特征，在下文中参照说明性实施方式中的执行来解释本公开的实施方式、原理和特征。然而，本公开的实施方式不限于在所描述的系统或方法中使用。
在下文中被描述为构成各种实施方式的部件和材料意在是说明性的而非限制性的。将执行与本文中所描述的材料的功能相同或类似的功能的许多适当的部件和材料意在包含在本公开的实施方式的范围内。
参照图1，示出了工业燃气涡轮发动机10。发动机10包括压缩机部分12、燃烧室部分14和沿着水平中央轴线18布置的涡轮机部分16。燃烧室部分14包括多个燃烧室28。热工作气体从燃烧室部分14穿过，被输送至涡轮机部分16。
在气体沿着涡轮机10中的热气体路径行进时暴露于热气体的涡轮机10的部分可以包括用于使部件的基体金属、比如翼型件基体金属相对于可能导致基体金属的氧化的高温的暴露最小的陶瓷基涂层。这样的涂层可以是涂覆到形成在基体金属上的结合涂层上的已知热障涂层(TBC)。
涡轮机10通常长时间运转。TBC层或TBC层和结合涂层两者在涡轮机10的运转期间可能非期望地发生劣化或分层。这使基体金属暴露于高温，这可能导致基体金属的氧化。以周期性间隔检查涡轮机10，以核查可能已经针对各种内部部件发生的磨损损伤和其他非期望的状态。另外，在涡轮发动机关闭时或组装之前常规检查TBC层和结合涂层以确定TBC层和结合涂层的劣化程度(即层的剩余厚度)以及其他非期望的状态。
现在参照图2，示出了摄影箱100。摄影箱100是用于涡轮机部件120的非破坏性检查的自动图像捕获装置。在图2中所示的示例中，涡轮机部件120是燃烧室筒。然而，涡轮机部件120也可以是燃烧室过渡部、涡轮机动叶片或静叶片或者任何其他涂覆的部件。摄影箱100包括适于容纳特定涡轮机部件120的旋转台130。在所示的实施方式中，多个壁180部分地包围涡轮机部件120。多个光学相机140围绕至少一个壁180的内部上的涡轮机部件120定位并且配置成由控制器190自动控制。控制器190可以是通用计算机或通用计算机的模块。
图3示出了配置成承载燃烧室筒的旋转台130的立体图。在所示的实施方式中，旋转台130包括适于容纳特定的涡轮机部件、比如燃烧室过渡部的机加工槽135，涡轮机部件120被承载在旋转台130上。在涡轮机部件坐置到机加工槽中的情况下，旋转台130将燃烧室过渡部牢固地保持在位置中。出于成像的目的，旋转台130允许围绕竖向轴线170的旋转运动，如图2中所示。旋转台130由电动机提供动力，电动机由控制器190控制。旋转台130的竖向位置可以由机动线性台150控制，如图2中所示，机动线性台150也由控制器190控制。
摄影箱100包括基本上垂直于并抵接承载旋转台130的平台210的至少一个壁180，使得涡轮机部件120被至少一个壁180部分地包围。至少一个壁180包括漫射光，以消除可能出现在图像中的眩光。在实施方式中，至少一个壁180中的一者可以包括通向部分封闭的摄影箱100的门160，用于较容易地接近涡轮机部件120。
在实施方式中，摄影箱100包括轮200，在图2所示的实施方式中的每个拐角处的至少一个轮200附接至摄影箱100的底部以便移动，使得可以将摄影箱100从一个检查区域容易地移动至另一个检查区域。
参照回图2中所示的所示实施方式，多个相机140围绕涡轮机部件120定位。例如，围绕涡轮机部件的相机的数量可以在2至8的范围内。在所示实施方式中，四个相机140定位在沿着竖向梁的竖向位置处，并且每个相机140都包括涡轮机部件120的至少一部分的视野。然而，相机140可以是能够围绕特定涡轮机部件定位在其他构造中的，从而可以在图像中捕获部件的期望视图。为了将相机定位在期望位置中，可以使用机动线性台150。图2中还示出了向下定位以包括涡轮机部件120的俯视图的相机140。为了将该面朝下的相机140定位在包括涡轮机部件120上方的期望视野的位置中，摆动梁110承载相机。摆动梁110可以附接至竖向梁，使得摆动梁110可以相对于竖向梁旋转。在实施方式中，控制器190可以使摆动梁110自动定位，使得相机具有期望的视野。
另外，相机140可以附接至机动线性台150，机动线性台150配置成将相机140竖向移动到中空涡轮机部件120的内部中，以捕获中空涡轮机部件120的内部的图像。线性台150包括附接部分，相机140可以附接至该附接部分。附接的相机140可以是360度可见光相机，从而可能能够获得中空涡轮机部件120的内部的360度视图。在替代性实施方式中，相机140可以是用于热成像的红外相机。
在实施方式中，至少一个壁180包括可以用于在三维空间中记录涡轮机部件120的位置的二维校准目标160，使得控制器190可以创建部件120的三维模型。二维校准目标160的形状对应于部件120的形状。在实施方式中，校准目标160布置在与多个相机140相对的摄影箱100的门220上，使得部件120可以相对于校准目标160成像。控制器190使用相对于校准目标160拍摄的部件120的这些校准图像来将所捕获的部件120的图像缝合到部件的3D模型上。缝合的数据图像将用于分析部件120。
多个相机140可包括可见光相机、红外相机或者可见光相机和红外相机的组合。多个可见光相机可包括高分辨率相机。红外相机可以是闪光热成像系统的一部分。在实施方式中，可以围绕部件布置5个或6个相机，以捕获部件120的可见图像和热成像图像两者。多个相机140各自都捕获涡轮机部件120的期望视图的至少一个图像。控制器190汇编所捕获的图像并将图像缝合到涡轮机部件120的三维模型上。
参照图4，示出了根据实施方式的用于使涡轮机部件120成像的闪光热成像装置250。装置250包括用于检测电磁波谱的红外区域中的热能的红外传感器部分251。在实施方式中，IR(红外)传感器251是具有透镜252的IR相机，但是可以理解的是，可以使用其他类型的IR传感器。装置250配置成捕获涡轮机部件120的IR图像。
装置40还包括具有使透镜252暴露以使得能够通过IR传感器251检测热能的壳体孔254的闪光壳体253。闪光源255围绕壳体孔254的周缘定位。在实施方式中，闪光源255具有包括与壳体孔254和透镜252对准的闪光孔256的环形形状。闪光源255可以配置为闪光管，但是可以理解的是，可以使用其他类型的闪光源。闪光壳体253还可以包括基本上圆锥形的反射器257。装置250还包括通过电连接260连接在计算机259与闪光源255之间的闪光电源258。闪光源255由闪光电源258供电，因此，使得闪光源255发射使部件、比如涡轮机部件120加热的光脉冲。由部件辐射的热能的一部分行进穿过壳体孔254和闪光孔256并被IR传感器251检测到。IR传感器251基于由部件辐射的热能来产生部件的IR图像。IR传感器251还可以配置成获得在除了电磁波谱的红外区域之外或者代替电磁波谱的红外区域的其他频率处的图像数据。IR传感器251通过电连接261或无线连接通信地联接至计算机259。
所提供的用于涡轮机部件的自动状态评估的系统包括先前描述的包括控制器190和多个相机140的前述摄影箱100。控制器190通信地联接至相机140、机动旋转台130以及机动线性台150。控制器190可以是包括用于控制相机140的定位的软件和驱动器以及控制旋转台130和线性台150的电动机的计算机或计算机的模块。对于每个单独测试的部件或每种类型的部件，例如燃烧室筒，可以将相机140的定位预编程到计算机中。相机中的至少一者是配置成执行闪光热成像的红外相机。
如图5中所示，计算机259可以包括中央处理器280、存储器282和输入/输出接口284。计算机通常通过I/O接口284联接至用于可视化的显示器281以及使用户能够与计算机259进行交互的各种输入装置283、比如键盘。例如，通过识别待检查部件的类型，用户可以从I/O接口284将部件120加载到计算机259中。控制器190可以使用所识别的部件类型根据存储在存储器282中的预编程位置使相机140自动定位，以捕获期望的图像。
参照图1至图5，还提供了一种用于涡轮机部件120的自动检查的非破坏性方法。提供并配置了多个光学相机140，以捕获涡轮机部件120的期望图像。如上所述，多个相机140可以策略性地围绕涡轮机部件120定位在固定点处或可移动机动线性台上，从而可以通过产生二维图像的相机140来捕获部件120的期望视图。
随后，用户可以将涡轮机部件120定位到机动可旋转台130上。机动可旋转台130与控制器190通信，控制器190可以控制旋转台130围绕竖向轴线170定位至期望位置，从而也可以控制部件围绕竖向轴线170旋转至期望位置。用户可以使用计算机259上的I/O接口282将特定涡轮机部件120加载到计算机259中。
在捕获涡轮机部件120的二维图像之前，通过控制器190来创建部件120的三维模型。这是使用包括涡轮机部件120的二维轮廓的校准目标160来实现的。使用部件120的可见光相机140相对于校准目标160来捕获图像。控制器190使用这些图像来将所捕获的图像作为纹理缝合到三维模型上。
在实施方式中，计算机259使用存储在计算机259的存储器282中的预编程位置自动控制相机的定位。在替代性实施方式中，相机可以由用户手动定位。使用可以包括可见光相机和/或红外相机的多个相机140来捕获部件120的至少一个图像并将图像存储在计算机259中。计算机259使用由相机捕获的二维图像来将图像缝合到三维模型上，从而创建涡轮机部件120的虚拟和交互模型。
可以分析所获取的数据以评估涡轮机部件120的状态。评估涡轮机部件120的状态可以包括确定部件上的缺陷，比如分层。缺陷或不连续性将在热成像图像中显示为与正常表面或次表面状态不同的温度变化。而且，用户可以通过测量涡轮机部件120的基底上的热障涂层的厚度来评估涡轮机部件的状态。在实施方式中，用户可能能够在部件120的使用寿命期间以不同的检查间隔来跟踪部件120上的热障涂层的厚度。
上述系统和方法使传统上手动完成的过程自动化，从而减少了手动设置包括每个相机为了涡轮机部件的每个期望视野而可能需要占据的多个位置的测试环境的时间和成本。另外，使用对每个相机的预编程设置允许期望视图是可重复的，从而可以准确地比较在不同时间拍摄的图像。可以理解的是，在单独的部件上采集的数据可以被存储和引用，以供将来使用，例如，用于对部件的统计分析。控制器可以使用统计数据来跟踪部件随时间的健康状况。
虽然已经以示例性的形式公开了本公开的实施方式，但是对于本领域中的技术人员将变得显而易见的是，在不背离如以下权利要求中所阐述的本发明及本发明的等同物的精神和范围的情况下，能够在本公开的实施方式中进行许多修改、添加和删除。

Claims (15)

1.一种用于涡轮机部件120的自动状态评估的系统，所述系统包括：
部分封闭的摄影箱100，所述摄影箱100包括：
能够进行配置的旋转台130，所述旋转台130适于承载所述涡轮机部件120；
至少一个壁180，所述至少一个壁180基本上垂直于并抵接水平平台210，所述旋转台130被承载在所述水平平台210上；
多个相机140，所述多个相机140配置成自动定位在围绕所述涡轮机部件120的位置处并捕获所述涡轮机部件120的多个图像；以及
控制器190，所述控制器190与所述多个相机140中的每一者通信以分别控制每个相机140的定位，以捕获所述涡轮机部件120的期望视图的图像，
其中，所述多个相机140中的至少一者是配置成执行捕获所述涡轮机部件120的一部分的热成像图像的闪光热成像的红外相机，
其中，使用所述热成像图像来评估所述涡轮机部件120的状态。
2.如权利要求1所述的系统，还包括线性台150，所述线性台150配置成使所述旋转台130竖向定位。
3.如权利要求2中所述的系统，
其中，所述线性台150包括附接部分，所述相机140附接至所述附接部分；并且
其中，所述线性台150使所述相机140能够定位在中空涡轮机部件120的内部中，以捕获所述中空涡轮机部件120的所述内部的图像。
4.如权利要求1中所述的系统，还包括校准目标160，其中，所述校准目标160包括能够拍摄的目标；并且
其中，所述相机140在捕获所述涡轮机部件120的图像之前捕获所述校准目标160的图像，以创建所述涡轮机部件的三维模型。
5.如权利要求4中所述的系统，其中，所述控制器190汇编由所述多个相机140拍摄的所述多个图像，并将所述图像缝合到所述涡轮机部件120的所述三维模型上。
6.如权利要求5中所述的系统，其中，使用缝合到所述三维模型上的所述图像来视觉上评估所述涡轮机部件的状态。
7.如权利要求1中所述的系统，其中，所述红外相机和闪光管255集成到单个封装中，使得所述视图穿过所述闪光管255的中央。
8.如权利要求1中所述的系统，其中，所述多个相机140中的至少一者是可见光相机。
9.如权利要求1中所述的系统，其中，所述涡轮机部件120选自包括涡轮机动叶片或静叶片、过渡部和燃烧室筒的组。
10.如权利要求1中所述的系统，
其中，所述控制器190包括使用户能够指示待检查的特定涡轮机部件120的I/O接口284；并且
其中，所述控制器190根据按照待检查的所述涡轮机部件120分配的预编程位置来使所述多个相机140定位。
11.如权利要求1中所述的系统，其中，所述涡轮机部件120包括热障涂层和/或结合涂层。
12.一种用于涡轮机部件的自动状态评估的非破坏性方法，所述方法包括：
提供多个光学相机140，所述多个光学相机140中的每一者都具有所述涡轮机部件120的视野，其中，所述光学相机140中的至少一者是配置成执行闪光热成像的红外相机；
通过控制器由所获得的所述涡轮机部件的图像来相对于能够拍摄的校准目标创建定位在摄影箱中的所述涡轮机部件的三维模型；
通过所述控制器190来使所述多个相机140围绕所述摄影箱100中的所述涡轮机部件120自动定位，以捕获所述涡轮机部件120的期望视图的至少一个图像；
由所述多个相机捕获所述部件的多个图像；
通过所述控制器将所述多个图像缝合到所述涡轮机部件的所述三维模型上；
分析所述缝合图像上的所述涡轮机部件的特征。
13.如权利要求11中所述的方法，还包括通过所述控制器190来使所述涡轮机部件120自动定位，这是通过控制机动旋转台130来实现的，所述涡轮机部件120被承载在所述机动旋转台130上。
14.如权利要求11中所述的方法，其中，所述多个相机140的所述自动定位包括通过控制线性台150来控制进入中空涡轮机部件的内部中的360度相机的定位，所述相机140被承载在所述线性台150上。
15.如权利要求12中所述的方法，还包括获得通过闪光加热所述涡轮机部件120的表面并由红外相机捕获从所述涡轮机部件120发射的红外辐射而产生的涡轮机部件120的热成像图像，其中，所述分析包括观察横跨所述热成像图像上的所述部件的所述表面的不同温度变化，以确定何时所述涡轮机部件包括缺陷。
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