測定導熱體內部結構的方法

2023-12-06 13:29:36 1

專利名稱：測定導熱體內部結構的方法
技術領域：
本發明是關於通過紅外線表面成像進行的傳熱測量來測定導熱體的傳熱特性的非破壞性方法，該導熱體具有內部結構。
背景技術：
通過傳熱測量可以非破壞非幹擾地測定渦輪葉片、內燃機、電機、家用和工業加熱器或任何具有內部流路的導熱體的內部結構。這種測量允許對不可能進行直接測量的導熱體的內部幾何形狀和傳熱參數進行檢查和質量控制。
在現有技術的方法中，將從被檢查導熱體上測量到的溫度數據與從作為標準的導熱體上得到的數據進行比較，這些作為標準的導熱體的幾何形狀和傳熱特性是已知的。在進一步的方法中，被檢查導熱體的傳熱係數的測定需要預先知道內部幾何結構和材料特性。
在授權給Lawrence的美國專利3,566,669中，加熱的冷卻流體流過導熱體，如內部結構將要測定的渦輪葉片。測量在其外部表面產生的溫度場，並將其與已知壁厚的標準導熱體的溫度場進行比較，該標準導熱體受到相同的流體流過。冷卻通道中的障礙可以通過比較導熱體的鄰近外部區域而確定。
授權給Nirmalan的美國專利6,422,743公開了一種非破壞性方法，其用來定量確定被冷卻結構的傳熱特性。該方法包括導熱體表面的紅外線熱成像，該導熱體表面已加熱並通以冷卻介質。瞬態表面溫度數據用紅外線熱成像裝置以像素的形式獲得，並轉換為包括時間，平面幾何位置和溫度的形式。通過用瞬態熱平衡公式的數值解處理數據和取係數的時間平均值獲取導熱體表面每個像素和每個時間增量的傳熱係數。
雖然這種方法允許確定傳熱係數，但它沒有提供確定導熱體內部幾何形狀的方法。導熱體的質量評估通過與該種類的已知導熱體進行比較來評定。
在《Journal ofTurbomachinery(渦輪機械雜誌)》2003年1月125卷83頁，Nirm V.Nirmalan等人的論文「用非破壞性熱慣性技術測量渦輪機翼全表面內部傳熱係數」中，公開了通過熱表面成像確定傳熱係數的另外的方法。具有內部流動結構的導熱體通過已知溫度和流量的加熱和冷卻介質被瞬態加熱和冷卻。平面像素化紅外線照相機將外表面溫度作為時間函數記錄下來。該瞬態熱史包含取決於內部傳熱係數的響應數據。
內部傳熱係數分布通過用有限體積模型的有限元模型預測外表面溫度並將它們與測量的溫度相比較的迭代法來獲得。在測量值匹配不足的情況下，用校正的模型重新計算傳熱係數。在計算傳熱係數時，假設內部結構的壁只在一維空間導熱，而橫向熱傳導被忽略。此外，預測外表面溫度需要知道導熱體內壁厚度和幾何形狀、材料特性、和瞬態流體溫度的值。因此這種方法僅限於這些值為已知的或通過其它方法確定的導熱體。
所描述的方法僅限於內部結構的幾何形狀已知或通過其它非破壞性方法確定的導熱體的測量。

發明內容
本發明的目的是提供確定具有內部流路結構的導熱體的傳熱特性的非破壞性方法。本發明的目的特別是提供這樣一種方法，用於在相同的分析過程中且不能預先知道導熱體內部幾何形狀的情況下，確定導熱體的傳熱係數和內部結構的壁厚。該方法利用穿過導熱體內部結構的瞬態流在導熱體外表面上產生的熱像。
該方法包括以下步驟使流動介質穿過具有用作流動介質流路的內部結構的導熱體，用像素化圖像檢測器將導熱體外表面的熱像作為時間函數記錄下來，處理像素化熱像以便獲得對給定時間點集和導熱體外表面上給定點集的測量表面溫度，用數值模型預測相同外表面上由穿過導熱體的流動介質產生的溫度，將表面溫度測量值與表面溫度預測值相比較，將表面溫度預測值進行迭代以便優化熱像檢測器測得的溫度數據和數值模型預測的溫度數據之間的匹配。
依照本發明，數值模型包含傳熱係數和內部結構壁厚的初始值。這些初始值是基於對導熱體內部結構的良好評估而不是基於預先知道其內部結構。最佳匹配法被用到所預測的和測量的表面溫度值上。在匹配不足的情況下，用本方法中的迭代過程來優化傳熱係數和壁厚的值以便優化表面溫度測量值和預測值之間的匹配。重複該迭代過程直到獲得最佳匹配，在這種情況下，傳熱係數和內部結構的壁厚被確定出來。特別地，該數值方法不包括內部機構的幾何形狀或結構材料的已知參數。
在依照本發明方法的優選變體中，表面溫度預測值的迭代包括導熱體內部結構幾何形狀的二維或三維模型。幾何模型的空間參數在每次迭代中被優化。如果出現表面溫度測量值和預測值之間的最佳匹配，導熱體的幾何形狀和傳熱特性就用單一種方法來確定。因此，冷卻結構內部通道的位置、尺寸和形狀可以與傳熱特性一起被確定。
該方法分析熱表面響應並用一維、二維和三維逆解法來確定與熱響應相應的傳熱特性和壁厚。
可選擇地，也允許與通過結構的瞬態流動介質的內部熱通量相結合確定上述參數和結構幾何形狀。
測量(預測)的表面溫度通過同時考慮來自圖像檢測裝置像素陣列的溫度數據來分析。(而不是如依照美國專利6,422,743的方法所做的，只有考慮四個直接鄰近像素影響的一個像素)。
依照本發明的方法允許考慮穿過導熱體內壁的空間和時間溫度梯度，即，考慮所述壁的厚度有溫度梯度穿過。這允許更精確和明確地確定傳熱係數和壁厚。(另一方面零溫度梯度的相對薄的壁的假設會導致模糊和不精確的結果)。
該方法還不只考慮垂直於內部結構的壁的溫度梯度，也考慮橫向的，即，在二維或三維的。這允許考慮高曲率的壁結構中傳熱係數的影響，如經常在蛇形結構中遇到的那樣。
依照本發明的方法允許檢查現有導熱體，例如具有複雜內部冷卻結構的氣渦輪葉片，其內部幾何形狀是未知的。該方法允許區別和分析例如衝擊肋片，釘肋，彎管，和平滑葉片蓮蓬頭這樣的冷卻結構的特性。特別地，該方法考慮並允許確定具有小曲率半徑的結構，這種結構經常是渦輪葉片的蛇形類冷卻結構中的情形。
該方法可以應用於作為渦輪葉片設計和生產工藝的一部分的幾何形狀和傳熱特性的質量評定。而且，該方法可用於對該類葉片的可能壽命進行確定以及對其內部幾何數據為非現存的現有葉片進行檢查。
依照本發明的方法可對給定導熱體進行省時和成本有效的檢查。可以確定傳熱特性和幾何參數而不需要任何另外的測量或另外的測量裝置例如超聲波。
在依照本發明的優選方法中，表面溫度的表面溫度預測值和表面溫度測量值之間的匹配質量是通過分析一個或多個下列標準而確定的在給定像素下的絕對溫度，從初始溫度開始，溫度隨著時間的變化，溫度在時間和空間上的偏導數，或依照以上的綜合偏導數。
數值模型的迭代包括應用於溫度值的預測值和測量值之間差異的最小尋找路徑。
在依照本發明的進一步的優選方法中，一個或多個下列特性被應用於數值模型中包含的參數壁厚是有限的，而且穿過所述壁的溫度梯度為零，壁厚是有限的，而且所述壁具有垂直穿過的有限溫度梯度，壁厚是有限的，而且所述壁具有二維或三維有限溫度梯度。
在進一步的優選方法中，應用了導熱體內部結構的有限元或邊界模型。
在本方法的變體中，導熱體幾何形狀的模型是根據需要修改的，以便確定導熱體的幾何形狀。與這種修改一起，傳熱係數，壁厚和局部熱通量也可以修改。
在依照本發明的方法的進一步變體中，給導熱體通過第一流動介質並獲取表面溫度的第一集合作為時間和空間的函數。在與第一流動介質相同的壓力條件下，給導熱體的內部結構通過溫度與第一流動介質不同的第二流動介質。如第一數據集合一樣，用相同的像素化熱像探測器獲取導熱體同一外表面的表面溫度的第二集合，它與第一溫度數據集合不同。將以上所述的和權利要求1所述的用來確定導熱體傳熱特性和內部結構幾何形狀的逆解法用於這兩個溫度數據集合，包括表面溫度預測值和測量值之間匹配的迭代和最小化。疊加兩個數據集合，並選擇提供兩個溫度數據集合的最佳匹配的傳熱特性和幾何形狀的解。溫度數據的兩個集合的使用允許更精確地確定壁厚。


圖1示意地示出用來檢查具有冷卻結構的渦輪葉片的內部結構和傳熱特性的測量機構。
圖2示出依照本發明確定導熱體傳熱特性和幾何形狀的方法的流程圖。
具體實施例方式
圖1示意地示出包括流動介質源1的測量機構，該源最適宜為具有第一溫度T1的空氣。(取決於導熱體類型和測量環境，也可以用其它適當流動介質例如水、氮氣、蒸汽)。源1通過入口的管線與加熱器2相連。出口管線從加熱器導向到將被檢查的渦輪葉片3的內部結構入口。穿過加熱器2的空氣被加熱使得它在進入葉片3的冷卻結構之前的一個點具有經選擇的可控的溫度T2。空氣通過葉片根部4中的通道被導入葉片3的內部冷卻結構。它通過例如葉片梢端區6中的膜冷卻孔5這樣的排出孔從結構中排出。將具有像素化檢測區的紅外線照相機7聚焦到葉片3的外表面8並檢測外表面8的熱像。
取代用熱空氣穿過室溫下的葉片的是，也可用冷空氣以類似方式穿過處於高溫下的葉片。
可以用高溫計來代替紅外線照相機而作為熱像檢測裝置。高溫計允許使用該機構來直接測量在操作過程中位於渦輪發動機內或在冷卻過程中位於燃燒系統內的氣輪機零部件。該測量機構允許在整個由於加熱和冷卻產生的溫度瞬變過程中檢測發動機零部件的表面熱像。
圖2示出的依照本發明的方法，從用紅外線照相機或其它適當的熱成像裝置記錄葉片外表面8的溫度開始，溫度標記為(Ts)。表面溫度數據在熱空氣的瞬態流被引導穿過葉片內部冷卻結構的時間段內，和/或在瞬態流停止後的時間段內被記錄下來。因此，建立了葉片結構的熱像史。使標記為(t)的時間數據與表面溫度數據(Ts)同步以便獲得溫度數據集合(Ts，meas(t，x，y，z))，作為葉片表面上的時間和空間位置函數，依照上述時間數據(t)空氣流被引導通過葉片。
根據所估計的導熱體內部機構的複雜性，以一定的空間和時間解析度來測量表面溫度。例如在渦輪葉片的情形中，時間解析度可以為1/100秒或更低。這個時間解析度是必要的以便考慮其間熱能通過葉片壁的短時間。通過使用350*250像素的紅外線照相機提供適當的空間解析度。
在本方法的變體中，熱像的空間和時間解析度可以改變，例如用更高的時間解析度分析外表面的更小的部分。
在本方法的第一種形式中，生成傳熱係數hi(t，x，y，z)和壁厚δi(t，x，y，z)的初始值的集合，作為時間和空間的函數。初始值是基於外部幾何形狀和關於葉片的可以對傳熱特性作出指示的任何其它知識而建立的傳熱特性的近似值。
初始值與由加熱到已知溫度T2的流動介質引起的局部熱通量qi的數據一起被用在一個數值模型Mnum中，該數值模型可以在獲取了實際表面溫度數據的所有時間幀內計算出會在葉片外表面上產生的表面溫度Ts，pred(t，x，y，z，h，q，δ)。
初值集合中可以包含另外的參數Ai，Bi，Ci，來計算外表面上的熱響應。這些另外的參數可以是例如像熱傳導率和熱容量這樣的材料參數。
依照標記為「匹配」的最佳適配法將計算出的表面溫度預測值Ts，pred(t，x，y，z，h，q，δ)與溫度數據Ts，meas(t，x，y，z)相比較。兩個數據集合之間的匹配可以依照以下標準中的一個或多個確定a)絕對溫度的比較，b)從初始溫度開始，表面溫度隨時間的變化的比較，c)在兩個或更多像素上的溫度對於時間偏導數的比較，d)在兩個或更多像素上的溫度對於空間偏導數的比較，和e)綜合偏導數的比較。
其次，作出表面溫度測量值與模型化的值之間的匹配是否足夠精確以為內部結構的傳熱係數和壁厚提供可靠結果的決定。如果它在有關應用中被認為匹配「良好」，那麼，獲得最終傳熱係數hf(x，y，z)，壁厚δf(x，y，z)和其它最終參數。
如果認為匹配不足，用表面溫度測量值和表面溫度預測值之間的差異來開始方法的迭代10，在該迭代中優化對合成外表面溫度起作用的參數以便使表面溫度測量值與預測值之間的差異最小化。為此，可以使用上述標準中的任何一個，例如依照測量值的對於空間的偏導數與依照模型的偏導數之間的差異。
為了優化傳熱係數和壁厚δ，可以選擇下列標準中的任何一個或幾個a)假設在內部結構內形成流道的壁具有有限厚度，儘管在熱力學上壁很薄使得溫度梯度假設為0。
b)假設所述壁具有的壁厚使得穿過壁的溫度梯度不為0。在第一個選擇中，假設溫度梯度垂直於壁，這對應於一個一維解；在第二個選擇中，假設溫度梯度垂直於和不垂直於壁，這對應於一個二維或三維解。這種選擇特別考慮了尤其在葉片冷卻結構的情形中的曲率半徑小的結構產生的影響。
c)所研究的內部結構的有限元或有限邊界模型被用來消除一個未知變量。
作為優化結果，得到了傳熱係數hj和壁厚值δj的新集合。
而且，任何一個像局部熱通量q和參數A，B，C這樣的參數，例如材料特性也可以被優化以便得到這些參數的新值Aj，Bj，Cj，qj。瞬態流動介質的局部熱通量的優化允許考慮由作為葉片壁熱量損失結果的流動介質溫度改變引起的影響。這在例如蛇形冷卻結構這樣具有長通道的結構中尤其重要。
優化值被用來計算表面溫度預測值的新集合，該新集合又與溫度測量值相比較。重複該迭代過程直到達到溫度預測值與測量值之間的最佳匹配，確定出傳熱係數hf(x，y，z)和壁厚δf(x，y，z)的組合的最終值。
在本方法的第二種形式中，數值模型Mnum中包含圖2的示意圖中標記為虛線的幾何模型Mgeom，該幾何模型包含描述葉片的數據Xi，Yi，Zi。根據需要，導熱體的幾何形狀被描述為二維或三維的。在迭代過程中，除了優化傳熱係數和壁厚之外，空間參數Xi，Yi，Zi也被優化以便達到表面溫度之間的最佳匹配並獲得內部結構的幾何形狀。在壁被在熱力學上假設很厚並具有有限厚度的情形中，幾何模型尤其有必要。在壁被在熱力學上假設為薄的情形中，幾何形狀通常沒有必要。
在依照本發明的方法的變體中，葉片的幾何模型在其層結構方面被修改，這考慮了整個內部結構的多重層的影響。
圖中所用的術語1流體介質源2流體介質加熱器3葉片4葉根5排出孔，膜冷卻孔6葉片梢端7熱像檢測器8葉片的外表面T1加熱器之前的流體溫度T2進入葉片內部結構之前的流體溫度Ts熱像檢測器記錄的表面溫度數據
Ts(t，x，y，z) 與流體的時間數據同步的表面溫度數據匹配 測量值和預測值的比較和匹配的確定hi初始傳熱係數hf(x，y，z) 最終傳熱係數δi初始熱壁厚度δf(x，y，z) 最終熱壁厚度hj優化的傳熱係數δj優化的熱壁厚度qi初始局部熱通量qj優化的局部熱通量Ai，Bi，Ci初始材料參數Aj，Bj，Cj優化的材料參數Af，Bf，Cf最終材料參數Mnum數值模型Mgeom導熱體內部結構的幾何模型Xi，Yi，Zi， 導熱體幾何形狀的初始值Xj，Yj，Zj， 導熱體幾何形狀的優化值Xf，Yf，Zf， 導熱體幾何形狀的最終值
權利要求
1.用來確定具有讓流動介質流過的內部結構的導熱體(3)的傳熱特徵的方法，包括以下步驟，對導熱體(3)的內部結構通以具有第一溫度的第一流動介質，用像素化圖像檢測器(7)將導熱體(3)的外表面(8)的第一熱像作為時間的函數記錄下來，處理第一熱像以便獲得對於給定的時間點集(t)和表面(8)上的給定點集(x，y，z)的第一表面溫度測量值(Ts，meas(t，x，z，y))，對於相同時間點集使用數值模型(Mnum)預測通過導熱體(3)的相同外表面(8)的由於流過導熱體(3)的瞬態流產生的第一表面溫度(Ts，pred(t，x，y，z))，對第一表面溫度測量值(Ts，meas(t，x，z，y))和第一表面溫度預測值(Ts，pred(t，x，y，z))應用最佳匹配法(匹配)並確定它們之間的匹配程度，通過迭代過程(10)優化第一表面溫度預測值(Ts，pred(t，x，y，z))直到第一表面溫度測量值(Ts，meas(t，x，z，y))與第一表面溫度預測值(Ts，pred(t，x，y，z))之間的匹配程度被優化，其特徵在於所述數值模型(Mnum)包括導熱體(3)的內部結構的傳熱係數(hi)和壁厚(δi)的初始值，該初始值在迭代過程(10)中被優化，直到第一表面溫度預測值(Ts，pred(t，x，y，z))與第一表面溫度測量值(Ts，meas(t，x，z，y))之間的匹配程度被優化，並且確定與優化的匹配程度相對應的最終傳熱係數(hf(x，y，z))和壁厚(δf(x，y，z))。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述數值模型(Mnum)包括導熱體(3)的內部結構的二維或三維幾何模型(Mgeom)，它在本方法的每次迭代過程中被優化直到獲得第一表面溫度預測值(Ts，pred(t，x，y，z))與第一表面溫度測量值(Ts，meas(t，x，z，y))之間的最佳匹配，並且確定內部結構幾何形狀的最終值。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於所述數值模型(Mnum)包括瞬態流動介質的初始局部熱通量(qi)，它在本方法的每次迭代過程(10)中被優化。
4.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於所述數值模型(Mnum)包括材料參數初始值(Ai，Bi，Ci)，它在本方法的每次迭代過程中優化，並獲得材料參數最終值(Af，Bf，Cf)。
5.如權利要求1到4中任一項所述的方法，其特徵在於包含在所述數值模型(Mnum)中的值依照下列標準中的一個或多個來被優化壁厚是有限的，而且穿過所述壁的溫度梯度為零，壁厚是有限的，而且所述壁具有垂直穿過的有限溫度梯度，壁厚是有限的，而且所述壁具有二維或三維有限溫度梯度。
6.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於第一表面溫度測量值(Ts.meas(t，x，z，y))與第一表面溫度預測值(Ts，pred(t，x，y，z))之間的匹配依照下列標準中的一個或多個來確定給定像素上的絕對表面溫度，從初始溫度開始，溫度隨著時間的變化，溫度對時間或空間的偏導數，對時間或空間的綜合偏導數。
7.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於對導熱體(3)的內部結構通以具有與第一流動介質的第一溫度不同的第二溫度的第二流動介質，並執行以下步驟用像素化圖像檢測器(7)將導熱體(3)的外表面(8)的第二熱像作為時間函數記錄下來，處理第二熱像以便獲得對給定時間點集(t)和表面(8)上的給定點集(x，y，z)的第二表面溫度測量值(Ts，meas(t，x，z，y))，對相同時間點集使用數值模型(Mnum)預測通過導熱體(3)的相同外表面的由於流過導熱體(3)的瞬態流產生的第二表面溫度(Ts，pred(t，x，y，z))，將最佳匹配法(匹配)應用於第二表面溫度測量值(Ts.meas(t，x，y，z))和第二表面溫度預測值(Ts，pred(t，x，y，z))並確定它們之間的匹配程度，通過迭代過程(10)優化第二表面溫度預測值(Ts，pred(t，x，y，z))直到第二表面溫度測量值(Ts，meas(t，x，y，z))與第二表面溫度預測值(Ts，pred(t，x，y，z))之間的匹配程度被優化，所述數值模型(Mnum)包括導熱體(3)的內部結構的傳熱係數(hi)和壁厚(δi)的初始值，它們在迭代過程(10)中被優化直到第二表面溫度測量值(Ts，meas(t，x，y，z))與第二表面溫度預測值(Ts，pred(t，x，y，z))之間的匹配程度被優化，通過第一和第二溫度數據集合的疊加，確定與溫度數據第一和第二集合的優化匹配程度相對應的最終傳熱係數(hf(x，y，z))和壁厚(δf(x，y，z))。
8.如權利要求1或7所述的方法，其特徵在於通過加熱器(2)控制穿過導熱體(3)的第一和/或第二流動介質的溫度。
9.如權利要求1或7所述的方法，其特徵在於根據流動介質源(1)使圖像檢測器(7)記錄的表面溫度(Ts)與時間數據(t)同步。
10.如權利要求1所述的方法，其特徵在於像素化熱像檢測器(7)是紅外線檢測器或高溫計。
全文摘要
在用來確定例如渦輪葉片(3)的冷卻結構這樣的導熱體(3)內部結構的非破壞性方法中，對內部結構通以流動介質，用像素化熱像檢測器(7)記錄導熱體(3)外表面(8)上的合成熱像。內部結構的傳熱係數和壁厚通過一維，二維和三維逆解法確定，該方法包含使用傳熱係數和壁厚的初始值和用迭代法優化這些值的表面溫度數值模型。在本方法的特殊變體中，導熱體內部結構的空間幾何形狀通過相同的逆解法和用迭代法來優化的幾何模型確定。不需要預先知道內部幾何形狀。
文檔編號G01K17/00GK1886649SQ200480035537
公開日2006年12月27日 申請日期2004年11月15日 優先權日2003年12月1日
發明者安德魯·克利夫頓, 馬丁·施尼德, 基婭拉·贊貝蒂 申請人:阿爾斯通技術有限公司