[发明专利]用于测量涡轮中叶片变形的方法和系统

说明书

技术领域

本申请大致涉及用于确定涡轮叶片变形的方法和系统。更具体地 说，但绝不作为限制，本申请涉及在涡轮运行时用于测量涡轮叶片变 形的方法和系统。

背景技术

工业燃气涡轮发动机和航空发动机的涡轮叶片工作在高温环境 中，其中温度通常达到600℃至1500℃之间。此外，通常的趋势是提 高涡轮运行温度以提高输出和发动机效率。与这些状态相关联的作用 在涡轮叶片上的热应力是很严重的。

通常，由于经由涡轮转速而施加的力，涡轮叶片经受高水平的机 械应力。这些应力在适应涡轮叶片设计的努力中已经被驱动到甚至更 高的水平，该设计包括较高的环形区域，其在运行期间产生较高的输 出扭矩。另外，设计具有更大表面面积的涡轮叶片顶端叶冠的需求给 涡轮叶片的末端增加了额外的重量，其进一步提高了在运行期间作用 于叶片的机械应力。当这些机械应力与严重的热应力结合时，结果是 使涡轮叶片在材料的设计极限或接近材料的设计极限而工作。在这种 状态下，涡轮叶片通常经受缓慢变形，它经常被称为“金属蠕变”。金 属蠕变指金属部件由于长久地暴露于应力和高温下而缓慢地改变形 状的情况。涡轮叶片可在径向或轴向方向上变形。

类似地，由于经由涡轮转速而施加的力，压缩机叶片经受高水平 的机械应力。结果压缩机叶片也可能经受与金属蠕变相关联的缓慢变 形。

结果是，涡轮中最令人担心的涡轮叶片和压缩机叶片的故障模式 是金属蠕变，尤其是径向金属蠕变(即，涡轮或压缩机叶片的拉长)。 如果不注意，金属蠕变最终可造成涡轮或压缩机叶片破裂，其可能对 涡轮单元造成极大损伤，并且导致极长的修理停工期。通常，用于监 测金属蠕变的传统方法包括：(1)试图通过使用分析工具例如有限元分 析程序来预测取决于时间的叶片累积蠕变拉长，该程序基于实验室中 对等温蠕变试验棒执行的蠕变应变试验的算法而计算蠕变应变；或(2) 在单元停工期间执行肉眼检查和/或手工测量。然而，预测性的分析工 具经常是不精确的。并且，肉眼检查和/或手工测量是劳动密集的，高 成本的，而且经常还产生不精确的结果。

无论如何，关于涡轮或压缩机叶片的健康状态的不精确的预测， 不管是利用分析工具，肉眼检查或手工测量进行，都可能是高成本的。 一方面，不精确的预测可能使叶片超出其有效的工作寿命范围工作而 导致叶片故障，其可能导致对涡轮单元的严重损伤和修理停工期。另 一方面，不精确的预测可能使涡轮或压缩机叶片提前退役(即，在完成 其有效的工作寿命之前)，这导致低下的效率。因此，精确地监测涡轮 和/或压缩机叶片的金属蠕变变形的能力可提高涡轮发动机单元的整 体效率。这种监测可最大限度地提高叶片的使用寿命，同时避免叶片 故障的风险。另外，如果这种监测可在没有耗时且劳动密集的肉眼检 查或手工测量的代价下完成，那么将进一步提高效率。因此，存在对 用于监测或测量涡轮和压缩机叶片的金属蠕变变形的改进系统的需 求。

发明内容

因而本申请描述了一种用于确定涡轮中的叶片径向变形的方法， 其包括：1)利用一个或多个围绕着叶片级周缘而设置的接近度传感器 而进行叶片的初始测量；2)在初始测量之后，利用一个或多个接近度 传感器而进行叶片的第二测量；3)通过将初始测量与第二测量进行比 较而做出叶片径向变形的判定。初始测量和第二测量可各指示叶片顶 端到一个或多个接近度传感器的距离。初始测量和第二测量可在涡轮 运行时进行。

在某些实施例中，该方法还可包括当已经确定存在预定水平的径 向变形时，给涡轮操作员发送警报的步骤。在其它实施例中，该方法 还可包括如下步骤：1)测量叶片的径向温度分布；和2)从径向温度分 布中确定径向变形均匀或集中的程度。

在某些实施例中，接近度传感器的数量可以是两个或更多个，并 且该方法还可包括如下步骤：1)从由两个或更多个接近度传感器所作 的测量中确定转子位移；和2)当做出叶片径向变形的判定时考虑转子 位移。在其它实施例中，接近度传感器的数量可以是一个，并且该方 法还可包括如下步骤：1)利用一个或多个转子探头测量转子位移；和 2)当做出叶片径向变形的判定时考虑转子位移。