用于在线检测涡轮机的包括温度和振动补偿透镜支座的系统和方法

用于在线检测涡轮机的包括温度和振动补偿透镜支座的系统和方法
【专利摘要】用于在线操作的发电涡轮机的无损内部检测的光学相机系统，发电涡轮机包括处于高于600℃(1112℉)范围内的高操作温度下的燃气轮机燃烧器和涡轮机组。该系统包括位于光管支座中的一个或多个温度和振动补偿透镜系统。透镜在周向保持在透镜支座内，安装环仅与透镜轴向表面接触。偏置元件经由第一安装环对第一透镜表面施加沿轴向取向的偏置力，允许响应于操作涡轮机振动和温度变化的支座弯曲。透镜支座有利地与能够承受高于600℃的连续操作温度的非球面透镜组合。与仅包含球面透镜的透镜支座相比，单独地或与球面透镜组合，非球面透镜确立更宽的视场，需要更少的透镜来组合。
【专利说明】用于在线检测涡轮机的包括温度和振动补偿透镜支座的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求与其同时提交的具有指定序列号(未知)的题名“SYSTEM ANDMETHOD FOR ONLINE INSPECT1N OF TURBINES INCLUDING ASPHERIC LENS” 的案号为N0.2011P22743US的共同未决美国实用新型专利申请，该申请的全部内容通过引用并入本文中。

【技术领域】
[0003]本发明涉及光学相机系统，用于在线操作的发电涡轮机的无损内部检测，发电涡轮机包括处于高于600°C (1112 T )范围内的操作温度下并包含燃烧气体污染物的燃气轮机燃烧器和涡轮机组。

【背景技术】
[0004]红外或可见光谱在线相机系统通过组合高温光学系统与高速相机影像而在发电燃气涡轮机、蒸汽轮机、发电机或它们的相关器材在电厂中操作期间监控它们的重要内部发动机部件。光学系统设计要求选择和组合透镜、光学材料和相关透镜安装结构，以提供最佳图像质量，同时经受得住器材的严酷操作环境。例如，燃气轮机燃烧器和涡轮机部分包含损坏并污染透镜表面的高温燃烧气体。
[0005]图1A和IB示意性示出已知燃气轮机30，其具有压缩部分32、多个周向燃烧器34和涡轮机组38，旋转轴40穿过涡轮机组38。涡轮机组38包括静止轮叶42排I以及旋转地联接到轴40的叶片44排I。涡轮机组38包括连续的交替静止轮叶排和旋转叶片排，比如轮叶46排2和叶片48排2。涡轮机30合并了多个检测端口 36、50和52，以便于对内部部件的检测接近。
[0006]如图1A所示，相机检测系统55联接至检测端口 36，并包括具有观察口 57的光管壳体56，观察口 57确立与壳体中心轴线对准的约30度视场。相机58拍摄由光管壳体56中的透镜传输的图像。相机检测系统55用于检测涡轮机30内的在视场中可见的关注区域，比如轮叶42排I的前缘。类似地，相机检测系统55’联接至检测端口 50，并包括具有观察口 57’的光管壳体56’，观察口 57’确立与壳体中心轴线正交的约30度视场(即，横向或侧向视场)。相机58拍摄由光管壳体56’中的透镜传输的图像。相机检测系统55、55’用于检测涡轮机30内的在视场中可见的关注区域。然而，如图1B所示，穿过观察口 57’的已知相机视场仅为30-34度，因此不能拍摄涡轮机叶片44的前缘的整个宽度。
[0007]于在线涡轮机操作期间，用于内部涡轮机部件的实时红外或可见光谱成像的当前光学设计承受若干限制因素，所述限制因素限制视场、最大操作温度、图像质量和系统操作生命周期。为了获得期望的图像质量，传统光学系统要求使用具有低于550°C (1022 T)的温度界限的至少一种光学材料。此外，传统设计使用复杂的间隔紧密的球面透镜组(包含两个或更多个元件)来校正光学像差。
[0008]用于相机成像系统的传统光管设计在视场、图像质量和透镜安装系统复杂性之间具有设计折衷。更大的期望视场要求具有更紧密透镜间隔的更多透镜数量。相反地，透镜透射率随着透镜数量增加而减小。与对在环境室温检测应用中使用的相机检测系统的影响相比，这些设计折衷对在高温检测应用(比如在线燃气轮机)中使用的光学系统的性能和寿命有显著的直接不利影响。更确切地说，为了校正光学像差，传统光学设计使用具有不同玻璃材料组合的、具有凸和凹表面的球面透镜。尽管能够产生极好的图像质量，传统光学设计当用在严酷的涡轮机环境中时遇到若干挑战。需要选择具有特定但不同的光学、热和机械结构属性的多种光学材料:最接近热操作环境的至少一种材料应当具有600°C (1112T)左右的熔化温度。少量光学材料可以在不显著损失光学属性的情况下承受这种高温。为了校正上面提及的光学像差，需要多个球面透镜。先前已知的高温检测系统光管设计使用高达六个不同透镜来生产足够的图像质量。针对涡轮机内的更宽的关注检测区域增加期望视场还需要额外的透镜。实际上，已知高温检测系统光管中的视场/范围是34°或更小。
[0009]随着光管内的透镜数量增加，透镜安装机械设计和操作限制以及系统有用的操作寿命变得更加具有挑战性。例如，随着安装中的透镜数量的增加，在高温检测应用中更加难以维持透镜对准，有用的使用寿命相应地受到损害。
[0010]用于未冷却的在线监控燃气轮机的“热部分”的当前成像系统在需要维护和维修之前具有最大为约200-300小时的可操作性。已注意到，成像系统的故障由经受燃气轮机的热和振动的各光学元件的逐渐磨损、破损或未对准引起。尽管该几百小时使用持续时间足以用于短时发动机性能有效性，但是在工业中日益需要长期操作，以在内部涡轮机部件的整个操作使用周期期间连续在线监控内部涡轮机部件。燃气轮机意在于预定的维护周期之间连续操作。在燃气轮机操作期间，相机检测系统的光机部件不能从监控的燃气轮机移除，直到预定的维护周期为止。燃气轮机的典型维护检测周期预定为每隔4000小时，通常主要检测为每隔8000小时。因此，重要的是，对于连续在线检测监控系统来说，在可以被检测和维护之前，在至少4000小时内不拆卸的情况下保持操作。目前为止，增加成像系统寿命的各种尝试导致从几十小时至几百小时的边际效用提高。
[0011]因此，本领域中存在的一种需求是，一种用于功率系统涡轮机等的高温环境检测系统，其能够在高于600°c (1112 T )并期望地高至1000°C (1832 T )的温度环境中承受连续操作。对这种系统存在的另一种需求是具有增加的视场。对这种系统存在的又一种需求是降低系统中使用的单独透镜的数量，以降低设计和操作复杂性。另一种需求是增加光学透射效率，同时维持并优选地增加图像质量。在本领域中存在的另一整体需求是，增加高温检测系统操作使用寿命，使得其与预定涡轮机维护使用周期一致:期望为4000小时。


【发明内容】

[0012]相应地，共同或个别地，本发明的潜在目的是制造用于功率系统涡轮机等的高温环境检测系统，其:在高于600°C (1112 0F )并期望地高至1000°C (1832 0F )的温度环境中承受连续操作；增加视场；减少系统中使用的单独透镜的数量以降低设计和操作复杂性；增加光学透镜效率；维持并优选地增加图像质量；以及还通过合并透镜系统来降低由操作着的在线涡轮机中的高温和振动环境引起的操作恶化的可能性，而增加系统操作使用寿命O
[0013]这些和其它目的通过根据本发明实施例的检测设备实现，该检测设备特征在于一种相机透镜系统，其延长了有用的使用寿命。透镜系统提供了用于热和振动补偿的柔性透镜支座，其中，包括具有一对第一和第二相对轴向表面以及位于表面之间的周缘的透镜。具有内表面的透镜支座外接至少一部分透镜边缘。第一安装环仅沿透镜的第一轴向表面与透镜抵靠接触。偏置元件联接至透镜支座，用于经由第一安装环对第一透镜表面施加沿轴向取向的偏置力。
[0014]本发明的实施例还涉及相机检测系统，该相机检测系统特征在于一种相机透镜系统，其中，其包括分别具有一对第一和第二相对轴向表面以及位于表面之间的周缘的第一和第二透镜，透镜相对彼此沿轴向间隔开。透镜支座具有外接至少一部分每个透镜边缘的内表面。相应第一安装环仅沿透镜的相应第一轴向表面与每个对应透镜抵靠接触。偏置元件联接至透镜支座，用于经由其对应第一安装环对每个相应第一透镜表面施加沿轴向取向的偏置力。
[0015]本发明还涉及一种通过提供相机检测系统来视觉检测操作燃气轮机内的关注区域的方法，相机检测系统具有限定出观察口的壳体。透镜系统还设置在与观察口对准的壳体中，包括具有一对第一和第二相对轴向表面以及位于所述表面之间的周缘的透镜。具有外接至少一部分透镜边缘的内表面的透镜支座还设置有仅沿透镜的第一轴向表面与透镜抵靠接触的第一安装环。偏置元件设置成联接至透镜支座，用于经由第一安装环对第一透镜表面施加沿轴向取向的偏置力。相机检测系统还具有联接至透镜支座的相机，用于产生传输通过透镜支座的图像。在本发明的方法中，在操作涡轮机之前，将相机检测系统壳体观察口插入燃气轮机的检测端口中。之后，在涡轮机操作期间产生燃气轮机内的关注区域的图像。
[0016]在本发明的一些实施例中，透镜系统包括可以与球面透镜组合安装的一个或多个非球面透镜。本发明透镜支座的组合能够补偿温度和振动，透镜安装光管中的更少量的所需非球面透镜有助于增加成像系统使用寿命。在一些实施例中，透镜支座、透镜、安装环和偏置元件中的一个或多个可由能够在大于1112华氏度￠00摄氏度)的温度下连续操作的材料构成。在其它实施例中，一个或多个透镜接收在相对的第一和第二对应安装环之间。在一些实施例中，安装环是柔性的，具有安装轮边和多个柔性悬臂指，安装轮边具有与透镜支座内表面成相对关系的安装轮缘，柔性悬臂指分别具有联接至安装轮边的近端和从轮边沿轴向向外突出的远端，所述远端仅沿透镜轴向表面与相关透镜偏置的抵靠接触。
[0017]在一些实施例中，透镜系统并入光管壳体中，光管壳体保持透镜支座，透镜支座还具有由与透镜对准的壳体限定的观察口。冷却端口由邻近观察口的壳体限定，透镜系统具有联接到冷却端口的加压气源，用于将加压气体邻近观察口排放。具有透镜支座的光管壳体以及相机结合进相机检测系统中。
[0018]本发明的目的和特征可由本领域技术人员以任意组合或子组合的形式共同或单独地应用。

【专利附图】

【附图说明】
[0019]通过结合附图考虑下列详细描述会更易于理解本发明的教导，附图中:
[0020]图1A是用已知相机检测系统检测的燃气轮机的示意性正视图；
[0021]图1B是沿图1的1B-1B截取的示意性平面图；
[0022]图2A是已知球面透镜的示意性正视图；
[0023]图2B是本发明的非球面透镜的示意性正视图；
[0024]图3A是已知相机透镜系统的示意性正视图，该已知相机透镜系统结合了球面透镜堆叠，以形成位于透镜视场(FOV)内的所关注物体的图像；
[0025]图3B是本发明的相机透镜系统的示意性正视图，本发明的相机透镜系统结合了本发明的非球面透镜；
[0026]图4是用于相机透镜系统的已知透镜支座的部分横截面的示意性正视图；
[0027]图5是用本发明的相机检测系统检测的燃气轮机的示意性正视图；
[0028]图5A是沿图5的5A-5A截取的示意性平面图；
[0029]图6是本发明实施例的光管壳体的示意性截面图，其中，平行于管中心轴线拍摄图像；
[0030]图7是位于图6的本发明的光管壳体实施例中的透镜支座的不意性截面图；
[0031]图8是位于图7的本发明的透镜支座的轴向压缩弹簧的透视图；
[0032]图9是位于图7的本发明的透镜支座中的安装环的透视图；
[0033]图10位于图6的本发明的光管壳体实施例中的另一透镜支座的不意性截面图；
[0034]图11是本发明另一实施例的光管壳体的示意性截面图，其中，正交于管中心轴线拍摄图像；
[0035]图12是位于图11的本发明的光管壳体实施例中的透镜支座的示意性截面图；
[0036]图13是位于图12的本发明的透镜支座中的安装环的另一实施例的径向截面图；
[0037]图14是位于图11的本发明的光管壳体实施例中的另一透镜支座的示意性截面图；
[0038]图15是本发明的又一透镜支座实施例的示意性截面图；
[0039]图16是包括冷却系统的本发明检测系统的示意性截面正视图；
[0040]图17是图16的冷却系统的详细示意性截面正视图；
[0041]图18是联接至燃气轮机检测端口的本发明检测系统的示意性透视图；
[0042]图19是本发明检测系统的检测相机调焦机构的示意性透视图；以及
[0043]图20是本发明检测系统的框图，检测系统包括相机检测系统和相关电子/电机控制系统部件。
[0044]为了便于理解，尽可能使用相同参考标号来表示附图中共用的相同元件。

【具体实施方式】
[0045]在考虑下列描述之后，本领域技术人员会清楚地认识到，本发明的公开可易于在用于在线操作的发电涡轮机的无损内部检测的光学相机系统中使用，发电涡轮机包括处于高于600°C (1112 T )范围内的高操作温度下并包含燃烧气体污染物的燃气轮机燃烧器和涡轮机组。检测系统包括能够承受高于600°C的连续操作温度的一个或多个非球面透镜。单独或与球面透镜组合，非球面透镜确立更宽的视场，并与仅包含球面透镜的透镜支座相比需要更少的透镜来进行组合。并入检测系统中的冷却系统便于连续操作，并防止透镜外表面受到燃烧气体的污染。
[0046]非球面透镜光学系统
[0047]为了改进“热”检测成像光机性能，并降低机械组件复杂性，非球面透镜元件(优选地由熔融石英材料构成)替代至少一些已知的常规球面透镜元件。熔融石英是具有耐高温的光学材料。透镜表面轮廓可使用已知的单点金刚石车削加工技术来制造。蓝宝石或透明陶瓷，比如尖晶石和氮氧化铝(A1N)是其它潜在的高温应用透镜材料。
[0048]如图2A所示，具有球面62的已知透镜60完全由其恒定半径确定，而非球面则要求已知的多参数方程来描述其形状。图2B示出具有非球面66的透镜64的光学优点，其中，光线会聚至一点。在球面透镜60的情况下，图2A，光线形成斑点，这降低了图像质量。在已知的仅球面透镜阵列中，比如图3A所示，需要六个球面透镜60-60E来使模糊的图像变清晰。相比之下，非球面透镜64A与球面透镜60’组合便足以补偿光学像差，并在相机传感器上产生足够清晰的图像。具有包括非球面透镜的透镜阵列的成像检测相机系统增加了系统操作寿命。透镜总数量减少，这又导致机械组件复杂性降低。更少的部件发生故障和/或未对准无疑地影响检测系统使用寿命。由于更少的连续透镜材料层之间的更少衰减，透镜数量的减少有利地有助于增加光透射率。熔融石英和蓝宝石非球面透镜材料会在1000°C的温度下以连续操作的方式操作，而在1200°C的温度下以短期间歇操作的方式操作。检测系统视场可增加至50度，同时维持可接受的机械组件复杂度。具有球面透镜的已知系统受限于34度或更小的视场。
[0049]已知的透镜支座限制
[0050]与图4所示的典型已知检测系统刚性透镜支座构造相比，本发明的系统的一些实施例额外地表征了温度和振动补偿透镜支座。在该示例性的已知透镜支座中，间隔开的球面透镜60F-60H通过一系列隔开的刚性形成凸缘72、刚性隔离环74、76和挡圈78保持在支座筒70中。由于所述筒、挡圈和非金属透镜的不同热膨胀率，透镜受到外部变形应力，使得它们易受到应力裂纹和/或未对准。
[0051]检测系统概沭
[0052]图5是利用本发明的相机检测系统检测的可操作的在线燃气轮机30的示意性正视图。特别地，第一排轮叶42的前缘由检测系统80实时检测，而检测系统80A检测第一排涡轮机叶片44的前缘。尽管附图示出同时使用位于指定检测位置的两个检测系统，但是检测系统的数量和它们的位置可以在使用者的判断下改变。相应检测系统均具有相机外壳82，相机外壳光学地联接至光管壳体84、84A(其中通过透镜支座保持有多个透镜)，光管壳体传输位于经由观察口 86、86A确立的视场内的图像。燃气轮机检测系统80中的观察口 86在光管壳体84的远端取向，使得其视场与壳体的中心轴线对准。观察口 86A在光管壳体84A的圆周侧上侧向取向，使得其视场以正交于其壳体中心轴线的角度对准。如图5所示，检测系统观察口 86A产生涡轮机叶片44的前缘的图像。图5A示意性示出，与图1A和IB所示现有技术已知相机检测系统55’的34°或更小视场(FOV)相比，50°或更大视场(FOV)的优点。与具有34°或更小视场角的已知检测系统所能检测的相比，更大的50° +FOV角度允许检测关注区域(在此，示例性涡轮机叶片44前缘)的更大部分。
[0053]光管壳体和透镜支座
[0054]图6-15示出光管实施例84、84A以及本发明的透镜和透镜支座的示例性实施例。参见图6，光管壳体84具有在其远端取向的观察口 86。远端透镜支座90和中间透镜支座92保持在金属光管壳体84中，并又保持不同透镜构造。如图7-9所示，远端透镜支座90具有金属透镜支座筒100 (构造为管状构造)，其具有整体透镜固定凸缘102和对非球面透镜106限制范围并接收的内周104。尽管透镜支座100完全限制透镜106的范围，但是取决于本领域技术人员，可构造成仅限制透镜一部分的范围。
[0055]非球面透镜106具有抵接固定凸缘102的前表面108和后表面110。周缘112限定出透镜106的径向边界。为了关于透镜圆周有对称压力，抵接透镜106的固定凸缘102局部轮廓匹配前表面108局部轮廓。球面透镜116与非球面透镜106成间隔开关系，并与其对准，并且具有前表面118、后表面120和周缘122。透镜106和116之间的对准和间隔由环形/管状金属第一安装环114确立(图10)，其前表面114A局部轮廓符合非球面透镜后表面110局部轮廓,其后表面114B轮廓符合球面透镜前表面118的轮廓。第二管状金属安装环124具有前表面，该前表面的轮廓匹配球面透镜后表面120的局部轮廓。
[0056]通过透镜表面和安装环的对应匹配的抵接轮廓将每个透镜106、116周向地接收在支座筒100的内周104内并轴向地接收每个透镜，会为了图像质量而维持期望的透镜对准，不管涡轮机中的操作温度变化和振动如何。压缩弹簧126 (图10)是偏置元件，其对透镜106、116的前后表面施加恒定轴向力，不管在涡轮机操作期间的温度和振动变化如何。如此，透镜106、116、定位环114、124和透镜支座筒100能够经受不同轴向膨胀/收缩率，同时维持所有这些相应部件之间的相对恒定的轴向偏置力。压缩弹簧124通过用电火花加工来切割固体不锈钢管而形成。其它轮廓弹簧偏置元件可代替压缩弹簧124。压缩弹簧第一端128抵接第二定位环124，第二端130抵接接收在壳体100内的弹簧定位环132。或者，如果期望降低远端透镜支座90的轴向长度，则压缩弹簧第二端130可通过焊接等永久附接至壳体内周，代替弹簧定位环132。远端透镜支座90还具有远端透镜支座观察口 134，其与光管壳体84观察口 86对准。
[0057]如图10所示，中间透镜支座92具有单个非球面透镜106’，其通过第一安装环114’以及偏置元件压缩弹簧126’和弹簧定位环132’沿周向接收在透镜支座筒100’内，并轴向保持。
[0058]图11示出横视或侧视光管84A实施例。通过棱镜150实现横视，棱镜使光谱频率波(例如，红外或可见光谱)光学地弯曲，以与具有非球面透镜106A的远端透镜支座90A(图12)以及具有非球面透镜106A’的中间透镜支座92A对准(图14)。
[0059]图12示出示例性远端透镜支座90A，其包括透镜支座筒152，透镜前安装保持件154连接到透镜支座筒。保持件154抵靠非球面透镜106A，抵接表面轮廓对应于透镜前或第一表面局部轮廓。柔性透镜安装环156还具有对应于透镜106A第二或后表面的表面轮廓，并因压缩弹簧轴向偏置元件164和弹簧定位环166所施加的轴向偏压压力而轴向地抵靠透镜。如图13所示，柔性透镜安装环156具有轮缘158和远离轮缘158轴向突出的多个悬臂指160。指160具有远端接触表面162，其轮廓对应于抵接透镜106A的局部轮廓。柔性透镜安装环添加了朝向抵接透镜106A的额外偏置力，并可补偿透镜支座筒152的局部弯曲。或者，固体定位环，比如相应图7和10的透镜支座90、92中使用的，可代替透镜支座90A中或其它示例性实施例支座中的柔性透镜安装环156。
[0060]在中间透镜支座92A中，如图14所示，透镜支座筒152A周向地接收透镜106A’，并在相对的柔性透镜安装环156A和156A’之间轴向地保持透镜。压缩弹簧164A与相对的柔性安装环156A和156A’联合对透镜106A’施加轴向偏置力。弹簧定位环166A将弹簧164A保持在透镜支座筒152A内。
[0061]图15示出两个串联的非球面106B和球面116B透镜的示例性实施例，它们分别由各对柔性安装环156B、156B’以及156B”、156B”’保持。透镜106B和116B由间隔衬套168隔开，并由插入透镜周缘和透镜支座筒152B之间的相应弹性金属环形衬套167U67A在周向上进行限制。压缩弹簧164B(在此显示为螺旋弹簧)与每对环156BU56B’和156B”、156B”’上的被偏置的柔性悬臂指一起维持对透镜106B和116B的偏置的轴向压力，以补偿透镜支座164B或光管84A结构内的由热和振动引起的变形。弹性环形金属衬套167提供关于透镜106BU16B的额外的振动阻尼和弯曲补偿。压缩弹簧164B由螺纹弹簧定位环166B保持在壳体152B内。
[0062]光管冷却和透镜清洁
[0063]本发明的检测系统可额外地采用冷却系统，冷却系统将加压气体注射到光管壳体外周周围，还将加压气体引导至邻近光管观察口取向的冷却端口中。加压气源可以是从涡轮机压缩机组分流的压缩空气，或者任何外部加压空气或在发电厂中可用的其它气源。
[0064]参见图16和17，光管壳体84插入燃气轮机的检测端口中。加压气源172是来自燃气轮机排放空腔的主冷却空气，具有约450°C (842 0F )的温度，其低于涡轮机组内的6000C (1112 T )或更高的环境温度。与涡轮机组气体路径G6相比，主冷却空气G1具有更高的相对压力。冷却空气G1传送通过冷却端口 169，并沿光管壳体84的外周轴向向下流动。形成在光管壳体84内的冷却端口 170引导冷却空气流至非球面透镜106C及其柔性透镜支座环156C近端和前方，于此，冷却空气流如气流路径G3离开观察口 86。与位于涡轮机组内的燃气气体路径G6相比，冷却空气流G3具有更高的压力和更低的温度。结果，冷却气体路径G1-G3将热量从光管壳体84、观察口 86和非球面透镜106C转移走，并且是隔离较高温度燃烧气体G6的热障隔离层。冷却气体G3的阻挡层还在非球面透镜106C前方维持相对“干净”无污染的气体层，使得透镜较少受到从燃烧气体中的污染物聚集的脏的污染膜。
[0065]检测系统电子装置和操作
[0066]图18和19示出联接至光管壳体的相机成像系统58的硬件部件。光管和相机成像系统58通过已知构造的端口凸缘安装环180 (密封检测端口 )联接至涡轮机检测端口 36、
50、52。已知的成像相机182安装在具有已知的伺服电机/位置编码器186的相机聚焦驱动器184上，相机聚焦驱动器能够使相机沿聚焦X方向箭头平移。
[0067]参见图20，图像控制系统190为相机聚焦驱动器电机186以及相机182提供动力，部分地基于由电机186的编码器供给的聚焦驱动位置信息使聚焦驱动器电机开始、停止和反向，触发相机182记录图像并接收来自相机的图像用于进一步处理和存储。图像控制系统190包括执行存储在存储器196中的程序指令的已知的控制器194。控制器194经由双向数据路径(例如，缆线和/或实施以太网通信协议的数据总线)与主机控制器200通信。示例性主机控制器200是个人电脑(PC)，其具有执行可访问存储器204中的程序指令的处理器202。已知的人机界面(HMI) 206与PC通信，以执行人类命令、控制和监控。PC还可经由公知的无线通信协议(比如蓝牙协议)与其它HMI装置通信，比如平板电脑208。图像控制系统可包括数据存储装置对从相机182接收的图像存储、处理和存档。
[0068]在启动要检测的燃气轮机之前，通过将光管84、84A插入相应期望的涡轮机检测端口 36、50、52中并将端口凸缘安装环180固定到检测端口，将一个或多个相机检测系统80、80A独立地联接至相应期望的涡轮机检测端口。加压冷却气源172将冷却气体注射到光管壳体84、84A周围，邻近观察口 86、86A。如先前所讨论的，冷却气源172可从涡轮机压缩机部分获得。相机182响应于从图像控制系统190接收的触发命令拍摄燃气轮机内部部件内的关注区域的图像，并将拍摄的图像传输至图像控制系统，以用于随后处理和存档。
[0069]检测系统的益.处总结
[0070]使用本发明的相机检测系统中的非球面透镜元件提供至少以下益处:
[0071]1、增加的寿命系统操作的使用寿命:使用的透镜数量减少，这导致透镜支座机械组件复杂性降低，从而对系统寿命有直接影响。通过本发明透镜支座可提高系统和操作的使用寿命，本发明透镜支座提供热和振动补偿。本发明透镜支座减少了在涡轮机操作期间透镜损坏和/或未对准的可能性，使得成像系统能够在预定涡轮机维护间隔期间连续操作使用。本发明透镜支座(能够进行温度和振动补偿)和透镜支座光管中形成可接受质量图像所必需的更少数量的所需非球面透镜的组合进一步有助于增加成像系统使用寿命。
[0072]2、改进的信号:透镜的减少降低了整体衰减，从而增加了对于相机的整体系统光透射率。
[0073]3、更高的温度可操作性:使用熔融石英或蓝宝石，或者透明陶瓷，比如尖晶石和氮氧化铝(A1N)来形成非球面和球面透镜允许在连续操作下的1000°C更高操作温度和用于短期操作的1200°C。这比旧的已知设计提高了 400°C。当与本发明的透镜支座组合时，操作温度范围提高尤其明显，本发明的透镜支座由也承受更高操作温度同时补偿在燃气轮机操作期间在光管部件中由热和振动引起的变形的材料构成。
[0074]4、更大的视场:可以增加视场，同时维持可接受的机械组件复杂度和图像质量。本发明能够得到50°视场。已知系统具有34°或更小的视场。
[0075]尽管在本文中详细示出和描述了包含本发明教导的各种实施例，但是本领域技术人员可易于设想许多仍包含这些教导的其它变型实施例。
【权利要求】
1.一种相机透镜系统,包括: 透镜，具有一对第一和第二相对的轴向表面以及位于所述表面之间的周缘； 透镜支座，具有外接至少一部分透镜边缘的内表面； 第一安装环，仅沿透镜的第一轴向表面与所述透镜抵靠接触；以及偏置元件，联接至所述透镜支座，用于经由所述第一安装环对第一透镜表面施加沿轴向取向的偏置力。
2.如权利要求1所述的系统，还包括第二安装环，所述第二安装环仅沿透镜的第二轴向表面抵接所述透镜，所述透镜被接收在相对的第一和第二安装环之间。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述偏置元件包括压缩弹簧。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述压缩弹簧包括沿径向限制在透镜支座内表面内的环形金属弹簧，所述环形金属弹簧的第一弹簧端与所述第一安装环成偏置抵接关系。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一安装环还包括: 安装轮边，具有与透镜支座内表面成相对关系的安装轮缘；以及 多个柔性悬臂指，分别具有联接至安装轮边的近端和远离所述轮边沿轴向突出的远端，所述远端仅沿第一透镜的第一轴向表面与第一透镜偏置抵靠接触。
6.如权利要求1所述的系统，在透镜支座中包括相对于彼此轴向间隔开的多个透镜以及对应于每个透镜的相应第一安装环。
7.如权利要求6所述的系统，还包括仅沿对应透镜的第二轴向表面抵接对应透镜的至少一个第二安装环，所述透镜被接收在相对的第一和第二安装环之间。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述偏置元件从由对单个透镜第一表面施加偏置力的压缩弹簧和对多个透镜的相应第一表面施加偏置力的压缩弹簧构成的群组中选择。
9.如权利要求1所述的系统，其中，所述透镜包括非球面透镜。
10.如权利要求1所述的系统，其中，所述透镜支座以及每个相应透镜、安装环和偏置元件由能够在大于1112华氏度(600摄氏度)的温度下连续操作的材料构成。
11.如权利要求1所述的系统，还包括: 壳体，保持所述透镜支座； 观察口，由与所述透镜对准的壳体限定； 冷却端口，由邻近所述观察口的壳体限定；以及 加压气源，联接至所述冷却端口，用于将加压气体邻近所述观察口排放。
12.—种相机透镜系统,包括: 第一和第二透镜，分别具有一对第一和第二相对的轴向表面以及位于所述表面之间的周缘，所述透镜相对于彼此轴向间隔开； 透镜支座，具有外接至少一部分每个透镜边缘的内表面； 相应第一安装环，仅沿对应透镜的相应第一轴向表面与每个对应透镜抵靠接触；以及偏置元件，联接至所述透镜支座，用于经由对应第一安装环对每个相应第一透镜表面施加沿轴向取向的偏置力。
13.如权利要求12所述的系统，其中，所述第一安装环中的至少一个还包括: 安装轮边，具有与透镜支座内表面成相对关系的安装轮缘；以及 多个柔性悬臂指，分别具有联接至所述安装轮边的近端和远离轮边轴向突出的远端，所述远端仅沿对应第一透镜的第一轴向表面与对应第一透镜偏置抵靠接触。
14.如权利要求13所述的系统，还包括抵靠对应透镜第二轴向表面的至少一个第二安装环，所述至少一个第二安装环如所述至少一个第一安装环那样具有轮边和指。
15.如权利要求12所述的系统，还包括仅沿对应透镜的相应第二轴向表面抵靠每个对应透镜的第二相应安装环，相应的对应透镜被接收在相对的相应第一和第二对应安装环之间。
16.如权利要求12所述的系统，其中，所述偏置元件从由对单个透镜第一表面施加偏置力的压缩弹簧和对多个透镜的相应第一表面施加偏置力的压缩弹簧构成的群组中选择。
17.如权利要求12所述的系统，其中: 所述第一透镜是非球面透镜；以及 所述透镜支座以及每个相应透镜、安装环和偏置元件由能够在大于1112华氏度(600摄氏度)的温度下连续操作的材料构成。
18.如权利要求12所述的系统，还包括: 壳体，保持所述透镜支座； 观察口，由所述壳体限定，并与所述透镜对准； 冷却端口，由邻近所述观察口的壳体限定；以及 加压气源，联接至所述冷却端口，用于将加压气体邻近所述观察口排放。
19.如权利要求12所述的系统，还包括联接至所述透镜支座的相机检测系统，用于产生传输通过所述透镜支座的图像。
20.一种用于视觉地检测位于操作的燃气轮机内的关注区域的方法，包括: 提供相机检测系统，具有: 壳体，限定出观察口 ； 位于所述壳体中的透镜系统，与所述观察口对准，所述透镜系统包括: 透镜，具有一对第一和第二相对轴向表面以及位于所述表面之间的周缘； 透镜支座，具有外接至少一部分透镜边缘的内表面； 第一安装环，仅沿透镜的第一轴向表面与所述透镜抵靠接触；以及偏置元件，联接至所述透镜支座，用于经由所述第一安装环对第一透镜表面施加沿轴向取向的偏置力；以及 相机，联接到所述透镜支座，用于产生传输通过所述透镜支座的图像； 在燃气轮机操作之前，将所述相机检测系统壳体观察口插入燃气轮机的检测端口中；以及 在涡轮机操作期间产生燃气轮机内的关注区域的图像。
【文档编号】G02B7/02GK104204885SQ201380015644
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年1月18日 优先权日:2012年1月31日
【发明者】E.巴莱尼, V.乔纳拉加达, M.萨瓦德 申请人:西门子能量股份有限公司