[发明专利]用于监测涡轮机转子叶片的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于从面对正在经过的转子叶片的叶片梢的位置对涡轮机转子叶片的工作状态进行监测的监测装置，所述监测装置包括用于产生电磁波的波源以及用于将电磁波导向叶片梢的波导。本发明还涉及一种包括该监测装置的涡轮机以及一种总体类型的监测方法。

背景技术

受日益增长的提高燃料利用效率、降低不合需要的排放以及减少噪音的需求的驱动，未来的航空发动机和陆基涡轮机将必须引入用于监测涡轮机状况、分析输入的数据以及改变运行参数的新系统以对运行进行优化并从而实现改善的性能。这样的系统基于传感技术作为基础。必须开发出在涡轮机中存在的恶劣环境下能够运行的新型传感器，以实现对监测涡轮机的整体状况非常关键的、先前无法检测的参数的检测。从这些系统中所得到的潜在益处是巨大的，这些益处可以分为两个主要的方面：涡轮机效率和涡轮机维护。对于这两个目的而言，尤其是为了详细了解涡轮机的机能和状况，对涡轮机的转子叶片的工作状态进行监测都是必不可少的。

为了对转子叶片的工作状态实施准确的检测，微波传感器通常穿过孔进行安装或被连接在机壳内从而使微波传感器能将其波束投射到叶片上，在涡轮机运行期间，所述叶片将旋转并随后从所述微波传感器旁经过。在涡轮机中所遭遇的环境是恶劣的，在高压涡轮机中气体路径温度超过1300K，在航空发动机的高压压缩机的后级中温度大约为900K，并且大多还经常具有较高的热梯度。这是一个具有油、燃烧副产物和其它污染物的很脏的环境。  因此，能在那样的极端温度和这种恶劣环境中可靠地工作的传感器成为了关键的部件。

专利申请US2010/0066387A1中已经提出了解决该问题的传感器，该专利申请公开了一种用于确定转子叶片和围绕所述转子叶片的燃气轮机的壁之间的距离的装置。所述装置包括对具有至少两种频率的电磁波进行引导的波导。具有其中一种频率的电磁波从传感器发射并被转子叶片反射回来，具有另外一种频率的电磁波被波导端部处的密封元件反射。继而通过比较电磁波的相位来确定所述装置相对于转子叶片的距离。

该传感器的缺点在于：涡轮机的壁（其上安装了所述装置）受温度影响而发生膨胀，这导致波导也发生相应的膨胀，从而使得所需要的距离的确定不准确。通过将两种频率的电磁波的各相位比较值相互之间作差并将该差值分配给在这些温度条件下的距离的预先检测值（例如基于数值表）可以避免上面的问题。尽管如此，为了确保满足涡轮机的通常不仅仅由温度梯度决定的各瞬时工况，非常需要有一种解决温度变化带来的问题的更直接的手段。除检测的可靠性以外，还需要提高检测性能，尤其是提高检测的分辨率，以及将对转子叶片的监测延伸到对叶片梢和传感器之间的距离进行检测这一单一参数检测以外。

发明内容

因此，本发明的目的是避免上面提到的缺陷中的至少一个并提供一种改进的监测装置和监测方法，所述监测装置和监测方法能承受涡轮机环境中的恶劣的工况。

该目的通过包括了本发明的特征的监测装置或监测方法、以及包括该监测装置的涡轮机来实现。本发明有利的实施方式将在优选的实施方式中进行限定。

关于监测装置，本发明建议：在一谐振器中包括波导，所述谐振器在所述波导上限定了至少一个离散的电磁波谐振频率，所述谐振器在其前端部包括孔口，电磁波的一部分能量能穿过所述孔口朝叶片梢发射。这样，所述谐振器被设置为在所述波导上支持至少一个离散的电磁波谐振频率。这样，谐振器能用于在所述谐振器内储存处于谐振频率的电磁波的磁能量。由于在所述前端部设有孔口，因此储存在谐振器内的电磁能量的一部分能从谐振器发射出来从而与转子叶片相互作用。优选地，谐振器的后端部具有较短的圆环部（short-circuited）。

电磁波的谐振频率可以由涡轮机的各瞬时工况决定并且谐振器优选地被构造为在变化的工况范围内支持谐振频率的变化。所述监测装置还包括频率调节单元，所述频率调节单元被构造为：在各瞬时工况下使电磁波的频率处于所述谐振器的谐振频率。因此，通过对电磁波频率进行与谐振器的谐振频率正在发生的变化相关的调节，所述监测装置能与涡轮机环境中的工况的瞬时变化相匹配。影响谐振器的谐振频率的涡轮机环境中的所述工况可以包括电磁波的传播介质的温度梯度。