實現(xiàn)全覆蓋渦輪燃燒室的分布式裂縫及脫落瓷磚檢測的方法及設備的制作方法
【專利摘要】一種用于對氣體渦輪發(fā)動機的燃燒室中的瓷磚（34）的狀況進行監(jiān)測的部件傳感系統(tǒng)。該傳感系統(tǒng)包括光纖（36），該光纖安裝至受監(jiān)測的部件，例如，氣體渦輪燃燒室中的瓷磚（34）。光纖（36）可以以任意合適的取向或構造來形成，如彎曲取向或蛇形取向。光纖光耦接至布里淵信號分析儀（38），該分析儀向光纖的傳感段提供光脈沖，并且隨著脈沖沿光纖行進對來自光纖的布里淵反向散射進行檢測。相對于沿光纖的傳感段的距離來監(jiān)測布里淵反向散射信號（44）的頻率。溫度上升的光纖位置處在分析儀中示為反向散射信號的頻率的增加。
【專利說明】實現(xiàn)全覆蓋渦輪燃燒室的分布式裂縫及脫落瓷磚檢測的方法及設備
【技術領域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及利用布里淵反向散射來監(jiān)測部件中的缺陷的傳感器系統(tǒng)，更具體地，涉及對部件中的缺陷進行檢測的這樣一種傳感器系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)包括與該部件耦接的光纖以及與該光纖耦接的布里淵信號分析儀，布里淵信號分析儀響應于被測變量的例如溫度的變化來檢測在沿該光纖的可識別位置處的布里淵反向散射信號的頻率的變化。
【背景技術】
[0002]所有的光纖響應于通過光纖傳播并且與玻璃纖維或其他纖維材料相互作用的光束來生成反向散射信號，這稱為布里淵反向散射并且為本領域技術人員所熟知。反向散射信號的頻率與光束的頻率、光纖的材料以及光纖內(nèi)起作用的具體被測變量有關，其中，反向散射信號的頻移與被測變量的變化直接相關。該被測變量可以是引起光纖的玻璃基體的變化的溫度、壓力、界面等。
[0003]已經(jīng)在通信行業(yè)中使用布里淵反向散射分析來確定光纖中的切口、斷裂、界面等的位置。當通過光纖傳播的光束與這些類型的轉(zhuǎn)變點(transitions)相互作用時，反向散射信號的頻率改變，這可以在布里淵信號分析儀中觀察到，該分析儀對與沿光纖的距離有關的布里淵反向散射頻率進行繪圖。此外，已經(jīng)使用布里淵光時域反射儀(BOTDR，BrillouinOptical Time Domain Reflectometer)開發(fā)了傳感器和傳感器系統(tǒng)，以作為分布式光纖傳感器沿著光纖的長度查詢光纖。已經(jīng)證明這些系統(tǒng)在通信應用中是成功的，但是作為傳感器是受限的。特別地，在高溫監(jiān)測領域，尚沒有可以傳送實際所需的必要空間分辨率和溫度動態(tài)范圍的B0TDR。
[0004]氣體渦輪發(fā)動機通常包括壓縮段、燃燒段以及渦輪段，其中，發(fā)動機的運轉(zhuǎn)以本領域的技術人員很好理解的方式使輸出軸轉(zhuǎn)動以提供轉(zhuǎn)動能。氣體渦輪發(fā)動機具有作為能量源的各種已知應用，如發(fā)電廠中的發(fā)電機、飛機發(fā)動機、船舶發(fā)動機等。壓縮段和渦輪段兩者都包括相對于固定的靜葉片定位的多個可轉(zhuǎn)動的動葉片。燃燒段可以包括圍繞渦輪發(fā)動機環(huán)繞定位的多個燃燒室。空氣吸進壓縮段中，在這里將空氣進行壓縮并且驅(qū)向燃燒段。燃燒段將空氣與燃料混合，在這里將燃料點燃以生成溫度通常超過1300°C的工作氣體。工作氣體膨脹通過渦輪段，并且使渦輪動葉片轉(zhuǎn)動，進而使輸出軸轉(zhuǎn)動，由此提供機械功?？梢栽谵D(zhuǎn)讓給本申請的受讓人并且通過引用結合在本文中的標題為“Apparatus and Methodof Monitoring Operating Parameter of a Gas Turbine (對氣體潤輪的運轉(zhuǎn)參數(shù)進行監(jiān)測的設備及方法)”的美國專利N0.7，582，359中找到該類型的氣體渦輪發(fā)動機的更詳細討論。
[0005]在一種氣體渦輪發(fā)動機設計中，燃燒段包括圍繞發(fā)動機的整個圓周設置的環(huán)形燃燒室。將燃料注入使燃料點燃的室內(nèi)的燒嘴設置在燃燒段周圍。因為燃燒室中的溫度非常高，所以已知的是，將能夠承受和限制熱耗散的瓷磚安裝至室的基底金屬，以保護渦輪中的各種部件。然而，由于嚴酷的燃燒環(huán)境，這些瓷磚有時損壞并且形成裂縫，或者從基底金屬脫落，這會造成如繼發(fā)性損壞的各種災難性的機器故障等。在發(fā)動機的正常維護期間、以及在出現(xiàn)超過某個加速閾值的燃燒動態(tài)事件后，對氣體渦輪發(fā)動機的燃燒室進行定期地目視檢查。然而，希望能夠在渦輪運轉(zhuǎn)期間連續(xù)地監(jiān)測瓷磚的情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本發(fā)明的教導，公開了一種部件傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)的一個應用是對氣體渦輪發(fā)動機的燃燒室中的瓷磚的狀況進行監(jiān)測。該傳感系統(tǒng)包括光纖，該光纖安裝至受監(jiān)測的部件，例如，氣體渦輪燃燒室中的瓷磚。光纖可以以任意合適的取向或構造來形成，例如，彎曲取向或蛇形取向。光纖被光耦接至布里淵信號分析儀，布里淵信號分析儀向光纖的傳感段提供光脈沖，并且隨著脈沖沿光纖行進對來自光纖的布里淵反向散射進行檢測。相對于沿光纖的傳感段的距離來監(jiān)測布里淵反向散射信號的頻率。由于特定瓷磚損壞或脫掉而導致光纖的某一位置處的溫度上升在分析儀中顯示為反向散射信號的頻率的增加。
[0007]結合附圖，根據(jù)以下描述和所附權利要求，本發(fā)明的其他特征將會很明顯。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是氣體渦輪發(fā)動機的燃燒段部分的剖切透視圖；
[0009]圖2是可對圖1中所示的氣體渦輪發(fā)動機的燃燒段中的瓷磚的損壞以可操作的方式進行檢測的分布式溫度異常檢測系統(tǒng)的平面圖；以及
[0010]圖3是示出光纖中的各個層的剖切透視圖。
【具體實施方式】
[0011]涉及對布里淵反向散射進行監(jiān)測的傳感系統(tǒng)的本發(fā)明的實施方式的以下討論本質(zhì)上僅是示例性的，并不意圖限制本發(fā)明或本發(fā)明的應用或用途。特別地，以下討論涉及使用傳感系統(tǒng)來檢測氣體渦輪發(fā)動機的燃燒室中的瓷磚的損壞。然而，如本領域的技術人員將會理解的，本發(fā)明的傳感系統(tǒng)將具有其他應用和其他用途。
[0012]圖1是上面簡要討論的類型的氣體渦輪發(fā)動機的燃燒段10的剖切透視圖。燃燒段10包括接收空氣流和合適燃料的環(huán)形燃燒室12，燃料通過在燃燒段10的外壁24環(huán)繞安裝的一系列氣體噴射器14注入室12中。通過室12中的燃料燃燒而生成的加熱氣體通過轉(zhuǎn)動動葉片28吸至室12中的靜葉片16之間的發(fā)動機的渦輪段(未示出)，并且用于使軸(未示出)轉(zhuǎn)動以做功。燃燒室12為環(huán)形，并且具有外壁20所環(huán)繞包圍的圓柱形中心構件18，外壁20限定了其與圓柱形中心構件18之間的室12。一系列或一組瓷磚22以本領域的技術人員很好理解的方式安裝至構件18和外壁20。本領域的技術人員很好理解的是，瓷磚22由限制熱量散發(fā)到燃燒室12的外殼和轉(zhuǎn)子側金屬結構的高溫陶瓷材料制成，以保護燃燒室12的基底金屬。為了本文討論的目的，瓷磚22可以具有任何合適的厚度和任何合適的尺寸，如3英寸X4英寸。如上面所討論的，如果瓷磚22形成裂縫、或脫落或其他損壞，則可能發(fā)生嚴重的發(fā)動機故障。產(chǎn)生的最嚴重問題是整個瓷磚22或瓷磚22的一部分從室12脫落。該瓷磚22可以阻隔第一氣體渦輪靜葉片正上游側的這部分氣體流動區(qū)域，導致下游出現(xiàn)靜壓力比周圍流動路徑更高的滯流區(qū)域。因此，在一個回轉(zhuǎn)期間，每個渦輪動葉片面對高壓區(qū)域和低壓區(qū)域，這可能導致動葉片故障和嚴重的渦輪損壞。[0013]圖2 是分布式溫度異常檢測(DTAD, distributed temperature anomalydetector)系統(tǒng)30的平面圖，該系統(tǒng)適于在氣體渦輪發(fā)動機運轉(zhuǎn)期間對瓷磚22的裂縫或其他損壞進行檢測。DTAD系統(tǒng)30包括具有傳感段的高溫DTAD光纖36，傳感段安裝在燃燒室12中壁18和壁20的基底金屬與瓷磚22之間?？梢允褂萌魏魏线m的技術或工藝，如在壁18和壁20的表面或瓷磚22的后表面中形成可以將光纖36定位在其中的溝槽,將光纖36設置在該位置?？梢圆捎煤线m的高溫水泥將光纖36可靠地保持在適當?shù)奈恢?。作為系統(tǒng)30的一部分的瓷磚22表示為瓷磚34的陣列32，特別是一排矩形瓷磚。在該非限制性實施方式中，光纖36不為相對于瓷磚34的后表面以蛇形或彎曲取向安裝,使得光纖36沿陣列32來回穿行并且5次穿過每個瓷磚34。在每個單獨的瓷磚34上的光纖36的分辨率或覆蓋率的量將是這樣的具體應用:能夠根據(jù)系統(tǒng)的不同來調(diào)整光纖36的長度和取向。
[0014]系統(tǒng)30包括布里淵信號分析儀38，該分析儀生成沿光纖36傳播的預定頻率的脈沖信號，其中，信號與光纖36的玻璃基體或其他材料相互作用并且生成如上討論的布里淵反向散射信號。分析儀38接收示為示蹤信號44的布里淵反向散射信號，并且相對于沿著光纖36的距離來顯示信號44的頻率，其中，沿光纖36的位置限定瓷磚34上的位置。分析儀38包括可以通過合適的光連接器42與光纖36光耦接的光纖40。以這種方式，如果希望僅在瓷磚測試期間將分析儀38與光纖36連接，則可以將分析儀38與光纖36分離?？蛇x地，分析儀38可以是氣體渦輪發(fā)動機的固定部分，在這種情況下光纖36自身與分析儀38耦接。
[0015]在該非限制性實施方式中，分析儀38所提供的脈沖信號生成15GHz的反向散射外差信號作為示蹤信號44，其中，入射/反向散射頻移由光纖36的芯的材料和脈沖信號的頻率來確定。位置XO表示光纖36的傳感段開始被安裝到瓷磚34的位置，位置Xend表示光纖36的末端。在該示例中，沿光纖36的位置X1、X2和X3示出溫度異常，這些位置具有相對于它們在瓷磚34上的位置的已知位置。在該具體示例中，在位置Xl和X2處的瓷磚34已經(jīng)形成裂縫、脫掉或其他損壞，其中，在這些位置處暴露的或部分暴露的光纖36的溫度與在氣體渦輪發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)期間會另外產(chǎn)生的溫度相比升高。特別地，在該示例中，溫度是反向散射信號的頻率發(fā)生改變的被測變量。光纖36中的這些“熱點”使得布里淵示蹤信號44的頻率升高，如分析儀38中的位置Xl和X2處的異常46所表明的那樣。同樣地，在位置X3，在瓷磚34上的那個位置已沉淀了使光纖36的溫度降低的殘渣、涂層等，諸如碳渣，這造成如信號蹤跡44中的異常48所示的布里淵反向散射信號的頻率上的降低。
[0016]光纖36可以包括由適合本文所討論的目的的多種材料制成的多個層。通常來說，光纖包括玻璃芯和包圍該芯的玻璃包層，其中，包層的折射率小于芯的折射率，以使得與芯/包界面相互作用的沿芯傳播的光被反射回芯中，只要相互作用的入射角小于基于芯和包層的折射率來確定的臨界角即可。圍繞包層布置一個或更多個外部保護層來保護芯和包層。通常來說，芯的直徑非常小，大約小于10 量級，以限制芯中的傳播模式的數(shù)量。
[0017]圖3是可以用作光纖36并且包括上述類型的光芯52和外包層54的光纖50的一段的剖切透視圖。在該實施方式中，在包層54周圍設置第一涂覆層56，并且在第一涂覆層56周圍設置第二涂覆層58。涂覆層56和涂覆層58的厚度可以是適合本文所討論的應用的任何厚度。例如，第二涂覆層58的厚度可以在900 iim至1200ii m之間。根據(jù)特定應用和預期的熱量，芯和包層可以由能夠承受溫度約1500°C (2732 T)的合適的高溫光纖材料制成。藍寶石是能夠承受這些高溫并且適合作為光纖材料的一種已知材料。
[0018]此外，根據(jù)應用，涂覆層56和涂覆層58可以由增強或放大光纖50的加熱的材料制成，如金屬材料，例如，金。換句話說，為了確保承載布里淵信號的芯52響應于瓷磚22中的缺陷而足夠快速地被加熱并且加熱至足夠顯著的程度，可以使用使光纖50的加熱增強的材料來包圍芯52，在這種情況下分析儀38將迅速且容易地檢測到該溫度。此外，對于那些溫度可能非常高并且光纖50可以非常快地進行加熱的應用，涂覆層56和涂覆層58可以由阻熱的材料(如陶瓷材料)制成。
[0019]上面的討論明確用于檢測氣體渦輪發(fā)動機的燃燒室內(nèi)的瓷磚的損壞。然而，如所提到的，DTAD系統(tǒng)將具有其他應用。例如，DTAD系統(tǒng)可以用于檢測蒸汽泄漏，其中，DTAD線纜鄰接關鍵蒸汽管道和導管連接點、包括渦輪外殼接頭的接頭和穿透件來走線。如果發(fā)生蒸汽泄漏，則熱蒸汽將與識別該泄漏的DTAD光纖的一段接觸。
[0020]在另一示例中，DTAD可以用于流排放罐功能驗證。在該實施方式中，DTAD光纖沿排放罐和相關管道來走線。如果排放罐下游的溫度上升后沒有啟動排放罐，則分析儀可以對該事件進行檢測，這可識別排放罐位置。另外，能夠?qū)Σ糠肿枞托孤┑呐欧徘闆r進行檢測。
[0021]DTAD系統(tǒng)還可以用于監(jiān)測發(fā)電機集電刷。在該實施方式中，DTAD光纖在集電刷組件上方走線。過高的電刷電流情況導致電刷組件的加熱，這可以由分析儀檢測到。可以通過比較所有的集電刷組件的溫度來檢測低電刷電流情況，如表現(xiàn)不佳的電刷集電組件，在這種情況下，基于偏差測量發(fā)出警報。
[0022]DTAD系統(tǒng)還可以用于監(jiān)測等相總線松緊鏈路(flex links)。在該實施方式中，DTAD光纖沿著與每條松緊鏈路接觸的總線的長度來走線，在這種情況下，能夠監(jiān)測一個接頭處的十二個松緊鏈路。分析儀可以監(jiān)測接頭處的過高溫度，在這種情況下，可以比較所有松緊鏈路的溫度，并且如果檢測到異常低的鏈接溫度，則可以發(fā)出包括非傳導鏈路的位置的警報。
[0023]DTAD系統(tǒng)還可以用在煙道補償器中。在該實施方式中，在開放環(huán)境中DTAD線纜可以布置在煙道補償器正上方或靠近煙道補償器布置。如果存在泄漏，則熱煙道氣體加熱傳感光纖并且分析儀檢測該泄漏。
[0024]DTAD系統(tǒng)還可以用于監(jiān)測HRSG頭焊縫泄漏。在該實施方式中，DTAD沿著HRSG頭焊縫走線，并且如果發(fā)生焊縫故障，則熱氣體將加熱光纖。
[0025]DTAD系統(tǒng)還可以用作轉(zhuǎn)換器的監(jiān)測器。在該實施方式中，DTAD光纖沿著已經(jīng)經(jīng)歷過損壞(如損失的金屬部分)的地方的轉(zhuǎn)換器的外表面和連接接頭走線。導致冷卻氣體增加的金屬損失造成DTAD溫度降低。
[0026]前述討論僅公開和描述了本發(fā)明的示例實施方式。本領域的技術人員將從這樣的討論中、以及從附圖和權利要求中容易地認識到，在不脫離如下面的權利要求中所限定的本發(fā)明的范圍的情況下，可以在其中進行各種改變、變形以及變化。
【權利要求】
1.一種用于對部件的故障進行檢測的傳感器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 光纖，其相對于所述部件來安裝并且具有與所述部件上的位置對應的預定長度；以及 與所述光纖耦接的布里淵反向散射信號分析儀，所述布里淵信號分析儀提供沿所述光纖傳播的脈沖光信號，并且對來自所述光纖的布里淵反向散射信號進行分析；所述分析儀相對于所述光纖的長度來識別所述布里淵反向散射信號的頻率，其中，被測變量在沿所述光纖的長度的特定位置處的變化識別為在所述特定位置處所述布里淵反向散射信號的頻率的變化。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述光纖以蛇形取向安裝至所述部件。
3.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述被測變量是溫度，在這種情況下，在特定位置處所述光纖的溫度的變化引起所述布里淵反向散射信號的頻率的變化。
4.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述光纖包括由藍寶石材料制成的光纖芯和包層。
5.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述光纖包括光纖芯、包層和圍繞所述包層形成的至少一個外部保護層，所述至少一個外部保護層由熱增強材料制成。
6.根據(jù)權利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述熱增強材料是金屬材料。
7.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述金屬材料是金。
8.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述光纖包括光纖芯、包層和圍繞所述包層形成的至少一個外部保護層，所述至少一個外部保護層由熱阻材料制成。
9.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述部件是安裝至氣體渦輪發(fā)動機的燃燒室內(nèi)的壁的一系列瓷磚。
10.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述光纖設置在所述壁與所述瓷磚之間。
11.一種用于對部件的故障進行檢測的傳感器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 光纖，其相對于所述部件來安裝并且具有與所述部件上的位置對應的預定長度，所述光纖相對于所述部件以蛇形取向來安裝；以及 與所述光纖耦接的布里淵反向散射信號分析儀，所述布里淵信號分析儀提供沿所述光纖傳播的脈沖光信號并且對來自所述光纖的布里淵反向散射信號進行分析；所述分析儀相對于所述光纖的長度來識別所述布里淵反向散射信號的頻率，其中，沿所述光纖的長度的特定位置處的溫度的變化識別為所述特定位置處所述布里淵反向散射信號的頻率的變化。
12.根據(jù)權利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述光纖包括由藍寶石材料制成的光纖芯和包層。
13.根據(jù)權利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述光纖包括光纖芯、包層和圍繞所述包層形成的至少一個外部保護層，所述至少一個外部保護層由熱增強料制成。
14.根據(jù)權利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述光纖包括光纖芯、包層和圍繞所述包層形成的至少一個外部保護層，所述至少一個外部保護層由熱阻材料制成。
15.根據(jù)權利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述部件是安裝至氣體渦輪發(fā)動機的燃燒室內(nèi)的壁的一系列瓷磚。
16.—種氣體潤輪發(fā)動機,包括: 燃燒段，其包括以可操作的方式接收燃料和空氣的燃燒室，所述燃燒室包括室壁，在所述室壁上安裝有多個瓷磚；以及傳感器系統(tǒng)，其包括設置在所述燃燒室的所述壁與所述瓷磚之間的光纖，所述光纖具有與沿所述瓷磚的位置對應的預定長度；所述傳感器系統(tǒng)還包括與所述光纖耦接的布里淵反向散射信號分析儀；所述布里淵信號分析儀提供沿所述光纖傳播的脈沖光信號，并且對來自所述光纖的布里淵反向散射信號進行分析；所述分析儀相對于所述光纖的長度來識別所述布里淵反向散射信號的頻率，其中，沿所述光纖的長度的特定位置處的溫度的變化識別為所述特定位置處所述布里淵反向散射信號的頻率的變化。
17.根據(jù)權利要求16所述的發(fā)動機，其中，所述光纖以蛇形取向設置在所述燃燒室的所述壁與所述瓷磚之間。
18.根據(jù)權利要求16所述的發(fā)動機，其中，所述光纖包括由藍寶石材料制成的光纖芯和包層。
19.根據(jù)權利要求16所述的發(fā)動機，其中，所述光纖包括光纖芯、包層和圍繞所述包層形成的至少一個外部保護層，所述至少一個外部保護層由熱增強材料制成。
20.根據(jù)權利要求16所述的發(fā)動機，其中，所述光纖包括光纖芯、包層和圍繞所述包層形成的至少一個外部保護層，所述至少一個外部保護層由熱阻材料制成。
【文檔編號】G01K11/32GK103649704SQ201280033601
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2012年6月29日 優(yōu)先權日:2011年7月7日
【發(fā)明者】埃萬蓋洛斯·V·迪亞特齊基斯, 漢斯-格爾德·布魯梅爾, 邁克爾·特韋爾多赫利布 申請人:西門子公司