专利名称：用于物体的热检测的系统及方法
技术领域：
本发明大体上涉及热检测系统及方法，且更具体地涉及已
冷却零件在系统工作期间的非破坏性热才企测。
背景技术：
燃气涡轮发动机包括向燃烧段提供压缩空气的压缩机，在 燃烧段处，压缩空气与燃料相混合并燃烧以产生热燃烧气体。这些气 体向下游流动到多级涡轮中。各涡轮级均包括从紧固到轴上以便围绕 发动机的中心轴线进行旋转的叶轮径向地向外延伸的多个周向间隔 开的叶片。热气体抵靠涡轮叶片膨胀，引起叶轮旋转。这继而又使连 接到压缩机上且还可连接到负载设备如发电机或齿轮箱上的轴旋转。 因此，涡轮从热气体中吸取了能量，以驱动压缩机和提供有用功如发 电或推进飞行中的飞行器。众所周知的是，燃气涡轮发动机的效率可通过升高涡轮工 作温度来提升。当工作温度升高时，可超过有些发动机构件如涡轮轮 叶的热极限，从而导致使用寿命的缩短或甚至是材料的失效。此外， 这些构件的增大的热膨胀和热收缩会不利地影响间隙及其与其它构 件的相互配合关系。因此，期望的是在发动机工作期间监控涡轮轮叶 的温度，以确保它们不会在可感知的时间段超过其最大额定温度。用以监控涡轮叶片温度的常用方式为测量离开涡轮的气体 温度，并且将其用作轮叶温度的指示。涡轮出口温度可通过将一个或 多个温度传感器如热电偶定位在排气流中来测量。由于叶片温度是间 接测量的，故其较为不准确。因此，由于必须保持较宽的安全裕度， 故就不容许使用最佳叶片温度。间接的叶片温度测量的缺点是众所周知的，并且已经提出
4了用于直接测量叶片温度的方式。 一种直接测量方式使用位于发动机
壳外并具有穿过形成在壳壁中的观察镜(sight glass)而聚集在涡4仑轮叶 上的视场的辐射高温计。因此，由加热的涡4仑轮叶所发出的辐射就撞 击高温计，之后该高温计产生表示轮叶温度的电信号。然而，在发动 机工作期间，观察镜暴露在趋于使观察镜模糊并不利地影响高温计读 数的高温排气下。此外，轮叶表面的光学发射率通常是未知的，这也 会将误差引入到温度测量中。因此，期望的是具有一种用于监控涡轮叶片温度的方式， 其透过可用的观察镜来远程地监控叶片温度，同时避免光学通路受 限、观察镜受损以及表面特性未知的难题。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供了一种热测量系统。该热 测量系统包括构造成用以接收多个波长范围内的辐射的二维检测器 阵列，其中，检测器具有表示空间维度的第一轴线和表示波长维度的 第二轴线。该系统还包括构造成用以将由物体所发出的辐射聚集到检 测器阵列上的光学系统。根据本发明的另 一个实施例，提供了 一种用于物体的热测 量系统。该热测量系统包括构造成用以接收多个波长范围内的辐射的 二维检测器阵列，其中，检测器具有表示空间维度的第一轴线和表示 波长维度的第二轴线。该热测量系统还包括构造成用以将来自于物体 的辐射聚集到各4企测器上的光学系统。热测量系统还包括具有马达的 偏航和横移系统，其中，该马达构造成用以使光学系统围绕轴线旋转， 以便获得期望的视场，从而在检测器阵列内产生二维图。根据本发明的又一个实施例，提供了 一种用于制造用于物 体的热测量系统的方法。该方法包括提供构造成用以接收多个波长范 围内的辐射的二维检测器阵列，其中，检测器阵列具有表示空间维度 的第一轴线和表示波长维度的第二轴线。该方法还包括提供构造成用以将由物体所发出的辐射聚集到检测器阵列上的光学系统。
本发明的这些及其它特征、方面和优点在参照附图来阅读 如下详细描述时将得到更好的理解，附图中的相似标号表示相似的零
件，在附图中图1为使用根据本发明实施例的热测量系统的示例性燃气 涡轮发动机的简图；图2为图1中使用的热测量系统的燃气涡轮发动机的放大图3为在图1的热测量系统中使用的示例性光学系统的简
图；图4为在高压涡轮叶片上的热测量系统的工作的简图；
图5为通过多色和单色技术而执行的绝对温度测量的图示 比较；以及图6为表现用于制造热测量系统的示例性方法中的步骤的 流程图。
零件清单
10 燃气涡轮发动机
11 发动才几中心线
12 风扇段
16 高压压缩积i
18 燃烧段
20 高压涡津仑
22 低压涡轮
24 高压转子轴
26 低压转子轴28热气流
30涡轮导叶
32涡轮叶片
50光学系统
54辐射束
56检测器系统
58波束
60多个4t测器
62输出信号
64模数转换器
66数字信号
68处理器
71光学一见场
72检测器阵列
90光学系统
92光栅
94辐射束
96波束
98检测器
100表示不同波长的信号
112叶片
114叶片
116叶片
118纸平面内的方向
120光学视场
122二维图
124轴线
126垂直于轴线124的轴线150 图示比较
152 表示热电偶的。F读数的X轴
154 表示由多色或单色方法测得的温度的Y轴
156 指出使用热电偶的基准测量结果的曲线
158 表示以最佳光路通过多色方法来产生的温度测量结果的
曲线
160 以退化光路通过多色方法产生的温度测量结果
162 指示使用单色方法测得的温度的曲线
164 指示使用单色方法测得的温度的曲线
180 用于制造用于物体的热测量系统的方法
182 提供构造成用以接收多个波长范围内的辐射的二维检测 器阵列
184 提供构造成用以将由物体发出的辐射聚集到检测器阵列 上的光学系统
具体实施例方式如下文中将详细论述的那样，本发明的实施例包括用于物 体的热4企测的系统及方法。本文所 ^开的系统及方法采用 一种检测系 统，其检测沿一条轴线处于多个波长的辐射，同时又检测垂直轴线上 的空间分量，以实现在工作期间构件温度的精确测量。获得的辐射还 符合基于普朗克定律的多光谱或多波长算法，以产生绝对温度和表观 发射率。如本文使用的那样，用语'物体，表示但不限于涡轮叶片。尽 管下文论述的一些实例涉及旋转物体，但该系统同样可适用于静止物 体和旋转物体。转到附图，图1为示例性燃气涡轮发动机IO,其围绕发动 机中心线ll周向地设置，并且由数字12标示的风扇段、高压压缩机 16、燃烧段18、高压涡轮20以及低压涡轮22处于串行流动关系。燃 烧段18、高压涡轮20以及低压涡轮22通常称为发动机10的高温段。高压转子轴24以传动关系将高压涡轮20连接到高压压缩机16上， 而低压转子轴26将低压涡轮22传动地连接到风扇段12上。燃料在 燃烧段18中燃烧，产生非常热的气流28，气流28受引导而分别穿过 高压涡轮20和低压涡轮22,以向发动机10提供动力。光学系统50 联接到燃气涡轮发动机10上。光学系统50引导在视场(包括燃气涡轮 发动机10的一部分，例如高压涡轮20的叶片)中所发出的辐射束54。 在特定的实施例中，光学系统50包括透镜与反射镜的组件或纤维光 缆。辐射束54进一步入射到检测器系统56上。检测器系统56 将辐射束54分成不同波长的波束58。波束58进一步入射到产生表示 波束58的输出信号62的多个检测器60上。输出信号62传输到将信 号62数字化的才莫数转换器64上，从而产生数字信号66。数字信号 66进一步输入到处理器68中，处理器68计算表观发射率光谱和对应 的温度。应当注意的是，本发明并不限于用于执行本发明的处理任 务的任何特定处理器。如本文使用的用语那样，用语"处理器"旨在表 示能够执行用以执行本发明的任务所必需的运算或计算的任何机器。 用语"处理器，，旨在表示能够接收结构输入以及能够根据指定规则来处 理输入以产生输出的任何机器。还应当注意的是，如本文所使用的用 词"构造成用以"，其意思是处理器配备有用于执行本发明的任务的软 件和硬件的组合，这正如本发明的技术人员所理解到的那样。图2示出了在图1中具有涡轮导叶30和涡轮叶片32的高 压涡轮20的放大截面图。示例性翼型件34可用于涡轮导叶30和涡 轮叶片32中的一个或二者。翼型件34具有带有热的湿润表面38的 外壁36,表面38暴露于热气流28中。涡轮导叶30，以及一些情形 中的涡轮叶片32通常由从风扇或压缩机的一个或多个级传递来的空 气冷却。光学系统50安装到发动机IO上，使得翼型件34的整个面 积覆盖在光学视场71内。如图1中所标示，具有不同波长的波束58入射到2D检测器阵列72上。检测器阵列72包括沿一条轴线74的空 间分量以及沿另一条轴线76的光谱波长分量。在示范性实施例中， 空间分量从f^变化到大约R2，而波长从入i变化到大约入2。在特定实 施例中，具有马达的偏航和横移系统使光学系统50围绕轴线旋转， 以便获得期望的光学视场71,从而产生检测器阵列72内的二维图。 在另一个实施例中，视场71对于静止物体从初始位置横移。图3为示例性光学系统90的简图。光学系统90包括将从 物体(未示出)上接收到的辐射束94分成不同波长的波束96的光栅92。 波束96入射到多个检测器98上，检测器98输出表示不同波长的信 号100。各检测器98均为包括沿轴线的空间分量和沿垂直轴线的波长 分量的检测器的二维阵列。在示例性实施例中，检测器98包括用以 有选择地对接收到的辐射进行滤波的多个滤波器。在另 一个实施例 中，检测器98接收大约0.6微米及更长的波长范围内的辐射，在此范 围内气体吸收并不显著。图4为包括涡轮系统上的二维制图的检测系统的工作的筒 图。在示出的实施例中，叶片112,114和116沿纸平面内的方向118 旋转。应当注意到，还可^f吏用三个以上的叶片。光学系统(未示出)定 位成使得叶片112,114和116处在光学视场120内。在叶片112,114 和116旋转期间，信号采集发生在一定瞬间，对于各叶片，沿视场120 的平面121在多个点处。二维图122形成在光学^L场120内。叶片 112,114和116的空间信息沿轴线124收集，而光谱信息则沿垂直于 轴线124的轴线126收集。在示出的实施例中，轴线124分成了包括 有关从R!至R2的范围内的空间分量的信息的像素，而轴线126分成 了包括有关从大约入！至大约入2的范围内的波长的信息的像素。在一 个实施例中，对检测器进行采样，以便在一次旋转中对所有叶片进行 采样。在非限定性的实例中，以lMHz对检测器进行采样。在特定实 施例中，信号采集是通过选通来执行的。在另一个实施例中，采样数 据是锁相的。从检测器上获得的光谦信号还输入到处理器(图l)中，用以计算叶片的表观发射率和绝对温度。在特定实施例中，光谱信号输 入到符合普朗克定律的程序中用以计算发射率和绝对温度。图5为通过多色和单色方法测得的绝对温度的图示比较 150。 X轴152表示热电偶的。F读数，而Y轴154表示通过多色或单 色方法测得的温度。曲线156指出了使用热电偶的基准测量结果。曲 线158表示通过多色方法以最佳的光路产生的温度测量结果，而曲线 160表示通过多色方法，以退化的光路产生的温度测量结果。如本文 所用，用语'退化，是指光学系统的变化，例如由恶劣环境条件导致的 模糊视场。如图所示，曲线160指出了在存在恶劣环境条件时的精确 温度测量结果，从而显示了目标不确定中的鲁棒性。类似而言，曲线 162和164指出了分别以最佳光路(以及已知的目标放射特性)和退化 光路，使用单色方法测得的温度。单色方法还使用假定的发射率。曲 线164指出了在退化光路中的温度测量结果的显著误差，因而导致其 在恶劣环境条件下并不理想。图6为表示用于制造用于物体的热测量系统的示例性方法 180中的步骤的流程图。该方法180包括在步骤182中提供构造成用 以接收在多个波长范围内的辐射的二维检测器阵列，其中，检测器阵 列具有表示空间维度的第一轴线和表示波长维度的第二轴线。在步骤 184中提供了光学系统，以便将由物体所发出的辐射聚集到二维检测 器阵列上。因此，用于上迷热检测的系统及方法的各个实施例提供了 高速、在线、非介入式、多色、全场的才企测，以在工作期间精确地测 量物体的绝对温度。这些方法和系统还容许以多个波长在线检测热辐 射来用于温度和表观发射率的测量。此外，温度的在线计算容许监控 膜孔堵塞，构件热性能的局部和整体变化或改变，提供零件到零件的 温度变化数据，以及从安装时刻到服务结束的热性能历史。此外，该 方法提供了质量较高的涡轮可靠性和可操作性，从而保障了订约服务 协议并提供了操作者灵活性和机器可操作性的改善。将在线热测量与
ii最近实时涡轮^t断、累计损坏相结合，能够实现较高的和改善的独立 构件寿命和整体机器寿命。当然，应当理解到，不一定上文所述的所有这些目的和优 点都按照任何特定实施例来实现。因此，例如本领域的技术人员将认 识到，本文所述的系统及方法可以实现或优化如本文所教导的一个优 点或一组优点而不必实现如本文可教导或提出的其它目的或优点的 方式来体现或执行。此外，熟练的技术人员将从不同实施例中认识到多种特征 的互换性。例如，参照一个实施例描述的铟镓砷化物基;f企测器的用途 可适于参照另一个描述的静止物体的使用。类似而言，所述的各个特 征以及用于各特征的其它公知的等同物，可由本领域的普通技术人员 进行混合和匹配，以根据^^开内容的原理来构成其它系统和方法。尽管在此仅显示和描述了本发明的一些特征，但本领域的 技术人员将会构思出许多修改和改变。因此，应当理解到所附权利要 求旨在涵盖落入本发明的真正精神内的所有这些修改和改变。
权利要求
1.一种用于物体(10)的热测量系统，包括构造成用以接收多个波长范围内的辐射的二维检测器(56)阵列，所述检测器(56)具有表示空间维度的第一轴线(124)和表示波长维度的第二轴线(126)；以及构造成用以将由所述物体发出的辐射聚集到所述检测器阵列上的光学系统(50)。
2. 根据权利要求1所述的热测量系统，其特征在于，所述^r测器 (56)构造成用以接收大约0.6微米和更长的波长范围内的辐射。
3. 根据权利要求1所述的热测量系统，其特征在于，所述检测器 (56)包括三个或多个检测器。
4. 根据权利要求1所述的热测量系统，其特征在于，所述物体(IO) 为静止物体或旋转物体。
5. 根据权利要求4所述的热测量系统，其特征在于，所述旋转物 体包括燃气涡轮叶片。
6. —种用于物体(10)的热测量系统，包括构造成用以接收多个波长范围内的辐射的二维检测器(56)阵列， 所述检测器(56)阵列具有表示空间维度的第 一轴线(124)和表示波长维 度的第二轴线(126);构造成用以将来自于所述物体(10)的辐射聚集到所述才全测器阵列 的各个检测器上的光学系统(50);以及包括马达的偏航和横移系统，所述马达构造用以使所述光学系统 (50)围绕轴线旋转，以便获得期望的视场，在所述检测器(56)阵列内产 生二维图(122)。
7. 根据权利要求6所述的热测量系统，其特征在于，所述检测器 (56)选自由铟镓砷化物基检测器、硅基检测器、扩展的铟镓砷化物基 检测器以及铅锑基检测器所组成的组。
8. 根据权利要求6所述的热测量系统，其特征在于，所述热测量 系统还包括构造用以对由所述检测器(56)接收到的辐射进行有选择地 滤波的多个滤波器。
9. 根据权利要求6所述的热测量系统，其特征在于，所述热测量 系统还包括处理器(68)，所述处理器构造成用以接收来自于各所述检 测器(56)的强度数据，以及基于所述强度数据来确定所述物体(10)的温 度分布。
10. —种用于制造用于物体的热测量系统的方法(180)，包括 提供(182)构造成用以接收多个波长范围内的辐射的二维检测器阵列，所述4企测器阵列具有表示空间维度的第一轴线和表示波长维度 的第二轴线；以及提供(184)构造成用以将由所述物体发出的辐射聚集到所述检测 器阵列上的光学系统。
全文摘要
本发明涉及用于物体的热检测的系统及方法。具体而言，提供了一种用于物体(10)的热测量系统。该系统(10)包括构造成用以接收多个波长范围内的辐射的二维检测器(56)阵列，该检测器(56)阵列具有表示空间维度的第一轴线(124)和表示波长维度的第二轴线(126)。该系统还包括构造成用以将由物体(10)所发出的辐射聚集到检测器(56)阵列上的光学系统(50)。
文档编号G01J5/00GK101592523SQ200910145398
公开日2009年12月2日 申请日期2009年5月14日 优先权日2008年5月14日
发明者J·R·艾伦, M·萨卡米, N·V·尼尔马兰 申请人:通用电气公司