CN1989420A - 用于监测涡轮发电机构件的多普勒雷达检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于监测涡轮发电机中的涡轮构件损坏的检测系统和方法。该检测系统包括产生电磁波的电磁波发生器；从第一涡轮构件发射所产生的电磁波的发射器；接收所发射的电磁波并反射所述电磁波的第二涡轮构件；接收所述反射电磁波的接收器；以及解释所接收的电磁波的处理器。

Description

用于监测涡轮发电机构件的多普勒雷达检测系统

发明领域

本发明大体上涉及基于多普勒雷达的检测系统，更具体而言，本发明涉及用于在涡轮发电机正常运转时监测涡轮发电机构件的多普勒雷达检测系统。

发明背景

众所周知，燃气涡轮发动机包括压缩机分段、燃烧室分段和涡轮分段。构成涡轮分段的许多构件，例如静叶片、旋转轮叶和周围的环形段，都直接暴露于可能超过1500℃并以接近音速的速度流动的高温燃烧气体中。轮叶和叶片呈圆周排列，其中每一排由大量轮叶和叶片组成。为了在这种极端和破坏性的工作环境中保护涡轮构件，涡轮构件通常涂覆有陶瓷隔热涂层材料、例如钇稳定的氧化锆(YSZ)。

然而，在正常的使用寿命期间内，隔热涂层容易破裂、剥层，或从下面的涡轮构件上剥落从而形成受损涡轮构件。而且，剥落的隔热涂层自身就构成了在气路中会损坏其它涡轮构件的有害异物。

在过去，涡轮构件的损坏检查需要部分地拆卸燃气涡轮发动机，并对每个构件进行目视检查。在原位置上的目视检查可以通过使用插入燃气涡轮发动机的导管镜而不用拆卸发动机进行，但是这个过程耗费劳力、耗时、成本高，并且需要燃气涡轮发动机停车。

由于，要求在燃气涡轮运转时进行涡轮构件损坏检查的强烈经济刺激，当前已经提出了在涡轮发动机运转时检查并定位涡轮构件上缺陷的各种在线和实时的方法以及装置，包括声学、光学和红外线手段。然而，这些方法和装置中的每一种都有明显的缺点。

因此，仍然存在着一种要求提供在线和/或实时探测涡轮构件损坏的方法和装置的需求。

发明概要

本发明提供了一种用于燃气涡轮发动机的检测系统。其中，检测系统有利地允许在涡轮发动机运转时实时(也就是延迟不到几秒)监测涡轮构件的损坏情况。

本发明的一个方面包含一种无损监测有涂层的金属涡轮构件的装置，包括产生电磁波的电磁波发生器，发射从第一涡轮构件中所产生的电磁波的发射器，接收发射电磁波并反射电磁波的第二涡轮构件，接收反射电磁波的接收器，解释所接收的电磁波的处理器。

本发明的另一个方面包括适合于确定隔热涂层损坏的涡轮轮叶或叶片，包括具有空气动力学形状的轮叶或叶片，其表面上有凹部(depression)；以及天线，该天线的几何形状适合于与凹部操作式地装配起来，并适合于与涡轮构件的空气动力学形状紧密匹配。

本发明的另一个方面提供了一种实时地监测涡轮发电机中的涡轮构件的损坏的方法，包括从第一构件中以电磁波的形式发射信号，第二构件接收从第一构件发射来的信号，将发射来的信号通过第二构件反射回到发射源，处理发射和反射的信号，从而确定涡轮构件是否损坏。

附图简介

本发明上述的和其它的概念将参考本发明的示例性优选实施例的附图进行描述。所述实施例对本发明进行了说明，但并不限制本发明。附图包括下面的图，在整个说明书和附图中，相同的标号表示相同的构件，其中：

图1是燃气涡轮的涡轮分段的透视图；

图2是本发明的检测系统的透视图；

图3是典型的多普勒雷达技术方案的原理图；

图4a是电磁波信号从轮叶上的发射器朝叶片发射的透视图；

图4b是与图4a类似的透视图，显示了信号从叶片反射回轮叶；

图5是典型的计算机显示屏，显示了从检测系统获得的已处理信息。

优选实施例的描述

这里所描述的监测装置使用了某些基本概念。例如，一个概念涉及基于多普勒的检测系统，其用于监测涡轮构件的损坏。另一个概念涉及适合于容纳一部分检测系统的轮叶。另一个概念涉及将与涡轮构件有关的多普勒信号信息处理成可用的计算机输出。

这里所公开的本发明是在燃气涡轮发动机内监测涡轮构件损坏的一种检测系统。然而，本发明的原理并不限于在燃气涡轮发动机中使用或限于监测涡轮构件的损坏。例如，检测系统可以用于在其它运转的监测环境中以检测物体的损坏，例如蒸汽轮机、气动热航空发动机、发电机、空气或气体压缩机、辅助发电站以及类似装置。也可以监测包括裂纹和破裂构件的其它类型的损坏。本领域的技术人员可以使用这里所公开的装置、过程、系统、构件、结构、方法和应用而用于另外的应用场合中。因此，本发明在典型燃气涡轮发动机中监测涡轮构件损坏的说明和描述仅仅是本发明的一种可能的应用。但是，本发明尤其适合于用作用于监测涡轮构件的损坏的检测系统。

为了有助于描述权利要求所述的本发明及其操作，现引入下面的柱面坐标系统。X-X轴定义了轴线方向，并沿转子中心线的方向而延伸。Y-Y轴定义了径向，并与轴线方向相切地径向延伸，同时向外穿过轮叶或叶片。Z-Z轴定义了切线方向，并在由X-X轴和Y-Y轴所创建的平面内延伸，同时限定了旋转。

                        构件

参见图1、图2、图4a和图4b，提供了用于监测涡轮构件损坏的典型多普勒雷达检测系统。检测系统10优选包括诸如雷达12的发射器，该发射器设置成可发射诸如微波18的电磁波。微波18由波导14携带，并通过天线16朝物体8发射出去。发射的微波18照射物体8，物体8将微波24反射给天线16接收。反射的微波24于是通过波导14返回雷达10的电路，并发送至处理器26。处理器26设置有逻辑部分，其用于确定由于在发射微波18和反射微波24之间的物体8的表面材料成分变化引起的频移或强度变化。处理器26还设置有逻辑部分，其用于将反射电磁波24的强度和频率与发射电磁波18的强度和频率关联起来。经过处理的信息于是可使用传统的计算机程序软件应用而输出至计算机屏幕。

参见图1和图2，发射器12用于产生合适频率、波长和强度的电磁波18来辐射物体8，物体8将电磁波18反射回发射器12。发射器12优选体现为雷达。在市场上可以从PRO NOVA公司买到合适的雷达，虽然那些本领域的技术人员很容易认识到，许多其它各种类型的雷达和发射器也可以用于实现本发明目的。图3显示了合适的雷达12的结构。雷达12可以持续地、随机地、间歇地、渐变地或其它方式来产生并发射电磁波18，但是优选使用持续发射的电磁波18来实现对涡轮构件的更稳固监测。

由雷达12产生的电磁波18优选为处于1GHz～100GHz(千兆赫兹)频率范围内而足以测量隔热涂层(TBC)损失的微波，该微波更优选地处于20GHz～50GHz范围内。然而，电磁波18不必是微波或处于1GHz～100GHz范围内，而可以在更高或更低的频谱范围内工作，例如在30THz～300THz(兆兆赫兹)的深红外线范围内和大约1500THz的紫外线区域内。

波导14用于将微波18从雷达12传送至天线16。波导14可以具有任意的截面形状，但是，优选使用矩形或圆柱形的截面，因为矩形的波导14提供了更大的带宽，而圆柱形的波导14更容易使用和安装。另外，从雷达10到天线16的转弯的长度、数量、微波18的频率以及其所采用的横截面，都会关联到波导14的损耗。因此，优选但非必要的是，在不有损于检测系统10性能的前提下减小波导14的长度。作为备选，波导14可以由一起形成连续波导14的多个相连的截面形状组成。在市场上可以从Microtech公司买到合适的波导14，例如零件号码为WR12、WR15、WR28和WR34的波导产品。

天线16发送发射的微波18，并能够接收反射的微波24。所述天线16在雷达14的相反端与波导14连接。天线16优选位于雷达10附近，从而减小波导14的长度并因此减少损耗。所述天线16是径向发送微波18的喇叭天线。然而，可以使用其它天线，例如使用定向天线将微波18引向特定物体8。天线16优选与支撑物体6(例如旋转轮叶6)连接，使得天线16的开口端几乎与轮叶6的翼面的外形齐平，从而降低了涡轮2的热力学损失。将天线16放置并定向安装在物体6的表面上，从而允许微波18朝向反射物体8(例如静叶片8)发射。

覆盖区域50由天线16的位置和方向以及微波18的频率和强度来形成。物体8上将微波18反射回天线16的部分应该位于覆盖区域50内。例如，如果静叶片8的外部分是反射物体，那么天线16优选安装在Y-Y轴上距离比离转子中心线(X-X轴)更远的地方，从而更好地定位发射的电磁波18在待监控叶片8部分上的覆盖区域。另外，将天线安装在轮叶6的前缘附近(例如0％翼弦～75％翼弦，优选5％翼弦～30％翼弦)，可以有利地允许电磁波18更直接地对准叶片8。在市场上可以从Millimetric公司买到合适的天线16。

参见图4a和图4b，天线16提供了用于传送发射微波18和接收反射微波24的导管。更详细而言，所发射的微波18从轮叶6上的天线16辐射出，并照射覆盖区域50内的叶片8上。叶片8将反射微波24反射回天线16，该天线接收反射微波24的至少一部分。反射微波24于是通过波导14传送至雷达10，并借助于遥测技术或其它合适方法通过波导而播送至处理元件26。

处理元件26将发射波18的波参数和反射波24的波参数进行比较。比较的参数包括：电磁波束(例如多个电磁波18)的强度、频率和口径。因此，举例来说，如果隔热涂层已经从叶片8上脱落，那么反射电磁波24的强度将增加。

举例来说，通过雷达朝着以大约430转/分钟的速度旋转的轮叶发射电磁波，来进行小规模的测试。轮叶于是将信号反射回安装在固定支架上的天线。反射电磁波的强度水平大约是那些从金属轮叶反射回的电磁波的强度的三分之一。本领域的技术人员很容易理解，轮叶材料、微波、发射轮叶和反射轮叶之间的距离、轮叶旋转速度以及类似参数的变化，都将明显地影响强度水平差异，其可以是适合于本发明目的的任何可辨别的强度水平，但强度水平差异优选在5％～95％的范围内，最优选在10％～50％的范围内，以便易于进行数据处理和计算。

                      装配方法

回头参见图1，检测系统10的构件可以安置或安装在涡轮发电机2的涡轮转子轴4内部，但是，其它的位置也合适安装，例如在允许旋转的静叶片8或环形段的固定构件上和/或在待监测的固定构件上。如果雷达12位于苛刻的环境内(例如转子轴4内部)，则优选使用保护性外壳、覆盖物或涂层保护雷达与侵蚀性涡轮流路隔开，这对于本领域的技术人员来说是容易理解的。

所示的波导14穿过涡轮叶片的冷却通道插入，并横过冷却通道从轮叶6或轮叶附件52的下面区域穿出。然而，波导14可以选择成许多其它的构造，以实现将雷达12与天线16相连的功能，这对于本领域的技术人员来说是容易理解的。所示的波导14继续穿过轮叶托架或轮叶盘54。波导14与雷达在涡轮2内的预定位置处连接，例如，在转子芯的轴端面处。

作为备选，与天线16的外部尺寸和外形紧密匹配的通道、凹槽或其它合适的凹部30可以在叶片6中形成，使得天线16可以安装在通道内，从而呈现叶片/天线组件的大致连续的空气动力学外形。在另一种备选方案中，可以修改天线16的外表面以便与叶片6的空气动力学外形紧密匹配。而且，毫无疑问，可以同时修改天线16和叶片6，从而与空气动力学外形紧密匹配。

天线30与轮叶6或叶片8操作式地相关联。例如，天线16可以安装在轮叶6或叶片8的上面、安装在轮叶6或叶片8的内部、或与轮叶6或叶片8接触。另外，天线16可以与轮叶6或叶片8直接连接，或经由互连件与轮叶6或叶片8间接连接。合适的直接连接包括但不仅限于粘接、螺钉连接、焊接、这些连接方式的组合，或类似连接。合适的间接连接包括但不仅限于连接层、绝缘层、缓冲器、这些连接方式的组合，或类似连接。然而，本领域的技术人员应当理解，可以使用其它方式来实现直接连接和间接连接，使得天线16与轮叶6或叶片8操作式地相关联。

天线16优选位于涡轮2内，在这里可以实现电磁波18到叶片8的良好传送。在所示的实施例中，天线16位于叶片8的外表面上，并朝向待监测的叶片8。然而，需要保证的唯一要求是，天线16有效地传送电磁波18并接收反射的电磁波24。

所示的雷达12优选位于涡轮轴28内，合适地靠近天线16，并受到保护而与流路的苛刻环境隔离开。由于从雷达12到天线16的物理距离会影响传输损耗，因此雷达12优选位于旋转轮叶6的X-X轴附近。

                       操作方法

操作时，如图所示，当检测系统10启动后，雷达12产生通过波导14传送的微波18。所传送的微波18经过波导14传送，并抵达安置在涡轮叶片6上的天线16。传送的微波18辐射叶片8，并被朝向天线16而反射。反射微波24的至少一部分被天线16接收，并通过波导14传送回来。反射微波24于是通过合适的方法、例如遥感技术或线缆，而传送给处理系统26，该处理系统将反射微波24的参数和传送微波18的相同参数进行比较。

同样可以这样来设置本发明，使得多个检测系统10的构件(例如天线16、波导14)与单个处理器26操作式地连接。例如，多个天线14可安装在单个轮叶6上，因此增加了一排叶片8的覆盖范围50。还可这样来设置本发明，使得多个检测系统10与单个处理器26连接。当然，也可使用检测系统10构件和处理器26的其它组合形式。

处理器有利地解释了反射微波24在较长时期内(例如在检测间隔之间)的强度。例如，叶片8的反射微波24的强度的增加指示出，隔热涂层已经从反射叶片8上脱离。因此，反射微波24强度的增加可以转化为监控信号，其输出到显示屏上，以显示诸如“在叶片#xxx上有损坏/无损坏”，其中参数#xxx是涡轮2中的特定一排叶片8上的静叶片8的编号。由于足够幅度的灵敏度和高于环境电子噪音的强度变化，因此，就可以从信号中推断出一定百分比的隔热涂层损失，并与特定的静叶片8相关联起来。处理器实时或非实时地解释和存储数据。本文中的”非实时”指的是大于实时的任何时间、时间间隔或周期。

所接收的雷达信号优选以适合于显示所处理信息的方式输出。例如，早期的雷达系统使用简单的振幅示波器(与距天线的距离相关的所接收信号的振幅、或强度显示器)。另一个合适的输出媒介是平面位置显示器(PPI)，其可以从显示屏顶部测得的角度可显示目标相对于雷达系统的方向，而离目标的距离就由离显示屏中心的距离表示。由于现代中央处理器的性能，图像输出60有利地允许数据实时显示。作为备选，数据可以单独地存储，并与合适的程序或数据库一起使用，并在稍后的时间里进行分析。最后，可以将该输出与其它输出相比较，用于确定所监测系统的趋势。

尽管还可以在涡轮轮叶旋转时，通过透镜的照准线或光导纤维检查装置使用各种声学、光学和红外线方法来检查涡轮的轮叶表面，但这样做对于静叶片8并不有利，因为静叶片8需要许多透镜来足够地覆盖整排静叶片8(例如一排可能是32到80个静叶片)。本发明对于检测静叶片8而言是特别有利的。

尽管这里显示和描述了本发明的优选实施例，但是显而易见的是，这些实施例仅仅是作为示例。对于本领域的技术人员来说，在不脱离本文所述的本发明的前提下，可以对本发明进行各种变更、修改和替换。另外，本发明的一个或多个实施例或示例的一个或多个方面或特征可以与本发明的一个或多个其它实施例或示例一起使用或组合起来。因此，本发明仅由所附权利要求的实质和范围来限定。

Claims (21)

1.一种用于无损监测带涂层的金属涡轮构件的装置，包括：

产生电磁波的电磁波发生器；

发射从第一涡轮构件中产生的电磁波的发射器；

接收所述发射电磁波并反射所述电磁波的第二涡轮构件；

接收所述反射电磁波的接收器；和

解释所述所接收的电磁波的处理器。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电磁波发生器是多普勒雷达，所述所产生的电磁波是微波。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射器和接收器是天线，并且是喇叭天线。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，多个天线位于所述涡轮构件的表面上，并且每一个天线适于发送和接收电磁波并传送信号给处理器。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述金属涡轮构件涂覆有陶瓷隔热涂层。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述金属涡轮构件是超合金轮叶或叶片。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射器和接收器体现为同一构件。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述所产生的电磁波的频率在1GHz和100GHz之间。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述所产生的电磁波的频率在20GHz和50GHz之间。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述雷达持续地、随机地、间歇地或渐变地产生并发射电磁波。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，波导包括多个分段，这些分段具有不同的截面几何形状，其互连起来而形成连续的波导。

12.一种适于监测隔热涂层损坏的涡轮轮叶或叶片，包括：

具有空气动力学形状的轮叶或叶片，在所述轮叶或叶片的表面上具有凹部；和

天线，所述天线具有适于与所述凹部操作式地相关联的几何形状，并且所述几何形状适于与所述涡轮构件的空气动力学形状紧密地匹配。

13.根据权利要求12所述的涡轮轮叶或叶片，其特征在于，所述涡轮轮叶或叶片涂覆有陶瓷隔热涂层。

14.根据权利要求12所述的涡轮轮叶或叶片，其特征在于，所述天线适于安装在所述轮叶或叶片之上。

15.根据权利要求12所述的涡轮轮叶或叶片，其特征在于，所述天线适于安装在所述轮叶或叶片之中。

16.根据权利要求12所述的涡轮轮叶或叶片，其特征在于，所述天线适于安装成与所述轮叶或叶片相接触。

17.根据权利要求12所述的涡轮轮叶或叶片，其特征在于，所述天线适于直接连接在所述轮叶或叶片上。

18.根据权利要求12所述的涡轮轮叶或叶片，其特征在于，所述天线和所述涡轮轮叶或叶片被集体修改，从而与所述空气动力学外形紧密匹配。

19.一种用于实时监测运转的涡轮发电机中的涡轮构件的损坏的方法，包括：

从第一构件中发射电磁波形式的信号；

通过第二构件接收从所述第一构件发射的信号；

使所述发射的信号反射离开所述第二构件而回到发射源；

处理所述发射的信号和反射的信号，以便确定所述涡轮构件是否损坏。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述第一构件是涡轮轮叶。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述第二构件是涡轮叶片。

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