涡轮组件维护方法与流程

本发明涉及用于维护涡轮组件的原位(insitu，有时也称为原地)方法。

背景技术：

用于飞行器发动机的涡轮以及用于工业应用的燃气和蒸汽动力涡轮包括承载多级翼型件(此后称为叶片)的至少一个转子，其相对于涡轮壳体旋转。继而，涡轮壳体承载多级翼型件(此后称为引导导叶)，使得涡轮包括叶片和引导导叶的交替级。为了减少空气、蒸汽或燃烧气体在叶片尖端上的泄漏，可在定子的径向内表面上设置护罩，以便围绕叶片尖端形成环形密封件。为了限制空气、蒸汽或燃烧气体进入转子腔或轮空间，叶片具有平台，并且引导导叶具有内侧壁。类似地，引导导叶具有外侧壁以限制径向向外泄漏。叶片、引导导叶和护罩一起限定了涡轮内的主要流动路径。

在使用期间，涡轮部件可经历退化。执行定期检查，如管道镜(borescope)检查，以便在服务间隔之间评估机器的状况。在检查期间可观察到的损坏的示例包括磨损(例如，从叶片尖端到护罩中的侵入、颗粒引起的侵蚀、水滴引起的侵蚀、由于固定部件之间的滑动接触引起的磨损)、冲击(例如，热或环境隔离涂层(分别地，“tbc”或“ebc”)从涡轮-区段部件的散裂、压缩机叶片的前缘翻边/弯曲)、开裂(例如，热疲劳、低循环疲劳或高循环疲劳)、固定部分之间的接触边缘损坏、高温金属区段的氧化或热腐蚀、静态密封件退化、引导导叶侧壁损伤和叶片平台损伤。

在服务间隔期间，涡轮至少部分地拆卸以允许维修和/或更换损坏的部件。目前，涡轮发动机的损坏的部件主要在大修设施处维修，其中在现场仅进行有限的干预。用于维修压缩机和涡轮流动路径部件的过程可包括表面清洁，以便移除积聚的污垢和氧化产物、剥离和修复涂层表面、裂缝维修、区段更换、航空造型和平滑化。虽然单元过程的成本通常低于损坏的部件的更换成本，但是强制停机是代价高的且对于发动机操作员来说是破坏性的。因此，使用定期检查和基于工厂的部件维修方法的维护涡轮的传统方法有时可导致由少量严重损伤的部件造成的意外停机，并且将使部件的一些部分超出其维修限制。

为了解决上述缺点，已经公开了维修损坏的部件的原位方法，如耐磨涂层(例如，美国专利号7,509,735、8,563,080，美国专利申请公开号2015/0174837)。然而，这些先前的公开内容集中于使用系绳工具(tetheredtools，有时也称为系留工具)的管道镜式进入。这些系绳工具为了维护的目的而受到严格限制，因为它们仅可进入涡轮内的有限的位置。此外，即使利用系绳工具可到达损坏区域，进入损坏区域的角度对于执行维修任务而言可能是不利的。在极端情况中，系绳甚至可能变得卡住或切断，使工具困在燃气涡轮发动机内。不系绳的维护装置将不会具有这样的限制。在美国专利号8,400,501中公开了一种不系绳的检查设备，但所公开的装置不旨在用于执行维修且不能够执行维修。

因此，本发明试图提供一种维护涡轮组件的新颖方法，其通过使用能够执行维修的远程控制维护装置克服了以上提到的问题。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供用于维护涡轮组件、如燃气涡轮发动机的方法。维护可包括检查涡轮组件的内部部分。维护还可包括维修涡轮组件的损坏的内部部分，包括护罩、叶片和引导导叶。

因此，在一种实施例中，本发明针对一种用于维护涡轮组件的方法，涡轮组件包括转子和定子，定子包括损坏区域，该方法包括：将可远程控制的维护装置设置在转子上；通过旋转该转子来将维护装置定位成接近于损坏区域；并且通过操作设置在装置上的维修工具来维修损坏区域。

在另一种实施例中，本发明针对一种用于维护涡轮组件的方法，涡轮组件包括转子和定子，转子包括损坏区域，该方法包括：将可远程控制的维护装置设置在定子上；通过旋转该转子来将损坏区域定位成接近于维护装置；并且通过操作设置在装置上的维修工具来维修损坏区域。

本文公开的方法是有利的，因为它们可在不拆除或移除需要维护的组件的情况下执行。鉴于以下详细描述，连同附图，将更全面地理解由本文所讨论的实施例提供的这些和另外的特征。

附图说明

当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在附图中相似的字符贯穿附图表示相似的部分，其中：

图1提供了涡轮组件的理想化横截面视图，其描绘了通过燃烧硬件到涡轮区段的热气体路径中的维护装置的插入路径的一种示例。

图2提供了涡轮组件的区段的放大的理想化横截面视图，其示出了设置在转子的相邻叶片之间的维护装置的理想化描绘。

图3提供了涡轮组件的理想化横截面视图，其描绘了通过燃烧硬件到涡轮区段的热气体路径中的维护装置的插入路径的另一示例。

图4提供了涡轮组件的区段的放大的理想化横截面视图，其示出了设置在定子的相邻引导导叶之间的维护装置的理想化描绘。

图5提供了维修工具的理想化视图。

具体实施方式

在以下说明书和随后的权利要求书中将参考多个术语，所述术语应限定为具有以下含义。

除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一(a)”，“一个(an)”和“该”(the)包括复数指示物。

如贯穿说明书和权利要求书在本文中使用的，近似语言可应用于修饰任何可以可允许地变化的定量表示，而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语、如“约”修饰的值不限于指定的精确值。在一些情况中，近似语言可对应于用于测量值的仪器的精度。

如本文所使用的，术语“维护”是指与维护涡轮组件的部件状况相关的任务。这种维护的优点包括涡轮组件的有效操作、意外停机的风险的降低、以及在随后的大修期间涡轮组件的部件的可维修性的增加。因此，维护包括检查涡轮组件部件以识别、评估和记录退化和损坏。维护还包括与退化或损坏区域的检修(servicing)相关的任何任务，例如清洁和/或维修。维护还包括无损检测。

如本文所使用的，术语“转子”是指涡轮组件的移动部件，并且包括叶片。

如本文所使用的，术语“相邻叶片”是指在转子中彼此相邻定位的任何叶片。

如本文所使用的，术语“定子”是指涡轮组件的非旋转部件。因此，术语“定子”包含护罩、引导导叶和未附接到转子的任何其它部件。

如本文所使用的，术语“相邻引导导叶”是指彼此相邻定位的任何引导导叶。

如本文所使用的，术语“相机”是指如下任何设备，其可操作以拍摄图像、如静止图像、行扫描仪(line-scanner)图像数据排、三维图像或图像流，其包括即时串流(livestreaming)或录像。如此处有意的，图像可以是光学图像，如以可见光相机和白光照明获得的图像。备选地，照明可包括ir和/或uv，并且收集的图像可以是多光谱或超光谱的。在还其它实施例中，相机可对特定发光敏感，如来自在成像之前施加到部件的荧光渗透流体。在还另一种实施例中，相机可从距离敏感的触觉、声学和激光感测设备或立体成像器或与平台运动耦合的单眼成像器创建三维图像或模型。相机设置在装置上并可操作以将可视数据传输到通过有线或无线地连接到相机的远程接收器。远程接收器可以是例如显示监视器或记录设备。可视数据还可存储在结合到维护装置或相机中的数据存储设备上。相机可以是可操作的以调整其在装置上的取向，以便能够在其视野内带来不同的区域。相机还可以是可操作的以调整其焦点。例如，当装置设置在转子上时(例如，在相邻叶片之间)，相机可以是可操作的以调整其取向和/或焦点，以便将护罩或引导导叶和静态密封件成像。类似地，例如，当装置设置在定子上时(例如，在相邻引导导叶之间)，相机可调整其取向和/或焦点，以便观察定位在相机视线内的转子的部分，如，例如，叶片和叶片间密封件以及阻尼器。另外，相机可以以这样的方式定位使得维护装置(包括其移动机构、其锚定机构及其维修机构)是可见的，以向操作员或自动控制系统提供状态信息。

相机可以是可操作的以在装置上移动以改变其位置。相机的这种移动可通过本领域中已知的任何手段实现，如马达驱动的串联和并联机械手、轮子、履带驱动托架、螺钉和活塞。马达可以是本领域中已知的任何类型。合适的马达类型的一些示例是电动马达、液压马达和气动马达。

如本文所使用的，术语“旋转转子(rotatingtherotor)”是指转子的任何旋转移动，并因此表示转子的完整360度旋转和/或小于360度的部分旋转，和/或大于360度的旋转。术语“旋转转子”还包含转子的多个旋转。因此，多个旋转步骤是在本发明的范围内的。每个旋转步骤可作为不间断的连续运动或以一个或多个停止来执行。每个旋转步骤的方向可以是相同的或者其可以是相反的。

如本文所使用的，术语“锚定装置(anchoringtheapparatus)”或“锚定机构(anchoringmechanism)”是指用于将装置的位置固定于其在涡轮中的局部环境内的任何手段。例如，可通过施加向外的夹紧力来锚定该装置，以将维护装置锁定在相邻叶片或引导导叶之间，或者通过相对于叶片平台和/或护罩施以夹紧力。另外，例如，维护装置可至少部分地围绕单个叶片和引导导叶，并提供向内的夹紧力以将其锚定就位。在还另一示例性实施例中，维护装置可夹到相邻翼型件(即，相邻叶片或相邻引导导叶)上，其中该装置定位在相邻翼型件之间。备选地，维护装置可定位在翼型件的前方或后方，同时不妨碍转子的旋转。通过使用由螺钉、弹簧、电动马达、永磁体、电磁体、形状记忆合金、电活性聚合物、气动、液压、膨胀泡沫或弹性体驱动的间隔件、牵引器或夹具可产生向内和向外的夹紧力。

如本文所使用的，术语“损坏区域”是指定子或转子的表面上的任何沉积物或损坏。例如，这种损坏区域可以是结垢(例如，通过粉尘积聚、氧化和/或腐蚀产物)、涂层散裂、氧化、腐蚀、侵蚀、冲击、磨损或开裂的结果。

如本文所使用的，术语“维修损坏区域”是指部分或完全维修损坏区域的任何一种或多种行为。

如本文所使用的，术语“热隔离涂层”或“tbc”是指本领域中已知的陶瓷涂层，其施覆到金属和陶瓷基底，如在燃气涡轮或航空发动机部分上，在高温下操作，作为一种热管理的形式。

如本文所使用的，术语“环境隔离涂层”或“ebc”是指本领域中已知的陶瓷涂层，其用于保护组件并且特别是含硅材料免受苛刻的操作条件，如热燃烧气体。

如本文所使用的，术语“维修材料”是指可用于修补tbc或ebc的损坏区域的组合物。这种组合物是本领域已知的，例如，tbc维修材料在美国专利号6,413,578,6,827,969,6,875,464,6,890,587,和7,476,703中公开。例如，ebc维修材料在美国专利申请公开号2015/0175486中公开。用于tbc维修的市售维修组合物的一种示例在本领域中以商品名cercotec已知。

如本文所使用的，术语“远程传输(remotetransmission)”、“远程地传输(remotelytransmit)”和类似术语是指如下系统，其中，数据传输的发送器和数据传输的接收器在空间上彼此分离，并且其中，传输经由有线或无线连接来发送。

传输的数据可包括可视数据(例如，来自相机传感器)、状态数据(例如，装置位置信息、维修机构位置、相机位置、马达电流)和控制数据(例如，移动维修机构的命令、移动相机的命令、改变相机设定的命令)。

如本文所使用的，术语“可远程控制”、“远程控制”和类似术语是指如下系统，其中，控制器和受控制的对象在空间上彼此分离，并且其中，控制经由有线或无线连接来实现。

在一种实施例中，本发明针对一种用于维护涡轮组件的方法，涡轮组件包括转子和定子，定子包括损坏区域，该方法包括：将可远程控制的维护装置设置在转子上；通过旋转该转子将维护装置定位成接近于损坏区域；并且通过操作设置在装置上的维修工具来维修损坏区域。在一种实施例中，相机设置在装置上，其中，相机可操作以将可视数据远程传输到接收器。这种远程传输可通过有线连接或无线地完成。因此，在一种实施例中，相机设置在装置上，其中，相机可操作以将可视数据无线传输到接收器。

可使用插入设备来执行装置的设置。插入设备的一个端部可固定到装置并插入到涡轮组件中，如，例如，通过涡轮入口、涡轮排气口、蒸汽入口、管道镜端口、点火器端口、仪器端口或燃烧气体路径。然后插入设备将从装置脱离，将装置留在涡轮组件内。插入设备的非限制性示例包括引导管，其使用机械手段如钩、夹子、闩锁、磁体或螺纹联接器来保持装置。插入设备将装置放置在涡轮组件内的期望的位置中并释放装置。另一种设置装置的方法可利用包括自行走机构(即移动机构)的装置来执行，允许其行进通过涡轮，轴向和/或径向地从进入点经由中间定子或转子部件横穿到所期望的定子或转子位置。

在本文描述的方法的一种实施例中，可视数据从相机无线传输到接收器，并且可选地，关于维修工具和相机位置以及配置参数的数据可无线传输到接收器。另外，控制数据可无线传输到相机或维修工具。控制数据的示例包括改变相机位置、维修工具位置和相机配置参数的指令。这种无线传输可通过本领域公知的手段实现。例如，已知的无线传输手段包括射频通信协议(例如，模拟视频、数字视频、wifi、蓝牙、无线-串行)和光通信协议(例如lifi)。

在一种实施例中，本文描述的方法还包括在设置装置之后锚定该装置。这种锚定可通过上面讨论的手段实现。

在一种实施例中，操作维修工具(即维修机构)包括将控制信号远程传输到装置。这种远程传输可通过有线连接或无线地完成。因此，在一种实施例中，操作维修工具包括将控制信号无线传输到装置。控制信号的传输可通过本领域中已知的任何手段来执行，如用于无线可视数据传输的上面描述的那些手段。

维修工具的操作还可包括在装置上移动维修工具。这种移动可包括相对于损坏区域移动维修工具。维修工具的移动可通过本领域中已知的任何手段来实现，如马达驱动的串联和并联机械手、轮子、履带驱动托架、螺钉和活塞。马达可以是本领域中已知的任何类型。合适的马达类型的一些示例是电动马达、液压马达和气动马达。

操作维修工具可包括将维修材料设置到损坏区域上。因此，在一些实施例中，维修工具可以是如下设备，其可操作以分配配量部分的维修材料或放置预先配量部分的维修材料以填充缺陷，并使材料平滑以便使维修表面基本上与相同部件的未维修表面齐平。这种维修可适用于例如修补缺失的热隔离或环境隔离涂层，或维修陶瓷基质组合物中的腔。这种维修工具可经由一个或多个铰接和/或伸缩臂或工具托架设置在装置上。

维修工具的操作还可包括从损坏区域移除材料。这可用于移除表面沉积物(例如，熔融粉尘、烃分解产物)、氧化/腐蚀产物、开裂材料或变形材料(例如，压缩机前缘翻边)。移除材料的维修工具的非限制性的示例包括研磨工具(例如，旋转碾磨轮和钻头、研磨洗涤器、喷砂器)、切割工具(例如，激光切割器、切割轮、轧具)、化学清洁工具(例如，溶剂清洁剂、洗涤剂、酸性清洁剂、碱性清洁剂)、电化学工具、电放电工具、水喷射器及其组合。

在一些实施例中，损坏区域可以是裂缝，且然后维修损坏区域将包括维修裂缝。用于维修裂缝的方法将包括准备裂缝表面以用于维修(例如，通过清洁或碾磨待维修的区域)，和实行焊接或钎焊维修。在焊接维修的情况中，小金属惰性气体(mig)、钨惰性气体(tig)、保护金属电弧或焊剂芯电弧焊炬可与焊接维修馈线或棒连同使用。在钎焊维修的情况中，使用维修工具来分配钎焊膏。随后将钎焊膏在基本上非氧化的环境中加热，以便熔化钎焊材料并允许其流入裂缝表面中。在基本上非氧化的环境中加热可包括使用惰性保护气体和/或化学焊药连同施加热源。热源可包括激光源、辐射/对流源(例如，ir灯或电加热元件)、惰性气体等离子体炬或放热反应源(例如自蔓延高温合成源)。

当维护任务完成时，装置可从涡轮组件移除。因此，本文描述的方法还可包括从涡轮组件移除装置的步骤。可使用取出设备移除该装置。在一种实施例中，取出设备与插入设备相同。在另一种实施例中，取出设备不同于插入设备。取出设备的非限制性示例包括钩、闩锁、磁体、螺纹联接器或夹子，它们沿与装置相同的路径插入，附接到装置的取出零件，并被拉动以便从涡轮组件取出装置。在一种备选实施例中，自行走装置可在其自身动力下横穿以通过入口、排气口或任何其它路线(包括例如其进入路线)离开涡轮。

在图1和2中描绘了上述方法的一种实施例。图1描绘了涡轮组件10的理想化横截面视图，其示出了维护装置20的插入路径11的一种示例。图2描绘了涡轮组件10的放大的理想化横截面视图，其示出了设置在转子12的相邻叶片之间的维护装置20的理想化描绘。维护装置20可利用适当设计的插入设备插入到涡轮组件10中。一旦将维护装置设置在转子12的相邻叶片之间，这种插入设备将释放维护装置20。如其在本文中使用的，术语“释放”意味着插入设备可从维护装置机械地分开，以允许插入设备避免与移动涡轮部分的机械干扰。在释放之后，系绳可保持或不保持将插入设备连接到维护装置。如果使用系绳，选择其尺寸、形状和柔度，使得它不会对旋转的涡轮部件产生机械干扰。接下来，维护装置20定位成接近于(即靠近)位于定子13上的损坏区域40。这通过旋转转子12并定位维护装置20来实现，其设置在转子12上，使得维修工具22在定子13上位于接近于损坏区域40。相机21和维修工具22都可以能够在装置20上移动，例如沿虚线50。然后，设置在维护装置20上的维修工具22用于维修损坏区域40。设置在维护装置20上的相机21可用于观察损坏区域40和维修过程。在图5中所示的一种示例性实施例中，维修工具22包括陶瓷修补施加系统30，其包括修补浆料储存器31、修补浆料分配尖端32、机械定位器34以移动分配尖端32接近损坏区域40、机械分配致动器33以将修补浆料从储存器31经由分配尖端32输送到损坏区域40、和机械擦拭器35以使修补浆料在损坏区域40上平整。

在另一种实施例中，本发明针对一种用于维护涡轮组件的方法，涡轮组件包括转子和定子，转子包括损坏区域，该方法包括：将可远程控制的维护装置设置在定子上；通过旋转该转子来将损坏区域定位成接近于维护装置；并且通过操作设置在装置上的维修工具来维修损坏区域。在一种实施例中，相机设置在装置上，其中，相机可操作以将可视数据远程传输到接收器。这种远程传输可通过有线连接或无线地完成。因此在一种实施例中，相机设置在装置上，其中，相机可操作以将可视数据无线传输到接收器。

在本文描述的方法的一种实施例中，可视数据从相机无线传输到接收器，并且可选地，关于维修工具和相机位置以及配置参数的数据可无线传输到接收器。另外，控制数据可无线传输到相机或维修工具。控制数据的示例包括改变相机位置、维修工具位置和相机配置参数的指令。

在一种实施例中，本文描述的方法还包括在设置装置之后锚定该装置。这种锚定可通过上面讨论的方法实现。

在一种实施例中，操作维修工具包括将控制信号远程传输到装置。这种远程传输可通过有线连接或无线地完成。因此在一种实施例中，操作维修工具包括将控制信号无线传输到装置。

维修工具的操作还可包括将材料从损坏区域移除。

维修工具还可用于维修损坏区域。在一种实施例中，操作维修工具包括将维修材料设置在损坏区域上。维修工具的操作还可包括在装置上移动维修工具。损坏区域可以是裂缝，并且然后维修损坏区域将包括维修裂缝。

当维护任务完成时，可将装置从涡轮组件移除。因此，本文描述的方法还可包括将装置从涡轮组件移除的步骤。

在图3和4中描绘了上述方法的一种实施例。图3描绘了涡轮组件10的理想化横截面视图，其示出了维护装置20的插入路径14的一种示例。图4描绘了涡轮组件10的放大的理想化横截面视图，其示出了设置在定子13的相邻引导导叶之间的维护装置20的理想化描绘。维护装置20可利用适当设计的插入设备插入到涡轮组件10中。一旦将维护装置20设置在定子13的相邻引导导叶之间，这种插入设备将释放维护装置20。维护装置20可放置在任何选择的相邻引导导叶之间。接下来，维护装置20定位成接近于(即靠近)位于转子12上的损坏区域40。这通过旋转该转子12并定位维护装置20来实现，其设置在定子13上，使得维修工具22在转子12上位于接近于损坏区域40。相机21和维修工具22都可以能够在装置20上移动，例如沿虚线50。然后，设置在维护装置20上的维修工具22用于维修损坏区域40。设置在维护装置20上的相机21可用于观察损坏区域40和维修过程。维修工具可与图5中所示并在上面讨论的示例性维修工具22相同。该维修工具22可用于将修补浆料施加到转子12上的损坏区域40。

贯穿该申请，参考了各种参考文献。当如果在本文中书写时，这些出版物的公开内容以其全部在此通过引用并入。

虽然本文已说明和描述了本发明的仅某些特征，但本领域的技术人员将想到多个修改和变化。因此，应该理解，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真正精神内的所有这些修改和变化。