離線工業(yè)燃氣輪機及其它發(fā)電機械的目視檢查與三維白光掃描系統(tǒng)和方法
【專利說明】離線工業(yè)燃氣輪機及其它發(fā)電機械的目視檢查與三維白光掃描系統(tǒng)和方法
[0001]對未決專利申請的引用
[0002]本專利申請是于2012年I月31日提交的標題為“System And Method ForAutomated Optical Inspect1n Of Industrial Gas Turbines And Other PowerGenerat1n Machinery With Articulated Mult1-Axis Inspectin Scope (利用活節(jié)型多軸檢查儀對工業(yè)燃氣輪機和其它發(fā)電機械進行自動化光學檢查的系統(tǒng)和方法)”的美國發(fā)明專利申請13/362，352的部分延續(xù)案。
[0003]本專利申請要求于2012年8月23日提交的標題為“Visino Scope_3D ScannerTip for Visual Inspect1n and Measurement (用于目視檢查和測量的 Vis1n Scope 三維掃描儀探頭)”的未決美國臨時專利申請61/692，409的權益，該臨時專利申請的內(nèi)容通過引用并入本文。
[0004]本專利申請還要求以下未決美國專利申請的權益:于2012年I月31日提交的標題為“System And Method For Automated Optical Inspect1n Of Industrial GasTurbines And Other Power Generat1n Machinery (工業(yè)燃氣輪機和其它發(fā)電機械的自動化光學檢查系統(tǒng)和方法)”的美國發(fā)明專利申請13/362,417 ;于2012年I月31日提交的標題為“System And Method For Automated Optical Inspect1n Of IndustrialGas Turbines And Other Power Generat1n Machinery With Articulated Mult1-AxisInspectin Scope (利用多軸檢查儀對工業(yè)燃氣輪機和其它發(fā)電機械進行自動化光學檢查的系統(tǒng)和方法)”的未決美國發(fā)明專利申請13/362,387;以及于2013年8月21日提交的標題為“System And Method For Optical Inspect1n Of Off-Line Industrial GasTurbines And Other Power Generat1n Machinery In Turning Gear Mode (對處于盤車模式的離線工業(yè)燃氣輪機和其它發(fā)電機械進行光學檢查的系統(tǒng)和方法)”的未決美國發(fā)明專利申請13/971,938(西門子案號2013P09380US)，該申請又要求于2012年8月23日提交的標題為“Hybrid Scope-Turbine Combustor Hardware Visual Inspect1n ToolingThat Can Also Be Used To Inspect The Row ITurbine Blades While They Are OnTurning Gear(1-1OOOrpm)(還可用于對處于盤車狀態(tài)(1-1OOOrpm)的第I列禍輪機輪葉進行檢查的Hybrid Scope渦輪機燃燒室金屬部件目視檢查工具)”的未決美國臨時專利申請61/692, 393的權益。所有上述的所引用未決專利申請通過引用并入本文。
技術領域
[0005]本發(fā)明涉及一種用于對工業(yè)渦輪機和其它發(fā)電機械(包括但不局限于燃氣輪機和蒸汽輪機以及發(fā)電機)進行無損內(nèi)部檢查和實時尺寸測量的光學攝像頭系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明的多個方面涉及一種光學攝像頭檢查系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在有或者沒有人工干預的條件下經(jīng)由燃氣輪機燃燒室噴嘴和過渡段手動或自動地定位攝像頭視野(FOV)并捕獲相應的燃燒室支撐外殼、燃燒室火焰筒和過渡段的氣路側的三維尺寸數(shù)據(jù)(優(yōu)選帶有附加的可視圖像)。本發(fā)明支持實時尺寸測量，這有助于提取被掃描結構的離線工程信息。使用由條形投光燈產(chǎn)生的投射光帶和矩陣攝像頭進行三維物體形狀測量。本發(fā)明的儀器可配置為單獨地或與目視掃描結合進行三維白光掃描。自動攝像頭定位和圖像捕獲可自動開始，或在收到操作人員的許可后開始。
【背景技術】
[0006]發(fā)電機械設備(例如蒸汽或燃氣輪機)常常按預定的檢修期連續(xù)運轉，在到檢修期時，需要使渦輪機進入離線狀態(tài)，并停機。例如，燃氣輪機常常要連續(xù)工作約4000小時進行發(fā)電，然后使其進入離線狀態(tài)，以進行例行維護和檢查，并對在檢查過程中查出的任何部件進行修理。使燃氣輪機進入離線狀態(tài)并最終完全關機以進行預定維護是一項需要數(shù)天的工作。一些渦輪機部件(例如渦輪轉子段)在超過1000°C (1832 °F )的溫度下運轉。在完全停機前，需要經(jīng)過48-72小時的冷卻時間使渦輪機達到環(huán)境溫度，以降低部件翹曲或其它變形的可能性。在停機階段中，渦輪轉子轉速以“盤車模式”從大約3600RPM的運轉速度緩降至大約120RPM或更低的速度，在此過程中，轉子由輔助驅動電機外部驅動，以降低轉子翹曲的可能性。其它渦輪機部件(例如渦輪機殼體)也緩慢降低至環(huán)境溫度。
[0007]在渦輪機經(jīng)過長達72小時左右的時間冷卻至環(huán)境溫度時，就可以使用光學攝像頭檢查系統(tǒng)對靜止渦輪機的內(nèi)部部件進行檢查了。已知的光學攝像頭檢查系統(tǒng)采用插入到渦輪機周圍的檢查口中的剛性或柔性光學內(nèi)窺儀。需要手動定位內(nèi)窺儀，使其視野圍繞渦輪機內(nèi)的待研宄區(qū)域，例如一個或多個導葉或輪葉、燃燒室火焰筒等。光耦合至內(nèi)窺儀的攝像頭捕獲視野內(nèi)的被研宄對象的圖像，以便由檢查人員遠程顯像和存檔(如果需要)。
[0008]若需要某個渦輪機檢查口內(nèi)的不同待研宄區(qū)域的一系列不同圖像，則操作人員必須手工地重新定位攝像頭檢查系統(tǒng)的內(nèi)窺儀，以完成所需的內(nèi)部待研宄區(qū)域和視野的相對對位。相對對位可通過物理地移動內(nèi)窺儀以使其觀察口處于靜止的待研宄區(qū)域附近來完成。例如，內(nèi)窺儀和靜止的渦輪機部件的這種相對移動可如下實現(xiàn):以不同的朝向把內(nèi)窺儀插入到靜止的燃燒室中，或者使內(nèi)窺儀徑向進出渦輪段內(nèi)的導葉和葉列之間的空間。相對對位還可通過把內(nèi)窺儀觀察孔保持在靜止位置并把待研宄的渦輪機內(nèi)部部件移入靜止視野中來完成。渦輪機內(nèi)部部件和靜止內(nèi)窺儀的相對移動的一個例子是通過手工地把渦輪轉子相繼轉動數(shù)度并捕獲輪葉的圖像來檢查葉列內(nèi)的不同輪葉。轉子相繼轉動，從而使葉列內(nèi)的每個所需輪葉在攝像頭視野內(nèi)對正。
[0009]完整的渦輪機檢查需要檢查人員多次手動地執(zhí)行渦輪機內(nèi)的攝像頭檢查系統(tǒng)觀察孔與待研宄區(qū)域之間的相對重新定位序列。檢查質(zhì)量和生產(chǎn)率受檢查人員和檢查組的檢查和操控技藝的影響。由于燃氣輪機內(nèi)的部件之間的操控路徑很復雜，因此檢查儀器的定位是一個難題。例如，經(jīng)由燃燒室檢查口插入內(nèi)窺儀以檢查第一列導葉的前緣或相關支撐件需要復雜的操控。檢查裝置在渦輪機內(nèi)定位不當可能損害渦輪機內(nèi)部部件。由多名操作人員組成的檢查組常常需要使用已知的檢查方法和裝置進行手工檢查?？傮w來說，已知的手動攝像頭檢查程序和檢查系統(tǒng)操控非常耗時，屬于重復性操作，并且常常需要由多名人員組成的檢查組的輔助。由于人的技藝水平的差異，已知的手動攝像頭檢查程序和檢查系統(tǒng)操控的“人員因素”會引入不應有的檢查過程變動性。由于人員技藝差異，某些檢查組能比其它組以更短的時間完成檢查，實現(xiàn)更高的圖像質(zhì)量，并具有更低的檢查損害危險。理想情況下，高素質(zhì)檢查組的技藝可由所有檢查組借鑒使用。
[0010]在檢查中，人們還希望獲得燃氣輪機或蒸汽輪機的尺寸信息，包括工業(yè)燃氣輪機的氣側內(nèi)部結構的信息，以提取可用于離線工程研宄的結構信息。例如，在沒有工程數(shù)據(jù)文件時，人們希望獲得燃氣輪機的氣側燃燒室和過渡部件的結構信息，并產(chǎn)生CAD或其它計算機圖像。以前，結構信息是通過在完成冷卻過程后拆下渦輪然后使用測量儀器(例如坐標量測系統(tǒng))物理地檢查部件來獲得的。隨后，需要在發(fā)動機冷卻下來很長時間后使用物理測量數(shù)據(jù)構造CAD或其它數(shù)據(jù)文件，因而會增加維護進度的延遲。
[0011]更可取的是在拆卸渦輪之前收集這種結構數(shù)據(jù)，以便在開始維護作業(yè)的同時訂購或制造替換部件，而不是等待在拆卸發(fā)動機后進行目視和/或物理檢查。如果能在冷卻過程的盡可能早的階段輕松地預先獲得渦輪機內(nèi)部部件的尺寸數(shù)據(jù)(優(yōu)選帶有可視數(shù)據(jù)例如在冷卻過程的很長盤車模式部分中當轉子處于旋轉狀態(tài)時獲取--則可在渦輪機轉子完全靜止下來之前優(yōu)先考慮需要修理的部件，以便規(guī)劃更換、整修和/或其它修理時間。
[0012]業(yè)界需要一種光學攝像頭檢查系統(tǒng)和方法，與需要拆卸內(nèi)部部件并進行物理測量的已知檢查裝置和方法相比，該系統(tǒng)和方法能夠減少進行無損內(nèi)部檢查和收集發(fā)電機械(包括但不局限于蒸汽輪機或燃氣輪機以及發(fā)電機)的內(nèi)部尺寸信息所需的總時間，從而在維護周期中能夠更快地使機械返回在線狀態(tài)，以恢復發(fā)電。
[0013]業(yè)界還需要一種能夠在單個設備的檢查周期內(nèi)或多個不同設備的檢查周期內(nèi)一致并可重復地在發(fā)電機械設備(包括但不局限于蒸汽或燃氣輪機和發(fā)電機)內(nèi)定位檢查儀器的光學攝像頭檢查系統(tǒng)和方法，其能夠最大限度地降低設備內(nèi)部部件損壞的危險，并且與已知的手動檢查和部件物理尺寸測量裝置與方法相比能夠獲得很高的圖像質(zhì)量，實現(xiàn)非物理尺寸測量，并縮短檢查周期時間。
[0014]業(yè)界還需要一種光學攝像頭檢查系統(tǒng)和方法，其有助于在不同檢查組之間平衡檢查技藝水平和生產(chǎn)率。
[0015]業(yè)界還需要一種攝像頭檢查系統(tǒng)，其能夠在有或者沒有人工干預的條件下捕獲蒸汽輪機或燃氣輪機內(nèi)部部件的三維尺寸數(shù)據(jù)，例如燃氣渦輪發(fā)動機內(nèi)的相應燃燒室支撐外殼的氣路側、燃燒室火焰筒和過渡段的三維尺寸數(shù)據(jù)。理想情況下，所需的系統(tǒng)支持實時尺寸測量，這有助于提取被掃描結構的離線工程信息。所需的系統(tǒng)優(yōu)選便于在維護前當渦輪機處于冷卻模式中時提取尺寸信息，并便于收集其它目視檢查信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]因此，本發(fā)明的彼此之間聯(lián)合或獨立的可能目的是產(chǎn)生一種用于發(fā)電機械(包括但不局限于蒸汽輪機或燃氣輪機和發(fā)電機)的光學攝像頭檢查系統(tǒng)和方法，其能夠在有或者沒有人工干預的條件下捕獲蒸汽輪機或燃氣輪機內(nèi)部部件的三維尺寸數(shù)據(jù)，例如燃氣渦輪發(fā)動機內(nèi)的相應燃燒室支撐外殼、燃燒室火焰筒和過渡段的氣路側的三維尺寸數(shù)據(jù)。