使用具有广谱镜的光学管在线检测涡轮机的系统和方法

使用具有广谱镜的光学管在线检测涡轮机的系统和方法
【专利摘要】一种用于在线运行的发电涡轮机的非破坏性内部目视检测和非接触式红外(IR)温度监控的光学检测系统。所述光学检测系统包括：具有观察端口的光学管；至少一个反射镜或镜子阵列，具有从550nm至20μm的反射率光谱范围并且能够在高于932华氏度(500摄氏度)的温度下连续工作；和安装在观察端口远端的透明窗口，在相同的光谱范围内具有高透射率。相同的光学镜子阵列可用于选择性地测量金属涡轮机叶片在近红外范围内(约1μm波长)的表面温度，以及隔热层涂覆的涡轮机叶片在长红外范围内(约10μm波长)的表面温度。
【专利说明】使用具有广谱镜的光学管在线检测涡轮机的系统和方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求指定序列号为13/362,308的、题为"用于在线检测包括非球面透 镜的涡轮机的系统和方法（SYSTEM AND METHOD FOR ONLINE INSPECTION OF TURBINES INCLUDING ASPHERIC LENS) "的以及指定序列号为13/362, 365的、题为"在线检测包括温度 和振动补偿透镜卡口的涡轮机的系统和方法（SYSTEM AND METHOD FOR ONLINE INSPECTION OF TURBINES INCLUDING TEMPERATURE AND VIBRATION COMPENSATING LENS MOUNT) " 的共 同未决的美国实用新型专利申请的优先权，两者都是2012年1月31日提交的，并通过引用 并入本文中。
[0003] 关于联邦资助研发的声明
[0004] 本发明的研发由美国能源部门颁发的合同号DE-FC26-05NT42644加以部分地支 持。因此，美国政府可获得本发明的某些权利。

【技术领域】
[0005] 本发明涉及一种用于在线发电涡轮机的非破坏性内部检测和温度监控的光学系 统，包括燃气轮机，燃气轮机具有金属的或隔热层涂覆（thermal barrier coated, TBC)的 涡轮机叶片，该涡轮机叶片的表面工作温度在超过600°C (1112° F)的范围内。更具体地， 本发明涉及一种光学系统，包括利用一系列镜子的光学管，镜子具有从可见光到长波红外 线的光谱反射率范围，即对于金镜（gold mirror)为550nm到20 μ m，并且能够在高于932 华氏度（500摄氏度）的温度下连续工作。相同的反射式光学系统可用于选择性地测量金 属涡轮机叶片在近红外范围内（约1-2 μ m波长）的表面温度，以及隔热层涂覆的涡轮机叶 片在长红外范围内（约8-12 μ m波长）的表面温度。

【背景技术】
[0006] 通过将高温折射透镜光学系统与高速相机成像相结合，红外线或可见光光谱在线 相机系统在其运行于电厂中期间监控发电燃气轮机、蒸汽轮机、发电机或其相关设备的关 键内部发动机部件。光学系统的设计需要选择和结合透镜和光学材料，以便提供与被检测 部件的发射率兼容的最佳图像质量，同时使设备在恶劣的工作环境中存活。另外优选地，在 可能的情况下，在用于多种类型内部发动机部件的多种应用的整个检测波长广谱上使用相 同的光学检测系统部件。
[0007] 例如，金属涡轮机叶片具有高发射率，在近红外1-2 μ m的波长范围内。存在合适 的折射透镜材料，其在近红外和中红外1-5 μ m波长范围内提供良好的透射率，这能抵御运 行的燃气轮机叶片段内约l〇〇〇°C (?1830° F)的恶劣温度环境。因此，除其它事项外，为 了精确的金属叶片表面温度测量，联接到这些折射透镜光学系统的相机监控系统在近红外 范围内生成可以使用的良好质量图像。
[0008] 相反，具有隔热层涂层（thermal barrier coatings,TBC)的燃气轮机叶片具有高 发射率值，在大约8-12 μ m波长的长红外范围内。因此，长红外成像是优选的，用于测量燃 气轮机TBC叶片表面温度。8-12 μ m检测带可以提供精确的TBC叶片表面温度测量。然而， 具有挑战性的是发现合适的长红外折射透镜的光学材料，其对于用于燃气轮机环境的光学 管的健壮性与用于近红外光学系统光学管的近红外折射材料相同。
[0009] 健壮的光学管需要在其整个运行生命周期期间在工业上连续地在线监控内部涡 轮机部件。燃气轮机旨在定期维修周期之间连续地运行。在定期维修周期之前，相机检测 系统的机械-光学部件在燃气轮机运行期间不能从被监控的燃气轮机中除去。燃气轮机的 典型维修检测周期预计为4000小时每次，通常主要检测为8000小时每次。因此，对于连续 在线检测监控系统关键是在有机会进行检测和维修之前保持不解体运行满4000小时。
[0010] 因此，在本领域中需要一种用于电力系统涡轮机等的高温环境检测系统，其可以 在高于500°C(932° F)、优选高达1000°C(1832° F)的温度环境下承受连续操作。
[0011] 另外存在的需要是提高光学传输效率，同时保持和优选地提高多光谱成像的整个 波长范围内的图像质量，针对不同的检测应用不需要使用不同的光学管。
[0012] 在本领域另一整体需要是增加高温检测系统运行使用寿命，使其与定期涡轮机维 修维护周期一致：希望是4000小时。


【发明内容】

[0013] 因此，本发明的目的是形成一种用于电力系统涡轮机等的高温环境检测系统，其 可以承受高于500°c (932° F)和优选高达1000°C (1832° F)的温度环境下的连续运行。
[0014] 本发明的另一目的是增加光学检测系统中的光学管的光传输效率，其在包括近红 外范围和长红外范围的整个多光谱成像范围内提供高图像质量，针对不同的检测应用不需 要使用不同的光学管。
[0015] 在本领域另一整体需要是增加高温检测系统运行使用寿命，使其与定期涡轮机维 修维护周期一致：希望是4000小时。
[0016] 这些和其它目的根据本发明通过一种光学检测系统来实现，所述光学检测系统用 于在线运行的发电涡轮机的非破坏性内部目视检测和非接触式红外（IR)温度监控。所述 光学检测系统包括：光学管，具有观察端口；至少一个镜子，具有从550nm至20 μ m的光谱 反射率范围，并且能够在高于932华氏度（500摄氏度）的温度下连续工作；以及透明窗口， 安装在所述观察端口远端，在相同的光谱范围内具有高传输率。所述光学管可包括一系列 镜子。相同的光学系统可用于选择性地测量金属涡轮机叶片在近红外范围内（约l-2ym 波长）的表面温度，以及隔热层涂覆的涡轮机叶片在长红外范围内（约8-12 μ m波长）的 表面温度。
[0017] 本发明涉及一种涡轮机检测装置，具有：具有观察端口的光学管壳体；以及至少 一个镜子，安装在所述壳体内与所述观察端口光学对准，所述镜子具有从550nm至20 μ m的 光谱反射率，并且能够在高于932华氏度（500摄氏度）的温度下连续工作。
[0018] 此外，本发明的实施方式涉及一种涡轮机相机检测系统，包括具有观察端口的光 学管壳体。至少一个镜子安装在所述壳体内与所述观察端口光学对准。所述镜子具有从 550nm至20 μ m波长的光谱反射率，并且能够在高于932华氏度（500摄氏度）的温度下连 续工作。透明窗口安装在所述观察端口远端的壳体内，与所述至少一个镜子光学对准。所述 窗口具有从550nm至20 μ m波长的光谱透射带，并且能够在高于572华氏度（300摄氏度） 的温度下连续工作。反射器透镜阵列在所述壳体内通过所述窗口传输感兴趣对象的图像， 所述感兴趣对象被定向在由所述至少一个镜子建立的视场内。所述光学管可包括一系列镜 子。相机联接到所述壳体，与所述窗口和所述至少一个镜子光学对准，用于捕获由所述光学 系统形成的图像。
[0019] 本发明还涉及一种用于在红外（IR)光谱中用红外相机检测系统目视检测运行着 的燃气轮机内的感兴趣区域的方法，所述红外相机检测系统具有：光学管壳体，具有观察端 口；至少一个镜子，安装在所述壳体内与所述观察端口光学对准，所述镜子具有从550nm至 20 μ m的光谱反射率，并且能够在高于932华氏度（500摄氏度）的温度下连续工作；透明 窗口，安装在所述观察端口远端的壳体内与所述至少一个镜子对准，具有从550nm至20 μ m 的光谱透射率；所述至少一个镜子在所述壳体内通过所述窗口传输感兴趣对象的图像，所 述感兴趣对象被定向在由所述光学系统建立的视场内；相机，联接到所述壳体与所述系统 对准，用于捕获由所述光学系统形成的图像。所述光学管可包括一系列镜子。通过将相机 检测系统壳体观察端口插入到燃气轮机的检测端口中以及在涡轮机运行期间产生燃气轮 机内的感兴趣区域的图像来执行所述检测方法。
[0020] 共同地或个别地，本发明的目的和特征可由本领域技术人员以任何组合或子组合 加以应用。

【专利附图】

【附图说明】
[0021] 可以通过与附图结合来考虑以下详细描述而容易地理解本发明的教导，其中：
[0022] 图1是用本发明相机检测系统检测的燃气轮机的示意性正视图；
[0023] 图2是本发明反射式光学系统的实施方式的示意正视图，用于形成位于视场 (F0V)内的感兴趣对象的图像；
[0024] 图3是包括一系列图2中镜子的本发明实施方式的光学管壳体的部分轴向横截面 图，其中图像平行于管中心轴线进行拍摄；
[0025] 图4是联接到燃气轮机检测端口的本发明检测系统的示意性正视透视图；
[0026] 图5是本发明检测系统的检测相机聚焦调整机构的示意性正视透视图；和
[0027] 图6是本发明检测系统的框图，包括相机检测系统及相关电子/机电控制系统部 件。
[0028] 为了便于理解，在可能的情况下已经使用相同的附图标记，以指定各附图所共用 的相同元件。

【具体实施方式】
[0029] 在考虑了下面的描述之后，本领域技术人员将清楚地认识到，本发明的教导可以 容易地利用在光学检测系统中，用于在线运行发电涡轮机的非破坏性内部目视检测和非接 触式红外（IR)温度监控。光学检测系统包括：光学管，具有观察端口；至少一个非平面镜 子，具有从550nm至20 μ m的反射率光谱范围，并且能够在高于932华氏度（500摄氏度） 的温度下连续工作；以及透明窗口，安装在所述观察端口远端，在相同的光谱范围内具有高 传输率。所述光学管可包括一系列镜子。同一系列的镜子可用于选择性地测量金属涡轮机 叶片在近红外范围内（约1-2μπι波长）的表面温度，以及隔热层涂覆的涡轮机叶片在长红 外范围内（约8-12μπι波长）的表面温度。因此，单一的光学管设计可以用来检测和获得 包括金属的涡轮机叶片或隔热层涂覆的涡轮机叶片的涡轮机的远程非接触表面温度读数。
[0030] 图1示意性地示出了已知的燃气轮机30,其具有压缩机段32、多个周向燃烧室34 和使旋转轴40从中穿过的涡轮机段38。涡轮机段38包括固定的排1轮叶42,以及可旋转 地联接到轴40的排1叶片44。涡轮机段38包括连续交替排的固定轮叶和旋转叶片，比如 排2轮叶46和排2叶片48。涡轮机30包括多个检测端口，包括示例性检测端口 36,以方 便检测到内部部件。
[0031] 如图1所示，相机检测系统50的实施方式被联接到检测端口 36,并包括具有观察 端口 56的光学管壳体54,观察端口 56建立与壳体中心轴线对准的视场（F0V)。可替代地， 通过合并镜子或棱镜以重新引导图像通过壳体中心轴线，视场可以以倾斜于中心轴线的角 度对准。光学管壳体54的凸缘57联接到检测端口 36。相机外壳58捕获由光学管壳体54 中的镜子阵列60和中继镜子阵列（repeater mirror arrays)60'、60〃传输的图像。相机 检测系统50用于检测视场中可见的涡轮机30内的感兴趣区域，例如监控已知非接触式红 外（IR)热成像系统的排1涡轮机叶片44的前缘表面温度。虽然图1显示的是单个检测系 统50的使用，但是依该系统用户的判断，在不同的检测端口中可以以任意组合同时或连续 使用两个或更多个检测系统。
[0032] 图2示出了示例性反射式镜子阵列60的示意实施方式，其用在本发明的光学检测 系统中。反射式镜子阵列60捕获其目标视场（F0V)内的图像，并将所述图像传输到目镜焦 平面F。镜子阵列60保持在镜子壳体61内，镜子壳体61可优选地包括耐高温金属，能够 在等于或高于500°C (932° F)的温度下持续工作。任选地具有涂覆表面63的凹镜62将 F0V图像反射到目标反射器镜子64上，目标反射器镜子64又将图像转发到目镜反射器镜子 66。由反射器镜子66反射的图像被转发到凸镜68,凸镜68沿着焦平面F使图像聚焦。使 用已知的光学原理来选择光学阵列组件60的尺寸，以封装在光学管壳体54的尺寸内，设定 视场角度和焦平面轴向长度以及图像放大（如果有的话）。
[0033] 可优选地，光学阵列组件60部件包括能够在等于或高于500°C (932° F)的温度 下持续工作的耐热金属。透镜兀件62、64、66、68包括耐热玻璃或金属基材，其具有通过 已知方法、如溅射涂覆施加的反射表面金属涂层63。合适的涂覆材料层包括金（Au)和钥 (Mb)，可优选地具有铬（Cr)粘附层，用于增强高温耐热性。金具有从约550nm至20 μ m的 较宽波长带宽下的光谱反射率，并且不会引入任何色差。金的反射率带宽覆盖了可见光、近 红外和远红外光谱，使其适用于涡轮机叶片金属表面或隔热层涂覆的表面检测（包括非接 触式温度监控）。因而，包括本发明的金或钥涂覆的反射器镜子阵列组件实施方式的光学管 可以用于金属的和隔热层涂覆的涡轮机叶片两者的多种检测应用。
[0034] 光学管壳体54的内部构造示意性地示于图3中。所示的光学管壳体54插入在涡 轮机检测端口 36内，并以密封的方式由已知构造的凸缘57固定至检测端口，使得涡轮机燃 烧气体不会离开检测端口。在图3中所示的光学管实施方式具有一串三个光学对准的反射 镜阵列或组件60、60'、60〃，其捕获由观察端口 56建立的图像视场，并将图像视场转发到位 于涡轮机30外部的相机外壳58。转发器60的数量和尺寸等被选择来捕获图像视场，并将 其转发到相机外壳58。位于观察端口 56远端的光学管54端部用透明折射压力窗口 70密 封，以防止涡轮机燃烧气体的排出。窗口 70位于涡轮机检测端口 36外部，它的工作温度不 超过300°C。外部折射压力窗口 70包括的材料在长红外波长范围内具有到反射透镜阵列 60的令人称赞的传输质量等，即能够维持300°C的连续工作温度。可优选地，折射压力窗口 70包括硒化锌（ZnSe)。具有与光学系统的期望检测波长范围兼容的透射特性的其它折射 材料可取代硒化锌。
[0035] 联接到光学管壳体54的相机外壳58硬件部件7]^于图4和图5中。光学管54和 相机成像系统外壳58由密封检测端口的已知构造的端口凸缘安装环57联接到涡轮机检测 端口 36。已知的成像相机182安装在相机对焦驱动器184上，相机对焦驱动器184具有能 够沿着焦距X方向箭头平移相机的已知的伺服电机/位置编码器186。
[0036] 参考图6,图像控制系统190给相机对焦驱动电机186以及相机182供电，部分 地基于由电机186编码器提供的对焦驱动位置信息而造成对焦驱动电机的启动、停止和反 转，触发相机182拍摄图像，并从相机接收图像进行进一步的处理和存储，例如通过监控光 学管观察端口 56视场内目标的红外波长发射的相关性进行已知的非接触式温度感测。图 像控制系统190包括已知的控制器194,其执行存储在存储器196中的程序指令。控制器 194经由双向数据通路（例如，电缆和/或执行以太网通信协议的数据总线）与主机控制器 200通信。示例性的主机控制器200是具有处理器202的个人计算机（PC)，处理器202执 行在存储器204中可访问的编程指令。已知的人机界面（HMI)206与PC通信，以实现人为 指挥、控制和监控。PC也可经由已知的无线通信协议如蓝牙协议与其它的HMI设备进行通 信，比如平板计算机208。图像控制系统可包括数据存储设备，用于存储、处理和存档从相机 182接收到的图像和/或相关的温度读数。
[0037] 在启动待检测的燃气轮机之前，通过在其中插入光学管壳体54并且将端口凸缘 安装环57固定至检测端口，一个或多个相机检测系统50分别联接到相应的期望涡轮机检 测端口 36等。相机182响应于从图像控制系统190接收的触发命令而捕获燃气轮机内部部 件内的感兴趣区域的图像，并将所捕获的图像传送至图像控制系统，以进行后续处理（例 如，用于涡轮机叶片表面温度感测）和存档。
[0038] 在本发明的相机检测系统光学管中使用反射镜阵列至少提供了优于常规折射透 镜光学管的以下优点：
[0039] 1.在宽的光谱范围内使图像质量改进：不同于折射透镜光学管，反射镜阵列光学 管能够在550nm至20 μ m的整个较宽光谱带宽上传输无色差的图像，从而在形成从可见光 到长红外的高质量图像时提供优势。
[0040] 2.给予反射镜阵列光学管以宽的光谱带宽，单个光学管设计可以用来检测近红外 和长红外范围内的金属表面和热粘结涂覆表面的涡轮机叶片两者。在折射光学管系统中， 不同的管设计将需要针对红外范围内的每个部分。长红外范围折射透镜光学管在图像质量 和管寿命之间存在严重的妥协。
[0041] 3.将较高温度可操纵性和使用寿命结合：在本发明光学管中使用的反射镜透镜 阵列能够在高于932华氏度（500摄氏度）的温度下连续工作，同时在宽的波长光谱中提供 良好质量的图像。相反，能够在长红外波长范围（8-12 μ m)内传输可比较图像的折射材料 不能够在高于500摄氏度的温度下以持续周期工作。本发明的实施方式用外部折射压力窗 口密封光学管，外部折射压力窗口在长红外波长范围内具有令人称赞的传输质量。该窗口 被定向在涡轮机检测端口外部的光学管远端。窗口的工作温度不超过300°C，并能够连续工 作。
[0042] 虽然在本文中已经示出并详细描述了结合本发明教导的各种实施方式，但本领域 技术人员可以容易地设计出仍结合这些教导的许多其它变化的实施方式。
【权利要求】
1. 一种涡轮机检测装置，包括： 光学管壳体，具有观察端口；和 至少一个反射器镜子，安装在所述壳体内与所述观察端口光学对准，所述至少一个镜 子具有从550nm至20 μ m的光谱反射率，并且能够在高于932华氏度（500摄氏度）的温度 下连续工作。
2. 根据权利要求1所述的装置，所述至少一个镜子还包括选自以下群组的基材，所述 群组由涂有反射性金属层的金属和玻璃组成。
3. 根据权利要求2所述的装置，还包括涂有反射性金属层的至少一个镜子，所述反射 性金属层选自由金（Au)和钥（Mb)组成的群组。
4. 根据权利要求1所述的装置，还包括透明窗口，所述透明窗口安装在所述观察端口 远端的壳体内，与所述至少一个镜子光学对准，所述窗口具有从550nm至20 μ m的光谱透射 带，并且能够在高于572华氏度（300摄氏度）的温度下连续工作。
5. 根据权利要求4所述的装置，所述透明窗口包括硒化锌（ZnSe)。
6. 根据权利要求5所述的装置，还包括涂有反射性金属层的至少一个镜子，所述反射 性金属层选自由金（Au)和钥（Mb)组成的群组。
7. 根据权利要求1所述的装置，包括位于所述光学管中的多个镜子阵列转发器。
8. 根据权利要求1所述的装置，还包括具有隔热层涂覆的叶片的燃气轮机，以及检测 端口，其中所述光学管壳体观察端口被插入在所述检测端口中，用于产生定向在由所述检 测装置建立的视场内的涡轮机叶片的图像。
9. 一种润轮机相机检测系统，包括： 光学管壳体，具有观察端口； 至少一个反射镜阵列，安装在所述壳体内与所述观察端口光学对准，所述镜子阵列具 有从550nm至20 μ m波长的光谱反射率，并且能够在高于932华氏度（500摄氏度）的温度 下连续工作； 透明窗口，安装在所述观察端口远端的壳体内，与所述反射镜阵列光学对准，所述窗口 具有从550nm至20 μ m的光谱透射带，并且能够在高于572华氏度（300摄氏度）的温度下 连续工作； 反射镜阵列，在所述壳体内通过所述窗口传输感兴趣对象的图像，所述感兴趣对象被 定向在由所述镜子阵列建立的视场内；以及 相机，联接到所述壳体，与所述窗口和所述反射镜阵列光学对准，用于捕获通过所述反 射阵列传输的图像。
10. 根据权利要求9所述的系统，还包括在所述反射阵列中涂有反射性金属层的至少 一个镜子。
11. 根据权利要求10所述的系统，还包括在所述反射阵列中涂有反射性金属层的至少 一个镜子，所述反射性金属层选自由金（Au)和钥（Mb)组成的群组。
12. 根据权利要求9所述的系统，所述透明窗口包括硒化锌（ZnSe)。
13. 根据权利要求9所述的系统，包括位于所述光学管中的多个反射镜转发器。
14. 根据权利要求13所述的系统，还包括在所述多个反射阵列的每个中涂覆有反射性 金属层的多个镜子，所述反射性金属层选自由金（Au)和钥（Mb)组成的群组。
15. 根据权利要求9所述的系统，还包括具有检测端口的燃气轮机，其中在燃气轮机运 行之前，所述壳体观察端口被插入在所述检测端口中，并且所述系统在涡轮机运行期间产 生位于燃气轮机内的感兴趣区域的图像。
16. 根据权利要求9所述的系统，还包括具有隔热层涂覆的叶片的燃气轮机，以及检测 端口，其中所述光学管壳体观察端口被插入在所述检测端口中，用于产生定向在由所述透 镜阵列建立的视场内的涡轮机叶片的图像。
17. -种用于目视检测运行着的燃气轮机内的感兴趣区域的方法，包括： 提供红外相机检测系统，所述红外相机检测系统具有： 光学管壳体，具有观察端口； 至少一个反射镜阵列，安装在所述壳体内与所述观察端口光学对准，所述镜子阵列具 有从550nm至20 μ m的光谱反射率，并且能够在高于932华氏度（500摄氏度）的温度下连 续工作； 透明窗口，安装在所述观察端口远端的壳体内与所述反射镜阵列对准，所述窗口具有 从550nm至20 μ m的光谱透射带，并且能够在高于572华氏度（300摄氏度）的温度下连续 工作； 所述反射阵列在所述壳体内通过所述窗口传输感兴趣对象的图像，所述感兴趣对象被 定向在由所述镜子阵列建立的视场内；以及 相机，联接到所述壳体与所述窗口和所述反射镜阵列对准，用于产生通过所述反射阵 列传输的图像； 将相机检测系统壳体观察端口插入到燃气轮机的检测端口中；并且 在涡轮机运行期间产生燃气轮机内的感兴趣区域的图像。
18. 根据权利要求17所述的方法，还包括：选择性地产生选自以下群组中的涡轮机叶 片的图像，所述群组包括具有约l-2ym的近红外（IR)波长的高发射率的涡轮机叶片以及 具有约8-12 μ m的长红外波长的高发射率的隔热层涂覆的涡轮机叶片，图像产生步骤用对 于任一类型的涡轮机叶片均相同的光学管壳体来执行。
19. 根据权利要求18所述的方法，还包括：确定选自以下群组中的涡轮机叶片的温度， 所述群组包括具有约1-2 μ m的近红外（IR)波长内的高发射率的涡轮机叶片以及具有约 8-12 μ m的长红外波长内的高发射率的隔热层涂覆的涡轮机叶片，温度确定步骤用对于任 一类型的涡轮机叶片均相同的光学管壳体来执行。
【文档编号】G02B23/24GK104094158SQ201380007500
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2013年1月31日 优先权日:2012年1月31日
【发明者】E.巴雷恩 申请人:西门子能量股份有限公司