專利名稱：渦輪機(jī)引擎熱成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開的主旨涉及渦輪機(jī)引擎熱成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
某些燃?xì)鉁u輪機(jī)引擎包括具有觀察口的渦輪機(jī)，這些觀察口配置成便于監(jiān)測渦輪機(jī)內(nèi)的各種部件。例如，測溫系統(tǒng)可通過這些觀察口接收輻射信號(hào)來測量該渦輪機(jī)的熱氣路徑內(nèi)的某些部件的溫度。該測溫系統(tǒng)可包括配置成測量紅外光譜內(nèi)的輻射的傳感器，以及配置成將該輻射測量轉(zhuǎn)換成這些部件的溫度圖的控制器。遺憾地，這些部件的發(fā)射率中的變化可能干擾溫度計(jì)算。例如，發(fā)射率可能由于溫度中的改變、這些部件上殘留物的累積、渦輪機(jī)部件的氧化和/或在觀察口窗口上的灰塵積累而隨時(shí)間變化。因此，在某些情況下，采用紅外測量來計(jì)算溫度可產(chǎn)生這些部件的不準(zhǔn)確溫度圖。另外，由于某些渦輪機(jī)部件(例如，渦輪機(jī)葉片)的高速旋轉(zhuǎn)，可采用具有短積分時(shí)間的拍攝裝置來捕捉這些部件的圖像。例如，可采用具有大約I微秒的積分時(shí)間的拍攝裝置來捕捉以大約50HZ旋轉(zhuǎn)的渦輪機(jī)葉片的圖像。該短積分時(shí)間使該拍攝裝置能夠捕捉高空間分辨率圖像。遺憾地，這樣的拍攝裝置可是非常昂貴的。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)包括配置成與渦輪機(jī)的內(nèi)部光學(xué)通信的成像系統(tǒng)。該成像系統(tǒng)包括至少一個(gè)拍攝裝置，其配置成接收該渦輪機(jī)的該內(nèi)部內(nèi)的旋轉(zhuǎn)部件的多個(gè)可視光譜圖像，并且輸出指示每個(gè)可視光譜圖像的二維強(qiáng)度輪廓的信號(hào)。該成像系統(tǒng)還包括控制器，其通信耦合于該至少一個(gè)拍攝裝置并且配置成基于這些信號(hào)確定該旋轉(zhuǎn)部件的二維溫度圖。該成像系統(tǒng)配置成使用第一積分時(shí)間捕捉該旋轉(zhuǎn)部件的第一可視光譜圖像，使用第二積分時(shí)間(不同于該第一積分時(shí)間)捕捉該旋轉(zhuǎn)部件的第二可視光譜圖像，并且從該第二可視光譜圖像扣除該第一可視光譜圖像來獲得差分圖像。在另一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)包括成像系統(tǒng)，其配置成使用第一積分時(shí)間捕捉渦輪機(jī)的內(nèi)部內(nèi)的旋轉(zhuǎn)部件的第一圖像，使用第二積分時(shí)間(不同于該第一積分時(shí)間)捕捉該渦輪機(jī)的該內(nèi)部內(nèi)的該旋轉(zhuǎn)部件的第二圖像，并且從該第二圖像扣除該第一圖像來獲得差分圖像。在另外的實(shí)施例中，系統(tǒng)包括配置成與渦輪機(jī)的內(nèi)部光學(xué)通信的成像系統(tǒng)。該成像系統(tǒng)包括拍攝裝置，其配置成接收該渦輪機(jī)的該內(nèi)部內(nèi)的部件的可視光譜圖像，并且輸出指示該可視光譜圖像的二維強(qiáng)度輪廓的信號(hào)。該成像系統(tǒng)還包括控制器，其通信耦合于該拍攝裝置并且配置成基于這些信號(hào)確定該部件的二維溫度圖。


當(dāng)下列詳細(xì)說明參照附圖(其中所有圖中相似的符號(hào)代表相似的部件)閱讀時(shí)，本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)勢將變得更好理解，其中
圖1是包括成像系統(tǒng)的渦輪機(jī)系統(tǒng)的實(shí)施例的框圖，該成像系統(tǒng)配置成基于可視光譜圖像確定渦輪機(jī)部件的ニ維溫度圖，和/或計(jì)算該部件的高空間分辨率差分圖像；圖2是示范性渦輪機(jī)段的剖視圖，其圖示可由成像系統(tǒng)的實(shí)施例監(jiān)測的各種渦輪機(jī)部件；圖3是具有控制器的成像系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖，該控制器配置成接收指示渦輪機(jī)部件的可視光譜圖像的信號(hào)，并且基于這些信號(hào)確定ニ維溫度圖；以及圖4是具有控制器的成像系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖，該控制器配置成基于第一和第ニ圖像(每個(gè)具有不同的積分時(shí)間)計(jì)算渦輪機(jī)部件的差分圖像。
具體實(shí)施例將在下文描述ー個(gè)或多個(gè)特定實(shí)施例。為了提供這些實(shí)施例的簡潔描述，可不在該說明書中描述實(shí)際實(shí)現(xiàn)的所有特征。應(yīng)該意識(shí)到在任何這樣的實(shí)際實(shí)現(xiàn)的開發(fā)中，如在任何工程或設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，必須做出許多實(shí)現(xiàn)特定的決定以達(dá)到開發(fā)者的特定目標(biāo)，例如遵守系統(tǒng)相關(guān)和業(yè)務(wù)相關(guān)的約束等，這些約束可在實(shí)現(xiàn)之間變化。此外，應(yīng)該意識(shí)到這樣的開發(fā)努力可能是復(fù)雜并且耗時(shí)的，但對(duì)于具有該公開的利益的那些普通技術(shù)人員仍將是設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和制造的例行任務(wù)。當(dāng)介紹本文公開的各種實(shí)施例的要素時(shí)，冠詞“一”、“該”和“所述”意在表示存在要素中的ー個(gè)或多個(gè)。術(shù)語“包括”、“包含”和“具有”意在為包括性的并且表示可存在除列出的要素外的附加要素。本文公開的實(shí)施例可提供渦輪機(jī)部件的增強(qiáng)溫度測量和/或更高的空間分辨率圖像。在一個(gè)實(shí)施例，成像系統(tǒng)配置成與渦輪機(jī)的內(nèi)部光學(xué)通信。該成像系統(tǒng)包括至少ー個(gè)拍攝裝置，其配置成接收該渦輪機(jī)的該內(nèi)部內(nèi)的旋轉(zhuǎn)部件的多個(gè)可視光譜圖像，并且輸出指示每個(gè)可視光譜圖像的ニ維強(qiáng)度輪廓的信號(hào)。該成像系統(tǒng)還包括控制器，其通信耦合于該至少ー個(gè)拍攝裝置并且配置成基于這些信號(hào)確定該旋轉(zhuǎn)部件的ニ維溫度圖。因?yàn)樵摜司S溫度圖基于可視光譜圖像，該溫度圖內(nèi)計(jì)算的溫度可比從紅外光譜圖像計(jì)算的溫度更準(zhǔn)確。具體地，基于可視波長發(fā)射的溫度計(jì)算比基于紅外輻射的計(jì)算較不依賴于發(fā)射率中的變化。因此，盡管有旋轉(zhuǎn)部件上殘留物的累積、旋轉(zhuǎn)部件的氧化和/或在觀察ロ窗口上的灰塵積累，該控制器將提供準(zhǔn)確溫度圖。另外，在一個(gè)實(shí)施例中，該成像系統(tǒng)配置成使用第一積分時(shí)間捕捉該旋轉(zhuǎn)部件的第一可視光譜圖像，使用第二積分時(shí)間(不同于該第一積分時(shí)間)捕捉該旋轉(zhuǎn)部件的第二可視光譜圖像，并且從該第二可視光譜圖像扣除該第一可視光譜圖像來獲得差分圖像。該差分圖像可具有空間分辨率，其與具有等于該第一積分時(shí)間和該第二積分時(shí)間之間的差別的積分時(shí)間的圖像大致上相似。因?yàn)槟軌蛞暂^長積分時(shí)間操作的拍攝裝置比能夠以較短積分時(shí)間操作的拍攝裝置便宜得多，該成像系統(tǒng)可提供用于生成具有高空間分辨率的圖像的經(jīng)濟(jì)上可行系統(tǒng)?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖，圖I是包括成像系統(tǒng)的渦輪機(jī)系統(tǒng)的實(shí)施例的框圖，該成像系統(tǒng)配置成基于可視光譜圖像確定渦輪機(jī)部件的ニ維溫度圖，和/或計(jì)算該部件的高空間分辨率差分圖像。該渦輪機(jī)系統(tǒng)10包括燃料注射器12、燃料供應(yīng)14和燃燒室16。如圖示的，該燃料供應(yīng)14將液體燃料和/或氣體燃料(例如天然氣等)路由到該燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)10，通過該燃料注射器12進(jìn)入該燃燒室16。如下文論述的，該燃料注射器12配置成注射燃料并且將該燃料與壓縮空氣混合。該燃燒室16點(diǎn)燃并且燃燒該燃料-空氣混合物，并且然后將熱加壓排氣傳遞進(jìn)入渦 輪機(jī)18。如將意識(shí)到的，該渦輪機(jī)18包括具有固定導(dǎo)葉或葉片的ー個(gè)或多個(gè)定子，以及具有相對(duì)于這些定子旋轉(zhuǎn)的葉片的ー個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子。該排氣傳遞通過這些渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，由此驅(qū)動(dòng)該渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。該渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸19之間的耦合將使該轉(zhuǎn)軸19旋轉(zhuǎn)，該轉(zhuǎn)軸19也耦合于該燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)10中的若干部件(如圖示的)。最后，燃燒エ藝的排氣可經(jīng)由排氣出ロ 20離開該燃?xì)鉂欇啓C(jī)系統(tǒng)10。壓縮機(jī)22包括剛性安裝到轉(zhuǎn)子(其由轉(zhuǎn)軸19驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn))的葉片。當(dāng)空氣傳遞通過旋轉(zhuǎn)葉片時(shí)，空氣壓カ増加，由此為燃燒室16提供足夠空氣供適當(dāng)?shù)娜紵?。該壓縮機(jī)22可經(jīng)由空氣進(jìn)入口 24將空氣吸入燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)10。此外，轉(zhuǎn)軸19可耦合到負(fù)載26，其可經(jīng)由轉(zhuǎn)軸19的旋轉(zhuǎn)而被提供動(dòng)力。如將意識(shí)到的，該負(fù)載26可以是可使用燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)10的旋轉(zhuǎn)輸出的動(dòng)カ的任何適合的裝置，例如發(fā)電站或外部機(jī)械負(fù)載等。例如，該負(fù)載26可包括發(fā)電機(jī)、飛機(jī)的推進(jìn)器等。該空氣進(jìn)入口 24經(jīng)由合適的機(jī)構(gòu)(例如冷空氣進(jìn)入口等)將空氣30抽吸進(jìn)入燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)10。該空氣30然后流過該壓縮機(jī)22的葉片，其向燃燒室16提供壓縮空氣32。特別地，燃料注射器12可將該壓縮空氣32和燃料14作為燃料-空氣混合物34注射進(jìn)入燃燒室16。備選地，該壓縮空氣32和燃料14可直接注射進(jìn)入燃燒室供混合和燃燒。如圖示的，渦輪機(jī)系統(tǒng)10包括光學(xué)耦合于渦輪機(jī)18的成像系統(tǒng)36。在圖示的實(shí)施例中，該成像系統(tǒng)36包括在進(jìn)入渦輪機(jī)18的觀察ロ 40和拍攝裝置42之間延伸的光學(xué)連接38 (例如，光纖光纜、光波導(dǎo)等)。如下文詳細(xì)論述的，該拍攝裝置42配置成通過該觀察ロ 40獲得渦輪機(jī)18內(nèi)的部件的ニ維可視光譜圖像。該拍攝裝置42通信耦合于控制器44，其配置成基于該可視光譜圖像確定該部件的ニ維溫度圖。因?yàn)樵摜司S溫度圖基于可視光譜圖像，該溫度圖內(nèi)計(jì)算的溫度可比從紅外光譜圖像計(jì)算的溫度更準(zhǔn)確。另外，在ー個(gè)實(shí)施例中，該成像系統(tǒng)配置成使用第一積分時(shí)間捕捉該部件的第一可視光譜圖像，使用第二積分時(shí)間(不同于該第一積分時(shí)間)捕捉該部件的第二可視光譜圖像，并且從該第二可視光譜圖像扣除該第一可視光譜圖像來獲得差分圖像。該差分圖像可具有空間分辨率，其與具有等于該第一積分時(shí)間和該第二積分時(shí)間之間的差別的積分時(shí)間的圖像大致上相似。因?yàn)槟軌蛞暂^長積分時(shí)間操作的拍攝裝置比能夠以較短積分時(shí)間操作的拍攝裝置便宜得多，該成像系統(tǒng)可提供用于生成具有高空間分辨率的圖像的經(jīng)濟(jì)上可行系統(tǒng)。圖2是渦輪機(jī)段的剖視圖，其圖示可由成像系統(tǒng)36監(jiān)測的各種渦輪機(jī)部件。如圖示的，來自燃燒室16的排氣48在軸向50和/或周向52上流入渦輪機(jī)18。圖示的渦輪機(jī)18包括至少兩級(jí)，具有在圖2中示出的前兩級(jí)。其他的渦輪機(jī)配置可包括更多或更少渦輪機(jī)級(jí)。例如，渦輪機(jī)可包括1、2、3、4、5、6或更多渦輪機(jī)級(jí)。該第一渦輪機(jī)級(jí)包括導(dǎo)葉54和葉片56，其在圍繞渦輪機(jī)18的周向52上大致上相等地間隔。這些第一級(jí)導(dǎo)葉54剛性安裝到渦輪機(jī)18上并且配置成將燃燒氣體引導(dǎo)朝向這些葉片56。這些第一級(jí)葉片56安裝到轉(zhuǎn)子58上，該轉(zhuǎn)子58由流過這些葉片56的該排氣48驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)。該轉(zhuǎn)子58進(jìn)而耦合到轉(zhuǎn)軸19，其驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)22和負(fù)載26。該排氣48然后流過第二級(jí)導(dǎo)葉60和第二級(jí)葉片62。這些第二級(jí)葉片62也耦合到該轉(zhuǎn)子58。當(dāng)該排氣48流過每級(jí)時(shí)，來自該氣體的能量轉(zhuǎn)換成該轉(zhuǎn)子58的旋轉(zhuǎn)能量。在傳遞通過每個(gè)渦輪機(jī)級(jí)后，該排氣48在軸向50離開渦輪機(jī)18。
在圖示的實(shí)施例中，每個(gè)第一級(jí)導(dǎo)葉54在徑向66上從端壁64向外延伸。該端壁64配置成阻擋熱排氣48進(jìn)入轉(zhuǎn)子58。相似的端壁可鄰近第二級(jí)導(dǎo)葉60以及隨后的下游導(dǎo)葉(如果存在的話)存在。相似地，每個(gè)第一級(jí)葉片56在該徑向66上從平臺(tái)68向外延伸。如將意識(shí)到的，該平臺(tái)68是將葉片56耦合到轉(zhuǎn)子58的柄部70的一部分。該柄部70還包括密封或天使翼(angel wing) 72,其配置成阻擋熱排氣48進(jìn)入轉(zhuǎn)子58。相似的平臺(tái)和天使翼可鄰近第二級(jí)葉片62以及隨后的下游葉片(如果存在的話)存在。此外，套罩74從第一級(jí)葉片56徑向向外安置。該套罩74配置成最小化繞過葉片56的排氣48的量。因?yàn)閬碜岳@過氣體的能量不被葉片56捕捉并且轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)能量， 氣體繞過是不可取的。盡管成像系統(tǒng)36的實(shí)施例在下文參考監(jiān)測燃?xì)鉁u輪機(jī)引擎10的渦輪機(jī)18內(nèi)的部件描述，應(yīng)該意識(shí)到可采用成像系統(tǒng)36來監(jiān)測其他旋轉(zhuǎn)和/或往復(fù)機(jī)器內(nèi)的部件，該機(jī)器例如其中蒸汽或另一個(gè)工作流體傳遞通過渦輪機(jī)葉片的渦輪機(jī)等。如將意識(shí)到的，渦輪機(jī)18內(nèi)的各種部件(例如，導(dǎo)葉54和60、葉片56和62、端壁64、平臺(tái)68、天使翼72、套罩74等)將暴露于來自燃燒室16的熱排氣48。因此，在渦輪機(jī)18運(yùn)轉(zhuǎn)期間測量某些部件的溫度來確保該溫度保持在期望范圍內(nèi)和/或監(jiān)測這些部件內(nèi)的熱應(yīng)力，這可以是可取的。例如，成像系統(tǒng)36可配置成捕捉第一級(jí)渦輪機(jī)葉片56的二維可視光譜圖像。然后可使用該二維可視光譜圖像來計(jì)算葉片56的表面的二維溫度圖。因?yàn)樵摱S溫度圖基于可視光譜圖像，該溫度圖內(nèi)計(jì)算的溫度可比從紅外光譜圖像計(jì)算的溫度更準(zhǔn)確。如圖示的，成像系統(tǒng)36包括三個(gè)觀察口 40，其引導(dǎo)朝向葉片56的不同區(qū)域。三個(gè)光學(xué)連接38將這些觀察口 40光學(xué)耦合于拍攝裝置42。第一光學(xué)連接76配置成將葉片56的上游部分的圖像輸送到拍攝裝置42，第二光學(xué)連接78配置成將葉片56的周邊側(cè)面的圖像輸送到拍攝裝置42，并且第三光學(xué)連接80配置成將葉片56的下游部分的圖像輸送到拍攝裝置42。這些觀察口 40可在軸向50、周向52和/或徑向上傾斜，來將這些觀察口 40引導(dǎo)朝向葉片56的期望區(qū)域。在備選實(shí)施例中，可采用更多或更少觀察口 40和光學(xué)連接38來獲得第一級(jí)葉片56的圖像。例如，某些實(shí)施例可采用1、2、3、4、5、6、7、8或更多觀察口40和對(duì)應(yīng)數(shù)目的光學(xué)連接38來將葉片56的圖像輸送到拍攝裝置42。如將意識(shí)到的，采用的觀察口 40和光學(xué)連接38越多，可監(jiān)測的葉片56的區(qū)域越多。如之前論述的，這些光學(xué)連接38可包括例如光纖電纜或光波導(dǎo)管。還應(yīng)該意識(shí)到某些實(shí)施例可省略這些光學(xué)連接38，并且拍攝裝置42可直接光學(xué)耦合于觀察口 40。盡管在圖示的實(shí)施例中觀察口 40引導(dǎo)朝向第一級(jí)葉片56，應(yīng)該意識(shí)到在備選實(shí)施例中觀察口 40可引導(dǎo)朝向其他渦輪機(jī)部件。例如，一個(gè)或多個(gè)觀察口 40可引導(dǎo)朝向第一級(jí)導(dǎo)葉54、第二級(jí)導(dǎo)葉60、第二級(jí)葉片62、端壁64、平臺(tái)68、天使翼72、套罩74或渦輪機(jī)18內(nèi)的其他部件。另外的實(shí)施例可包括觀察口 40，其引導(dǎo)朝向渦輪機(jī)18內(nèi)的多個(gè)部件。與第一級(jí)葉片56相似，成像系統(tǒng)36可捕捉觀察口 40的視野范圍內(nèi)的每個(gè)部件的二維可視光譜圖像，并且基于該可視光譜圖像確定二維溫度圖。以此方式，操作者可容易識(shí)別跨部件的過度溫度變化和/或渦輪機(jī)部件內(nèi)的缺陷(例如，裂紋、阻塞的冷卻孔等)。如之前論述的，光學(xué)連接38 (例如，光纖光纜、光波導(dǎo)等)將來自渦輪機(jī)18的圖像輸送到拍攝裝置42。拍攝裝置42可配置成在一段時(shí)間期間捕捉多個(gè)圖像。如將意識(shí)到的，例如上文描述的第一級(jí)葉片56等某些渦輪機(jī)部件可沿渦輪機(jī)18的周向52高速旋轉(zhuǎn)。因此，為了捕捉這樣的部件的圖像，拍攝裝置42可配置成以足夠?yàn)榭刂破?4提供每個(gè)部件的大致上靜止圖像的積分時(shí)間操作。例如，在某些實(shí)施例中，拍攝裝置42可配置成輸出指示渦輪機(jī)部件的可視圖像的信號(hào)，其具有短于大約10、5、3、2、I或O. 5毫秒或更少的積分時(shí)間。備選地，控制器可配置成使用第一積分時(shí)間捕捉該旋轉(zhuǎn)部件的第一可視光譜圖像，使用第二積分時(shí)間(不同于該第一積分時(shí)間)捕捉該旋轉(zhuǎn)部件的第二可視光譜圖像，并且從該第二可視光譜圖像扣除該第一可視光譜圖像來獲得差分圖像。該差分圖像可具有空間分辨率，其與具有等于該第一積分時(shí)間和該第二積分時(shí)間之間的差別的積分時(shí)間的圖像大致上相似。因?yàn)槟軌蛞暂^長積分時(shí)間操作的拍攝裝置比能夠以較短積分時(shí)間操作的拍攝裝置便宜得多，該成像系統(tǒng)可提供用于生成具有高空間分辨率的圖像的經(jīng)濟(jì)上可行的系統(tǒng)。
在某些實(shí)施例中，光學(xué)連接38可耦合于拍攝裝置42內(nèi)的多路復(fù)用器，以便于從每個(gè)觀測點(diǎn)監(jiān)測圖像。如將意識(shí)到的，來自每個(gè)光學(xué)連接38的圖像可在空間或時(shí)間上多路復(fù)用。例如，如果該多路復(fù)用器配置成在空間上多路復(fù)用圖像，每個(gè)圖像可投影到拍攝裝置42內(nèi)圖像感測裝置(例如，電荷耦合器件(CCD)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)等)的不同部分上。在該配置中，來自第一光學(xué)連接76的圖像可引導(dǎo)朝向該圖像感測裝置的上部，來自第二光學(xué)連接78的圖像可引導(dǎo)朝向該圖像感測裝置的中部，并且來自第三光學(xué)連接80的圖像可引導(dǎo)朝向該圖像感測裝置的下部。結(jié)果，該圖像感測裝置可以三分之一分辨率掃描每個(gè)圖像。也就是說，掃描分辨率與空間上多路復(fù)用的信號(hào)的數(shù)目成反比。如將意識(shí)到的，較低分辨率掃描比較高分辨率掃描為控制器44提供關(guān)于渦輪機(jī)部件更少的信息。因此，空間上多路復(fù)用的信號(hào)的數(shù)目可由對(duì)于控制器44為建立渦輪機(jī)部件的期望ニ維圖像所足夠的最小分辨率來限制。備選地，由光學(xué)連接38提供的圖像可在時(shí)間上多路復(fù)用。例如，拍攝裝置42可使用圖像感測裝置的全部分辨率從每個(gè)光學(xué)連接38交替掃描圖像。使用該技術(shù)，可利用圖像感測裝置的全分辨率，但掃描頻率可與掃描的觀測點(diǎn)的數(shù)目成比例地減小。例如，如果掃描兩個(gè)觀測點(diǎn)并且圖像感測裝置頻率是100Hz，拍攝裝置42僅能夠以50Hz從每個(gè)觀測點(diǎn)掃描圖像。因此，時(shí)間上多路復(fù)用的信號(hào)的數(shù)目可由期望的掃描頻率所限制。圖3是具有控制器的成像系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖，該控制器配置成接收指示渦輪機(jī)部件的可視光譜圖像的信號(hào)，并且基于這些信號(hào)確定ニ維溫度圖。如圖示的，拍攝裝置42弓I導(dǎo)朝向第一級(jí)渦輪機(jī)葉片56。然而，應(yīng)該意識(shí)到在備選實(shí)施例中拍攝裝置42可引導(dǎo)朝向其他渦輪機(jī)部件(例如，導(dǎo)葉54和60、葉片62、端壁64、平臺(tái)68、天使翼72、套罩74等)。另外，在備選實(shí)施例中可利用多個(gè)拍攝裝置42。例如，在某些實(shí)施例中，1、2、3、4、5、6、7、8或更多拍攝裝置42可引導(dǎo)朝向葉片56。如之前論述的，另外的實(shí)施例可包括在渦輪機(jī)18和每個(gè)拍攝裝置42內(nèi)的多路復(fù)用器之間延伸的多個(gè)光學(xué)連接38。在圖示的實(shí)施例中，拍攝裝置42配置成接收渦輪機(jī)葉片56的可視光譜圖像，并且輸出指示可視光譜圖像的ニ維強(qiáng)度輪廓82的信號(hào)給控制器44。例如，拍攝裝置42可包括圖像感測裝置，其對(duì)可見光譜內(nèi)的輻射是敏感的。這樣的圖像感測裝置可配置成將由渦輪機(jī)部件發(fā)射和反射的可見輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào)供控制器44處理。如將意識(shí)到的，該圖像感測裝置可是電荷耦合器件(CCD)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)、焦平面陣列(FPA)或用于將可視光譜電磁輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的任何其他適合的裝置。在某些實(shí)施例中，該圖像感測裝置可配置成檢測例如大約350nm至大約750nm、大約375nm至大約725nm或大約400nm至大約700nm的波長范圍內(nèi)的可視光譜輻射。因此，二維強(qiáng)度輪廓82的光譜內(nèi)容將包括電磁光譜的可視范圍內(nèi)的輻射。此外，應(yīng)該意識(shí)到可采用多種拍攝裝置配置來捕捉渦輪機(jī)部件的可視光譜圖像。例如，在某些實(shí)施例中，可利用消費(fèi)級(jí)數(shù)字單鏡頭反射(SLR)拍攝裝置來接收可視光譜圖像，并且輸出指示可視光譜圖像的二維強(qiáng)度輪廓82的信號(hào)給控制器44。SLR拍攝裝置包括反射鏡，其在將入射光引導(dǎo)朝向目鏡的第一位置和將該入射光引導(dǎo)朝向圖像感測裝置的第二位置之間選擇性轉(zhuǎn)變。在該配置中，操作者可利用該目鏡來將該SLR拍攝裝置引導(dǎo)朝向期望目標(biāo)(例如，渦輪機(jī)葉片56)。一旦對(duì)準(zhǔn)，可啟動(dòng)該SLR拍攝裝置，由此將該反射鏡轉(zhuǎn)變 到該第二位置并且使成像感測裝置能夠捕捉可視光譜圖像。如將意識(shí)到的，備選實(shí)施例可采用其他拍攝裝置配置，其不包括反射鏡或目鏡。如圖示的，指示二維強(qiáng)度輪廓82的信號(hào)傳送到控制器44。如之前論述的，控制器44配置成基于信號(hào)確定部件(例如，渦輪機(jī)葉片56)的二維溫度圖。在圖示的實(shí)施例中，控制器配置成將二維強(qiáng)度輪廓82在計(jì)算上分成多個(gè)窄波段強(qiáng)度輪廓。例如，控制器44可配置成將強(qiáng)度輪廓82分成紅色強(qiáng)度輪廓84、綠色強(qiáng)度輪廓86和藍(lán)色強(qiáng)度輪廓88。在這樣的配置中，該紅色強(qiáng)度輪廓84可包括在大約600nm至大約750nm的范圍內(nèi)的波長，該綠色強(qiáng)度輪廓86可包括在大約475nm至大約600nm的范圍內(nèi)的波長，該藍(lán)色強(qiáng)度輪廓可包括在大約400nm至大約475nm的范圍內(nèi)的波長?？刂破?4可配置成通過應(yīng)用一系列計(jì)算濾波器(其逐漸提取具有期望波長范圍的輪廓)將二維強(qiáng)度輪廓分成窄波段強(qiáng)度輪廓。備選地，指示二維強(qiáng)度輪廓82的信號(hào)可包括紅、綠和藍(lán)色分量，其對(duì)應(yīng)于圖像感測裝置內(nèi)的相應(yīng)檢測器。在這樣的配置中，控制器44可將信號(hào)分成構(gòu)成分量來建立窄帶寬強(qiáng)度輪廓。盡管上文描述紅、綠和藍(lán)色強(qiáng)度輪廓，應(yīng)該意識(shí)到備選實(shí)施例可利用具有不同波長范圍的其他窄帶寬強(qiáng)度輪廓。在圖示的實(shí)施例中，控制器44配置成基于窄帶寬強(qiáng)度輪廓計(jì)算二維溫度圖。如圖示的，控制器44包括第一溫度轉(zhuǎn)換曲線90，其配置成將紅色強(qiáng)度輪廓84內(nèi)的每個(gè)像素的強(qiáng)度映射到對(duì)應(yīng)溫度。相似地，控制器44包括綠色強(qiáng)度輪廓86的第二溫度轉(zhuǎn)換曲線92，以及藍(lán)色強(qiáng)度輪廓88的第三溫度轉(zhuǎn)換曲線94。盡管每個(gè)溫度轉(zhuǎn)換曲線示為連續(xù)曲線，應(yīng)該意識(shí)到控制器44可采用經(jīng)驗(yàn)公式、查找表、插值系統(tǒng)(例如，線性插值、最小二乘、三次樣條等)或其他技術(shù)來將每個(gè)像素的強(qiáng)度映射到對(duì)應(yīng)溫度。因此，控制器44將生成基于紅色強(qiáng)度輪廓84的第一二維溫度分布96、基于綠色強(qiáng)度輪廓86的第二二維溫度分布98以及基于藍(lán)色強(qiáng)度輪廓88的第三二維溫度分布100?？刂破?4然后可將每個(gè)溫度分布進(jìn)行平均來建立輸出溫度圖102。因?yàn)樵摐囟葓D102基于三個(gè)顏色的平均，該溫度圖102可包括比基于個(gè)體顏色的溫度圖更準(zhǔn)確的溫度。盡管在圖示的實(shí)施例中對(duì)三個(gè)溫度分布進(jìn)行平均，應(yīng)該意識(shí)到在備選實(shí)施例中可利用更多或更少溫度分布。例如，在某些實(shí)施例中，溫度圖102可從單個(gè)窄波段強(qiáng)度輪廓(例如，紅色強(qiáng)度輪廓84)計(jì)算。備選地，可將三個(gè)圖示的溫度分布中的兩個(gè)(例如，第一和第二溫度分布96和98)平均來生成輸出溫度圖102。在另外的實(shí)施例中，控制器44可配置成將二維強(qiáng)度輪廓82分成4、5、6、7、8、9、10或更多窄波段強(qiáng)度輪廓，并且基于每個(gè)強(qiáng)度輪廓生成溫度分布。在這樣的實(shí)施例中，可將溫度分布中的所有或選擇的部分進(jìn)行平均來提供輸出溫度圖102。
在其他實(shí)施例中，控制器44可配置成采用多波長技術(shù)來生成輸出溫度圖102。如將意識(shí)到的，發(fā)射率可能由于溫度中的改變、部件上殘留物的累積、渦輪機(jī)部件的氧化和/或在觀察ロ窗口上的灰塵積累而隨時(shí)間變化。因此，控制器44可配置成與紅、綠和藍(lán)色強(qiáng)度輪廓結(jié)合利用多波長技術(shù)來計(jì)算渦輪機(jī)部件的視在有效發(fā)射率。通過在溫度圖計(jì)算中包括發(fā)射率，可生成更準(zhǔn)確的溫度圖。因?yàn)閳D示的實(shí)施例利用對(duì)可見輻射敏感的拍攝裝置42，成像系統(tǒng)36可比采用紅外拍攝裝置的成像系統(tǒng)制造起來便宜。例如，如上文論述的，拍攝裝置42可是消費(fèi)級(jí)數(shù)字SLR拍攝裝置。這樣的拍攝裝置可比對(duì) 紅外輻射敏感的拍攝裝置便宜得多。另外，數(shù)字SLR拍攝裝置可具有比紅外拍攝裝置高得多的分辨率，由此使成像系統(tǒng)36能夠檢測渦輪機(jī)部件內(nèi)較小的缺陷和/或溫度變化。此外，基于可視波長發(fā)射的溫度計(jì)算比基于紅外輻射的計(jì)算更不依賴發(fā)射率中的變化。因此，溫度圖102內(nèi)計(jì)算的溫度可比基于來自紅外拍攝裝置的圖像的溫度更準(zhǔn)確。圖4是具有控制器44的成像系統(tǒng)36的實(shí)施例的示意圖，該控制器44配置成基于第一和第二圖像(每個(gè)具有不同的積分時(shí)間)計(jì)算渦輪機(jī)部件的差分圖像。如圖示的，第ー拍攝裝置104和第二拍攝裝置106引導(dǎo)朝向第一級(jí)渦輪機(jī)葉片56。該第一拍攝裝置104配置成使用第一積分時(shí)間h捕捉第一圖像108，并且該第二拍攝裝置106配置成使用第二積分時(shí)間t2捕捉第二圖像110。如將意識(shí)到的，積分時(shí)間可限定為渦輪機(jī)部件暴露于圖像感測裝置的持續(xù)時(shí)間。由于某些渦輪機(jī)部件(例如，渦輪機(jī)葉片56)的高旋轉(zhuǎn)速度，短積分時(shí)間對(duì)于產(chǎn)生具有高空間分辨率的圖像(例如，便于識(shí)別極小特征的清晰圖像)是可取的。通過示例，可利用I微秒的積分時(shí)間來獲得以50Hz旋轉(zhuǎn)的渦輪機(jī)葉片的圖像內(nèi)的500微米空間分辨率。遺憾地，由干與具有I微秒積分時(shí)間的拍攝裝置關(guān)聯(lián)的成本，采用這樣的拍攝裝置的成像系統(tǒng)對(duì)于渦輪機(jī)部件監(jiān)測在經(jīng)濟(jì)上可能是不可行的。因此，圖示的成像系統(tǒng)36可利用具有較長積分時(shí)間的拍攝裝置104和106，以及配置成從多個(gè)長積分時(shí)間圖像生成高空間分辨率圖像的控制器44。在圖示的實(shí)施例中，控制器44配置成接收具有第一積分時(shí)間h的第一圖像108，以及具有第二積分時(shí)_t2 (比第一積分時(shí)間、長)的第二圖像110。控制器44還配置成從第二圖像110扣除第一圖像108，由此生成差分圖像112，其具有與具有ち-h的積分時(shí)間的圖像大致上相似的空間分辨率。通過示例，第一圖像108可具有49微秒的積分時(shí)間，并且第二圖像110可具有50微秒的積分時(shí)間。這樣的積分時(shí)間可產(chǎn)生具有不足以識(shí)別渦輪機(jī)葉片56內(nèi)的缺陷的空間分辨率的圖像。然而，通過從第二圖像110扣除第一圖像108，控制器44將生成差分圖像112，其具有與具有I微秒(即，50微秒減去49微秒)的積分時(shí)間的圖像大致上相似的空間分辨率。因此，圖像112可具有500微米空間分辨率，由此使操作者或自動(dòng)系統(tǒng)能夠識(shí)別渦輪機(jī)部件內(nèi)的缺陷(例如，裂紋、阻塞的冷卻孔等)。因?yàn)槟軌蛞源蠹s50微秒積分時(shí)間操作的拍攝裝置比能夠以I微秒積分時(shí)間操作的拍攝裝置便宜得多，圖示的成像系統(tǒng)36可提供用于生成具有高空間分辨率的圖像的經(jīng)濟(jì)上可行的系統(tǒng)。盡管在圖示的實(shí)施例中控制器44配置成直接扣除第一和第二圖像，應(yīng)該意識(shí)到控制器可配置成在扣除之前應(yīng)用加權(quán)因子(線性或非線性的)于這些圖像中之一或二者。另外，盡管在圖示的實(shí)施例中采用兩個(gè)拍攝裝置104和106，應(yīng)該意識(shí)到備選實(shí)施例可利用單個(gè)拍攝裝置來生成第一和第二圖像。例如，拍攝裝置可配置成當(dāng)渦輪機(jī)葉片56安置在特定周邊位置時(shí)捕捉第一圖像。當(dāng)渦輪機(jī)葉片在隨后的旋轉(zhuǎn)期間經(jīng)過該特定周邊位置時(shí)，拍攝裝置然后可捕捉相同的渦輪機(jī)葉片56的第二圖像。與該雙拍攝裝置配置相似，第一圖像的第一積分時(shí)間不同于第二圖像的第二積分時(shí)間，由此使控制器44能夠生成具有高空間分辨率的差分成像。例如，差分圖像的空間分辨率可大致上與具有等于第一積分時(shí)間和第二積分時(shí)間之間的差別的積分時(shí)間的圖像的空間分辨率相似。此外，應(yīng)該意識(shí)到控制器44可基于差分圖像112確定渦輪機(jī)部件的二維溫度圖102。例如，控制器44可配置成將差分圖像112分成多個(gè)窄波段強(qiáng)度輪廓，并且基于溫度轉(zhuǎn)換曲線計(jì)算相應(yīng)的二維溫度分布?？刂破?4然后可將相應(yīng)的溫度分布進(jìn)行平均來產(chǎn)生渦輪機(jī)部件的二維溫度圖。準(zhǔn)確的溫度圖和高的空間分辨率的結(jié)合將使操作者或自動(dòng)系統(tǒng)能夠識(shí)別部件內(nèi)的缺陷和/或識(shí)別可指示過度磨損的溫度分布。該書面描述使用示例以公開本發(fā)明，其包括最佳模式，并且還使本領(lǐng)域內(nèi)任何技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)并且執(zhí)行任何包含的方法。本發(fā) 明的專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員想起的其他示例。這樣的其他示例如果它們具有不與權(quán)利要求的書面語言不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果它們包括與權(quán)利要求的書面語言無實(shí)質(zhì)區(qū)別的等同結(jié)構(gòu)元件則規(guī)定在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。部件列表
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)(10),其包括 配置成與渦輪機(jī)(18)的內(nèi)部光學(xué)通信的成像系統(tǒng)(36)，其包括 至少一個(gè)拍攝裝置(42)，其配置成接收所述渦輪機(jī)(18)的所述內(nèi)部內(nèi)的旋轉(zhuǎn)部件(56)的多個(gè)可視光譜圖像(82，108，110)，并且輸出指示每個(gè)可視光譜圖像(82，108，110)的二維強(qiáng)度輪廓的信號(hào)；以及 控制器(44)，其通信耦合于所述至少一個(gè)拍攝裝置(42)并且配置成基于所述信號(hào)確定所述旋轉(zhuǎn)部件(56)的二維溫度圖(102)； 其中所述成像系統(tǒng)(36)配置成使用第一積分時(shí)間捕捉所述旋轉(zhuǎn)部件(56)的第一可視光譜圖像(108)，使用不同于所述第一積分時(shí)間的第二積分時(shí)間捕捉所述旋轉(zhuǎn)部件(56)的第二可視光譜圖像(110)，并且從所述第二可視光譜圖像(110)扣除所述第一可視光譜圖像(108)來獲得差分圖像(112)。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)(10)，其中所述控制器(44)配置成濾波所述信號(hào)來獲得每個(gè)可視光譜圖像(82)的二維窄波段強(qiáng)度輪廓(84)，并且基于所述二維窄波段強(qiáng)度輪廓(84)來確定所述旋轉(zhuǎn)部件(56)的所述二維溫度圖(102)。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)(10)，其中所述二維窄波段強(qiáng)度輪廓(84)包括大約600nm至大約750nm的波長范圍。
4.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)(10)，其中所述控制器(44)配置成濾波所述信號(hào)來獲得每個(gè)可視光譜圖像(82)的多個(gè)二維窄波段強(qiáng)度輪廓(84，86，88)，并且基于所述多個(gè)二維窄波段強(qiáng)度輪廓(84，86，88)來確定所述旋轉(zhuǎn)部件(56)的所述二維溫度圖(102)。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)(10)，其中所述控制器(44)配置成確定對(duì)于每個(gè)二維窄波段強(qiáng)度輪廓(84，86，88)的相應(yīng)的二維溫度分布(96，98，100)，并且通過將每個(gè)相應(yīng)的二維溫度分布(96，98，100)進(jìn)行平均來確定所述二維溫度圖(102)。
6.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)(10)，其中所述差分圖像(112)的空間分辨率與具有等于所述第一積分時(shí)間和所述第二積分時(shí)間之間的差別的積分時(shí)間的圖像的空間分辨率大致上相似。
7.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)(10)，其中所述成像系統(tǒng)(36)包括配置成捕捉所述第一可視光譜圖像(108)的第一拍攝裝置(104)，和配置成捕捉所述第二可視光譜圖像(110)的第二拍攝裝置(106)，其中所述第一拍攝裝置(104)和所述第二拍攝裝置(106)配置成同時(shí)捕捉所述第一和第二可視光譜圖像(108，110)。
8.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)(10)，其中所述成像系統(tǒng)(36)包括單個(gè)拍攝裝置(42)，其配置成當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)部件(56)與所述單個(gè)拍攝裝置(42)對(duì)準(zhǔn)時(shí)捕捉所述第一和第二可視光譜圖像(108，110)。
9.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)(10)，其中所述至少一個(gè)拍攝裝置(42)配置成經(jīng)由光纖光纜或成像光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)耦合于進(jìn)入所述渦輪機(jī)(18)的觀察口(40)。
10.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)(10)，其中所述至少一個(gè)拍攝裝置(42)包括數(shù)字單透鏡反射拍攝裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及渦輪機(jī)引擎熱成像系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)(10)包括成像系統(tǒng)(36)，其配置成使用第一積分時(shí)間捕捉渦輪機(jī)(18)的內(nèi)部內(nèi)的旋轉(zhuǎn)部件(56)的第一圖像(108)，使用不同于該第一積分時(shí)間的第二積分時(shí)間捕捉該渦輪機(jī)(18)的該內(nèi)部內(nèi)的該旋轉(zhuǎn)部件(56)的第二圖像(110)，并且從該第二圖像(110)扣除該第一圖像(108)來獲得差分圖像(112)。
文檔編號(hào)G01M15/14GK102620839SQ20121002849
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月31日
發(fā)明者A·巴納吉, A·拉莫罕, R·錢德拉塞哈蘭, S·喬治, S·麥蒂 申請(qǐng)人:通用電氣公司