Способ мониторинга интересующей высокотемпературной области газотурбинного двигателя

Изобретение относится к области контроля работы двигателей и касается способа мониторинга высокотемпературной области в газотурбинном двигателе. Для реализации способа в стационарной лопатке с внутренним охлаждением создают порты для мониторинга. В лопатке размещают дистальный конец прибора для мониторинга. Прибор для мониторинга выполнен с возможностью изменения положения в стационарной лопатке относительно продольной оси лопатки и функционального соединения с портами для обеспечения необходимого поля обзора интересующей области. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

В настоящей заявке испрашивается приоритет по дате подачи 21 октября 2010 г. предварительной заявки на патент США №61/274692, которая включена в настоящее описание путем отсылки. Эта заявка относится к заявке на патент США №13/274692 (дело поверенного 2010P2014US01 под названием «СПОСОБ МОНИТОРИНГА ИНТЕРЕСУЮЩЕЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБЛАСТИ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ»), которая подана одновременно с настоящей заявкой и включена в настоящее описание путем отсылки.

Область техники

Аспекты настоящего изобретения относятся к газотурбинным двигателям и более конкретно к способу мониторинга интересующей высокотемпературной области, который может осуществляться путем мониторинга прибора, расположенного внутри стационарной лопатки турбины.

Предшествующий уровень техники

Правопреемник по настоящей заявке успешно продемонстрировал устройство и способы онлайнового мониторинга вращающихся и/или стационарных компонентов газотурбинного двигателя. См., например, устройство и способы, описанные в патенте США №7690840 под названием «Способ и устройство для онлайнового измерения отказов компонентов теплового барьера турбины», который полностью включен в настоящее описание.

Ввиду геометрических и тепловых ограничений, которые могут возникнуть в контексте ограниченного доступа к пространству в газотурбинном двигателе, тепловые и/или пространственные картины, создаваемые известными устройствами, по существу ограничены областями, расположенными радиально внутри относительно цилиндрической структуры турбины. Например, получить тепловую или пространственную картину областей, расположенных радиально снаружи, было невозможно и/или картины получались ограниченными по размеру или углу падения.

Дополнительно, известные устройства имеют относительно длинные оптические пути, которые требуют относительно большого количества оптических элементов (например, оптическая система передачи изображений и т.п.), поскольку такие устройства располагались в областях, удаленных от областей высокой температуры и/или давления, которые по существу возникают на пути рабочего газа турбины. Длинный оптический путь может вынудить конструктора использовать оптические элементы, заключающие в себе оптические компромиссы, которые могут быть обусловлены таким длинным оптическим путем, например, оптические элементы с относительно низкими характеристиками отражения. Например, оптические элементы с относительно высокими характеристиками отражения могут быть неподходящими для длинного оптического пути с большим количеством таких элементов, но могут подходить для короткого оптического пути, содержащего меньшее количество оптических элементов. Эти соображения могут в некоторой степени ограничить возможность конструктора адаптировать оптическую конструкцию для получения других компромиссов, например, возможность использовать более стойкие оптические материалы, которые могут иметь более высокие характеристики отражения.

Соответственно, ввиду вышеизложенного, сохраняется потребность в усовершенствованном устройстве и/или способах для мониторинга интересующей высокотемпературной области в газотурбинном двигателе.

Краткое описание чертежей

Далее следует описание аспектов настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, где:

фиг. 1 - схематическое представление иллюстративного варианта системы, которая может использоваться для мониторинга интересующей высокотемпературной области газотурбинного двигателя по аспектам настоящего изобретения;

фиг. 2-4 - соответствующие виды с вырезом соответствующих иллюстративных вариантов стационарной лопатки, содержащей прибор мониторинга (например, наблюдательный прибор), функционально соединенный с портом для наблюдения стационарной лопатки для создания поля обзора интересующей области по аспектам настоящего изобретения;

фиг. 5 - сечение иллюстративного варианта узла крышки, который может быть установлен для фиксации наблюдательного прибора внутри лопатки;

фиг. 6 - сечение иллюстративного варианта узла поворотного замка, который может быть установлен для фиксации наблюдательного прибора в лопатке;

фиг. 7 - вид с вырезом иллюстративного варианта наблюдательного прибора, например, выполненного из пучка оптических волокон.

Описание предпочтительных вариантов изобретения

На фиг. 1 частично схематично показан иллюстративный пример системы 8, которая может быть использована для онлайнового мониторинга интересующей высокотемпературной области 20 в газотурбинном двигателе 10, который может быть использован на судах или на летательных аппаратах. Как понятно специалистам, турбина 10 может иметь множество охлаждаемых изнутри (например, воздухом) стационарных лопаток, которые могут находиться на пути рабочего газа турбины и поэтому подвергаться действию относительно высоких температур, например, порядка тысяч градусов по Фаренгейту, например, 2800°F (1537,78°С) или выше.

Согласно аспектам настоящего изобретения лопатка 12 может быть сконструирована так, чтобы содержать порт 14₁ мониторинга, внутри которого расположен прибор 16 для мониторинга, который функционально соединен с портом 14₁, например, для обеспечения поля 18 обзора интересующей области 20, удаленной от лопатки 12. Следует понимать, что аспекты настоящего изобретения не ограничиваются единственным портом 14₁ для мониторинга, выполненным в лопатке 12. Например, в лопатке 12 могут быть выполнены другие порты 14₂ и 14₃ для создания соответствующих полей обзора других интересующих областей, удаленных от лопатки 12. Иллюстративные компоненты турбины, которые могут находиться в интересующей области 20, могут включать стационарные кольцевые сегменты (не показаны), расположенные у конца соответствующей вращающейся лопатки (не показана). Как понятно специалистам, термобарьерное покрытие на таких кольцевых сегментах может подвергаться ускоренному износу, поскольку на него действуют вазы, имеющие высокую скорость и высокую температуру в условиях высокого давления и/или в результате жесткого контакта с концами лопаток.

В одном иллюстративном варианте система 8 содержит устройство 22 сбора данных, соединенное с прибором 16 для мониторинга для получения данных из интересующей области. В одном иллюстративном варианте устройство 22 сбора данных может быть устройством формирования инфракрасных (IR) изображений, например, инфракрасной камерой, соединенной с прибором 16 для мониторинга для сбора данных изображения интересующей области. В одном иллюстративном варианте может использоваться функционально подключенный процессор 23 для обработки данных изображения от устройства 22 формирования инфракрасных изображений для генерирования изображения (пространственного и/или теплового) интересующей области. Читатели, которым нужна справочная информация, связанная с иллюстративным способом обработки данных изображения от инфракрасной камеры, могут обратиться к патенту США №7690840. Следует понимать, что прибор 16 для мониторинга, устройство 22 сбора данных и процессор 23 могут не ограничиваться соответственно мониторингом, сбором и обработкой данных изображения, поскольку предусматривается, что прибор 16 для мониторинга, устройство 22 сбора данных и процессор 23 могут быть факультативно адаптированы (в соответствии с требованиями конкретной задачи) к мониторингу, сбору и обработке данных, не связанных с изображением, а, например, к пирометрическим данным, данным спектроскопии, данным о химическом составе, данным о вибрации, акустическим данным, оптическим данным и т.п. Иллюстративное описание, приведенное ниже, фокусируется на примере формирования изображения, и прибор 16 для мониторинга можно называть наблюдательным прибором. Однако, как указано выше, такое описание не должно толковаться в ограничительном смысле.

В одном иллюстративном варианте инфракрасная камера 22 может иметь ось 24 наблюдения, проходящую радиально внутрь относительно оси вращения турбины, что может способствовать наблюдению за радиально внутренними областями турбины, но не позволяет наблюдать за радиально внешними областями турбины, таким как область 20. Соответственно, в соответствии с аспектами настоящего изобретения, наблюдательный прибор 16 может быть сконфигурирован с соответствующим образом расположенной призмой или зеркалом, которая позволяет изменить линию визирования (т.е. направив ее наклонно в сторону) относительно радиально внутреннего направления оси 24 визирования инфракрасной камеры так, чтобы интересующая область 20 попадала на линию визирования инфракрасной камеры. Следует понимать, что наблюдательный прибор 16 может быть выполнен с возможностью изменения положения внутри лопатки 12, например, с возможностью вращения вокруг оси 24 и/или с возможностью перемещения вдоль оси 24 для мониторинга альтернативных областей, который может производиться через порты 14₁, 14₂ и 14₃ мониторинга.

В одном примере прибор 16 для мониторинга может быть расположен для измерения и/или наблюдения различных химических и/или физических показателей, например таких, которые могут быть получены из интересующей области, которая может быть расположена перед первым рядом лопаток, чтобы, например, получить вид в направлении камеры сгорания. Эти показатели можно использовать для определения характеристик потока сгорания. К иллюстративным показателям могут относиться характеристики потока, химический состав, динамика химической реакции и пр. Другим примером применения системы, реализующей аспекты настоящего изобретения, может быть мониторинг зазора на конце лопатки.

Следует понимать, что можно обрабатывать данные, полученные от двух или более приборов мониторинга для генерирования стерео (т.е. с параллаксом) или трехмерного представления или изображения интересующей области, например, данные изображения от двух приборов 16 наблюдения можно использовать для создания стереоскопического изображения интересующей области.

Следует понимать, что в одном иллюстративном варианте такие сдвоенные наблюдательные приборы можно разместить рядом друг с другом (концептуально аналогично двум объективам бинокля) и получить частично перекрывающиеся поля зрения на интересующую область. Следует понимать, что два или более наблюдательных приборов не должны размещаться рядом друг с другом. Например, один или более наблюдательных приборов могут быть установлены в точно определенном отнесенном положении, чтобы давать виды с разных перспектив на интересующую область, что позволяет в дальнейшем генерировать трехмерное представление или изображение интересующей области.

Как понятно из фиг. 1, в одном иллюстративном варианте инфракрасная камера 22 может быть расположена в камере 26 высокого давления, которая определена внутренним кожухом 28 и внешним кожухом 30 турбины. В этом иллюстративном варианте инфракрасная камера 22 может содержать систему 32 водяного охлаждения, поскольку температура в камере 26 высокого давления, хотя и существенно ниже, чем в области, в которой работают горячие газы, но все же может составлять несколько сотен градусов по Фаренгейту, например, 850°F (454,44°С) или выше. Следует понимать, что устройство 22 формирования инфракрасных изображений не обязательно должно размещаться в камере 26 высокого давления, поскольку устройство 22 формирования инфракрасных изображений может находиться в других областях, например, во внешнем кожухе 30 турбины, что устраняет необходимость в системе 32 водяного охлаждения.

Специалисты должны понимать, что наблюдательный прибор 16 может быть неподвижно закреплен внутри лопатки 12 с помощью разных иллюстративных крепежных конструкций. Например, на фиг. 2 показан вид с вырезом лопатки 12, которая может содержать направляющую трубку 33, выполненную с возможностью принимать дистальный конец наблюдательного прибора 16. На фиг. 3 показана другая иллюстративная конструкция для крепления наблюдательного прибора 16, где лопатка 12 содержит кронштейн 34, соединенный с проксимальным концом лопатки 12 для поддержки воронкообразной трубки 36 для приема наблюдательного прибора 16 в лопатку 12. Как показано на фиг. 3, порт 14 для наблюдения может содержать ограничитель 21 (например, бобышку) для ограничения потока охлаждающего воздуха через порт для наблюдения в лопатке.

На фиг. 4 показан иллюстративный вариант, в котором кронштейн 34 может быть соединен с узлом 40 крышки, которая может быть выполнена с возможностью крепить наблюдательный прибор 16 в лопатке 12 и создавать осевое усилие, прижимающее дистальный конец наблюдательного прибора 16 к пластине 41 основания.

Как более подробно показано на фиг. 5, в одном иллюстративном варианте узел 40 крышки может содержать вставную крышку 44, которая соединена с кронштейном 34 для приема гнездовой крышки 46, при этом крышки 44 и 46 могут соединяться друг с другом с помощью резьбы. Между фланцем 50, выполненным на наблюдательном приборе 16, и крышкой 46 может быть установлен подпружинивающий элемент 50, чтобы при затягивании гнездовой крышки 46 на вставной крышке 44 подпружинивающий элемент 48 создавал осевое усилие для прижимания дистального конца наблюдательного прибора 16 к пластине 41 основания (фиг. 4).

Как показано на фиг. 6, в другом иллюстративном варианте кронштейн 34 может содержать узел 52 поворотного замка, который может иметь запорный паз 54 для приема запирающего пальца 56, выполненного на наблюдательном приборе 16, и далее может содержать подпружинивающий элемент 58, выполненный с возможностью прилагать осевое усилие, чтобы прижимать дистальный конец наблюдательного прибора к нижней пластине. Как понятно из фиг. 6, кронштейн 32 может содержать множество перфораций 57 для уменьшения сопротивления рабочему газу, который обтекает лопатку.

Следует понимать, что наблюдательный прибор 16 не ограничивается жесткой реализацией оптической системы (сходной со структурой фотографического телеобъектива), поскольку предусматривается, что в одном иллюстративном варианте, как показано на фиг. 7, наблюдательный прибор 16 может быть выполнен из одного или более пучка 60 оптических волокон (сходной со структурой медицинского эндоскопа), выполненного с возможностью наблюдать инфракрасное излучение от интересующей области 20. Следует понимать, что этот вариант может давать гибкость оптического пути по сравнению с жестким вариантом оптической системы. Например, оптическое соединение между пучком 60 оптических волокон и инфракрасной камерой 22 (фиг. 1) дает конструктору возможность адаптивного выбора положения инфракрасной камеры 22.

При работе электрооптомеханическая система согласно аспектам настоящего изобретения может быть сконфигурирована для создания карты температур и/или пространственного изображения компонентов турбины в интересующей области. В одном иллюстративном варианте данные инфракрасного излучения можно калибровать в терминах относительной или абсолютной температуры для генерирования температурной карты компонентов турбины в интересующей области. Например, это может позволить определить, не возникает ли в одной или более областях таких компонентов турбины температурных разрушений. Специалистам понятно, что такие температурные разрушения могут сократить срок службы или повредить данный компонент турбины.

При работе электрооптомеханическая система согласно аспектам настоящего изобретения может быть сконфигурирована для мониторинга в реальном масштабе времени или в масштабе времени, бликом к реальному, температуры и состояния интересующей области. Система по аспектам настоящего изобретения инновационно может быть выполнена с возможностью наблюдения в обратном направлении (например, по существу наблюдения назад) интересующей области. Система может быть сконфигурирована для мониторинга интересующей области в разных рабочих условиях турбины (например, при пуске, при базовой нагрузке и при выключении).

В одном иллюстративном варианте данные об инфракрасном излучении можно обрабатывать для генерирования пространственного изображения компонентов турбины в интересующей области. Например, пространственное изображение может быть полезным, для визуализации одного или более участков таких компонентов турбины, которые могут испытывать физическое разрушение. Пространственное изображение также может быть полезно для оперативного решения вопросов, связанных с компонентами турбины, которые могут работать не так, как ожидается. Следует понимать, что построение тепловой карты и пространственного изображения может использоваться в синергетической комбинации для получения реальных знаний, связанных с различными характеристиками компонентов турбины в интересующей области, таких как рабочие характеристики, факторы, определяющие сокращение срока службы или поломки, производственные дефекты, дефекты, возникшие в результате ремонта, и пр. Следует понимать, что данные, собранные прибором мониторинга согласно аспектам настоящего изобретения, могут относиться к разным длинам волн. Такие данные затем можно обрабатывать, например, для дальнейшей характеризации или квантификации температуры или других спектральных измерений, которые можно использовать для генерирования многоспектральных изображений и/или измерений из данной интересующей области.

Примеры аспектов настоящего изобретения могут включать: тепловые и/или пространственные изображения для проверки термобарьерного покрытия в движении или в стационарном состоянии; способность проводить количественные измерения без прерывания или с минимальным прерыванием работы турбины и способность принимать оперативные решения по существу в реальном масштабе времени для уменьшения риска повреждения из-за отказа термобарьерного покрытия. Следует понимать, что система, в которой воплощены аспекты настоящего изобретения, не ограничивается онлайновой работой и может быть адаптирована к автономной работе, например, может проводить неразрушающие и бесконтактные количественные измерения в разных режимах, таких как для новых, требующих ремонта и отремонтированных компонентов, когда турбина находится в автономном режиме.

В одном иллюстративном онлайновом варианте данные измерений и/или подходящие для формирования изображений интересующей области можно периодически отслеживать и получать в масштабе времени турбины, близком к реальному. Предусматривается, что можно использовать системы быстрого анализа и принятия решений, в которых могут применяться экспертные и/или телемеханические подсистемы для анализа собранных данных и принятия решений относительно работы турбины. Экспертная и/или телемеханическая подсистемы могут содержать алгоритмы прогнозирования, которые могут прогнозировать время работы до обнаружения состояния отказа. Экспертные и/или телемеханические подсистемы можно сконфигурировать так, чтобы оператор мог менять условия работы турбины по существу в реальном масштабе времени и/или взаимодействовать с контроллером телемеханического управления для изменения условий работы турбины по существу в реальном масштабе времени.

Хотя выше были описаны и показаны различные варианты настоящего изобретения, следует понимать, что эти варианты приведены только для примера. В изобретение могут быть внесены различные изменения и замены, не выходящие за пределы объема изобретения. Соответственно, настоящее изобретение ограничивается только изобретательской идеей, и его объем определен приложенной формулой.

1. Способ мониторинга интересующей высокотемпературной области газотурбинного двигателя, содержащий этапы, на которых:
обеспечивают стационарную лопатку с внутренним охлаждением;
в этой стационарной лопатке размещают порт для мониторинга;
функционально соединяют прибор для мониторинга с портом для мониторинга для обеспечения поля обзора интересующей области, при этом прибор для мониторинга имеет дистальный конец, заключенный в стационарной лопатке, при этом прибор для мониторинга выполнен с возможностью изменения положения в стационарной лопатке относительно продольной оси лопатки;
размещают дополнительные порты для мониторинга в стационарной лопатке; и
изменяют положение прибора для мониторинга в лопатке для функционального соединения с дополнительными портами для мониторинга.

2. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап, на котором собирают данные из интересующей области с помощью устройства для сбора данных, соединенного с прибором для мониторинга.

3. Способ по п. 2, в котором прибор для мониторинга содержит наблюдательный прибор, а устройство для сбора данных содержит устройство формирования инфракрасных (IR) изображений и в котором этап сбора данных из интересующей области содержит этап, на котором собирают данные изображения из интересующей области с помощью наблюдательного прибора, соединенного с устройством формирования инфракрасных (IR) изображений.

4. Способ по п. 2, в котором этап сбора данных из интересующей области содержит этап, на котором собирают данные, не относящиеся к изображению, выбранные из группы, содержащей данные пирометрии, данные спектроскопии и данные о химическом составе.

5. Способ по п. 3, в котором устройство формирования IR изображений содержит IR камеру, и при этом способ дополнительно содержит этап, на котором располагают поле обзора наблюдательного прибора так, чтобы обеспечить вид в обратном направлении относительно оси визирования IR камеры, который обращен от интересующей области, при этом поле обзора наблюдательного прибора расположено так, чтобы интересующая область находилась на оси визирования IR камеры.

6. Способ по п. 1, в котором этап изменения положения прибора для мониторинга в лопатке содержит этап, на котором поворачивают прибор для мониторинга, радиально перемещают прибор для мониторинга или как поворачивают, так и радиально перемещают прибор для мониторинга.

7. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап, на котором направляют прибор для мониторинга с помощью направляющей трубки в лопатке и конфигурируют направляющую трубку для приема дистального конца прибора для мониторинга.

8. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап, на котором ограничивают поток воздуха через порт для мониторинга.

9. Способ по п. 3, в котором устройство формирования IR изображений содержит IR камеру, и при этом способ дополнительно содержит этап, на котором размещают IR камеру в камере высокого давления, определенной внутренним кожухом и внешним кожухом турбины.

10. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап, на котором с помощью прибора для мониторинга осуществляют мониторинг зазора конца лопатки.

11. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап, на котором с помощью прибора с изменяемым положением осуществляют мониторинг химических показателей, полученных из интересующей области, расположенной перед первым рядом лопаток, физических показателей, полученных из интересующей области, расположенной перед первым рядом лопаток, или как химических, так и физических показателей, полученных из интересующей области, расположенной перед первым рядом лопаток, при этом поле обзора прибора для мониторинга с изменяемым положением направлено вперед к потоку сгорания от камеры сгорания.

12. Способ мониторинга интересующей высокотемпературной области в газотурбинном двигателе, содержащий этапы, на которых:
обеспечивают стационарную лопатку с внутренним охлаждением;
в этой стационарной лопатке размещают порт для мониторинга;
функционально соединяют прибор для мониторинга с портом для мониторинга для обеспечения поля обзора интересующей области, при этом прибор для мониторинга имеет дистальный конец, заключенный в стационарной лопатке, при этом прибор для мониторинга является прибором с изменяемым положением в стационарной лопатке относительно продольной оси лопатки;
размещают дополнительные порты для мониторинга в стационарной лопатке; и
изменяют положение прибора для мониторинга в лопатке для функционального соединения с дополнительными портами для мониторинга;
собирают данные из интересующей области с помощью устройства для сбора данных, соединенного с прибором для мониторинга; и
обрабатывают данные от устройства для сбора данных для генерирования по меньшей мере результата измерения из интересующей области.

13. Способ по п. 12, в котором этап сбора данных из интересующей области содержит этап, на котором собирают данные, не относящиеся к изображению, выбранные из группы, содержащей данные пирометрии, данные спектроскопии и данные о химическом составе.

14. Способ по п. 12, в котором прибор для мониторинга содержит наблюдательный прибор, а устройство для сбора данных содержит устройство формирования инфракрасных (IR) изображений и в котором этап сбора данных из интересующей области содержит этап, на котором собирают данные изображения из интересующей области с помощью наблюдательного прибора, соединенного с устройством формирования инфракрасных (IR) изображений.

15. Способ по п. 14, дополнительно содержащий этап, на котором функционально соединяют по меньшей мере два или более устройства для мониторинга с соответствующими портами для мониторинга для обеспечения соответствующих полей обзора интересующей области.

16. Способ по п. 15, в котором обработку данных от упомянутых по меньшей мере двух или более устройств для мониторинга проводят для генерирования трехмерного результата измерений интересующей области, изображения интересующей области или как трехмерного результата измерений интересующей области, так и изображения интересующей области.

17. Способ по п. 16, дополнительно содержащий этап, на котором размещают по меньшей мере некоторые из упомянутых двух или более устройств для мониторинга рядом друг с другом для обеспечения частично наложенных полей обзора интересующей области.

18. Способ по п. 17, дополнительно содержащий этап, на котором размещают по меньшей мере некоторые из упомянутых двух или более устройств для мониторинга в положениях, отдаленных на предварительно определенное расстояние друг от друга, для обеспечения по меньшей мере разных перспективных видов интересующей области.

19. Способ по п. 12, в котором этап сбора данных из интересующей области содержит этап, на котором собирают данные по меньшей мере на двух разных длинах волн.

20. Способ по п. 19, в котором обработку данных, собранных на упомянутых по меньшей мере двух разных длинах волн, проводят для генерирования многоспектрального изображения и/или многоспектрального результата измерений интересующей области.