用于监测涡轮发电机构件的多普勒雷达检测系统技术方案

本发明专利技术提供了一种用于监测涡轮发电机中的涡轮构件损坏的检测系统和方法。该检测系统包括产生电磁波的电磁波发生器；从第一涡轮构件发射所产生的电磁波的发射器；接收所发射的电磁波并反射所述电磁波的第二涡轮构件；接收所述反射电磁波的接收器；以及解释所接收的电磁波的处理器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术大体上涉及基于多普勒雷达的检测系统，更具体而言，本专利技术涉及用于在涡轮发电机正常运转时监测涡轮发电机构件的多普勒雷达检测系统。
技术介绍
众所周知，燃气涡轮发动机包括压缩机分段、燃烧室分段和涡轮分段。构成涡轮分段的许多构件，例如静叶片、旋转轮叶和周围的环形段，都直接暴露于可能超过1500℃并以接近音速的速度流动的高温燃烧气体中。轮叶和叶片呈圆周排列，其中每一排由大量轮叶和叶片组成。为了在这种极端和破坏性的工作环境中保护涡轮构件，涡轮构件通常涂覆有陶瓷隔热涂层材料、例如钇稳定的氧化锆(YSZ)。然而，在正常的使用寿命期间内，隔热涂层容易破裂、剥层，或从下面的涡轮构件上剥落从而形成受损涡轮构件。而且，剥落的隔热涂层自身就构成了在气路中会损坏其它涡轮构件的有害异物。在过去，涡轮构件的损坏检查需要部分地拆卸燃气涡轮发动机，并对每个构件进行目视检查。在原位置上的目视检查可以通过使用插入燃气涡轮发动机的导管镜而不用拆卸发动机进行，但是这个过程耗费劳力、耗时、成本高，并且需要燃气涡轮发动机停车。由于，要求在燃气涡轮运转时进行涡轮构件损坏检查的强烈经济刺激，当前已经提出了在涡轮发动机运转时检查并定位涡轮构件上缺陷的各种在线和实时的方法以及装置，包括声学、光学和红外线手段。然而，这些方法和装置中的每一种都有明显的缺点。因此，仍然存在着一种要求提供在线和/或实时探测涡轮构件损坏的方法和装置的需求。专利技术概要本专利技术提供了一种用于燃气涡轮发动机的检测系统。其中，检测系统有利地允许在涡轮发动机运转时实时(也就是延迟不到几秒)监测涡轮构件的损坏情况。本专利技术的一个方面包含一种无损监测有涂层的金属涡轮构件的装置，包括产生电磁波的电磁波发生器，发射从第一涡轮构件中所产生的电磁波的发射器，接收发射电磁波并反射电磁波的第二涡轮构件，接收反射电磁波的接收器，解释所接收的电磁波的处理器。本专利技术的另一个方面包括适合于确定隔热涂层损坏的涡轮轮叶或叶片，包括具有空气动力学形状的轮叶或叶片，其表面上有凹部(depression)；以及天线，该天线的几何形状适合于与凹部操作式地装配起来，并适合于与涡轮构件的空气动力学形状紧密匹配。本专利技术的另一个方面提供了一种实时地监测涡轮发电机中的涡轮构件的损坏的方法，包括从第一构件中以电磁波的形式发射信号，第二构件接收从第一构件发射来的信号，将发射来的信号通过第二构件反射回到发射源，处理发射和反射的信号，从而确定涡轮构件是否损坏。附图简介本专利技术上述的和其它的概念将参考本专利技术的示例性优选实施例的附图进行描述。所述实施例对本专利技术进行了说明，但并不限制本专利技术。附图包括下面的图，在整个说明书和附图中，相同的标号表示相同的构件，其中附图说明图1是燃气涡轮的涡轮分段的透视图；图2是本专利技术的检测系统的透视图3是典型的多普勒雷达技术方案的原理图；图4a是电磁波信号从轮叶上的发射器朝叶片发射的透视图；图4b是与图4a类似的透视图，显示了信号从叶片反射回轮叶；图5是典型的计算机显示屏，显示了从检测系统获得的已处理信息。优选实施例的描述这里所描述的监测装置使用了某些基本概念。例如，一个概念涉及基于多普勒的检测系统，其用于监测涡轮构件的损坏。另一个概念涉及适合于容纳一部分检测系统的轮叶。另一个概念涉及将与涡轮构件有关的多普勒信号信息处理成可用的计算机输出。这里所公开的本专利技术是在燃气涡轮发动机内监测涡轮构件损坏的一种检测系统。然而，本专利技术的原理并不限于在燃气涡轮发动机中使用或限于监测涡轮构件的损坏。例如，检测系统可以用于在其它运转的监测环境中以检测物体的损坏，例如蒸汽轮机、气动热航空发动机、发电机、空气或气体压缩机、辅助发电站以及类似装置。也可以监测包括裂纹和破裂构件的其它类型的损坏。本领域的技术人员可以使用这里所公开的装置、过程、系统、构件、结构、方法和应用而用于另外的应用场合中。因此，本专利技术在典型燃气涡轮发动机中监测涡轮构件损坏的说明和描述仅仅是本专利技术的一种可能的应用。但是，本专利技术尤其适合于用作用于监测涡轮构件的损坏的检测系统。为了有助于描述权利要求所述的本专利技术及其操作，现引入下面的柱面坐标系统。X-X轴定义了轴线方向，并沿转子中心线的方向而延伸。Y-Y轴定义了径向，并与轴线方向相切地径向延伸，同时向外穿过轮叶或叶片。Z-Z轴定义了切线方向，并在由X-X轴和Y-Y轴所创建的平面内延伸，同时限定了旋转。构件参见图1、图2、图4a和图4b，提供了用于监测涡轮构件损坏的典型多普勒雷达检测系统。检测系统10优选包括诸如雷达12的发射器，该发射器设置成可发射诸如微波18的电磁波。微波18由波导14携带，并通过天线16朝物体8发射出去。发射的微波18照射物体8，物体8将微波24反射给天线16接收。反射的微波24于是通过波导14返回雷达10的电路，并发送至处理器26。处理器26设置有逻辑部分，其用于确定由于在发射微波18和反射微波24之间的物体8的表面材料成分变化引起的频移或强度变化。处理器26还设置有逻辑部分，其用于将反射电磁波24的强度和频率与发射电磁波18的强度和频率关联起来。经过处理的信息于是可使用传统的计算机程序软件应用而输出至计算机屏幕。参见图1和图2，发射器12用于产生合适频率、波长和强度的电磁波18来辐射物体8，物体8将电磁波18反射回发射器12。发射器12优选体现为雷达。在市场上可以从PRO NOVA公司买到合适的雷达，虽然那些本领域的技术人员很容易认识到，许多其它各种类型的雷达和发射器也可以用于实现本专利技术目的。图3显示了合适的雷达12的结构。雷达12可以持续地、随机地、间歇地、渐变地或其它方式来产生并发射电磁波18，但是优选使用持续发射的电磁波18来实现对涡轮构件的更稳固监测。由雷达12产生的电磁波18优选为处于1GHz～100GHz(千兆赫兹)频率范围内而足以测量隔热涂层(TBC)损失的微波，该微波更优选地处于20GHz～50GHz范围内。然而，电磁波18不必是微波或处于1GHz～100GHz范围内，而可以在更高或更低的频谱范围内工作，例如在30THz～300THz(兆兆赫兹)的深红外线范围内和大约1500THz的紫外线区域内。波导14用于将微波18从雷达12传送至天线16。波导14可以具有任意的截面形状，但是，优选使用矩形或圆柱形的截面，因为矩形的波导14提供了更大的带宽，而圆柱形的波导14更容易使用和安装。另外，从雷达10到天线16的转弯的长度、数量、微波18的频率以及其所采用的横截面，都会关联到波导14的损耗。因此，优选但非必要的是，在不有损于检测系统10性能的前提下减小波导14的长度。作为备选，波导14可以由一起形成连续波导14的多个相连的截面形状组成。在市场上可以从Microtech公司买到合适的波导14，例如零件号码为WR12、WR15、WR28和WR34的波导产品。天线16发送发射的微波18，并能够接收反射的微波24。所述天线16在雷达14的相反端与波导14连接。天线16优选位于雷达10附近，从而减小波导14的长度并因此减少损耗。所述天线16是径向发送微波18的喇叭天线。然而，可以使用其它天线，例如使用定向天线将微波18引向特定物体8。天线16优选与支撑物体6(例如旋转轮叶6)连接，使得天线16本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于无损监测带涂层的金属涡轮构件的装置，包括：　　　　产生电磁波的电磁波发生器；　　　　发射从第一涡轮构件中产生的电磁波的发射器；　　　　接收所述发射电磁波并反射所述电磁波的第二涡轮构件；　　　　接收所述反射电磁波的接收器；和　　　　解释所述所接收的电磁波的处理器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：T博泽尔曼，M维尔施，FJ塞维拉佩雷斯，Z桑亚纳，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]