专利名称：测定表面涂层温度的方法
技术领域：
本发明涉及一种测定转动叶片表面涂层温度的方法，所述转动叶片布置在一非正位移机器中的转子轴上，该转子轴可旋转地安装在壳体内。此外，本发明还涉及一种测定导向叶片表面涂层温度的方法，该导向叶片旋转固定地布置于具有一壳体的非正位移机器中，本发明还涉及一种用于实施上述方法的装置。
背景技术：
例如为汽轮机或燃气轮机的非正位移机器在工程技术中被用作为热力发动机，其可将储存在气流中的能量转化为机械能、尤其是转化为旋转运动。为提高这些机器的效率，对非正位移机器所用材料的物理要求越来越高。因此，为提高燃气轮机效率，流入燃气轮机的气流温度被升高至1200℃以上。为能满足特别涉及温度方面的较高的物理要求，涡轮机的叶片配有一可承受特别高负荷的涂层。这种涂层例如为燃气轮机叶片上的热障涂层(下文中称为TBC)，叶片在气流流经的表面上涂覆有这种涂层。例如钇稳定氧化锆可用作涂层。由于效率与温度存在相关性，因此，期待着在不损环TBC的情况下，将气流温度提升至一最大极限值。为此需要使用可在非正位移机器工作时对叶片表面温度，尤其是叶片表面涂层温度进行精确测定的测量方法和装置。
一种常用的温度测定方法是在待检测的位置上安装热电元件。由于非正位移机器中的气流温度很高，热电元件通常会在几个小时的工作时间后失效，并且大多数情况下会被毁坏。
光测高温计是一种可代替热电元件用于测温的无接触式测温元件，借助这些光测高温计可通过光学方法根据从待检测的高温目标发射的辐射来推断目标的温度。GB 2 109 472 A对一相应类型的高温计进行了说明。由于对TBC辐射特性和发射系数的研究相对较少，因此无法准确获知，因而使用上述高温计只能进行相对不够精确的温度测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法与一种用于实施所述方法的装置，借助本发明可以尽可能简单、尽可能稳定的对转动叶片和/或导向叶片的表面涂层温度进行尽可能精确的测定。
这个目的通过本发明所提供的一种测定复数个转动叶片的表面涂层温度的方法而达成，所述转动叶片布置在一非正位移机器中的转子轴上，所述转子轴可旋转地安装在壳体中，其中，通过至少一个用于产生电磁波的构件在一通道内的转动叶片区发射电磁波，所述电磁波的至少部分被至少一个转动叶片反射，通过至少一个接收构件接收所述被反射的电磁波，并根据接收到的电磁波的强度分布测定所述转动叶片的表面涂层温度。
这里应用的原理是，发射电磁波中被反射的电磁波在其频谱强度分布中含有关于表面涂层温度的信息，而所述信息可通过对反射电磁波进行分析来测定。为此可特别考虑将振幅，或强度和/或频率，或波长用作参数。
此外，本发明还提供一种测定复数个导向叶片的表面涂层温度的方法，所述导向叶片旋转固定地布置在具有一壳体的非正位移机器中，其中，通过至少一个用于产生电磁波的构件在一通道内的导向叶片区发射电磁波，所述电磁波至少部分被至少一个导向叶片反射，通过至少一个接收构件接收所述被反射的电磁波，并根据接收到的电磁波的强度分布测定所述导向叶片的表面涂层温度。
此外，本发明还提供上述两种方法的一种组合，从而达到既能测定转动叶片表面涂层温度，又能测定导向叶片表面涂层温度的目的。
以与表面涂层厚度匹配的频率发射电磁波是有利的，其中，所接收到的电磁波在一谐振频率下出现强度衰减，且在所述谐振频率下强度分布为最小值。此时，应通过一强度相同的宽频带发射电磁波，借此可更精确地测定最小值和谐振频率。因为表面涂层对所谓的谐振频率周围的窄频率范围的电磁波的反射率特别低，所以当频率为谐振频率时，反射电磁波的频谱强度分布会出现剧烈下降，其中，谐振频率表示最小值。其原因在于，在谐振频率下，发射电磁波的相关波长正好为表面涂层厚度的四倍，因此，发射电磁波在涂层表面上被反射的部分和在涂层与位于其下金属之间的界面上被反射的部分至少部分地相互抵消。
借此可有利地根据强度衰减量测定叶片表面涂层的温度。也可有利地根据谐振频率的量值测定叶片表面涂层的温度。由于强度衰减和谐振频率均与温度相关，因此，通过测定至少其中一个变量，就可直接获得预期的温度信息。无论是强度衰减发生变化，还是谐振频率发生变化，均可归因于与表面涂层温度相关的介电常数的变化和/或涂层厚度的变化。
可将所述的至少一个用于产生电磁波的构件用来接收反射电磁波。借此而节省下来的空间有助于达到在非正位移机器的不同位置上安装多个组合式发射和接收构件的目的。在此情况下，例如可使用分散布置在非正位移机器周围的用于发射和接收电磁波的构件，其中，可采取合乎需要的布置方式。
本发明还建议特别将10GHz至130GHz频率范围的毫米波用作电磁波。因为这种频率的电磁波的波长与表面涂层的涂层厚度为同一数量级，因而可确保能特别有效地消除发射电磁波在涂层表面上和在涂层与位于其下金属之间的界面上被反射的部分。
此外，本发明还提供一种用于实施本发明的方法的装置，其具有至少一个用于产生一电振荡的构件、至少一个用于从所述电振荡中产生电磁波的构件、至少一个用于接收所述电磁波的构件与一个用于分析所述可接收到的电磁波的分析单元。
将所述的至少一个用于产生电磁波的构件和至少一个用于接收反射电磁波的构件布置在非正位移机器的一通道中，是有利的。上述两个构件可分别由适用于产生和发射或接收电磁毫米波的天线构成。所述用于产生一电振荡的构件可例如由一电子振荡器构成，其与用于产生电磁波的天线处于有效连接。所述用于接收电磁波的构件优选与一分析单元处于有效连接，所述分析单元可根据由用于接收电磁波的构件提供的信号测定叶片表面涂层的温度。此外还可考虑将所述的至少一个用于产生电磁波的构件和所述的至少一个用于接收反射电磁波的构件布置在非正位移机器的通道之外，并通过至少一个适当定位的波导将产生的电磁波发射入通道，所述波导布置在非正位移机器通道中，再同样通过至少一个波导将在叶片上反射的电磁波导向所述的至少一个用于接收电磁波的构件。
其中，借助所述的至少一个天线以定向和/或聚焦形式发射电磁波，是有利的。借此可确保能进行所需的温度测量。此外，如果天线实施为还可进行平移和/或旋转，则还可使在叶片上的温度测量具有位置分辨率。
此外，本发明还建议，所述的至少一个用于产生电磁波的构件既适用于发射又适用于接收电磁波。这样可以进一步减少组件数量。在此情况下，举例而言，所述的至少一个用于产生电磁波的构件可通过一耦合方式与所述用于产生一振荡的构件处于有效连接。被接收到的电磁波所产生的信号通过所述耦合方式被发送给所述分析单元。也可设置多种耦合方式和多个天线，例如与多个相关分析单元并联，或者也可例如与一分析单元通过时分多路复用的方式相连。
所述非正位移机器优选为一燃气轮机。正是在大型机械领域中可借助本发明的装置以简单、稳定的方式对燃气轮机叶片的表面涂层温度进行精确测定，由此可提高燃气轮机的工作效率，尤其是可进一步缩短由于需对破损表面涂层和叶片进行维护和采取维修措施而引起的成本高昂的停机时间。在此情况下，例如可实现提高一配有一燃气轮机的能量供应装置的可用性。此外，本发明的装置还可设计为对非正位移机器通道内的气流的影响大大减小。
下面借助附图对本发明优选的、但非限制性的实施例进行详细说明，为清楚起见，附图并未按比例尺进行图示，对某些特征也示意图示，其中图1为一现有技术中的燃气轮机的部分打开的透视图；图2为从图1所示图样中截取的一个部分截面的放大图，所述部分具有一本发明的装置；图3为本发明的方法的实施示意图；图4为图1所示的燃气轮机的一转动叶片示意图；图5为图1所示的燃气轮机的一导向叶片示意图；图6为表面涂层不同温度下的反射电磁波的频谱强度分布图；以及图7为一用于监控导向叶片和/或转动叶片的天线布置图。
具体实施例方式
相同的零部件在图1至图7中用相同的参考符号表示。
图1显示的是一现有技术中的燃气轮机1，其进气口温度高达约1200℃。燃气轮机1具有复数个布置在一转子轴3上的转动叶片4，所述转子轴可旋转地安装在一壳体2中。此外还设置有与壳体2旋转固定连接的复数个导向叶片11(图4、图5)。为使所述转动叶片4和导向叶片11能承受燃气轮机1的通道6中的物理负荷，在所述转动叶片4和导向叶片11上特别涂覆有一表面涂层12、13。所述涂层例如为“钇稳定氧化锆”。
如图2所示，燃气轮机1配有一本发明的装置，所述装置具有一伸入燃气轮机1的通道6的天线8，所述天线特别为一毫米波式的天线。特别适用于10GHz至130GHz频率电磁波的天线8，被布置在待检测转动叶片4的区域内，特别布置在两排转动叶片之间。天线8既可用作发射电磁波的构件，也可用作接收电磁波的构件。天线8与一循环器16之间为可通讯地连接。本发明的装置此外还具有一高频发生器14，所述高频发生器通过一放大器15与循环器16处于有效地连接。循环器16与一接收放大器17相连，所述接收放大器与一分析单元19耦合(图2)。
测定图3所示实施例中的转动叶片4和导向叶片11的表面涂层12、13的温度的方法的具体实施过程如下电子高频发生器14根据一可预先确定的固定频率产生一高频，所述可预先确定的固定频率优选的在10GHz与130GHz之间的范围内。所述高频被输送至放大器15，放大器再通过循环器16将放大后的高频输送给天线8。天线8根据提供的高频能量，产生至少一个相应的电磁波31，并根据所述电磁波的辐射特性优选地以定向形式、特别以聚焦形式将其发射出去。相应的叶片4(或11)将发射的电磁波31的一部分电磁波32反射回天线8。反射电磁波32重新通过天线8转化为一电信号，并被传输给循环器16。循环器16随后从传输信号中分离出接收信号，并将接收信号传输给接收放大器17。所述信号从接收放大器17到达分析单元19，分析单元在一第一分析步骤中记录反射电磁波32的强度，并为其分配相应的频率。
用不同频率重复上述步骤，直至分析单元可测定一频谱强度分布。图6显示了在表面涂层12、13温度为800℃(S1)、600℃(S2)和400℃(S3)时记录的三个上述类型的频谱强度分布S1、S2和S3。Y轴纵坐标表示反射电磁波32的强度，X轴横坐标表示频率。三个强度分布S1、S2和S3均具有彼此明显不同的强度最小值I1、I2和I3，其中，与强度最小值I1、I2和I3相关的频率F1、F2和F3，即所谓的谐振频率，也同样彼此不同。温度越高，最小强度衰减就越大，谐振频率就越小。其中，对实施过的一系列测量进行分析后可得出例如350kHz/K的谐振频率温度系数，和0.03dB/K的最小强度衰减温度系数。可为每个待检测的目标测定谐振频率与温度之间相关的特性，和最小强度变化与温度之间相关的特性。
在下一分析步骤中，分析单元19测定谐振频率F1、F2和F3和/或强度最小值I1、I2和I3，并将其与之前测定的相应表示谐振的温度相关性和/或强度最小值的温度相关性的校准曲线进行比较。借此可测定待检测的转动叶片4和/或导向叶片11的表面涂层12、13的温度。
测定的温度通过未作详细图示的显示单元或信号单元发送给一监控点或一控制中心。分析单元也可具有一比较功能，借助这一功能可以确定是否达到一可预定的温度阈值。在此情况下，例如可在达到所述阈值时自动输出一表示须在燃气轮机1中进行温度调节的报告。
可选择性地在接收放大器17与分析单元19之间连接一混频器，所述混频器此外还与高频发生器14相连，借此可在图2和图3所示的实施例中特别应用多普勒雷达的原理。应用这一原理来检测活动目标是特别有利的，例如检测燃气轮机1的转动叶片4。其中，发射至少一个波长固定的电磁波31，该电磁波被一相对于天线8运动的待监控目标(＝转动叶片4)反射。依据已知的物理效应，与发射波长相比，相对的运动改变了所述的至少一个电磁波被反射的部分32中的接收波长，天线8产生一相应信号，这一信号通过混频器发送至分析单元19，分析单元再根据这个信号的特性(＝频率和/或频谱强度分布)测定相应转动叶片4的表面涂层12的温度。
导致表面涂层12、13在谐振频率F1、F2、F3时反射率降低的原因首先在于，在谐振频率F1、F2、F3时，也就是当反射率为最小值时，表面涂层12、13的涂层厚度正好相当于反射电磁波31、32波长的1/4。在此情况下，发射电磁波31在表面涂层12、13的表面上被反射的部分和在表面涂层12、13与位于其下金属之间的界面上被反射的部分至少部分地相互抵消。由于表面涂层12、13的涂层厚度与波长之间存在关联，因而可期待存在其他的频率最小值，在这些频率最小值情况下，表面涂层厚度等于波长与(1/4+n/2)的乘积，其中，n为一自然数。原则上也可将这些最小值用于本发明的方法。无论是与温度相关的最小强度变化，还是与温度相关的谐振频率变化，都可以归因于与表面涂层12、13温度相关的介电常数变化和/或涂层厚度变化。
图7显示的是具有相应辐射图810、820和830的不同天线81、82和83的示例性实施方式和布置方式。天线81、82和83布置在通道6中待检测的转动叶片4和/或导向叶片11的多排叶片之间的区域中。将所述天线实施为棒形天线或同轴天线，特别将其实施为同轴偶极天线，是适当的。但也可考虑使用其他类型的天线，例如喇叭天线。辐射图可建构为对称辐射图，例如天线81和83的辐射图，也可建构为不对称的辐射图，例如天线82的辐射图。除具有较宽辐射特性的天线外，还可使用可以定向或聚焦形式发射电磁波的天线。为此，特别可考虑使用上文所述的喇叭天线。
本发明并非仅限于上述实施例。本发明的保护范围还包括，设置多个用于发射和/或接收的天线，从而实现例如测量冗余或更高的精确度。
此外，本发明还包括对所述叶片4和11的表面涂层12、13的温度的同时测量。
权利要求
1.一种测定复数个转动叶片(4)的表面涂层(12)温度的方法，所述转动叶片(4)布置在一非正位移机器(1)中的转子轴(3)上，所述转子轴(3)可旋转地安装在一壳体(2)中，其中，通过至少一个用于产生电磁波的构件(8)在一通道(6)中的所述转动叶片(4)的区域内发射电磁波(31)，所述电磁波(31)中至少部分被至少一个转动叶片(4)反射，通过至少一个接收构件(8)接收所述被反射的电磁波(32)，并根据接收到的电磁波(32)的一强度分布测定所述转动叶片(4)表面涂层(12)的温度。
2.一种测定复数个导向叶片(11)的表面涂层(13)温度的方法，所述导向叶片(11)旋转固定地布置在具有一壳体(2)的非正位移机器(1)中，其中，通过至少一个用于产生电磁波(31)的构件(8)在一通道(6)中的所述导向叶片(11)的区域内发射电磁波，所述电磁波(31)中至少部分被至少一个导向叶片(11)反射，通过至少一个接收构件(8)接收所述被反射的电磁波(32)，并根据接收到的电磁波(32)的强度分布测定所述导向叶片(11)表面涂层(13)的温度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，既测定所述转动叶片(4)的表面涂层(12)的温度，又测定所述导向叶片(11)的表面涂层(13)的温度。
4.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，以与所述表面涂层(12，13)的厚度匹配的频率发射所述电磁波(31)，其中，接收到的电磁波(32)在一谐振频率(F1，F2，F3)时出现强度衰减，且所述强度分布(S1，S2，S3)在所述谐振频率(F1，F2，F3)时为最小值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述强度衰减测定所述叶片(4，11)的表面涂层(12，13)的温度。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，根据所述谐振频率(F1，F2，F3)的值测定所述叶片(4，11)的表面涂层(12，13)的温度。
7.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，将所述的至少一个用于产生所述电磁波(31)的构件(8)用于接收所述反射电磁波(32)。
8.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，特别将10GHz至130GHz频率范围的毫米波用作所述电磁波(31)。
9.一种用于实施根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法的装置，其包括至少一个用于产生一电振荡的构件(14)、至少一个用于从所述振荡中产生电磁波(31)的构件(8)、至少一个用于接收电磁波(32)的构件(8)与一用于分析所述可接收到的电磁波(32)的分析单元(19)。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述的至少一个用于产生电磁波(31)的构件(8)为至少一个适用于毫米波的天线。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，借助所述的至少一个天线(8)定向发射所述电磁波(31)。
12.根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于，借助所述的至少一个天线(8)以聚焦的形式发射所述电磁波(31)。
13.根据权利要求9至12中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述的至少一个用于产生电磁波(31)的构件(8)既适用于发射又适用于接收所述电磁波(31，32)。
14.根据权利要求9至13中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述的至少一个用于产生所述电磁波(31)的构件(8)布置在所述非正位移机器(1)的通道(6)内。
15.根据权利要求9至14中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述非正位移机器(1)为一燃气轮机。
全文摘要
本发明涉及一种测定转动叶片(4)的表面涂层温度的方法，所述转动叶片(4)布置在一非正位移机器中，并且可旋转地安装在一壳体(2)中的转子轴上，其中，通过至少一个用于产生电磁波的构件(8)在一通道中的转动叶片(4)的区域内发射电磁波(31)，所述电磁波(31)至少部分被至少一个转动叶片(4)反射，通过至少一个接收构件(8)接收所述电磁波中被反射的电磁波(32)，并根据接收到的电磁波(32)的一强度分布测定所述转动叶片(4)的表面涂层温度。此外，本发明还涉及一种测定在一具有一壳体的非正位移机器中旋转固定安装的导向叶片的一表面涂层温度的方法与一种用于实施上述方法的装置。
文档编号G01K11/00GK101044379SQ200580035859
公开日2007年9月26日 申请日期2005年10月11日 优先权日2004年10月19日
发明者托马斯·博塞尔曼, 克劳斯·休伯, 弗朗西斯科·J·塞维拉佩雷斯, 迈克尔·威尔希 申请人:西门子公司