DE102016106838B4

DE102016106838B4 - System zum Prognostizieren der verbleibenden Zünddauer einer Gasturbine

Info

Publication number: DE102016106838B4
Application number: DE102016106838.1A
Authority: DE
Inventors: Arun Meenakshinatha Iyer; Anand A. Kulkarni; Kevin Licata
Original assignee: Siemens Energy Inc
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2015-04-13
Filing date: 2016-04-13
Publication date: 2022-10-20
Anticipated expiration: 2036-04-14
Also published as: CN106050422A; CN106050422B; DE102016106838A1; US20160301880A1; US10101577B2

Abstract

Flash-Thermographieeinrichtung zum Erzeugen eines Infrarotbilds einer innerhalb einer Turbine befindlichen Turbinenkomponente, wobei die Turbine mindestens eine Inspektionsöffnung enthält, umfassend:eine Flash-Quelle, die einen Lichtimpuls erzeugt, der die Turbinenkomponente erwärmt;einen Infrarotsensor zum Detektieren von durch die Turbinenkomponente abgestrahlter Wärmeenergie;ein Endoskop mit einem Sensorende und einem Sichtende, wobei sich das Sensorende bei dem Infrarotsensor befindet und das Sichtende die Flash-Quelle enthält, wobei das Endoskop in der Inspektionsöffnung positioniert ist, um das Sichtende innerhalb der Turbine zu lokalisieren, und wobei die von der Turbinenkomponente abgestrahlte Wärmeenergie durch das Endoskop zum Infrarotsensor übertragen wird, um die Erzeugung des Infrarotbilds zu ermöglichen; undeinen Reflektor, der den Lichtimpuls zur Turbinenkomponente lenkt, wobei sich der Reflektor am Sichtende befindet.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese vorliegende Patentanmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung 14/684,471 , deren Offenbarungsinhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Flash-Thermographieeinrichtungen, die in Verbindung mit Turbinen verwendet werden, und insbesondere eine Flash-Thermographieeinrichtung, die ein Endoskop enthält, das in einer Inspektionsöffnung einer Turbine derart positioniert ist, dass ein Sichtende der Einrichtung in die Turbine eingeführt wird, um die Erzeugung eines Infrarotbilds einer sich innerhalb einer Turbine befindlichen Heißgasfahrtkomponente zu ermöglichen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
In verschiedenen mehrstufigen Turbomaschinen, die für die Energieumwandlung verwendet werden, wie etwa Gasturbinen, wird ein Fluid verwendet, um Drehbewegung zu erzeugen. Unter Bezugnahme auf 1 enthält eine Axialstromgasturbine 10 eine Verdichtersektion 12, eine Verbrennungssektion 14 und eine Turbinensektion 16, entlang einer horizontalen Mittelachse 18 angeordnet. Die Verdichtersektion 12 liefert einen komprimierten Luftstrom an die Verbrennungssektion 14, wo die Luft mit einem Treibstoff wie etwa Erdgas gemischt wird und gezündet wird, um ein heißes Arbeitsgas zu erzeugen. Die Turbinensektion 16 enthält mehrere Turbinenlaufschaufeln 20, die in mehreren Reihen angeordnet sind. Das heiße Gas expandiert durch die Turbinensektion 16, wo es durch assoziierte stationäre Leitschaufeln 22 über die Reihen von Laufschaufeln 20 gelenkt wird. Die Laufschaufeln 20 sind jeweils als eine Laufschaufelbaugruppe konfiguriert, die an einer Welle angebracht ist, die um die Mittelachse 18 gedreht werden kann. Während das heiße Gas durch die Turbinensektion 16 hindurchtritt, bewirkt das Gas, dass sich die Laufschaufeln 20 und somit die Welle drehen, wodurch mechanische Arbeit bereitgestellt wird. Jede Reihe von Laufschaufeln 20 mit assoziierten Leitschaufeln 22 bildet eine Stufe. Insbesondere kann die Turbinensektion 16 vier Reihen von Laufschaufeln 20 und assoziierten Leitschaufeln 22 enthalten, um vier Stufen zu bilden. Die Gasturbine 10 enthält weiterhin eine Abgaszylindersektion 24, die sich bei der Turbinensektion 16 befindet, und eine äußere Diffusorsektion 26, die sich bei der Abgaszylindersektion 24 befindet.
Die Laufschaufeln oder Profile 20 und Leitschaufeln 22 sind den heißen Gasen direkt ausgesetzt, während die Gase durch die Axialgasturbine 10 hindurchtritt. Laufschaufeln 20 und Leitschaufeln 22 in der Turbinensektion 16 sind typischerweise mit internen Kühlkreisläufen versehen, die ein Kühlmittel wie etwa Verdichterzapfluft durch sie leiten, um lokal auf ihre internen Metalloberflächen aufzutreffen, wodurch ausreichend Kühlung bereitgestellt wird, um die Lebensdauer des Teils sicherzustellen. In gewissen Szenarien können diese Kühlkreisläufe schließlich in den Gasweg durch verschiedene Filmkühllöcher austreten, die auf der Oberfläche des Profils ausgebildet sind. Die Luft wird dann zur Außenseite des Profils ausgetragen, um einen Luftfilm zu bilden, der das Profil kühlt und vor heißen Gasen schützt. Die Filmkühleffektivität steht in Beziehung zu der Konzentration von Filmkühlfluid an der Oberfläche, die gekühlt wird, der Gestalt der Löcher und anderen Faktoren. Im Allgemeinen kann die Oberfläche umso effizienter gekühlt werden, je größer die Kühleffektivität ist. Eine Zunahme bei der Kühleffektivität bewirkt, dass größere Mengen an Kühlluft verwendet werden, um eine gewünschte Kühlkapazität aufrechtzuerhalten, was eine Abnahme bei der Motoreffizienz bewirken kann.
Außerdem können Sektionen der Turbine 10, die einen Heißgaspfad bilden, eine keramikbasierte Beschichtung enthalten, die dazu dient, die Exposition des Basismetalls einer Komponente wie etwa eines Profilbasismetalls gegenüber hohen Temperaturen zu minimieren, die zu Oxidation des Basismetalls führen können. Eine derartige Beschichtung kann eine bekannte Wärmedämmschicht (TBC - Thermal Barrier Coating) sein, die auf eine auf dem Basismetall ausgebildete Bondschicht (BC - Bond Coating) aufgebracht wird.
Während des Betriebs der Turbine 10 können sich die Kühllöcher zusetzen oder blockiert werden. Dies beeinträchtigt die Fähigkeit zum Kühlen einer Profiloberfläche, was zu einer unerwünschten Überhitzung des Basismetalls führen kann. Zudem kann ein Abplatzen und/oder eine Delaminierung der TBC-Schicht oder sowohl der TBC- als auch der BC-Schicht während des Betriebs der Turbine auftreten. Dies exponiert auch das Basismetall gegenüber hohen Temperaturen, was zu Oxidation des Basismetalls führen kann. Das Abplatzen und/oder die Delaminierung können auch die Kühllochgeometrie und somit die Effektivität der Kühllöcher beeinflussen.
Eine Turbine 10 wird typischerweise über längere Perioden betrieben und wird in periodischen Intervallen untersucht, um sie auf Abnutzung, Beschädigung und andere unerwünschte Bedingungen zu prüfen, die bezüglich verschiedener interner Komponenten aufgetreten sein können. Beispielsweise werden die Kühllöcher untersucht, um zu bestimmen, ob irgendwelche blockiert sind. Außerdem werden die TBC-/BC-Schichten untersucht, um den Grad an Abplatzen und/oder Delamination der TBC-/BC-Schichten (d.h. die Restdicke der Schichten) und andere unerwünschte Bedingungen zu bestimmen. Zum Untersuchen von Komponenten innerhalb der Turbine 10 wird die Turbine 10 abgeschaltet und abkühlen gelassen, was erhebliche Zeit benötigt. Ein Untersuchungs-/Auswertungsteam muss dann Hardware von der Turbine 10 wie etwa ein Außengehäuse entfernen, um Zugang zu einer Turbinenkomponente (beispielsweise eine Leitschaufel oder eine Laufschaufel von Stufe 1 oder Stufe 2) zu erhalten. Die Turbinenkomponente wird dann entfernt und kann getrennt werden, damit die Kühllöcher und/oder die TBC- und BC-Schichten visuell untersucht werden können. Schließlich wird die getrennte Turbinenkomponente durch eine neue Turbinenkomponente ersetzt. Die gegenwärtige Prozedur ist jedoch arbeitsintensiv, zeitraubend und teuer.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Flash-Thermographieeinrichtung zum Erzeugen eines Infrarotbilds einer sich in einer Turbine befindlichen Turbinenkomponente wird offenbart, wobei die Turbine mindestens eine Inspektionsöffnung enthält. Die Einrichtung enthält eine Flash-Quelle, die einen Lichtimpuls erzeugt, der die Turbinenkomponente erwärmt, und einen Infrarotsensor zum Detektieren von durch die Turbinenkomponente abgestrahlter Wärmeenergie. Die Einrichtung enthält auch ein Endoskop mit einem Sensorende, ein Sichtende und einen Innenhohlraum, der sich zwischen dem Sensor- und dem Sichtende erstreckt. Das Sensorende befindet sich bei dem Infrarotsensor, und das Sichtende enthält die Flash-Quelle. Das Endoskop ist derart in der Inspektionsöffnung positioniert, dass sich das Sichtende innerhalb der Turbine befindet. Von der Turbinenkomponente abgestrahlte Wärmeenergie wird durch den Hohlraum zum Infrarotsensor übertragen, um die Erzeugung des Infrarotbilds zu ermöglichen. Die Einrichtung enthält weiterhin einen Reflektor, der sich am Sichtende befindet, der den Lichtimpuls zu der Turbinenkomponente lenkt, und eine Flash-Stromversorgung zum Bestromen der Flash-Quelle. Insbesondere erzeugt die Einrichtung Infrarotbilder einer Turbinenkomponente, die ausreichend Detail von internen Merkmalen der Turbinenkomponente und von auf der Komponente ausgebildeten Bond-/Wärmeschutzschichten liefern, ohne die Notwendigkeit zum Entfernen der Komponente aus der Turbine oder Trennen der Komponente.
Außerdem wird ein Verfahren offenbart zum Erzeugen eines Infrarotbilds einer innerhalb einer Turbine befindlichen Turbinenkomponente, wobei die Turbine mindestens eine Inspektionsöffnung enthält. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen einer Flash-Quelle, die einen Lichtimpuls erzeugt, der die Turbinenkomponente erwärmt. Das Verfahren beinhaltet auch das Bereitstellen eines Infrarotsensors zum Detektieren von durch die Turbinenkomponente abgestrahlter Wärmeenergie. Außerdem ist ein Endoskop vorgesehen, das ein Sichtende und einen Innenhohlraum enthält, der sich zu dem Infrarotsensor erstreckt. Das Endoskop wird in die Inspektionsöffnung eingeführt, um das Sichtende innerhalb der Turbine zu lokalisieren. Weiterhin beinhaltet das Verfahren das Übertragen von von der Tubinenkomponente abgestrahlter Wärmeenergie durch den Hohlraum zum Infrarotsensor, um die Erzeugung des Infrarotbilds zu ermöglichen.
Figurenliste
Die Lehren der vorliegenden Offenbarung können durch Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ohne Weiteres verstanden werden. Es zeigen:

1 eine Teilansicht einer Axialstrom-Gasturbine,
2 eine Flash-Thermographieeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
3 eine Querschnittsseitenansicht eines Endoskops der Einrichtung,
4 ein Sichtende des Endoskops entlang der Sichtlinie 4-4 von 3,
5 eine Teilquerschnittsansicht einer beispielhaften Inspektionsöffnung,
6 ein Infrarotbild einer Turbinenlaufschaufel der Stufe 2, das interne Kühlkanäle der Laufschaufel darstellt,
7 ein Infrarotbild einer Wärmeschutzschicht für eine Leitschaufel der Stufe 1 und
8 ein Blockdiagramm eines Computers.

Zur Erleichterung des Verständnisses sind identische Bezugszahlen verwendet worden, wo möglich, um identische Elemente zu bezeichnen, die den Figuren gemeinsam sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wenngleich hier verschiedene Ausführungsformen, die die Lehren der vorliegenden Offenbarung beinhalten, ausführlich gezeigt und beschrieben worden sind, kann sich der Fachmann ohne Weiteres viele andere unterschiedliche Ausführungsformen ausdenken, die immer noch diese Lehren enthalten. Der Schutzbereich der Offenbarung ist nicht auf ihre Anwendung auf die Ausführungsbeispielsdetails von Konstruktion und die Anordnung von Komponenten beschränkt, die in der Beschreibung dargelegt oder in den Zeichnungen dargestellt sind. Die Offenbarung umfasst andere Ausführungsformen und kann auf unterschiedliche Weisen praktiziert oder ausgeführt werden. Außerdem versteht sich, dass die hierin verwendete Ausdrucksweise und Terminologie dem Zweck der Beschreibung dient und nicht als beschränkend angesehen werden sollte. Die Verwendung von „enthaltend“, „umfassend“ oder „mit“ und Variationen davon hierin sollen die danach aufgeführten Gegenstände und Äquivalente davon sowie zusätzliche Gegenstände einschließen. Sofern nicht anderweitig spezifiziert oder beschränkt, werden die Ausdrücke „montiert“, „verbunden“, „gestützt“ und „getragen“ und Varianten davon in breitem Sinne verwendet und umfassen direkte und indirekte Montierungen, Verbindungen, Stützen und Kopplungen. Weiterhin sind „verbunden“ und „gekoppelt“ nicht auf physische oder mechanische Verbindungen oder Kopplungen beschränkt.
Unter Bezugnahme auf 2 ist eine Flash-Thermographieeinrichtung 28 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Einrichtung 28 enthält einen Infrarotsensor (IR-Sensor) 30 zum Detektieren von Wärmeenergie im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums. Bei einer Ausführungsform ist der IR-Sensor 30 eine IR-Kamera wie etwa eine digitale Spiegelreflexkamera (D-SLR), wenngleich es sich versteht, dass andere Arten von IR-Sensoren verwendet werden können. Die Einrichtung 28 enthält auch ein Endoskop 32 mit einem Sensorende 34, das an den IR-Sensor 30 angebracht ist, und ein Sichtende 36, das ein Blickfeld 38 für den IR-Sensor 30 liefert. Unter Bezugnahme auf 3 wird eine Querschnittsseitenansicht des Endoskops 32 gezeigt. Das Endoskop 32 enthält ein starres Rohr 40 mit einem inneren hohlen Abschnitt 42, der sich durch das Rohr 40 zwischen dem Sensorende 34 und dem Sichtende 36 erstreckt. Eine erste Linse 42 befindet sich im Sichtende 36 und eine zweite Linse 44 am Sensorende 34, das sich bei dem IR-Sensor 30 befindet. Bei einer Ausführungsform sind die erste 42 und zweite Linse 44 jeweils Objektivlinsen, wenngleich es sich versteht, dass andere Arten von Linsen verwendet werden können. Weiterhin kann die erste Linse 42 eine andere Art von Linse sein als die zweite Linse 44. Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Rohr 40 flexibel.
Wieder unter Bezugnahme auf 2 befindet sich eine Flash-Quelle 46, die einen hochintensiven Lichtimpuls liefert, am Sichtende 36 des Endoskops 32. Bei einer Ausführungsform ist die Flash-Quelle 46 ein Flash-Rohr, wenngleich zu verstehen ist, dass andere Arten von Flash-Quellen verwendet werden können. Die Flash-Quelle 46 wird über eine elektrische Verbindung 50, die Drähte oder Kabel enthalten kann, durch eine Flash-Stromquelle 48 bestromt. Bei einer Ausführungsform besitzt die Flash-Stromquelle 48 eine Nennleistung von etwa 1000 bis 5000 Joule. Bei Bestromung emittiert die Flash-Quelle 46 einen hochintensiven Lichtimpuls über ein Werkstück, der dazu dient, das Werkstück zu erwärmen. Ein Teil der durch das Werkstück abgestrahlten Wärmeenergie wird dann durch die erste Linse 42, den hohlen Abschnitt 42 und die zweite Linse 44 übertragen und wird durch den IR-Sensor 30 detektiert. Das Endoskop 32 enthält einen am Sichtende 36 befindlichen IR-Filter 52, um die Detektion von Wärmeenergie durch den IR-Sensor 30 zu ermöglichen, die sich im mittleren Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums befindet. Der IR-Sensor 30 ist konfiguriert zum Erzeugen von IR-Bildern in dem Werkstück auf der Basis der abgestrahlten Wärmeenergie. Der IR-Sensor 30 kann auch konfiguriert sein, zusätzlich oder anstelle des Infrarotbereichs des elektromagnetischen Spektrums Bilddaten bei anderen Frequenzen zu erhalten. Zudem kann das Endoskop 32 einen Reflektor 54 enthalten, der sich an dem Sichtende 36 befindet, um den Lichtimpuls in einer gewünschten Richtung auf das Werkstück zu richten und zu konzentrieren.
Unter Bezugnahme auf 4 wird eine Ansicht des Sichtendes 36 des Endoskops 32 entlang einer Sichtlinie 4-4 von 3 gezeigt. Die Flash-Quelle 46 kann eine Ringgestalt mit einer zentralen Öffnung 56 besitzen, die das Sichtende 36 aufnimmt. Bei einer alternativen Konfiguration kann die Flash-Quelle 46 aus mehreren Ringsektoren 58 bestehen. Es versteht sich, dass andere Arten von Flash-Quellen verwendet werden können, wie etwa weiße Leuchtdioden.
Eine Turbine enthält mehrere Inspektionsöffnungen, die sich um eine Turbinenperipherie oder ein Außengehäuse herum befinden. Die Inspektionsöffnungen sind so positioniert, dass sie die Inspektion von verschiedenen internen Komponenten und Bereichen der Turbine gestatten, ohne ein Außengehäuse oder eine Abdeckung der Turbine zu entfernen. Beispielhaft befinden sich die Inspektionsöffnungen so, dass die Inspektion von Brennkammern, Übergängen, Übergangsaustrittsmündung, Leitschaufeln und Laufschaufeln der Reihe 1 und Laufschaufeln der Reihe 2 einer Turbine ermöglicht wird. Unter Bezugnahme auf 5 wird eine Teilquerschnittsansicht einer beispielhaften Inspektionsöffnung 60 gezeigt. Die Öffnung 60 kann eine bereits existierende Öffnung oder eine in einem Außengehäuse 62 einer Turbine 10 ausgebildete neue Öffnung sein. Die Öffnung 60 enthält ein Durchgangsloch 64,
das Zugang zu einem Inneren 66 der Turbine 10 gestattet. Bei einer alternativen Ausführungsform können mehrere Inspektionsöffnungen 60 verwendet werden. Beispielsweise können sich die Inspektionsöffnungen 60 in einer Umfangs- und/oder versetzten Anordnung um das Außengehäuse 62 herum befinden. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung wird das Endoskop 32 in die Inspektionsöffnung 60 eingeführt. Um ein IR-Bild einer Komponente 68 wie etwa eines Profils 20 zu erhalten, wird die Flash-Quelle 46 durch die Flash-Stromversorgung 48 bestromt, wodurch bewirkt wird, dass die Flash-Quelle 46 einen Lichtimpuls emittiert, der die Komponente 68 erwärmt. Ein Teil der durch die Komponente 68 abgestrahlten Wärmeenergie wird dann durch den IR-Sensor 30 detektiert. Der IR-Sensor 30 erzeugt IR-Bilder der Komponente 68 auf der Basis der durch die Komponente 68 abgestrahlten Wärmeenergie. Somit können IR-Bilder ohne Entfernen eines Außengehäuses 62 oder eine andere Demontage der Turbine 10 erfasst werden, um Zugang zu der Komponente 68 zu erhalten. Weiterhin können die IR-Bilder in situ erhalten werden, das heißt, ohne dass die abzubildende Komponente 68 von der Turbine 10 entfernt werden muss, was zu erheblichen Zeiteinsparungen führt. Bei einer Ausführungsform kann die Komponente 68 eine Heißgaspfadkomponente wie etwa eine Brennkammer, ein Übergang, eine Leitschaufel 22, eine Laufschaufel 20 oder eine assoziierte Komponente sein.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass durch die Einrichtung 28 erhaltene IR-Bilder einer Komponente 68 ausreichend Detail der internen Merkmale der Komponente 68 liefern, um eine Auswertung durch ein Inspektions-/Auswertungsteam zu ermöglichen, ohne dass die Komponente 68 getrennt werden muss. Weiterhin erzeugt die Einrichtung 28 IR-Bilder mit ausreichendem Detail, um eine Bestimmung einer Dicke einer auf der Komponente 68 ausgebildeten BC- 70 oder TBC-72 Schicht zu ermöglichen. Deshalb ermöglicht die vorliegende Erfindung eine zerstörungsfreie Prüfung (NDE - Non-Destructive Evaluation) von Turbinenkomponenten.
Eine Turbine 10 wird typischerweise in periodischen Intervallen inspiziert, wobei dann die Turbine abgeschaltet ist. Die Einrichtung 28 ermöglicht das Erfassen von IR-Bildern von Komponenten 68, bevor die Komponenten 68 abgekühlt sind, was zu weiteren Zeiteinsparungen führt. Insbesondere erwärmt die Flash-Quelle 46 eine gewünschte Komponente 68 ausreichend, um eine Detektion von abgestrahlter Wärmeenergie durch den IR-Sensor 30 zu ermöglichen, während die Komponente 68 immer noch relativ heiß ist. Bei einer Ausführungsform können IR-Bilder innerhalb etwa 5 Minuten nach dem Abschalten der Turbine aufgenommen werden. Weiterhin benötigt das Erfassen eines IR-Bilds relativ wenig Zeit, beispielsweise etwa 5 Sekunden.
Beispielhaft zeigt 6 ein IR-Bild einer Laufschaufel 74 von Stufe 2, das interne Kühlkanäle 76 der Laufschaufel 74 offenbart. Außerdem kann ein IR-Bild einer TBC-Schicht 72 an Laufschaufeln der Stufe 1 und Stufe 2 und/oder Leitschaufeln der Stufe 1 und Stufe 2 erfasst werden, was die Bestimmung des Grads an Abplatzen und/oder Delaminierung der TBC-Schicht 72 ermöglicht. Unter Bezugnahme auf 7 wird ein IR-Bild einer TBC-Schicht 72 für eine Leitschaufel 78 der Stufe 1 gezeigt. Das Gebiet 80 zeigt eine Delaminierung der TBC-Schicht 72, die nahe Kühllöchern 82 aufgetreten ist. 7 dient als ein tomografisches Bild, das die Tiefe der TBC-Schicht 72 darstellt. Die Einrichtung 28 ermöglicht eine Bestimmung der Dicke der BC- 70/TBC- 72 Schichten durch ein Inspektions-/Auswertungsteam, um das Ausmaß eines etwaigen Abblätterns der BC- 70/TBC- 72 Schichten, das möglicherweise aufgetreten ist, zu beurteilen. Insbesondere ist die Offenbarung von US-Patent Nr. 7,769,201 hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gänze aufgenommen.
Falls die BC- 70/TBC- 72 Schichten akzeptabel sind, wird die Turbine 10 in den Dienst/Betrieb zurückgeschickt, ohne eine zeitverbrauchende Abkühlperiode und die Demontage der Turbine 10 zu warten. Falls an den BC- 70/TBC- 72 Schichten eine signifikante Beschädigung vorliegt, kann das Inspektions-/Auswertungsteam schnell eine Entscheidung dahingehend treffen, die Wartung zu beauftragen, um eine Beschädigung einer Turbinenkomponente aufgrund des Verlusts von BC- 70/TBC- 72 Schichten zu vermeiden.
Beispielsweise beträgt eine Dauer des durch die Flash-Quelle 46 emittierten Lichtimpulses je nach der Dicke einer BC- 70 oder TBC- 72 Schicht zwischen etwa 2 und 15 Millisekunden. Die zum Detektieren der abgestrahlten Wärmeenergie verwendete Zeitlänge (d.h. Signalsammelzeit) hängt von den Charakteristika der Komponente 68 ab, die abgebildet wird. Bezüglich der BC- 70 /TBC- 72 Schichten beispielsweise ist die Signalsammelzeit für eine dicke Beschichtung (d.h. eine Beschichtung von etwa 600µm bis 2mm) länger als die für eine dünne Beschichtung (d.h. eine Dicke von etwa 150µm bis 600µm). Bei einer Ausführungsform beträgt die Signalsammelzeit für eine dünne Beschichtung bei Verwendung eines Lichtimpulses mit etwa 2 Millisekunden Dauer etwa 2 Sekunden. Die Signalsammelzeit für eine dicke Beschichtung beträgt bei Verwendung eines Lichtimpulses mit etwa 15 Millisekunden Dauer etwa 15 Sekunden.
Die Einrichtung 28 kann auch zum Erfassen von IR-Bildern von Kühllöchern eines Profils 20 oder einer Leitschaufel 22 verwendet werden. Während des Betriebs können die Kühllöcher eines Profils 20 aufgrund von Verdichtereinlassabrieb verstopft werden, der stromabwärts in die Turbine 10 gezogen wird. Durch Betrachten eines IR-Bilds der Kühllöcher kann das Inspektions-/Auswertungsteam schnell das Ausmaß einer etwaigen Verstopfung der Kühllöcher (d.h., ob die Kühllöcher teilweise oder vollständig verstopft sind) und eine etwaige Auswirkung, die die Verstopfung auf den fortgesetzten Betrieb der Turbine haben würde, beurteilen. Außerdem können mit den IR-Bildern dreidimensionale Ansichten eines Kühllochs erzeugt werden.
IR-Bilder können auch von stationären Turbinenkomponenten erfasst werden. Beispielsweise kann ein IR-Bild von beschichteten stationären Turbinenkomponenten einschließlich Heißgaspfadkomponenten, wie etwa Leitschaufeln der Stufe 1 oder 2, eines Übergangsstücks und anderen, erhalten werden. Dies ermöglicht eine Auswertung oder Abschätzung von Turbinencharakteristika wie etwa Rückstromspielraum und die Modulation von Kühlströmen. Insbesondere ist die Turbine 10 möglicherweise konservativ ausgelegt worden, so dass ein Anfangsgrad des Kühlstroms den Grad übersteigt, der für ausreichende Kühlung benötigt wird. Die vorliegende Erfindung kann dann verwendet werden, um den Rückstromspielraum bald nach dem Abschalten zu schätzen, ohne eine Abkühlperiode zu warten, um eine Verstellung des Kühlstroms zu ermöglichen und die Turbinenleistung für den zukünftigen Turbinenbetrieb zu verbessern. Weiterhin kann ein IR-Bild von beschichteten, sich drehenden Komponenten wie etwa Laufschaufeln der heißen Stufe 1 oder Stufe 2 bald nach einem Abschalten der Turbine und ohne Abwarten einer Abkühlperiode erhalten werden. Aufpralldruckverhältnisse, die Basismetalltemperaturänderungen von kritischen Turbinenkomponenten wie etwa Heißgaswegkomponenten anzeigen, können ebenfalls bald nach dem Turbinenabschalten und ohne Abwarten einer Abkühlperiode geschätzt werden. Dies liefert eine Gelegenheit zum Erweitern mindestens eines Wartungsintervalls für die Turbine 10, falls der Grad an Verschlechterung einer Turbinenkomponente niedriger ist als erwartet. Zudem kann der Betrieb der Turbine 10 aufgrund der vorliegenden Erfindung über nominelle oder erwartete Grenzen erweitert werden, wodurch erweiterte Wartungsintervalle bei Kunden ermöglicht werden. Außerdem ermöglicht die vorliegende Erfindung das Vorhersagen oder Schätzen einer verbleibenden Nutzungsdauer von Turbinenkomponenten und TBC-/BC-Schichten ohne Abwarten einer Abkühlperiode und ohne Demontage eines Abschnitts der Turbine 10 wie etwa einer Turbinenschalenabdeckung. Weiterhin kann eine Brenntemperatur für die Turbine 10 während des Betriebs der Turbine 10 auf der Basis einer Inspektion von IR-Bildern der Turbinenkomponenten erhöht werden, wodurch die Effizienz und Leistungsabgabe verbessert werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch ein Überwachen von TBC-/BC-Dicken-/Delaminierungsniveaus, was wiederum die Vorhersage ermöglicht, ob die Turbine 10 in der Lage ist, einen Grad an Absplittern in den TBC-/BC-Schichten standzuhalten, die möglicherweise auftreten, indem die Basismetalltemperatur geschätzt wird. Informationen wie etwa eine Rückstrommessung, Druckverhältnis und andere können ebenfalls an ein Designteam in Echtzeit geschickt werden, um die Auswertung des aktuellen Turbinenkühldesigns zu ermöglichen und mögliche Designänderungen zu untersuchen, um die Effizienz und Leistung der Turbine zu verbessern. Weiterhin können IR-Bilder von Turbinenkomponenten während des Betriebs der Turbine erfasst werden.
Wieder unter Bezugnahme auf 2 sind der IR-Sensor 30 und die Flash-Stromversorgung 48 über eine verdrahtete Verbindung 83 oder eine drahtlose Verbindung kommunikativ an einen Computer 84 gekoppelt. Der Computer 84 enthält Software und Treiber zum Steuern des Betriebs des IR-Sensors 30, der Flash-Stromversorgung 48 und der Flash-Quelle 46. Der Computer 84 kann wohlbekannte Computerprozessoren, Speichereinheiten, Ablageeinrichtungen, Computersoftware und andere Komponenten verwenden. Ein Blockdiagramm eines derartigen Computers auf hoher Ebene ist in 8 dargestellt. Der Computer 84 kann eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 86, einen Speicher 88 und eine Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle (E/A-Schnittstelle) 90 enthalten. Der Computer 84 ist allgemein durch die E/A-Schnittstelle 90 an ein Display 92 zur Visualisierung und verschiedene Eingabeeinrichtungen 94 gekoppelt, die eine Benutzerinteraktion mit dem Computer 84 gestatten wie etwa Tastatur, Keypad, Touchpad, Touchscreen, Maus, Lautsprecher, Knöpfe oder eine beliebige Kombination davon. Unterstützungsschaltungen können Schaltungen wie etwa einen Cache, Stromversorgungen, Kontaktschaltungen und einen Kommunikationsbus beinhalten. Der Speicher 88 kann einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Festwertspeicher (ROM), ein Plattenlaufwerk, ein Bandlaufwerk und so weiter oder eine Kombination davon enthalten. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können als eine Routine 96 implementiert werden, die im Speicher 88 gespeichert ist und durch die CPU 86 ausgeführt wird, um das Signal von einer Signalquelle 98 zu verarbeiten. Als solches ist der Computer 84 ein Allzweckcomputersystem, das ein Spezialcomputersystem wird, wenn es die Routine 96 ausführt. Der Computer 84 kann mit einem oder mehreren Netzwerken wie etwa einem LAN (Local Area Network), einem allgemeinen WAN (Wide Area Network) und/oder einem öffentlichen Netzwerk (z.B. dem Internet) über einen Netzwerkadapter kommunizieren. Der Fachmann erkennt, dass eine Implementierung eines tatsächlichen Computers auch andere Komponenten enthalten könnte und dass 8 eine Darstellung einiger der Komponenten eines derartigen Computers auf hoher Ebene zu Veranschaulichungszwecken ist.
Der Computer 84 enthält auch ein Betriebssystem und Mikrobefehlscode. Die hierin beschriebenen verschiedenen Prozesse und Funktionen können entweder Teil des Mikrobefehlscodes oder Teil des Anwendungsprogramms (oder eine Kombination davon) sein, das über das Betriebssystem ausgeführt wird. Außerdem können verschiedene andere Peripherieeinrichtungen an die Computerplattform angeschlossen sein, wie etwa eine zusätzliche Datenablageeinrichtung und eine Druckeinrichtung. Zu Beispielen für wohlbekannte Rechensysteme, Umgebungen und/oder Konfigurationen, die zur Verwendung mit dem Computer 84 geeignet sein können, zählen unter anderem PC-Systeme, Server-Computersysteme, Thin Clients, Thick Clients, handgehaltene oder Laptop-Einrichtungen, Multiprozessorsysteme, mikroprozessorbasierte Systeme, Set-Top-Boxes, programmierbare Verbraucherelektronik, Netzwerk-PCs, Minicomputersysteme, Mainframe-Computersysteme und verteilte Cloud-Rechenumgebungen, die beliebige der obigen Systeme oder Einrichtungen und dergleichen enthalten.
Bei einigen Beispielen ist der Computer 84 innerhalb des IR-Sensors 30 oder Displays 92 angeordnet und wird als ein Teil dieses angesehen. Bei noch weiteren Beispielen kann sich der Computer 84 am gleichen Ort wie sowohl der IR-Sensor 30 als auch das Display 92 befinden. Bei einigen Beispielen werden Voll-2D-Bilder der Komponente 68, d.h. Composite-2D-Bilder, die alle 360° oder irgendeinen anderen gewünschten Teil der externen Oberflächen der Komponente 68 enthalten, aus mehreren individuellen Bildern oder Belichtungen, die durch den IR-Sensor 30 erhalten werden, für die nachfolgende Inspektion durch einen qualifizierten NDE-Inspektor/-Bediener zusammengestellt. Außerdem ist bei einigen Beispielen der Computer 84 konfiguriert zum Kombinieren mehrerer durch den IR-Sensor 30 erfasster Bilder der Komponente 68 und Ausbilden eines zusammengesetzten Bildes, das die Bilddaten jedes der mehreren Bilder wiedergibt.
Wenngleich bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dargestellt und beschrieben worden ist, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass verschiedene andere Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. In den beigefügten Ansprüchen sollen deshalb alle derartigen Änderungen und Modifikationen abgedeckt sein, die innerhalb des Schutzbereichs dieser Offenbarung liegen.
AUSFÜHRUNGSFORMEN:
1. Eine Flash-Thermographieeinrichtung zum Erzeugen eines Infrarotbilds einer innerhalb einer Turbine befindlichen Turbinenkomponente, wobei die Turbine mindestens eine Inspektionsöffnung enthält, umfassend:

eine Flash-Quelle, die einen Lichtimpuls erzeugt, der die Turbinenkomponente erwärmt;
einen Infrarotsensor zum Detektieren von durch die Turbinenkomponente abgestrahlter Wärmeenergie;
ein Endoskop mit einem Sensorende und einem Sichtende, wobei sich das Sensorende bei dem Infrarotsensor befindet und das Sichtende die Flash-Quelle enthält, wobei das Endoskop in der Inspektionsöffnung positioniert ist, um das Sichtende innerhalb der Turbine zu lokalisieren, und wobei die von der Turbinenkomponente abgestrahlte Wärmeenergie durch das Endoskop zum Infrarotsensor übertragen wird, um die Erzeugung des Infrarotbilds zu ermöglichen; und
einen Reflektor, der den Lichtimpuls zur Turbinenkomponente lenkt, wobei sich der Reflektor am Sichtende befindet.

2. Die Einrichtung nach Ausführungsform 1, wobei der Infrarotsensor eine Infrarotkamera ist.
3. Die Einrichtung nach Ausführungsform 1, wobei die Komponente eine Heißgaspfadkomponente ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer Brennkammer, einem Übergang, einer Leitschaufel und einer Laufschaufel.
4. Die Einrichtung nach Ausführungsform 1, weiterhin mit einem am Sichtende befindlichen Infrarotfilter, um die Detektion von Wärmeenergie zu ermöglichen, die sich im mittleren Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums befindet.
5. Die Einrichtung nach Ausführungsform 1, wobei eine Dauer des Lichtimpulses etwa 2 bis 15 Millisekunden beträgt.
6. Die Einrichtung nach Ausführungsform 5, wobei die Komponente eine dünne Beschichtung enthält und eine Signalsammelzeit für den Infrarotsensor etwa 2 Sekunden beträgt bei Verwendung eines Lichtimpulses mit einer Dauer von etwa 2 Sekunden.
7. Die Einrichtung nach Ausführungsform 5, wobei die Komponente eine dicke Beschichtung enthält und eine Signalsammelzeit für den Infrarotsensor etwa 15 Sekunden beträgt bei Verwendung eines Lichtimpulses mit einer Dauer von etwa 15 Sekunden.
8. Die Einrichtung nach Ausführungsform 1, wobei die Flash-Quelle mehrere Sektoren enthält.
9. Die Einrichtung nach Ausführungsform 1, wobei das Endoskop mindestens eine Linse enthält.
10. Die Einrichtung nach Ausführungsform 9, wobei die Linse eine Objektivlinse ist.
11. Eine Flash-Thermographieeinrichtung zum Erzeugen eines Infrarotbilds einer innerhalb einer Turbine befindlichen Turbinenkomponente, wobei die Turbine mindestens eine Inspektionsöffnung enthält, umfassend:

eine Flash-Quelle, die einen Lichtimpuls erzeugt, der die Turbinenkomponente erwärmt;
einen Infrarotsensor zum Detektieren von durch die Turbinenkomponente abgestrahlter Wärmeenergie;
ein Endoskop mit einem Sensorende, einem Sichtende und einem Innenhohlraum, der sich zwischen dem Sensor- und dem Sichtende erstreckt, wobei sich das Sensorende bei dem Infrarotsensor befindet und das Sichtende die Flash-Quelle enthält, wobei das Endoskop in der Inspektionsöffnung positioniert ist, um das Sichtende innerhalb der Turbine zu lokalisieren, und wobei die von der Turbinenkomponente abgestrahlte Wärmeenergie durch den Hohlraum zum Infrarotsensor übertragen wird, um die Erzeugung des Infrarotbilds zu ermöglichen;
einen Reflektor, der den Lichtimpuls zur Turbinenkomponente lenkt, wobei sich der Reflektor am Sichtende befindet, und
eine Flash-Stromversorgung zum Bestromen der Flash-Quelle.

12. Die Einrichtung nach Ausführungsform 11, wobei der Infrarotsensor eine Infrarotkamera ist.
13. Die Einrichtung nach Ausführungsform 11, wobei die Komponente ein Turbinenprofil ist.
14. Die Einrichtung nach Ausführungsform 11, weiterhin mit einem am Sichtende befindlichen Infrarotfilter, um die Detektion von Wärmeenergie zu ermöglichen, die sich im mittleren Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums befindet.
15. Die Einrichtung nach Ausführungsform 11, wobei eine Dauer des Lichtimpulses etwa 2 bis 15 Millisekunden beträgt.
16. Die Einrichtung nach Ausführungsform 15, wobei die Komponente eine dünne Beschichtung enthält und eine Signalsammelzeit für den Infrarotsensor etwa 2 Sekunden beträgt bei Verwendung eines Lichtimpulses mit einer Dauer von etwa 2 Sekunden.
17. Die Einrichtung nach Ausführungsform 15, wobei die Komponente eine dicke Beschichtung enthält und eine Signalsammelzeit für den Infrarotsensor etwa 15 Sekunden beträgt bei Verwendung eines Lichtimpulses mit einer Dauer von etwa 15 Sekunden.
18. Die Einrichtung nach Ausführungsform 11, wobei die Flash-Quelle mehrere Sektoren enthält.
19. Die Einrichtung nach Ausführungsform 11, wobei das Endoskop mindestens eine Linse enthält.
20. Ein Verfahren zum Erzeugen eines Infrarotbilds einer sich innerhalb einer Turbine befindlichen Turbinenkomponente, wobei die Turbine mindestens eine Inspektionsöffnung enthält, umfassend:

Bereitstellen einer Flash-Quelle, die einen Lichtimpuls erzeugt, der die Turbinenkomponente aufwärmt;
Bereitstellen eines Infrarotsensors zum Detektieren von durch die Turbinenkomponente abgestrahlter Wärmeenergie;
Bereitstellen eines Endoskops mit einem Sichtende und einem Innenhohlraum, der sich von dem Sichtende zum Infrarotsensor erstreckt;
Einführen des Endoskops in die Inspektionsöffnung, um das Sichtende innerhalb der Turbine zu lokalisieren; und
Übertragen von von der Turbinenkomponente abgestrahlter Wärmeenergie durch den Hohlraum zu dem Infrarotsensor, um das Erzeugen des Infrarotbilds zu ermöglichen.

21. Ein Verfahren zum Inspizieren einer sich in einem Turbinensystem befindlichen Turbinenkomponente, wobei die Turbine mindestens eine Inspektionsöffnung enthält, umfassend:

Bereitstellen einer Flash-Quelle, die einen Lichtimpuls erzeugt, der die Turbinenkomponente aufwärmt;
Bereitstellen eines Infrarotsensors zum Detektieren von durch die Turbinenkomponente abgestrahlter Wärmeenergie;
Bereitstellen eines Endoskops mit einem Sichtende und einem Innenhohlraum, der sich von dem Sichtende zum Infrarotsensor erstreckt;
Einführen des Endoskops in die Inspektionsöffnung, um das Sichtende innerhalb des Turbinensystems zu lokalisieren;
Übertragen von von der Turbinenkomponente abgestrahlter Wärmeenergie durch den Hohlraum zu dem Infrarotsensor, um das Erzeugen des Infrarotbilds zu ermöglichen; und Inspizieren einer Turbinencharakteristik.

22. Das Verfahren nach Ausführungsform 21, wobei die Turbinencharakteristik ein Rückstromspielraum für eine stationäre oder sich drehende Komponente mit einer Wärmeschutzschicht und/oder einer Bondschicht ist, wobei der Rückstromspielraum bald nach dem Abschalten des Turbinensystems ohne Abwarten einer Abkühlperiode geschätzt wird, wodurch eine Verstellung von modulierten Kühlströmen ermöglicht wird, um die Leistung für den zukünftigen Turbinenbetrieb zu verbessern.
23. Das Verfahren nach Ausführungsform 21, wobei die Turbinencharakteristik ein Aufpralldruckverhältnis ist, das bald nach dem Abschalten ohne Abwarten einer Abkühlperiode geschätzt wird.
24. Das Verfahren nach Ausführungsform 21, wobei die Inspektion der Turbinencharakteristik Informationen liefert, die verwendet werden, um eine Brenntemperatur während des Betriebs des Turbinensystems zu erhöhen, wodurch die Turbineneffizienz und die Leistungsabgabe verbessert werden.
25. Das Verfahren nach Ausführungsform 21, wobei die Inspektion der Turbinencharakteristik eine Bestimmung einer Nutzungsdauer der Turbinenkomponente ohne Abwarten einer Abkühlperiode und ohne Entfernen einer Turbinenschalenabdeckung ermöglicht.
26. Das Verfahren nach Ausführungsform 21, wobei die Turbinencharakteristik eine Wärmebarrierenschicht- und/oder eine Bondschichtdicke auf der Komponente und/oder ein Delaminierungsgrad ist, wobei die Turbinencharakteristik inspiziert wird, um eine Vorhersage zu ermöglichen, ob das Turbinensystem einem Grad an Absplittern in der Wärmedämmschicht und/oder Bondschicht standhalten kann, durch Schätzung der Basismetalltemperatur.
27. Das Verfahren nach Ausführungsform 21, wobei eine Inspektion der Turbinencharakteristik eine Echtzeitrückkopplung liefert, um Verbesserungen der Turbineneffizienz und Leistung zu ermöglichen.

Claims

Flash-Thermographieeinrichtung zum Erzeugen eines Infrarotbilds einer innerhalb einer Turbine befindlichen Turbinenkomponente, wobei die Turbine mindestens eine Inspektionsöffnung enthält, umfassend: eine Flash-Quelle, die einen Lichtimpuls erzeugt, der die Turbinenkomponente erwärmt; einen Infrarotsensor zum Detektieren von durch die Turbinenkomponente abgestrahlter Wärmeenergie; ein Endoskop mit einem Sensorende und einem Sichtende, wobei sich das Sensorende bei dem Infrarotsensor befindet und das Sichtende die Flash-Quelle enthält, wobei das Endoskop in der Inspektionsöffnung positioniert ist, um das Sichtende innerhalb der Turbine zu lokalisieren, und wobei die von der Turbinenkomponente abgestrahlte Wärmeenergie durch das Endoskop zum Infrarotsensor übertragen wird, um die Erzeugung des Infrarotbilds zu ermöglichen; und einen Reflektor, der den Lichtimpuls zur Turbinenkomponente lenkt, wobei sich der Reflektor am Sichtende befindet.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der Infrarotsensor eine Infrarotkamera ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Komponente eine Heißgaspfadkomponente ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer Brennkammer, einem Übergang, einer Leitschaufel und einer Laufschaufel.
Einrichtung nach Anspruch 1, weiterhin mit einem am Sichtende befindlichen Infrarotfilter, um die Detektion von Wärmeenergie zu ermöglichen, die sich im mittleren Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums befindet.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Dauer des Lichtimpulses etwa 2 bis 15 Millisekunden beträgt.
Einrichtung nach Anspruch 5, wobei die Komponente eine dünne Beschichtung enthält und eine Signalsammelzeit für den Infrarotsensor etwa 2 Sekunden beträgt bei Verwendung eines Lichtimpulses mit einer Dauer von etwa 2 Sekunden.
Einrichtung nach Anspruch 5, wobei die Komponente eine dicke Beschichtung enthält und eine Signalsammelzeit für den Infrarotsensor etwa 15 Sekunden beträgt bei Verwendung eines Lichtimpulses mit einer Dauer von etwa 15 Sekunden.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Flash-Quelle mehrere Sektoren enthält.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei das Endoskop mindestens eine Linse enthält.
Einrichtung nach Anspruch 9, wobei die Linse eine Objektivlinse ist.