用于在線檢測渦輪機的包括溫度和振動補償透鏡支座的系統和方法
【專利摘要】用于在線操作的發電渦輪機的無損內部檢測的光學相機系統，發電渦輪機包括處于高于600℃(1112℉)范圍內的高操作溫度下的燃氣輪機燃燒器和渦輪機組。該系統包括位于光管支座中的一個或多個溫度和振動補償透鏡系統。透鏡在周向保持在透鏡支座內，安裝環僅與透鏡軸向表面接觸。偏置元件經由第一安裝環對第一透鏡表面施加沿軸向取向的偏置力，允許響應于操作渦輪機振動和溫度變化的支座彎曲。透鏡支座有利地與能夠承受高于600℃的連續操作溫度的非球面透鏡組合。與僅包含球面透鏡的透鏡支座相比，單獨地或與球面透鏡組合，非球面透鏡確立更寬的視場，需要更少的透鏡來組合。
【專利說明】用于在線檢測渦輪機的包括溫度和振動補償透鏡支座的系統和方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求與其同時提交的具有指定序列號(未知)的題名“SYSTEM ANDMETHOD FOR ONLINE INSPECT1N OF TURBINES INCLUDING ASPHERIC LENS” 的案號為N0.2011P22743US的共同未決美國實用新型專利申請，該申請的全部內容通過引用并入本文中。
【技術領域】
[0003]本發明涉及光學相機系統，用于在線操作的發電渦輪機的無損內部檢測，發電渦輪機包括處于高于600°C (1112 T )范圍內的操作溫度下并包含燃燒氣體污染物的燃氣輪機燃燒器和渦輪機組。
【背景技術】
[0004]紅外或可見光譜在線相機系統通過組合高溫光學系統與高速相機影像而在發電燃氣渦輪機、蒸汽輪機、發電機或它們的相關器材在電廠中操作期間監控它們的重要內部發動機部件。光學系統設計要求選擇和組合透鏡、光學材料和相關透鏡安裝結構，以提供最佳圖像質量，同時經受得住器材的嚴酷操作環境。例如，燃氣輪機燃燒器和渦輪機部分包含損壞并污染透鏡表面的高溫燃燒氣體。
[0005]圖1A和IB示意性示出已知燃氣輪機30，其具有壓縮部分32、多個周向燃燒器34和渦輪機組38，旋轉軸40穿過渦輪機組38。渦輪機組38包括靜止輪葉42排I以及旋轉地聯接到軸40的葉片44排I。渦輪機組38包括連續的交替靜止輪葉排和旋轉葉片排，比如輪葉46排2和葉片48排2。渦輪機30合并了多個檢測端口 36、50和52，以便于對內部部件的檢測接近。
[0006]如圖1A所示，相機檢測系統55聯接至檢測端口 36，并包括具有觀察口 57的光管殼體56，觀察口 57確立與殼體中心軸線對準的約30度視場。相機58拍攝由光管殼體56中的透鏡傳輸的圖像。相機檢測系統55用于檢測渦輪機30內的在視場中可見的關注區域，比如輪葉42排I的前緣。類似地，相機檢測系統55’聯接至檢測端口 50，并包括具有觀察口 57’的光管殼體56’，觀察口 57’確立與殼體中心軸線正交的約30度視場(即，橫向或側向視場)。相機58拍攝由光管殼體56’中的透鏡傳輸的圖像。相機檢測系統55、55’用于檢測渦輪機30內的在視場中可見的關注區域。然而，如圖1B所示，穿過觀察口 57’的已知相機視場僅為30-34度，因此不能拍攝渦輪機葉片44的前緣的整個寬度。
[0007]于在線渦輪機操作期間，用于內部渦輪機部件的實時紅外或可見光譜成像的當前光學設計承受若干限制因素，所述限制因素限制視場、最大操作溫度、圖像質量和系統操作生命周期。為了獲得期望的圖像質量，傳統光學系統要求使用具有低于550°C (1022 T)的溫度界限的至少一種光學材料。此外，傳統設計使用復雜的間隔緊密的球面透鏡組(包含兩個或更多個元件)來校正光學像差。
[0008]用于相機成像系統的傳統光管設計在視場、圖像質量和透鏡安裝系統復雜性之間具有設計折衷。更大的期望視場要求具有更緊密透鏡間隔的更多透鏡數量。相反地，透鏡透射率隨著透鏡數量增加而減小。與對在環境室溫檢測應用中使用的相機檢測系統的影響相比，這些設計折衷對在高溫檢測應用(比如在線燃氣輪機)中使用的光學系統的性能和壽命有顯著的直接不利影響。更確切地說，為了校正光學像差，傳統光學設計使用具有不同玻璃材料組合的、具有凸和凹表面的球面透鏡。盡管能夠產生極好的圖像質量，傳統光學設計當用在嚴酷的渦輪機環境中時遇到若干挑戰。需要選擇具有特定但不同的光學、熱和機械結構屬性的多種光學材料:最接近熱操作環境的至少一種材料應當具有600°C (1112T)左右的熔化溫度。少量光學材料可以在不顯著損失光學屬性的情況下承受這種高溫。為了校正上面提及的光學像差，需要多個球面透鏡。先前已知的高溫檢測系統光管設計使用高達六個不同透鏡來生產足夠的圖像質量。針對渦輪機內的更寬的關注檢測區域增加期望視場還需要額外的透鏡。實際上，已知高溫檢測系統光管中的視場/范圍是34°或更小。
[0009]隨著光管內的透鏡數量增加，透鏡安裝機械設計和操作限制以及系統有用的操作壽命變得更加具有挑戰性。例如，隨著安裝中的透鏡數量的增加，在高溫檢測應用中更加難以維持透鏡對準，有用的使用壽命相應地受到損害。
[0010]用于未冷卻的在線監控燃氣輪機的“熱部分”的當前成像系統在需要維護和維修之前具有最大為約200-300小時的可操作性。已注意到，成像系統的故障由經受燃氣輪機的熱和振動的各光學元件的逐漸磨損、破損或未對準引起。盡管該幾百小時使用持續時間足以用于短時發動機性能有效性，但是在工業中日益需要長期操作，以在內部渦輪機部件的整個操作使用周期期間連續在線監控內部渦輪機部件。燃氣輪機意在于預定的維護周期之間連續操作。在燃氣輪機操作期間，相機檢測系統的光機部件不能從監控的燃氣輪機移除，直到預定的維護周期為止。燃氣輪機的典型維護檢測周期預定為每隔4000小時，通常主要檢測為每隔8000小時。因此，重要的是，對于連續在線檢測監控系統來說，在可以被檢測和維護之前，在至少4000小時內不拆卸的情況下保持操作。目前為止，增加成像系統壽命的各種嘗試導致從幾十小時至幾百小時的邊際效用提高。
[0011]因此，本領域中存在的一種需求是，一種用于功率系統渦輪機等的高溫環境檢測系統，其能夠在高于600°c (1112 T )并期望地高至1000°C (1832 T )的溫度環境中承受連續操作。對這種系統存在的另一種需求是具有增加的視場。對這種系統存在的又一種需求是降低系統中使用的單獨透鏡的數量，以降低設計和操作復雜性。另一種需求是增加光學透射效率，同時維持并優選地增加圖像質量。在本領域中存在的另一整體需求是，增加高溫檢測系統操作使用壽命，使得其與預定渦輪機維護使用周期一致:期望為4000小時。
【發明內容】
[0012]相應地，共同或個別地，本發明的潛在目的是制造用于功率系統渦輪機等的高溫環境檢測系統，其:在高于600°C (1112 0F )并期望地高至1000°C (1832 0F )的溫度環境中承受連續操作；增加視場；減少系統中使用的單獨透鏡的數量以降低設計和操作復雜性；增加光學透鏡效率；維持并優選地增加圖像質量；以及還通過合并透鏡系統來降低由操作著的在線渦輪機中的高溫和振動環境引起的操作惡化的可能性，而增加系統操作使用壽命O
[0013]這些和其它目的通過根據本發明實施例的檢測設備實現，該檢測設備特征在于一種相機透鏡系統，其延長了有用的使用壽命。透鏡系統提供了用于熱和振動補償的柔性透鏡支座，其中，包括具有一對第一和第二相對軸向表面以及位于表面之間的周緣的透鏡。具有內表面的透鏡支座外接至少一部分透鏡邊緣。第一安裝環僅沿透鏡的第一軸向表面與透鏡抵靠接觸。偏置元件聯接至透鏡支座，用于經由第一安裝環對第一透鏡表面施加沿軸向取向的偏置力。
[0014]本發明的實施例還涉及相機檢測系統，該相機檢測系統特征在于一種相機透鏡系統，其中，其包括分別具有一對第一和第二相對軸向表面以及位于表面之間的周緣的第一和第二透鏡，透鏡相對彼此沿軸向間隔開。透鏡支座具有外接至少一部分每個透鏡邊緣的內表面。相應第一安裝環僅沿透鏡的相應第一軸向表面與每個對應透鏡抵靠接觸。偏置元件聯接至透鏡支座，用于經由其對應第一安裝環對每個相應第一透鏡表面施加沿軸向取向的偏置力。
[0015]本發明還涉及一種通過提供相機檢測系統來視覺檢測操作燃氣輪機內的關注區域的方法，相機檢測系統具有限定出觀察口的殼體。透鏡系統還設置在與觀察口對準的殼體中，包括具有一對第一和第二相對軸向表面以及位于所述表面之間的周緣的透鏡。具有外接至少一部分透鏡邊緣的內表面的透鏡支座還設置有僅沿透鏡的第一軸向表面與透鏡抵靠接觸的第一安裝環。偏置元件設置成聯接至透鏡支座，用于經由第一安裝環對第一透鏡表面施加沿軸向取向的偏置力。相機檢測系統還具有聯接至透鏡支座的相機，用于產生傳輸通過透鏡支座的圖像。在本發明的方法中，在操作渦輪機之前，將相機檢測系統殼體觀察口插入燃氣輪機的檢測端口中。之后，在渦輪機操作期間產生燃氣輪機內的關注區域的圖像。
[0016]在本發明的一些實施例中，透鏡系統包括可以與球面透鏡組合安裝的一個或多個非球面透鏡。本發明透鏡支座的組合能夠補償溫度和振動，透鏡安裝光管中的更少量的所需非球面透鏡有助于增加成像系統使用壽命。在一些實施例中，透鏡支座、透鏡、安裝環和偏置元件中的一個或多個可由能夠在大于1112華氏度￠00攝氏度)的溫度下連續操作的材料構成。在其它實施例中，一個或多個透鏡接收在相對的第一和第二對應安裝環之間。在一些實施例中，安裝環是柔性的，具有安裝輪邊和多個柔性懸臂指，安裝輪邊具有與透鏡支座內表面成相對關系的安裝輪緣，柔性懸臂指分別具有聯接至安裝輪邊的近端和從輪邊沿軸向向外突出的遠端，所述遠端僅沿透鏡軸向表面與相關透鏡偏置的抵靠接觸。
[0017]在一些實施例中，透鏡系統并入光管殼體中，光管殼體保持透鏡支座，透鏡支座還具有由與透鏡對準的殼體限定的觀察口。冷卻端口由鄰近觀察口的殼體限定，透鏡系統具有聯接到冷卻端口的加壓氣源，用于將加壓氣體鄰近觀察口排放。具有透鏡支座的光管殼體以及相機結合進相機檢測系統中。
[0018]本發明的目的和特征可由本領域技術人員以任意組合或子組合的形式共同或單獨地應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]通過結合附圖考慮下列詳細描述會更易于理解本發明的教導，附圖中:
[0020]圖1A是用已知相機檢測系統檢測的燃氣輪機的示意性正視圖；
[0021]圖1B是沿圖1的1B-1B截取的示意性平面圖；
[0022]圖2A是已知球面透鏡的示意性正視圖；
[0023]圖2B是本發明的非球面透鏡的示意性正視圖；
[0024]圖3A是已知相機透鏡系統的示意性正視圖，該已知相機透鏡系統結合了球面透鏡堆疊，以形成位于透鏡視場(FOV)內的所關注物體的圖像；
[0025]圖3B是本發明的相機透鏡系統的示意性正視圖，本發明的相機透鏡系統結合了本發明的非球面透鏡；
[0026]圖4是用于相機透鏡系統的已知透鏡支座的部分橫截面的示意性正視圖；
[0027]圖5是用本發明的相機檢測系統檢測的燃氣輪機的示意性正視圖；
[0028]圖5A是沿圖5的5A-5A截取的示意性平面圖；
[0029]圖6是本發明實施例的光管殼體的示意性截面圖，其中，平行于管中心軸線拍攝圖像；
[0030]圖7是位于圖6的本發明的光管殼體實施例中的透鏡支座的不意性截面圖；
[0031]圖8是位于圖7的本發明的透鏡支座的軸向壓縮彈簧的透視圖；
[0032]圖9是位于圖7的本發明的透鏡支座中的安裝環的透視圖；
[0033]圖10位于圖6的本發明的光管殼體實施例中的另一透鏡支座的不意性截面圖；
[0034]圖11是本發明另一實施例的光管殼體的示意性截面圖，其中，正交于管中心軸線拍攝圖像；
[0035]圖12是位于圖11的本發明的光管殼體實施例中的透鏡支座的示意性截面圖；
[0036]圖13是位于圖12的本發明的透鏡支座中的安裝環的另一實施例的徑向截面圖；
[0037]圖14是位于圖11的本發明的光管殼體實施例中的另一透鏡支座的示意性截面圖；
[0038]圖15是本發明的又一透鏡支座實施例的示意性截面圖；
[0039]圖16是包括冷卻系統的本發明檢測系統的示意性截面正視圖；
[0040]圖17是圖16的冷卻系統的詳細示意性截面正視圖；
[0041]圖18是聯接至燃氣輪機檢測端口的本發明檢測系統的示意性透視圖；
[0042]圖19是本發明檢測系統的檢測相機調焦機構的示意性透視圖；以及
[0043]圖20是本發明檢測系統的框圖，檢測系統包括相機檢測系統和相關電子/電機控制系統部件。
[0044]為了便于理解，盡可能使用相同參考標號來表示附圖中共用的相同元件。
【具體實施方式】
[0045]在考慮下列描述之后，本領域技術人員會清楚地認識到，本發明的公開可易于在用于在線操作的發電渦輪機的無損內部檢測的光學相機系統中使用，發電渦輪機包括處于高于600°C (1112 T )范圍內的高操作溫度下并包含燃燒氣體污染物的燃氣輪機燃燒器和渦輪機組。檢測系統包括能夠承受高于600°C的連續操作溫度的一個或多個非球面透鏡。單獨或與球面透鏡組合，非球面透鏡確立更寬的視場，并與僅包含球面透鏡的透鏡支座相比需要更少的透鏡來進行組合。并入檢測系統中的冷卻系統便于連續操作，并防止透鏡外表面受到燃燒氣體的污染。
[0046]非球面透鏡光學系統
[0047]為了改進“熱”檢測成像光機性能，并降低機械組件復雜性，非球面透鏡元件(優選地由熔融石英材料構成)替代至少一些已知的常規球面透鏡元件。熔融石英是具有耐高溫的光學材料。透鏡表面輪廓可使用已知的單點金剛石車削加工技術來制造。藍寶石或透明陶瓷，比如尖晶石和氮氧化鋁(A1N)是其它潛在的高溫應用透鏡材料。
[0048]如圖2A所示，具有球面62的已知透鏡60完全由其恒定半徑確定，而非球面則要求已知的多參數方程來描述其形狀。圖2B示出具有非球面66的透鏡64的光學優點，其中，光線會聚至一點。在球面透鏡60的情況下，圖2A，光線形成斑點，這降低了圖像質量。在已知的僅球面透鏡陣列中，比如圖3A所示，需要六個球面透鏡60-60E來使模糊的圖像變清晰。相比之下，非球面透鏡64A與球面透鏡60’組合便足以補償光學像差，并在相機傳感器上產生足夠清晰的圖像。具有包括非球面透鏡的透鏡陣列的成像檢測相機系統增加了系統操作壽命。透鏡總數量減少，這又導致機械組件復雜性降低。更少的部件發生故障和/或未對準無疑地影響檢測系統使用壽命。由于更少的連續透鏡材料層之間的更少衰減，透鏡數量的減少有利地有助于增加光透射率。熔融石英和藍寶石非球面透鏡材料會在1000°C的溫度下以連續操作的方式操作，而在1200°C的溫度下以短期間歇操作的方式操作。檢測系統視場可增加至50度，同時維持可接受的機械組件復雜度。具有球面透鏡的已知系統受限于34度或更小的視場。
[0049]已知的透鏡支座限制
[0050]與圖4所示的典型已知檢測系統剛性透鏡支座構造相比，本發明的系統的一些實施例額外地表征了溫度和振動補償透鏡支座。在該示例性的已知透鏡支座中，間隔開的球面透鏡60F-60H通過一系列隔開的剛性形成凸緣72、剛性隔離環74、76和擋圈78保持在支座筒70中。由于所述筒、擋圈和非金屬透鏡的不同熱膨脹率，透鏡受到外部變形應力，使得它們易受到應力裂紋和/或未對準。
[0051]檢測系統概沭
[0052]圖5是利用本發明的相機檢測系統檢測的可操作的在線燃氣輪機30的示意性正視圖。特別地，第一排輪葉42的前緣由檢測系統80實時檢測，而檢測系統80A檢測第一排渦輪機葉片44的前緣。盡管附圖示出同時使用位于指定檢測位置的兩個檢測系統，但是檢測系統的數量和它們的位置可以在使用者的判斷下改變。相應檢測系統均具有相機外殼82，相機外殼光學地聯接至光管殼體84、84A(其中通過透鏡支座保持有多個透鏡)，光管殼體傳輸位于經由觀察口 86、86A確立的視場內的圖像。燃氣輪機檢測系統80中的觀察口 86在光管殼體84的遠端取向，使得其視場與殼體的中心軸線對準。觀察口 86A在光管殼體84A的圓周側上側向取向，使得其視場以正交于其殼體中心軸線的角度對準。如圖5所示，檢測系統觀察口 86A產生渦輪機葉片44的前緣的圖像。圖5A示意性示出，與圖1A和IB所示現有技術已知相機檢測系統55’的34°或更小視場(FOV)相比，50°或更大視場(FOV)的優點。與具有34°或更小視場角的已知檢測系統所能檢測的相比，更大的50° +FOV角度允許檢測關注區域(在此，示例性渦輪機葉片44前緣)的更大部分。
[0053]光管殼體和透鏡支座
[0054]圖6-15示出光管實施例84、84A以及本發明的透鏡和透鏡支座的示例性實施例。參見圖6，光管殼體84具有在其遠端取向的觀察口 86。遠端透鏡支座90和中間透鏡支座92保持在金屬光管殼體84中，并又保持不同透鏡構造。如圖7-9所示，遠端透鏡支座90具有金屬透鏡支座筒100 (構造為管狀構造)，其具有整體透鏡固定凸緣102和對非球面透鏡106限制范圍并接收的內周104。盡管透鏡支座100完全限制透鏡106的范圍，但是取決于本領域技術人員，可構造成僅限制透鏡一部分的范圍。
[0055]非球面透鏡106具有抵接固定凸緣102的前表面108和后表面110。周緣112限定出透鏡106的徑向邊界。為了關于透鏡圓周有對稱壓力，抵接透鏡106的固定凸緣102局部輪廓匹配前表面108局部輪廓。球面透鏡116與非球面透鏡106成間隔開關系，并與其對準，并且具有前表面118、后表面120和周緣122。透鏡106和116之間的對準和間隔由環形/管狀金屬第一安裝環114確立(圖10)，其前表面114A局部輪廓符合非球面透鏡后表面110局部輪廓,其后表面114B輪廓符合球面透鏡前表面118的輪廓。第二管狀金屬安裝環124具有前表面，該前表面的輪廓匹配球面透鏡后表面120的局部輪廓。
[0056]通過透鏡表面和安裝環的對應匹配的抵接輪廓將每個透鏡106、116周向地接收在支座筒100的內周104內并軸向地接收每個透鏡，會為了圖像質量而維持期望的透鏡對準，不管渦輪機中的操作溫度變化和振動如何。壓縮彈簧126 (圖10)是偏置元件，其對透鏡106、116的前后表面施加恒定軸向力，不管在渦輪機操作期間的溫度和振動變化如何。如此，透鏡106、116、定位環114、124和透鏡支座筒100能夠經受不同軸向膨脹/收縮率，同時維持所有這些相應部件之間的相對恒定的軸向偏置力。壓縮彈簧124通過用電火花加工來切割固體不銹鋼管而形成。其它輪廓彈簧偏置元件可代替壓縮彈簧124。壓縮彈簧第一端128抵接第二定位環124，第二端130抵接接收在殼體100內的彈簧定位環132。或者，如果期望降低遠端透鏡支座90的軸向長度，則壓縮彈簧第二端130可通過焊接等永久附接至殼體內周，代替彈簧定位環132。遠端透鏡支座90還具有遠端透鏡支座觀察口 134，其與光管殼體84觀察口 86對準。
[0057]如圖10所示，中間透鏡支座92具有單個非球面透鏡106’，其通過第一安裝環114’以及偏置元件壓縮彈簧126’和彈簧定位環132’沿周向接收在透鏡支座筒100’內，并軸向保持。
[0058]圖11示出橫視或側視光管84A實施例。通過棱鏡150實現橫視，棱鏡使光譜頻率波(例如，紅外或可見光譜)光學地彎曲，以與具有非球面透鏡106A的遠端透鏡支座90A(圖12)以及具有非球面透鏡106A’的中間透鏡支座92A對準(圖14)。
[0059]圖12示出示例性遠端透鏡支座90A，其包括透鏡支座筒152，透鏡前安裝保持件154連接到透鏡支座筒。保持件154抵靠非球面透鏡106A，抵接表面輪廓對應于透鏡前或第一表面局部輪廓。柔性透鏡安裝環156還具有對應于透鏡106A第二或后表面的表面輪廓，并因壓縮彈簧軸向偏置元件164和彈簧定位環166所施加的軸向偏壓壓力而軸向地抵靠透鏡。如圖13所示，柔性透鏡安裝環156具有輪緣158和遠離輪緣158軸向突出的多個懸臂指160。指160具有遠端接觸表面162，其輪廓對應于抵接透鏡106A的局部輪廓。柔性透鏡安裝環添加了朝向抵接透鏡106A的額外偏置力，并可補償透鏡支座筒152的局部彎曲。或者，固體定位環，比如相應圖7和10的透鏡支座90、92中使用的，可代替透鏡支座90A中或其它示例性實施例支座中的柔性透鏡安裝環156。
[0060]在中間透鏡支座92A中，如圖14所示，透鏡支座筒152A周向地接收透鏡106A’，并在相對的柔性透鏡安裝環156A和156A’之間軸向地保持透鏡。壓縮彈簧164A與相對的柔性安裝環156A和156A’聯合對透鏡106A’施加軸向偏置力。彈簧定位環166A將彈簧164A保持在透鏡支座筒152A內。
[0061]圖15示出兩個串聯的非球面106B和球面116B透鏡的示例性實施例，它們分別由各對柔性安裝環156B、156B’以及156B”、156B”’保持。透鏡106B和116B由間隔襯套168隔開，并由插入透鏡周緣和透鏡支座筒152B之間的相應彈性金屬環形襯套167U67A在周向上進行限制。壓縮彈簧164B(在此顯示為螺旋彈簧)與每對環156BU56B’和156B”、156B”’上的被偏置的柔性懸臂指一起維持對透鏡106B和116B的偏置的軸向壓力，以補償透鏡支座164B或光管84A結構內的由熱和振動引起的變形。彈性環形金屬襯套167提供關于透鏡106BU16B的額外的振動阻尼和彎曲補償。壓縮彈簧164B由螺紋彈簧定位環166B保持在殼體152B內。
[0062]光管冷卻和透鏡清潔
[0063]本發明的檢測系統可額外地采用冷卻系統，冷卻系統將加壓氣體注射到光管殼體外周周圍，還將加壓氣體引導至鄰近光管觀察口取向的冷卻端口中。加壓氣源可以是從渦輪機壓縮機組分流的壓縮空氣，或者任何外部加壓空氣或在發電廠中可用的其它氣源。
[0064]參見圖16和17，光管殼體84插入燃氣輪機的檢測端口中。加壓氣源172是來自燃氣輪機排放空腔的主冷卻空氣，具有約450°C (842 0F )的溫度，其低于渦輪機組內的6000C (1112 T )或更高的環境溫度。與渦輪機組氣體路徑G6相比，主冷卻空氣G1具有更高的相對壓力。冷卻空氣G1傳送通過冷卻端口 169，并沿光管殼體84的外周軸向向下流動。形成在光管殼體84內的冷卻端口 170引導冷卻空氣流至非球面透鏡106C及其柔性透鏡支座環156C近端和前方，于此，冷卻空氣流如氣流路徑G3離開觀察口 86。與位于渦輪機組內的燃氣氣體路徑G6相比，冷卻空氣流G3具有更高的壓力和更低的溫度。結果，冷卻氣體路徑G1-G3將熱量從光管殼體84、觀察口 86和非球面透鏡106C轉移走，并且是隔離較高溫度燃燒氣體G6的熱障隔離層。冷卻氣體G3的阻擋層還在非球面透鏡106C前方維持相對“干凈”無污染的氣體層，使得透鏡較少受到從燃燒氣體中的污染物聚集的臟的污染膜。
[0065]檢測系統電子裝置和操作
[0066]圖18和19示出聯接至光管殼體的相機成像系統58的硬件部件。光管和相機成像系統58通過已知構造的端口凸緣安裝環180 (密封檢測端口 )聯接至渦輪機檢測端口 36、
50、52。已知的成像相機182安裝在具有已知的伺服電機/位置編碼器186的相機聚焦驅動器184上，相機聚焦驅動器能夠使相機沿聚焦X方向箭頭平移。
[0067]參見圖20，圖像控制系統190為相機聚焦驅動器電機186以及相機182提供動力，部分地基于由電機186的編碼器供給的聚焦驅動位置信息使聚焦驅動器電機開始、停止和反向，觸發相機182記錄圖像并接收來自相機的圖像用于進一步處理和存儲。圖像控制系統190包括執行存儲在存儲器196中的程序指令的已知的控制器194。控制器194經由雙向數據路徑(例如，纜線和/或實施以太網通信協議的數據總線)與主機控制器200通信。示例性主機控制器200是個人電腦(PC)，其具有執行可訪問存儲器204中的程序指令的處理器202。已知的人機界面(HMI) 206與PC通信，以執行人類命令、控制和監控。PC還可經由公知的無線通信協議(比如藍牙協議)與其它HMI裝置通信，比如平板電腦208。圖像控制系統可包括數據存儲裝置對從相機182接收的圖像存儲、處理和存檔。
[0068]在啟動要檢測的燃氣輪機之前，通過將光管84、84A插入相應期望的渦輪機檢測端口 36、50、52中并將端口凸緣安裝環180固定到檢測端口，將一個或多個相機檢測系統80、80A獨立地聯接至相應期望的渦輪機檢測端口。加壓冷卻氣源172將冷卻氣體注射到光管殼體84、84A周圍，鄰近觀察口 86、86A。如先前所討論的，冷卻氣源172可從渦輪機壓縮機部分獲得。相機182響應于從圖像控制系統190接收的觸發命令拍攝燃氣輪機內部部件內的關注區域的圖像，并將拍攝的圖像傳輸至圖像控制系統，以用于隨后處理和存檔。
[0069]檢測系統的益.處總結
[0070]使用本發明的相機檢測系統中的非球面透鏡元件提供至少以下益處:
[0071]1、增加的壽命系統操作的使用壽命:使用的透鏡數量減少，這導致透鏡支座機械組件復雜性降低，從而對系統壽命有直接影響。通過本發明透鏡支座可提高系統和操作的使用壽命，本發明透鏡支座提供熱和振動補償。本發明透鏡支座減少了在渦輪機操作期間透鏡損壞和/或未對準的可能性，使得成像系統能夠在預定渦輪機維護間隔期間連續操作使用。本發明透鏡支座(能夠進行溫度和振動補償)和透鏡支座光管中形成可接受質量圖像所必需的更少數量的所需非球面透鏡的組合進一步有助于增加成像系統使用壽命。
[0072]2、改進的信號:透鏡的減少降低了整體衰減，從而增加了對于相機的整體系統光透射率。
[0073]3、更高的溫度可操作性:使用熔融石英或藍寶石，或者透明陶瓷，比如尖晶石和氮氧化鋁(A1N)來形成非球面和球面透鏡允許在連續操作下的1000°C更高操作溫度和用于短期操作的1200°C。這比舊的已知設計提高了 400°C。當與本發明的透鏡支座組合時，操作溫度范圍提高尤其明顯，本發明的透鏡支座由也承受更高操作溫度同時補償在燃氣輪機操作期間在光管部件中由熱和振動引起的變形的材料構成。
[0074]4、更大的視場:可以增加視場，同時維持可接受的機械組件復雜度和圖像質量。本發明能夠得到50°視場。已知系統具有34°或更小的視場。
[0075]盡管在本文中詳細示出和描述了包含本發明教導的各種實施例，但是本領域技術人員可易于設想許多仍包含這些教導的其它變型實施例。
【權利要求】
1.一種相機透鏡系統,包括: 透鏡，具有一對第一和第二相對的軸向表面以及位于所述表面之間的周緣； 透鏡支座，具有外接至少一部分透鏡邊緣的內表面； 第一安裝環，僅沿透鏡的第一軸向表面與所述透鏡抵靠接觸；以及偏置元件，聯接至所述透鏡支座，用于經由所述第一安裝環對第一透鏡表面施加沿軸向取向的偏置力。
2.如權利要求1所述的系統，還包括第二安裝環，所述第二安裝環僅沿透鏡的第二軸向表面抵接所述透鏡，所述透鏡被接收在相對的第一和第二安裝環之間。
3.如權利要求1所述的系統，其中，所述偏置元件包括壓縮彈簧。
4.如權利要求3所述的系統，其中，所述壓縮彈簧包括沿徑向限制在透鏡支座內表面內的環形金屬彈簧，所述環形金屬彈簧的第一彈簧端與所述第一安裝環成偏置抵接關系。
5.如權利要求1所述的系統，其中，所述第一安裝環還包括: 安裝輪邊，具有與透鏡支座內表面成相對關系的安裝輪緣；以及 多個柔性懸臂指，分別具有聯接至安裝輪邊的近端和遠離所述輪邊沿軸向突出的遠端，所述遠端僅沿第一透鏡的第一軸向表面與第一透鏡偏置抵靠接觸。
6.如權利要求1所述的系統，在透鏡支座中包括相對于彼此軸向間隔開的多個透鏡以及對應于每個透鏡的相應第一安裝環。
7.如權利要求6所述的系統，還包括僅沿對應透鏡的第二軸向表面抵接對應透鏡的至少一個第二安裝環，所述透鏡被接收在相對的第一和第二安裝環之間。
8.如權利要求1所述的系統，其中，所述偏置元件從由對單個透鏡第一表面施加偏置力的壓縮彈簧和對多個透鏡的相應第一表面施加偏置力的壓縮彈簧構成的群組中選擇。
9.如權利要求1所述的系統，其中，所述透鏡包括非球面透鏡。
10.如權利要求1所述的系統，其中，所述透鏡支座以及每個相應透鏡、安裝環和偏置元件由能夠在大于1112華氏度(600攝氏度)的溫度下連續操作的材料構成。
11.如權利要求1所述的系統，還包括: 殼體，保持所述透鏡支座； 觀察口，由與所述透鏡對準的殼體限定； 冷卻端口，由鄰近所述觀察口的殼體限定；以及 加壓氣源，聯接至所述冷卻端口，用于將加壓氣體鄰近所述觀察口排放。
12.—種相機透鏡系統,包括: 第一和第二透鏡，分別具有一對第一和第二相對的軸向表面以及位于所述表面之間的周緣，所述透鏡相對于彼此軸向間隔開； 透鏡支座，具有外接至少一部分每個透鏡邊緣的內表面； 相應第一安裝環，僅沿對應透鏡的相應第一軸向表面與每個對應透鏡抵靠接觸；以及偏置元件，聯接至所述透鏡支座，用于經由對應第一安裝環對每個相應第一透鏡表面施加沿軸向取向的偏置力。
13.如權利要求12所述的系統，其中，所述第一安裝環中的至少一個還包括: 安裝輪邊，具有與透鏡支座內表面成相對關系的安裝輪緣；以及 多個柔性懸臂指，分別具有聯接至所述安裝輪邊的近端和遠離輪邊軸向突出的遠端，所述遠端僅沿對應第一透鏡的第一軸向表面與對應第一透鏡偏置抵靠接觸。
14.如權利要求13所述的系統，還包括抵靠對應透鏡第二軸向表面的至少一個第二安裝環，所述至少一個第二安裝環如所述至少一個第一安裝環那樣具有輪邊和指。
15.如權利要求12所述的系統，還包括僅沿對應透鏡的相應第二軸向表面抵靠每個對應透鏡的第二相應安裝環，相應的對應透鏡被接收在相對的相應第一和第二對應安裝環之間。
16.如權利要求12所述的系統，其中，所述偏置元件從由對單個透鏡第一表面施加偏置力的壓縮彈簧和對多個透鏡的相應第一表面施加偏置力的壓縮彈簧構成的群組中選擇。
17.如權利要求12所述的系統，其中: 所述第一透鏡是非球面透鏡；以及 所述透鏡支座以及每個相應透鏡、安裝環和偏置元件由能夠在大于1112華氏度(600攝氏度)的溫度下連續操作的材料構成。
18.如權利要求12所述的系統，還包括: 殼體，保持所述透鏡支座； 觀察口，由所述殼體限定，并與所述透鏡對準； 冷卻端口，由鄰近所述觀察口的殼體限定；以及 加壓氣源，聯接至所述冷卻端口，用于將加壓氣體鄰近所述觀察口排放。
19.如權利要求12所述的系統，還包括聯接至所述透鏡支座的相機檢測系統，用于產生傳輸通過所述透鏡支座的圖像。
20.一種用于視覺地檢測位于操作的燃氣輪機內的關注區域的方法，包括: 提供相機檢測系統，具有: 殼體，限定出觀察口 ； 位于所述殼體中的透鏡系統，與所述觀察口對準，所述透鏡系統包括: 透鏡，具有一對第一和第二相對軸向表面以及位于所述表面之間的周緣； 透鏡支座，具有外接至少一部分透鏡邊緣的內表面； 第一安裝環，僅沿透鏡的第一軸向表面與所述透鏡抵靠接觸；以及偏置元件，聯接至所述透鏡支座，用于經由所述第一安裝環對第一透鏡表面施加沿軸向取向的偏置力；以及 相機，聯接到所述透鏡支座，用于產生傳輸通過所述透鏡支座的圖像； 在燃氣輪機操作之前，將所述相機檢測系統殼體觀察口插入燃氣輪機的檢測端口中；以及 在渦輪機操作期間產生燃氣輪機內的關注區域的圖像。
【文檔編號】G02B7/02GK104204885SQ201380015644
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年1月18日 優先權日:2012年1月31日
【發明者】E.巴萊尼, V.喬納拉加達, M.薩瓦德 申請人:西門子能量股份有限公司