用于监视涡轮构件的方法与流程

在本文中公开的主题涉及一种构件，更特别地，涉及使用参考表面特征例如机加工表面特征或自然地出现的表面特征来监视构件。

背景技术：

一些构件可能需要在包含了升高的温度和/或腐蚀的条件的环境中运行。例如，涡轮机广泛地在例如发电和航空发动机的领域中被利用。这样的燃气涡轮系统包括压缩机区段、燃烧器区段、以及至少一个涡轮区段。压缩机区段构造成当空气流动穿过压缩机区段时压缩空气。空气然后从压缩机区段流动到燃烧器区段，在该燃烧器区段处空气与燃料混合并且燃烧，产生热气体流。热气体流被提供到涡轮区段，该涡轮区段通过从气体流中提取能量来利用热气体流以向压缩机、发电机、以及其他的各种负载供给动力。

在燃气涡轮发动机的运行期间，燃烧气体的温度可超越3000ºf，相比与这些气体处于接触中的发动机的金属部件的熔化温度显著地更高。以在金属部件熔化温度之上的气体温度运行这些发动机可部分地依赖一个或多个保护性的覆层和/或依赖于通过各种方法将冷却空气供应到金属部件的外表面。这些发动机的尤其遭受高的温度并且因而需要关于冷却的特别的注意的金属部件是形成燃烧器的金属部件以及定位在燃烧器之后的部件。

此外，这些以及其他的构件在其运行的生命周期期间可经历来自各种力的应力和/或应变。虽然各种工具可被利用以在相对标准的环境中测量给予的应力和应变，但涡轮和其他的构件可越过各种位置而不是在单个点处或沿线性路径经受各种力。

因此，带有基于阵列的应变传感器的备选的构件以及用于监视所述构件的方法在本领域中将是受欢迎的。

技术实现要素：

在一种实施例中，公开了一种用于监视构件的方法。所述方法能够包括在构件上定位多个机加工表面特征，定位至少一个参考点，以及测量在所述多个机加工表面特征和所述至少一个参考点之间的多个第一距离。

在另一实施例中，公开了用于监视涡轮构件的另一方法。所述方法能够包括在涡轮构件上定位多个机加工表面特征，定位至少一个参考点，以及测量在多个机加工表面特征和至少一个参考点之间的多个第一距离。方法能够此外包括在涡轮机中使用涡轮构件，在涡轮构件在涡轮机中被使用后在第二时间点处在涡轮构件上定位多个机加工表面特征，在第二时间点处定位至少一个参考点，在第二时间点处测量在多个机加工表面特征和至少一个参考点之间的多个第二距离，以及比较多个第一距离与多个第二距离以确定应变分析。

技术方案1.一种用于监视构件的方法，所述方法包含：

在所述构件上定位多个机加工表面特征；

定位至少一个参考点；并且，

测量在所述多个机加工表面特征和所述至少一个参考点之间的多个第一距离。

技术方案2.根据技术方案1所述的方法，此外包含：

在第二时间点处在所述构件上定位所述多个机加工表面特征；

在所述第二时间点处定位所述至少一个参考点；

在所述第二时间点处测量在所述多个机加工表面特征和所述至少一个参考点之间的多个第二距离；并且，

比较所述多个第一距离与所述多个第二距离以确定应变分析。

技术方案3.根据技术方案2所述的方法，此外包含基于所述应变分析继续利用所述构件。

技术方案4.根据技术方案2所述的方法，其特征在于，比较所述多个第二距离与所述多个第一距离包含产生示出了在距离方面的改变的应变图。

技术方案5.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述机加工表面特征中的至少一个包含冷却孔。

技术方案6.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述机加工表面特征中的至少一个包含构件轮廓。

技术方案7.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，定位所述多个机加工表面特征包含确定对于所述机加工表面特征中的每个的质心。

技术方案8.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，定位所述多个机加工表面特征包含为所述机加工表面特征中的每个分配三维坐标位置。

技术方案9.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，定位所述多个机加工表面特征包含使用所述构件的结构光扫描。

技术方案10.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述参考点包含所述多个机加工表面特征中的一个。

技术方案11.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，定位多个参考点，并且其中所述多个第一距离包含在所述多个机加工表面特征中的每个和所述多个参考点中的每个之间的距离。

技术方案12.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述构件包括涡轮构件。

技术方案13.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述构件包括镍基或钴基超级合金。

技术方案14.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述机加工表面特征位于在所述构件上的覆层中。

技术方案15.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述覆层包含氧化钇稳定的氧化锆。

技术方案16.一种用于监视涡轮构件的方法，所述方法包括：

在所述涡轮构件上定位多个机加工表面特征；

定位至少一个参考点；

测量在所述多个机加工表面特征和所述至少一个参考点之间的多个第一距离；

在涡轮机中使用所述涡轮构件；

在所述涡轮构件在所述涡轮机中被使用后在第二时间点处在所述涡轮构件上定位所述多个机加工表面特征；

在所述第二时间点处定位所述至少一个参考点；

在所述第二时间点处测量在所述多个机加工表面特征和所述至少一个参考点之间的多个第二距离；并且，

比较所述多个第一距离与所述多个第二距离以确定应变分析。

技术方案17.根据技术方案16所述的方法，此外包含基于所述应变分析继续利用所述涡轮构件。

技术方案18.根据技术方案16所述的方法，其特征在于，所述机加工表面特征包含冷却孔。

技术方案19.根据技术方案16所述的方法，其特征在于，所述机加工表面特征包含构件轮廓。

技术方案20.根据技术方案16所述的方法，其特征在于，所述参考点包含所述多个机加工表面特征中的一个。

鉴于以下详细描述结合附图将更全面地理解由在本文中论述的实施例提供的这些和附加的特征。

附图说明

在图中阐述的实施例本质上是说明性和示例性的，而不意于限制由权利要求限定的本发明。当结合下面的图阅读时，可理解示例性实施例的以下详细描述，在图中相同结构标有相同参考标号，以及在图中：

图1是包含根据在本文中示出或描述的一个或多个实施例的参考表面特征的示范性的构件；

图2是包含根据在本文中示出或描述的一个或多个实施例的机加工表面特征的在图1中示出的构件的一部分的透视图；

图3是包括根据在本文中示出或描述的一个或多个实施例的自然地出现的表面特征的在图1中示出的构件的一部分的放大图；

图4是示出了在根据在本文中示出或描述的一个或多个实施例的自然地出现的表面特征和参考点之间的距离的在图1中示出的构件的一部分的放大图；

图5是用于定位在构件上的参考表面特征的系统的透视图；

图6是包含根据在本文中示出或描述的一个或多个实施例的在两个不同的时段处的参考表面特征的构件的透视图；并且，

图7是根据在本文中示出或描述的一个或多个实施例的用于监视带有参考表面特征的构件的示范性的方法。

具体实施方式

下面将对本发明的一个或多个具体实施例进行描述。为了致力于提供对这些实施例的简明描述，可能不会在说明书中对实际实现的所有特征进行描述。应当意识到，当例如在任何工程或设计项目中开发任何这种实际实现时，必须作出许多对实现而言专有的决定来实现开发者的具体目标，例如符合与系统有关及与商业有关的约束，其可在不同的实现之间改变。此外，应当意识到，这种开发工作可能是复杂和耗时的，但尽管如此，对具有本公开的益处的普通技术人员来说，这种开发工作将是设计、生产和制造的例行任务。

当介绍本发明的各实施例的元件时，冠词“一”、“一种”、“该”和“所述”意图表示存在一个或多个该元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意图为包括性的，并且表示除了列出的元件之外，可存在另外的元件。

现在参考图1-6，构件10通常包含表面11以及在构件10的表面11上的多个参考表面特征50和至少一个参考点60(该至少一个参考点60本身可包含参考表面特征50中的一个)。如在本文中将变得更好地意识到的那样，参考表面特征50可包含机加工表面特征51(例如，在涡轮构件上的冷却孔、机加工轮廓、凹陷、划痕、凹痕、边缘或诸如此类)和/或自然地出现的表面特征52(例如，晶粒结构、表面构形特征或诸如此类)。参考表面特征50能够在不添加分离的与应变传感器相关的构件的情况下帮助促进确定越过构件10的那个区域的应变、应变率、蠕变、疲劳、应力等等。

构件10(以及更具体而言整个构件10的基底11)能够包含在各种不同的应用中使用的各种类型的构件，诸如例如，在高的温度应用中利用的构件(例如，包含镍基或钴基超级合金的构件)。在一些实施例中，构件10可包含工业的燃气涡轮或蒸汽涡轮构件例如燃烧构件或热气体路径构件。在一些实施例中，构件10可包含涡轮叶片、压缩机叶片、导叶、喷嘴、护罩、转子、过渡件或罩壳。在其他的实施例中，构件10可包含涡轮的任何其他的构件例如用于燃气涡轮、蒸汽涡轮或诸如此类的任何其他的构件。在一些实施例中，构件可包含非涡轮构件，该非涡轮构件包括(但不限于)汽车构件(例如，小汽车、卡车等等)、航空构件(例如，飞机、直升机、太空飞船、铝部件等等)、机车或铁路构件(例如，火车、火车轨道等等)，建筑的、基础设施或土木工程构件(例如，桥梁、建筑物、施工设备等等)，和/或发电站或化学工艺构件(例如，在高的温度应用中使用的导管)。

仍然参考图1-6，在构件上的参考表面特征50可包含机加工表面特征51和/或自然地出现的表面特征52。

如在图2中最佳地示出的那样，机加工表面特征51能够包含被机加工到构件10中的任何肉眼可见的可识别的特征。如在本文中使用的那样，“机加工”能够广泛地包括任何沉积、增材制造、减材或外观改变技术，包括例如铸造、喷丸处理(shotpeening)或点刻(dotpeening)、激光照射(添加或移除)、刻划(scribe)、钻孔、雕刻、退火、脱色、抛光、重修表面或以其他方式经由一个或多个操作添加材料到构件10中、从构件10中移除材料或在构件10上改变材料。机加工表面特征51能够包含功能性的或非功能性的特征并且能够在包括初始制造或保养时段的任何阶段被添加到构件10。

在一些实施例中，机加工表面特征51能够包括凹陷、削痕(divot)、孔、凹痕、划痕或其他的形式的从构件10的材料移除。在一些实施例中，机加工表面特征51能够包括隆起、凸起的特征、或其他形式的到构件10上的材料添加。在一些实施例中，机加工表面特征51可包括在构件10中的轮廓例如拐角、接合部、边缘、脊状部或诸如此类。

如上面讨论的那样，构件10可包括涡轮构件或用于高的温度应用的其他类型的构件。在这样的实施例中，机加工表面特征51可包括在构件10中的冷却孔。

如在图3-4中最佳示出那样，自然地出现的表面特征52能够包含任何特征，包括自然地出现的在构件10上的微观的特征(例如，直径小于500或甚至100微米)。例如，自然地出现的表面特征52能够包括材料本身的晶粒结构和/或由材料制作和/或修整方法(例如但不限于切削、挤压、轧制、铸造、热处理、喷砂处理、清洁、蚀刻或诸如此类)引起的标志。在一些实施例中，自然地出现的表面特征52能够包含表面构形特征例如带有多个峰和谷的自然地出现的表面粗糙度。

参考图2和4，构件10能够此外包含至少一个参考点60。参考点60能够包括在构件10上的任何可识别的点，该点能够被用于测量在构件10的至少一个参考点60和一个或多个参考表面特征50之间的多个距离。在一些实施例中，参考点60可包含参考表面特征50中的一个(例如，机加工表面特征51或自然地出现的表面特征52)。在一些实施例中，参考点60可包含任何其他的特征例如沉积的材料、涂料、标桩(stake)或诸如此类。此外，在一些实施例中，参考点60可设置在不太可能经历变形、磨损、氧化或诸如此类的区域中(例如，在涡轮构件上的楔形榫)。这样的实施例可通过提供更一致的参考位置帮助促进未来读取(包括可甚至在整个机器现场进行的大块检查读取)，从该参考位置中测量其他的参考表面特征50的相对运动。

多个参考表面特征50(例如，机加工表面特征51和/或自然地出现的表面特征52)和至少一个参考点60可依赖于例如构件的类型、材料、尺寸以及形状和/或参考表面特征50的类型经由适当的成像方法被定位。

例如，在一些实施例中，例如当参考表面特征50包括具有肉眼可见的尺度的机加工表面特征51时，可在使用结构光扫描例如蓝光或白光的情况下定位多个参考表面特征50。在一些实施例中，可通过对于参考表面特征50中的每个识别三维坐标位置来定位参考表面特征50。在这样的实施例中，各种三维成像技术可被利用例如cat扫描或激光构形分析。

在一些实施例中，例如当参考表面特征50包含自然地出现的表面特征52时，可经由显微成像技术(例如，光学、sem、tem、afm或诸如此类)来定位多个参考表面特征50。在一些实施例中，可通过对于参考表面特征50中的每个识别二维坐标位置(例如，如在图4中示出的x#，y#)来定位多个参考表面特征50。

如在图3中最佳地示出的那样，在一些实施例中，可通过对于参考表面特征50中的每个确定质心来定位多个参考表面特征50。根据本公开的质心是区域例如二维区域的几何中心，并且因而是在形状中的所有点的算数平均或平均的位置。在示范性的实施例中，可通过使用成像设备和处理器来定位质心。在这样的实施例中，处理器在分析例如多个参考表面特征50的图像的情况下可计算并且因而定位多个参考表面特征50中的每个的质心。

现在参考图2和5，系统100可如在本文中描述的那样被利用以在构件10上定位多个参考表面特征50和/或至少一个参考点60。这样的示范性的系统100可包括例如成像设备106和处理器104。

处理器104可如在本文中讨论的那样通常分析从成像设备106中捕捉的数据并且执行各种计算和其他的功能。特别地，根据本公开的系统100可提供与涡轮构件10有关的多个参考表面特征50的精确的并且有效的检测。

通常，如在本文中所使用的那样，术语“处理器”不仅意指在本领域中被认为包括在计算机中的集成电路，而且意指控制器、微型控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(plc)、专用集成电路以及其他的可编程的电路。处理器104也可包括各种输入/输出通道以用于接收来自各种其他的构件(例如成像设备106、数据获取设备、机器臂(在本文中讨论)等等)的输入并且发送控制信号到所述各种其他的构件，处理器104与所述各种其他的构件处于通讯中。处理器104可通常如在本文中讨论的那样执行各种步骤。此外，应当理解的是根据本公开的处理器104可为与系统100的其它的各种构件处于通讯中的单一的主处理器104，和/或可包括多个单独的构件处理器，也就是说成像设备处理器、数据获取设备处理器、机器臂处理器等等。各种单独的构件处理器可彼此处于通讯中并且可此外与主处理器处于通讯中，并且这些构件可共同地被称为处理器104。

系统100能够此外包括用于获得涡轮构件10的图像的成像设备106。例如，成像设备106可包括透镜组件以及图像捕捉设备。透镜组件可通常放大通过成像设备看到的图像。例如，透镜组件在一些实施例中可例如是适当的摄像机透镜、望远镜透镜等等，并且可包括间隔开以提供需要的放大率的一个或多个透镜。图像捕捉设备可通常与透镜组件处于通讯中以用于接收和处理来自透镜组件的光以产生图像。在示范性的实施例中，例如，图像捕捉设备可为摄像机传感器，该摄像机传感器如通常意识到的那样接收并且处理来自摄像机透镜的光以产生图像例如数字图像。成像设备106可此外经由例如适当的有线或无线连接与处理器104处于通讯中，以用于存储和分析来自成像设备106的图像。特别地，在示范性的实施例中处理器104执行和运行成像设备106以执行在本文中公开的各种步骤或操作。

如此外在图5中示出的那样，系统100可此外包括机器臂130。机器臂130可支撑以及促进系统100的其他的构件例如成像设备106和处理器104的构件的运动。例如，成像设备106可被安装到机器臂130。处理器104可与机器臂130例如与其各种马达和/或驱动构件处于通讯中，并且如需要时可促动机器臂130运动。这样的运动在示范性的实施例中可相对于构件10给成像设备106确定位置。在示范性的实施例中，机器臂130是六个自由度的臂130，该臂130提供了沿3个分离的轴线以及沿三个分离的角(绕相应的轴线)的运动。

现在参考图2和4，一旦多个参考表面特征50(例如，机加工表面特征51和/或自然地出现的表面特征52)以及至少一个参考点60被定位，就可测量在多个参考表面特征50和至少一个参考点60之间的多个距离d。那么这些距离可稍后(例如，在构件被利用之前、期间和之后)被再测量以进行比较以分析越过构件10的那个区域的应变、应变率、蠕变、疲劳、应力等等。例如，可利用比较以创造示出了在距离d方面的改变的应变图。

附加地参考图7，方法200被示出用于监视构件10例如如在图1-6中示出的涡轮构件。方法200首先包含在步骤210中定位多个参考表面特征50(例如，机加工表面特征51和/或自然地出现的表面特征52)并且在步骤220中定位至少一个参考点60。多个参考表面特征50和至少一个参考点60可包含任何适当的特征并且经由如在本文中公开的适当的方法定位。应意识到的是步骤210和220也可以任何相对的次序出现和/或同时地出现。

方法200可然后此外包含在步骤230中测量在多个参考表面特征50(例如，机加工表面特征51和/或自然地出现的表面特征52)和至少一个参考点60之间的多个第一距离d。这些距离d可如在本文中应意识到的那样被存储以用于参考。例如，在一些实施例中，当先前的距离d之前已经被测量或已经已知时，在步骤230中测量的距离d可被使用于应变分析。

在一些实施例中，方法200可此外包含当在步骤230中测量多个第一距离d后在步骤240中利用构件。在这些以及其他的实施例中，方法200可然后此外包含复制(mirror)步骤210、220和230的重复的距离测量过程以使得可确定在相同的相应的参考表面特征50和一个或多个参考点60之间的新的距离。特别地，方法200可此外包含在步骤250中在第二时间点处(也就是说，在步骤210后)定位多个参考表面特征50(例如，机加工表面特征51和/或自然地出现的表面特征52)以及在步骤260中在第二时间点处定位至少一个参考点60。如之前那样，应意识到的是步骤210和220也可以任何相对的次序出现和/或同时地出现。

方法200可然后此外包含在步骤270中在第二时间点处测量在多个参考表面特征50(例如，机加工表面特征51和/或自然地出现的表面特征52)和至少一个参考点60之间的多个第二距离d。

方法200也可包含在步骤280中将多个第一距离d(来自第一时间点)与多个第二距离d(来自第二时间点)相比较以确定应变分析。在步骤280中的应变分析可包含来自第一时间点在多个参考表面特征50和参考点60之间的距离和来自第二时间点在多个参考表面特征50和参考点60之间的距离的任何比较。例如，在步骤280中的应变分析可包含例如通过产生示出了在距离d方面的改变的应变图而进行的越过构件10的那个区域的应变、应变率、蠕变、疲劳、应力等等的分析。

最后，在一些实施例中，方法200可包含在步骤290中基于在步骤280中的比较做出构件10的利用决定，诸如例如基于应变分析继续利用构件10、基于应变分析修改或修理构件10、或基于应变分析丢弃构件10。

现在应意识到的是参考表面特征(包括机加工表面特征以及自然地出现的表面特征二者)可在构件上被定位以用于监视构件的特别的区域的应变、蠕变或诸如此类。参考表面特征的利用可通过限制或避免附加的传感器材料的需求简化应变监视过程。该信息可然后被利用以决定对构件的任何必要的修改或检验其对于未来的使用的适当性。

虽然结合仅有限数量的实施例来详细描述本发明，但应容易地理解是，本发明不限于这样的公开的实施例。相反地可修改本发明，以结合此前未描述但与本发明的精神和范围相当的任何数量的变型、更改、替换或等效布置。另外，虽然描述了本发明的多种实施例，但应理解的是，本发明的各方面可只包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明不应视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。