[發明專利]監測部件磨損的設備和方法

有效

• 申請號: 200980135715.5
• 申請日: 2009-02-17
• 公開（公告）號: CN102150031A
• 公開（公告）日: 2011-08-10
• 發明（設計）人: S·R·欣德;A·A·庫爾卡尼;D·J·米切爾
• 申請（專利權）人: 西門子能源公司
• 主分類號: G01N3/56
• 分類號: G01N3/56;C23C4/18
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 崔幼平

關于聯邦政府資助開發的聲明

本發明的開發部分地由國家標準與技術研究所頒發的合同號70NANB4H3042，Conformal?Direct?Write?Technology?Enabled?Wireless?Smart?Turbine?Components“由適形直接寫技術使能的無線智能渦輪部件”所支持。相應的，美國政府在本發明中能夠具有一定權利。

技術領域

本發明大體上涉及監測機器例如發動機的部件的磨損，特別是涉及用于監測在運行環境中（例如在燃氣渦輪發動機中）部件的磨損的改進設備和方法。

背景技術

當兩個或更多的發動機部件在該發動機的運行過程中彼此接觸時，這些部件的摩擦和磨損將發生。而且，振動導致的鄰接部件之間的相對運動將會促進部件上的研磨作用。另外，發動機內極高的運行溫度可能使磨損問題更嚴重。發動機部件的磨損能夠不利地影響發動機的正常工作。在大多數應用中部件磨損能夠通過已知的方法，例如潤滑劑、材料的選擇、限制運動的設計特點、部件的幾何形狀等來被控制。然而，部件之間的相對運動不能夠完全地被消除，磨損對發動機設計者來說仍然是一個現實問題。

在磨損導致的結構性或功能性失效發生之前，用于連續服務的部件的適配性通常由視覺或尺寸檢查來確定。然而，因為包括時間、人力和/或由于停機導致的破壞等因素，常規的檢查對許多應用不可行。因此，存在當部件在運行過程中或不需要將部件從其運行位置移除時來監測部件磨損的需要。

附圖說明

在接下來的描述中參照附圖來解釋本發明，附圖示出：

圖1是嵌入渦輪機部件的磨損涂層的現有磨損傳感器的透視圖。

圖2是用于將磨損傳感器嵌入的現有挖槽技術的橫截面圖。

圖3是根據本發明的一個方面布置在被監測的渦輪機部件上的磨損傳感器導體布局的平面圖。

圖4是部件的橫截面圖，其圖示出另一種在部件頂部構造磨損傳感器而不需要使用挖槽的要求平整化加工步驟的現有技術。

圖5是取自圖3中所示出的部件的橫截面圖，圖示出根據本發明的一個方面的不需要挖槽并且不需要平整化加工步驟的構造磨損傳感器的技術。

具體實施方式

本發明的發明者認識到在燃氣渦輪發動機的部分中使用功能性材料作為傳感器用于磨損監測和將這種傳感器嵌入發動機的各個部件的磨損涂層是有利的。能夠從這種嵌入的傳感器中受益的部件包括壓縮機隔膜、翼型、葉片、殼體和葉片環，在這些部件中振動和動態力導致磨損。在這些燃氣渦輪機的關鍵部件中使用嵌入式磨損傳感器將通過在磨損變得嚴重之前和導致部件損壞之前促進部件磨損的監測而減少維護費用，從而防止非定期的停機。

磨損傳感器能夠在渦輪發動機運行過程中提供對部件狀態的實時監測。知道渦輪機中的部件的狀態有很多好處，包括基于狀態的維護。對渦輪機部件的退化狀態的預先獲知能夠使運行費用顯著減少。本發明的發明者認識到薄膜傳感器技術能夠被用來將其電路和元件直接地布置在渦輪機部件的表面上，由此使得磨損傳感器能夠安置在以前沒被利用的位置；并且/或用來在嵌入式傳感器上實現以前不可獲得或僅僅通過更貴的加工獲得的表面幾何形狀。

如將在本文中公開的，薄膜傳感器技術允許將電路布置進入適形表面的涂層內，例如壓縮機隔膜或翼型。用本文公開的技術制造的部件將具有平滑的頂部表面并且包括嵌入其中的磨損傳感器。因此，挖槽和平整化的現有技術加工步驟能夠被省略，這也避免了由平整化步驟導致的損壞磨損涂層的可能性。

公開的技術包括使用薄膜沉積技術來將電路直接地布置在部件上并且進一步使用無線技術來傳輸與被監測部件的狀態相關的數據，由此提供實時使用數據。嵌入的傳感器功能部件和互連線能夠通過例如等離子噴涂、電子束物理氣相沉積（EB?PVD）、化學氣相沉積（CVD）、脈沖激光沉積、小型等離子、冷噴涂、直寫、小型高速富氧燃燒或溶液等離子噴涂而被沉積在部件上。選擇帶有功能特性（電阻和介電或絕緣特性）的材料以便實現優化的傳感器系統功能性和完整性，而不會阻礙儀表部件的功能性。傳感器系統能夠在磨損涂層沉積之前被直接地沉積到基體表面上，或其能夠以一個或多個期望的深度被嵌入耐磨涂層以便監測部件涂層的磨損率。