專(zhuān)利名稱(chēng)：用于測(cè)量渦輪機(jī)中葉片變形的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于確定渦輪機(jī)葉片變形的方法和系
統(tǒng)。更具體地但絕非限制性地，本發(fā)明涉及用于在渦輪機(jī)正運(yùn)行時(shí)測(cè)量 渦輪機(jī)葉片變形的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
工業(yè)燃?xì)鉁u4侖機(jī)和4元空器發(fā)動(dòng)才幾的渦輪才幾葉片在高溫環(huán)
境中運(yùn)行，其中溫度常規(guī)地達(dá)到600°C和1500°C之間。另外，總體的 趨勢(shì)是要增加渦輪機(jī)運(yùn)行溫度以便提高輸出和發(fā)動(dòng)機(jī)效率。施加在渦輪 機(jī)葉片上的與這些條件相關(guān)聯(lián)的熱應(yīng)力是嚴(yán)重的。 類(lèi)似地，由于經(jīng)由壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度所施加的作用力，壓 縮機(jī)葉片經(jīng)受高水平的機(jī)械應(yīng)力。結(jié)果，壓縮機(jī)葉片也經(jīng)歷與金屬蠕變 相關(guān)聯(lián)的緩慢變形。 結(jié)果，在渦輪機(jī)中主要關(guān)注的渦輪才幾葉片和壓縮機(jī)葉片失 效模式就是金屬蠕變，且尤其是徑向金屬蠕變(即，渦輪機(jī)或壓縮機(jī)葉 片伸長(zhǎng))。如果不注意，金屬蠕變最終可能引起渦輪機(jī)或壓縮機(jī)葉片破 裂，這可能引起渦輪機(jī)單元的極大損壞且導(dǎo)致顯著的修理停機(jī)期。通常， 用于監(jiān)測(cè)金屬蠕變的常規(guī)方法包括以下兩種方法之一(1)通過(guò)使用
4分析工具，如有限元分析程序，試圖根據(jù)時(shí)間的函數(shù)預(yù)測(cè)葉片的累計(jì)蠕 變伸長(zhǎng)，所述分析工具從基于在實(shí)驗(yàn)室中在等溫蠕變?cè)嚢羯纤M(jìn)行的蠕
變應(yīng)變?cè)囼?yàn)計(jì)算蠕變應(yīng)變；或(2)在單元的停機(jī)期間所進(jìn)行的視覺(jué)檢 查和/或手工測(cè)量。然而，預(yù)測(cè)式分析工具通常是不準(zhǔn)確的。而且，視覺(jué) 檢查和/或手工測(cè)量是勞動(dòng)密集型的、昂貴的且通常也產(chǎn)生不準(zhǔn)確的結(jié) 果。 總之，有關(guān)渦輪機(jī)或壓縮機(jī)葉片健康狀況的不準(zhǔn)確預(yù)測(cè)， 不管是通過(guò)使用分析工具、視覺(jué)檢查還是實(shí)施手工測(cè)量，都是高成本的。 一方面，不準(zhǔn)確預(yù)測(cè)可能使葉片會(huì)超出其有效運(yùn)行壽命且導(dǎo)致葉片失效 來(lái)運(yùn)行，這就會(huì)造成渦輪機(jī)單元的嚴(yán)重?fù)p壞和引起修理停機(jī)期。另一方 面，不準(zhǔn)確預(yù)測(cè)可能過(guò)早地停止使用渦4侖^/L或壓縮機(jī)葉片(即，在其有 效運(yùn)行壽命完成之前)，這就導(dǎo)致低效率。因而，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)渦輪機(jī)和/ 或壓縮機(jī)葉片的金屬蠕變變形的能力可以增加渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)單元的總體 效率。這種監(jiān)測(cè)可以使葉片的使用壽命最大化，同時(shí)避免葉片失效的風(fēng) 險(xiǎn)。此外，如果可以進(jìn)行這種監(jiān)測(cè)而沒(méi)有耗時(shí)和勞動(dòng)密集型的視覺(jué)檢查 或手工測(cè)量的花費(fèi)，將實(shí)現(xiàn)高效率。因而，存在有需要改進(jìn)的系統(tǒng)來(lái)監(jiān) 測(cè)或測(cè)量渦輪機(jī)和壓縮機(jī)葉片的金屬蠕變變形。

發(fā)明內(nèi)容
因而，本發(fā)明提出一種帶末端罩的渦輪機(jī)葉片，所述帶末 端罩的渦輪機(jī)葉片可包括設(shè)置在所述末端罩的徑向外表面上的目標(biāo)墊， 所述目標(biāo)墊包括從所述末端罩的外面徑向向外突伸的升高的表面。所述 目標(biāo)墊的形狀可大致為圓柱形，使得目標(biāo)墊的徑向外面的形狀是大致環(huán) 形的。目標(biāo)墊的徑向外面的表面面積的尺寸可構(gòu)形或配置成與用于常規(guī) 近程傳感器的測(cè)量面積大致相同的尺寸。 所述帶末端罩的渦輪機(jī)葉片還包括密封導(dǎo)軌。所述密封導(dǎo) 軌可包括從所述末端罩的外表面徑向向外突伸的鰭部。所述目標(biāo)墊的徑 向高度可小于所述密封導(dǎo)軌的徑向高度。在一些實(shí)施例中，所述目標(biāo)墊 與所述密封導(dǎo)軌分開(kāi)。在其它實(shí)施例中，所述目標(biāo)墊是所述密封導(dǎo)軌的 一部分。 本發(fā)明還提出一組帶末端罩的渦輪機(jī)葉片，其中l(wèi))每 個(gè)帶末端罩的渦輪機(jī)葉片可包括設(shè)置在所述末端罩的徑向外表面上的目標(biāo)墊；2)所述目標(biāo)墊可包括從所述末端罩的外面徑向向外突伸的升 高的表面；和3)用于所述帶末端罩的渦輪機(jī)葉片中的每個(gè)的目標(biāo)墊的 表面輪廓(外形)構(gòu)形成可與用于該組中的其它帶末端罩的渦輪機(jī)葉片 的目標(biāo)墊的表面輪廓區(qū)分。 本發(fā)明還提出一種用于渦輪機(jī)中的葉片，所述葉片包括設(shè) 置在所述葉片的徑向外表面上的目標(biāo)墊，其中，所述目標(biāo)墊可包括從所 述葉片的徑向外表面徑向向外突伸的升高的表面。所述目標(biāo)墊的形狀可 大致為圓柱形的，使得目標(biāo)墊的徑向外面的形狀是大致環(huán)形的。 在一些實(shí)施例中，近程傳感器的數(shù)量可包括兩個(gè)或更多近 程傳感器。在這種實(shí)施例中，控制系統(tǒng)可從由所述兩個(gè)或更多近程傳感 器獲取的測(cè)量值確定轉(zhuǎn)子位移，且在確定葉片的徑向變形時(shí)，控制系統(tǒng) 考慮所述轉(zhuǎn)子位移。
所述系統(tǒng)還可包括密封導(dǎo)軌。所述密封導(dǎo)軌包括從所述末
端罩的外表面徑向向外突伸的鰭部。所述目標(biāo)墊的徑向高度可小于所述 密封導(dǎo)軌的徑向高度。在一些實(shí)施例中，所述目標(biāo)墊與所述密封導(dǎo)軌分 開(kāi)。在其它實(shí)施例中，所述目標(biāo)墊是所述密封導(dǎo)軌的一部分。


圖l是顯示了本發(fā)明實(shí)施例可用于其中的示例性渦輪機(jī)的
燃?xì)鉁u輪機(jī)的透視剖面圖； 圖2是圖1的燃?xì)鉁u輪機(jī)的剖視圖，顯示了本發(fā)明的示例 性實(shí)施例； 圖3是圖1的燃?xì)鉁u輪機(jī)的剖視圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明的 示例性實(shí)施例的近程傳感器的周向設(shè)置； 圖4是圖1的燃?xì)鉁u輪機(jī)的剖視圖，顯示了本發(fā)明的示例 性實(shí)施例； 圖5是 性實(shí)施例； 圖9是根據(jù)本發(fā)明的可替換示例性實(shí)施例、帶有密封導(dǎo)軌 和目標(biāo)墊的末端罩的透—見(jiàn)圖。
具體實(shí)施例方式
如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的葉片徑向變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)20可 包括圍繞壓縮機(jī)葉片5或渦輪機(jī)葉片9的單個(gè)級(jí)的周?chē)g隔開(kāi)的一個(gè)或 更多近程傳感器22。具體而言，所述近程傳感器22可安裝在渦輪機(jī)殼 體10上，使得所述近程傳感器22從外部徑向位置面向壓縮機(jī)葉片5的 級(jí)或如圖所示面向渦輪機(jī)葉片9的級(jí)。如此，無(wú)論何種情況，近程傳感 器22都可測(cè)量從近程傳感器22到壓縮機(jī)葉片5或渦輪機(jī)葉片9的末端 (或尖端)的距離。在某些實(shí)施例中，近程傳感器22可以是渦流傳感 器、電容傳感器、微波傳感器、激光傳感器或其它類(lèi)似類(lèi)型的裝置。 當(dāng)燃?xì)鉁u輪機(jī)2運(yùn)行時(shí)，可進(jìn)行稍后或第二次測(cè)量。這些 測(cè)量可以周期性地進(jìn);f亍。例如，所述測(cè)量可以每秒或每分或每小時(shí)或一
些較長(zhǎng)周期來(lái)進(jìn)行。第二測(cè)量可指示在測(cè)量的時(shí)刻每個(gè)渦輪機(jī)葉片9的 長(zhǎng)度。同樣，這個(gè)長(zhǎng)度由轉(zhuǎn)子的已知尺寸和位置以及從近程傳感器22 到所述渦輪機(jī)葉片9的末端測(cè)得的距離來(lái)確定。從這兩個(gè)值可以計(jì)算出 渦輪機(jī)葉片9的長(zhǎng)度。第二測(cè)量數(shù)據(jù)可由控制系統(tǒng)儲(chǔ)存。 控制系統(tǒng)可處理測(cè)量數(shù)據(jù)以確定渦輪機(jī)葉片9是否已在徑 向方向上變形，即，渦輪機(jī)葉片在使用期間是否"伸展"。具體而言，控 制系統(tǒng)可將第二次測(cè)量與初始測(cè)量進(jìn)行比較，以查明已經(jīng)發(fā)生的變形或 蠕變量。所述控制系統(tǒng)可以進(jìn)行編程以便 一 旦變形達(dá)到 一 定水平就向渦 輪機(jī)操作者報(bào)警。例如，控制系統(tǒng)可向某種計(jì)算機(jī)終端提供閃爍警報(bào)， 向渦輪機(jī)操作者發(fā)送電子郵件或傳呼，或者使用 一些其它方法向渦輪機(jī) 操作者報(bào)警。這種警報(bào)可以在變形水平表示渦輪機(jī)葉片9正接近或處于 其有效壽命的盡頭時(shí)發(fā)出。這時(shí)，可將渦輪機(jī)葉片9從燃?xì)鉁u輪機(jī)2拉 出并進(jìn)行修理或更換。
如上文所述，在一些實(shí)施例中，可僅使用一個(gè)近程傳感器
22。在這種系統(tǒng)中，使用常規(guī)轉(zhuǎn)子探頭，如本特利探頭(Bently probe ) 來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置是有利的。轉(zhuǎn)子探頭可定位于轉(zhuǎn)子上的任何點(diǎn)處，且可 實(shí)時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)子的實(shí)際的徑向位置。如上文所述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理 解，轉(zhuǎn)子可能在運(yùn)行期間徑向地位移。如果不考慮實(shí)際轉(zhuǎn)子的定位，該 位移可表現(xiàn)為葉片變形。另一方面，如果實(shí)際的轉(zhuǎn)子位移由轉(zhuǎn)子探頭計(jì) 算，控制系統(tǒng)可計(jì)算葉片的實(shí)際變形。 在一些實(shí)施例中，近程傳感器22可放置成使得它們測(cè)量 軸向變形。如圖4所示，這可以通過(guò)將近程傳感器22設(shè)置在使得它們 從葉片軸向位置上游或前面的位置或從葉片軸向位置下游或后面的位 置(即，近程傳感器在該級(jí)上不是向下看，而是從有角度的位置看)觀 察葉片的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。因而，葉片軸向變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)30在圍繞該級(jí)周 圍的一個(gè)或更多位置處可包括上游近程傳感器32、下游近程傳感器34、 或二者。上游近程傳感器32可測(cè)量/人渦輪4幾殼體12中的固定的上游位 置到葉片的側(cè)面的距離。類(lèi)似地，下游近程傳感器34可測(cè)量,人渦輪機(jī) 殼體12中的固定的下游位置到葉片的側(cè)面的距離。因而，葉片上游或 下游方向上的任何軸向變形都可以通過(guò)審查由上游近程傳感器32、下游 近程傳感器34、或二者所進(jìn)行的連續(xù)測(cè)量來(lái)確定。 在一些實(shí)施例中，如下文所述且如圖8和9所示，目標(biāo)墊 50可連接到壓縮機(jī)葉片5或渦輪機(jī)葉片9的末端(即，最外徑向表面) 以增加由近程傳感器22進(jìn)行的蠕變測(cè)量的準(zhǔn)確性。(從這里向前，帶 有目標(biāo)墊50的示例性實(shí)施例將結(jié)合渦輪機(jī)葉片9進(jìn)行描述。本領(lǐng)域技 術(shù)人員將會(huì)理解，目標(biāo)墊50也可以與壓縮才幾葉片5 —起使用。)如上 所述，徑向蠕變可借助于測(cè)量從外部徑向位置到渦輪機(jī)葉片9的末端的 距離來(lái)確定。由近程傳感器22測(cè)量的在它自己和渦輪機(jī)葉片9的末端 之間的距離將由于渦輪機(jī)葉片9在徑向方向變形，即由于渦輪機(jī)葉片9 沿其長(zhǎng)度方向伸展，而減小。 圖6和7示出了常規(guī)的帶末端罩的渦輪機(jī)輪葉或渦輪機(jī)葉 片60。渦輪機(jī)葉片60包括翼片62。翼片62是截取氣體流的主動(dòng)部件， 且但當(dāng)風(fēng)車(chē)庫(kù)斗的作用以將氣體的能量轉(zhuǎn)換為切向運(yùn)動(dòng)。這種切向運(yùn)動(dòng) 繼而使渦輪機(jī)葉片60附接到其上的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。末端罩64可定位于翼片 62的頂部處。末端罩64實(shí)質(zhì)上是在其中心處由翼片62支撐的平板。密 封導(dǎo)軌66可沿末端罩64的頂部定位。密封導(dǎo)軌66實(shí)質(zhì)上防止流動(dòng)路 徑上的氣體通過(guò)末端罩64和周?chē)考膬?nèi)表面之間的間隙。密封導(dǎo)軌 66是從末端罩64的最外表面徑向向外突伸的脊部或鰭部。密封導(dǎo)軌66 在罩的相對(duì)端部之間沿渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向周向地延伸，從而形成防 止流動(dòng)路徑氣體旁通翼片62的密封。通常，密封導(dǎo)軌66徑向地延伸到 在靜止罩中形成的與旋轉(zhuǎn)末端罩相對(duì)的凹槽中，從而改進(jìn)該密封。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，常規(guī)的近程傳感器具有小的操 作范圍。因而，當(dāng)與帶有末端罩的渦輪機(jī)葉片，如上所述的葉片，結(jié)合 使用時(shí)，近程傳感器22通常必須被對(duì)準(zhǔn)，使得它測(cè)量它自己和密封導(dǎo) 軌66之間的距離，密封導(dǎo)軌66從末端罩64徑向向外延伸，如上所述。
ii換句話(huà)說(shuō)，渦輪機(jī)殼體12或靜止罩(其中可安裝近程傳感器)和末端 罩64的外表面之間的距離對(duì)常規(guī)近程傳感器來(lái)說(shuō)可能太大，而不能進(jìn)
行準(zhǔn)確的測(cè)量，從而需要在密封導(dǎo)軌66處對(duì)準(zhǔn)近程傳感器。 在一些實(shí)施例中，目標(biāo)墊50的外面的面積在尺寸上類(lèi)似 于近程傳感器22的測(cè)量面積。因而，在恰當(dāng)?shù)貙?duì)齊時(shí)，當(dāng)目標(biāo)墊50通 過(guò)近程傳感器22時(shí)，近程傳感器22的測(cè)量的面積大約由目標(biāo)墊50的 外面"填充"，這允許獲取高質(zhì)量的讀數(shù)。這種讀數(shù)可使近程傳感器能更 容易區(qū)分該級(jí)中的不同渦輪機(jī)葉片，/人而允許跟蹤每個(gè)渦4侖機(jī)葉片隨著 時(shí)間的蠕變。在一些實(shí)施例中，每個(gè)目標(biāo)墊50可構(gòu)形成具有在由近程 傳感器22讀取時(shí)可區(qū)分的高程輪廓(外形)。由此，當(dāng)其目標(biāo)墊50通 過(guò)近程傳感器22時(shí)，每個(gè)渦4侖才幾葉片可以容易地和準(zhǔn)確地識(shí)別。圖9 示出了另 一示例性實(shí)施例，其中目標(biāo)墊50制成密封導(dǎo)軌66的一部分。 乂人本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的上述說(shuō)明，本領(lǐng)域4支術(shù)人員將會(huì) 預(yù)見(jiàn)各種改進(jìn)、變化和修改。本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的這類(lèi)改進(jìn)、變化和修改將 試圖由所附的權(quán)利要求書(shū)涵蓋。另外，應(yīng)當(dāng)清楚，前文僅涉及本發(fā)明的 所述的實(shí)施例，且在此可以進(jìn)行許多變化和修改，而不偏離由以下^又利 要求書(shū)及其等價(jià)物限定的本發(fā)明的精神和范圍。附圖標(biāo)記
2燃?xì)鉁u輪機(jī)
4壓縮枳i
5壓縮才幾葉片
6燃燒器
8渦輪機(jī)
9渦輪機(jī)葉片
10導(dǎo)流^反
11轉(zhuǎn)子
12渦輪才幾殼體
20葉片徑向變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
22近程傳感器
30葉片軸向變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
32上游近程傳感器
34下游近程傳感器
40紅外線(xiàn)高溫計(jì)
50目標(biāo)墊
60渦4侖才幾葉片
62翼片
64末端罩
66密封導(dǎo)4九
權(quán)利要求
1. 一種帶末端罩的渦輪機(jī)葉片(60)，所述葉片包括設(shè)置在所述末端罩(64)的徑向外表面上的目標(biāo)墊(50)；其中，所述目標(biāo)墊(50)包括從所述末端罩(64)的外面徑向向外突伸的升高的表面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的帶末端罩的渦輪機(jī)葉片(60),其特征在 于，所述目標(biāo)墊(50)的形狀大致為圓柱形的，使得所述目標(biāo)墊(50) 的徑向外面的形狀是大致環(huán)形的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶末端罩的渦輪機(jī)葉片(60),其特征在 于，所述目標(biāo)墊(50)的徑向外面的表面面積的尺寸構(gòu)形成與用于常規(guī) 近程傳感器(22)的測(cè)量面積大致相同的尺寸。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的帶末端罩的渦輪機(jī)葉片(60),其特征在 于，其還包括密封導(dǎo)軌(66),所述密封導(dǎo)軌(66)包括從所述末端罩(64)的外表面徑向向外突伸的鰭部。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的帶末端罩的渦輪機(jī)葉片(60),其特征在 于，所述目標(biāo)墊(50)的徑向高度小于所述密封導(dǎo)軌(66)的徑向高度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的帶末端罩的渦輪機(jī)葉片(60),其特征在 于，所述目標(biāo)墊(50)與所述密封導(dǎo)軌(66)分開(kāi)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的帶末端罩的渦輪機(jī)葉片(60),其特征在 于，所述目標(biāo)墊(50)是所述密封導(dǎo)軌(66)的一部分。
8. —組帶末端罩的渦輪機(jī)葉片(60)，每個(gè)帶末端罩的渦輪機(jī)葉 片(60)包括設(shè)置在所述末端罩(64)的徑向外表面上的目標(biāo)墊(50)， 所述目標(biāo)墊(50)包括從所述末端罩(64)的外面徑向向外突伸的升高 的表面；其中，用于所述帶末端罩的渦輪機(jī)葉片(60)中的每個(gè)的所述目標(biāo) 墊(50)的表面輪廓構(gòu)形成可與用于所述組中的其它帶末端罩的渦輪機(jī) 葉片(60)的所述目標(biāo)墊(50)的表面輪廓區(qū)分。
9. 一種用于渦輪機(jī)(8)中的葉片(60),所述葉片(60)包括設(shè) 置在所述葉片(60)的徑向外表面上的目標(biāo)墊(50);其中，所述目標(biāo)墊(50)包括從所述葉片(60)的徑向外表面徑向 向外突伸的升高的表面。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的葉片(60)，其特征在于，所述目標(biāo)墊(50)的形狀大致為圓柱形的，使得所述目標(biāo)墊(50)的徑向外面的形 狀是大致環(huán)形的。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于測(cè)量渦輪機(jī)中葉片變形的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明提出一種帶末端罩的渦輪機(jī)葉片(60)，它包括設(shè)置在末端罩(64)的徑向外表面上的目標(biāo)墊(50)，目標(biāo)墊(50)包括從末端罩(64)的外面徑向向外突伸的升高的表面。目標(biāo)墊(50)的形狀大致為圓柱形，使得目標(biāo)墊(50)的徑向外面的形狀是大致環(huán)形的。目標(biāo)墊(50)的徑向外面的表面面積的尺寸構(gòu)形成與用于常規(guī)近程傳感器(22)的測(cè)量面積大致相同的尺寸。
文檔編號(hào)F01D5/14GK101446207SQ200810178818
公開(kāi)日2009年6月3日 申請(qǐng)日期2008年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者E·K·鮑奈特, E·格巴德特, S·D·德拉珀, S·M·霍伊特 申請(qǐng)人:通用電氣公司