DE102011051479A1

DE102011051479A1 - Multispektrales System und Verfahren zur Erzeugung multidimensionaler Temperaturdaten

Info

Publication number: DE102011051479A1
Application number: DE102011051479A
Authority: DE
Inventors: Hejie Li; Nirm Velumylum Nirmalan
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2012-03-29
Also published as: US20120002035A1; FR2962215B1; CN102313600A; JP2012013702A; FR2962215A1; JP5898866B2

Abstract

In einer Ausführungsform enthält ein System (10) ein Abbildungssystem (36), das konfiguriert ist, um ein Bild eines Gases (80) und einer durch das Gas (80) hindurch beobachtbaren Oberfläche aus einem Innenraum einer Turbine (18) zu empfangen, um das Bild in eine erste zweidimensionale Intensitätsabbildung von Wellenlängen, die eine Temperatur des Gases (80) kennzeichnen, und eine zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung aus Wellenlängen, die eine Temperatur der Oberfläche kennzeichnen, aufzuteilen und Signale auszugeben, die die erste und die zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung kennzeichnen.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft ein multispektrales System und Verfahren zur Erzeugung zweidimensionaler Temperaturkarten.
Bestimmte Gasturbinenantriebe enthalten eine Turbine, die Betrachtungsöffnungen aufweist, die konfiguriert sind, um eine Überwachung verschiedener Komponenten innerhalb der Turbine zu ermöglichen. Z. B. kann ein Pyrometriesystem in optischer Verbindung mit den Betrachtungsöffnungen stehen und konfiguriert sein, um die Temperatur bestimmter Komponenten innerhalb eines Heißgaspfades der Turbine zu messen. Außerdem kann ein optisches Überwachungssystem mit den Betrachtungsöffnungen gekoppelt und konfiguriert sein, um ein zweidimensionales Bild der Turbinenkomponenten zu liefern. Wie verständlich ist, absorbieren und emittieren bestimmte Spezies von Verbrennungsprodukten, wie beispielsweise Wasserdampf und Kohlendioxid, Strahlung über einen weiten Wellenlängenbereich. Infolgedessen erreicht nur ein Bruchteil der durch die Turbinenkomponenten emittierten Wellenlängen die Betrachtungsöffnungen mit hinreichender Intensität und vernachlässigbarer Interferenz für eine genaue Messung. Folglich sind bestimmte Pyrometrie- und/oder optische Überwachungssysteme konfiguriert, um bestimmte Wellenlängen zu überwachen, die eher ohne wesentliche Absorption oder Interferenz durch die Verbrennungsprodukte hindurchtreten.
Bedauerlicherweise macht eine Konfiguration eines Systems zur Überwachung derartiger Wellenlängen das System gewöhnlich für eine Überwachung von Gasemissionen ungeeignet. Deshalb können Pyrometrie- und/oder optische Überwachungssysteme, die konfiguriert sind, um Turbinenkomponenten zu überwachen, nicht in der Lage sein, eine Gastemperatur innerhalb der Turbine zu bestimmen. Ferner kann eine intrusive Temperaturmessung, beispielsweise über in dem Heißgaspfad angeordnete Thermoelemente, den Gasdurchfluss durch die Turbine behindern. Außerdem können, da Thermoelemente nur die Temperatur des in direktem Kontakt mit dem Thermoelement stehenden Gases messen, Temperaturschwankungen zwischen Thermoelementen nicht erfasst werden. Darüber hinaus kann die Nutzungslebensdauer der Thermoelemente aufgrund der mit der Gasströmung durch die Turbine verbundenen hohen Temperatur deutlich begrenzt sein.
KURZE BESCHREIBUND DER ERFINDUNG
In einer ersten Ausführungsform enthält ein System eine Wellenlängenaufteilungsvorrichtung, die konfiguriert ist, um mit einem Innenraum einer Turbine optisch zu kommunizieren und um ein Bild des Innenraums der Turbine in eine erste zweidimensionale Intensitätsabbildung (Intensitätsmap) von Wellenlängen, die eine Temperatur eines Gases kennzeichnen, und eine zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung (Intensitätsmap) von Wellenlängen, die eine Temperatur einer Oberfläche kennzeichnen, aufzuteilen. Das System enthält ferner ein Detektorarray in optischer Kommunikationsverbindung mit der Wellenlängenaufteilungsvorrichtung. Das Detektorarray ist konfiguriert, um Signale auszugeben, die die erste und die zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung kennzeichnen.
In einer zweiten Ausführungsform enthält ein System ein Abbildungssystem, das konfiguriert ist, um ein Bild eines Gases und einer Oberfläche, die durch das Gas hindurch beobachtet werden kann, von einem Innenraum einer Turbine zu empfangen, um das Bild in eine erste zweidimensionale Intensitätsabbildung von eine Temperatur eines Gases kennzeichnenden Wellenlängen und eine zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung von eine Temperatur der Oberfläche kennzeichnenden Oberflächen aufzuteilen und um die erste und die zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung kennzeichnende Signale auszugeben.
In einer dritten Ausführungsform enthält ein Verfahren ein Empfangen eines Bildes eines Gases und einer durch das Gas hindurch beobachtbaren Oberfläche. Das Verfahren enthält ferner ein Aufteilen des Bildes in eine erste zweidimensionale Intensitätsabbildung von eine Temperatur des Gases kennzeichnenden Wellenlängen und eine zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung von eine Temperatur der Oberfläche kennzeichnenden Wellenlängen. Das Verfahren enthält ferner ein Ausgeben von die erste und die zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung kennzeichnenden Signalen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen überall in den Zeichnungen gleiche Teile repräsentieren und in denen zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Turbinensystems, das ein Abbildungssystem enthält, das konfiguriert ist, um zweidimensionale Intensitätsabbildungen eines Gases und einer durch das Gas hindurch beobachtbaren Oberfläche zu erfassen, gemäß bestimmten offenbarten Ausführungsformen der Erfindung;
2 eine Querschnittsansicht eines Turbinenabschnitts, die verschiedene Turbinenkomponenten veranschaulicht, die durch das Abbildungssystem gemäß bestimmten offenbarten Ausführungsformen überwacht werden können;
3 eine schematische Darstellung des Abbildungssystems, wie es in Richtung auf ein Gas und eine durch das Gas hindurch beobachtbaren Oberfläche gerichtet ist, gemäß bestimmten offenbarten Ausführungsformen;
4 eine schematische Darstellung des Abbildungssystems, das mehrere Detektorarrays enthält, die konfiguriert sind, um einer Steuereinrichtung mehrere zweidimensionalen Intensitätsabbildungen zu liefern, so dass die Steuereinrichtung eine Reihe von Temperaturkartenschnitten und/oder eine dreidimensionale Temperaturkarte des Gases erzeugen kann, gemäß bestimmten offenbarten Ausführungsformen; und
5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Erzeugung einer Temperaturkarte eines Gases und eine Temperaturkarte einer durch das Gas beobachtbaren Oberfläche gemäß bestimmten offenbarten Ausführungsformen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachstehend sind eine oder mehrere spezielle Ausführungsformen beschrieben. Im Bestreben, eine knappe und präzise Beschreibung dieser Ausführungsformen zu liefern, können gegebenenfalls nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Realisierung in der Beschreibung beschrieben sein. Es sollte verständlich sein, dass bei der Entwicklung jeder derartigen tatsächlichen Realisierung, wie bei jedem Ingenieurs- oder Konstruktionsprojekt, zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um spezielle Entwicklerziele, wie beispielsweise die Einhaltung systembezogener und unternehmensbezogener Randbedingungen, die von einer Realisierung zur anderen variieren können, zu erreichen. Außerdem sollte verstanden werden, dass ein Entwicklungsaufwand zwar komplex und zeitaufwändig sein kann, jedoch für Fachleute, die den Vorteil dieser Offenbarung aufweisen, ein routinemäßiges Unterfangen zur Konstruktion, Fertigung und Herstellung darstellen würde.
Wenn Elemente verschiedener hierin offenbarter Ausführungsformen eingeführt werden, sollen die Artikel „ein”, „eine”, „der”, „die” und „das” bedeuten, dass ein oder mehrere der Elemente vorhanden sind. Die Ausdrücke „aufweisen”, „enthalten” und „haben” sollen inklusiv sein und bedeuten, dass außer den aufgeführten Elementen weitere Elemente vorhanden sein können.
Hierin offenbarte Ausführungsformen können durch Schaffung einer zweidimensionalen oder dreidimensionalen Temperaturkarte des Abgases innerhalb der Turbine sowie einer zweidimensionalen Temperaturkarte von Turbinenkomponentenflächen den Betrieb und die Instandhaltung von Turbinen verbessern. In einer Ausführungsform enthält ein Abbildungssystem eine Wellenlängenaufteilungsvorrichtung in optischer Kommunikationsverbindung mit einer Betrachtungsöffnung, die in eine Turbine führt. Die Wellenlängenaufteilungsvorrichtung ist konfiguriert, um ein Bild eines Innenraums der Turbine in eine erste zweidimensionale Intensitätsabbildung (Intensitätsmap) von Wellenlängen, die eine Temperatur eines Gases kennzeichnen, und eine zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung (Intensitätsmap) von Wellenlängen, die eine Temperatur einer Oberfläche (z. B. Leitschaufeln, Laufschaufeln, Endwände, Plattformen, Engelflügel, Mäntel, etc.) kennzeichnen, aufzuteilen. Das Abbildungssystem enthält ferner ein Detektorarray in optischer Kommunikationsverbindung mit der Wellenlängenaufteilungsvorrichtung. Das Detektorarray ist konfiguriert, um jeweilige Signale auszugeben, die die erste und die zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung kennzeichnen. In bestimmten Ausführungsformen enthält das Abbildungssystem eine Steuereinrichtung, die konfiguriert ist, um auf der Basis der Signale eine erste zweidimensionale Temperaturkarte (Temperaturmap) des Gases und eine zweite zweidimensionale Temperaturkarte (Temperaturmap) der Oberfläche zu erzeugen. In weiteren Ausführungsformen ist die Steuereinrichtung konfiguriert, um eine Reihe von zweidimensionalen Temperaturkartenschnitten durch ein Volumen, das das Gas enthält, zu erzeugen, wobei jeder Schnitt senkrecht zu einer Umfangsachse der Turbine orientiert ist. In noch weiteren Ausführungsformen ist die Steuereinrichtung konfiguriert, um diese Schnitte miteinander zu kombinieren, um eine dreidimensionale Temperaturkarte des Gases innerhalb des Volumens zu erzeugen. Die resultierende zweidimensionale oder dreidimensionale Temperaturkarte des Gases und die zweidimensionale Temperaturkarte der Oberfläche können verwendet werden, um den Turbinenantrieb während des Betriebs zu steuern und/oder die restliche Nutzungslebensdauer von Turbinenkomponenten abzuschätzen, wodurch die Effizienz des Turbinenbetriebs und der Turbineninstandhaltung vergrößert wird.
Indem nun auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, zeigt 1 ein Blockschaltbild eines Turbinensystems 10, das ein Abbildungssystem enthält, das konfiguriert ist, um zweidimensionale Intensitätsabbildungen (sog. Intensitätsmaps) eines Gases und einer durch das Gas hindurch beobachtbaren Oberfläche zu erfassen. Das Turbinensystem 10 enthält einen Brennstoffinjektor 12, eine Brennstoffzuführung 14 und eine Brennkammer 16. Wie veranschaulicht, leitet die Brennstoffzuführung 14 einen flüssigen Brennstoff und/oder gasförmigen Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas, zu dem Gasturbinensystem 10 durch den Brennstoffinjektor 12 hindurch in die Brennkammer 16 hinein. Wie nachstehend erläutert, ist der Brennstoffinjektor 12 konfiguriert, um den Brennstoff zu injizieren und mit komprimierter Luft zu vermischen. Die Brennkammer 16 zündet und verbrennt das Brennstoff-Luft-Gemisch und leitet dann heißes unter Druck stehendes Abgas in eine Turbine 18 weiter. Wie verständlich ist, enthält die Turbine 18 einen oder mehrere Statoren mit feststehenden Leitschaufeln oder Schaufeln sowie einen oder mehrere Rotoren, die Schaufeln aufweisen, die relativ zu den Statoren umlaufen. Das Abgas passiert die Turbinenrotorschaufeln und treibt dadurch den Turbinenrotor drehend an. Eine Kopplung zwischen dem Turbinenrotor und einer Welle 19 bewirkt die Rotation der Welle 19, die ferner mit verschiedenen Komponenten über das gesamte Gasturbinensystem 10 hinweg gekoppelt ist, wie dies veranschaulicht ist. Schließlich kann das Abgas aus dem Verbrennungsprozess über einen Abgasauslass 20 aus dem Gasturbinensystem 10 austreten.
Ein Verdichter 22 enthält Laufschaufeln, die an einem Rotor starr befestigt sind, der durch die Welle 19 drehend angetrieben wird. Wenn Luft an den rotierenden Schaufeln vorbeiströmt, steigt der Luftdruck, wodurch die Brennkammer 16 mit ausreichend Luft zur ordnungsgemäßen Verbrennung beliefert wird. Der Verdichter 22 kann über einen Lufteinlass 24 Luft in das Gasturbinensystem 10 einsaugen. Ferner kann die Welle 19 mit einer Last 26 gekoppelt sein, die durch die Drehung der Welle 19 angetrieben sein kann. Wie verständlich ist, kann die Last 26 jede beliebige geeignete Vorrichtung sein, die die Leistung der Drehausgabe des Gasturbinensystems 10 nutzen kann, wie beispielsweise eine Energieerzeugungsanlage oder eine externe mechanische Last. Z. B. kann die Last 26 einen elektrischen Generator, einen Propeller eines Flugzeugs und dergleichen enthalten. Der Lufteinlass 24 zieht Luft 30 in das Gasturbinensystem 10 über einen geeigneten Mechanismus, wie beispielsweise eine Frischluftansaugung, ein. Die Luft 30 strömt anschließend an den Schaufeln des Verdichters 22 vorbei, der komprimierte Luft 32 zu der Brennkammer 16 liefert. Insbesondere kann der Brennstoffinjektor 12 die komprimierte Luft 32 und Brennstoff 14 als ein Brennstoff-Luft-Gemisch 34 in die Brennkammer 16 einspritzen. Alternativ können die komprimierte Luft 32 und der Brennstoff 14 zur Vermischung und Verbrennung unmittelbar in die Brennkammer eingespritzt werden.
Wie veranschaulicht, enthält das Turbinensystem 10 ein Abbildungssystem 36, das mit der Turbine 18 optisch verbunden ist. In der veranschaulichten Ausführungsform enthält das Abbildungssystem 36 ein abbildendes optisches System oder eine optische Verbindung 38 (z. B. ein Faserkabel, einen Lichtwellenleiter, etc.), das bzw. die sich zwischen einer in die Turbine 18 führende Betrachtungsöffnung 40 und einer Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 42 erstreckt. Während die veranschaulichte Betrachtungsöffnung 40 zu einem Einlass der Turbine 18 hin gerichtet ist, sollte verstanden werden, dass die Betrachtungsöffnung 40 an verschiedenen Stellen entlang der Turbine 18 positioniert sein kann. Wie im Einzelnen nachstehend erläutert, ist die Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 42 konfiguriert, um ein Bild eines Innenraums der Turbine in eine erste zweidimensionale Intensitätsabbildung von Wellenlängen, die eine Temperatur eines Gases kennzeichnen, und eine zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung von Wellenlängen, die eine Temperatur einer Oberfläche kennzeichnen, aufzuteilen. Ein Detektorarray 44, das mit der Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 42 optisch gekoppelt ist, ist konfiguriert, um jeweilige Signale auszugeben, die die erste und zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung kennzeichnen. In der veranschaulichten Ausführungsform ist das Detektorarray 44 mit einer Steuereinrichtung 46 kommunikationsmäßig verbunden, die konfiguriert ist, um eine erste zweidimensionale Temperaturkarte (sog. Temperaturmap) des Gases und eine zweite zweidimensionale Temperaturkarte (Temperaturmap) der Oberfläche auf der Basis der jeweiligen Signale zu erzeugen. Wie nachstehend im Einzelnen erläutert, kann die Steuereinrichtung 46 ferner konfiguriert sein, um eine Reihe von zweidimensionalen Temperaturkartenschnitten durch ein das Gas enthaltendes Volumen zu erzeugen, wobei jeder Schnitt senkrecht zu einer Umfangsachse der Turbine ausgerichtet ist. In bestimmten Ausführungsformen kann die Steuereinrichtung konfiguriert sein, um diese Schnitte zu kombinieren, um eine dreidimensionale Temperaturkarte des Gases innerhalb des Volumens zu generieren. Die resultierende zweidimensionale oder dreidimensionale Temperaturkarte des Gases kann verwendet werden, um den Turbinenantrieb während des Betriebs zu steuern, um den Wirkungsgrad zu verbessern, Emissionen zu reduzieren und/oder die Nutzungslebensdauer der Turbinenkomponenten zu vergrößern. Außerdem kann die zweidimensionale Temperaturkarte der Oberfläche eine Überwachung und Validierung der Leistung von Turbinenkomponenten und/oder eine Abschätzung der restlichen Nutzungslebensdauer von Turbinenkomponenten ermöglichen.
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Turbinenabschnitts unter Veranschaulichung verschiedener Turbinenkomponenten, die durch das Abbildungssystem 36 überwacht werden können. Wie veranschaulicht, strömen Abgase/Verbrennungsprodukte 48 aus der Brennkammer 16 in die Turbine 18 in einer Axialrichtung 50 und/oder einer Umfangsrichtung 52 ein. Die veranschaulichte Turbine 18 enthält wenigstens zwei Stufen, wobei in 2 die ersten beiden Stufen veranschaulicht sind. Andere Turbinenkopfkonfigurationen können mehrere oder wenigere Turbinenstufen enthalten. Zum Beispiel kann eine Turbine 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder mehrere Turbinenstufen enthalten. Die erste Turbinenstufe enthält Leitschaufeln 54 und Laufschaufeln 56, die in der Umfangsrichtung 52 rings um die Turbine 18 im Wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandet sind. Die Leitschaufeln 54 der ersten Stufe sind an der Turbine 18 starr befestigt und konfiguriert, um Verbrennungsgase in Richtung auf die Laufschaufeln 56 zu lenken. Die Laufschaufeln 56 der ersten Stufe sind an einem Rotor 58 montiert, der durch das Abgas 48, das an den Laufschaufeln 56 vorbeiströmt, angetrieben wird um zu rotieren. Der Rotor 58 ist wiederum mit der Welle 19 verbunden, die den Verdichter 22 und die Last 26 antriebt. Das Abgas 48 strömt anschließend durch Leitschaufeln 60 der zweiten Stufe und Laufschaufeln 62 der zweiten Stufe. Die Laufschaufeln 62 der zweiten Stufe sind ebenfalls mit dem Rotor 58 gekoppelt. Wenn das Abgas 48 durch jede Stufe strömt, wird Energie aus dem Gas in Rotationsenergie des Rotors 58 umgesetzt. Nachdem es jede Turbinenstufe passiert hat, tritt das Abgas 48 aus der Turbine 18 in der Axialrichtung 50 aus.
In der veranschaulichten Ausführungsform erstreckt sich jede Leitschaufel 54 der ersten Stufe von einer Endwand 64 aus in einer Radialrichtung 66 nach außen. Die Endwand 64 ist konfiguriert, um heißes Abgas 48 am Eintreten in den Rotor 58 zu hindern. Eine ähnliche Endwand kann benachbart zu den Leitschaufeln 60 der zweiten Stufe und, falls sie vorhanden sind, nachfolgenden stromabwärtigen Leitschaufeln vorhanden sein. In ähnlicher Weise erstreckt sich jede Laufschaufel 56 der ersten Stufe von einer Plattform 68 aus in der Radialrichtung 66 nach außen. Wie verständlich ist, ist die Plattform 68 ein Teil eines Schaftes 70, der die Laufschaufel 56 mit dem Rotor 58 verbindet. Der Schaft 70 enthält ferner eine Dichtung oder einen Engelflügel 72, die bzw. der konfiguriert ist, um heißes Abgas 68 am Eintreten in den Rotor 58 zu hindern. Ähnliche Plattformen und Engelflügel können benachbart zu den Laufschaufeln 62 der zweiten Stufe und, falls sie vorhanden sind, nachfolgenden stromabwärtigen Laufschaufeln vorhanden sein. Außerdem ist ein Mantel 74 radial außen von den Laufschaufeln 56 der ersten Stufe positioniert. Der Mantel 74 ist konfiguriert, um die Menge des Abgases 48, das die Leitschaufeln 56 umgeht, zu minimieren. Ein Gasumgehungskanal ist unerwünscht, weil Energie aus dem umgehenden Gas durch die Laufschaufeln 56 nicht erfasst und in Rotationsenergie umgewandelt wird. Während das Abbildungssystem 36 nachstehend unter Bezugnahme auf Überwachungskomponenten innerhalb der Turbine 18 einer Gasturbine 10 beschrieben ist, sollte verstanden werden, dass das Abbildungssystem 36 verwendet werden kann, um Komponenten innerhalb anderer Rotations- und/oder hin- und herbewegender Maschinen zu überwachen, wie beispielsweise in einer Turbine, in der Dampf oder ein anderes Arbeitsfluid die Turbinenlaufschaufel passiert, um Leistung oder Schub zu liefern. Außerdem kann das Abbildungssystem 36 verwendet werden, um einen Innenraum eines Kolbenmotors oder Kolbentriebwerks, wie beispielsweise einer mit Benzin oder Diesel betriebenen Brennkraftmaschine, zu überwachen.
Wie erkannt wird, sind verschiedene Komponenten innerhalb der Turbine 18 (zum Beispiel die Leitschaufeln 54 und 60, die Laufschaufeln 56 und 62, die Endwände 64, die Plattformen 68, die Engelflügel 72, die Mäntel 74, etc.) dem heißen Abgas 48 aus der Brennkammer 16 ausgesetzt. Demgemäß kann es erwünscht sein, eine Temperatur bestimmter Komponenten während des Betriebs der Turbine 18 zu messen um sicherzustellen, dass die Temperatur innerhalb eines gewünschten Bereiches bleibt, und/oder um die Wärmebelastung innerhalb der Komponenten zu überwachen. Zum Beispiel kann das Abbildungssystem 36 konfiguriert sein, um eine zweidimensionale Temperaturkarte von den Turbinenlaufschaufeln 56 der ersten Stufe zu bestimmten. Wie erkannt wird, kann die zweidimensionale Temperaturkarte verwendet werden, um einen Temperaturgradienten über jeder Laufschaufel 56 zu bestimmen, wodurch eine Berechnung der Wärmebelastung innerhalb der Laufschaufel 56 ermöglicht wird.
Außerdem kann es erwünscht sein, eine Temperatur des durch die Turbine 18 hindurchströmenden Abgases 48 zu überwachen. Wie erkannt wird, kann eine genaue Gastemperaturüberwachung eine Anpassung von Gasturbinenparametern ermöglichen, um den Turbinenwirkungsgrad zu erhöhen, Emissionen zu reduzieren und/oder die Nutzungslebensdauer von Komponenten, die mit dem Abgas in Kontakt stehen, zu verlängern. Wie nachstehend in Einzelheiten erläutert, ist das Abbildungssystem 36 konfiguriert, um eine zweidimensionale Temperaturkarte des Abgases 48 neben den Turbinenlaufschaufeln 56 der ersten Stufe zu erzeugen. In bestimmten Ausführungsformen kann die Steuereinrichtung 46 ferner konfiguriert sein, um eine Reihe von zweidimensionalen Temperaturkartenschnitten durch ein das Gas enthaltendes Volumen zu generieren, wobei jeder Schnitt senkrecht zu der Umfangsachse 52 der Turbine 18 ausgerichtet ist. Außerdem kann die Steuereinrichtung konfiguriert sein, um diese Schnitte zu kombinieren, um eine dreidimensionale Temperaturkarte des Gases innerhalb des Volumens zu generieren.
Die veranschaulichte Ausführungsform enthält drei optische Verbindungen 38, um die Betrachtungsöffnungen 40 mit der Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 42 optisch zu verbinden. Wie veranschaulicht, ist eine erste optische Verbindung 76 mit einer Betrachtungsöffnung 40 verbunden, die stromaufwärts von der Laufschaufel 56 und unter einem Winkel zu der Laufschaufel 56 hin positioniert ist, während eine zweite optische Verbindung 78 mit einer anderen Betrachtungsöffnung 40 verbunden ist, die stromabwärts von der ersten Betrachtungsöffnung positioniert und im Wesentlichen mit der Radialrichtung 66 ausgerichtet ist, und eine dritte optische Verbindung 79 mit einer dritten Betrachtungsöffnung 40 verbunden ist, die stromabwärts von der zweiten Betrachtungsöffnung und unter einem Winkel in einer stromaufwärtigen Richtung angeordnet ist. In dieser Konfiguration übermittelt die erste optische Verbindung 76 ein Bild von der Laufschaufel 56 und dem Abgas 48, das sich stromaufwärts von der Laufschaufel 56 befindet, zu der Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 42. Außerdem übermitteln die zweite und die dritte optische Verbindung 78 und 79 Bilder anderer Perspektiven von dem Abgas 48 zu der Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 42. Wie nachstehend im Einzelnen erläutert, kann die Steuereinrichtung 46 Bilder des Abgases 48, die unter verschiedenen Perspektiven aufgenommen werden, verwenden, um mehrere zweidimensionale Temperaturkartenschnitte und/oder eine dreidimensionale Temperaturkarte von dem Abgas 48 zu erzeugen.
Wie erkannt wird, können die Betrachtungsöffnungen 40 in der Axialrichtung 50, der Umfangsrichtung 52 und/oder Radialrichtung 66 unter einem Winkel ausgerichtet sein, um die Betrachtungsöffnungen 40 in Richtung auf die gewünschten Bereiche der Laufschaufel 56 und/oder des Abgases 48 neben der Laufschaufel 56 zu richten. In alternativen Ausführungsformen können mehrere oder wenigere Betrachtungsöffnungen 40 und optische Verbindungen 38 verwendet werden, um Bilder von der Laufschaufel 56 der ersten Stufe und/oder dem Gas benachbart zu der Laufschaufel zu erhalten. Zum Beispiel können bestimmte Ausführungsformen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder mehrere Betrachtungsöffnungen 40 und eine entsprechende Anzahl optischer Verbindungen 38 verwenden, um Bilder der Laufschaufel 56 und des Abgases 48 zu der Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 42 zu übermitteln. Wie nachstehend in Einzelheiten erläutert, können mit zusätzlichen Perspektiven, die von mehreren Betrachtungsöffnungen 40 und optischen Verbindungen 38 erfasst werden, genauere zweidimensionale Temperaturkartenschnitte und/oder dreidimensionale Temperaturkarten erzeugt werden. Wie vorstehend erläutert, können die optischen Verbindungen 38 zum Beispiel ein Glasfaserkabel oder ein optisches Abbildungssystem (zum Beispiel ein starres abbildendes optisches Wellenleitersystem) enthalten. Es sollte ferner verstanden werden, dass bestimmte Ausführungsformen die optischen Verbindungen 38 weglassen, so dass die Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 42 unmittelbar mit den Betrachtungsöffnungen 40 optisch verbunden sein kann.
Während die Betrachtungsöffnungen 40 in der veranschaulichten Ausführungsform zu den Laufschaufeln 56 der ersten Stufe und dem Abgas 48, das sich stromaufwärts von den Schaufeln 56 befindet, hin gerichtet sind, sollte verstanden werden, dass die Betrachtungsöffnungen 40 in alternativen Ausführungsformen zu anderen Turbinenkomponenten und/oder anderen Regionen der Abgasströmung hin gerichtet sein können. Zum Beispiel können eine oder mehrere Betrachtungsöffnungen 40 in Richtung auf die Leitschaufeln 54 der ersten Stufe, die Leitschaufeln 60 der zweiten Stufe, die Laufschaufeln 62 der zweiten Stufe, die Endwände 64, die Plattformen 68, die Engelflügel 72, die Mäntel 74 oder andere Komponenten innerhalb der Turbine 18 gerichtet sein. Derartige Konfigurationen können Bilder von dem Abgas 48 und der durch das Abgas 48 hindurch beobachtbaren Komponente erfassen. Weitere Ausführungsformen können Betrachtungsöffnungen 40 enthalten, die in Richtung auf mehrere Komponenten innerhalb der Turbine 18 und/oder mehrere Regionen der Abgasströmung gerichtet sind. Ähnlich wie bei den Laufschaufeln 56 der ersten Stufe kann das Abbildungssystem 36 eine zweidimensionale Temperaturkarte für jede Komponente innerhalb eines Sichtfeldes einer Betrachtungsöffnung 40 sowie eine zweidimensionale Temperaturkarte des Abgases 48, das sich zwischen der Komponente und der Betrachtungsöffnung 40 befindet, generieren. Auf diese Weise können Wärmebelastungen in verschienen Turbinenkomponenten und/oder Abgastemperaturen benachbart zu den Komponente gemessen werden, wodurch dem Betreiber Daten geliefert werden, die verwendet werden können, um Betriebsparameter des Turbinensystems 10 einzustellen und/oder Instandhaltungsintervalle festzulegen.
Wie vorstehend erläutert, übermitteln die optischen Verbindungen 38 (zum Beispiel Faserkabel, optischer Wellenleiter, etc.) ein Bild von dem Turbineninnenraum zu der Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 42. Die Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 42 ist wiederum konfiguriert, um das Bild in eine erste zweidimensionale Intensitätsabbildung von Wellenlängen, die eine Temperatur des Abgases 48 kennzeichnen, und eine zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung von Wellenlängen, die eine Temperatur einer Turbinenkomponente kennzeichnen, aufzuteilen. Das mit der Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 42 optisch verbundene Detektorarray 44 ist konfiguriert, um ein Signal oder Signale auszugeben, das bzw. die die erste und die zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung kennzeichnet bzw. kennzeichnen. Das Detektorarray 44 kann konfiguriert sein, um mehrer Bilder über eine Zeitspanne hinweg zu erfassen. Wie verstanden wird, können bestimmte Turbinenkomponenten, wie beispielsweise die vorstehend beschriebenen Laufschaufeln 56 der ersten Stufe, mit einer hohen Drehzahl in der Umfangsrichtung 52 der Turbine 18 rotieren. Demgemäß kann das Detektorarray 44 zur Erfassung eines Bildes von derartigen Komponenten konfiguriert sein, um bei einer Frequenz zu arbeiten, die ausreicht, um die Steuereinrichtung 46 mit einem im Wesentlichen ruhenden Bild jeder Komponente zu versehen. Zum Beispiel kann das Detektorarray 44 in manchen Ausführungsformen konfiguriert sein, um die Signale, die die zweidimensionale Intensitätsabbildung jedes Bildes kennzeichnen, mit einer Frequenz auszugeben, die größer ist als ungefähr 100.000, 200.000, 400.000, 600.000, 800.000 oder 1.000.000 Hz oder mehr. In weiteren Ausführungsformen kann das Detektorarray 44 konfiguriert sein, um die die zweidimensionale Intensitätsabbildung jedes Bildes kennzeichnenden Signale mit einer Integrationszeit von ungefähr 10, 5, 3, 2, 1 oder 0,5 Mikrosekunden oder weniger auszugeben. Auf diese Weise kann eine zweidimensionale Temperaturkarte für jede rotierende Turbinenkomponente generiert werden.
Ferner sollte erkannt werden, dass das Abgas 48 in der Umfangsrichtung 52 umläuft, während sich das Gas in der stromabwärtigen axialen Richtung durch die Turbine 18 bewegt. Demgemäß kann das Detektorarray 44 konfiguriert sein, um bei einer Frequenz zu arbeiten, die ausreicht, um die Steuereinrichtung 46 mit einem im Wesentlichen Ruhebild des Abgases 48 zu beliefern. Wie nachstehend in Einzelheiten erläutert, kann jede Reihe von Bildern, die von dem Abgas 48 in einem bestimmten Zeitpunkt aufgenommen werden, verwendet werden, um mittels tomografischer Methoden einen zweidimensionalen Temperaturkartenschnitt zu erzeugen. Während das Abgas 48 in der Richtung 52 umläuft, können nachfolgende Schnitte erzeugt werden, wodurch eine Reihe von zweidimensionalen Temperaturkartenschnitten geschaffen wird, die kombiniert werden können, um eine dreidimensionale Temperaturkarte des Abgases zu erzeugen.
In manchen Ausführungsformen können die optischen Verbindungen 38 mit einem Mulitplexer innerhalb der Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 42 verbunden sein, um dem Detektorarray 44 Bilder von jedem Beobachtungspunkt zu liefern. Wie erkannt wird, können Bilder von jeder optischen Verbindung 38 räumlich oder zeitlich multiplext werden. Falls zum Beispiel der Multiplexer konfiguriert ist, um die Bilder räumlich zu multiplexen, kann jedes Bild auf einen anderen Teil des Detektorarrays projiziert werden. In dieser Konfiguration kann ein Bild von der ersten optischen Verbindung 76 auf einen ersten Teil (zum Beispiel ein erstes Drittel) des Detektorarrays 44 gerichtet werden, während ein Bild von der zweiten optischen Verbindung 78 auf einen zweiten Teil (zum Beispiel ein zweites Drittel) des Detektorarrays 44 gerichtet werden kann und ein Bild von der dritten optischen Verbindung 79 auf einen dritten Teil (zum Beispiel ein drittes Drittel) gerichtet werden kann. Als Ergebnis kann das Detektorarray 44 jedes Bild mit einer Auflösung von ein Drittel erfassen. In anderen Worten ist die räumliche Auflösung zu der Anzahl räumlich multiplexter Signale umkehrt proportional. Wie verständlich ist, liefert eine geringe Auflösung der Steuereinrichtung 46 eine geringer räumliche Abdeckung der Turbinenkomponente und/oder des Abgases 48 als eine höhere Auflösung. Folglich kann die Anzahl räumlich multiplexter Signale durch die minimale Auflösung begrenzt sein, die für die Steuereinrichtung 46 ausreichend ist, um eine gewünschte zweidimensionale Temperaturkarte der Turbinenkomponente und/oder eine gewünschte zweidimensionale oder dreidimensionale Temperaturkarte des Abgases 48 zu bilden.
Alternativ können Bilder, die durch die optischen Verbindungen 38 geliefert werden, zeitlich multiplext werden. Zum Beispiel kann das Detektorarray 44 abwechselnd ein Bild von jeder optischen Verbindung 38 mit der gesamten Auflösung des Detektorarrays 44 erfassen. Unter Verwendung dieser Methode kann die volle Auflösung des Detektorarrays 44 genutzt werden, wobei jedoch die Erfassungsfrequenz proportional zu der Anzahl gescannter Beobachtungspunkte reduziert sein kann. Falls zum Beispiel zwei Beobachtungspunkte gescannt werden und die Detektorarrayfrequenz 100.000 Hz beträgt, ist das Detektorarray 44 nur in der Lage, Bilder von jedem Beobachtungspunkt mit 50.000 Hz zu scannen. Folglich kann die Anzahl zeitlich multiplexter Signale durch die gewünschte Scannfrequenz begrenzt sein. Außerdem kann eine Erfassung von Bildern des Abgases 48 unter verschiedenen Perspektiven in im Wesentlichen verschiedenen Zeitpunkten die Genauigkeit der zweidimensionalen Temperaturkartenschnitte reduzieren.
3 zeigt eine schematische Darstellung des Abbildungssystems 36, das in Richtung auf ein Gas 80 (zum Beispiel das Abgas 48) und eine Oberfläche, wie beispielsweise die veranschaulichte Turbinenlaufschaufel 56, die durch das Gas 80 hindurch beobachten werden kann, gerichtet ist. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 42 zu den Laufschaufeln 56 der ersten Stufe hin gerichtet. Jedoch sollte verständlich sein, dass die Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 42 in alternativen Ausführungsformen zu anderen Turbinenkomponenten (zum Beispiel Leitschaufeln 54 und 60, Laufschaufeln 62, Endwänden 64, Plattformen 68, Engelflügeln 72, Mänteln 74, etc.) hin gerichtet sein kann. Wie erkannt wird, kann elektromagnetische Strahlung von der Laufschaufel 56 und dem Gas 80 emittiert werden. Diese elektromagnetische Strahlung kann wiederum durch das Abbildungssystem 36 als ein Bild (zum Beispiel ein kombiniertes Bild der Wellenlängen, die durch die Schaufel 56 emittiert und durch das Gas 80 nicht absorbiert werden, sowie der durch das Gas 80 emittierten Wellenlängen) erfasst werden. Ein derartiges Bild kann eine Strahlung enthalten, die eine Wellenlänge innerhalb des infraroten, sichtbaren und/oder ultravioletten Bereichs des elektromagnetischen Spektrums aufweist.
Wie veranschaulicht, ist eine Linse 82 zwischen der Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 42 und dem Gas 80 positioniert. Die Linse 82 ist konfiguriert, um die durch die Laufschaufel 56 und das Gas 80 emittierte Strahlung auf die Wellenlängenaufteilungsvorrichtung zu fokussieren. Wie verständlich ist, legt die Linse 82 oder eine Reihe von Linsen 82 ein Sichtfeld 84 fest, das wenigstens einen Teil der Laufschaufel 56 der ersten Stufe oder anderer gewünschter Turbinenkomponenten abdeckt. Das Sichtfeld 84 ist auch durch die Position der Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 82 relativ zu der Turbinenkomponente und/oder die Konfiguration der optischen Verbindung 38, falls diese vorhanden ist, beeinflusst. Durch die Auswahl einer geeigneten Linse 82 und/oder eine passende Positionierung der Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 42 kann ein gewünschtes Sichtfeld 84 errichtet werden, wodurch dem Abbildungssystem 36 ermöglicht wird, ein zweidimensionales Bild des Gases 80 und der durch das Gas 80 hindurch beobachtbaren Turbinenkomponente zu erfassen. Die veranschaulichte Ausführungsform enthält ferner ein Filter 86, das zwischen der Linse 82 und dem Gas 80 positioniert ist. Das Filter 86 kann ein Tiefpassfilter, ein Hochpassfilter oder ein Bandpassfilter sein, das konfiguriert ist, um den Wellenlängenbereich der durch das Abbildungssystem 36 empfangenen Strahlung zu reduzieren. Zum Beispiel kann das Filter 86 konfiguriert sein, um einen Durchgang von Strahlung zu ermöglichen, die ein Wellenlängenbereich ungefähr zwischen 1 und 5 Mikrometer aufweist. Ein derartiger Wellenlängenbereich kann für Turbinenkomponenten- und Abgastemperaturmessungen gut geeignet sein. In alternativen Ausführungsformen kann das Filter 86 weggelassen oder mit der Linse 82 kombiniert werden.
Wie vorstehend erläutert, ist das Abbildungssystem 36 konfiguriert, um ein zweidimensionales Intensitätsprofil von eine Temperatur des Gases 80 kennzeichnenden Wellenlängen sowie ein zweidimensionales Intensitätsprofil von eine Temperatur der Laufschaufel 56 kennzeichnenden Wellenlängen zu erfassen. Wie verständlich ist, sendet die Laufschaufel 56 Strahlung über einem weiten Wellenlängenbereich aus, wenn die Temperatur der Schaufel steigt. Außerdem absorbieren und emittieren bestimmte Spezies von Verbrennungsprodukten, wie beispielsweise Wasserdampf und Kohlendioxid, Strahlung über einem weiten Wellenlängenbereich in Abhängigkeit von einer erhöhten Temperatur. Infolgedessen erreicht während eines Betriebs der Gasturbine 10 nur ein Bruchteil der durch die Laufschaufel 56 emittierten Wellenlängen das Abbildungssystem 36 mit hinreichender Intensität und vernachlässigbarer Interferenz für eine genaue Intensitätsmessung. Demzufolge kann das Abbildungssystem 36 konfiguriert sein, um die Intensität bestimmter Wellenlängen, die mit höherer Wahrscheinlichkeit ohne wesentliche Absorption oder Interferenz durch das Gas 80 hindurchtreten, zu messen, um die Temperatur der Laufschaufel 56 zu bestimmen. Zum Beispiel können Wellenlängen in dem roten Bereich des sichtbaren Spektrums und/oder in der Nähe des infraroten Spektrums das Gas 80 bei geringerer Absorption als in anderen Frequenzbereichen passieren. Folglich können bestimmte Ausführungsformen derartige Frequenzbereiche zur Bestimmung der Temperatur der Laufschaufel 56 nutzen. Zum Beispiel können bestimmte Abbildungssysteme 36 konfiguriert sein, um die Intensität der Wellenlängen in einem Bereich von ungefähr 0,5 bis 1,4 Mikrometer, 1,5 bis 1,7 Mikrometer und/oder 2,1 bis 2,4 Mikrometer zu messen, um die Schaufeltemperatur zu bestimmen. Jedoch sollte erkannt werden, dass alternative Ausführungsformen eine Intensität der elektromagnetischen Strahlung in anderen Bereichen des sichtbaren, Infrarot- und/oder Ultraviolettspektrums messen können.
In ähnlicher Weise kann das Abbildungssystem 36 konfiguriert sein, um die Intensität bestimmter Wellenlängen, die durch das Gas 80 emittiert werden, zur Gastemperaturbestimmung zu messen. Zum Beispiel kann die Intensität der durch das Gas 80 emittierten Strahlung in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 1,4 bis 1,5 Mikrometer, 1,7 bis 2,1 Mirkometer, 2,4 bis 3 Mikrometer und/oder 4 bis 5 Mikrometer deutlich höher sein als die Intensität der durch die Laufschaufel 56 innerhalb derselben Wellenlängenbereiche emittierten Strahlung. Demgemäß kann das Abbildungssystem 36 konfiguriert sein, um die Intensität der Wellenlängen in diesem Bereich zu messen, um die Temperatur des Gases 80 zu bestimmen. Weil jedoch Abgasspezies variieren können, können alternative Ausführungsformen eine Intensität der elektromagnetischen Strahlung in anderen Bereichen des sichtbaren, Infrarot- und/oder Ultraviolettspektrums messen.
In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 42 konfiguriert, um das Bild des Gases 80 und der durch das Gas 80 beobachtbaren Turbinenschaufel 56 in eine erste zweidimensionale Intensitätsabbildung von Wellenlängen λ₁, die eine Temperatur des Gases 80 kennzeichnen, und eine zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung von Wellenlängen λ₂ aufzuteilen, die eine Temperatur der Schaufel 56 kennzeichnen. Es sollte erkannt werden, dass die mit λ₁ und λ₂ bezeichneten Wellenlängen einen kontinuierlichen Wellenlängenbereich oder Gruppen diskreter Wellenlängen, die über dem elektromagnetischen Spektrum verteilt sind, repräsentieren können. In Ausführungsformen, in denen die Wellenlängen λ₁ und/oder λ₂ mehrere diskontinuierliche Gruppen von Wellenlängenbereichen repräsentieren, kann die Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 42 konfiguriert sein, um das Bild in die gewünschten Bereiche aufzuteilen und anschließend bestimmte Bereiche zu kombinieren, um die mit λ₁ und λ₂ bezeichneten Gruppen zu bilden.
Die Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 42 kann einen beliebigen geeigneten Mechanismus enthalten, der konfiguriert ist, um das Bild des Gases 80 und der Laufschaufel 56 in die erste Intensitätsabbildung der Wellenlängen λ₁ und die zweite Intensitätsabbildung der Wellenlängen λ₂ aufzutrennen. Zum Beispiel kann die Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 42 einen oder mehrere dichroitische Spiegel enthalten, die konfiguriert sind, um das Bild in die erste und die zweite Intensitätsabbildung umzusetzen. Wie verständlich ist, enthalten die dichroitische Spiegel eine reflektierende Oberfläche, die konfiguriert ist, um eine Strahlung eines gewünschten Wellenlängenbereiches zu reflektieren, während sie der restlichen Strahlung gestattet hindurchzutreten. In manchen Ausführungsformen kann ein erster dichroitischer Spiegel konfiguriert sein, um eine Srahlung mit Wellenlängen λ₁ zu reflektieren und dabei den restlichen Wellenlängen zu gestatten zu passieren. Die restlichen Wellenlängen können danach auf einen zweiten dichroitischen Spiegel gerichtet werden, der konfiguriert ist, um eine Strahlung mit Wellenlängen λ₂ zu reflektieren. Wie erkannt wird, kann der Bereich der durch den dichrotischen Spiegel reflektierten Wellenlängen auf der Basis der auf dem Spiegel aufgebrachten Beschichtung speziell ausgewählt werden.
In weiteren Ausführungsformen kann die Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 42 einen Bildteiler und mehrere Filter enthalten, um das Bild in die erste und zweite Intensitätsabbildung umzusetzen. Zum Beispiel kann der Bildteiler eine Reihe von Linsen, Prismen, Spiegeln und/oder anderen reflektierenden und/oder refraktiven Optiken enthalten, um das Bild in mehrere Duplikatbilder aufzuteilen, die jeweils einen im Wesentlichen ähnlichen Spektralgehalt (z. B. Wellenlängenbereich) aufweisen. Ein Duplikatbild kann durch ein erstes Filter geleitet werden, das konfiguriert ist, um einen Durchgang von Strahlung mit Wellenlängen λ₁ zu ermöglichen, während ein anderes Duplikatbild durch ein zweites Filter geleitet werden kann, das konfiguriert ist, um einen Durchgang von Strahlung mit Wellenlängen λ₂ zu ermöglichen. Weitere Ausführungsformen können ein Mehrkanal-Wellenlängentrennprisma verwenden, um das Bild unmittelbar in die gewünschte erste und zweite Intensitätsabbildung zu trennen. Noch weitere Ausführungsformen können eine Filtermaske nutzen, die mehrere wellenlängenschmalbandige Filter aufweist, wobei jedes Wellenlängenschmalbandfilter in optischer Verbindung mit jeweiligen Detektorelementen des Detektorarrays steht.
Sobald das Bild in die gewünschten Wellenlängenbereiche aufgeteilt worden ist, wird die erste zweidimensionale Intensitätsabbildung zu einem ersten Detektorarray 87 geleitet, während die zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung zu einem zweiten Detektorarray 88 geleitet wird. Jedes Detektorarray 87 und 88 ist konfiguriert, um ein Signal oder Signale zu der Steuereinrichtung 46 auszugeben, das bzw. die für die jeweilige zweidimensionale Intensitätsabbildung kennzeichnend ist, bzw. sind. Obwohl zwei Detektorarrays 87 und 88 in der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden, sollte erkannt werden, dass ein einziges Detektorarray verwendet werden kann, um beide zweidimensionale Intensitätsabbildungen zu empfangen. Zum Beispiel kann jede Intensitätsabbildung auf einen nicht überlappenden Abschnitt des Arrays projiziert werden, oder das Detektorarray kann konfiguriert sein, um wahlweise jede Intensitätsabbildung abwechselnd zu empfangen.
Wie vorstehend erläutert, ist die Steuereinrichtung 46 konfiguriert, um auf der Basis der Signale von den Detektorarrays 87 und 88 eine erste zweidimensionale Temperaturkarte des Gases und eine zweite zweidimensionale Temperaturkarte der Oberfläche zu generieren. Zum Beispiel kann eine Temperatur eines Gases oder einer Komponente bestimmt werden, indem die Intensität der durch das Objekt bei einer bestimmten Wellenlänge emittierten elektromagnetischen Strahlung gemessen wird. Wenn zum Beispiel angenommen wird, dass der Emissionsgrad 1 beträgt (Annahme eines schwarzen Körpers), kann das Plancksche Gesetz verwendet werden, um aus der gemessenen Strahlungsintensität eine Temperatur zu berechnen. Da jedoch reale Komponenten einen Emissionsgrad aufweisen, der kleiner ist als 1, kann die Steuereinrichtung 46 einen konstanten Emissionsgradwert auf der Basis einer experimenteller Beobachtung und/oder Berechnung verwenden. Durch Berechnung der Temperatur in jedem Punkt innerhalb der ersten zweidimensionalen Intensitätsabbildung kann die Steuereinrichtung 46 eine zweidimensionale Temperaturkarte 90 des Gases 80 erzeugen. Weil das Bild entlang einer Ebene aufgenommen wird, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Richtung 89 des Sichtfeldes 84 verläuft, repräsentiert die erste zweidimensionale Temperaturkarte 90 eine integrierte Gastemperaturkarte einer durch eine radiale Achse 91 und eine Umfangsachse 95 definierten Ebene. In anderen Worten repräsentiert jeder Punkt innerhalb der ersten Temperaturkarte 90 die entlang der Richtung 89 über den Pfad gemittelte Gastemperatur. In ähnlicher Weise kann die Steuereinrichtung 46 durch Berechnung der Temperatur in jedem Punkt innerhalb der zweiten zweidimensionalen Intensitätsabbildung eine zweidimensionale Temperaturkarte 92 von der Laufschaufel 56 erzeugen. Wie vorstehend erläutert, können die Temperaturkarten 90 und 92 verwendet werden, um den Turbinenantrieb während des Betriebs zu steuern und/oder die restliche Nutzungslebensdauer von Turbinenkomponenten abzuschätzen und dadurch die Effizienz des Betriebs und der Instandhaltung einer Turbine zu steigern.
4 zeigt eine schematische Darstellung des Abbildungssystems 36, das mehrere Detektorarrays enthält, die konfiguriert sind, um der Steuereinrichtung 46 mehrere zweidimensionale Intensitätsabbildungen zu liefern, so dass die Steuereinrichtung 46 eine Reihe von Temperaturkartenschnitten und/oder eine dreidimensionale (d. h. volumetrische) Temperaturkarte des Gases 80 generieren kann. Wie veranschaulicht, sind mehrere Wellenlängenaufteilungsvorrichtung/Detektorarray-Anordnungen zu einem Volumen 93 hin gerichtet, das das Gas 80 enthält. Insbesondere ist eine erste Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 94 mit einem ersten Detektorarray 96 gekoppelt, und die Anordnung ist stromaufwärts von dem Volumen 93 entlang der axialen Richtung 50 positioniert. Wie veranschaulicht, ist ein erstes Sichtfeld 98 der ersten Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 94 unter einem Winkel in der stromabwärtigen Richtung zu dem Volumen 93 hin angeordnet. Außerdem ist eine zweite Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 100 mit einem zweiten Detektorarray 102 gekoppelt, und die Anordnung ist außerhalb von dem Volumen 93 entlang der radialen Richtung 66 positioniert. Wie veranschaulicht, ist ein zweites Sichtfeld 104 der zweiten Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 100 radial nach unten zu dem Volumen 93 hin gerichtet. Ferner ist eine dritte Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 106 mit einem dritten Detektorarray 108 gekoppelt, und die Anordnung ist stromabwärts von dem Volumen 93 entlang der axialen Richtung 50 positioniert. Wie veranschaulicht, ist ein drittes Sichtfeld 110 der dritten Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 106 unter einem Winkel in der stromaufwärtigen Richtung zu dem Volumen 93 hin angeordnet. In dieser Konfiguration überlappen die Sichtfelder 98, 104 und 110 einander innerhalb des Volumens 93.
In der veranschaulichten Ausführungsform ist jedes Detektorarray 96, 102 und 108 mit der Steuereinrichtung 46 kommunikationsmäßig verbunden und konfiguriert, um ein Signal oder Signale auszugeben, die die zweidimensionale Intensitätsabbildung von eine Gastemperatur kennzeichnenden Wellenlängen kennzeichnen. Ferner ist die Steuereinrichtung 46 konfiguriert, um die Signale zu empfangen und mehrere zweidimensionale Temperaturkarten von dem Gas 80 innerhalb des Volumens 93 zu erzeugen. Zum Beispiel kann die Steuereinrichtung 46 eine zweidimensionale Temperaturkarte von dem Gas 80 entlang einer Ebene senkrecht zu dem Sichtfeld jeder Anordnung erzeugen, ähnlich wie bei der im Zusammenhang mit 3 vorstehend beschriebenen Konfiguration. In weiteren Ausführungsformen kann die Steuereinrichtung 46 eine Reihe 112 von zweidimensionalen Temperaturkartenschnitten durch das Volumen 93 auf der Basis der Signale erzeugen. Eine derartige Ausführungsform kann verfeinerte Daten in Bezug auf die Temperaturverteilung innerhalb des Gases 80 liefern, wodurch ein effizienterer Betrieb des Turbinenantriebs 10 ermöglicht wird.
Zum Beispiel kann die Steuereinrichtung 46 tomografische Methoden verwenden, um eine zweidimensionale Temperaturkarte von dem Gas 80 innerhalb einer zu der Umfangsrichtung 52 senkrechten Ebene zu berechnen. In derartigen Ausführungsformen empfängt jedes Detektorarray 96, 102 und 108 eine zweidimensionale Intensitätsabbildung des Gases entlang einer Ebene, die senkrecht zu dem jeweiligen Sichtfeld verläuft, in einem ersten Zeitpunkt. Die Steuereinrichtung 46 kann diese Intensitätsabbildungen verwenden, um einen ersten Schnitt 114 durch das Volumen 93 unter Verwendung verschiedener tomografischer Methoden, wie beispielsweise Finite-Expansions-Rekonstruktionsverfahren, algebraischer Rekonstruktionsmethoden (ART), Maximum-Likelihood-Expectation-Maximization(MLEM)-Verfahren, iterativer Rekonstruktion, statistischer Rekonstruktionsmethoden oder anderer geeigneter Rekonstruktionsmethoden, zu erzeugen.
Wie vorstehend erläutert, kann das Gas 80 in der Umfangsrichtung 52 durch die Turbine 80 umlaufen. Folglich kann ein zweiter zweidimensionaler Temperaturkartenschnitt 116 durch das Volumen 93 durch Erfassung zweidimensionaler Intensitätsabbildungen in einem zweiten Zeitpunkt berechnet werden, und ein dritter Schnitt 118 kann berechnet werden, indem zweidimensionale Intensitätsabbildungen in einem dritten Zeitpunkt erfasst werden. Wie vorstehend erläutert, kann die Integrationszeit kürzer als ungefähr 10, 5, 3, 2, 1 oder 0,5 Mikrosekunden oder geringer sein, und die zweidimensionalen Intensitätsabbildungen können mit einer Frequenz erfasst werden, die größer ist als ungefähr 100.000, 200.000, 400.000, 600.000, 800.000 oder 1.000.000 Hz oder mehr. Als Ergebnis kann die Reihe von Schnitten 112 eine genaue Rekonstruktion der Temperaturverteilung innerhalb des Gases 80 liefern. Ferner können die hohe Frequenz und die kurze Integrationszeit in Kombination mit verschiedenen dreidimensionalen tomografischen Methoden der Steuereinrichtung 46 ermöglichen, eine dreidimensionale Temperaturkarte 120 von dem Gas 80 innerhalb des Volumens 93 zu erzeugen. Die resultierende dreidimensionale Temperaturkarte 120 des Gases kann verwendet werden, um den Turbinenantrieb während des Betriebs zu steuern, um den Wirkungsgrad zu verbessern, Emissionen zu reduzieren und/oder die Nutzungslebensdauer der Turbinenkomponente zu erhöhen.
Während in den veranschaulichten Ausführungsformen drei Wellenlängenaufteilungsvorrichtung/Detektorarray-Anordnungen enthalten sind, sollte erkannt werden, dass in alternativen Ausführungsformen mehrere oder wenigerer Anordnungen verwendet werden können. Zum Beispiel können bestimmte Ausführungsformen 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehrere Anordnungen enthalten, um unterschiedliche Perspektiven des Volumens 93 zu erfassen. Wie verständlich ist, kann mit einer größeren Anzahl von Anordnungen eine genauere Rekonstruktion der Temperaturverteilung innerhalb des Volumens 93 hervorgebracht werden. In weiteren Ausführungsformen können mehrere Wellenlängenaufteilungsvorrichtungen mit einem einzigen Detektorarray optisch verbunden sein, das einen Multiplexer enthält, um Bilder von jeder Wellenlängenaufteilungsvorrichtung gleichzeitig oder sequenziell zu erfassen. In noch weiteren Ausführungsformen können mehrere optische Verbindungen 38, die sich von mehreren Betrachtungsöffnungen 40 zu einer einzigen Wellenlängenaufteilungsvorrichtung erstrecken, verwendet werden, um jede zweidimensionale Intensitätsabbildung zu erfassen, wie beispielsweise die in 2 veranschaulichte Konfiguration.
Alternative Ausführungsformen können eine einzige richtbare Wellenlängenaufteilungsvorrichtung/Detektorarray-Anordnung verwenden, um jede zweidimensionale Intensitätsabbildung zu erfassen, die verwendet wird, um die zweidimensionalen Temperaturkartenschnitte zu erzeugen. Zum Beispiel kann in manchen Ausführungsformen die Anordnung in mehrere Positionen überführbar sein, um mehrere Perspektiven des Gases 80 innerhalb des Volumens 93 zu erfassen. In weiteren Ausführungsformen kann die Anordnung eine bewegbare/drehbare reflektierende oder refraktive Vorrichtung (z. B. einen Spiegel, ein Prisma etc.) enthalten, um eine stationäre Anordnung in Richtung auf unterschiedliche Regionen des Gases 80 innerhalb des Volumens 93 zu richten. Aufgrund der Geschwindigkeit, mit der das Gas 80 in der Umfangsrichtung 52 umläuft, kann die mit der Neuausrichtung der Anordnung verbundene Verzögerung zu einer ungenauen Berechnung der Schnitte 112 führen. Folglich kann die Steuereinrichtung 46 konfiguriert sein, um das Detektorarray anzuweisen, Bilder während aufeinander folgender Umläufe des Gases 80 zu erfassen. Zum Beispiel kann die Drehgeschwindigkeit des Gases 80 der Rotationsgeschwindigkeit der Turbinenlaufschaufeln 65 im Wesentlichen ähnlich sein. Demgemäß kann die Steuereinrichtung 46 das Detektorarray anweisen, ein Bild von dem Gas 80 zu erfassen, wenn eine bestimmte Laufschaufel benachbart zu dem Array positioniert ist. Die Steuereinrichtung 46 kann dann die Anordnung in Richtung auf einen zweiten Bereich des Gases 80 neu ausrichten. Wenn die bestimmte Laufschaufel zu der zu dem Array benachbarten Position zurückkehrt, kann die Steuereinrichtung 46 das Detektorarray anweisen, ein zweites Bild zu erfassen. Diese Methode kann wiederholt werden, um mehrere Perspektiven von dem Gas 80 mit einer einzigen Anordnung zu erfassen. Nachdem jede zweidimensionale Intensitätsabbildung erfasst worden ist, kann die Steuereinrichtung 46 einen Temperaturkartenschnitt in der vorstehend beschriebenen Weise erschaffen. Weitere Schnitte können durch Wiederholung des Verfahrens für andere Laufschaufelpositionen erzeugt werden.
5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 122 zur Erzeugung einer Temperaturkarte von einem Gas und einer Temperaturkarte von einer durch das Gas hindurch beobachtbaren Oberfläche. Zunächst wird, wie durch den Block 124 dargestellt, ein Bild des Gases und der durch das Gas hindurch beobachtbaren Oberfläche empfangen. Wie vorstehend erläutert, kann das Bild aus einem Innenraum der Turbine 18 über eine Betrachtungsöffnung 40 und eine optische Verbindung 38 empfangen werden. In einer derartigen Konfiguration enthält das Gas das Abgas 48, das durch die Turbine 18 strömt, und die Oberfläche enthält eine Turbinenkomponente. Als nächstes wird das Bild in eine erste zweidimensionale Intensitätsabbildung von Wellenlängen, die eine Gastemperatur kennzeichnen, und eine zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung von Wellenlängen, die eine Oberflächentemperatur kennzeichnen, aufgeteilt, wie die durch den Block 126 dargestellt ist. Eine derartige Aufteilungsfunktion kann durch die Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 42 durchgeführt werden, die mit der Betrachtungsöffnung 40 in die Turbine 18 in optischer Verbindung steht. Signale, die die erste und die zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung kennzeichnen, werden anschließend ausgegeben, wie dies durch den Block 128 dargestellt ist. Zum Beispiel kann die Wellenlängenaufteilungsvorrichtung 42 mit einem oder mehreren Detektorarrays in optischer Verbindung stehen, die konfiguriert sind, um die Intensitätsabbildungen zu empfangen und ein jeweiliges Signal auszugeben.
In manchen Ausführungsformen werden eine erste zweidimensionale Temperaturkarte des Gases und eine zweite zweidimensionale Temperaturkarte der Oberfläche generiert, wie dies durch den Block 130 dargestellt ist. Zum Beispiel können die Detektorarrays mit der Steuereinrichtung 46 kommunikationsmäßig verbunden sein, und die Steuereinrichtung 46 kann konfiguriert sein, um die Signale zu empfangen und die zweidimensionalen Temperaturkarten auf der Basis der detektierten Intensität der ausgewählten Wellenlängen zu erzeugen. In weiteren Ausführungsformen können mehrere zweidimensionale Temperaturkarten des Gases erzeugt werden, wie dies durch den Block 132 dargestellt ist. Zum Beispiel kann das Abbildungssystem 36 mehrer Wellenlängenaufteilungsvorrichtung/Detektorarray-Anordnungen enthalten, und die Steuereinrichtung 46 kann eine zweidimensionale Temperaturkarte von dem Gas entlang einer Ebene senkrecht zu einem Sichtfeld jeder Anordnung erzeugen. In weiteren Ausführungsformen kann die Steuereinrichtung 46 eine Reihe von zweidimensionalen Temperaturkartenschnitten durch das Gas hindurch unter Verwendung tomografischer Methoden erzeugen. Schließlich kann, wie durch den Block 134 dargestellt, eine dreidimensionale Temperaturkarte des Gases erzeugt werden.
Die Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsform zu offenbaren und auch um jedem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.

In einer Ausführungsform enthält ein System 10 ein Abbildungssystem 36, das konfiguriert ist, um ein Bild eines Gases 80 und einer durch das Gas 80 hindurch beobachtbaren Oberfläche aus einem Innenraum einer Turbine 18 zu empfangen, um das Bild in eine erste zweidimensionale Intensitätsabbildung von Wellenlängen, die eine Temperatur des Gases 80 kennzeichnen, und eine zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung aus Wellenlängen, die eine Temperatur der Oberfläche kennzeichnen, aufzuteilen und Signale auszugeben, die die erste und die zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung kennzeichnen. Teileliste:

10	Gasturbinensystem
12	Brennstoffinjektor
14	Brennstoffzuführung
16	Brennkammer
18	Turbine
19	Welle
20	Abgasauslass
22	Verdichter
24	Einlass
26	Last
30	Luft
32	Komprimierte Luft
34	Brennstoff-Luft-Gemisch
36	Abbildungssystem
38	Optische Verbindung
40	Betrachtungsöffnung
42	Wellenlängenaufteilungsvorrichtung
44	Detektorarray
46	Steuereinrichtung
48	Abgas
50	Axialrichtung
52	Umfangsrichtung
54	Leitschaufel der ersten Stufe
56	Laufschaufel der ersten Stufe
58	Turbinenrotor
60	Leitschaufel der zweiten Stufe
62	Laufschaufel der zweiten Stufe
64	Endwand
66	Radialrichtung
68	Plattform
70	Schaft
72	Engelflügel
74	Turbinenmantel
76	Erste optische Verbindung
78	Zweite optische Verbindung
79	Dritte optische Verbindung
80	Gas
82	Linse
84	Sichtfeld
86	Filter
87	Erstes Detektorarray
88	Zweites Detektorarray
89	Sichtfeldrichtung
90	Erste zweidimensionale Temperaturkarte
91	Radiale Achse
92	Zweite zweidimensionale Temperaturkarte
93	Volumen
94	Erste Wellenlängenaufteilungsvorrichtung
95	Umfangsachse
96	Erstes Detektorarray
98	Erstes Sichtfeld
100	Zweite Wellenlängenaufteilungsvorrichtung
102	Zweites Detektorarray
104	Zweites Sichtfeld
106	Dritte Wellenlängenaufteilungsvorrichtung
108	Drittes Detektorarray
110	Drittes Sichtfeld
112	Reihe zweidimensionaler Temperaturkartenschnitte
114	Erster zweidimensionaler Temperaturkartenschnitt
116	Zweiter zweidimensionaler Temperaturkartenschnitt
118	Dritter zweidimensionaler Temperaturkartenschnitt
120	Dreidimensionale Temperaturkarte
122	Flussdiagramm des Verfahrens
124–134	Verfahrensschritte

Claims

System (10), das aufweist: eine Wellenlängenaufteilungsvorrichtung (42) die konfiguriert ist, um mit einem Innenraum einer Turbine (18) optisch zu kommunizieren und um ein Bild von dem Innenraum der Turbine (18) in eine erste zweidimensionale Intensitätsabbildung von Wellenlängen, die eine Temperatur eines Gases (80) kennzeichnen, und eine zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung von Wellenlängen, die eine Temperatur einer Oberfläche kennzeichnen, aufzuteilen; und ein Detektorarray (44) in optischer Verbindung mit der Wellenlängenaufteilungsvorrichtung (42), wobei das Detektorarray (44) konfiguriert ist, um Signale auszugeben, die die erste und zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung kennzeichnen.
System (10) nach Anspruch 1, das eine Steuereinrichtung (46) aufweist, die mit dem Detektorarray (44) kommunikationsmäßig verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung (46) konfiguriert ist, um eine erste zweidimensionale Temperaturkarte (90) des Gases (80) und eine zweite zweidimensionale Temperaturkarte (92) der Oberfläche auf der Basis der Signale zu erzeugen.
System (10) nach Anspruch 2, wobei die Steuereinrichtung (46) konfiguriert ist, um mehrere erste zweidimensionale Temperaturkarten (112) auf der Basis der Signale mittels thermografischer Methoden zu erzeugen.
System (10) nach Anspruch 3, wobei jede zweidimensionale Temperaturkarte (114, 116, 118) einen Schnitt durch ein Volumen (93), das das Gas (80) enthält, aufweist und wobei jeder Schnitt (114, 116, 118) senkrecht zu einer Umfangsachse (52) der Turbine (18) orientiert ist.
System (10) nach Anspruch 4, wobei die Steuereinrichtung (46) konfiguriert ist, um eine dreidimensionale Temperaturkarte (120) des Gases (80) innerhalb des Volumens (93) aus den mehreren Schnitten (112) zu erzeugen.
System nach Anspruch 1, wobei das Detektorarray (44) konfiguriert ist, um die Signale mit einer Frequenz auszugeben, die größer ist als ungefähr 100.000 Hz.
System 10 nach Anspruch 1, wobei die die Temperatur des Gases (80) kennzeichnenden Wellenlängen zwischen ungefähr 1,4 und 5 Mikrometer betragen und die die Temperatur der Oberfläche kennzeichnenden Wellenlängen zwischen ungefähr 0,5 und 2,4 Mikrometer betragen.
System (10) nach Anspruch 1, wobei die Wellenlängenaufteilungsvorrichtung (42) konfiguriert ist, um mit einer in die Turbine (18) führenden Betrachtungsöffnung (40) über ein Faserkabel oder ein abbildendes optisches System (38) optisch verbunden zu sein.
System (10) nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche eine Laufschaufel (56, 62), eine Leitschaufel (54, 60), eine Endwand (64), eine Plattform (68), einen Engelflügel (72) oder einen Mantel (74) aufweist.
System (10), das aufweist: ein Abbildungssystem (36), das konfiguriert ist, um ein Bild eines Gases (80) und einer durch das Gas (80) hindurch beobachtbaren Oberfläche aus einem Innenraum einer Turbine (18) zu empfangen, um das Bild in eine erste zweidimensionale Intensitätsabbildung von Wellenlängen, die eine Temperatur des Gases (80) kennzeichnen, und eine zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung von Wellenlängen, die eine Temperatur der Oberfläche kennzeichnen, aufzuteilen und um Signale auszugeben, die die erste und zweite zweidimensionale Intensitätsabbildung kennzeichnen.