[发明专利]利用成像光纤带探头来监测叶片振动的方法和装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年9月24日提交的美国临时申请No.61/099,643的权益，该申请通过引用并入于此。

技术领域

本发明涉及涡轮机叶片监测，并且更特别地涉及一种用于在叶片振动监测期间检测叶片经过事件时使用的光纤带探头。

背景技术

高速涡轮机,诸如例如蒸汽涡轮机或燃气涡轮机，一般包括多个以轴向定向的排布置的叶片，这些叶片排响应于轴向流经机器的高压流体的力而旋转。由于叶片的复杂设计，叶片的自然机械共振频率可以与特定叶片旋转速度及其旋转谐波一致或者被所述特定叶片旋转速度及其旋转谐波激发。为了防止叶片在其正常位置附近过度地振动，谨慎的设计实践规定：将叶片构造为使得最低模式的频率落在涡轮机的运行频率的谐波之间。另外，叶片可以被诸如气动抖振或颤振的非同步的力激发。为了避免振动超过特定水平并且在叶片中设置对抗应力，通常在设计和测试叶片期间以及在涡轮机的正常运行期间都监测叶片的振动。例如，已知使用非接触式接近传感器或者探头来检测叶片振动。探头在每个叶片经过每个探头时检测该叶片的实际到达时间并且为叶片振动监测系统（BVM）提供相应的信号。由于振动造成的小偏离被提取，BVM可以从中确定每个叶片的振动的幅度、频率和相位。

所测量的振动幅度高度取决于传感器在叶片目标之上的正确定位，该叶片目标可以包括附着于叶片的目标、叶片的特征、或者叶片尖端本身。在典型的测量中，探头可以被定位为感测叶片的前缘或尾缘的经过。

在一个已知的从旋转叶片获得到达时间数据的系统中，五个透镜激光线探头将激光传播成跨越叶片尖端的一部分的一条线，以确保叶片尖端前缘或叶片尖端尾缘任意之一被检测为到达时间。光脉冲由在叶片尖端经过探头时从该叶片尖端反射的激光产生并且被探头接收。如果探头定位在前缘之上，则脉冲前缘指示叶片尖端前缘的到达，从而提供尖端前缘处的振动测量。如果探头定位在叶片尖端尾缘之上，则脉冲下降沿指示离开叶片尖端尾缘，从而提供尖端尾缘处的振动测量。这样的测量要求激光的线悬于前缘或尾缘之上以保证前缘或尾缘被截取，并且附加地要求用于接收反射光的探头被精确地定位以保证探头的焦点被定位在叶片的前缘或尾缘处或前缘或尾缘附近，因为“错过边缘”的情况将不被该探头配置检测到。

适当地对准探头这一困难由于叶片在运行期间的轴向运动而加剧，诸如可能在转子旋转加速或减速时、在涡轮机升温或冷却时、在涡轮机上的负载改变时、以及由于叶片的扭转运动而发生。因此，期望提供一种BVM探头，该BVM探头能够提供基本上不受叶片的轴向运动影响的到达时间数据。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种用于监测涡轮发动机中的叶片振动的叶片振动监测器，该涡轮发动机包括叶片结构以及包围该叶片结构的壳体，所述叶片结构包括多个叶片和与叶片相关联的叶片尖端目标部分。该叶片振动监测器包括光源和照射管道，该照射管道具有透射端部，所述透射端部用于定位为与壳体的内部部分相邻以用于将光源的图像投射到涡轮发动机中的叶片结构上，所述投射图像包括轴向伸长的投射图像。提供处理器以用于处理来自叶片尖端目标部分的与叶片经过事件相对应的反射光图像。提供成像管道，该成像管道包括由光受体通道的阵列定义的受体端部，该受体端部被定位为与壳体的内部部分相邻以用于从叶片尖端目标部分接收反射光图像并且具有横向于叶片的运动路径的轴向部件。所述处理器包括传感器阵列，该传感器阵列具有多个阵列部件，这些阵列部件用于对与沿着轴向伸长的投射图像的位置相对应的光受体通道的位置进行成像。所述处理器在每个叶片经过事件期间识别叶片上的轴向位置。

根据本发明的另一方面，描述一种提供叶片振动监测器的方法，该叶片振动监测器用于监测涡轮发动机中的叶片振动，该涡轮发动机包括叶片结构并且包括包围该叶片结构的壳体，所述叶片结构包括多个具有叶片尖端目标部分的叶片并且被支承以用于旋转。该方法包括：提供连接到光源的照射管道并且将光线发射到壳体中以定义来自照射管道的轴向伸长的图像；使叶片尖端目标部分沿着行进路径经过与轴向伸长的投射图像相对应的位置并且在叶片尖端目标部分上的位置处形成反射光图像以定义叶片经过事件；在由形成受体阵列的多个光纤所定义的成像管道的受体端部处接收反射光图像，所述反射光对应于在每个叶片尖端目标部分运动经过光线时沿着轴向伸长的投射图像的多个位置；通过成像管道将反射光图像从受体阵列传送给成像管道的成像端部处的成像阵列；以及将反射光图像从成像阵列成像到传感器阵列上以用于识别叶片尖端目标部分上的至少一个预定点的轴向和切向位置。