包括非球面透镜的涡轮机在线检测的系统和方法 |
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| 申请号 | CN201380007501.6 | 申请日 | 2013-01-24 | 公开(公告)号 | CN104081249B | 公开(公告)日 | 2017-11-24 |
| 申请人 | 西门子能量股份有限公司; | 发明人 | E.巴雷恩; V.乔纳拉贾达; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及在线运行发电 涡轮 机的非破坏性内部检测的光学相机系统，发电 涡轮机 包括 燃气轮机 燃烧室 和涡轮机段，处于超过600℃(1112°F)范围的高 工作 温度 并且包括燃烧气体污染物。检测系统包括一个或多个能够承受高于600℃连续工作温度的非球面透镜。非球面透镜单独地或与球面透镜组合来建立更宽的视场，并且比仅包括球面透镜的透镜卡口需要更少的组合透镜。并入在检测系统中的冷却系统有利于连续运行，并得以抑制透镜外表面燃烧气体的 结垢 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于在线运行发电燃气轮机燃烧室和涡轮机段的内部检测的相机检测系统，包括： |
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| 说明书全文 | 包括非球面透镜的涡轮机在线检测的系统和方法[0001] 相关申请的交叉引用 [0002] 本申请要求同时提交的且指定序列号为13/362,365的、案卷号为No.2011P12815US的、题为“包括温度和振动补偿透镜卡口的涡轮机在线检测的系统和方法(SYSTEM AND METHOD FOR ONLINE INSPECTION OF TURBINES INCLUDING TEMPERATURE AND V1BRATION COMPENSATING LENS MOUNT)”的共同未决的美国实用新型专利申请的优先权，其通过引用并入本文中。 技术领域[0003] 本发明涉及在线(online)运行发电涡轮机的非破坏性内部检测的光学相机系统，发电涡轮机包括燃气轮机燃烧室和涡轮机段，工作温度在超过600℃(1112°F)的范围内并且包括燃烧气体污染物。 背景技术[0004] 通过将高温光学系统与高速相机成像相结合，红外线或可见光光谱在线相机系统在其运行于电厂中期间监控发电燃气轮机、蒸汽轮机、发电机或其相关设备的关键内部发动机部件。光学系统的设计需要选择和结合透镜、光学材料和相关的透镜安装结构，以便提供最佳的图像质量，同时使设备在恶劣的工作环境中存活。例如，燃气轮机燃烧室和涡轮机段包含损害和污染透镜表面的高温燃烧气体。 [0005] 图1A和图1B示意性地示出了已知的燃气轮机30，其具有压缩机段32、多个周向燃烧室34和使旋转轴40从中穿过的涡轮机段38。涡轮机段38包括固定的排1轮叶42，以及可旋转地联接到轴40的排1叶片44。涡轮机段38包括连续交替排的固定轮叶和旋转叶片，比如排2轮叶46和排2叶片48。涡轮机30包括多个检测端口36、50和52，以方便检测到内部部件。 [0006] 如图1A所示，相机检测系统55被联接到检测端口36并包括光学管壳体56，光学管壳体56具有观察端口57，观察端口57建立与壳体中心轴线对准的大约30度的视场。相机58捕获由光学管壳体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、视场中可见的感兴趣区域，例如排1轮叶42的前缘。类似地，相机检测系统55'被联接到检测端口50并包括光学管壳体56'，光学管壳体56'具有观察端口57'，观察端口57'建立与壳体中心轴线法向(即，横向或侧视)对准的大约30度的视场。相机58捕获由光学管壳体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、视场中可见的感兴趣区域。然而，如图1B所示，透过观察端口57'的已知相机视场只有30-34度，因此无法捕获涡轮机叶片 44前缘的整个宽度。 [0007] 用于在在线涡轮机运行期间内部涡轮机部件的实时红外或可见光光谱成像的当前光学设计有若干限制，这限制了视场、最高工作温度、图像质量和系统操作周期。为了达到所希望的图像质量，常规的光学系统需要使用至少一种温度极限低于550℃(1022°F)的光学材料。此外，常规设计使用复杂的紧密间隔的球面透镜组，涉及两个或更多个元件用以校正光学像差(optical aberrations)。 [0008] 用于相机成像系统的常规光学管设计遭受视场、图像质量和透镜卡口(lens mount)系统复杂性之中的设计权衡之苦。更大的希望视场需要更大量的透镜，带有更紧密的透镜间的间距。反之，透镜的透光率随透镜数量的增加而降低。相比于对在环境室温检测应用中使用的相机检测系统的影响，这些设计权衡对在高温检测应用中、比如在在线燃气轮机中使用的光学系统的性能和寿命有着显著直接的负面影响。更具体地，为了校正光学像差，常规的光学设计与具有凸面和凹面的不同玻璃材料相结合而采用球面透镜。虽然能够产生卓越的图像质量，但常规的光学设计当在恶劣的涡轮机环境中使用时带来了一些挑战。需要选择具有具体但不同的光学、热学和机械结构性能的多种光学材料：最接近于热操作环境的至少一种材料应该具有大约600℃(1112°F)的熔融温度。少数光学材料可以承受如此高的温度而没有显著损失光学性能。为了校正上述的光学像差，多个球面透镜是必需的。先前已知的高温检测系统光学管设计使用了多达六个不同的透镜，以产生足够的图像质量。针对涡轮机内更宽广的感兴趣检测区域的所希望视场的增加还需要额外的透镜。在实践中，已知的高温检测系统光学管的范围/视场是34°或更少。 [0009] 随着光学管内透镜数量的增加，透镜卡口的机械设计和操作限制以及系统有效运行寿命变得更有挑战性。例如，随着卡口中透镜数量的增加，在高温度检测应用中更难以保持透镜对准，并且有效使用寿命相应受损。 [0010] 在需要维护和修理之前，用于未冷却地在线监控燃气轮机的“热段(hot sections)”的当前成像系统在操作性上受限于最多约200-300小时。已经观察到，成像系统的故障由各种光学元件的渐进磨损或破损所造成，所述光学元件要承受燃气轮机的热和振动。虽然这几百小时的维护时间对短时间的发动机性能确认可以足够的，但长期的运行越来越需要在其整个运行生命周期期间在工业上连续地在线监控内部涡轮机部件。燃气轮机旨在定期维修周期之间连续地运行。在定期维修周期之前，相机检测系统的机械-光学部件在燃气轮机运行期间不能从被监控的燃气轮机中除去。燃气轮机的典型维修检测周期预计为4000小时每次，通常主要检测为8000小时每次。因此，对于连续在线检测监控系统关键是在有机会进行检测和维修之前保持不解体运行满4000小时。迄今为止，增加成像系统使用寿命的各种尝试已导致从几十小时边际改善至几百小时。 [0011] 因此，在本领域中需要一种用于电力系统涡轮机等的高温环境检测系统，其可以在高于600℃(1112°F)、优选高达1000℃(1832°F)的温度环境下承受连续操作。另外需要这样一种具有增加视场的系统。还需要这样一种系统，它减少了系统中所使用的个别透镜的数量，以减少设计和操作复杂性。另外存在的需要是提高光学传输效率，同时保持和优选地提高图像质量。在本领域另一整体需要是增加高温检测系统运行使用寿命，使其与定期涡轮机维修维护周期一致：希望是4000小时。 发明内容[0012] 因此，共同地或个别地，本发明的潜在目的是形成一种用于电力系统涡轮机等的高温环境检测系统，其可以：承受高于600℃(1112°F)和优选高达1000℃(1832°F)的温度环境下的连续运行；增加视场；减少系统中所使用个别透镜的数目，以降低设计和操作复杂性；提高光学传输效率；保持、可优选地提高图像质量，并增加系统运行使用寿命。 [0013] 这些和其它目的通过一种检测装置按照本发明的实施方式来实现，所述检测装置具备：具有观察端口的壳体；和安装在所述壳体内的非球面透镜，所述非球面透镜由能够在高于600℃(1112°F)的温度下连续运行的材料构成。 [0014] 本发明的实施方式还涉及相机检测系统，其具备：具有观察端口的壳体；和安装在所述壳体内、处于所述观察端口近端的非球面透镜，所述非球面透镜由能够在高于600℃(1112°F)的温度下连续运行的材料构成。本实施方式还具备球面透镜，所述球面透镜安装在所述壳体内的后面并与所述非球面透镜对准。相应透镜结合着在所述壳体内传输感兴趣对象的图像，所述感兴趣对象定向在由透镜建立的视场内。相机联接到所述壳体，用于产生通过透镜传输的图像。 [0015] 本发明还涉及一种方法，用于视觉检测运行的燃气轮机内的感兴趣区域。所述方法具备以下步骤：提供相机检测系统，其具有带观察端口的壳体。在所提供的系统中，由能够在高于600℃(1112°F)的温度下连续运行的材料构成的非球面透镜安装在壳体内观察端口的近端。球面透镜安装在壳体内的后面并与非球面透镜对准。相应透镜结合着在壳体内传输感兴趣对象的图像，所述感兴趣对象定向在由透镜建立的视场内。在所提供的系统中，相机联接到壳体，用于产生通过透镜传输的图像。所述方法的下一步骤包括：将相机检测系统壳体观察端口插入到燃气轮机的检测端口中。接着，所述方法涉及：在涡轮机运行期间产生燃气轮机内的感兴趣区域的图像。 [0016] 在本发明的一些实施方式中，透镜材料从以下群组中选择，所述群组由熔融石英(fused quartz)、熔融硅石(fused silica)、蓝宝石、尖晶石和氮氧化铝(aluminum oxynitride，AION)构成。在一些实施方式中，非球面透镜建立的视场大于34度，而在其它实施方式中，至少为50度。在一些实施方式中，所述装置进一步具备由所述壳体限定、处于所述观察端口近端的冷却端口，以及联接到所述冷却端口的加压气体源，用于排出所述观察端口近端的加压气体。 [0017] 一种用于在线运行发电燃气轮机燃烧室和涡轮机段的内部检测的相机检测系统，包括： [0018] 光学管，包含限定出内部的壳体，该壳体具有远侧尖端和与远侧尖端相对的、位于相机外壳和燃气轮机燃烧室或涡轮机段检测端口之间的端部，所述远侧尖端用于插入燃气轮机燃烧室或涡轮机段检测端口中，所述远侧尖端包含观察端口，所述与远侧尖端相对的、位于相机外壳和燃气轮机燃烧室或涡轮机段检测端口之间的端部保留在检测端口外部，所述检测端口适于与安装在燃气轮机发动机外部的相机外壳内的光学相机光学耦合； [0019] 冷却端口，由所述壳体在观察端口近端限定； [0020] 传输光学图像的非球面透镜，安装在所述壳体内、处于所述观察端口近端，与燃气轮机燃烧室或涡轮机段检测端口以及与远侧尖端相对的、位于相机外壳和燃气轮机燃烧室或涡轮机段检测端口之间的端部光学对准，用于将在非球面透镜的视场内产生的光学图像传输到与远侧尖端相对的、位于相机外壳和燃气轮机燃烧室或涡轮机段检测端口之间的端部；球面透镜，所述球面透镜安装在所述壳体内与所述非球面透镜和壳体的与远侧尖端相对的、位于相机外壳和燃气轮机燃烧室或涡轮机段检测端口之间的端部光学对准； [0021] 相应透镜结合着在所述壳体内传输感兴趣对象的图像，所述感兴趣对象定向在所述视场内； [0022] 联接到位于燃气轮机发动机外部的壳体的与远侧尖端相对的、位于相机外壳和燃气轮机燃烧室或涡轮机段检测端口之间的端部的相机，用于捕获经由透镜传输的光学图像； [0023] 联接到所述冷却端口加压气体源，用于排出所述观察端口近端的加压气体，并且[0024] 所述相应透镜和壳体内部由能够在高于1112华氏度(600摄氏度)的温度下连续运行的材料构成。 [0025] 其中，所述非球面透镜的材料从以下群组中选择，所述群组由熔融石英、熔融硅石、蓝宝石、透明陶瓷尖晶石和透明陶瓷氮氧化铝(AION)构成。 [0026] 其中，所述视场大于34度。 [0027] 其中，所述视场至少为50度。 [0028] 该系统包括多个非球面透镜，至少一个非球面透镜由从熔融石英、熔融硅石组成的群组中选择的材料构成。 [0029] 该系统进一步包括具有检测端口的燃气轮机，其中在燃气轮机运行之前将壳体观察端口插入在所述检测端口中，并且所述系统在涡轮机运行期间生成燃气轮机内的感兴趣区域的图像。 [0031] 可以通过与附图结合来考虑以下详细描述而容易地理解本发明的教导，其中： [0032] 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； [0033] 图1B是沿着图1的1B-1B截取的示意性平面图； [0034] 图2A是已知球面透镜的示意性正视图； [0035] 图2B是本发明非球面透镜的示意性正视图； [0036] 图3A是包括球面透镜堆的已知相机透镜系统的示意性正视图，用于形成位于透镜视场(FOV)内的感兴趣对象的图像； [0037] 图3B是包括本发明非球面透镜的本发明相机透镜系统的示意性正视图； [0038] 图4是已知透镜卡口的部分横截面示意性视图； [0039] 图5是用本发明相机检测系统检测的燃气轮机的示意性正视图； [0040] 图5A是沿着图5的5A-5A截取的示意性平面图； [0041] 图6是本发明实施方式的光学管壳体的示意性横截面图，其中图像平行于管中心轴线进行拍摄； [0042] 图7是本发明的图6光学管壳体实施方式中的透镜卡口的示意性横截面图； [0044] 图9是本发明的图7透镜卡口中的安装环的透视图； [0045] 图10是本发明的图6光学管壳体实施方式中的另一透镜卡口的示意性横截面图； [0046] 图11是本发明另一实施方式的光学管壳体的示意性横截面图，其中图像垂直于管中心轴线进行拍摄； [0047] 图12是本发明的图11光学管壳体实施方式的透镜卡口的示意性横截面图； [0048] 图13是本发明的图12透镜卡口中的安装环另一实施方式的径向横截面图； [0049] 图14是本发明的图11光学管壳体实施方式中的另一透镜卡口的示意性横截面图； [0050] 图15是本发明的又一透镜卡口实施方式的示意性横截面图； [0051] 图16是包括冷却系统的本发明检测系统的示意性横截面正视图； [0052] 图17是图16冷却系统的详细示意性横截面正视图； [0053] 图18是联接到燃气轮机检测端口的本发明检测系统的示意性正视透视图； [0056] 为了便于理解，在可能的情况下已经使用相同的附图标记，以指定各附图所共用的相同元件。 具体实施方式[0057] 在考虑了下面的描述之后，本领域技术人员将清楚地认识到，本发明的教导可以容易地利用于在线运行发电涡轮机的非破坏性内部检测的光学相机系统，发电涡轮机包括燃气轮机燃烧室和涡轮机段，其处于超过600℃(1112°F)范围的高工作温度并且包括燃烧气体污染物。检测系统包括一个或多个能够承受高于600℃的连续工作温度的非球面透镜。非球面透镜单独地或与球面透镜组合地建立更宽的视场，并且需要比仅包括球面透镜的透镜卡口更少的组合透镜。包括在检测系统中的冷却系统有利于连续操作，并抑制燃烧气体对透镜外表面的结垢。 [0058] 非球面透镜光学系统 [0059] 为了改进“热”检测成像系统的机械-光学性能并减少机械组装复杂性，非球面透镜元件--可优选地由熔融硅石材料构成--用以取代至少一些已知的常规球面透镜元件。熔融硅石是耐高温的光学材料。透镜表面轮廓可以通过采用已知的单点金刚石车削制造技术来制造。蓝宝石是另一种潜在的高温应用透镜材料。 [0060] 如图2A所示，具有球面表面62的已知透镜60完全由其恒定的半径确定，而非球面表面需要已知的多参数方程来描述它的形状。具有非球面表面66的透镜64的光学优点示于图2B中，其中光的光线会聚到单个点。在球面透镜60的情况下，如图2A，光的光线会形成模糊，这会降低图像质量。在已知的唯有球面透镜的阵列中，例如图3A中所示，六个球面透镜60-60E需要锐化模糊的图像。与此相反，非球面透镜64A与球面透镜60'结合足以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运行寿命。 透镜的总数量减少了，反过来导致机械组装复杂性的降低。更少的部件发生故障和/或错位积极地影响检测系统的使用寿命。由于更少连续透镜材料层之间的衰减会更小，透镜数量的减少有利地归因于透光度的增加。熔融硅石和蓝宝石的非球面透镜材料将在1000℃的连续工作温度和1200℃的短期间歇工作温度下进行操作。检测系统视场可以增大到50度，同时保持可接受的机械组装复杂度水平。具有球面透镜的已知系统受限于34度或更小的视场。 [0061] 已知透镜卡口的限制性 [0062] 相比于图4所示的典型的已知检测系统刚性透镜卡口构造，本发明系统的一些实施方式还设有温度和振动补偿透镜卡口。在这种示例性已知透镜卡口中，间隔开的球面透镜60F-60H通过一系列隔开的刚性成形凸缘72、刚性间隔环74、76和挡圈78被保持在卡口筒管(mount barrel)70中。由于筒管、挡圈和非金属透镜的不同热膨胀率，透镜经受外部变形应力，使它们容易受到应力开裂和/或错位。 [0063] 检测系统概述 [0064] 图5是用本发明相机检测系统检测的操作性在线燃气轮机30的示意性正视图。特别地，第一排轮叶42的前缘正由检测系统80实时检测，同时检测系统80A检测第一排涡轮机叶片44的前缘。虽然图中示出了在规范检测位置同时使用两个检测系统，但检测系统的数量及其位置可以依用户的判断而变化。两个相应的检测系统各具有相机外壳82，相机外壳82光学地联接到光学管壳体84、84A(具有多个由透镜卡口保持在其中的透镜)，其传输透过观察端口86、86A建立的视场内的图像。燃气轮机检测系统80中的观察端口86定向在光学管壳体84的远侧尖端，以便其视场与壳体的中心轴线对准。观察端口86A横向地定向在光学管壳体84A的圆周侧，以便其视场垂直于它的壳体中心轴线以一角度对准。如图5所示，检测系统观察端口86A产生涡轮机叶片44前缘的图像。相比于示于图1A和1B的34°或更小视场(FOV)的现有技术已知相机检测系统55'，图5A示意性地描绘了50°或更大视场(FOV)的优点。相比具有34°或更小视角的已知检测系统，更大的50°以上FOV角度允许检测更大部分的感兴趣区域(在此为示例性涡轮机叶片44前缘)。 [0065] 光学管壳体和透镜卡口 [0066] 图6-15示出了光学管实施方式84、84A，以及本发明的透镜和透镜卡口的示例性实施方式。参照图6，光学管壳体84具有定向在其远侧尖端上的观察端口86。远侧透镜卡口90和中间透镜卡口92保持在金属光学管壳体84内，反过来保持不同的透镜构造。如图7-9所示，远侧尖端透镜卡口90具有以管状构造构成的金属透镜卡口筒管100，其具有整体透镜保持凸缘102和包围并捕获非球面透镜106的内周104。虽然透镜卡口100完全包围透镜106，但依本领域技术人员的判断，它可构造成仅包围透镜的一部分。 [0067] 非球面透镜106具有抵接着保持凸缘102的前表面108，和后表面110。周缘112限定了透镜106的径向边界。抵接透镜106的保持凸缘102局部轮廓与前表面108的局部轮廓相匹配，以使压力关于透镜圆周对称。球面透镜116与非球面透镜106处于间隔开的关系且对准，并具有前表面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/管状的金属第一安装环114(图10)建立；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轮廓。第二管状金属安装环124具有前表面，该前表面具有的轮廓与球面透镜后表面120的局部轮廓相匹配。 [0068] 将每个透镜106、116圆周地捕获在卡口筒管100的内周104内，并沿轴向通过相应的匹配，抵接透镜表面和安装环的轮廓，得以保持用于图像质量的希望的透镜对准，不管涡轮机中的操作温度变化和振动。压缩弹簧126(图10)是偏压元件，其在透镜106、116的前表面和后表面上施加恒定的轴向力，不管涡轮机运行期间温度和振动的变化。以这种方式，透镜106、116、保持环114、124和透镜卡口筒管100能够体验到不同的轴向膨胀率/收缩率，同时在所有这些相应部件中保持相对恒定的轴向偏压力。压缩弹簧124由电火花加工通过切割实心不锈钢管而形成。其它轮廓弹簧偏压元件可代替压缩弹簧124。压缩弹簧第一端128抵接着第二保持环124，而第二端130抵接着捕获在壳体100内的弹簧保持环132。可替代地，压缩弹簧第二端130可通过焊接等永久地附接至壳体内周上，以代替弹簧保持环132，如果需要用以减少远侧透镜卡口90的轴向长度。远侧透镜卡口90还具有远侧透镜卡口观察端口134，它与光学管壳体84观察端口86对准。 [0069] 如图10所示，中间透镜卡口92具有单一的非球面透镜106'，非球面透镜106'圆周地捕获在透镜卡口筒管100'内，并由第一安装环114'与偏压元件压缩弹簧126'一起又与弹簧保持环132'一起沿轴向保持。 [0070] 横向或侧视光学管84A实施方式示于图11中。横向观察由棱镜150实现，棱镜150光学地弯曲光谱频率波(例如，红外或可见光谱)，以与具有非球面透镜106A的远侧透镜卡口90A(图12)对准，又与具有非球面透镜106A'的中间透镜卡口92A(图14)对准。 [0071] 示例性的远侧透镜卡口90A示于图12中，并包括透镜卡口筒管152，透镜前安装保持器154结合至透镜卡口筒管152。保持器154抵接在非球面透镜106A上；抵接表面轮廓对应于透镜前表面或第一表面局部轮廓。柔性透镜安装环156也具有对应于透镜106A第二表面或后表面的表面轮廓，并由于压缩弹簧轴向偏压元件164和弹簧保持环166施加的轴向偏置压力而沿轴向抵接在透镜上。如图13所示，柔性透镜安装环156具有轮缘158和背离轮缘158沿轴向突出的多个悬臂指状物160。指状物160具有远侧接触表面162，远侧接触表面162具有的轮廓对应于抵接的透镜106A的局部轮廓。柔性透镜安装环在抵接的透镜106A上添加了附加的偏置力，并且可以补偿在透镜卡口筒管152中的局部弯曲。可替代地，实体保持环，比如在相应图7和10中所示的透镜卡口90、92的那些保持环，可以代替透镜卡口90A或其它示例性实施方式卡口中的柔性透镜安装环156。 [0072] 在中间透镜卡口92A中，如图14所示，透镜卡口筒管152A圆周地捕获透镜106A'，并将透镜沿轴向保持在相对的柔性透镜安装环156A和156A'之间。与相对的柔性安装环156A和156A'结合，压缩弹簧164A在透镜106A'上施加轴向偏置力。弹簧保持环166A将弹簧164A保持在透镜卡口筒管152A内。 [0073] 图15示出了两个串联的非球面透镜106B和球面透镜116B的示例性实施方式，分别由柔性安装环对156B、156B'和156B"、156B"'保持。透镜106B和116B由间隔套(spacer bushing)168分离，并且在圆周上由相应的弹性环形套167、167A约束，弹性环形套167、167A设置在透镜周缘和透镜卡口筒管152B之间。压缩弹簧164B(在此示出为螺旋线弹簧)与每个环对156B、156B'和156B"、156B"'上偏置的柔性悬臂指状物结合，来维持透镜106B和116B上的偏置轴向压力，以便在透镜卡口164B或光学管84A结构内补偿热和振动引起的变形。金属弹性环形套167提供额外的减震和透镜106B、116B的弯曲补偿。压缩弹簧164B由带螺纹的弹簧保持环166B保持在壳体152B内。 [0074] 光学管冷却和透镜清洁 [0075] 本发明的检测系统可另外采用冷却系统，冷却系统在光学管壳体的外圆周周围喷射加压气体，并引导加压气体进入定向在光学管观察端口近端的冷却端口。加压气体源可以是从涡轮机压缩机段分流的压缩空气，或是任何外部加压空气或在发电厂内可利用的其它气体源。 [0076] 参考图16和图17，光学管壳体84被插入到燃气轮机的检测端口中。加压空气源172是来自燃气轮机排出腔的主冷却空气，燃气轮机排出腔具有约450℃(842°F)的温度，低于600℃(1112°F)或更高的涡轮机段内的环境温度。主冷却空气G1具有比涡轮机段气体路径G6内的压力更高的相对压力。冷却空气G1流经冷却端口169，并沿着光学管壳体84的外圆周轴向向下流动。在光学管壳体84内形成的冷却端口170将冷却空气流引导到非球面透镜106C及其柔性透镜安装环156C的近端和前方，随后它离开观察端口86，如气体流动路径G3所示。 冷却空气流G3具有比涡轮机段内的燃烧气体路径G6更高的压力和更低的温度。其结果是，冷却气体路径G1-G3将热量从光学管壳体84、观察端口86和非球面透镜106C传送出去，并且是与较高温度燃烧气体G6的隔热保温层。冷却气体G3的隔离层在非球面透镜106C前面还维持着相对“干净”的无污染物气体层，使得透镜较不易于收集弄脏污染膜(smudging contamination film)，防止燃烧气体中的污染物。 [0077] 检测系统电子器件及操作 [0078] 联接到光学管壳体的相机成像系统58硬件部件示于图18和图19中。光学管和相机成像系统58由密封检测端口的已知构造的端口凸缘安装环180联接到涡轮机检测端口36、50、52。已知的成像相机182安装在相机对焦驱动器184上，相机对焦驱动器184具有能够沿着焦距X方向箭头平移相机的已知的伺服电机/位置编码器186。 [0079] 参考图20，图像控制系统190给相机对焦驱动电机186以及相机182供电，部分地基于由电机186编码器提供的对焦驱动位置信息而造成驱动电机的启动、停止和反转，触发相机182拍摄图像，并从相机接收图像进行进一步的处理和存储。图像控制系统190包括已知的控制器194，其执行存储在存储器196中的程序指令。控制器194经由双向数据通路(例如，电缆和/或执行以太网通信协议的数据总线)与主机控制器200通信。示例性的主机控制器200是具有处理器202的个人计算机(PC)，处理器202执行在存储器204中可访问的编程指令。已知的人机界面(HMI)206与PC通信，以实现人为指挥、控制和监控。PC也可经由已知的无线通信协议如蓝牙协议与其它的HMI设备进行通信，比如平板计算机208。图像控制系统可包括数据存储设备，用于存储、处理和存档从相机182接收到的图像。 [0080] 在启动待检测的燃气轮机之前，通过在其中插入光学管84、84A并且将端口凸缘安装环180固定至检测端口，一个或多个相机检测系统80、80A分别联接到相应的期望涡轮机检测端口36、50、52。加压的冷却气体源172在光学管壳体84、84A周围以及观察端口86、86A近端喷射冷却气体。如前面所讨论的，冷却气体源172可从涡轮机压缩机段获得。相机182响应于从图像控制系统190接收的触发命令而捕获燃气轮机内部部件内的感兴趣区域的图像，并将所捕获的图像传送至图像控制系统，以进行后续处理和存档。 [0081] 检测系统的优点总结 [0082] 在本发明的相机检测系统中使用非球面透镜元件至少提供以下优点： [0083] 1.增加系统运行使用寿命：所使用透镜的数量减少，这导致透镜卡口机械组装复杂性的降低，从而对系统的寿命有直接影响。 [0085] 3.更高温度可操作性：使用熔融硅石或蓝宝石，或透明陶瓷，诸如尖晶石和氮氧化铝(AION)，以形成非球面透镜和球面透镜，允许在1000℃的较高操作温度下连续运行，以及1200℃的短期运行。这是优于较久远的已知设计的400℃的改进。 [0086] 4.视场更大：视场可以在保持可接受的机械组装复杂性水平和图像质量的同时有所增加。本发明实现了50°的视场。已知系统具有34°或更小的视场。 [0087] 虽然在本文中已经示出并详细描述了结合本发明教导的各种实施方式，但本领域技术人员可以容易地设计出仍结合这些教导的许多其它变化的实施方式。 |
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