用於模態形狀識別的系統和方法

2023-06-04 12:48:16

專利名稱：用於模態形狀識別的系統和方法
技術領域：
本發明的實施例總體上涉及燃氣渦輪發動機，並且更特別地涉及用於渦輪機葉片的模態形狀(mode shape，即「振型」)識別的系統和方法。
背景技術：
諸如燃氣渦輪機的高速渦輪機械大體上包括成以軸向定向的排的形式布置的多個葉片，葉片排響應軸向流動通過機械的高壓流體的力而旋轉。由於它們的複雜設計，葉片的固有共振機械頻率可以與某些葉片旋轉速度及其旋轉諧波一致或由其激勵。每個固有頻率與特定模態形狀關聯，每個模態形狀是例如沿著渦輪機的旋轉軸線、垂直於渦輪機的旋轉軸線等的振動偏轉(deflection)的不同組合。在用於監測並且分析帶護罩葉片結構中的振動的已知系統中，其中護罩被製造成與葉片一體化，護罩可以帶有置於護罩中的觸發器(trigger)。與葉片關聯的每個護罩部分通常被提供一個觸發器使得每個觸發器對應於一個葉片。在多數現場測試和在線應用中，可以提供傳感器以用於當觸發器經過傳感器時感測每個觸發器的到達。在用每個觸發器(即，每個葉片)識別的數據的基礎上分析數據，使得基於葉片排的多次旋轉而單獨地分析每個目標位置的振動特性，以表徵所聯接的護罩結構的振動特性。然而在這樣的系統中，難以識別葉片的模態形狀。

發明內容
以上需要和/或問題中的一些或全部可以由本發明的某些實施例解決。所公開的實施例可以包括用於模態形狀識別的系統和方法。根據一個實施例，公開了一種用於模態形狀識別的系統。所述系統可以包括渦輪機葉片，所述渦輪機葉片具有布置在所述渦輪機葉片的遠端的很多觸發圖案(trigger pattern)。傳感器鄰近所述潤輪機葉片的遠端布置以用於檢測所述觸發圖案。所述觸發圖案被圖案化以識別所述渦輪機葉片的至少一個模態形狀。根據另一個實施例，公開了一種用於模態形狀識別的方法。所述方法可以包括提供渦輪機葉片。所述方法還可以包括圖案化渦輪機葉片的遠端處的觸發器。此外，所述方法可以包括用鄰近所述渦輪機葉片的遠端布置的傳感器檢測所述觸發器。觸發圖案被圖案化以識別所述渦輪機葉片的至少一個模態形狀。此外，根據另一個實施例，公開了另一種用於模態形狀識別的系統。所述系統可以包括旋轉元件，所述旋轉元件具有布置在所述旋轉元件上的多個觸發圖案。傳感器鄰近所述旋轉元件布置以用於檢測所述觸發圖案。所述觸發圖案被圖案化以識別所述旋轉元件的至少一個模態形狀。本領域的技術人員從以下詳細描述、附圖和所附的權利要求將顯而易見的知悉本發明的其它實施例、方面和特徵。


現在將參考附圖，所述附圖不必按照比例繪製，並且其中圖1是根據實施例的燃氣渦輪發動機的示例性示意圖，該燃氣渦輪發動機具有壓縮器、燃燒器和渦輪機。圖2是根據實施例的示例性渦輪機葉片的示意圖。圖3是根據實施例的示例性帶護罩渦輪機葉片的示意圖。圖4是根據實施例的包括多個觸發圖案的示例性帶護罩渦輪機葉片的示意圖。圖5是根據實施例的示出探頭靈敏度與渦輪機葉片的各種模態形狀的觸發角之間的關係的圖形。
具體實施例方式現在將參考以下附圖而更完整地描述示例性實施例，在附圖中顯示了一些、但非全部實施例。本發明可以以許多不同的形式體現並且不應當被理解為限制到本說明書中所述的實施例；相反地，提供這些實施例使得本公開將滿足適用法律要求。相似的附圖標記始終表示相似的元件。示例性實施例尤其涉及用於渦輪機葉片或其它旋轉元件的模態形狀識別的系統和方法。圖1顯示了可以用於本說明書中的燃氣渦輪發動機10的示意圖。眾所周知，燃氣渦輪發動機10可以包括壓縮器15。壓縮器15壓縮引入空氣流動20。壓縮器15將壓縮空氣流動20輸送到燃燒器25。燃燒器25混合壓縮空氣流動20和加壓燃料流動30並且點燃混合物以產生燃燒氣體流動35。儘管僅僅顯示了單一燃燒器25，但是燃氣渦輪發動機10可以包括任何數量的燃燒器25。燃燒氣體流動35又被輸送到渦輪機40。燃燒氣體流動35驅動渦輪機40從而產生機械功。在渦輪機40中產生的機械功經由軸45驅動壓縮器15和外部負載50 (例如發電機等)。燃氣渦輪發動機10可以使用天然氣、各種類型的合成氣和/或其它類型的燃料。燃氣潤輪發動機10可以是由紐約州斯克內克塔迪市(Schenectady)的通用電氣公司提供的許多不同燃氣渦輪發動機中的任何一種，包括但不限於例如7或9系列重型燃氣渦輪發動機等。燃氣渦輪發動機10可以具有不同配置並且可以使用其它類型的部件。其它類型的燃氣渦輪發動機也可以用於本說明書中。多個燃氣渦輪發動機、其它類型的渦輪機和其它類型的發電設備也可以一起用於本說明書中。圖2描繪了渦輪機40的部件；具體地，渦輪機葉片或葉55。渦輪機葉片55包括翼型60和根部65。翼型60包括前緣和後緣。大體凹壓力表面和大體凸吸力表面在翼型60的相對側在前緣和後緣之間延伸。在所示例子中，根部65由柄部70和鳩尾榫75組成，所述鳩尾榫接合轉子上的相應鳩尾榫凹槽以將渦輪機葉片55固定到轉子。如圖2和3中共同地所示，尖端護罩80形成於翼型60的尖端並且從翼型60的表面垂直地向外延伸。尖端護罩80包括徑向面向內表面和徑向面向外表面並且暴露於流動通過渦輪機部段的熱壓縮氣體。每個尖端護罩80具有支承表面85、90，它在所述支承表面上接觸相鄰葉片的尖端護罩，由此約束葉片振動。此外，密封軌道95典型地從尖端護罩80的徑向面向外表面徑向向外延伸以防止熱氣體從相應的葉片排周圍洩漏。在一些常規渦輪機葉片結構中，多個冷卻空氣通道110通過葉片徑向向外延伸到葉片尖端中。在其它常規渦輪機葉片結構中，冷卻劑通道可以限定於翼型中。在圖4中描繪了用於渦輪機葉片中的模態形狀識別的系統。該系統包括具有尖端護罩80的渦輪機葉片55，如先前所述。而且，該系統包括布置在尖端護罩80的徑向面向外表面上的觸發圖案100。傳感器105可以鄰近尖端護罩80的徑向面向外表面布置，以用於當觸發圖案100經過傳感器105時感測觸發圖案100。觸發圖案被圖案化以識別渦輪機葉片的至少一個模態形狀。模態與結構共振關聯。每個模態由模態頻率、模態阻尼(modal dampening)和模態形狀限定。模態形狀限定渦輪機葉片的運動。圖5示出了不同的觸發圖案如何可以提供對於不同渦輪機葉片模態形狀的或大或小探頭靈敏度。例如，取決於渦輪機葉片的模態形狀，各種觸發角可以提供各種水平的探頭靈敏度。在圖4和5中，觸發器I對應於觸發器100，觸發器2對應於觸發器101，並且觸發器3對應於觸發器102。如圖5中圖形地所示,觸發器I及其相應觸發角提供對於模態形狀I的最大探頭靈敏度和對於模態形狀3的最差探頭靈敏度。相反地，觸發器3及其相應觸發角提供對於模態形狀3的最大探頭靈敏度和對於模態形狀I的最差探頭靈敏度。因此，觸發圖案可以單獨地和/或共同地圖案化以識別渦輪機葉片的各種模態形狀並且提供更大的靈敏度以檢測渦輪機葉片的各種模態形狀。在某些實施例中,觸發圖案放大由傳感器觀察到的偏轉。在其它實施例中,觸發圖案被圖案化以將渦輪機葉片的操作偏轉形狀與模態形狀區分開。而且，在其它實施例中，觸發圖案被圖案化以確定渦輪機葉片的模態形狀的方向。可以通過經由塗覆或其它手段施加圖案以改變尖端護罩的徑向面向外表面的至少一部分的反射率而形成觸發圖案。也可以通過雕刻、蝕刻或以另外方式變形尖端護罩的徑向面向外表面的至少一部分而形成觸發圖案。觸發圖案可以是識別渦輪機葉片的各種模態形狀並且提供更大靈敏度以檢測渦輪機葉片的各種模態形狀的任何形狀、尺寸和/或配置。例如，如圖4中所示，觸發圖案包括角間隔矩形條帶。傳感器105的類型和配置可以類似於美國專利第7，861，592號中所述的傳感器裝置，該專利通過引用被合併於本說明書中。例如，在某些示例性實施例中，傳感器是雷射探頭。因此，由觸發圖案促進的反射率的變化改變從雷射探頭接收的光量(amount of
light)ο通過分析葉片經過至少一個傳感器的時間偏差，尖端護罩的徑向面向外表面的至少一部分的反射率的變化可以用於識別渦輪機葉片上的特定特徵或特徵組。使用該數據，可以計算振動偏轉。而且，將觸發圖案施加於尖端護罩的徑向面向外表面的至少一部分可以用於將模態形狀與其它模態形狀區分開。觸發圖案也可以用於增加測量能力並且確定振動偏轉的方向。已描述了關於渦輪機葉片的用於模態形狀識別的本系統和方法。然而，可以預見利用旋轉元件的其它應用。而且，儘管用特定於結構特徵和/或方法行動的語言描述了實施例，但是應當理解本公開不是必定被限制到所述的具體特徵或行動(act)。相反地，具體特徵和行動作為實現實施例的示例性形式被公開。
權利要求
1.一種用於模態形狀識別的系統，包括渦輪機葉片；多個觸發圖案，所述多個觸發圖案布置在所述渦輪機葉片的遠端；至少一個傳感器，所述至少一個傳感器鄰近所述渦輪機葉片的遠端布置以用於檢測所述多個觸發圖案；其中所述多個觸發圖案被圖案化以識別所述渦輪機葉片的至少一個模態形狀。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述渦輪機葉片的遠端包括護罩。
3.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述多個觸發圖案布置在所述護罩的外表面上。
4.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述傳感器是雷射探頭。
5.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述多個觸發圖案放大由所述至少一個傳感器觀察到的偏轉。
6.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述多個觸發圖案被圖案化以將所述渦輪機葉片的操作偏轉形狀與模態形狀區分開。
7.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述多個觸發圖案被圖案化以確定所述渦輪機葉片的模態形狀的方向。
8.一種用於模態形狀識別的方法，包括圖案化渦輪機葉片的遠端處的多個觸發器；以及用鄰近所述渦輪機葉片的遠端布置的至少一個傳感器檢測所述多個觸發器，其中所述多個觸發器被圖案化以識別所述渦輪機葉片的特定模態形狀。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述渦輪機葉片的遠端包括護罩。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述多個觸發器在所述護罩的外表面上被圖案化。
11.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述傳感器是雷射探頭。
12.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述多個觸發器放大由所述至少一個傳感器觀察到的偏轉。
13.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述多個觸發器被圖案化以將所述渦輪機葉片的操作偏轉形狀與模態形狀區分開。
14.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述多個觸發器被圖案化以確定所述渦輪機葉片的模態形狀的方向。
15.一種用於模態形狀識別的系統，包括旋轉元件；多個觸發圖案，所述多個觸發圖案布置在所述旋轉元件上；以及至少一個傳感器，所述至少一個傳感器鄰近所述旋轉元件布置以用於檢測所述多個觸發圖案；其中所述多個觸發圖案被圖案化以識別所述旋轉元件的至少一個模態形狀。
16.根據權利要求15所述的系統，其特徵在於，所述旋轉元件是具有護罩的渦輪機葉片，所述護罩包括布置在所述護罩的外表面上的所述多個觸發圖案。
17.根據權利要求15所述的系統，其特徵在於，所述傳感器是雷射探頭。
18.根據權利要求15所述的系統，其特徵在於，所述多個觸發圖案放大由所述至少一個傳感器觀察到的偏轉。
19.根據權利要求15所述的系統，其特徵在於，所述多個觸發圖案被圖案化以將所述旋轉元件的操作偏轉形狀與模態形狀區分開。
20.根據權利要求15所述的系統，其特徵在於，所述多個觸發圖案被圖案化以確定所述旋轉元件的模態形狀的方向。
全文摘要
本發明公開用於模態形狀識別的系統和方法。該系統可以包括渦輪機葉片，該渦輪機葉片具有布置在該渦輪機葉片的遠端的很多觸發圖案。傳感器鄰近渦輪機葉片的遠端布置以用於檢測觸發圖案。觸發圖案被圖案化以識別渦輪機葉片的至少一個模態形狀。
文檔編號G01H9/00GK103017885SQ20121037467
公開日2013年4月3日 申請日期2012年9月27日 優先權日2011年9月27日
發明者L.J.安曼, 許立明, S.瓦塞恩格, R.皮爾森 申請人:通用電氣公司