专利名称：用于监测涡轮发动机中的所关注的高温区域的系统的制作方法
技术领域：
本发明的多方面涉及涡轮发动机，并且更具体地，涉及一种用于例如可借助设置在涡轮机的固定机叶内部中的监测仪器进行的监测所关注的高温区域的系统。
背景技术：
本发明的受让人已经成功地示范了一种用于涡轮发动机的旋转和/或固定部件的联机监测的设备和技术。例如参见在名称为“Method and Apparatus For MeasuringOnline Failure Of Turbine Thermal Barrier Components”(用于联机监测润轮机热障部件的失效的方法和设备)的美国专利7690840中描述的设备和技术，所述专利的整体内容通过参引并入本文。考虑到在涡轮发动机中的有限进入空间的背景下可能出现的几何形状和热约束，由已知的设备提供的热和/或空间观察通常限制在相对于涡轮机的圆柱形结构径向向内定位的区域。例如，获得径向向外地定位的区域的热和/或空间观察一直以来是不可能的或者在尺寸和/或入射角上都大大地受到限制。另外，因为已知的设备设置在与通常出现在涡轮机的工作气体的路径中的高温和/或高压间隔开的区域中，因此这种设备涉及相对较长的光程，这通常需要相对较多的光学元件(例如，中继光学器件)。长光程可迫使设计者使用涉及在这样的长光程背景下可能需要的光学上折衷的光学元件，例如可涉及具有较低反射特性的光学元件的使用。例如，具有较高反射特性的光学元件在涉及大量这种元件的长光程中可能是不适合的，但在涉及数目较少的光学元件的短光程中可能是适合的。这些考虑会稍微地削弱设计者定制光学设计以处理其他的折衷考虑的能力，例如，削弱设计者使用更多的可能具有较高的反射特性的粗陋的光学材料的能力。相应地，鉴于前面的考虑，还需要改进的可用于监测涡轮发动机中的所关注的高温区域的设备和/或技术。
本发明的多个方面在下文参考以下附图的描述中进行说明:图1部分地示出了根据本发明多个方面的可用于监测涡轮发动机中的所关注的高温区域的系统的示例性实施方式的示意图。图2至4描绘了根据本发明多个方面的包括监测仪器(观察仪器)的固定机叶的各个示例性实施方式的相应剖视图，监测仪器操作性地连接至固定机叶的观察口以提供所关注的区域的视野。图5为可连接以将观察仪器固定在机叶中的罩组件的示例性实施方式的截面图。图6为可被连接以将观察仪器固定在机叶中的扭锁组件的示例性实施方式的截面图。图7为例如可由光纤束制成的观察仪器的示例性实施方式的剖视图。
具体实施例方式图1部分地描绘了可用于涡轮发电机10中的所关注的高温区域20的联机监测的系统8的示例性实施方式的示意图，该系统8可在陆地、航海或航空应用中使用。本领域技术人员将理解，涡轮机10可包括可设置在涡轮机的工作气体的路径中的多个内冷式(例如，用空气冷却的)固定机叶，并且固定机叶因此经受较高的温度，例如，数千华氏度量级的温度，如约2800 更高的温度。根据本发明的多个方面，机叶12可构造为包括监测口 H1并在其内部容纳监测仪器16，监测仪器16操作性地连接至监测口 H1，用以例如提供远离机叶12的所关注的区域20的视野18。可以理解，本发明的方面不限于构造在机叶12中的单个的监测口 14lt)例如，如监测口 142和143的另外的监测口可构造在机叶12中以分别提供远离机叶12的其他的所关注的区域的视野。可设置在所关注的区域20中的示例性涡轮机部件可包括由对应的旋转叶片(未示出)的尖端设置的固定环段(未示出)。如本领域技术人员可理解，这些环段上的热障涂层(TBC)会经历加速的磨损和划伤，这是因为它们经受在高压条件下的高速、高温气体和/或与叶尖的硬接触。在一个示例性实施方式中，系统8包括数据采集装置22，数据采集装置22联接至监测仪器16用以从所关注的区域采集数据。在一个示例性实施方式中，数据采集装置22可为红外(IR)成像装置，例如IR摄像机，红外成像装置联接至监测仪器16以采集所关注的区域的成像数据。在一个示例性实施方式中，处理器23可被操作性地联接以处理来自IR成像装置22的成像数据，用以生成所关注的区域的图像(空间和/或热图像)。对于想要获得与用于处理来自IR摄像机的成像数据的示例性技术有关的全面背景技术信息的读者，可参考美国专利7690840。可以理解，监测仪器16、数据采集装置22以及处理器23不需要分别局限于成像数据的监测、采集和处理，这是由于能够想到监测仪器16、数据采集装置22和处理器23可以可选地适于(例如，基于给定应用的需要)非成像数据的监测、采集和处理，例如，非成像数据可包括高温测量学数据、光谱学数据、化学成分数据、振动数据、声学数据、光学数据等。下文中的示例性说明集中于示例性的成像应用，并且监测仪器16可称为观察仪器。然而，如上文中指出的，这种示例性说明不应当被解释为是限制性的意义。在一个示例性实施方式中，IR摄像机22可具有大体背向于所关注的区域20的视轴线24。例如，视轴线24可相对于涡轮机的旋转轴线面对径向内部，这有助于监测涡轮机的径向内侧的区域，但不能实施用以监测涡轮机的外侧区域，例如区域20。相应地，根据本发明的方面，观察仪器16可构造为具有被合适地定位的棱镜或反射镜组件，用以提供关于IR摄像机的视轴线24的径向向内方向的逆向视物(例如，倾斜地背向)，以使得所关注的区域20落入IR摄像机的视轴线内。可以理解，观察仪器16可适于可改变位置的内侧机叶12，例如，能够关于轴线24旋转和/或能够沿着轴线24径向地移动的内侧机叶，以监测供选择的关注区域，例如，可通过监测口 14、142和143进行。在一个示例性应用中，可设置监测仪器16以测量和/或观察各种化学和/或物理指标，这些化学和/或物理指标例如可从所关注的区域获得，所关注的区域可位于第一排机叶的上游，例如可提供朝着燃烧室的视图。这些指标可用来确定燃烧流的特性。示例性的指标可为流特性、化学成分、化学反应动力学等。实施本发明的方面的系统可行的另一示例性应用可为叶尖间隙的监测。可以理解，从两个或多个监测仪器采集的数据可经过处理以生成来自所关注的区域的立体(例如，视差)或3D测量结果或成像，例如，可将来自双观察仪器16的成像数据用于所关注的区域的立体成像。可以理解，在一个示例性实施方式中，这种双观察仪器可布置为彼此靠近(概念上类似于双筒望远镜的并排式范围)并且可提供所关注的区域的部分重叠的视野。可以理解，两个或更多个观察仪器不需要布置为彼此靠近。例如，两个或更多个观察仪器可以布置在精确预定的间隔开的位置处，以提供给定的所关注的区域的不同的透视图，接着可处理这些不同的透视图以生成对所关注的区域的立体或3D的测量结果或成像。能够从图1中理解到的，在一个示例性实施方式中，IR摄像机22可布置在由涡轮机的内壳28和外壳30限定的增压区26中。在该示例性实施方式中，由于增压区26中的温度虽然比高温工作气体工作的区域冷很多但仍然可为几百华氏度，例如为约850 T或更高，因此IR摄像机22可包括水冷却系统32。可以理解，IR成像装置22不需要布置在增压区26中，这是由于IR成像装置22可设置在其他区域中，例如，设置在涡轮机的外壳30的外部，这样可避免对水冷却系统32的需要。本领域的技术人员可以理解，观察仪器16可通过使用多种示例性安装装置中的任一种被固定地附装在机叶12的内部中。例如，图2描绘了机叶12的剖视图，该机叶12可包括被构造为接收观察仪器16的远端的导向管33。图3描绘了用于固定观察仪器16的另一示例性装置，其中，机叶12包括托架34，托架34连接至机叶12的近端以支承漏斗状管36，漏斗状管36用于将观察仪器16接收到机叶12中。如图3所示，观察口 14可包括用以限制通过机叶的观察口的冷却空气流的限制装置21 (例如，凸台)。图4描绘了托架34可被连接至罩组件40的示例性实施方式，罩组件40可被布置成用以将观察仪器16固定在机叶12中并且提供用以将观察仪器16的壳体的远端推靠于基部板41的轴向力。如图5中进一步详细示出的，在一个示例性实施方式中，罩组件40可包括外螺纹罩44，外螺纹罩44连接至托架34以接收内螺纹罩46，其中，罩44和46可被布置为提供彼此之间的螺纹连接。可在构造于观察仪器16中的凸缘50之间布置弹簧偏压元件48以使得当内螺纹罩46拧紧到外螺纹罩44上时，弹簧偏压元件28提供用以将观察仪器16的远端推靠于基部板41 (图4)的轴向力。如图6所示，在另一示例性实施方式中，托架34可包括扭锁组件52，扭锁组件52可包括用于接收构造在观察仪器16中的锁定销56的锁定槽54并且还可包括弹簧偏压元件58，弹簧偏压元件58被布置以提供用以将观察仪器的远端推靠于底部板的轴向力。如从图6中可理解的，托架32可包括用以减少对经过机叶的工作气体的阻挡的多个穿孔57。
可以理解，观察仪器16不需要限制为刚性的光学器件实施(与摄影长焦镜头的结构类似)，这是由于想到在一个示例性实施方式中，如图7所示，观察仪器16可包括被布置成观察来自所关注区域20的IR发射的一条或多条光纤束70(与柔性医用内窥镜的结构类似)。可以理解，与刚性光学器件相比，该实施方式能够提供光路由的灵活性。例如，在光纤束60和IR摄像机22 (图1)之间的光耦合向设计者提供例如在与IR摄像机22的定位有关的适应性方面的适应性。在操作中，实施本发明的方面的机械光电系统可构造为提供在所关注区域中的涡轮机部件的温度绘图和/或空间成像。在一个示例性实施方式中，可依据相对或绝度温度校准IR数据以生成在所关注区域中的涡轮机部件的温度图。例如，这能允许确定这些涡轮机部件的一个或多个区域是否可能正在受到热损坏。如本领域技术人员可理解的，这种热损坏可导致缩短特定涡轮机部件的寿命或对其造成损坏。在操作中，实施本发明的方面的机械光电系统可构造为实时地或几乎实时地监测所关注区域的温度和状况。根据本发明的方面的系统可创新地被布置成提供对所关注区域的逆视镜观察(retroscopic-viewing)(例如,通常为反向观察(backward-viewing))。该系统可构造为监测处于涡轮机的各种操作状况(例如，启动、基本负载以及停机)下的所关注区域。在一个示例性实施方式中，可处理IR数据以生成在所关注区域中的涡轮机部件的空间成像。例如，空间成像对于可能正在经受物理损坏的这些涡轮机部件的一个或多个区域的可视化是有用的。该空间成像对于了解与未按期望操作的涡轮机部件有关的操作问题也是有用的。可以理解，可协作地联合地使用热绘图与空间成像以获得与在所关注区域中的涡轮机部件的各种特性有关的常识，例如操作性能、寿命缩短或损坏的成因、制造缺陷、服务造成的缺陷等。可以理解，由实施本发明的方面的监测仪器采集的数据可以以不同的波长被采集。然后可以处理这些数据，以例如生成另外的特性或温度的量化或其他的光谱测量结果，例如可用以生成来自给定的所关注区域的多光谱图像和/或测量结果。本发明的示例性方面可包括:用于动或静的TBC涂层部件的检查的热和/或空间成像；在不中断涡轮机的操作或者在最小化地中断涡轮机的操作的情况下进行定量测量的能力；以及基本上实时地做出操作判定以便减少由于TBC失效带来的风险和损坏的能力。可以理解，实施本发明的方面的系统不限于联机操作并且可适于脱机操作，例如可允许在各种设定下的非破坏性和非接触式定量测量，例如允许在涡轮机处于脱机模式时对全新的、服务后的和服务后维修的部件的非破坏性和非接触式定量测量。在一个示例性联机实施方式中，可在涡轮机的几乎实时的操作下周期性地监测并跟踪所关注区域的指示测量结果的和/或适于生成图像的数据。想到能够采用可利用专家和/或监管子系统的快速分析和判断系统来分析收集的数据并做出有关涡轮机的操作的判断。专家和/或监管子系统可包括预测算法，该预测算法可允许在检测到特定故障状态后即预测出可用的操作时间。专家和/或监管子系统可被构造成允许操作者基本上实时地改变涡轮机操作状况和/或与监管控制器互动以基本上实时地改变涡轮机操作状况。虽然在此已经示出并描述了本发明的各种实施方式，但显而易见的是，这些实施方式仅仅以示例的方式被提供。可在不背离本发明的情况下实现多种变型、修改和替代方案。相应地，意图使本发明仅受到所附权利要求的精神和范围的限制。
权利要求
1.一种涡轮发动机，包括: 内冷式固定机叶； 设置在所述固定机叶中的至少一个监测口 ；以及 监测仪器，所述监测仪器与所述固定机叶的所述至少一个监测口操作性地关联，以提供所关注区域的视野。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机，还包括联接至所述监测仪器的数据采集装置。
3.根据权利要求2所述的涡轮发动机，其中，所述监测仪器包括观察仪器并且所述数据采集装置包括红外成像装置，所述红外成像装置联接至所述观察仪器以采集所关注区域的成像数据。
4.根据权利要求2所述的涡轮发动机，其中，联接至所述监测仪器的所述数据采集装置被构造成采集选自由高温测量学数据、光谱学数据和化学成分数据构成的组的非成像数据。
5.根据权利要求3所述的涡轮发动机，其中，所述红外成像装置包括具有背向于所关注区域的视轴线的红外摄像机，并且所述观察仪器的视野被构造成提供关于所述红外摄像机的所述视轴线的逆向视物，以使得所关注区域处于所述红外摄像机的视轴线内。
6.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其中，所述机叶包括被构造成接收所述监测仪器的远端的导向管。
7.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其中，所述机叶包括托架，所述托架连接至所述机叶的近端，以支承用于 固定所述监测仪器的罩组件。
8.根据权利要求7所述的涡轮发动机，其中，用于固定所述监测仪器的所述罩组件包括弹簧偏压元件。
9.根据权利要求7所述的涡轮发动机，其中，所述罩组件包括外螺纹罩和内螺纹罩，所述外螺纹罩连接至所述托架，所述内螺纹罩被所述外螺纹罩接收从而提供彼此之间的螺纹连接。
10.根据权利要求7所述的涡轮发动机，其中，所述监测口包括用以限制通过所述监测口的空气流的限制装置。
11.根据权利要求7所述的涡轮发动机，其中，所述机叶设置在所述涡轮发动机的工作气体的路径中，并且进一步地，所述托架包括多个穿孔以减少对所述工作气体的阻挡。
12.根据权利要求3所述的涡轮发动机，其中，所述红外成像装置包括红外摄像机，所述红外摄像机布置在由所述涡轮机的内壳和外壳限定的增压区中。
13.根据权利要求12所述的涡轮发动机，其中，所述红外摄像机包括水冷却系统。
14.根据权利要求3所述的涡轮发动机，其中，所述红外成像装置包括红外摄像机，所述红外摄像机布置在所述涡轮机的外壳的外部。
15.根据权利要求3所述的涡轮发动机，其中，所述观察仪器包括光纤束。
16.一种用于监测涡轮发动机中的所关注的高温区域的系统，所述系统包括: 内冷式固定机叶，所述内冷式固定机叶设置在所述涡轮机的工作气体的路径中； 设置在所述固定机叶中的至少一个监测口； 监测仪器，所述监测仪器与所述固定机叶的所述监测口操作性地关联，以提供所关注区域的视野；联接至所述监测仪器的数据采集装置；以及 处理器，所述处理器被构造成处理来自所述数据采集装置的数据，以至少生成对所关注区域的测量结果。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，联接至所述监测仪器的所述数据采集装置被构造成采集选自由高温测量学数据、光谱学数据和化学成分数据构成的组的非成像数据。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述监测仪器包括观察仪器，并且进一步地，所述数据采集装置包括具有背向于所关注区域的视轴线的红外摄像机，且所述观察仪器的视野被构造成提供关于所述红外摄像机的所述视轴线的逆向视物，以使得所关注区域处于所述红外摄像机的视轴线内。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述红外成像装置包括红外摄像机，所述红外摄像机布置在由所述涡轮机的 内壳和外壳限定的增压区中。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述红外摄像机包括水冷却系统。
21.根据权利要求18所述的系统，其中，所述观察仪器包括光纤束。
22.根据权利要求18所述的系统，其中，来自所述红外成像装置的成像数据通过所述处理器进行处理以生成所关注区域的热图像和空间图像中的至少一个。
全文摘要
提供一种用于监测涡轮发动机(10)中的所关注的高温区域的系统(8)。该系统包括设置在涡轮机的工作气体的路径中的内冷式固定机叶(12)。在固定机叶中设置有监测口(14)。监测仪器(16)操作性地连接至固定机叶的监测口以提供所关注区域的视野。
文档编号G01J5/00GK103180700SQ201180050604
公开日2013年6月26日 申请日期2011年10月18日 优先权日2010年10月21日
发明者保罗·J·宗博, 丹尼斯·H·勒米厄, 克利福德·哈彻 申请人:西门子能源有限公司