專利名稱：用于燃氣輪機的柔性成像光纖束監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)測渦輪發(fā)動機部件的裝置，并且更具體地涉及一種用于在燃氣渦輪發(fā)動機的運行期間對熱燃氣路徑中的渦輪機葉片上的位置進行成像的裝置。
背景技術(shù)：
諸如燃氣渦輪發(fā)動機的內(nèi)部部件之類的難以接近或者受限制的區(qū)域通常需要例行檢查，以在部件的故障之前通過識別潛在的問題、即部件中的缺陷來檢驗內(nèi)部發(fā)動機部件的完整性并保持發(fā)動機的安全運行，或者識別存在的問題的來源。例如，可以比如在燃氣渦輪發(fā)動機的例行停機維護期間利用管道鏡通過目視檢查來識別問題。可以在發(fā)動機運行期間對渦輪發(fā)動機進行額外的監(jiān)測，以進一步識別設(shè)置在發(fā)動機的熱燃氣路徑中的部件的狀態(tài)。雖然各種結(jié)構(gòu)和材料可以合并到用于在部件相對冷的渦輪發(fā)動機停機期間檢查內(nèi)部渦輪機部件的管道鏡中，但在渦輪機的運行期間目視監(jiān)測渦輪機部件對監(jiān)測設(shè)備設(shè)置了額外的限制。在已知的高溫監(jiān)測系統(tǒng)中，可以使用觀看管來支承光學(xué)部件、即一系列透鏡，以將從熱燃氣路徑中的位置獲得的圖像傳送到在發(fā)動機的外部的位置，以及將光學(xué)部件與熱燃氣的熱量隔絕。另外，可能需要冷卻空氣流，比如可以通過管道從渦輪發(fā)動機外部的冷卻空氣源提供，以將冷卻流體的加壓流引入到監(jiān)測系統(tǒng)中。另外，可用于現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)(比如那些用于在發(fā)動機的運行期間連續(xù)監(jiān)測渦輪發(fā)動機部件的監(jiān)測系統(tǒng))的可利用的監(jiān)測位置基本上包括那些提供從渦輪發(fā)動機的外殼壁到內(nèi)部的預(yù)定訪問路徑的監(jiān)測位置，比如通常直通的訪問路徑。因此，用連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測渦輪發(fā)動機中的部件通常局限于那些在發(fā)動機的外殼壁與內(nèi)部之間呈現(xiàn)基本上不受阻礙的訪問的位置。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于對燃氣渦輪發(fā)動機中的部件進行成像的成像系統(tǒng)。該成像系統(tǒng)包括柔性成像束，該柔性成像束包括用于對發(fā)動機的熱燃氣路徑中的部件進行成像的成像端、以及在離開熱燃氣路徑的位置處提供部件的圖像的觀看端。成像端包括多個限定成像平面的接收器部位，用于接收部件的圖像。柔性成像束限定由多個高溫光學(xué)元件限定的多個單獨的光路，每個光路與接收器部位相對應(yīng)。觀看端包括多個發(fā)射部位，每個發(fā)射部位與接收器部位相對應(yīng)，其中，形成觀看端的發(fā)射部位的位置和數(shù)目與形成成像端的成像部位的位置和數(shù)目一一對應(yīng)，以實現(xiàn)相干圖像通過柔性成像束從成像端到觀看端的傳送。在成像端處的接收器部位可以以并排的關(guān)系相對于彼此放置在預(yù)定的成像陣列中，并且在觀看端處的發(fā)射部位可以以并排的關(guān)系相對于彼此放置在預(yù)定的觀看陣列中。形成觀看陣列的發(fā)射部位的位置和數(shù)目優(yōu)選地與形成成像陣列的成像部位的位
置和數(shù)目一一對應(yīng)。成像陣列優(yōu)選地包括在成像端處以矩形陣列布置的多行和多列接收器部位，并且觀看陣列包括在觀看端處以矩形陣列布置的多行和多列發(fā)射部位。高溫光學(xué)元件包括耐熱溫度至少為大約350°C的光纖。光學(xué)元件可以包括多個光纖，并且柔性成像束可以至少包括大約1000個光纖以在觀看端處提供相干圖像?？梢試@光學(xué)元件設(shè)置柔性金屬護套，柔性金屬護套可透氣以使空氣穿過柔性金屬護套而與光學(xué)元件冷卻接觸。該成像系統(tǒng)可以包括外殼，外殼封閉成像端和至少一個被設(shè)置為將來自部件的光成像到成像端的光學(xué)元件；以及可穿過外殼限定冷卻通道，用于提供冷卻空氣的通道。該成像系統(tǒng)可以包括攝像機，攝像機用于接收和記錄從發(fā)射部位發(fā)射的通過成像束傳送的二維近紅外圖像；以及至少一個透鏡，至少一個透鏡用于將從發(fā)射部位發(fā)射的光成像到攝像機。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種在燃氣渦輪發(fā)動機中使用的裝置，所述裝置用于對渦輪葉片上的位置進行成像，燃氣渦輪發(fā)動機包括外殼壁、從外殼壁向內(nèi)徑向設(shè)置的葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)、以及細長渦輪葉片，細長渦輪葉片被支承以繞限定于葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱燃氣路徑中的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。該裝置包括柔性光纖成像束，該柔性光纖成像束包括成像端和觀看端，成像端鄰近葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)安裝到渦輪發(fā)動機，用于在熱燃氣路徑中的葉片經(jīng)過成像端的旋轉(zhuǎn)運動期間對葉片上的預(yù)定位置進行成像，觀看端鄰近外殼壁安裝到渦輪發(fā)動機并且在離開熱燃氣路徑的位置處提供葉片的相干圖像。成像端包括多個限定成像平面的接收器部位，用于在葉片經(jīng)過成像端的運動期間接收葉片的圖像。柔性光纖成像束包括多個高溫光學(xué)元件，每個光學(xué)元件限定與接收器部位相對應(yīng)的單獨的光路。柔性金屬護套圍繞光學(xué)元件并且延伸穿過葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)與外殼壁之間的殼體區(qū)域。觀看端包括多個發(fā)射部位，每個發(fā)射部位被限定在成像束的光學(xué)元件的端部處并且與接收器部位相對應(yīng)，以實現(xiàn)與成像端處接收到的圖像相對應(yīng)的相干二維圖像的發(fā)射。成像端可以被定向為接收來自葉片上的預(yù)定位置的圖像，預(yù)定位置包括在葉片的端部與旋轉(zhuǎn)軸之間的位置。柔性金屬護套可以包括柔性編織金屬護套，該柔性編織金屬護套可透氣以向柔性光纖成像束內(nèi)的光學(xué)元件提供冷卻空氣的通道。冷卻空氣包括穿過葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)與外殼壁之間的殼體區(qū)域的空氣并且包括壓力比熱燃氣路徑中的壓力更高的空氣。成像端可以接收通過光學(xué)元件傳送的包括近紅外圖像的圖像作為高速圖像，以在發(fā)射端處提供近紅外圖像，該近紅外圖像提供溫度測繪(temperature mapping)，溫度測繪包括在燃氣渦輪發(fā)動機的運行期間從葉片上的預(yù)定位置獲得的強度變化的圖像。高溫光學(xué)元件可以包括耐熱溫度至少為大約350°C的光纖，以在燃氣渦輪發(fā)動機的運行期間傳送圖像。成像束可以形成葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)與外殼壁之間的柔性非直線視線的光學(xué)路徑。成像端鄰近葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)被設(shè)置和取向，而與鄰近外殼壁的觀看端的位置和取向無關(guān)。可以設(shè)置用于封閉成像端的外殼，并且可以穿過該外殼來限定空氣通道，用于接收冷卻空氣，冷卻空氣包括穿過葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)與外殼壁之間的殼體區(qū)域的空氣并且包括壓力比熱燃氣路徑中的壓力更高的空氣。


盡管說明書以權(quán)利要求書結(jié)束，其中權(quán)利要求書特別地指出并且清楚地要求保護本發(fā)明，但是認為結(jié)合附圖根據(jù)以下描述將更好地理解本發(fā)明，在附圖中，相同的附圖標記表示相同的部件，并且其中圖1是穿過渦輪發(fā)動機的一部分的剖視圖，其描繪了包括柔性成像束的成像系統(tǒng)，該柔性成像束被設(shè)置為接收來自發(fā)動機的部件的圖像；圖2描繪了設(shè)置在柔性成像束的端部處的陣列的一部分的放大端視圖；圖3是柔性成像束的端部的局部剖面圖；以及圖4是支承在葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)處的柔性成像束的成像端的放大視圖。
具體實施例方式在下面的優(yōu)選實施例的詳細說明中，參考構(gòu)成說明書的一部分的附圖，并且在附圖中通過示例而非限制的方式示出了可以實施本發(fā)明的具體的優(yōu)選實施例。應(yīng)當(dāng)理解，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以采用其它實施例，并且可以進行改變。首先參考圖1，示出了成像系統(tǒng)10，其用于在燃氣渦輪發(fā)動機12的運行期間提供對渦輪發(fā)動機12中的部件的成像。特別地，成像系統(tǒng)10被示出為安裝到渦輪發(fā)動機12并且放置成在渦輪發(fā)動機12的渦輪部分中的外殼壁18與葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)20之間延伸，其中葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)20從外殼壁18向內(nèi)徑向地被支承。在示出的實施例中，成像系統(tǒng)10被設(shè)置成用于對包括細長渦輪葉片14的部件上的位置進行成像。葉片14在限定于發(fā)動機12的葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)20內(nèi)的熱燃氣路徑22中延伸，并且葉片14被支承用于繞發(fā)動機12的轉(zhuǎn)子(未示出)的旋轉(zhuǎn)軸16旋轉(zhuǎn)。成像系統(tǒng)10包括柔性成像束對，柔性成像束M包括位于成像系統(tǒng)10的內(nèi)端25處的成像端26，成像端沈用于對發(fā)動機12的熱燃氣路徑22中的部件、即葉片14進行成像。成像束M還包括位于成像系統(tǒng)10的外端27處的觀看端觀，觀看端觀用于在離開熱燃氣路徑22的位置處、即在外殼18外部的位置處提供葉片14的圖像。如圖2所示，其示出了柔性成像束M的成像端沈的一部分的放大的端視圖，其中成像端沈包括多個限定成像平面32(見圖幻的接收器部位30，用于接收葉片14的圖像。還參見圖3，在本實施例中，柔性成像束M限定多個單獨的光路，這些單獨的光路由多個光纖束元件34 (在下文中，光學(xué)元件34)來限定。每個光路的端部由與接收器部位30對應(yīng)的光學(xué)元件34的端部限定，并且多個光學(xué)元件34形成柔性成像束M內(nèi)的光纖束35。柔性成像束M的觀看端觀形成為具有與成像端沈基本上相同的構(gòu)造，并且觀看端觀在圖2中用括號中的附圖標記示出。即，觀看端觀包括多個發(fā)射部位36，每個發(fā)射部位36與相應(yīng)的接收器部位30對應(yīng)，以實現(xiàn)與成像端沈處接收到的圖像對應(yīng)的圖像的發(fā)射。如圖2中看到的那樣，在成像端沈處的接收器部位30以并排的關(guān)系相對于彼此放置在預(yù)定的成像陣列38中。類似地，在觀看端觀處的發(fā)射部位36以并排的關(guān)系相對于彼此放置在預(yù)定的觀看陣列40中。形成觀看陣列40的發(fā)射部位36的位置和數(shù)目優(yōu)選地與形成成像陣列38的接收器部位30的位置和數(shù)目一一對應(yīng)。成像陣列38優(yōu)選地包括在成像端沈處以矩形陣列布置的多行(沿參考線R間隔)和多列(沿參考線C間隔)的接收器部位30。觀看陣列40形成為具有對應(yīng)的配置并且包括在觀看端觀處以矩形陣列布置的多行和多列發(fā)射部位36。如圖2中看到的那樣，在本發(fā)明的實施例中，每個光學(xué)元件34包括以6 X 6矩形陣列布置的三十六個10 μ m光纖33的高溫多光纖束。優(yōu)選地，光纖33耐熱溫度達到至少約350°C或者更高，例如可以從紐約埃爾姆斯福德(Elmsford)的SCHOTT北美公司獲得這種光纖33。此外，優(yōu)選地，光纖33可傳送波長在從可見光到近紅外光的范圍內(nèi)的光，即波長達到大約1.7μπι的光。接收器部位30與發(fā)射部位36之間的一一對應(yīng)提供柔性成像束M的配置，其中柔性成像束M用于將來自成像陣列38的相干圖像傳送到觀看陣列40。近紅外波長的相干圖像的傳送使得能夠在柔性成像束M的觀看端觀處形成高分辨率的近紅外圖像，以對葉片14上的成像位置進行溫度測繪。即，可以獲得成像位置內(nèi)的可見光強度或近紅外光強度的變化來形成溫度圖，以分析如圖像中的強度變化所指示的葉片14中的熱變化和/或結(jié)構(gòu)變化。認為，需要至少大約1000個光纖33以提供相干圖像的傳送。因此，在本發(fā)明的實施例中，可以設(shè)置至少大約30個光學(xué)元件34以限定接收器部位30和發(fā)射部位36中的每一個，其中，30個光學(xué)元件34對應(yīng)于在成像端沈和觀看端28處的30X36 = 1080個光纖33，以提供相干圖像。應(yīng)當(dāng)注意，可以設(shè)置大大地多于1000個光纖33以提高提供到觀看端28的圖像的分辨率。在優(yōu)選實施例中，成像束M可以包括360，000個光纖33，這360，000個光纖33對應(yīng)于10，000個光學(xué)元件34。另外，光學(xué)元件34中的每一個可以形成為具有比本文中描述的更多數(shù)目或者更少數(shù)目的光纖33?？商娲?，光學(xué)元件34可以包括在成像端26和觀看端部觀中的每一個處以陣列布置的單獨的光纖33，而不是包括多個光纖33的分組，例如，以上針對光學(xué)元件34中的每個描述的六個光纖33。參照圖3，柔性成像束M還包括圍繞光纖束35的柔性金屬護套42。柔性金屬護套42由耐受至少大約350°C或者更高的高溫的金屬形成。在本發(fā)明的實施例中，柔性金屬護套42可以包括柔性編織不銹鋼金屬護套。柔性金屬護套42向光學(xué)元件34提供保護以保護光學(xué)元件34免于受熱，并且保護光學(xué)元件34免于因與設(shè)置在殼體區(qū)域44 (圖1)內(nèi)的部件(未示出)接觸而受損，其中，柔性成像束M以在葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)20與外殼壁18之間延伸的方式穿過殼體區(qū)域44。舉例來說，用于延伸穿過殼體區(qū)域44的光學(xué)元件的長度可以大約為1. 2米。另外，可以在光纖束35的外部周圍設(shè)置中間套筒37，以保護光學(xué)元件34免于與柔性金屬護套42的內(nèi)部接觸。例如，中間套筒37可以包括玻璃纖維套筒以向光纖束35提供保護而免于受損，比如磨損。如圖3中看到的那樣，柔性成像束M包括端頭外殼66，端頭外殼66固定于柔性金屬護套42的端部，從而為柔性成像束M的成像端沈限定剛性的端頭部分。端頭外殼66可以通過高溫銅焊68或者通過其它已知的附連機構(gòu)附連到柔性金屬護套42。光纖束35的成像陣列端部通過襯套70被支承在端頭外殼66中，襯套70可以形成為具有內(nèi)部開口 72，內(nèi)部開口 72被配置成與成像陣列38的外部形狀相匹配。例如，內(nèi)部開口 72可以具有與成像陣列38的矩形形狀相匹配的矩形形狀。參照圖4，成像系統(tǒng)10包括成像外殼46，成像外殼46包括物鏡部分47和安裝部分49。將安裝部分49安裝成穿過葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)20中的孔51，并且可以延伸到葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)20的向內(nèi)徑向設(shè)置的葉片護罩部分21 (圖1)。物鏡部分47延伸到安裝部分49中并且由安裝部分49支承。物鏡部分47包括近端59，近端59與端頭外殼66接合并剛性地相連以封閉成像端26。端頭外殼66與近端59之間的連接可以包括螺紋連接61。物鏡部分47包括位于熱燃氣路徑上或者與熱燃氣路徑鄰近的遠端55，并且還包括光學(xué)部件，該光學(xué)部件包括多個沿物鏡部分47從鄰近遠端55的位置到鄰近近端59的位置設(shè)置的透鏡48。物鏡部分47將來自葉片14上的預(yù)定位置50 (圖1)的光成像到柔性成像束M的成像端沈處的成像平面32上(圖幻。特別地，物鏡部分47的透鏡48被配置成將預(yù)定位置50聚焦到接收器部位30的成像平面32。預(yù)定位置50可以位于沿葉片14的長度方向的在葉片14的徑向外端頭52(圖1)與旋轉(zhuǎn)軸16之間的位置處。預(yù)定位置包括由物鏡部分47的透鏡48形成并且由角θ限定的視野63內(nèi)的區(qū)域(圖1)。視野的角θ可以大約為50°。參考圖1，柔性成像束M的觀看端觀可以形成為具有與針對觀看端沈描述的構(gòu)造基本上相同的構(gòu)造。成像系統(tǒng)10的外端27延伸到外殼壁18上的訪問孔76并包括觀看外殼Μ，觀看外殼M剛性地安裝到訪問孔76并且被配置成容納柔性成像束M的觀看端觀處的端頭外殼74。觀看外殼M還可以封閉包括透鏡56的至少一個光學(xué)元件，被設(shè)置成用于將從觀看端觀處的發(fā)射部位36發(fā)射的光成像到攝像機58。如圖1中看到的那樣，成像系統(tǒng)10還包括處理器60，處理器60用于控制由攝像機58接收到的圖像的獲取和記錄。攝像機58可以包括具有陣列的近紅外焦平面攝像機，該陣列用于接收和處理以大約1.5μπι的波長、即以近紅外光譜范圍中的波長傳送的圖像，以及用于處理在可見光范圍內(nèi)的圖像。參照圖4，物鏡部分47的透鏡48用提供到殼體區(qū)域44的殼體空氣來冷卻，例如，提供到殼體區(qū)域44以冷卻渦輪部件(例如葉片和相關(guān)聯(lián)的護罩結(jié)構(gòu))的空氣。特別地，可以在物鏡部分47與孔51之間，以及在物鏡部分47與安裝部分49的內(nèi)直徑之間設(shè)置間隙80，以限定穿過成像外殼46的空氣通道。間隙80可以由圍繞物鏡部分47的環(huán)形區(qū)域限定。提供到殼體區(qū)域44的空氣可以在物鏡部分47與葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)20的殼體側(cè)表面84相交的位置82處流動到間隙80中。穿過間隙80的空氣流動到遠端55，在遠端55處，空氣可以流動到腔室86中以鄰近遠端透鏡48a提供清掃和冷卻空氣流。另外參考圖3，本發(fā)明還提供冷卻空氣流以冷卻光學(xué)元件34，因而促進成像系統(tǒng)10在渦輪機運行期間的長期使用。特別地，包括殼體空氣的冷卻空氣流動穿過柔性金屬護套42的壁而與光纖束35冷卻接觸。即，如圖3和圖4中的流動線88所示，柔性金屬護套42可透氣，其中，空氣可以流動穿過在限定柔性金屬護套42的柔性編織不銹鋼金屬護套的壁中的編織元件之間形成的小的間隙。另外，空氣可以穿過中間套筒37以冷卻光學(xué)元件34。穿過柔性金屬護套42的空氣流88還可以在成像端沈處流出柔性成像束M，通過襯套70與端頭外殼66之間的一個或多個間隙流出，或者通過襯套70與光學(xué)元件34的端部處的成像陣列38之間的間隙或多個間隙流出，以使冷卻空氣進入物鏡部分47中以對透鏡48進行冷卻。在物鏡部分47處從柔性成像束M接收到的冷卻空氣與穿過間隙80并通過遠端55流出的空氣流匯合。應(yīng)當(dāng)注意，殼體區(qū)域44內(nèi)的空氣一般處于大約250psi的壓力，因此提供加壓的空氣源以使空氣穿過柔性金屬護套42并沿物鏡部分47流動以對光纖束35和透鏡48進行冷卻。特別地，殼體區(qū)域44內(nèi)的空氣處于比熱燃氣路徑22的壓力高很多的壓力，使得冷卻空氣將沿?zé)崛細饴窂?2的方向流動。這種冷卻布置實現(xiàn)對光纖34的連續(xù)冷卻，基本上防止了在由柔性成像束M提供的連續(xù)在線成像期間光纖34的熱劣化和/或損壞。該成像系統(tǒng)10用于在渦輪發(fā)動機的運行期間，即在葉片或多個葉片14經(jīng)過成像系統(tǒng)10的成像端沈的旋轉(zhuǎn)運動期間，提供葉片14的預(yù)定位置50的二維圖像。成像系統(tǒng)10提供包括位于預(yù)定位置50的區(qū)域(如限定在視野63內(nèi))內(nèi)的特征的圖像，該圖像具有可以分別與由參考線R和參考線C限定的方向?qū)?yīng)的高度和長度尺寸。因此，如通常由圖1中的觀看位置50示出的，預(yù)定位置50包括葉片14上的觀看區(qū)域或位置。成像系統(tǒng)10特別地被配置成通過柔性成像束M傳送可見光圖像和近紅外圖像。由系統(tǒng)10成像的特征可以包括預(yù)定位置50內(nèi)的缺陷或應(yīng)力的指示符，這些指示符例如包括可見光強度或近紅外光強度的變化，即提供溫度測繪。例如，這些特征可以經(jīng)由在成像平面32處形成的并且通過柔性成像束M傳送到發(fā)射部位36的近紅外光譜中的圖像來指示，其中，在發(fā)射部位36處，與成像平面32處的圖像對應(yīng)的二維圖像形成并傳送到攝像機58。預(yù)定位置50的溫度測繪在線進行并且例如可以用來識別部件的狀況，其中部件的狀況指示在發(fā)動機12運行期間的部件的潛在故障。成像系統(tǒng)10被配置成提供對根據(jù)多次葉片經(jīng)過而獲得的圖像的高速處理。特別地，成像系統(tǒng)10針對設(shè)置在渦輪發(fā)動機12的轉(zhuǎn)子(未示出)周圍的葉片14的每次葉片經(jīng)過獲取圖像。成像系統(tǒng)10在渦輪發(fā)動機12的運行期間運行于連續(xù)在線模式下，在該模式下，可以隨著每次轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)針對每次葉片經(jīng)過連續(xù)地獲取可見光圖像和紅外圖像。本文中公開的柔性成像束M被配置成避免之前在用于觀看內(nèi)部發(fā)動機部件的現(xiàn)有系統(tǒng)中遇到的訪問限制。柔性成像束M使得能夠布置成像端沈以觀看特定的選擇的預(yù)定位置50，而沒有觀看端觀的位置強加的大量限制。例如，如圖1中所示，柔性成像束M可以在成像端26與觀看端觀之間限定非線性的(非直線的)的視線，并且柔性成像束M可以基本上彎折或彎曲，即以一個或更多個曲率半徑彎曲，以在柔性成像束M的相對端之間提供自由配置的路徑。即，成像端26可以鄰近葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)20被設(shè)置和取向，而與鄰近外殼壁18的觀看端洲的位置和取向無關(guān)。因此，柔性成像束M在殼體區(qū)域44內(nèi)的形狀和位置可以被容易地改變成圍繞和/或穿過位于殼體區(qū)域44內(nèi)的部件(未示出)而延伸。另外，柔性成像束M采用從外殼空氣到光纖束35的冷卻的實現(xiàn)促進柔性成像束M在高溫在線應(yīng)用中的使用，即直接鄰近熱燃氣路徑22，而高溫光學(xué)元件34和/或透鏡48基本上沒有劣化。根據(jù)本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)明顯的是，本發(fā)明提供一種穿過渦輪發(fā)動機的用于傳送圖像的柔性管道，其中，柔性成像束的相對端可以獨立地放置在渦輪機上的優(yōu)選位置處。另外，本發(fā)明提供諸如耐用柔性結(jié)構(gòu)的柔性成像束，該耐用柔性結(jié)構(gòu)被配置成在高溫環(huán)境中，即在至少350°C的溫度下傳送相干近紅外圖像，使得可以在渦輪機運行期間獲得來自渦輪機的內(nèi)部部件的相干圖像。應(yīng)當(dāng)理解，盡管具體地參考對包括葉片14的部件進行觀看而描述了本發(fā)明，但本發(fā)明可以用來觀看位于渦輪發(fā)動機12中的其它部件。例如，成像系統(tǒng)10也可以實施為觀看固定部件，比如位于熱燃氣路徑22中的固定葉片(未示出)。
盡管示出和描述了本發(fā)明的具體實施例，但是對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說明顯的是，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以進行各種其它改變和修改。因此，本發(fā)明旨在在所附權(quán)利要求中覆蓋所有在本發(fā)明范圍內(nèi)的這樣的改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種成像系統(tǒng)，用于提供燃氣渦輪發(fā)動機中的部件的成像，所述成像系統(tǒng)包括柔性成像束，所述柔性成像束包括用于對所述發(fā)動機的熱燃氣路徑中的部件進行成像的成像端、以及在離開所述熱燃氣路徑的位置處提供所述部件的圖像的觀看端；所述成像端包括多個限定成像平面的接收器部位，用于接收所述部件的圖像；所述柔性成像束限定由多個高溫光學(xué)元件限定的多個單獨的光路，每個光路與接收器部位相對應(yīng)；以及所述觀看端包括多個發(fā)射部位，每個發(fā)射部位與接收器部位相對應(yīng)，其中，形成所述觀看端的所述發(fā)射部位的位置和數(shù)目與形成所述成像端的所述成像部位的位置和數(shù)目一一對應(yīng)，以實現(xiàn)相干圖像通過所述柔性成像束從所述成像端到所述觀看端的傳送。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其中，在所述成像端處的所述接收器部位以并排的關(guān)系相對于彼此放置在預(yù)定的成像陣列中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成像系統(tǒng)，其中，在所述觀看端處的所述發(fā)射部位以并排的關(guān)系相對于彼此放置在預(yù)定的觀看陣列中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的成像系統(tǒng)，其中，所述成像陣列包括在所述成像端處以矩形陣列布置的多行和多列所述接收器部位，并且所述觀看陣列包括在所述觀看端處以矩形陣列布置的多行和多列所述發(fā)射部位。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其中，所述高溫光學(xué)元件包括耐熱溫度至少為大約350°C的光纖。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)元件包括多個光纖并且所述柔性成像束包括至少大約1000個光纖以在所述觀看端處提供相干圖像。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的成像系統(tǒng)，包括圍繞所述光學(xué)元件的柔性金屬護套，所述柔性金屬護套可透氣以使空氣穿過所述柔性金屬護套而與所述光學(xué)元件冷卻接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，包括外殼，所述外殼封閉所述成像端和至少一個被設(shè)置成用于將來自所述部件的光成像到所述成像端的光學(xué)元件；以及穿過所述外殼而限定的冷卻通道，用于提供冷卻空氣的通道。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，包括攝像機，所述攝像機用于接收和記錄從所述發(fā)射部位發(fā)射的通過所述成像束傳送的二維近紅外圖像；以及至少一個透鏡，所述至少一個透鏡用于將從所述發(fā)射部位發(fā)射的光成像到所述攝像機。
10.一種在燃氣渦輪發(fā)動機中使用的裝置，所述燃氣渦輪發(fā)動機包括外殼壁、從所述外殼壁向內(nèi)徑向地放置的葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)、以及細長渦輪葉片，所述細長渦輪葉片被支承以繞限定在所述葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱燃氣路徑中的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，所述裝置用于對所述渦輪葉片上的位置進行成像，所述裝置包括柔性光纖成像束，所述柔性光纖成像束包括成像端和觀看端，所述成像端鄰近所述葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)安裝到所述渦輪發(fā)動機，用于在所述熱燃氣路徑中的所述葉片經(jīng)過所述成像端的旋轉(zhuǎn)運動期間對所述葉片上的預(yù)定位置進行成像，所述觀看端鄰近所述外殼壁安裝到所述渦輪發(fā)動機并且在離開所述熱燃氣路徑的位置處提供所述葉片的相干圖像；所述成像端包括多個限定成像平面的接收器部位，用于在所述葉片經(jīng)過所述成像端的運動期間接收所述葉片的圖像；所述柔性光纖成像束包括多個高溫光學(xué)元件，每個光學(xué)元件限定與接收器部位相對應(yīng)的單獨的光路；柔性金屬護套，所述柔性金屬護套圍繞所述光學(xué)元件并且延伸穿過所述葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)與所述外殼壁之間的殼體區(qū)域；以及所述觀看端包括多個發(fā)射部位，每個發(fā)射部位被限定在所述成像束的光學(xué)元件的端部處并且與接收器部位相對應(yīng)，以實現(xiàn)與所述成像端處接收到的圖像相對應(yīng)的相干二維圖像的發(fā)射。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述成像端被定向為接收來自所述葉片上的所述預(yù)定位置的圖像，所述預(yù)定位置包括在所述葉片的端部與所述旋轉(zhuǎn)軸之間的位置。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述柔性金屬護套包括柔性編織金屬護套，并且可透氣以向所述柔性光纖成像束內(nèi)的所述光學(xué)元件提供冷卻空氣的通道。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述冷卻空氣包括穿過所述葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)與所述外殼壁之間的所述殼體區(qū)域的空氣，并且包括壓力比所述熱燃氣路徑中的壓力更高的空氣。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述光學(xué)元件的相對端限定所述接收器部位和所述發(fā)射部位，并且所述接收器部位和所述發(fā)射部位分別在所述成像端和所述觀看端處以并排的關(guān)系放置，并且形成在所述接收器部位處的所述葉片上的所述預(yù)定位置的圖像基本上被復(fù)制在所述發(fā)射部位處。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中，所述成像端接收通過所述光學(xué)元件傳送的包括近紅外圖像的圖像，以在所述發(fā)射端處提供近紅外圖像，所述近紅外圖像提供溫度測繪，所述溫度測繪包括在所述燃氣渦輪發(fā)動機的運行期間從所述葉片上的所述預(yù)定位置獲得的強度變化的圖像。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的成像系統(tǒng)，其中，所述高溫光學(xué)元件包括耐熱溫度至少為大約350°C的光纖以在所述燃氣渦輪發(fā)動機的運行期間傳送圖像。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述柔性光纖成像束形成所述葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)與所述外殼壁之間的柔性非直線視線的光學(xué)路徑。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中，所述成像端鄰近所述葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)被設(shè)置和取向，而與鄰近所述外殼壁的所述觀看端的位置和取向無關(guān)。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，包括外殼，所述外殼封閉所述成像端和設(shè)置在所述外殼內(nèi)的至少一個光學(xué)元件，用于將來自所述葉片的光成像到所述成像端。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，包括穿過所述外殼而限定的空氣通道，用于接收冷卻空氣，所述冷卻空氣包括穿過所述葉片環(huán)形結(jié)構(gòu)與所述外殼壁之間的所述殼體區(qū)域的空氣并且包括壓力比所述熱燃氣路徑中的壓力更高的空氣。
全文摘要
一種成像系統(tǒng)，用于燃氣渦輪發(fā)動機中的部件的在線成像。該成像系統(tǒng)包括由多個光學(xué)元件形成的柔性成像束。該光學(xué)元件的成像端在發(fā)動機的運行期間對發(fā)動機的熱燃氣路徑中的部件進行成像，并且觀看端在離開熱燃氣路徑的位置處提供部件的圖像。光學(xué)元件被柔性金屬護套圍繞，該柔性金屬護套可透氣以從圍繞該柔性成像束的空氣源向光學(xué)元件提供冷卻空氣。
文檔編號G02B23/26GK102576148SQ201080041199
公開日2012年7月11日 申請日期2010年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者保爾·J·宗博, 埃萬·巴萊納, 維奈·約恩納拉加達 申請人:西門子能源有限公司