CN110603337A - 涡轮机械的表面处理 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及处理一个或多个叶片结构的表面。根据本公开的表面处理工具可以包括：被配置用于与叶片结构的目标表面基本上垂直地对准的激光发射器，叶片结构安装在转子上；和控制器，该控制器可通信地联接到激光发射器，其中，控制器调节激光发射器的能量输出和脉冲时间以使来自叶片结构的目标表面的污染物升华。

Description

涡轮机械的表面处理
背景技术
本公开整体涉及涡轮机械的处理，更具体地讲，涉及用激光发射器处理涡轮机结构(例如，可旋转叶片)的表面机加工工具和方法。
部件的后部署处理，例如修复、机加工、结构修改等(在本文中统称为“处理”或“多个处理”)，可以改善较大涡轮机组件的生命周期和质量，而不需要制造新的完整组件和/或其单独组件。涡轮机的若干部件(例如，适于在其中接纳叶片的可旋转轮)可以在制造和/或操作期间通过直接机械接触来接合其他部件。部件之间的摩擦接触可以有助于在两个或更多个部件(例如，涡轮机组件的轴向相邻的转子安装轮、转子安装压缩机或涡轮叶片等)之间保持期望的机械关系。
在气体涡轮机组件的维护期间，服务商可能希望从其各种部件中去除一种或多种污染物。在用于处理部件的常规处理过程中，涡轮机服务商可以从涡轮机去除一种或多种目标组分以施加一种或多种表面处理，例如砂磨、光整、湿式喷砂、洗涤剂洗涤、干冰喷砂、基于接触的机加工/共混，和/或其他过程。这些技术通常需要一种或多种处理材料以接触部件的暴露表面，例如，以去除污染物或其他不需要的材料。以此方式处理部件还可以产生对部件结构的次级改变。尽管对表面处理机械进行了进一步的调整，但对部件的一些结构改变可能是意料不到的，或难以避免的。例如，涡轮机的基于接触的表面处理可能在部件的表面上形成重铸层，例如，表现出粗糙度增加或材料强度减小的层。在一些情况下，部件与一些处理材料之间的不正确接触可能导致随时间推移而对部件的腐蚀。即使在这些效果可忽略不计的情况下，基于接触的表面处理通常也需要额外的时间和成本，该额外的时间和成本来自在处理之前从涡轮机组件中去除目标组分，以及在处理后重新安装该组分和/或其他组分。
发明内容
本公开的第一方面提供了一种表面处理工具，其包括：激光发射器，该激光发射器被配置用于与叶片结构的目标表面基本上垂直地对准，叶片结构安装在转子上；和控制器，该控制器可通信地联接到激光发射器，其中，控制器调节激光发射器的能量输出和脉冲时间以使来自叶片结构的目标表面的污染物升华。
本公开的第二方面提供了一种表面处理方法，其包括：围绕转子旋转叶片结构，叶片结构具有其上具有污染物的目标表面；使激光发射器与目标表面基本上垂直地对准，激光发射器具有可调节的脉冲时间和可调节的功率输出；以及在叶片结构围绕转子旋转期间脉冲该激光发射器，以使来自叶片结构的目标表面的污染物升华。
本公开的第三方面提供了一种表面处理系统，其包括：转子，该转子具有安装在其上的多个叶片结构；激光发射器，该激光发射器被配置用于与多个叶片结构中的每一个的目标表面基本上垂直地对准，激光发射器具有可调节的脉冲时间和可调节的功率输出；和控制器，该控制器可通信地联接到转子和激光发射器，控制器被配置为执行动作，动作包括：使用转子旋转多个叶片结构，以及在多个叶片结构的旋转期间脉冲该激光发射器，以使来自多个叶片结构中的每一个的目标表面的污染物升华。
附图说明
通过结合描绘本发明的各种实施方案的附图的对本发明的各个方面的以下详细描述，将更容易理解本发明的这些和其他特征，其中：
图1为常规涡轮机系统的透视图。
图2提供了根据本公开的实施方案的表面处理工具和转子安装叶片的局部横截面侧视图。
图3提供了根据本公开的实施方案的表面处理工具和叶片轮廓的局部横截面平面图。
图4提供了根据本公开的实施方案的定位在转子安装叶片之间的表面处理工具的局部横截面侧视图。
图5提供了根据本公开的实施方案的用于表面处理工具的控制器的示意图。
需注意，本发明的附图未必按比例绘制。附图旨在仅描绘本发明的典型方面，并且因此不应当被视为限制本发明的范围。在附图中，类似的编号表示附图之间的类似的元件。
具体实施方式
在以下描述中，参考形成其一部分的附图，并且其中，通过图示的方式示出了可以实践本教导的具体示例性实施方案。足够详细地描述了这些实施方案以使得本领域技术人员能够实践本教导，并且应当理解，可以利用其他实施方案并且可以在不脱离本教导的范围的情况下进行改变。因此，以下描述仅是示例性的。
在元件或层被称为“开启”、“接合”、“脱离”、“连接到”或“联接到”另一个元件或层的情况下，它可直接位于其上、接合到、连接到或联接到其他元件或层，或者可存在居间元件或层。相比之下，当元件被称为“直接位于其上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接联接到”另一个元件或层时，可不存在居间元件或层。用于描述元件之间关系的其他词语应以类似的方式解释(例如，“在......之间”与“直接在......之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。
图1示出了一种常规涡轮机100，其包括压缩机部分102，压缩机部分通过共同的压缩机/涡轮转子(之后简称“转子”)106操作地联接到涡轮部分104。如本文所用，术语“轴向”和/或“轴向地”是指物体沿轴线AR的相对位置/方向，该轴线AR基本上平行于涡轮机(特别是转子部分)的旋转轴线。另外，术语“周向”和/或“周向地”是指物体沿一圆周的相对位置/方向，该圆周围绕特定轴线但在任何位置都不与该同一轴线相交。
压缩机部分102可以通过燃烧器组件108以流体方式连接到涡轮部分104。燃烧器组件108包括一个或多个燃烧器110。燃烧器110可以以多种构型安装到涡轮机100，包括但不限于按罐状环形阵列布置。压缩机部分102包括多个压缩机转子轮112。转子轮112包括例如具有多个第一级压缩机转子叶片116的第一级压缩机转子轮114(之后简称“轮”)，每个第一级压缩机转子叶片均具有相关联的翼型部分118。相似地，涡轮部分104包括多个涡轮转子轮120，其包括具有多个第一级涡轮转子叶片124的第一级涡轮轮122。本公开的各种实施方案可以通过使用如本文所讨论的表面处理工具、方法、系统等来对一个或多个叶片116、124施加表面处理。然而，应当理解，涡轮机100的其他部件和/或其他涡轮机系统内的类似部件也可用本文所讨论的一个或多个表面处理工具机加工，或以其他方式接受本文所述方法的实施方案。
转到图2，除了根据本公开的实施方案被配置用于与涡轮机100一起使用的表面处理工具200之外，还示出了在压缩机转子叶片116上游的压缩机入口130。表面处理工具200在图2中在平面X-Z中示出，以更好地例示出本文所述的各种元件的相对轴向位置和径向位置。虽然本文相对于压缩机转子叶片(之后简称“叶片”或“叶片结构”)116示出和描述了表面处理工具200，但应当理解，表面处理工具200也可与涡轮机100的其他部件一起使用，例如安装在转子106上的涡轮转子叶片124(图1)。在进一步的示例中，表面处理工具200可以实现为从涡轮机100的非叶片部件(例如，转子106、轮114等的凸缘、配对表面等)移除材料，而与涡轮机100是否保持组装或拆卸无关。表面处理工具200及其元件可适于放置在例如叶片116上游的压缩机入口130内，其可通过轮114保持安装在转子106上。每个叶片116以举例的方式示出为安装在如本文其他地方所述的相应轮114上，但应当理解，用于相对于转子106安装叶片116的附加或替代部件、布置等也是可能的。叶片116可适于例如通过轮114围绕转子106例如沿基准线T对应地旋转而围绕旋转轴线AR旋转。
表面处理工具200可以被配置为从叶片116的暴露表面移除一种或多种污染物，并且如本文所述不会从转子106中拆卸轮114和/或叶片116。表面处理工具200可以包括激光组件202，例如用于供应和/或传输电力以操作表面处理工具200的各种部件。还应当理解，激光组件202还可包括和/或操作地连接到各种其他部件，以使得能够，例如，以根据本公开的方法操作表面处理工具200。激光组件202可以包括或以其他方式连接至激光发射器204，该激光发射器被配置用于与轮114上的叶片116的目标表面ST基本上对准。本公开中使用的术语“基本上对准”、“基本上对准的”及其等同物是指激光发射器通过其能够将一个或多个激光束传输到叶片116的目标表面ST上的任何对准，而与叶片116和激光发射器204的角取向的差异无关。相反地，当激光发射器204不能将至少一个激光传输到叶片116的目标表面ST上时，对准将不是“基本上”的。在一个实施方案中，激光发射器204可以与叶片116的目标表面ST的平面性基本上垂直地对准，例如，以将激光束发射到目标表面ST的至少一部分上并移除本文所述的各种材料。
激光组件202和激光发射器204可以配置为对叶片116的暴露表面施加表面处理，例如，移除材料。因此，与用于不同目的的激光组件(例如，激光传感器、照明激光器、激光扫描仪等)相比，激光组件202可以具有更高的功率消耗和功率输出。此外，激光组件202可以通过被实施为用于交替发射激光束并且在预定间隔内不发射激光束的“脉冲激光器”而与其他激光组件相区分。如本文所讨论的可通信地连接至激光组件202的各种部件可以改变脉冲时间和功率输出，以允许激光组件202从叶片116的目标表面ST移除各种材料而不影响每个叶片116的底层材料组分。根据一个示例，激光组件202可以包括功率源，该功率源被配置为在例如最多至约200毫焦耳(mJ)的光功率输出(之后简称“功率输出”)下通过激光发射器204产生激光脉冲。在脉冲激光器的背景下，激光器的功率输出通常是指通过发射的激光束赋予的能量的平均量，包括非发射的时间段。激光组件202还可以被配置为以变化的间隔发射激光，并且在一个示例中，其可以被配置为以最多至约100纳秒(ns)的脉冲时间脉冲来自发射器204的激光束。
激光组件202还可以包括位置编码器206。位置编码器206可以检测例如轴106、轮114和/或叶片116相对于激光组件202的旋转位置。在一个实施方案中，位置编码器206可以安装在激光组件202上，但在另选的实施方案中可以与激光器组件202的其余部分结构性地成一体。位置编码器206可以为任何类型的工具或独立成套的测量系统，例如角编码器，其能够通过参考特定的点或轴线(例如，在对象上或相对于相同环境中的参考点)来导出对象的位置。位置编码器206可基于光学、磁性、电容和/或基于图像的系统来操作以用于确定目标对象(例如，轮114和转子106上的叶片结构116)的角度位置。激光组件202的一些实施方案可以通过参考由各种传感器在给定时间段上记录的测量来模拟位置编码器206的功能，例如，来以分析方式接近叶片116相对于预定速度或速度分布的位置。
表面处理工具200可以包括可通信地联接到激光组件202的激光发射器204的控制器210，以调节传输到叶片116的目标表面ST的激光束的能量输出和/或脉冲时间。具体地，控制器210可以调节激光发射器204的能量输出和脉冲时间，例如使得从激光发射器204发射的激光束可以使驻留在叶片116的目标表面ST上的一种或多种污染物220升华。升华一般是指一种物理变化，通过该物理变化物质在不首先转变为液相的情况下从固相转变成气相。污染物220的升华可以例如通过将光能从脉冲激光器传输到叶片116上的污染物220来提供。光能向污染物220的这种传输可以导致固体残余物温度的快速变化，从而引起热冲击，即，通过引起污染物220的底层组分分解而升华。因此，要从叶片116移除的污染物220可以包括来自吸入空气的残余物和/或以不同厚度沉积在叶片116上的其他材料，例如厚度约0.0025厘米(cm)的具有更大厚度的材料和/或具有减缩厚度的材料。
如本文所指出的，要从叶片116移除的污染物220可以采取多种形式。叶片116上的污染物220可以包括例如锈垢、氧化物、尘垢、凝结油，和/或目标要从叶片116中移除的其他物质。为了提供足够的能量以使来自叶片116的污染物220升华，但提供足够低的能量以保持叶片116的组分，激光发射器204可以被配置为产生可调节的激光脉冲时间和/或能量输出。在一个示例中，控制器210可将来自激光组件202的功率输出和脉冲时间设置为小于其最大值。例如，控制器210可将来自激光发射器204的平均功率输出设置为例如最高至约100mJ。在另一个示例中，控制器210可以类似地将来自激光发射器202的最大脉冲时间(例如，一个脉冲的开始和下一脉冲的开始之间的时间)设置为最高至约50ns。在任何情况下，控制器210可以修改来自激光发射器204的激光束的功率输出、脉冲时间和/或其他特征，以适应各种设置或应用(例如，不同形式的叶片116和/或污染物220)。控制器210可以选择来自激光发射器204的脉冲时间和/或功率输出，以使得污染物220从叶片116升华而不影响叶片116的结构组分。具体地，控制器210可以调节激光发射器204以避免在移除污染物220之后在叶片116上形成重铸层。
一起参考图2和图3，表面处理工具200可以被配置为从叶片116的特定目标表面ST移除污染物220。叶片116的轮廓在图3中的平面X-Y中示出，以更好地例示出示例性实施方案中激光组件200相对于叶片116的位置。叶片116围绕旋转轴线AR旋转的示例性路径在图3中以虚线示出。如图所示，叶片116可以包括定位在涡轮机100的可操作流体与叶片116之间的初始接触点处的前缘LE。相比而言，后缘TE可以与前缘LE相对定位在叶片116上。此外，叶片116可以包括通过横线B区分的压力侧表面PS和/或吸力侧表面SS，该横线B基本上对分前边缘LE并延伸至后缘TE的顶点。压力侧表面PS和吸力侧表面SS可以基于在操作期间流过叶片116的流体在相对于叶片116抵靠相应表面施加正的还是负的所得压力而彼此区分。在图3的示例性实施方案中，压力侧表面PS可以具有基本上凹陷的表面轮廓，而吸力侧表面SS可以具有基本上凸形的表面轮廓。如图所示，目标表面ST可以包括叶片116的前缘LE的全部或一部分，例如，以移除通过流过入口130的流体沉积在叶片116上的污染物220。
一起参考图2和图4，表面处理工具200可以包括用于处理多个叶片116和/或涡轮机100的其他部件的特征。如图所示，激光组件202可以安装在致动器组件230上，以用于将表面处理工具200的激光发射器204与各个叶片116和/或其部分基本上对准。致动器组件230可以适于使得表面处理工具200能够相对于涡轮机100移动到不同位置，而不用从转子106移除轮114和/或叶片116。在操作期间，表面处理工具200的操作者可以利用致动器组件230调节激光组件202的位置。致动器组件230能够适于选择性地将激光组件202保持在固定位置，例如，与叶片116的目标表面ST基本上对准。尽管激光发射器204以固定位置将激光束发射到叶片116上，但控制器210和/或表面处理工具200的操作者可以围绕转子106旋转轮114和叶片116。因此，表面处理工具200可以从安装在转子106上的多个叶片116移除污染物220，而同时保持在固定位置。在单个阶段中处理叶片116的目标表面ST之后，表面处理工具的操作者可以将激光组件202移动到另一个轴向位置(例如，通过调节致动器组件230)以在涡轮机100的另一个阶段中处理叶片116。因此，表面处理工具200能够操作为在压缩机入口130内的多个阶段处处理叶片116，而不用从涡轮机100移除轮114和/或叶片116。本文描述了致动器组件230的各种特征。
致动器组件230的致动器232(仅图2中可见)可以机械地联接到激光组件202，以允许相对于涡轮机100和/或叶片116对包括在表面处理工具200中的激光组件202、激光发射器204和/或其他工具进行位置调节。致动器232可被设置作为当被包括为结构部件的一部分时用于提供可调节长度尺寸和/或可调节位置的任何当前已知的或稍后开发的设备。例如，致动器232可以实施为例如线性致动器、压电致动器、气动致动器、伺服致动器、纳米致动器、液压致动器、马达驱动致动器和/或用于操纵一个元件相对于另一个元件的位置的任何其他当前已知的或后来开发的机构中的一种或多种。致动器232可以被构造成沿定位在入口130内的径向构件236移动。径向构件236可以被实施为，例如向内延伸穿过入口130的刚性元件，其中，激光组件202通过一个或多个轴承可滑动地连接到其上，以用于提供平移运动。径向构件236和致动器232之间的联接可以被设置作为，例如滚动轴承、蜗轮、齿条和小齿轮、滑动和配对接合、磁性或磁性/机械接合等。致动器232和/或径向构件236可以包括机械闩锁、止挡件，以及被配置为与激光组件202互连的类似结构，从而允许或禁止激光组件202沿基本上径向方向(例如，基本上沿箭头J的方向)移动。在其他实施方案中，径向构件236自身可采取非固定的或可调节长度的构件(例如，附加的致动器)的形式，其被配置为在入口130内延伸和回缩并因此操纵激光组件202的位置。应当理解，在适用的情况下，致动器232还可以包括一个或多个驱动系统(例如，电池和/或其他电源)，以用于将如本文所述的沿一个或多个方向的移动实例化。在这种情况下，操作者可以进一步控制激光组件202相对于叶片116的位置，其中，附加部件包括在致动器232内和/或可操作地连接到致动器232。例如，致动器232可以包括或以其他方式连接到机械马达、电动马达等，以用于产生机械功并将其传递到致动器232从而使激光组件202在入口130内移动，例如沿径向构件236移动。
在各种位置处，激光组件202可以，例如由于定位在致动器组件230的径向构件236上而与转子106分开径向分隔距离DR。致动器组件230可以允许激光组件202移动到具有对应径向分隔距离DR的不同位置。在操作期间，控制器210和/或表面处理工具200的操作者可以调节致动器232以改变激光组件202相对于转子106的位置，从而调节转子106和表面处理工具200之间的径向分隔距离DR的尺寸。激光组件202在径向构件236上的位置可以直接对应于径向分隔距离DR，例如通过径向构件236从转子106基本上向外取向。调整激光组件202在径向构件236上的位置也可以影响例如叶片116和激光组件202之间的轴向分隔距离DA。在其中目标表面ST与径向构件236具有不同的角度取向的实施方案中，调节致动器232还可以影响叶片116和激光组件202之间的轴向位移。因此，表面处理工具200的操作者可以通过将激光组件202移动到径向构件236的不同位置来使激光组件202移动到更靠近目标表面ST。因此，表面处理工具200及其组件可以选择性地移动，例如基本上径向地朝向或远离转子106。因此，表面处理工具200可以在其操作期间自由移动，例如手动地或借助于包括在致动器组件230内和/或在其外部的其他工具。例如，致动器232可以在其中包括致动系统(例如，通过电力、液压流体等进行操作)，以用于，例如沿径向构件236在入口130内移动激光组件202。因此，致动器232可以允许激光发射器204进入或脱离与目标表面ST上的各个位置基本上的对准，例如，以使在叶片116上的各个位置处的污染物220升华。
致动器组件230还可以被配置为相对于叶片116轴向地移动激光组件202和/或激光发射器204。致动器组件230可以包括，例如将径向构件236可滑动地联接到轴向构件242的辅助致动器240，该轴向构件基本上平行于转子106和旋转轴线AR延伸。辅助致动器240可以包括本文相对于致动器232所述的一个或多个示例性机械致动器，和/或可以包括用于相对于另一个部件机械致动一个部件的任何其他当前已知的或稍后开发的设备。辅助致动器240可以配置为相对于径向构件236轴向运动，例如基本上沿参考箭头K的方向，以将激光组件202与安装在轮114和转子106上的各个叶片116基本上对准。如本文别处所指出的，在一些实施方案中，径向构件236可以具有可调节的长度(例如，通过包括一个或多个嵌入式致动器和/或类似设备)。为了将表面处理工具200移动到入口130的各个阶段，操作者可以调节致动器组件230和/或径向构件236，以使激光组件202从叶片116径向向外移动。随后，辅助致动器240可以沿轴向构件242轴向移动激光组件202至叶片116的后续阶段。之后，控制器210或表面处理工具200的操作者可以朝转子106径向移动激光组件202并使其与叶片116的另一个目标表面ST基本上对准。如图2和图4中所示，激光组件202可以在致动器232、240调节激光组件202的位置以从其他叶片116移除污染物220之前，最初处理一个叶片116的位置，例如在入口130的上游部分中。致动器232、240一起可以允许表面处理工具200的操作者在原位从涡轮机100的叶片116移除污染物220，例如通过在连续位置处使来自旋转叶片116的污染物220升华，而不用从转子116上移除轮114和/或叶片116。
一起参考图2和图5，示出了控制器210的另外的子部件以例示出本公开的另外的实施方案。相对于图5示出和描述了用于控制表面处理工具200(包括激光组件202和致动器组件230)以使来自叶片116的污染物220升华的控制器210的各种部件。控制器210被示为包括用于提供表面处理系统306的计算设备302，其使得控制器210能够操作以引导和操作本文所述的表面处理工具200以及相关联的系统和工具，并且实现本文所述的任何/所有实施方案。在操作中，控制器210的计算设备302可以发出电命令，该电命令继而可响应于特定条件而转换成机械动作(例如，从激光发射器204发射激光，致动器232、240的移动等)。用于从激光发射器204发射激光束和/或调节致动器组件230的条件可以包括，例如利用位置编码器206测量的叶片116的旋转位置、经过的脉冲时间或脉冲间时间、污染物220已被至少部分地从叶片116移除的信号。
控制器210被示出为包括处理部件(PU)308(例如，一个或多个处理器)、输入/输出(I/O)部件310(例如，一个或多个I/O接口和/或设备)、存储器312(例如，存储分级结构)和通信路径314。此外，计算设备302被示出为与外部I/O设备316和存储系统318通信。一般来讲，处理部件308执行程序代码，例如至少部分地固定在存储器312中的表面处理系统306。在执行程序代码时，处理部件308可以处理数据，这可引起从/对存储器312和/或I/O部件310读取和/或写入变换的数据以用于进一步处理。路径314在控制器210中的每个部件之间提供通信链路。I/O部件310可以包括一个或多个人类I/O设备，其使得操作员(即，人类或机器)能够与控制器210和/或一个或多个通信设备进行交互，以使得此类操作员能够使用任何类型的通信链路与控制器210进行通信。因此，表面处理系统306可以管理使操作者能够与表面处理系统306进行交互的一组界面(例如，图形用户界面(GUI)，应用程序界面等)。另外，表面处理系统306可以使用任何解决方案来管理(例如，存储、检索、创建、操纵、组织、呈现等)数据，从涡轮机100、表面处理工具200接收的和/或与之有关的此类操作数据314(包括测量或记录的位置、脉冲时间、能量输出等)。
在任何情况下，控制器210可以包括一个或多个通用或专用计算制品(例如，计算设备)，其能够执行程序代码，例如安装在其上的表面处理系统306。如本文所用，应当理解，“程序代码”是指使得具有信息处理能力的计算设备直接或在以下任何组合之后执行特定功能的采用任何语言、代码或表示法的指令集合：(a)转换为另一种语言、代码或表示法；(b)以不同的材料形式复制；和/或(c)解压缩。因此，表面处理系统306可以被实施为系统软件和/或应用软件的任何组合。
表面处理系统306可以执行激光控制程序320，该程序继而可以包括被配置为执行不同动作的各种软件模块322。在这种情况下，模块322可以使得控制器210能够执行由表面处理系统306使用的一组任务，并且在一些情况下可以与表面处理系统306的其他部分单独地开发和/或分开实现。模块322还可以被配置为(例如，经由图形、文本和/或它们的组合)显示I/O设备316(例如，显示器)上的特定用户界面。当固定在包括PU 308的控制器210的存储器312中时，模块322表示实现功能性的部件的相当大部分。无论如何，应当理解，两个或更多个部件、模块和/或系统可以共享其相应硬件和/或软件的一些/全部。此外，应当理解，本文所讨论的一些功能可以不实现，或者可以包括附加功能作为控制器210的一部分。激光控制程序320的各种模块322可以使用基于算法的计算、查找表和存储在存储器312中的类似工具来处理、分析和操作数据以执行它们相应的功能。一般来讲，PU 308可执行计算机程序代码以运行软件，例如表面处理系统306，其可以存储在存储器312和/或存储系统318中。在执行计算机程序代码时，PU 308可从存储器312、存储系统318和/或I/O接口310读取和/或写入数据。
在操作期间，控制器210和/或涡轮机100与表面处理工具200的操作者可以实现根据本公开的方法来处理，例如位于涡轮机100的压缩机入口130内的叶片116的表面(例如，目标表面ST)。在一个实施方案中，根据本公开的方法可以包括围绕转子106(例如，沿基准线T)旋转轮114和叶片116，其上具有污染物220。控制器210和/或表面处理工具200的操作者可以将表面处理工具200的激光发射器204与叶片116的目标表面ST基本上对准，例如，以距离叶片116的选定轴向位移DA和距离轴106的径向位移DR。根据本公开的方法可以包括使用如本文所述的致动器组件230来调节位移DA、DR。然后，控制器210和/或表面处理工具200的操作者可以以预定脉冲时间(例如，如本文所讨论的最高至约50nm)在期望的功率输出(例如，最高至约100mJ)下脉冲激光发射器204从而使来自叶片116的污染物220升华。污染物220的升华可以例如通过主动调节来自激光发射器204的脉冲时间和能量输出并且轮114和叶片116在转子106上旋转来启用或改善。激光发射器204的功率输出和脉冲时间可以被预定以使来自叶片116的污染物220升华而不改变目标表面TS的底层材料组分，例如，以防止涡轮机100上的机械磨损和/或防止在叶片116的目标表面TS上形成重铸层。
根据另外的实施方案，控制器210的表面处理系统306可以允许表面处理工具200自动处理叶片116在入口130内的多个阶段。在一个示例中，当激光发射器204使来自多个叶片116的污染物220升华时，激光组件202可以保持在固定位置。在一个位置中的各个叶片116可以围绕转子106旋转而同时激光组件202保持静止，并且位置编码器206自动计算、确定(诸如此类)在固定位置处由激光组件202处理的叶片的数量。一旦已处理了预定数量的叶片，则激光组件202的操作就可暂时停止。在激光组件202用激光发射器204处理预定数量的叶片116之后，表面处理系统306还可以指示致动器组件230从叶片的当前阶段径向移出激光组件202。然后，表面处理系统306可以例如通过操纵轴向构件236和径向构件242，将激光组件202轴向地和/或径向地移动到入口130的另一个阶段中，如本文其他地方所述。然后表面处理306可以指示激光组件202恢复对叶片116的处理，例如通过使激光发射器204以预定的功率输出和/或脉冲时间发射激光束，从而使来自其他叶片116的污染物220升华。应当理解，在另外的或另选的实施方案中，表面处理系统306可以使激光组件202在共享空间中移动成与其他涡轮机100、转子106等的叶片116基本上对准，以在较短时间跨度内对多个发电系统施加表面处理。
当控制器210包括多个计算设备时，每个计算设备302可以仅具有固定在其上的表面处理系统306或激光控制程序320的一部分(例如，一个或多个模块322)。然而，应当理解，控制器210和表面处理系统306仅代表可执行本文所述方法的各种可能的等效计算机系统。因此，在其他实施方案中，由控制器210和表面处理系统306提供的功能可以至少部分地由包括具有或不具有程序代码的通用硬件和/或专用硬件的任何组合的一个或多个计算设备302来实现。在每个实施方案中，硬件和程序代码(如果包括的话)可以分别使用标准工程化和编程技术来创建。
无论如何，当控制器210包括多个计算设备302时，计算设备302可以通过任何类型的通信链路进行通信。此外，在执行本文所述的过程时，控制器210可以使用任何类型的通信链路与一个或多个其他计算机系统进行通信。在任一种情况下，通信链路可以包括各种类型的有线和/或无线链路的任何组合；包括一种或多种类型的网络的任何组合；和/或使用各种类型的传输技术和协议的任何组合。
应当理解，本发明的方面进一步提供了各种另选的实施方案。例如，在一个实施方案中，本公开提供了控制器210，其用于自动调节来自激光组件202的脉冲激光以使来自叶片116的污染物220升华、对用表面处理工具200处理的叶片116的数量进行计数(例如，利用位置编码器206)，和/或利用致动器组件230自动调节表面处理工具200的位置以移除另外的污染物220或处理其他叶片116。另外的实施方案可以包括，例如，(例如，通过技术人员)手动地或通过操作地连接到其上的一个或多个计算机系统的干预来操作表面处理工具200和/或控制器210。应当理解，控制器210可适于在除涡轮机100的维护之外的其他设定中用于技术目的，包括但不限于：检查、测试、一般操作等。
表面处理系统306和/或激光控制程序320可以采用固定在至少一个计算机可读介质中的计算机程序的形式，该计算机程序在被执行时使控制器210能够操作表面处理工具200和/或包括在其中或连接到其上的任何部件(例如，激光组件202和/或致动器组件230)。因此，计算机可读介质包括实现本文所述的过程和/或实施方案中的一些或全部的程序代码。应当理解，术语“计算机可读介质”包括现在已知或以后开发的任何类型的有形表达介质的中的一种或多种，通过其可由计算设备感知、再现或以其他方式传送的程序代码的副本。例如，计算机可读介质可以包括：一个或多个便携式存储制品；计算设备的一个或多个存储器/存储部件；纸张；等等。
本公开的实施方案可以提供若干技术效果和商业优点，其中的一些通过举例的方式进行描述。表面处理工具200的各种实施方案可以允许涡轮机100的操作者和/或服务商快速且有效地移除各种类型的污染物，而无需拆卸例如在压缩机102的入口130内的轮114和/或叶片116(图1)。虽然常规的解决方案也能够从叶片116中移除污染物220，但此类解决方案需要可影响叶片116的材料组分的基于接触的机构和部件。具体地，对叶片116的基于接触的表面处理可能在叶片116上产生具有改变的材料特性(例如，材料强度或可用生命周期的降低)的重铸层。相比而言，表面处理工具200的实施方案可以在不物理接触叶片116的情况下移除污染物220，并且控制器210可以控制通过激光组件204发射的光的脉冲时间和功率输出，以基本上保持叶片116的材料组分。因此，表面处理工具200可以延长涡轮机100的叶片116的生命周期和/或在维护之后产生改善的操作特性。
本公开的装置和方法不限于任何一种特定的燃气涡轮、燃烧系统、内燃机、发电系统或其他系统，并且可以与其他发电系统和/或系统(例如，联合循环、简单循环、核反应堆等)一起使用。另外，本发明的装置可以与本文未描述的其他系统一起使用，这些系统可以受益于本文所述的装置的操作范围、效率、耐久性、以及可靠性的增加。
本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的并且不旨在限制本公开。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确说明。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或者添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则此类其他示例旨在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种表面处理工具，包括：
激光发射器，所述激光发射器被配置用于与叶片结构的目标表面基本上垂直地对准，所述叶片结构安装在转子上；和
控制器，所述控制器可通信地联接到所述激光发射器，其中，所述控制器调节所述激光发射器的能量输出和脉冲时间以使来自所述叶片结构的所述目标表面的污染物升华。
2.根据权利要求1所述的表面处理工具，其中，来自所述激光发射器的最大能量输出为约100毫焦耳(mJ)。
3.根据权利要求1所述的表面处理工具，其中，所述激光发射器的最大脉冲时间为约50纳秒(ns)。
4.根据权利要求1所述的表面处理工具，其中，所述控制器被进一步配置为调节所述激光发射器的所述能量输出和所述脉冲时间以使所述污染物升华而不改变所述叶片结构的所述目标表面的材料组分。
5.根据权利要求1所述的表面处理工具，其中，所述叶片结构包括压缩机叶片，并且其中，所述目标表面包括所述压缩机叶片的前缘表面、后缘表面、压力侧表面或吸力侧表面。
6.根据权利要求1所述的表面处理工具，其中，所述激光发射器安装在致动器组件上，并且其中，所述致动器组件被配置为：相对于所述转子径向地移动所述激光发射器，并且相对于所述叶片结构轴向地移动所述激光发射器。
7.根据权利要求1所述的表面处理工具，其中，所述污染物包括无机化合物或氧化物化合物中的一种。
8.一种表面处理方法，包括：
围绕转子旋转叶片结构，所述叶片结构具有其上具有污染物的目标表面；
使激光发射器与所述目标表面基本上垂直地对准，所述激光发射器具有可调节的脉冲时间和可调节的功率输出；以及
在所述叶片结构围绕所述转子旋转期间脉冲所述激光发射器，以使来自所述叶片结构的所述目标表面的所述污染物升华。
9.根据权利要求8所述的表面处理方法，其中，使所述激光发射器与所述目标表面基本上垂直地对准包括在脉冲所述激光发射器之前调节所述激光发射器和所述转子之间的径向位移。
10.根据权利要求8所述的表面处理方法，进一步包括在脉冲所述激光发射器之前调节所述激光发射器和所述叶片结构之间的轴向位移。
11.根据权利要求8所述的表面处理方法，其中，在所述脉冲期间，来自所述激光发射器的最大能量输出为约100毫焦耳(mJ)，并且所述激光发射器的最大脉冲时间为约50纳秒(ns)。
12.根据权利要求8所述的表面处理方法，其中，所述叶片结构包括压缩机叶片，并且其中，所述目标表面包括所述压缩机叶片的前缘表面。
13.根据权利要求8所述的表面处理方法，其中，所述污染物包括无机化合物或氧化物化合物中的一种。
14.一种表面处理系统，包括：
转子，所述转子具有安装在其上的多个叶片结构；
激光发射器，所述激光发射器被配置用于与所述多个叶片结构中的每一个的目标表面基本上垂直地对准，所述激光发射器具有可调节的脉冲时间和可调节的功率输出；和
控制器，所述控制器可通信地联接到所述转子和所述激光发射器，所述控制器被配置为执行动作，所述动作包括：
使用所述转子旋转所述多个叶片结构，以及
在所述多个叶片结构的旋转期间脉冲所述激光发射器，以使来自所述多个叶片结构中的每一个的所述目标表面的污染物升华。
15.根据权利要求14所述的表面处理系统，其中，来自所述激光发射器的最大能量输出为约100毫焦耳(mJ)，并且其中，所述激光发射器的最大脉冲时间为约50纳秒(ns)。
16.根据权利要求14所述的表面处理系统，其中，所述多个叶片结构中的每一个包括压缩机叶片，并且其中，每个压缩机叶片的所述目标表面包括其前缘表面。
17.根据权利要求16所述的表面处理系统，其中，所述激光发射器位于其中具有所述多个叶片结构的压缩机入口内。
18.根据权利要求14所述的表面处理系统，其中，所述污染物包括锈垢、尘垢、凝结油中的一种。
19.根据权利要求14所述的表面处理系统，其中，所述控制器被进一步配置为调节所述激光发射器的所述能量输出和所述脉冲时间以使所述污染物升华而不改变所述多个叶片结构中的每一个的所述目标表面的材料组分。
20.根据权利要求14所述的表面处理系统，其中，所述激光发射器安装在致动器组件上，并且其中，所述致动器组件被配置为：相对于所述转子径向地移动所述激光发射器，并且相对于所述多个叶片结构轴向地移动所述激光发射器。
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