[发明专利]用于在线检测涡轮机的包括温度和振动补偿透镜支座的系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求与其同时提交的具有指定序列号(未知)的题名“SYSTEM AND METHOD FOR ONLINE INSPECTION OF TURBINES INCLUDING ASPHERIC LENS”的案号为No.2011P22743US的共同未决美国实用新型专利申请，该申请的全部内容通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及光学相机系统，用于在线操作的发电涡轮机的无损内部检测，发电涡轮机包括处于高于600℃(1112℉)范围内的操作温度下并包含燃烧气体污染物的燃气轮机燃烧器和涡轮机组。

背景技术

红外或可见光谱在线相机系统通过组合高温光学系统与高速相机影像而在发电燃气涡轮机、蒸汽轮机、发电机或它们的相关器材在电厂中操作期间监控它们的重要内部发动机部件。光学系统设计要求选择和组合透镜、光学材料和相关透镜安装结构，以提供最佳图像质量，同时经受得住器材的严酷操作环境。例如，燃气轮机燃烧器和涡轮机部分包含损坏并污染透镜表面的高温燃烧气体。

图1A和1B示意性示出已知燃气轮机30，其具有压缩部分32、多个周向燃烧器34和涡轮机组38，旋转轴40穿过涡轮机组38。涡轮机组38包括静止轮叶42排1以及旋转地联接到轴40的叶片44排1。涡轮机组38包括连续的交替静止轮叶排和旋转叶片排，比如轮叶46排2和叶片48排2。涡轮机30合并了多个检测端口36、50和52，以便于对内部部件的检测接近。

如图1A所示，相机检测系统55联接至检测端口36，并包括具有观察口57的光管壳体56，观察口57确立与壳体中心轴线对准的约30度视场。相机58拍摄由光管壳体56中的透镜传输的图像。相机检测系统55用于检测涡轮机30内的在视场中可见的关注区域，比如轮叶42排1的前缘。类似地，相机检测系统55’联接至检测端口50，并包括具有观察口57’的光管壳体56’，观察口57’确立与壳体中心轴线正交的约30度视场(即，横向或侧向视场)。相机58拍摄由光管壳体56’中的透镜传输的图像。相机检测系统55、55’用于检测涡轮机30内的在视场中可见的关注区域。然而，如图1B所示，穿过观察口57’的已知相机视场仅为30-34度，因此不能拍摄涡轮机叶片44的前缘的整个宽度。

于在线涡轮机操作期间，用于内部涡轮机部件的实时红外或可见光谱成像的当前光学设计承受若干限制因素，所述限制因素限制视场、最大操作温度、图像质量和系统操作生命周期。为了获得期望的图像质量，传统光学系统要求使用具有低于550℃(1022℉)的温度界限的至少一种光学材料。此外，传统设计使用复杂的间隔紧密的球面透镜组(包含两个或更多个元件)来校正光学像差。

用于相机成像系统的传统光管设计在视场、图像质量和透镜安装系统复杂性之间具有设计折衷。更大的期望视场要求具有更紧密透镜间隔的更多透镜数量。相反地，透镜透射率随着透镜数量增加而减小。与对在环境室温检测应用中使用的相机检测系统的影响相比，这些设计折衷对在高温检测应用(比如在线燃气轮机)中使用的光学系统的性能和寿命有显著的直接不利影响。更确切地说，为了校正光学像差，传统光学设计使用具有不同玻璃材料组合的、具有凸和凹表面的球面透镜。尽管能够产生极好的图像质量，传统光学设计当用在严酷的涡轮机环境中时遇到若干挑战。需要选择具有特定但不同的光学、热和机械结构属性的多种光学材料：最接近热操作环境的至少一种材料应当具有600℃(1112℉)左右的熔化温度。少量光学材料可以在不显著损失光学属性的情况下承受这种高温。为了校正上面提及的光学像差，需要多个球面透镜。先前已知的高温检测系统光管设计使用高达六个不同透镜来生产足够的图像质量。针对涡轮机内的更宽的关注检测区域增加期望视场还需要额外的透镜。实际上，已知高温检测系统光管中的视场/范围是34°或更小。

随着光管内的透镜数量增加，透镜安装机械设计和操作限制以及系统有用的操作寿命变得更加具有挑战性。例如，随着安装中的透镜数量的增加，在高温检测应用中更加难以维持透镜对准，有用的使用寿命相应地受到损害。