專利名稱：用于監(jiān)測渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于從面對正在經(jīng)過的轉(zhuǎn)子葉片的葉片梢的位置對渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測的監(jiān)測裝置，所述監(jiān)測裝置包括用于產(chǎn)生電磁波的波源以及用于將電磁波導(dǎo)向葉片梢的波導(dǎo)。本發(fā)明還涉及一種包括該監(jiān)測裝置的渦輪機(jī)以及一種總體類型的監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
受日益增長的提高燃料利用效率、降低不合需要的排放以及減少噪音的需求的驅(qū)動(dòng)，未來的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和陸基渦輪機(jī)將必須引入用于監(jiān)測渦輪機(jī)狀況、分析輸入的數(shù)據(jù)以及改變運(yùn)行參數(shù)的新系統(tǒng)以對運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化并從而實(shí)現(xiàn)改善的性能。這樣的系統(tǒng)基于傳感技術(shù)作為基礎(chǔ)。必須開發(fā)出在渦輪機(jī)中存在的惡劣環(huán)境下能夠運(yùn)行的新型傳感器，以實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測渦輪機(jī)的整體狀況非常關(guān)鍵的、先前無法檢測的參數(shù)的檢測。從這些系統(tǒng)中所得到的潛在益處是巨大的，這些益處可以分為兩個(gè)主要的方面渦輪機(jī)效率和渦輪機(jī)維護(hù)。對于這兩個(gè)目的而言，尤其是為了詳細(xì)了解渦輪機(jī)的機(jī)能和狀況，對渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測都是必不可少的。為了對轉(zhuǎn)子葉片的工作狀態(tài)實(shí)施準(zhǔn)確的檢測，微波傳感器通常穿過孔進(jìn)行安裝或被連接在機(jī)殼內(nèi)從而使微波傳感器能將其波束投射到葉片上，在渦輪機(jī)運(yùn)行期間，所述葉片將旋轉(zhuǎn)并隨后從所述微波傳感器旁經(jīng)過。在渦輪機(jī)中所遭遇的環(huán)境是惡劣的，在高壓渦輪機(jī)中氣體路徑溫度超過1300K，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓縮機(jī)的后級中溫度大約為900K，并且大多還經(jīng)常具有較高的熱梯度。這是一個(gè)具有油、燃燒副產(chǎn)物和其它污染物的很臟的環(huán)境。因此，能在那樣的極端溫度和這種惡劣環(huán)境中可靠地工作的傳感器成為了關(guān)鍵的部件。專利申請US2010/0066387A1中已經(jīng)提出了解決該問題的傳感器，該專利申請公開了一種用于確定轉(zhuǎn)子葉片和圍繞所述轉(zhuǎn)子葉片的燃?xì)廨啓C(jī)的壁之間的距離的裝置。所述裝置包括對具有至少兩種頻率的電磁波進(jìn)行引導(dǎo)的波導(dǎo)。具有其中一種頻率的電磁波從傳感器發(fā)射并被轉(zhuǎn)子葉片反射回來，具有另外一種頻率的電磁波被波導(dǎo)端部處的密封元件反射。繼而通過比較電磁波的相位來確定所述裝置相對于轉(zhuǎn)子葉片的距離。該傳感器的缺點(diǎn)在于渦輪機(jī)的壁(其上安裝了所述裝置)受溫度影響而發(fā)生膨脹，這導(dǎo)致波導(dǎo)也發(fā)生相應(yīng)的膨脹，從而使得所需要的距離的確定不準(zhǔn)確。通過將兩種頻率的電磁波的各相位比較值相互之間作差并將該差值分配給在這些溫度條件下的距離的預(yù)先檢測值(例如基于數(shù)值表)可以避免上面的問題。盡管如此，為了確保滿足渦輪機(jī)的通常不僅僅由溫度梯度決定的各瞬時(shí)工況，非常需要有一種解決溫度變化帶來的問題的更直接的手段。除檢測的可靠性以外，還需要提高檢測性能，尤其是提高檢測的分辨率，以及將對轉(zhuǎn)子葉片的監(jiān)測延伸到對葉片梢和傳感器之間的距離進(jìn)行檢測這一單一參數(shù)檢測以外
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是避免上面提到的缺陷中的至少一個(gè)并提供一種改進(jìn)的監(jiān)測裝置和監(jiān)測方法，所述監(jiān)測裝置和監(jiān)測方法能承受渦輪機(jī)環(huán)境中的惡劣的工況。該目的通過包括了本發(fā)明的特征的監(jiān)測裝置或監(jiān)測方法、以及包括該監(jiān)測裝置的渦輪機(jī)來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明有利的實(shí)施方式將在優(yōu)選的實(shí)施方式中進(jìn)行限定。關(guān)于監(jiān)測裝置，本發(fā)明建議在一諧振器中包括波導(dǎo)，所述諧振器在所述波導(dǎo)上限定了至少一個(gè)離散的電磁波諧振頻率，所述諧振器在其前端部包括孔口，電磁波的一部分能量能穿過所述孔口朝葉片梢發(fā)射。這樣，所述諧振器被設(shè)置為在所述波導(dǎo)上支持至少一個(gè)離散的電磁波諧振頻率。這樣，諧振器能用于在所述諧振器內(nèi)儲存處于諧振頻率的電磁波的磁能量。由于在所述前端部設(shè)有孔口，因此儲存在諧振器內(nèi)的電磁能量的一部分能從諧振器發(fā)射出來從而與轉(zhuǎn)子葉片相互作用。優(yōu)選地，諧振器的后端部具有較短的圓環(huán)部(short-circuited)。電磁波的諧振頻率可以由渦輪機(jī)的各瞬時(shí)工況決定并且諧振器優(yōu)選地被構(gòu)造為在變化的工況范圍內(nèi)支持諧振頻率的變化。所述監(jiān)測裝置還包括頻率調(diào)節(jié)單元，所述頻率調(diào)節(jié)單元被構(gòu)造為在各瞬時(shí)工況下使電磁波的頻率處于所述諧振器的諧振頻率。因此，通過對電磁波頻率進(jìn)行與諧振器的諧振頻率正在發(fā)生的變化相關(guān)的調(diào)節(jié)，所述監(jiān)測裝置能與渦輪機(jī)環(huán)境中的工況的瞬時(shí)變化相匹配。影響諧振器的諧振頻率的渦輪機(jī)環(huán)境中的所述工況可以包括電磁波的傳播介質(zhì)的溫度梯度。另外，通過對發(fā)射的電磁波和反射的電磁波中的至少一個(gè)檢測參數(shù)進(jìn)行比較，可以推導(dǎo)出與轉(zhuǎn)子葉片的工作狀態(tài)有關(guān)的可靠信息而不用考慮渦輪機(jī)環(huán)境內(nèi)的各瞬時(shí)工況。因此，監(jiān)測裝置還包括檢測單元，所述檢測單元被構(gòu)造為對朝所述葉片梢發(fā)射的電磁波的至少一個(gè)檢測參數(shù)和從所述葉片梢反射的電磁波的相應(yīng)的檢測參數(shù)進(jìn)行比較。這樣，即使諧振器的諧振頻率隨溫度變化或由于其它擾動(dòng)作用發(fā)生變化，也能獲得轉(zhuǎn)子葉片工作狀態(tài)的準(zhǔn)確檢測結(jié)果。優(yōu)選地，所述檢測參數(shù)包括發(fā)射的和反射的電磁波的相位和振幅中的至少一個(gè)。更優(yōu)選地，對于這兩種檢測參數(shù)，發(fā)射的電磁波和反射的電磁波都進(jìn)行相互比較。根據(jù)本發(fā)明，這些優(yōu)點(diǎn)也可以從一種監(jiān)測方法中獲得，在所述監(jiān)測方法中，電磁波在諧振器內(nèi)產(chǎn)生，所述諧振器限定了至少一個(gè)離散的電磁波諧振頻率。所述監(jiān)測方法包括使電磁波的頻率在各瞬時(shí)工況處于諧振器的諧振頻率以及使電磁波的一部分能量從諧振器朝葉片梢發(fā)射的步驟。所述監(jiān)測方法還包括將朝所述葉片梢發(fā)射的電磁波的至少一個(gè)檢測參數(shù)與從所述葉片梢反射的電磁波的相應(yīng)的檢測參數(shù)進(jìn)行比較的步驟。因此，對檢測參數(shù)的比較能有利地關(guān)聯(lián)到轉(zhuǎn)子葉片的工作狀態(tài)而不用考慮渦輪機(jī)環(huán)境內(nèi)的瞬時(shí)工況(例如溫度梯度)。優(yōu)選地，對發(fā)射的電磁波和反射的電磁波的檢測參數(shù)進(jìn)行的比較被用于獲得與一個(gè)或更多個(gè)葉片的相對位置和/或相對運(yùn)動(dòng)相關(guān)的信息。在所述監(jiān)測方法的第一優(yōu)選實(shí)施例中，從該比較中推導(dǎo)出諧振器和葉片梢之間的徑向間隙。因此，監(jiān)測裝置的檢測單元優(yōu)選地配置有邏輯部分從而將對檢測參數(shù)的比較與所述諧振器和葉片梢之間的徑向間隙相關(guān)聯(lián)。這樣，可以推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子葉片的葉片梢和渦輪機(jī)的固定殼體之間的間隙。優(yōu)選地，將發(fā)射的電磁波的相位和反射的電磁波的相位用作檢測參數(shù)來確定諧振器和葉片梢之間的徑向間隙。特別地，轉(zhuǎn)子葉片的葉片梢和渦輪機(jī)的固定殼體之間的間隙可以被用作與渦輪機(jī)的效率有關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)。因此，葉片梢間隙檢測首先會關(guān)注通過降低泄露(降低泄露可以通過減少所述間隙實(shí)現(xiàn))而提高渦輪機(jī)效率。更具體地，對于給定的渦輪機(jī)工況，優(yōu)選地應(yīng)當(dāng)盡可能地減少葉片梢間隙同時(shí)避免葉片磨損。準(zhǔn)確的葉片梢間隙檢測可以提供三個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)一準(zhǔn)確的葉片梢間隙可以用于在渦輪機(jī)上實(shí)現(xiàn)閉環(huán)主動(dòng)間隙控制，這能使葉片梢和殼體之間的間隙盡可能地減小。由于渦輪機(jī)的效率可以被提高，因此降低了特定燃料的消耗并且例如NOx和CO2的不良排放被限制到最低值；一通過防止葉片發(fā)生可能由殼體變形、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)/軸彎曲或環(huán)境因素導(dǎo)致的磨損、通過防止葉片周期性地?fù)p壞以及通過借助降低廢氣溫度(EGT)來增加熱氣體路徑部件的壽命，準(zhǔn)確的葉片梢間隙可以用于幫助延長渦輪機(jī)的壽命周期；以及一準(zhǔn)確的葉片梢間隙可以用于從各葉片提供尺寸測量，這可以使得在渦輪機(jī)的熱區(qū)域中能預(yù)測和優(yōu)化基于工況的維護(hù)。另外，在軸向壓縮機(jī)中，可以采用葉片梢間隙檢測作為保證壓縮機(jī)穩(wěn)定性和失速余量的關(guān)鍵。葉片梢間隙檢測在渦輪機(jī)優(yōu)選應(yīng)用的位置包括高壓渦輪和/或高壓壓縮機(jī)，在這些位置進(jìn)行的葉片梢間隙檢測能夠期望帶來最多的益處。在監(jiān)測方法的第二優(yōu)選實(shí)施例中，對發(fā)射的電磁波和反射的電磁波的檢測參數(shù)進(jìn)行的比較被用于確定一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片或兩個(gè)不同的轉(zhuǎn)子葉片先后經(jīng)過的時(shí)間的時(shí)間差。因此，監(jiān)測裝置的檢測單元優(yōu)選地配置有邏輯部分，從而將對檢測參數(shù)進(jìn)行的所述比較與一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片先后經(jīng)過的時(shí)間(特別是在旋轉(zhuǎn)一周或更多周后先后經(jīng)過的時(shí)間)的時(shí)間差或者與兩個(gè)不同的轉(zhuǎn)子葉片(特別是相鄰的兩個(gè)轉(zhuǎn)子葉片或在直徑方向上相對的兩個(gè)轉(zhuǎn)子葉片)先后經(jīng)過的時(shí)間的時(shí)間差相關(guān)聯(lián)。這樣，可以推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子葉片到達(dá)時(shí)間的檢測值。優(yōu)選地，將發(fā)射的電磁波和反射的電磁波的振幅用作所述檢測參數(shù)以確定一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片或兩個(gè)轉(zhuǎn)子葉片先后經(jīng)過的時(shí)間的時(shí)間差。通過提供對葉片振動(dòng)的檢測，該到達(dá)時(shí)間(也稱作葉片梢時(shí)間)檢測可以首先關(guān)注于旋轉(zhuǎn)葉片的機(jī)械整體性。該檢測優(yōu)選地包括檢測旋轉(zhuǎn)的葉片梢上的某點(diǎn)經(jīng)過一靜止位置的時(shí)間(從而檢測“到達(dá)時(shí)間”)。在葉片沒有結(jié)構(gòu)振動(dòng)的情況下，所述到達(dá)時(shí)間通常僅取決于葉片的旋轉(zhuǎn)速度。然而，當(dāng)葉片發(fā)生結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，所述到達(dá)時(shí)間還取決于振動(dòng)的幅度、頻率和相位。對到達(dá)時(shí)間準(zhǔn)確的檢測可以提供以下優(yōu)點(diǎn)一通過對葉片到達(dá)時(shí)間的檢測，可以檢測出預(yù)示著前進(jìn)的葉片或盤發(fā)生失效的任何異常信號并且通過即時(shí)反應(yīng)可以避免故障。因此到達(dá)時(shí)間可以作為用于預(yù)測部件壽命并因而實(shí)現(xiàn)基于工況的維護(hù)的關(guān)鍵測量參數(shù)。一到達(dá)時(shí)間準(zhǔn)確的檢測可以用于在對渦輪機(jī)的新設(shè)計(jì)進(jìn)行早期測試期間確保安全監(jiān)控，并可以在渦輪機(jī)的進(jìn)一步測試中幫助確證這些新設(shè)計(jì)；以及一到達(dá)時(shí)間準(zhǔn)確的檢測可以用于實(shí)現(xiàn)用于檢測葉片顫振、旋轉(zhuǎn)失速以及壓縮機(jī)喘振的異步振動(dòng)的檢測。到達(dá)時(shí)間檢測在渦輪機(jī)上優(yōu)選應(yīng)用的位置包括低壓壓縮機(jī)的初始級一直到高壓壓縮機(jī)的后級，所述到達(dá)時(shí)間檢測能夠期望帶來最多的益處。
總的來說，陸基渦輪機(jī)，航空衍生機(jī)、航空一地面測試設(shè)備以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)(所列并非窮舉)都能從葉片梢間隙和到達(dá)時(shí)間的準(zhǔn)確檢測中獲益。因此，根據(jù)監(jiān)測方法的第三優(yōu)選實(shí)施例，從對檢測參數(shù)的比較推導(dǎo)出諧振器和葉片梢之間的徑向間隙以及轉(zhuǎn)子葉片先后經(jīng)過的時(shí)間之間的時(shí)間差。因此，監(jiān)測裝置的檢測單元優(yōu)選地配置有邏輯部分，從而將發(fā)射的電磁波和反射的電磁波的至少一個(gè)檢測參數(shù)的比較結(jié)果與諧振器和葉片梢之間的徑向間隙以及與轉(zhuǎn)子葉片先后經(jīng)過的時(shí)間之間的時(shí)間差相關(guān)聯(lián)。優(yōu)選地，至少兩個(gè)檢測參數(shù)(尤其是發(fā)射的和反射的電磁波的相位和振幅)被用作檢測參數(shù)以相互獨(dú)立地確定所監(jiān)測的轉(zhuǎn)子葉片的葉片梢間隙和到達(dá)時(shí)間。本發(fā)明以下優(yōu)選的方面可以有利地在監(jiān)測方法和/或監(jiān)測裝置中實(shí)施。優(yōu)選地，穿過所述孔口發(fā)射的電磁波以至少兩個(gè)場分量為特征首先，發(fā)射的電磁波可以提供無功近場(reactive near field),在沒有接收物的情況下，電磁能量儲存在所述無功近場中，而在存在接收物的情況下，所述無功近場傳輸能量。優(yōu)選地，在距所述孔口小于發(fā)射波長的距離內(nèi)對近場分量進(jìn)行測量，更優(yōu)選地在最多四分之三發(fā)射波長的距離內(nèi)進(jìn)行測量，最優(yōu)選地在最多二分之一發(fā)射波長的距離內(nèi)進(jìn)行測量。第二，發(fā)射的電磁波可以提供傳播場，并且尤其是在與所述孔口的距離與發(fā)射波長相比明顯更大的地方提供傳播場，無論是否存在接收物，所述傳播場都從諧振器向外輻射能量。優(yōu)選地，諧振器僅對于一些離散的諧振頻率發(fā)生諧振。因此，諧振器不支持連續(xù)的諧振頻率。優(yōu)選地，對諧振器的設(shè)計(jì)和幾何形狀進(jìn)行選擇以在所需的電磁波工作頻率實(shí)現(xiàn)諧振，所述所需的電磁波工作頻率優(yōu)選地在lGHz-lOOGHz頻率范圍內(nèi)。另外，諧振器優(yōu)選地構(gòu)造為在電磁波的主模(例如TEll?；騎EM模)實(shí)現(xiàn)諧振。優(yōu)選地，檢測參數(shù)包括發(fā)射的電磁波和反射的電磁波的相位。因此，當(dāng)諧振器處于諧振時(shí)，由檢測單元得到的相位的比較結(jié)果可以用于確定相應(yīng)的轉(zhuǎn)子葉片的工作狀態(tài)。更優(yōu)選地，通過確定諧振器的反射率的相位(即反射的電磁波和傳送的電磁波的相位分量之間的比率)來進(jìn)行相位比較。因此，所檢測到的反射率的改變能指示出轉(zhuǎn)子葉片的存在并能進(jìn)一步用于確定轉(zhuǎn)子葉片的工作狀態(tài)。特別地，可以從相位比較結(jié)果中提取出發(fā)射的電磁波和反射的電磁波的品質(zhì)因子和/或輸入匹配?？商娲鼗蜃鳛檠a(bǔ)充地，檢測參數(shù)優(yōu)選地包括發(fā)射的電磁波和反射的電磁波的振幅。因此，當(dāng)諧振器處于諧振時(shí)，由檢測單元得到的振幅的比較結(jié)果可以用于確定各轉(zhuǎn)子葉片的工作狀態(tài)。例如，可以檢測電磁波的振幅作為電磁波的能量分布，尤其是作為高斯分布，其中能量分布的最大峰值和/或積分和/或?qū)挾瓤梢杂糜诎l(fā)射的電磁波和反射的電磁波的能量分布的比較。根據(jù)第一優(yōu)選實(shí)施例，發(fā)射的電磁波和反射的電磁波的檢測參數(shù)的比較至少依賴于諧振器的與轉(zhuǎn)子葉片相互作用的無功近場。這樣，可以獲得所監(jiān)測的物體的很高的橫向分辨率。根據(jù)第二優(yōu)選實(shí)施例，發(fā)射的電磁波和反射的電磁波的檢測參數(shù)的比較至少依賴于諧振器的與轉(zhuǎn)子葉片相互作用的傳播場，從而為距離感應(yīng)提供了很大的縱向范圍。根據(jù)最優(yōu)選的實(shí)施例，發(fā)射的電磁波和反射的電磁波的檢測參數(shù)的比較依賴于所述無功近場、傳播場二者的場分量與所述轉(zhuǎn)子葉片的相互作用以便能結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)選地，頻率調(diào)節(jié)單元被構(gòu)造成在至少一個(gè)預(yù)定的頻率范圍內(nèi)使電磁波的頻率發(fā)生變化并基于該頻率變化確定諧振頻率。優(yōu)選地，實(shí)施所述頻率變化從而根據(jù)渦輪機(jī)的各瞬時(shí)工況確定和/或調(diào)節(jié)下述參數(shù)中的至少一個(gè)一諧振器的諧振頻率，尤其是其中心頻率；一連接到諧振器的輸入傳輸線的相長度，尤其是將諧振器連接到波源的同軸電纜的相長度。這樣，頻率可以被再次調(diào)節(jié)以對葉片進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測，例如，解決由于介電常數(shù)隨溫度發(fā)生變化造成諧振器的中心頻率的相位變化所帶來的問題。最優(yōu)選地，兩個(gè)參數(shù)都在一次頻率變化內(nèi)確定。由頻率調(diào)節(jié)單元執(zhí)行的頻率設(shè)定可以被當(dāng)作校準(zhǔn)程序，所述校準(zhǔn)程序在檢測單元的檢測參數(shù)的隨后的比較中為葉片建立準(zhǔn)確的檢測條件。根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例，在頻率變化期間所確定的諧振器的諧振頻率和/或輸入傳輸線的相長度的變化作為參考相使用。優(yōu)選地，參考相隨后被檢測單元用作待與從葉片梢反射的電磁波相比較的發(fā)射的電磁波的檢測參數(shù)。根據(jù)優(yōu)選的構(gòu)造，頻率調(diào)節(jié)單元被構(gòu)造為每當(dāng)對轉(zhuǎn)子葉片的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)際檢測之前和/或之后，對諧振器的諧振頻率進(jìn)行設(shè)定。例如，在對檢測參數(shù)進(jìn)行檢測之前和/或之后，可以進(jìn)行至少一次頻率變化。這樣，可以確保高可靠性的葉片監(jiān)測。為了進(jìn)一步增加檢測的準(zhǔn)確性，在對檢測參數(shù)進(jìn)行檢測之前，可以重復(fù)進(jìn)行頻率變化。這可以進(jìn)一步有助于降低檢測噪音，例如通過對在每次頻率變化后已被確定的各頻率值取平均值。根據(jù)另外的優(yōu)選的構(gòu)造，頻率調(diào)節(jié)單元被構(gòu)造為每當(dāng)對轉(zhuǎn)子葉片的工作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)定數(shù)量的檢測之后或每當(dāng)經(jīng)過預(yù)定的時(shí)間間隔后，對諧振器的諧振頻率進(jìn)行設(shè)定。后面的這種構(gòu)造尤其可以應(yīng)用于期望僅有很小或理想的溫度梯度的渦輪機(jī)的環(huán)境中。優(yōu)選地，諧振器是微波諧振器。頻率調(diào)節(jié)單元在頻率范圍內(nèi)設(shè)定諧振器的諧振頻率，相應(yīng)地，所述諧振頻率優(yōu)選地處于微波頻率范圍內(nèi)。波源優(yōu)選地由微波源構(gòu)成。優(yōu)選地，至少一個(gè)探測器可操作地與頻率調(diào)節(jié)單元和/或所述檢測單元相連，所述探測器適用于對波導(dǎo)內(nèi)的和/或從波導(dǎo)發(fā)射的和/或從轉(zhuǎn)子葉片反射的電磁波的信號進(jìn)行探測。優(yōu)選地，探測器包括至少兩個(gè)特別為混合器的探測單元，所述探測單元存在相位差以便能為頻率調(diào)節(jié)單元的校準(zhǔn)程序和/或?yàn)闄z測單元的至少一個(gè)檢測參數(shù)的比較程序進(jìn)行相位檢測。優(yōu)選地，探測器被構(gòu)造為對朝葉片梢發(fā)射的電磁波信號以及反射的電磁波信號進(jìn)行探測。在頻率調(diào)節(jié)單元的校準(zhǔn)過程中和/或在檢測單元的至少一個(gè)檢測參數(shù)的比較中，對所探測的信號進(jìn)行計(jì)算的合適的算法是現(xiàn)有技術(shù)中已知的?；谥C振器的本發(fā)明的監(jiān)測裝置能提供以下優(yōu)勢，即使監(jiān)測裝置的尺寸與常規(guī)裝置相比更小。因此，還可以大大提高監(jiān)測裝置用于較小空間的渦輪機(jī)環(huán)境中的適用性。基于諧振器的本發(fā)明裝置具有較小的尺寸還有以下優(yōu)勢，即得到較小的目標(biāo)尺寸并因此具有更高的檢測分辨率。另外，利用諧振器的無功近場而不是連接天線的傳播場則使得檢測的準(zhǔn)確性進(jìn)一步提聞。頻率調(diào)節(jié)單元和檢測單元可以實(shí)現(xiàn)為一個(gè)單一的邏輯部件、程序代碼等、或作為獨(dú)立的單元。根據(jù)第一優(yōu)選的構(gòu)造，諧振器的側(cè)壁由構(gòu)成所述波導(dǎo)的中空管形成。中空管可以具有圓形、矩形或其它能導(dǎo)引波的形狀的截面。該諧振器在下文中將稱作空腔諧振器。所述空腔諧振器提供了以下優(yōu)點(diǎn)，即尺寸更小并且與現(xiàn)有的檢測裝置相比，對于轉(zhuǎn)子葉片的軸向位置敏感性更低?？梢允褂秒娊橘|(zhì)填充材料以進(jìn)一步減小空腔諧振器的尺寸。因此，空腔諧振器特別優(yōu)選的應(yīng)用領(lǐng)域在于小渦輪機(jī)的葉片梢間隙的檢測，特別是能適應(yīng)小安裝孔以及更小/更薄的葉片尺寸。根據(jù)第二優(yōu)選的構(gòu)造，波導(dǎo)包括經(jīng)過諧振器同軸地延伸的中心導(dǎo)體。該諧振器在下文中被稱為同軸諧振器。所述同軸諧振器提供了以下優(yōu)點(diǎn)，即其相對于空腔諧振器來說更小型化，從而使得探測目標(biāo)尺寸能更進(jìn)一步地減小。另外，可以得到基于時(shí)間急劇變化的完美波形。特別地，更陡的波形具有能提高時(shí)間分辨率的益處?？梢允褂秒娊橘|(zhì)填充材料以進(jìn)一步減小同軸諧振器的尺寸。因此，同軸諧振器的特別優(yōu)選的應(yīng)用區(qū)域是到達(dá)時(shí)間檢測，該到達(dá)時(shí)間檢測需要很小的目標(biāo)尺寸和基于時(shí)間急劇變化的波形以便能獲得高空間分辨率。優(yōu)選地，在空腔諧振器以及同軸諧振器的構(gòu)造中，對轉(zhuǎn)子葉片的監(jiān)測是基于與轉(zhuǎn)子葉片相互作用的無功近場和傳播場的結(jié)合。特別地，可以有利地利用無功近場的作用獲得與現(xiàn)有的監(jiān)測裝置相比檢測結(jié)果的更高的空間分辨率。優(yōu)選地，諧振器前端部處的孔口被保護(hù)蓋遮蓋。保護(hù)蓋優(yōu)選地用于防止諧振器的諧振腔的被污染。更優(yōu)選地，保護(hù)蓋包括用于高溫應(yīng)用的電介質(zhì)材料。優(yōu)選地，電磁波在諧振器內(nèi)且在保護(hù)蓋的相反側(cè)產(chǎn)生。優(yōu)選地，諧振器的諧振腔填充有電介質(zhì)材料。這樣，諧振器的尺寸可以進(jìn)一步減小。優(yōu)選地，對諧振器的長度進(jìn)行選擇使得諧振器在與激勵(lì)頻率對應(yīng)的波長的最多四分之三時(shí)發(fā)生諧振，更優(yōu)選地，在與激勵(lì)頻率對應(yīng)的波長的最多二分之一時(shí)發(fā)生諧振，最優(yōu)選地，在與激勵(lì)頻率對應(yīng)的波長的最多四分之一時(shí)發(fā)生諧振。在具有一定溫度梯度的渦輪機(jī)中，為了確保監(jiān)測裝置的功能，諧振器優(yōu)選地被構(gòu)造為對于預(yù)期的工作溫度范圍內(nèi)的所有溫度，所述諧振器對于在變化頻率范圍的至少一個(gè)頻率發(fā)生諧振。優(yōu)選地，所述工作溫度范圍包括至少為600K的溫度值，該溫度值更優(yōu)選地至少為900K，最優(yōu)選地至少為1300K。優(yōu)選地，上述工作溫度范圍還包括低于230K的低溫值。這樣，能承受特定的渦輪機(jī)環(huán)境(例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)或高壓渦輪機(jī)的高壓壓縮機(jī)的后級)的需要，。為了進(jìn)一步使監(jiān)測裝置能在特定渦輪機(jī)環(huán)境的惡劣工況中工作，諧振器優(yōu)選地包括耐至少900K溫度的材料，該溫度更優(yōu)選地為至少1300K。優(yōu)選地，諧振器的材料包括至少
一種耐高溫金屬或耐高溫金屬合金。為了使電磁波直接在波導(dǎo)中產(chǎn)生，波源優(yōu)選地連接到激勵(lì)探針，所述激勵(lì)探針延伸到諧振器的諧振腔內(nèi)。激勵(lì)探針的形狀可以是銷形、開環(huán)形、或閉環(huán)形，其中能將諧振器激勵(lì)到所需頻率范圍的其它形狀也是能想到的。在許多應(yīng)用中，由于環(huán)能提供良好的激勵(lì)特性，因此使用環(huán)是有利的。用于使激勵(lì)探針與波源相連的合適的傳輸線優(yōu)選地包括同軸電纜的內(nèi)部導(dǎo)體。更優(yōu)選地，激勵(lì)探針由內(nèi)部導(dǎo)體的端部構(gòu)成，所述內(nèi)部導(dǎo)體的端部從所述同軸電纜突出。優(yōu)選地,采用耐高溫同軸電纜。更優(yōu)選地，同軸電纜接合到諧振器的外表面并且內(nèi)部導(dǎo)體的突出的端部通過穿孔延伸到諧振腔內(nèi)。同軸電纜和諧振器之間的接合優(yōu)選地利用銅焊、鎢極惰性氣體保護(hù)(TIG)焊、激光焊或任何其它金屬至金屬接合工藝實(shí)現(xiàn)。根據(jù)第一優(yōu)選的構(gòu)造，激勵(lì)探針通過諧振器后端部中的孔與波源相連。根據(jù)第二優(yōu)選的構(gòu)造，激勵(lì)探針通過諧振器橫向的側(cè)壁中的孔與波源相連，更優(yōu)選地，所述孔設(shè)在所述側(cè)壁的接近所述后端部的端部。取決于相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域，對于諧振器在渦輪機(jī)中的安裝，這兩種構(gòu)造可能都是有利的。本發(fā)明還涉及一種渦輪機(jī)，在所述渦輪機(jī)中安裝有上面描述的監(jiān)測裝置。優(yōu)選地，對監(jiān)測裝置進(jìn)行安裝從而能夠?qū)崿F(xiàn)基于與轉(zhuǎn)子葉片相互作用的無功近場進(jìn)行檢測。因此，諧振器優(yōu)選地設(shè)置為對于預(yù)期的工作溫度范圍內(nèi)的所有溫度，所述前端部和正在經(jīng)過的葉片梢之間的徑向間隙最多為與渦輪機(jī)傳播介質(zhì)中的電磁波頻率相對應(yīng)的波長的四分之三，所述徑向間隙更優(yōu)選地最多為該波長的一半。優(yōu)選地，所述溫度范圍包括至少為600K的溫度值，該溫度值更優(yōu)選地為至少900K，最優(yōu)選地為至少1300K。優(yōu)選地，所述溫度范圍還包括低于230K的低溫值。優(yōu)選地，監(jiān)測裝置安裝在渦輪機(jī)的殼體內(nèi)。


在對優(yōu)選的示例性實(shí)施例的下述描述中，將參考附圖對本發(fā)明作出更詳細(xì)的描述。在圖中圖1是渦輪機(jī)的示意圖，該渦輪機(jī)包括用于對轉(zhuǎn)子葉片的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測的監(jiān)測裝置；圖2是圖1中所示的監(jiān)測裝置的更詳細(xì)的示意圖；圖3是能應(yīng)用在圖2所示的監(jiān)測裝置中的端部發(fā)射空腔諧振器的分解視圖；圖4是圖3中所示的諧振器的剖視圖；圖5是能應(yīng)用到圖2中所示的監(jiān)測裝置中的側(cè)部發(fā)射空腔諧振器的分解視圖；圖6是圖5中所示的諧振器的剖視圖；圖7是能應(yīng)用到圖2所示的監(jiān)測裝置中的同軸諧振器的分解視圖；圖8a、8b是圖7中所示的諧振器的剖視圖；圖9a_圖9d示意性地示出了具有各種實(shí)施方式的激勵(lì)探針的圖3_圖8中所示的諧振器；圖1Oa-圖1Od示意性地示出了具有各種實(shí)施方式的激勵(lì)探針的圖3_圖8中所示的諧振器的后端部。
具體實(shí)施例方式圖1中描述的渦輪機(jī)I包括轉(zhuǎn)子軸2，流動(dòng)通道4中的轉(zhuǎn)子葉片3固定在所述轉(zhuǎn)子軸上。流動(dòng)通道4在周向上鄰接圍繞各轉(zhuǎn)子葉片3的相應(yīng)葉片梢6的殼體5。在殼體5內(nèi)安裝有用于監(jiān)測轉(zhuǎn)子葉片3的工作狀態(tài)的監(jiān)測裝置7的諧振器。為了在某些渦輪機(jī)環(huán)境中提高檢測的可靠性，優(yōu)選地，該諧振器回退地安裝在殼體5內(nèi)，從而使得諧振器的前端部8與正在經(jīng)過的轉(zhuǎn)子葉片3的相應(yīng)葉片梢6之間的距離R比諧振器的前端部與和該前端部相靠近的殼體5的內(nèi)壁之間的距離更大。在其它渦輪機(jī)環(huán)境中，諧振器與正在經(jīng)過的轉(zhuǎn)子葉片3的葉片梢6之間的距離R也可以和諧振器與殼體5的內(nèi)壁之間的距離相同，或者諧振器延伸到殼體內(nèi)。在渦輪機(jī)I運(yùn)行期間，采用監(jiān)測裝置7來檢測與正在經(jīng)過的轉(zhuǎn)子葉片3的葉片梢6之間的距離R，即確定正在通過的葉片梢6的間隙。與標(biāo)準(zhǔn)值偏離表明渦輪機(jī)的效率不是最佳并且可能發(fā)生了漏流。監(jiān)測裝置7還用于檢測兩個(gè)轉(zhuǎn)子葉片3先后經(jīng)過的時(shí)間之間的時(shí)間差T和/或一個(gè)特定的轉(zhuǎn)子葉片3在旋轉(zhuǎn)一周或若干周后先后經(jīng)過的時(shí)間之間的時(shí)間差T。與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差，特別是與轉(zhuǎn)子軸2的旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)的偏差，表明轉(zhuǎn)子葉片3上發(fā)生了振動(dòng)。如果檢測到的振動(dòng)超過預(yù)定值，必須懷疑該轉(zhuǎn)子葉片3發(fā)生了損壞。圖2示意性地示出了監(jiān)測裝置7的組件和功能。監(jiān)測裝置7包括諧振器10，所述諧振器具有開口的環(huán)狀前端部8和具有較短的圓環(huán)部的后端壁部9。諧振器10橫向的側(cè)部由形成波導(dǎo)11的中空管構(gòu)成。優(yōu)選波導(dǎo)11的長度以得到所需的諧振器10的諧振頻率。開口的前端部8的孔口被保護(hù)蓋12遮蓋。因此，諧振器10是基于一段圓形、矩形或其它形狀的波導(dǎo)11，所述波導(dǎo)在其基頻傳播模(例如對圓形波導(dǎo)是TEll模)中工作。所述波導(dǎo)在其一個(gè)端部9終止于一較短的圓環(huán)部，在其另一個(gè)端部8由開口的環(huán)狀部終止，這樣，諧振波長例如大約等于處于工作頻率時(shí)的波長的四分之一。激勵(lì)探針14延伸過諧振器10的后端壁部9進(jìn)入到諧振器的諧振腔13中。該具體實(shí)施方式
的諧振器10在隨后將被稱作端部發(fā)射空腔諧振器。激勵(lì)探針14通過由同軸電纜組成的輸入傳輸線29與波源15相連。后端壁部9設(shè)有包括通孔的接合部21，同軸電纜29的中心導(dǎo)體16穿過所述通孔。這樣，諧振腔13能夠被激勵(lì)探針14激勵(lì)。因此，在波導(dǎo)11內(nèi)能產(chǎn)生具有諧振器10的諧振頻率的電磁波。波源15典型地工作在微波頻率并且諧振器10和激勵(lì)探針14為用于該頻率范圍而被優(yōu)化。來自傳輸線16的電磁信號在諧振時(shí)被引入到諧振腔13內(nèi)。微波諧振器10繼而在其開口的端部8處發(fā)射一部分電磁能量并產(chǎn)生傳播場(福射場)和無功場，所述傳播場(福射場)和所述無功場是從波源15發(fā)出的電磁場的不同的行為特征。不論是否存在接收電路，傳播場都從波源向外輻射能量。另一方面，在沒有接收電路的情況下，能量儲存在無功場中；而在存在接收電路的情況下，無功場傳輸能量。在諧振腔13的開口的端部8，存在無功近場分量以及傳播場分量，所述無功近場分量以及傳播場分量與在傳感器10的前面通過的任何目標(biāo)相互作用。無功近場分量提供橫向分辨率，而傳播場分量提供用于距離感測的縱向范圍。優(yōu)選地，渦輪機(jī)I的殼體5內(nèi)的諧振器10的布置使得前端部8和葉片梢6之間的徑向間隙R處于諧振器10的無功近場的優(yōu)選的檢測范圍RND內(nèi)。距離RND優(yōu)選地被定義為RND〈X/2，其中λ是諧振器10的發(fā)射波長。這使得能方便地利用無功近場和傳播場的聯(lián)合場的范圍來對轉(zhuǎn)子葉片3進(jìn)行監(jiān)測。原則上，為了避免對多個(gè)波長進(jìn)行檢測時(shí)的模糊性，在最多為發(fā)射波長的一半的無功近場范圍內(nèi)工作是優(yōu)選的。然而，也能想到在遠(yuǎn)場范圍工作。優(yōu)選地，葉片梢6位置處的監(jiān)測大部分依賴于具有能增加檢測的橫向分辨率的優(yōu)勢的無功近場分量。在諧振器10的開口的端部側(cè)8處，無功近場與傳播場的關(guān)系取決于諧振器10的橫向尺寸與波長的關(guān)系電氣尺寸越小，無功近場的比例就越高。在基于應(yīng)用需求對相位進(jìn)行設(shè)計(jì)期間，這一事實(shí)提供了指導(dǎo)。對空腔諧振器10的橫向尺寸進(jìn)行選擇使得對于工作頻率(例如24GHz)，相應(yīng)的波導(dǎo)11的主模能被傳播，而第一更高階模不能被傳播。這意味著空腔諧振器10的橫截面不能小于某一尺寸，該尺寸與給定尺寸下的主模的截止頻率相關(guān)聯(lián)。對空腔諧振器10填充電介質(zhì)材料使空腔諧振器的橫向尺寸能進(jìn)一步小型化?？涨恢C振器10的縱向尺寸也是由工作頻率給出。對該縱向尺寸進(jìn)行選擇使得在所述工作頻率實(shí)現(xiàn)諧振，所述縱向尺寸例如可以對應(yīng)于導(dǎo)波波長的四分之一。諧振器10的諧振頻率因此由諧振器的長度、諧振器的內(nèi)徑、保護(hù)蓋的介電常數(shù)及諧振器填充的電介質(zhì)材料(如果應(yīng)用的話)的介電常數(shù)限定。由于溫度變化弓丨起介電常數(shù)和尺寸的變化，因此諧振頻率取決于溫度。激勵(lì)探針14的位置、尺寸和形狀對將微波信號耦合到諧振器10內(nèi)作出了限定。應(yīng)當(dāng)對這些特征進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便實(shí)現(xiàn)諧振器10到同軸電纜29的中心導(dǎo)體16的關(guān)鍵的耦合。監(jiān)測裝置7還包括信號處理單元17，所述信號處理單元的功能是準(zhǔn)備和傳導(dǎo)為轉(zhuǎn)子葉片3的監(jiān)測過程而進(jìn)行處理的信號。為此目的，信號處理單元17包括頻率調(diào)節(jié)單元18以及檢測單元19。頻率調(diào)節(jié)單元18以及檢測單元19都至少與探測器20可操作地相連，所述探測器設(shè)置在傳輸線29的與諧振器10相反的端部。另外，頻率調(diào)節(jié)單元18可操作地與波源15相連。頻率調(diào)節(jié)單元18的功能是根據(jù)諧振器的各瞬時(shí)工況(如前所述，所述工況尤其受到瞬時(shí)工作溫度的影響)，將激勵(lì)探針14的激勵(lì)頻率設(shè)定在諧振器10的諧振頻率。為此目的，頻率調(diào)節(jié)單元18配置為在至少一個(gè)預(yù)定頻率帶內(nèi)對波源15的頻率進(jìn)行掃頻。通過改變從波源15傳輸?shù)男盘柕念l率，頻率調(diào)節(jié)單元18改變了波源15和諧振器10之間的相長度(phase length)的總量，以便對諧振進(jìn)行更準(zhǔn)確的定位(即諧振器10發(fā)生諧振的中心頻率)以及對輸入傳輸線16的相長度中的變化進(jìn)行檢測。上面的兩個(gè)參數(shù)都可以隨溫度發(fā)生變化，這是由于當(dāng)輸入傳輸線16或諧振器10中的材料被加熱時(shí)，介電常數(shù)發(fā)生變化。因此諧振器10的中心頻率易于隨溫度發(fā)生變化。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，在頻率掃頻中實(shí)施的相位檢測的結(jié)果可以作為參考相位使用，檢測單元19使用所述參考相位與從葉片梢6反射的電磁波的相位進(jìn)行比較。在環(huán)境中的溫度變化可以忽略的情況下，該參考相位不變。如果輸入傳輸線16以及諧振器10的溫度不變或不是變化太快，那么頻率掃頻可以基于周期(例如若干分鐘到若干小時(shí))進(jìn)行。優(yōu)選地，在惡劣環(huán)境中，用于檢測的掃頻以更快的速率重復(fù)進(jìn)行(例如在每秒一次的范圍內(nèi)(對于葉片梢間隙的檢測))或連續(xù)進(jìn)行(對于到達(dá)時(shí)間的檢測)。檢測單元19的功能是將朝向葉片梢發(fā)射的電磁波的至少一個(gè)檢測參數(shù)與從葉片梢反射的電磁波的相應(yīng)的檢測參數(shù)進(jìn)行比較。所述檢測參數(shù)包括為了進(jìn)行葉片梢間隙檢測和/或到達(dá)時(shí)間檢測而進(jìn)行測量的電磁波的相位和/或振幅。這樣，被諧振器反射的處于諧振的微波信號與不處于諧振的微波信號的檢測參數(shù)的差可以用于確定距離和/或性質(zhì)，所述性質(zhì)例如是在諧振器10的前面經(jīng)過的轉(zhuǎn)子葉片3的形狀。特別地，檢測單元19確定諧振器10的反射率的相位和/或發(fā)射的電磁波與反射的電磁波之間的振幅差。檢測單元19能以可靠的方式執(zhí)行該檢測，這是因?yàn)橹C振頻率已經(jīng)通過頻率調(diào)節(jié)單元18預(yù)先獲得并調(diào)節(jié)。這使得能考慮由于在渦輪機(jī)的惡劣環(huán)境中存在很大的熱力梯度而造成的尺寸的變化和介電常數(shù)的變化，并且使得即使諧振器10的諧振頻率隨溫度發(fā)生變化也能執(zhí)行準(zhǔn)確的檢測。因此，諧振器10的反射率的相位的改變(這特別是由于無功近場與目標(biāo)轉(zhuǎn)子葉片3的相互作用和/或傳播場與目標(biāo)轉(zhuǎn)子葉片3的相互作用)和/或發(fā)射的電磁波與反射的電磁波之間的振幅差提供了轉(zhuǎn)子葉片3的工作狀態(tài)的重要的監(jiān)測參數(shù)。
基于由探測器20探測的信號，檢測單元19執(zhí)行檢測參數(shù)的比較。為了進(jìn)行相位探測，探測器20包括存在相位差的至少兩個(gè)探測單元(尤其是混合器)。所述相位差優(yōu)選地等于90度。這樣，可以得到同相信號以及90度相移的信號。對應(yīng)于這兩種信號的向量的相位分量能根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中已知的算法得到。請注意，導(dǎo)致該向量以恒定值產(chǎn)生不需要的偏移的變化直流電(DC)分量能通過由頻率調(diào)節(jié)單元18執(zhí)行的頻率調(diào)節(jié)而有效地避免。因此，探測器20還能夠確定電磁波的振幅。圖3和圖4示出了第一可替換實(shí)施方式的諧振器25，該諧振器可以在圖2所示的裝置中的諧振器10處使用。此諧振器25也被稱作端部發(fā)射空腔諧振器25。對于與先前描述的諧振器10的相同的組成部件，以相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行標(biāo)記。在圖3和圖4中進(jìn)一步描述的是同軸電纜29,在所述同軸電纜中設(shè)有被電介質(zhì)22環(huán)繞的輸入傳輸線16。該輸入傳輸線16的一端部從同軸電纜29及同軸電纜的電介質(zhì)填充物22中突出到諧振腔13內(nèi)從而構(gòu)成了激勵(lì)探針28。激勵(lì)探針28呈曲線形狀。諧振器25的諧振腔13填充有電介質(zhì)材料27，所述電介質(zhì)材料通過將諧振腔的諧振頻率保持在期望值或期望值范圍從而使得諧振腔的橫向尺寸能被減小。諧振器25的后端部設(shè)有環(huán)形法蘭26，所述環(huán)形法蘭使得諧振器25能簡單地安裝在渦輪機(jī)I的殼體5內(nèi)。因此，該實(shí)施方式的空腔諧振器傳感器由基于波導(dǎo)的環(huán)形空腔諧振器本體25、輸入同軸電纜29、填充有電介質(zhì)材料27的諧振腔和保護(hù)蓋12組成，其中輸入同軸電纜29的內(nèi)部導(dǎo)體16作為激勵(lì)探針28。包括電介質(zhì)材料22和內(nèi)部導(dǎo)體16的輸入同軸電纜29能夠在很高的溫度下傳輸微波信號。諧振器本體25的長度與處于工作頻率的被導(dǎo)引波的波長的一部分相等。諧振器本體25的橫截面是圓形的，但所述橫截面也可以是矩形的或呈現(xiàn)任何適當(dāng)?shù)男螤?。諧振器本體25的橫截面被設(shè)計(jì)為使得波導(dǎo)11的主模在工作頻率傳播而其第一更高階模在工作頻率不傳播。優(yōu)選地，進(jìn)一步采用電介質(zhì)27而不是空氣來減少諧振腔的尺寸?？涨恢C振器本體25用耐高溫材料制造。優(yōu)選地，諧振器包括耐高溫金屬或耐高溫金屬合金?？商鎿Q地，可以使用任何能承受安裝需求和環(huán)境需求的材料。保護(hù)蓋12由用于高溫應(yīng)用的電介質(zhì)材料制成，并且所述保護(hù)蓋安裝在諧振器本體25的諧振腔13的前部。另夕卜，通過采用真空銅焊或擴(kuò)散結(jié)合而將保護(hù)蓋12密封到空腔諧振器本體25。所述輸入同軸電纜29和保護(hù)蓋12密封到空腔諧振器25以防止所述輸入同軸電纜29被污染和被氧化。高溫連接技術(shù)(例如銅焊或擴(kuò)散結(jié)合)用于連接空腔諧振器傳感器25的部件。接合部21典型地為激光焊接部或鎢極惰性氣體保護(hù)(TIG)焊接部。其它合適的材料和/或焊接技術(shù)在現(xiàn)有技術(shù)中已知。因此，諧振腔13是基于一段環(huán)狀波導(dǎo)11，所述環(huán)狀波導(dǎo)在其中一個(gè)端部9處為較短的圓盤狀部而在另一個(gè)端部8處為開口的環(huán)狀部。諧振腔填充電介質(zhì)材料27以進(jìn)一步減小諧振腔的尺寸。微波電纜29的內(nèi)部導(dǎo)體16形成了開環(huán)并作為激勵(lì)探針。激勵(lì)探針在諧振腔中激勵(lì)合適的模，所述模在本方案中是TElln模。由于所需要的是僅主模能在波導(dǎo)11中傳播，因此該諧振器25的所有可能的空腔模都是TElln類型的。圖5和圖6示出了第二可替換實(shí)施方式的諧振器30，該諧振器可以在圖2所示的裝置中的諧振器10處使用。此實(shí)施方式也被稱作側(cè)部發(fā)射空腔諧振器30。由此，對于與先前描述的實(shí)施方式10、25的相同的組成部件，將以相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行標(biāo)記。側(cè)部發(fā)射空腔諧振器30基本上與圖3和圖4中所示的端部發(fā)射空腔諧振器25相對應(yīng)，例外的是，側(cè)部發(fā)射空腔諧振器30的激勵(lì)探針31從側(cè)壁32延伸到諧振腔13內(nèi)。因此，接合部21位于側(cè)壁32的端部。除了該區(qū)別以外，側(cè)壁32實(shí)質(zhì)上對應(yīng)于諧振器25的波導(dǎo)11。相應(yīng)地，諧振器30的后端部33大體上對應(yīng)于諧振器25的較短的圓盤狀的后端部9，不同的是，諧振器30的后端部33沒有設(shè)置用于同軸電纜的接合部。因此，側(cè)部發(fā)射空腔諧振器傳感器由基于波導(dǎo)的環(huán)狀的空腔諧振器本體30、輸入同軸電纜29、諧振腔填充的電介質(zhì)材料27以及保護(hù)蓋12組成，其中所述輸入同軸電纜29的內(nèi)部導(dǎo)體16作為激勵(lì)探針。包括電介質(zhì)材料22和內(nèi)部導(dǎo)體16的輸入同軸電纜29能夠在很高的溫度下傳輸微波信號。側(cè)部發(fā)射空腔諧振器傳感器與端部發(fā)射空腔諧振器傳感器30,25的主要區(qū)別在于側(cè)部發(fā)射空腔諧振器傳感器諧振腔內(nèi)的基模是在其側(cè)部32而不是在其端部33激發(fā)的。諧振腔填充的電介質(zhì)材料27用于進(jìn)一步減小諧振腔13的尺寸。通過采用真空銅焊或擴(kuò)散結(jié)合而將保護(hù)蓋12密封到空腔諧振器本體32。耐高溫微波電纜29密封到空腔諧振器本體30。微波電纜29的內(nèi)部導(dǎo)體16形成了突出到諧振腔13內(nèi)的銷部31，所述銷部作為激勵(lì)探針。包括輸入同軸電纜29的電介質(zhì)材料22及內(nèi)部導(dǎo)體16的所述輸入同軸電纜29能夠在很高的溫度下傳輸微波信號。圖7和圖8a、8b示出了第三可替換實(shí)施方式的諧振器40，該諧振器可以在圖2所示的裝置中的諧振器10處使用。此實(shí)施方式的諧振器被稱作同軸諧振器40。對于與先前描述的實(shí)施方式10、25、30相同的組成部件，將以相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行標(biāo)記。諧振器40基本上與圖3和圖4中所示的諧振器25相對應(yīng)，例外之處如下首先，諧振腔13內(nèi)設(shè)置有中心導(dǎo)體41，所述中心導(dǎo)體41與諧振腔13同軸地延伸經(jīng)過諧振腔13的全長并構(gòu)成了諧振器40的波導(dǎo)。第二，諧振器40側(cè)壁42的總體形狀與諧振器25的中空管11相對應(yīng)，但其橫截面的尺寸能有利地被減小。另外，激勵(lì)探針43的形狀不同。具體而言，同軸諧振器40包括外導(dǎo)體42和內(nèi)導(dǎo)體41，它們具有相同的軸線。同軸諧振器40在其后端部9由較短的圓盤狀部終止而在其前端部由開口的環(huán)狀部終止。同軸諧振器40還設(shè)置有輸入同軸電纜29，所述輸入同軸電纜提供激勵(lì)探針43。在此示例中，激勵(lì)探針43是閉環(huán)并且對同軸諧振器40進(jìn)行激勵(lì)。優(yōu)化激勵(lì)探針的尺寸、形狀和位置以便在期望的工作頻率下獲得良好的阻抗匹配。保護(hù)蓋12保護(hù)同軸諧振器40的前端部。同軸諧振器40可以填充空氣或任何其它合適的電介質(zhì)。對同軸諧振器40的長度進(jìn)行選擇以便實(shí)現(xiàn)同軸諧振器40的縱向諧振。對同軸諧振器40的橫截面尺寸進(jìn)行選擇從而使得僅主TEM模傳播到相應(yīng)的傳輸線中。對于低溫應(yīng)用，即通常不超過500K，保護(hù)蓋12可以膠合密封到外導(dǎo)體42。對于中溫應(yīng)用，即通常不超過900K，在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)考慮不同材料的熱膨脹以及熱梯度。高溫連接技術(shù)，例如銅焊或擴(kuò)散結(jié)合，通常用于將保護(hù)蓋12連接到外導(dǎo)體42。通過選擇具有低熱膨脹系數(shù)的較佳的合金或金屬，傳感器40的可靠性會進(jìn)一步提高。圖8a、8b中所示的高溫接合部21可以是凹部從而進(jìn)一步提聞該聞溫接合部的壽命周期。因此，同軸諧振器40與諧振器10、25、35基于同樣的原理。同軸諧振器40與空腔諧振器10、25、35的主要區(qū)別在于波導(dǎo)是基于一段剛性同軸傳輸線41而不是空心波導(dǎo)11、32。其主要優(yōu)點(diǎn)是由于同軸傳輸線41的主模是具有零截止頻率的TEM (橫向電磁場)模，因此同軸諧振器可以實(shí)現(xiàn)更加小型化。這意味著同軸諧振器40不存在理論上的最小橫截面尺寸，所述最小橫截面尺寸僅由制造問題決定。然而必須對上述橫截面進(jìn)行選擇以使得第一更高階模低于用于工作頻率的截止頻率。對同軸諧振器40的長度進(jìn)行選擇以使得同軸諧振器40在工作頻率發(fā)生諧振。例如，同軸諧振器的長度可以對應(yīng)于被引導(dǎo)波波長的四分之一，但其它方案也是可能的。圖9a_圖9d示意性地描繪了基于環(huán)狀波導(dǎo)的空腔諧振器25、30的剖視圖，其中示出了激勵(lì)探針36-39的各種不同的實(shí)施方式。L是諧振器25、30、40的長度，例如等于在工作頻率時(shí)被導(dǎo)引波波長的四分之一。D是外徑而d是內(nèi)徑。對參數(shù)L、D、d進(jìn)行選擇以使得在工作頻率時(shí)波導(dǎo)的主模傳播而第一更高階模不傳播。另外，示出了輸入傳輸線16 (在該方案中是同軸電纜)和保護(hù)蓋12。在端部發(fā)射諧振器25以及側(cè)部發(fā)射諧振器30的方案中，激勵(lì)探針例如可以是耦合銷38或耦合環(huán)36、37、39。更準(zhǔn)確地說，耦合環(huán)可以是開環(huán)36或閉環(huán)37、39。請注意，這些激勵(lì)探針36-39以及它們在后端部或側(cè)壁上相應(yīng)的布置也可以應(yīng)用到同軸諧振器40中。圖1Oa-圖1Of示意性地示出了諧振腔后壁9上的激勵(lì)探針46_51的另外的實(shí)施方式，此實(shí)施方式也可以應(yīng)用在諧振腔的側(cè)壁上。在耦合銷49的位置，可以想到也可以設(shè)置開環(huán)47、50、51或閉環(huán)46、48。另外，可以采用圓弧狀環(huán)46、47或矩形狀環(huán)48、50、51。激勵(lì)探針36-39、46_51的位置、尺寸和形狀對將微波信號耦合到諧振器內(nèi)作出了限定。應(yīng)當(dāng)對這些特征進(jìn)行調(diào)節(jié)以便得到諧振器到輸入傳輸線的關(guān)鍵的耦合。在很多情況中，耦合環(huán)36、37、39、46-48、50-51，特別是閉環(huán)37、39、46、48，可以提供激勵(lì)特性較好的優(yōu)點(diǎn)。上面描述的優(yōu)選實(shí)施方式旨在闡釋本發(fā)明的原理，但不是對本發(fā)明范圍的限制。在不偏離本發(fā)明范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到各種其它的實(shí)施方式以及對上述優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種用于從面對正在經(jīng)過的轉(zhuǎn)子葉片(3)的葉片梢(6)的位置對渦輪機(jī)(I)的轉(zhuǎn)子葉片(3)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測的監(jiān)測裝置，所述監(jiān)測裝置包括用于產(chǎn)生電磁波的波源(15) 以及用于將所述電磁波導(dǎo)向所述葉片梢(6)的波導(dǎo)(11，32，41)，其特征在于，在一諧振器 (10,25,30,40)中包括所述波導(dǎo)(11，32，41)，所述諧振器在所述波導(dǎo)(11，32，41)上限定了至少一個(gè)離散的電磁波諧振頻率，所述諧振器在其前端部(8 )處包括孔口，電磁波的一部分能量能穿過所述孔口朝所述葉片梢(6)發(fā)射，并且所述監(jiān)測裝置還包括頻率調(diào)節(jié)單元(18) 和檢測單元(19)，所述頻率調(diào)節(jié)單元被構(gòu)造為在各瞬時(shí)工況下將電磁波的頻率設(shè)定為所述諧振器(10，25，30，40)的諧振頻率；所述檢測單元被構(gòu)造為將朝所述葉片梢(6)發(fā)射的電磁波的至少一個(gè)檢測參數(shù)與從所述葉片梢(6)反射的電磁波的相應(yīng)的檢測參數(shù)進(jìn)行比較。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測裝置，其特征在于，所述頻率調(diào)節(jié)單元(18)被構(gòu)造為使電磁波頻率在至少一個(gè)預(yù)定的頻率范圍內(nèi)變化并基于該頻率變化確定所述諧振頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的監(jiān)測裝置，其特征在于，所述諧振器(10，25，30，40)被構(gòu)造為對于預(yù)期的工作溫度范圍內(nèi)的所有溫度，所述諧振器對于所述頻率范圍的至少一個(gè)頻率發(fā)生諧振。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的監(jiān)測裝置，其特征在于，所述工作溫度范圍包括一至少600K 的溫度值，所述溫度值更優(yōu)選地為900K，所述溫度值最優(yōu)選地為1300K。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的監(jiān)測裝置，其特征在于，所述諧振器(10，25，30，40)包括至少耐900K溫度的材料，所述材料更優(yōu)選地至少耐1300K溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的監(jiān)測裝置，其特征在于，所述檢測單元(19)配置有邏輯部分，從而將對檢測參數(shù)進(jìn)行的所述比較與所述諧振器(10，25，30，40)和所述葉片梢 (6 )之間的徑向間隙(R)相關(guān)聯(lián)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的監(jiān)測裝置，其特征在于，所述檢測單元(19)配置有邏輯部分，從而將對檢測參數(shù)進(jìn)行的所述比較與一時(shí)間差(T)相關(guān)聯(lián)，所述時(shí)間差是一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片(3)或兩個(gè)不同的轉(zhuǎn)子葉片(3)先后經(jīng)過的時(shí)間之間的時(shí)間差。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的監(jiān)測裝置，其特征在于，所述諧振器(10，25，30，40)的側(cè)壁由中空管(11，32)形成，從而構(gòu)成了所述波導(dǎo)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的監(jiān)測裝置，其特征在于，所述波導(dǎo)由同軸地延伸穿過所述諧振器(10，25，30，40 )的中心導(dǎo)體(41)構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9之一所述的監(jiān)測裝置，其特征在于，所述檢測參數(shù)包括電磁波的相位。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10之一所述的監(jiān)測裝置，其特征在于，所述檢測參數(shù)包括電磁波的振幅。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11之一所述的監(jiān)測裝置，其特征在于，所述孔口被保護(hù)蓋(12)遮至 JHL ο
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12之一所述的監(jiān)測裝置，其特征在于，所述波源(15)與激勵(lì)探針 (14，28，31，43，36-39，46-51)相連，所述激勵(lì)探針延伸到所述諧振器(10，25，30，40)的諧振腔(13)內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13之一所述的監(jiān)測裝置，其特征在于，所述諧振器(10，25，30，40)的諧振腔(13 )填充有電介質(zhì)材料(27 )。
15.一種渦輪機(jī)，其特征在于所述渦輪機(jī)包括權(quán)利要求1-14之一所述的監(jiān)測裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的渦輪機(jī)，其特征在于，所述諧振器(10，25，30，40)設(shè)置為使得對于預(yù)期的工作溫度范圍內(nèi)的所有溫度，所述前端部(8)和正在經(jīng)過的葉片梢(6)之間的徑向間隙(R)最多為與電磁波頻率相對應(yīng)的波長的四分之三，所述徑向間隙更優(yōu)選地最多為該波長的一半。
17.一種從面對正在經(jīng)過的轉(zhuǎn)子葉片(3)的葉片梢(6)的位置對渦輪機(jī)(I)的轉(zhuǎn)子葉片的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測的監(jiān)測方法，其中由波源(15)產(chǎn)生電磁波并將該電磁波導(dǎo)向葉片梢 (6)，其特征在于，在所述諧振器(10，25，30，40)中產(chǎn)生所述電磁波，所述諧振器限定了至少一個(gè)離散的電磁波諧振頻率，其中在各瞬時(shí)工況下將電磁波的頻率設(shè)定為所述諧振器(10， 25,30,40)的諧振頻率，并使電磁波的一部分能量從諧振器朝向葉片梢(6)發(fā)射，并且將導(dǎo)向葉片梢(6)的電磁波的至少一個(gè)檢測參數(shù)與從葉片梢(6)反射的電磁波的相應(yīng)的檢測參數(shù)進(jìn)行比較。
全文摘要
一種用于從面對正在經(jīng)過的轉(zhuǎn)子葉片的葉片梢的位置對渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測的裝置和方法，所述裝置包括用于產(chǎn)生電磁波的波源以及用于將電磁波導(dǎo)向葉片梢的波導(dǎo)。為了在惡劣的渦輪機(jī)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對葉片的可靠監(jiān)測，尤其是提高檢測準(zhǔn)確性，本發(fā)明提出在一諧振器中包括所述波導(dǎo)，諧振器在波導(dǎo)上限定了至少一個(gè)離散的電磁波諧振頻率，諧振器在其前端部處包括孔口，電磁波的一部分能量能穿過所述孔口朝葉片梢發(fā)射，并且監(jiān)測裝置還包括被構(gòu)造為使電磁波的頻率在各瞬時(shí)工況下處于諧振器的諧振頻率的頻率調(diào)節(jié)單元，和被構(gòu)造為將朝葉片梢發(fā)射的電磁波的至少一個(gè)檢測參數(shù)與從葉片梢反射的電磁波的相應(yīng)的檢測參數(shù)進(jìn)行比較的檢測單元。
文檔編號G01B15/00GK102997872SQ201210341769
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月16日
發(fā)明者徐勤, G·喬納森, E·杰拉德, V·馬達(dá)雷納, S·F·安亞 申請人:梅吉特股份有限公司