用于监测涡轮机中的构件的系统及方法 |
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| 申请号 | CN201611167443.5 | 申请日 | 2016-12-16 | 公开(公告)号 | CN106996864A | 公开(公告)日 | 2017-08-01 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | J.L.伯恩赛德; T.J.巴青格尔; B.J.杰曼; G.L.霍维斯; W.F.兰森; | ||||
| 摘要 | 用于监测 涡轮 机中的构件的系统可包括应变 传感器 ，其包括设置在构件的表面上的至少两个参考点，以及 数据采集 装置，其连接于 涡轮机 ，包括视场，其中视场 定位 成至少定期地捕获构件上的应变传感器。 | ||||||
| 权利要求 | 1. 一种用于监测涡轮机中的构件的系统，所述系统包括： |
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| 说明书全文 | 用于监测涡轮机中的构件的系统及方法技术领域背景技术[0002] 一些构件可需要在包括升高温度和/或腐蚀性条件的环境中操作。例如，涡轮机在如发电和飞行器发动机的领域中广泛地利用。取决于涡轮机的整体构造(即，燃气涡轮、蒸汽涡轮和/或发生器的并入)，此类涡轮机系统可包括一个或更多个压缩机区段、燃烧器区段、涡轮区段、蒸汽路径区段和/或发生器区段。压缩机区段构造成在空气流动穿过压缩机区段时压缩空气。空气接着从压缩机区段流动至燃烧器区段，其中空气与燃料混合并且燃烧，生成热气体流。热气体流提供至涡轮区段，该涡轮区段通过从热气体流抽取能量来利用热气体流以向压缩机、发电机，以及其它各种负载供能。蒸汽路径区段可利用涡轮机系统中的任何蒸汽流(如由余热回收蒸汽发生器产生的蒸汽流)，以从其抽取能量用于发电。同样地，发生器区段可将来自涡轮区段(例如，燃气或蒸汽涡轮区段)的旋转移动转换成电。 [0003] 在涡轮机的操作期间，在涡轮机内以及特别是在涡轮机的涡轮区段或发生器区段内的各种构件(共同称为涡轮构件)，如涡轮叶片，可由于高温和应力而经受蠕变。对于涡轮叶片而言，蠕变可引起整个叶片的部分或整个叶片伸长，以使在操作期间，叶片末端接触静止结构(例如涡轮壳体)，并且潜在地引起不需要的振动和/或降低的性能。 [0004] 因此，构件可针对蠕变监测。一种用以监测构件的蠕变的途径为在构件上构造应变传感器，并且以各种间隔分析应变传感器以监测与蠕变应变相关联的变形。然而，此类方法可需要从涡轮机除去构件，或者另外需要涡轮机的延长停工。 [0005] 因此，用于监测涡轮机中的构件的备选系统和方法将在本领域中受欢迎。发明内容 [0006] 本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可从描述为明显的，或者可通过本发明的实践学习。 [0007] 根据本公开的一个实施例，公开一种用于监测涡轮机中的构件的系统。系统可包括应变传感器，其包括设置在构件的表面上的至少两个参考点，以及数据采集装置，其连接于涡轮机，包括视场，其中视场定位成至少定期地捕获构件上的应变传感器。 [0008] 根据本公开的另一个实施例，公开一种用于监测涡轮机中的一组构件的系统。系统可包括成组构件、多个应变传感器，以及数据采集装置，该多个应变传感器包括至少两个参考点，其中至少一个应变传感器设置在成组构件中的至少两个构件的表面上，该数据采集装置连接于涡轮机，包括视场，其中视场定位成至少定期地捕获成组构件中的至少两个构件上的应变传感器。 [0009] 技术方案1. 一种用于监测涡轮机中的构件的系统，所述系统包括：应变传感器，其包括设置在所述构件的表面上的至少两个参考点；以及 数据采集装置，其连接于所述涡轮机，包括视场,，其中所述视场定位成至少定期地捕获所述构件上的所述应变传感器。 [0010] 技术方案2. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述构件包括旋转涡轮构件。 [0011] 技术方案3. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述构件包括静止涡轮构件。 [0012] 技术方案4. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述构件包括发生器构件。 [0014] 技术方案6. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述数据采集装置连接于所述涡轮机的壳体的内表面。 [0015] 技术方案7. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述数据采集装置连接于所述涡轮机的壳体中的端口。 [0016] 技术方案8. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述数据采集装置连接于静止构件，设置成邻近包括所述应变传感器的所述构件。 [0017] 技术方案9. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述数据采集装置在所述涡轮机操作时连接于所述涡轮机。 [0018] 技术方案10. 根据技术方案9所述的系统，其特征在于，所述数据采集装置至少在所述涡轮机操作时定期地捕获所述应变传感器。 [0019] 技术方案11. 根据技术方案10所述的系统，其特征在于，所述构件包括旋转构件，并且其中所述数据采集装置在所述构件旋转到所述视场中时定期地捕获所述应变传感器。 [0020] 技术方案12. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述视场定期地捕获整个构件。 [0021] 技术方案13. 一种用于监测涡轮机中的一组构件的系统，所述系统包括：一组构件； 多个应变传感器，其包括至少两个参考点，其中至少一个应变传感器设置在所述一组构件中的至少两个构件的表面上；以及 数据采集装置，其连接于所述涡轮机，包括视场，其中所述视场定位成至少定期地捕获所述一组构件中的所述至少两个构件上的所述应变传感器。 [0022] 技术方案14. 根据技术方案13所述的系统，其特征在于，所述一组构件包括一组旋转涡轮构件。 [0023] 技术方案15. 根据技术方案14所述的系统，其特征在于，所述一组涡轮叶片包括一组静止涡轮构件。 [0025] 技术方案17. 根据技术方案13所述的系统，其特征在于，至少一个应变传感器设置在所述一组构件中的所述构件中的各个的所述表面上。 [0026] 技术方案18. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述数据采集装置在所述涡轮机操作时连接于所述涡轮机。 [0027] 技术方案19. 根据技术方案18所述的系统，其特征在于，所述数据采集装置至少在所述涡轮机操作时定期地捕获所述应变传感器。 [0028] 技术方案20. 根据技术方案13所述的系统，其特征在于，所述数据采集装置连接于所述涡轮机的壳体的内表面。 附图说明[0030] 包括针对本领域技术人员的其最佳模式的本发明的完整且开放的公开在参照附图的说明书中阐述，在该附图中：图1为根据本公开的一个或更多个实施例的包括多个表面特征的示例性构件的透视图； 图2为根据本公开的一个或更多个实施例的示例性应变传感器的俯视图； 图3为根据本公开的一个或更多个实施例的燃气涡轮的侧视部分截面图； 图4为根据本公开的一个或更多个实施例的燃气涡轮的另一侧视部分截面图图5为根据本公开的一个或更多个实施例的燃气涡轮的一部分的截面图。 具体实施方式[0031] 现在将详细参照本发明的实施例，其一个或更多个实例在附图中示出。各个实例经由阐释本发明提供，而不限制本发明。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，可在本发明中作出各种改型和变型，而不脱离本发明的范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的部分的特征可与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，意图是，本发明覆盖归入所附权利要求和它们的等同物的范围内的此类改型和变型。 [0032] 现在参照图1，构件10示出有多个表面特征，在这些实施例中构造在其上的应变传感器40。构件10可包括在涡轮机中(如在高温应用中)使用的多种类型的构件(例如，包括镍或钴基超级合金的构件)。应当认识到的是，如本文中使用的，涡轮机可包括一个或更多个燃气涡轮、蒸汽涡轮和/或发生器系统。因此，在一些实施例中，构件10可包括工业燃气涡轮、蒸汽涡轮或发生器构件，如燃烧构件、热气体路径构件、蒸汽路径构件或发生器构件。在一些实施例中，构件10可包括涡轮叶片、压缩机叶片、导叶、喷嘴、护罩、转子、过渡件或壳体。在其它实施例中，构件10可包括涡轮机的任何其它构件，如用于燃气涡轮、蒸汽涡轮等的任何其它构件。 [0033] 构件10具有外表面11，应变传感器40可构造在外表面11上或之下。根据本公开的应变传感器40可使用任何适合的技术构造在外表面11上，该任何适合的技术包括沉积技术、其它适合的添加制造技术、减法技术(如激光烧蚀、雕刻、机加工等)、外观变化技术(如退火、直接表面变色，或引起反射率的局部变化的技术)；使用适合的安装设备或技术(如粘附、焊接、硬钎焊等)来安装先前形成的应变传感器40；或识别可用作应变传感器40的构件的外表面11的预先存在的特征。附加地，在又一备选实施例中，应变传感器40可在构件10的制造期间或之后使用适合的嵌入技术构造在外表面11之下。 [0034] 现在参照图1和2，应变传感器40大体上包括至少两个参考点41和42，它们可用于以多个时间间隔测量所述至少两个参考点41和42之间的距离D。如对本领域技术人员而言应当认识到的，这些测量可有助于确定构件10的该区域处的应变、应变率、蠕变、疲劳、应力等的量。至少两个参考点41和42可取决于特定构件10设置在多种距离处和在多种地点，只要可测量其间的距离D。此外，至少两个参考点41和42可包括点、线、圆、盒或任何其它几何或非几何形状，只要它们一致地为可识别的并且可用于测量其间的距离D。 [0035] 应变传感器40可包括多种不同的构造和截面，如通过并入多种不同形状、大小以及位置的参考点41和42。例如，如图2中所示，应变传感器40可包括多种不同的参考点，其包括各种形状和大小。此类实施例可提供更多种距离测量结果D，如在最外参考点(如所示)之间，在两个内部或外部参考点之间，或其间的任何组合。更多种可进一步通过提供横跨更多种地点的应变测量来提供构件10的特定部分上的更稳健的应变分析。 [0036] 此外，应变传感器40的各种尺寸的值可取决于例如构件10、应变传感器40的地点、测量的目标精度、应用技术，以及光学测量技术。例如，在一些实施例中，应变传感器40可包括范围从小于1毫米到大于300毫米的长度和宽度。此外，应变传感器40可包括适合于应用和随后光学识别/测量而不显著地影响下层构件10的性能的任何厚度。值得注意地，该厚度可为远离表面11的正厚度(如在利用添加技术时)或到表面11中的负厚度(如在利用减法技术时)。例如，在一些实施例中，应变传感器40可包括小于从大约0.01毫米到大于1毫米的厚度。在一些实施例中，应变传感器40可具有大致一致厚度。此类实施例可有助于便于针对在第一参考点41与第二参考点42之间的随后应变计算的更准确测量。 [0037] 在一些实施例中，应变传感器40可包括正应用的正方形或矩形，其中第一参考点41和第二参考点42包括所述正方形或矩形的两个相对侧。在其它实施例中，应变传感器40可包括由负空间45(即，其中不施加应变传感器材料的区域)分离的至少两个施加参考点41和42。负空间45可包括例如构件10的外表面11的暴露部分。作为备选或附加地，负空间45可包括随后施加的对比(即，视觉上对比，在紫外或红外光谱中对比，或在电磁波普中的任何其它适合的波长范围中对比)材料，其与至少两个参考点41和42的材料不同(或者反之亦然)。 [0038] 如图2中所示，在一些实施例中，应变传感器40可包括独特识别符47(下文中为“UID”)。UID47可包括便于该特定应变传感器40的识别的任何类型的条形码、标签、标记、序列号、图案或其它识别系统。在一些实施例中，UID47可附加地或备选地包括关于应变传感器40构造在其上的构件10或整个组件的信息。UID47可由此协助特定应变传感器40、构件10或甚至整个组件的识别和追踪，以有助于用于过去、现在和未来的操作追踪的关联测量。 [0039] 应变传感器40可由此构造在各种构件10的多种地点中的一个或更多个。例如，如以上论述的，应变传感器40可构造在叶片、导叶、喷嘴、护罩、转子、过渡件或壳体上。在此类实施例中，应变传感器40可构造在已知在单元操作期间经历各种力的一个或更多个地点，如在翼型件、平台、末端或任何其它适合的地点上或附近。此外，应变传感器40可构造在已知经历升高温度的一个或更多个地点。例如，应变传感器40可构造在热气体路径或燃烧涡轮构件10上。 [0040] 如本文中论述的并且如图1中所示，多个应变传感器40可构造在单个构件10或多个构件10上。例如，多个应变传感器40可在各种地点处构造在单个构件10(例如，涡轮叶片)上，使得应变可在关于独立构件10的更大数量的地点处确定。作为备选或附加地，多个相似构件10(例如，多个涡轮叶片)可均具有构造在标准地点的应变传感器40，以使由各个特定构件10经历的应变的量可与其它相似构件10相比。甚至在一些实施例中，相同组件的多个不同的构件10(例如，在涡轮构件实施例中用于相同涡轮的叶片和导叶)可均具有构造在其上的应变传感器40，以使在整个组件内的不同地点处经历的应变的量可确定。 [0041] 应当理解的是，本公开不限于如本文中示出的应变传感器40。相反，构造在涡轮构件10上(如在其外表面11上)的任何适合的表面特征在本公开的范围和精神内。其它适合的表面特征的实例包括限定在外表面中的表面相邻冷却孔(或潜在地，冷却孔它们本身)、施加于外表面11的涂层(其中外表面11限定为涡轮构件10的基部构件的外表面)等。 [0042] 现在参照图3，构件10(具有构造在其上的一个或更多个表面特征40)可设置用于在涡轮机100(如，如示出的燃气涡轮100、蒸汽涡轮，或其它涡轮机)内操作。涡轮机100可包括压缩机区段102、燃烧器区段104，以及涡轮区段106。大体上，压缩机区段102将加压空气流提供至燃烧器区段104，其中加压空气与燃料混合，并且混合物燃烧成生成工作流体或热气体流。工作流体流动穿过涡轮区段106，引起涡轮区段106内的各种可旋转构件的旋转，这进而驱动压缩机区段102(和其各种可旋转的构件的旋转)。如所示，涡轮区段106包括涡轮叶片112和喷嘴114的一个或更多个级，其沿径向延伸横跨热气体流流动环(annulus)115。压缩机区段102附加地包括转子叶片116和定子导叶118的一个或更多个级。壳体120围绕压缩机区段102、燃烧器区段104以及涡轮区段106延伸并且包围它们。如所示，壳体120可由两个或更多个区段形成。在示出的实施例中，壳体包括形成壳体120的第一壳122和第二壳 124。 [0043] 壳体120可包括限定在其中的一个或更多个接近端口126，以便于暂时或永久接近至涡轮机100的内部，如用于涡轮机100的构件的定期检查。在燃气涡轮的操作期间，端口126中的各个可由适合的插塞闭合，或者可由插入在其中的任何检查装置密封。 [0044] 参照图1-5，系统200示出用于监测涡轮机100中的构件10。系统200可大体上包括应变传感器40，其包括设置在构件10的表面11上的至少两个参考点41和42。系统200还可包括数据采集装置140(例如，摄像机或红外传感器)，其连接于涡轮机100，包括视场150，其中视场150定位成至少定期地捕获构件10上的应变传感器40。如本文中使用的，视场150可表示任何区域，其中数据采集装置140可从该区域内的应变传感器40成像、读取或以其它方式捕获信息。视场150可足够大以至少捕获应变传感器40，并且可潜在地足够大以捕获整个构件10(如在构件10包括多个应变传感器40时)。在一些实施例中，系统200可包括一组构件10(例如，一组第一级涡轮叶片)和多个应变传感器40，其中成组构件10中的至少两个(例如，一半或全部)包括应变传感器40。 [0045] 数据采集装置140可在多种地点处和以多种不同的构造连接于涡轮机100。例如，数据采集装置140可连接于涡轮机100的壳体120的内表面121。在一些实施例中，数据采集装置140可连接于涡轮机100的壳体120中的端口126。甚至在一些实施例中，数据采集装置140可连接于构件10(如静止构件)，设置成邻近包括应变传感器40的构件10。例如，当监测的应变传感器40设置在涡轮叶片112上时，数据采集装置140可连接于相邻的喷嘴114、壳体 110或其它相邻的构件10。 [0046] 数据采集装置140可以以便于不同利用参数的多种方式连接于涡轮机100。例如，在一些实施例中，数据采集装置140可永久地连接于涡轮机100，使得其可在涡轮机100的操作或者至少没有涡轮机100的部分或全部拆卸期间利用。例如，数据采集装置可螺栓连接、焊接、螺纹连接，粘附或以其它方式集成到涡轮机100中。在其它实施例中，数据采集装置140可暂时地连接于涡轮机100，使得其可在中断或停工期间使用。例如，数据采集装置可暂时地闩锁、夹持或卡着于涡轮机100。 [0047] 连接于涡轮机100的数据采集装置140可因此在涡轮机100的操作期间、在涡轮100的停工期间，和/或在涡轮机100的部分或完全拆卸期间利用。例如，如果数据采集装置140在涡轮机100操作时连接于涡轮机100，则数据采集装置140可至少在涡轮机100操作时定期地捕获应变传感器40。在一些此类实施例中，构件10可包括旋转的构件(例如，涡轮叶片112)，并且数据采集装置140可在构件10旋转到视场150中时定期地捕获应变传感器40。在其它实施例中，构件10可包括静止构件，但数据采集装置140可连接于旋转构件，使得在数据采集装置140的视场150围绕涡轮机100旋转时，其定期地捕获应变传感器40。 [0048] 虽然特定地点、连接构造以及操作实例在本文中公开在数据采集装置140与涡轮机100(以及其构件10)之间，但应当认识到的是，这些不旨在限制实例，并且其它变型可附加地或备选地实现。 [0049] 数据采集装置140可包括任何装置或装置的组合，其适合于捕获一个或更多个应变传感器140的图像，从一个或更多个应变传感器140读取或以其它方式收集信息。数据采集装置140可例如包括图像捕获装置142和计算装置144。图像捕获装置142可大体上与各种构件，如用于接收和处理来自镜头的光以生成图像的透镜和光学系统连通。在一些实施例中，例如，图像捕获装置142可为摄像机传感器，其接收和处理来自摄像机镜头的光以生成如数字图像的图像，如大体上理解的。在一些实施例中，图像捕获装置142可包括红外摄像机。在一些实施例中，图像捕获装置142可包括光源，以在捕获应变传感器40时提供附加照明。 [0050] 图像捕获装置142可与计算装置144连通，如经由可为硬连线或无线的通信链路130。计算装置144可大体上包括适合的硬件和/或软件，用于大体上存储和分析来自图像捕获装置142和数据采集装置140的图像。此类硬件和/或软件可例如大体上分析表面特征。例如，应变传感器40可分析成确定是否发生变形和应变，如以上论述的。 [0051] 计算装置144可包括构造成执行多种计算机实施的功能的一个或更多个(多个)处理器和相关联的(多个)存储器装置。如本文中使用的，用语“处理器”不仅是指本领域中被称为包括在计算机中的集成电路，而且指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路，以及其它可编程电路。附加地，(多个)存储器装置可大体上包括(多个)存储器元件，其包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如，闪存存储器)、软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字碟(DVD)和/或其它适合的存储器元件。此类(多个)存储器装置可大体上构造成存储适合的计算机可读指令，其在由(多个)处理器实施时将计算装置144构造成执行各种功能。 [0053] 值得注意地，由数据采集装置140的构件10的分析可在构件10处于原位时执行。构件10在其设置在组件(如涡轮机)内，如在涡轮机100的区段102、104、106内时处于原位。值得注意地，在一些实施例中，整个壳体120可在此类原位分析发生时包绕构件10。甚至在一些实施例中，由数据采集装置140的构件10的分析可在涡轮机操作时(包括当各种构件旋转时)发生。 [0054] 例如，数据采集装置140可从或更多个构件10上的一个或更多个应变传感器40捕获信息，同时使用多种方法论以使捕获的信息与正确的应变传感器40和/或构件10关联。在一些实施例中，数据采集装置140可从应变传感器40自身捕获信息，该信息有助于识别特定应变传感器40或构件10(例如，当应变传感器40包括串行或标记信息时)。在其它实施例中，数据采集装置140可同步，如通过知道包含应变传感器40的相关构件10的旋转位置。在此类实施例中，来自数据采集装置140的信息可基于相关运动或正时与适当的应变传感器40或构件10关联。应当认识到的是，任何其它适合的方法可用于使由数据采集装置140从应变传感器40捕获的数据与该特定应变传感器40和/或构件10关联。 [0055] 该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。 |
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