專利名稱：用于渦輪發動機的光學監測系統的制作方法
技術領域：
本發明總體涉及渦輪發動機，更具體地，涉及用于監測燃氣渦輪發動機的熱燃氣路徑中的部件的監測系統。
背景技術：
諸如燃氣渦輪發動機的內部的難以到達或受限區域經常需要例行檢查，以檢驗內部的發動機部件的完整性，并通過識別潛在的問題(即在部件失效前部件中的缺陷)或識別現有問題的來源來維持發動機的安全運行。例如，在燃氣渦輪發動機的例行停機維護期 間，可以通過使用內孔鏡(borescope)的視覺檢查來識別問題。在發動機運行期間可以對渦輪發動機執行額外的光學監測，以進一步識別布置在發動機的熱燃氣路徑內的部件的狀況。在發動機運行期間發動機部件的光學監測需要將光學元件放置在發動機內，可能會將它們暴露于比光學材料的工作范圍高的溫度中。在已知的系統中，壓縮冷空氣、水或液氮形式的外部冷卻被添加至系統，以冷卻光學元件使其溫度低于最高工作溫度。該方案一般極大地增加了光學系統的復雜性并增加了額外的成本。此夕卜，因為光學元件在發動機運行期間必須被持續地冷卻，因此優選地僅在短期基礎上使用這樣的外部冷卻系統。
發明內容
根據本發明的一個方面，提供了一種用于燃氣渦輪發動機的監測系統。該監測系統包括具有內端和外端的視管組件。內端布置成靠近燃氣渦輪發動機內的熱燃氣流動路徑，外端布置成靠近燃氣渦輪發動機的外機匣。開孔壁位于視管組件的內端處，開孔壁從視管組件的內表面徑向向內地延伸。光學元件靠近內端布置在視管組件內并與開孔壁間隔開，以限定了它們之間的冷卻和清洗室。開孔限定在開孔壁中用于將來自熱燃氣流動路徑的光通向光學元件。一個或多個鏇潤通路(swirl passage)在視管組件中限定在開孔壁和光學元件之間，用于將來自視管組件外部位置的冷卻空氣通入室中，其中一個或多個漩渦通路使得空氣在室內沿圓周方向漩渦運動。根據本發明的另一方面，提供了一種用于燃氣渦輪發動機的監測系統，其中燃氣 渦輪發動機包括圍繞通過渦輪發動機的熱燃氣路徑的徑向內機匣和徑向外機匣壁。該監測系統包括具有內端和外端的視管組件。內端布置成靠近內機匣壁，外端布置成靠近燃氣渦輪發動機的外機匣壁。開孔壁位于視管組件的內端處，開孔壁從視管組件的內表面徑向向內地延伸。光學元件靠近內端布置在視管組件內并與開孔壁間隔開，以限定了它們之間的 冷卻和清洗室。開孔限定在開孔壁中，用于將來自熱燃氣流動路徑的光通向光學元件。多個周向間隔開的漩渦通路從視管組件的外表面延伸至視管組件的內表面，并靠近光學元件布置，用于將來自視管組件外部位置的冷卻空氣通入室中，其中漩渦通路各自相對于通過視管組件的中心縱軸的向內方向成一角度，以使空氣在室內沿圓周方向漩渦運動，并且隨后冷卻空氣通過開孔流出所述室。
盡管說明書所附的權利要求書具體地指出并清楚地保護了本發明，不過相信，結合附圖閱讀以下說明將更好地理解本發明，附圖中相同的附圖標記表示相同的元件，其中圖I為通過渦輪發動機的一部分的橫截面視圖，描繪了根據本發明的監測系統；圖2為通過監測系統的視管組件的內端部分的橫截面視圖；圖3為沿圖2中的3-3線截取的橫截面視
圖4為用于視管組件的透鏡殼體的側視圖；以及圖5為用于視管組件的透鏡管的一部分的側視圖。
具體實施例方式在以下的優選實施例的詳細說明中，參考形成說明書的一部分的附圖，并且其中通過示意的方式而不是限制的方式示出了可以實現本發明的具體的優選實施例。應當理解，可以采用其它的實施例，并且所做出的這些改變沒有偏離本發明的精神和范圍。參考圖1，示出了渦輪發動機12運行期間用于提供燃氣渦輪發動機12中的部件的成像的監測系統10。具體地，成像系統10示出為安裝至渦輪發動機12，并定位成在渦輪發動機12的徑向外機匣壁18和內機匣壁20之間延伸，其中內機匣壁20從外機匣壁18徑向向內地布置。徑向內機匣壁20支撐環狀的葉片環或罩結構22。內機匣壁20和環狀的罩構造22包圍延伸穿過渦輪發動機12的渦輪部26的熱燃氣路徑24。外機匣壁18和內機匣壁20之間的區域包括用于容納外殼(shell)空氣的外殼區域28，其中，外殼空氣包括從渦輪發動機12的壓縮機部(未示出)的出口流向燃燒室部(未示出)所提供的空氣。此外，靜葉冷卻空氣通路30限定在內機匣壁20和環狀的罩構造22之間，用于以常規的方式將冷卻空氣提供至靜葉排(未示出)，其中常規的方式例如從壓縮機部的一個或多個級引氣。在所示實施例中，監測系統10可以設置成用于對部件上的包括細長的渦輪葉片14的位置成像。監測系統10包括視管組件32，該視管組件32具有靠近內機匣壁20布置的內端34和靠近燃氣潤輪發動機12的外機匣壁18布置的外端36。視管組件32可以包括具有一個或多個管狀元件的組件。例如，視管組件32通常可以包括基本上相似于美國專利No. 7231817所描述的結構的結構，該美國專利通過引用引入本文。參考圖2，所示的視管組件32包括管狀的透鏡管38和布置在透鏡管38內的透鏡殼體40。透鏡殼體40支撐光學元件42，該光學元件42可以包括一個或多個沿著視管組件32的縱軸44對齊的透鏡，以用于將來自視管組件32的內端34的光學圖像傳輸至外端36。應當理解，盡管出于詳述本發明的目的示出了具體的光學元件，不過提供該圖示僅用于示例的目的，其它的或附加的光學元件42可以包括在視管組件32中，例如視管組件32包括包含光纖或其它的光傳輸裝置的光學元件42。
如圖2所示，透鏡管38包括用于接合內機匣壁20的結構。例如，透鏡管38可以包括接合內機匣壁20的協作表面48的凸緣46，以限定透鏡管38的軸向位置；并且還包括端部50,該端部50可以設置成用于接合位于端部50和罩結構22之間的襯套52。透鏡管38的端部50限定了大致圓柱狀的敞開區域，用于允許來自一個或多個部件即葉片14的光通向視管組件32內的光學元件42。此外，端部50可以包括凸緣54，該凸緣54從透鏡管38的內端表面56徑向向內延伸，并形成了用于接合透鏡殼體40的端部58的支撐結構。參考圖2和圖4，透鏡殼體40包括具有第一端60和第二端62的管狀構件，并包括限定了視管組件32的內部部分的內表面66和外表面64。光學兀件42可以被支撐在內表面66上第一端60和第二端62之間的位置處。開孔壁68從內表面66徑向向內延伸，并與光學元件42的內側面70軸向間隔開以限定了開孔壁68和光學元件42之間的冷卻和清洗室72。光學元件42防止燃氣從所述室72通過光學元件42進入視管組件32中。凸緣54包括開口 74，該開口 74用于允許來自熱燃氣路徑24的光通入視管組件32中。此外，開孔壁68包括刀刃狀邊緣的光學開孔76，用于允許光通入透鏡殼體40中并限定了用于將部件(即渦輪葉片14)上的位置成像至光學元件42的視場。相對于光學元 件42的直徑即相對于透鏡，光學開孔76為基本上很小的開口，其中光學元件42 ((透鏡)的直徑比光學開孔76的直徑大至少5倍。此外，透鏡殼體40的端部58將開孔壁68與凸緣54隔開預定的軸向距離，以限定了它們之間的圍繞光學開孔76的環狀區域78。參考圖2和圖3，透鏡殼體40包括至少一個用于將冷空氣通入室72中的漩渦通路80，并且優選地包括多個周向間隔開的漩渦通路80。漩渦通路80位于沿著室72基本上接近光學元件42的軸向位置處，并且平行于大致垂直于縱軸44的平面，該平面例如光學元件42的內側面70限定的平面。如圖4中看到的，透鏡殼體40包括靠近第一端60的第一凸緣79和靠近第二端62的第二凸緣81。第一凸緣79和第二凸緣81將透鏡殼體40的外表面64與透鏡管38的內部間隔開，使得冷卻空氣供給通路82限定在透鏡管38和透鏡殼體40之間的間隙中以接收冷卻空氣Cai (圖2)。提供至空氣通路82的冷卻空氣Cai可以包括從外殼區域28通入視管組件32中的外殼空氣。例如，透鏡管38可以設置有一個或多個孔84 (也參見圖5)，用于將外殼供給的冷卻空氣Cai從透鏡管38外的位置通入空氣通路82中。通過漩渦通路80提供至所述室72中的總的流通面積大于通過光學開孔76流出所述室72的流通面積，使得在所述室72內保持壓力基本上與外殼空氣的壓力一樣大。如圖3中看到的，漩渦通路80弓丨導冷卻空氣Cai進入室72以沿向內的方向D流動，其中方向D橫向于徑向方向r,該徑向方向r始自鏇潤通路80處的內表面66并通過視管組件32的縱軸44，因此，通路80使得進入室72的冷卻空氣Cai形成了漩渦運動。具體地，漩渦通路80定向成引導冷卻空氣Cai沿大致切向于透鏡殼體40的內表面66的方向D進入室72，使冷卻空氣Cai沿靠近光學元件42的圓周方向漩渦運動S。要注意的是，流過熱燃氣路徑24的熱燃氣易于流入視管組件32中，并且提供至室72的冷卻空氣Cai在室72內提供了增大的壓力，其阻止或限制了熱燃氣的進入同時也為光學元件42提供了對流冷卻。此外，可以確信的是，冷卻空氣Cai的漩渦運動S可實施成減少污染物在光學元件42上的沉積，例如從光學元件42的內側面70將污染物掃除或清洗。冷卻空氣Cai的漩渦運動還可以實施成通過在光學元件42的表面處增強冷卻空氣的運動以增強對流冷卻。參考圖2，附加的或輔助的冷卻空氣Ca2可以通過形成在透鏡管38中的開口 88提供至視管組件32(圖5)，以用于將輔助的冷卻空氣Ca2通向環狀區域78。具體地，輔助的冷卻空氣Ca2通過靠近透鏡殼體40的端部58的開口 86，并且輔助的冷卻空氣Ca2進入間隙區域90，該間隙區域90相反于外殼供給冷卻空氣Cai的空氣通路82在第二凸緣81的一側位于透鏡管38和透鏡殼體40之間。透鏡殼體40的端部58可以包括多個周向間隔開的柱58a(圖4)，其在相鄰的柱58a之間限定了通向環狀區域78的空氣通路88。輔助的冷卻空氣Ca2可以包括從靜葉冷卻通路30供給的靜葉冷卻空氣，并且一般地包括比外殼區域28供給的冷卻空氣Cai壓力小的空氣。輔助的冷卻空氣Ca2可以設置成進一步增加視管組件32內的冷卻空氣壓力。
外殼供給的冷卻空氣Cai和輔助的冷卻空氣Ca2的復合壓力大于熱燃氣路徑24中流動的熱燃氣的壓力。因此，冷卻空氣流CA1、CA2提供的壓力能夠實施成阻止熱燃氣流入視管組件32中。本發明有助于在燃氣渦輪發動機運行期間使用光學監測系統，其中光學元件42(即一個或多個透鏡)的工作溫度一般地小于通過熱燃氣路徑24的燃氣的溫度。因此，該系統通過為光學系統10的光學元件42提供增強的冷卻和免受污染的保護，可以有助于光學系統10的長期運行。盡管已經示出和描述了本發明的具體實施例，但是在不偏離本發明的精神和范圍的情況下，做出各種其它的改進和變型對本領域技術人員將是顯而易見的。因此，權利要求意圖覆蓋在該發明的范圍內的所有的這些改進和變型。
權利要求
1.一種用于燃氣渦輪發動機的監測系統，該監測系統包括 視管組件，該視管組件具有內端和外端，內端布置成靠近燃氣渦輪發動機內的熱燃氣流動路徑，外端布置成靠近燃氣渦輪發動機的外機匣； 開孔壁，該開孔壁位于視管組件的內端處，開孔壁從視管組件的內部部分徑向向內地延伸； 光學元件，該光學元件靠近內端布置在視管組件內并與開孔壁間隔開，以限定了它們之間的冷卻和清洗室； 開孔，該開孔限定在開孔壁中用于將來自熱燃氣流動路徑的光通向光學元件； 一個或多個漩渦通路，該一個或多個漩渦通路在視管組件中限定在開孔壁和光學元件之間，用于將來自視管組件外部位置的冷卻空氣通入室中，其中一個或多個漩渦通路使得空氣在所述室內沿圓周方向漩渦運動。
2.根據權利要求I的監測系統，其中一個或多個漩渦通路引導冷卻空氣進入所述室以沿向內的方向流動，該向內的方向橫向于通過視管組件的中心縱軸的徑向方向。
3.根據權利要求2的監測系統，其中一個或多個漩渦通路定向成引導冷卻空氣大致切向于視管組件的內部部分的內表面進入所述室。
4.根據權利要求2的監測系統，其中一個或多個漩渦通路平行于大致垂直于縱軸的平面。
5.根據權利要求I的監測系統，其中視管組件包括 透鏡管；和 透鏡殼體，該透鏡殼體在視管組件的內端處位于透鏡管內，并限定了一個或多個漩渦通路。
6.根據權利要求5的監測系統，其中軸向延伸的空氣通路限定在透鏡管和透鏡殼體之間的間隙中，用于將冷卻空氣供給至一個或多個漩渦通路。
7.根據權利要求6的監測系統，其中冷卻空氣從外殼空氣提供至軸向延伸的空氣通路，其中該外殼空氣通過燃氣渦輪發動機的徑向外機匣壁和徑向內機匣壁之間。
8.根據權利要求7的監測系統，包括限定在燃氣渦輪發動機的內機匣壁和環狀罩結構之間的靜葉冷卻空氣通路，并且視管組件包括徑向向內延伸的凸緣和開口，其中徑向向內延伸的凸緣與開孔壁軸向間隔開，并在與室相反的開孔壁的一側上限定了圍繞開孔的環狀區域，所述開口用于將來自視管組件外的靜葉冷卻空氣通路的靜葉冷卻空氣通入環狀區域中。
9.根據權利要求7的監測系統，其中提供至所述室的外殼空氣的壓力大于提供至環狀區域的靜葉空氣的壓力。
10.根據權利要求I的監測系統，其中光學元件包括透鏡，并且透鏡的直徑比開孔的直徑大至少大約5倍。
11.一種用于燃氣渦輪發動機的監測系統，其中燃氣渦輪發動機包括圍繞通過渦輪發動機的熱燃氣路徑的徑向內機匣和徑向外機匣壁，所述監測系統包括 視管組件，該視管組件具有內端和外端，內端布置成靠近內機匣壁，外端布置成靠近燃氣潤輪發動機的外機匣壁； 開孔壁，該開孔壁位于視管組件的內端處，開孔壁從視管組件的內部部分徑向向內地延伸； 光學元件，該光學元件靠近內端布置在視管組件內并與開孔壁間隔開，以限定了它們之間的冷卻和清洗室； 開孔，該開孔限定在開孔壁中用于將來自熱燃氣流動路徑的光通向光學元件； 多個周向間隔開的漩渦通路，所述漩渦通路從視管組件的外表面延伸至視管組件的內表面，并靠近光學元件布置，用于將來自視管組件外部位置的冷卻空氣通入室中，其中漩渦通路各自相對于通過視管組件的中心縱軸的向內方向成一角度，以使空氣在室內沿圓周方向漩渦運動，并且隨后冷卻空氣通過開孔流出所述室。
12.根據權利要求11的監測系統，其中漩渦通路平行于大致垂直于縱軸的平面。
13.根據權利要求12的監測系統，其中漩渦通路定向成引導冷卻空氣大致切向于視管組件的內表面進入室。
14.根據權利要求11的監測系統，其中視管組件包括 透鏡管；和 透鏡殼體，該透鏡殼體在視管組件的內端處布置在透鏡管內，并限定了漩渦通路。
15.根據權利要求14的監測系統，其中軸向延伸的空氣通路限定在透鏡管和透鏡殼體之間的間隙中，用于將冷卻空氣供給漩渦通路。
16.根據權利要求15的監測系統，其中冷卻空氣從通過外機匣壁和內機匣壁之間的外殼空氣提供至軸向延伸的空氣通路，并且包括限定在燃氣渦輪發動機的內機匣壁和環狀罩結構之間的靜葉冷卻空氣通路，并且視管組件包括徑向向內延伸的凸緣和開口，其中徑向向內延伸的凸緣與開孔壁軸向間隔開，并在與室相反的開孔壁的一側上限定了圍繞開孔的環狀區域，所述開口用于將來自視管組件外的靜葉冷卻空氣通路的靜葉冷卻空氣通入環狀區域中。
17.根據權利要求16的監測系統，其中提供至所述室的外殼空氣的壓力大于提供至環狀區域的靜葉冷卻空氣的壓力。
18.根據權利要求11的監測系統，其中漩渦通路中的每個的直徑大于開孔的直徑。
19.根據權利要求11的監測系統，其中光學元件包括透鏡，并且透鏡的直徑比開孔的直徑大至少大約5倍。
全文摘要
用于燃氣渦輪發動機的監測系統(10)包括具有內端(34)和外端(36)的視管組件(32)。內端布置成靠近燃氣渦輪發動機內的熱燃氣流動路徑，外端布置成靠近燃氣渦輪發動機的外機匣。開孔壁(68)位于視管組件的內端并且光學元件(42)靠近內端布置在視管組件內并與開孔壁間隔開，以限定了它們之間的冷卻和清洗室(72)。開孔(96)限定在開孔壁中用于將來自熱燃氣流動路徑的光通向光學元件。漩渦通路(80)在視管組件中限定在開孔壁和光學元件之間，用于將來自視管組件外部位置的冷卻空氣通入室(72)中，其中漩渦通路使得空氣在室內沿圓周方向漩渦運動。
文檔編號F01D21/00GK102803660SQ201180014443
公開日2012年11月28日 申請日期2011年3月9日 優先權日2010年3月19日
發明者D.H.勒米尤克斯, J.P.思梅德, J.P.威廉斯, V.瓊娜拉戈達 申請人:西門子能量股份有限公司