[發(fā)明專利]包括非球面透鏡的渦輪機在線檢測的系統(tǒng)和方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201380007501.6
• 申請日: 2013-01-24
• 公開（公告）號: CN104081249B
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發(fā)明（設計）人: E.巴雷恩;V.喬納拉賈達
• 申請（專利權）人: 西門子能量股份有限公司
• 主分類號: G02B23/24
• 分類號: G02B23/24
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所11105
• 代理人: 王景剛

相關申請的交叉引用

本申請要求同時提交的且指定序列號為13/362,365的、案卷號為No.2011P12815US的、題為“包括溫度和振動補償透鏡卡口的渦輪機在線檢測的系統(tǒng)和方法(SYSTEM AND METHOD FOR ONLINE INSPECTION OF TURBINES INCLUDING TEMPERATURE AND V1BRATION COMPENSATING LENS MOUNT)”的共同未決的美國實用新型專利申請的優(yōu)先權，其通過引用并入本文中。

技術領域

本發(fā)明涉及在線(online)運行發(fā)電渦輪機的非破壞性內(nèi)部檢測的光學相機系統(tǒng)，發(fā)電渦輪機包括燃氣輪機燃燒室和渦輪機段，工作溫度在超過600℃(1112°F)的范圍內(nèi)并且包括燃燒氣體污染物。

背景技術

通過將高溫光學系統(tǒng)與高速相機成像相結合，紅外線或可見光光譜在線相機系統(tǒng)在其運行于電廠中期間監(jiān)控發(fā)電燃氣輪機、蒸汽輪機、發(fā)電機或其相關設備的關鍵內(nèi)部發(fā)動機部件。光學系統(tǒng)的設計需要選擇和結合透鏡、光學材料和相關的透鏡安裝結構，以便提供最佳的圖像質(zhì)量，同時使設備在惡劣的工作環(huán)境中存活。例如，燃氣輪機燃燒室和渦輪機段包含損害和污染透鏡表面的高溫燃燒氣體。

圖1A和圖1B示意性地示出了已知的燃氣輪機30，其具有壓縮機段32、多個周向燃燒室34和使旋轉軸40從中穿過的渦輪機段38。渦輪機段38包括固定的排1輪葉42，以及可旋轉地聯(lián)接到軸40的排1葉片44。渦輪機段38包括連續(xù)交替排的固定輪葉和旋轉葉片，比如排2輪葉46和排2葉片48。渦輪機30包括多個檢測端口36、50和52，以方便檢測到內(nèi)部部件。

如圖1A所示，相機檢測系統(tǒng)55被聯(lián)接到檢測端口36并包括光學管殼體56，光學管殼體56具有觀察端口57，觀察端口57建立與殼體中心軸線對準的大約30度的視場。相機58捕獲由光學管殼體56中的透鏡傳輸?shù)膱D像。相機檢測系統(tǒng)55用于檢測渦輪機30內(nèi)的、視場中可見的感興趣區(qū)域，例如排1輪葉42的前緣。類似地，相機檢測系統(tǒng)55'被聯(lián)接到檢測端口50并包括光學管殼體56'，光學管殼體56'具有觀察端口57'，觀察端口57'建立與殼體中心軸線法向(即，橫向或側視)對準的大約30度的視場。相機58捕獲由光學管殼體56'中的透鏡傳輸?shù)膱D像。相機檢測系統(tǒng)55、55'用于檢測渦輪機30內(nèi)的、視場中可見的感興趣區(qū)域。然而，如圖1B所示，透過觀察端口57'的已知相機視場只有30-34度，因此無法捕獲渦輪機葉片44前緣的整個寬度。

用于在在線渦輪機運行期間內(nèi)部渦輪機部件的實時紅外或可見光光譜成像的當前光學設計有若干限制，這限制了視場、最高工作溫度、圖像質(zhì)量和系統(tǒng)操作周期。為了達到所希望的圖像質(zhì)量，常規(guī)的光學系統(tǒng)需要使用至少一種溫度極限低于550℃(1022°F)的光學材料。此外，常規(guī)設計使用復雜的緊密間隔的球面透鏡組，涉及兩個或更多個元件用以校正光學像差(optical aberrations)。

用于相機成像系統(tǒng)的常規(guī)光學管設計遭受視場、圖像質(zhì)量和透鏡卡口(lens mount)系統(tǒng)復雜性之中的設計權衡之苦。更大的希望視場需要更大量的透鏡，帶有更緊密的透鏡間的間距。反之，透鏡的透光率隨透鏡數(shù)量的增加而降低。相比于對在環(huán)境室溫檢測應用中使用的相機檢測系統(tǒng)的影響，這些設計權衡對在高溫檢測應用中、比如在在線燃氣輪機中使用的光學系統(tǒng)的性能和壽命有著顯著直接的負面影響。更具體地，為了校正光學像差，常規(guī)的光學設計與具有凸面和凹面的不同玻璃材料相結合而采用球面透鏡。雖然能夠產(chǎn)生卓越的圖像質(zhì)量，但常規(guī)的光學設計當在惡劣的渦輪機環(huán)境中使用時帶來了一些挑戰(zhàn)。需要選擇具有具體但不同的光學、熱學和機械結構性能的多種光學材料：最接近于熱操作環(huán)境的至少一種材料應該具有大約600℃(1112°F)的熔融溫度。少數(shù)光學材料可以承受如此高的溫度而沒有顯著損失光學性能。為了校正上述的光學像差，多個球面透鏡是必需的。先前已知的高溫檢測系統(tǒng)光學管設計使用了多達六個不同的透鏡，以產(chǎn)生足夠的圖像質(zhì)量。針對渦輪機內(nèi)更寬廣的感興趣檢測區(qū)域的所希望視場的增加還需要額外的透鏡。在實踐中，已知的高溫檢測系統(tǒng)光學管的范圍/視場是34°或更少。

隨著光學管內(nèi)透鏡數(shù)量的增加，透鏡卡口的機械設計和操作限制以及系統(tǒng)有效運行壽命變得更有挑戰(zhàn)性。例如，隨著卡口中透鏡數(shù)量的增加，在高溫度檢測應用中更難以保持透鏡對準，并且有效使用壽命相應受損。