專利名稱：用于模態(tài)形狀識別的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例總體上涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，并且更特別地涉及用于渦輪機(jī)葉片的模態(tài)形狀(mode shape，即“振型”)識別的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
諸如燃?xì)鉁u輪機(jī)的高速渦輪機(jī)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(yīng)軸向流動通過機(jī)械的高壓流體的力而旋轉(zhuǎn)。由于它們的復(fù)雜設(shè)計(jì)，葉片的固有共振機(jī)械頻率可以與某些葉片旋轉(zhuǎn)速度及其旋轉(zhuǎn)諧波一致或由其激勵。每個固有頻率與特定模態(tài)形狀關(guān)聯(lián)，每個模態(tài)形狀是例如沿著渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸線、垂直于渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸線等的振動偏轉(zhuǎn)(deflection)的不同組合。在用于監(jiān)測并且分析帶護(hù)罩葉片結(jié)構(gòu)中的振動的已知系統(tǒng)中，其中護(hù)罩被制造成與葉片一體化，護(hù)罩可以帶有置于護(hù)罩中的觸發(fā)器(trigger)。與葉片關(guān)聯(lián)的每個護(hù)罩部分通常被提供一個觸發(fā)器使得每個觸發(fā)器對應(yīng)于一個葉片。在多數(shù)現(xiàn)場測試和在線應(yīng)用中，可以提供傳感器以用于當(dāng)觸發(fā)器經(jīng)過傳感器時感測每個觸發(fā)器的到達(dá)。在用每個觸發(fā)器(即，每個葉片)識別的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上分析數(shù)據(jù)，使得基于葉片排的多次旋轉(zhuǎn)而單獨(dú)地分析每個目標(biāo)位置的振動特性，以表征所聯(lián)接的護(hù)罩結(jié)構(gòu)的振動特性。然而在這樣的系統(tǒng)中，難以識別葉片的模態(tài)形狀。

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


現(xiàn)在將參考附圖，所述附圖不必按照比例繪制，并且其中圖1是根據(jù)實(shí)施例的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的示例性示意圖，該燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)具有壓縮器、燃燒器和渦輪機(jī)。圖2是根據(jù)實(shí)施例的示例性渦輪機(jī)葉片的示意圖。圖3是根據(jù)實(shí)施例的示例性帶護(hù)罩渦輪機(jī)葉片的示意圖。圖4是根據(jù)實(shí)施例的包括多個觸發(fā)圖案的示例性帶護(hù)罩渦輪機(jī)葉片的示意圖。圖5是根據(jù)實(shí)施例的示出探頭靈敏度與渦輪機(jī)葉片的各種模態(tài)形狀的觸發(fā)角之間的關(guān)系的圖形。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將參考以下附圖而更完整地描述示例性實(shí)施例，在附圖中顯示了一些、但非全部實(shí)施例。本發(fā)明可以以許多不同的形式體現(xiàn)并且不應(yīng)當(dāng)被理解為限制到本說明書中所述的實(shí)施例；相反地，提供這些實(shí)施例使得本公開將滿足適用法律要求。相似的附圖標(biāo)記始終表示相似的元件。示例性實(shí)施例尤其涉及用于渦輪機(jī)葉片或其它旋轉(zhuǎn)元件的模態(tài)形狀識別的系統(tǒng)和方法。圖1顯示了可以用于本說明書中的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)10的示意圖。眾所周知，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)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并且點(diǎn)燃混合物以產(chǎn)生燃燒氣體流動35。盡管僅僅顯示了單一燃燒器25，但是燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)10可以包括任何數(shù)量的燃燒器25。燃燒氣體流動35又被輸送到渦輪機(jī)40。燃燒氣體流動35驅(qū)動渦輪機(jī)40從而產(chǎn)生機(jī)械功。在渦輪機(jī)40中產(chǎn)生的機(jī)械功經(jīng)由軸45驅(qū)動壓縮器15和外部負(fù)載50 (例如發(fā)電機(jī)等)。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)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?xì)鉂欇啺l(fā)動機(jī)10可以是由紐約州斯克內(nèi)克塔迪市(Schenectady)的通用電氣公司提供的許多不同燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中的任何一種，包括但不限于例如7或9系列重型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)等。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)10可以具有不同配置并且可以使用其它類型的部件。其它類型的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)也可以用于本說明書中。多個燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)、其它類型的渦輪機(jī)和其它類型的發(fā)電設(shè)備也可以一起用于本說明書中。圖2描繪了渦輪機(jī)40的部件；具體地，渦輪機(jī)葉片或葉55。渦輪機(jī)葉片55包括翼型60和根部65。翼型60包括前緣和后緣。大體凹壓力表面和大體凸吸力表面在翼型60的相對側(cè)在前緣和后緣之間延伸。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(zhuǎn)子上的相應(yīng)鳩尾榫凹槽以將渦輪機(jī)葉片55固定到轉(zhuǎn)子。如圖2和3中共同地所示，尖端護(hù)罩80形成于翼型60的尖端并且從翼型60的表面垂直地向外延伸。尖端護(hù)罩80包括徑向面向內(nèi)表面和徑向面向外表面并且暴露于流動通過渦輪機(jī)部段的熱壓縮氣體。每個尖端護(hù)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(hù)罩，由此約束葉片振動。此外，密封軌道95典型地從尖端護(hù)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(yīng)的葉片排周圍泄漏。在一些常規(guī)渦輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)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(guī)渦輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)中，冷卻劑通道可以限定于翼型中。在圖4中描繪了用于渦輪機(jī)葉片中的模態(tài)形狀識別的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括具有尖端護(hù)罩80的渦輪機(jī)葉片55，如先前所述。而且，該系統(tǒng)包括布置在尖端護(hù)罩80的徑向面向外表面上的觸發(fā)圖案100。傳感器105可以鄰近尖端護(hù)罩80的徑向面向外表面布置，以用于當(dāng)觸發(fā)圖案100經(jīng)過傳感器105時感測觸發(fā)圖案100。觸發(fā)圖案被圖案化以識別渦輪機(jī)葉片的至少一個模態(tài)形狀。模態(tài)與結(jié)構(gòu)共振關(guān)聯(lián)。每個模態(tài)由模態(tài)頻率、模態(tài)阻尼(modal dampening)和模態(tài)形狀限定。模態(tài)形狀限定渦輪機(jī)葉片的運(yùn)動。圖5示出了不同的觸發(fā)圖案如何可以提供對于不同渦輪機(jī)葉片模態(tài)形狀的或大或小探頭靈敏度。例如，取決于渦輪機(jī)葉片的模態(tài)形狀，各種觸發(fā)角可以提供各種水平的探頭靈敏度。在圖4和5中，觸發(fā)器I對應(yīng)于觸發(fā)器100，觸發(fā)器2對應(yīng)于觸發(fā)器101，并且觸發(fā)器3對應(yīng)于觸發(fā)器102。如圖5中圖形地所示,觸發(fā)器I及其相應(yīng)觸發(fā)角提供對于模態(tài)形狀I(lǐng)的最大探頭靈敏度和對于模態(tài)形狀3的最差探頭靈敏度。相反地，觸發(fā)器3及其相應(yīng)觸發(fā)角提供對于模態(tài)形狀3的最大探頭靈敏度和對于模態(tài)形狀I(lǐng)的最差探頭靈敏度。因此，觸發(fā)圖案可以單獨(dú)地和/或共同地圖案化以識別渦輪機(jī)葉片的各種模態(tài)形狀并且提供更大的靈敏度以檢測渦輪機(jī)葉片的各種模態(tài)形狀。在某些實(shí)施例中,觸發(fā)圖案放大由傳感器觀察到的偏轉(zhuǎn)。在其它實(shí)施例中,觸發(fā)圖案被圖案化以將渦輪機(jī)葉片的操作偏轉(zhuǎn)形狀與模態(tài)形狀區(qū)分開。而且，在其它實(shí)施例中，觸發(fā)圖案被圖案化以確定渦輪機(jī)葉片的模態(tài)形狀的方向?？梢酝ㄟ^經(jīng)由涂覆或其它手段施加圖案以改變尖端護(hù)罩的徑向面向外表面的至少一部分的反射率而形成觸發(fā)圖案。也可以通過雕刻、蝕刻或以另外方式變形尖端護(hù)罩的徑向面向外表面的至少一部分而形成觸發(fā)圖案。觸發(fā)圖案可以是識別渦輪機(jī)葉片的各種模態(tài)形狀并且提供更大靈敏度以檢測渦輪機(jī)葉片的各種模態(tài)形狀的任何形狀、尺寸和/或配置。例如，如圖4中所示，觸發(fā)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于美國專利第7，861，592號中所述的傳感器裝置，該專利通過引用被合并于本說明書中。例如，在某些示例性實(shí)施例中，傳感器是激光探頭。因此，由觸發(fā)圖案促進(jìn)的反射率的變化改變從激光探頭接收的光量(amount of
light)ο通過分析葉片經(jīng)過至少一個傳感器的時間偏差，尖端護(hù)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于識別渦輪機(jī)葉片上的特定特征或特征組。使用該數(shù)據(jù)，可以計(jì)算振動偏轉(zhuǎn)。而且，將觸發(fā)圖案施加于尖端護(hù)罩的徑向面向外表面的至少一部分可以用于將模態(tài)形狀與其它模態(tài)形狀區(qū)分開。觸發(fā)圖案也可以用于增加測量能力并且確定振動偏轉(zhuǎn)的方向。已描述了關(guān)于渦輪機(jī)葉片的用于模態(tài)形狀識別的本系統(tǒng)和方法。然而，可以預(yù)見利用旋轉(zhuǎn)元件的其它應(yīng)用。而且，盡管用特定于結(jié)構(gòu)特征和/或方法行動的語言描述了實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解本公開不是必定被限制到所述的具體特征或行動(act)。相反地，具體特征和行動作為實(shí)現(xiàn)實(shí)施例的示例性形式被公開。
權(quán)利要求
1.一種用于模態(tài)形狀識別的系統(tǒng)，包括渦輪機(jī)葉片；多個觸發(fā)圖案，所述多個觸發(fā)圖案布置在所述渦輪機(jī)葉片的遠(yuǎn)端；至少一個傳感器，所述至少一個傳感器鄰近所述渦輪機(jī)葉片的遠(yuǎn)端布置以用于檢測所述多個觸發(fā)圖案；其中所述多個觸發(fā)圖案被圖案化以識別所述渦輪機(jī)葉片的至少一個模態(tài)形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述渦輪機(jī)葉片的遠(yuǎn)端包括護(hù)罩。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個觸發(fā)圖案布置在所述護(hù)罩的外表面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器是激光探頭。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個觸發(fā)圖案放大由所述至少一個傳感器觀察到的偏轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個觸發(fā)圖案被圖案化以將所述渦輪機(jī)葉片的操作偏轉(zhuǎn)形狀與模態(tài)形狀區(qū)分開。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個觸發(fā)圖案被圖案化以確定所述渦輪機(jī)葉片的模態(tài)形狀的方向。
8.一種用于模態(tài)形狀識別的方法，包括圖案化渦輪機(jī)葉片的遠(yuǎn)端處的多個觸發(fā)器；以及用鄰近所述渦輪機(jī)葉片的遠(yuǎn)端布置的至少一個傳感器檢測所述多個觸發(fā)器，其中所述多個觸發(fā)器被圖案化以識別所述渦輪機(jī)葉片的特定模態(tài)形狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述渦輪機(jī)葉片的遠(yuǎn)端包括護(hù)罩。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述多個觸發(fā)器在所述護(hù)罩的外表面上被圖案化。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述傳感器是激光探頭。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述多個觸發(fā)器放大由所述至少一個傳感器觀察到的偏轉(zhuǎn)。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述多個觸發(fā)器被圖案化以將所述渦輪機(jī)葉片的操作偏轉(zhuǎn)形狀與模態(tài)形狀區(qū)分開。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述多個觸發(fā)器被圖案化以確定所述渦輪機(jī)葉片的模態(tài)形狀的方向。
15.一種用于模態(tài)形狀識別的系統(tǒng)，包括旋轉(zhuǎn)元件；多個觸發(fā)圖案，所述多個觸發(fā)圖案布置在所述旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)元件布置以用于檢測所述多個觸發(fā)圖案；其中所述多個觸發(fā)圖案被圖案化以識別所述旋轉(zhuǎn)元件的至少一個模態(tài)形狀。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)元件是具有護(hù)罩的渦輪機(jī)葉片，所述護(hù)罩包括布置在所述護(hù)罩的外表面上的所述多個觸發(fā)圖案。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器是激光探頭。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個觸發(fā)圖案放大由所述至少一個傳感器觀察到的偏轉(zhuǎn)。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個觸發(fā)圖案被圖案化以將所述旋轉(zhuǎn)元件的操作偏轉(zhuǎn)形狀與模態(tài)形狀區(qū)分開。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個觸發(fā)圖案被圖案化以確定所述旋轉(zhuǎn)元件的模態(tài)形狀的方向。
全文摘要
本發(fā)明公開用于模態(tài)形狀識別的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)可以包括渦輪機(jī)葉片，該渦輪機(jī)葉片具有布置在該渦輪機(jī)葉片的遠(yuǎn)端的很多觸發(fā)圖案。傳感器鄰近渦輪機(jī)葉片的遠(yuǎn)端布置以用于檢測觸發(fā)圖案。觸發(fā)圖案被圖案化以識別渦輪機(jī)葉片的至少一個模態(tài)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(yōu)先權(quán)日2011年9月27日
發(fā)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