[发明专利]用于探测燃气涡轮发动机的燃烧器中的材料缺陷的方法、系统及装置

说明书

技术领域

本申请通常涉及用于探测可能发生在工业制造过程、发动机或者类似的系统中的缺陷的方法、系统及装置，该缺陷包括表面缺陷。更具体而言，但不是以限制的方式，本申请涉及与形成于暴露至燃气涡轮发动机的热气的、诸如存在于燃烧器内的构件上的缺陷的探测有关的方法、系统及装置。

背景技术

在运转中，燃气涡轮发动机通常可以利用由压缩机供应的压缩空气来燃烧燃料。如本文中使用的，并且，除非以其它方式明确地阐述，燃气涡轮发动机意图包括所有类型的涡轮或旋转式燃烧发动机，包括燃气涡轮发动机、飞行器发动机等。被典型地称为工作流体的作为结果的热气流，膨胀并穿过发动机的涡轮区段。工作流体与涡轮区段的转子叶片的相互作用引起涡轮轴的旋转。以这种方式，包含在燃料中的能量被转化成旋转的轴的机械能，该机械能例如然后用于使压缩机的转子叶片旋转，使得产生了燃烧所需要的压缩空气的供应，并且用于使发电机的线圈旋转，使得产生了电力。在运转期间，将领悟到暴露至热气路径的构件变得较高地受到极端的机械负荷和热负荷的应力。这是由于工作流体的极端的温度和速度以及涡轮的旋转速度。由于更高的点火温度对应于更高效的热力发动机，因而技术永远推动着在这些应用中使用的材料的限度。

不管是由于极端的温度、机械负荷，或者两者的结合，构件失效仍然是燃气涡轮发动机中的重大关注点。大部分失效能够追溯到材料疲劳，材料疲劳典型地由裂纹扩展的开始预先警告。更具体而言，由材料疲劳导致的裂纹的形成仍然是构件已经达到其有用寿命的限度并可能几乎失效的主要指标。探测裂纹的形成的能力仍然是重要的工业目标，特别是当考虑到单个构件的失效可能引发的灾难性损坏时。这种失效现象可能导致毁坏下游系统和构件的连锁反应，这需要昂贵的维修和长期的强制停机。

可以延长热气路径构件的有用寿命的一种方式是通过使用保护性涂层，例如热障涂层。通常，暴露的表面由这些涂层覆盖，并且涂层使构件与热气路径的最极端的温度隔离。然而，如本领域的普通技术人员将领悟到的，使用期间的这些类型的涂层磨损或破碎，是被典型地称为“涂层破裂”或“破裂”的过程。破裂(spallation)可能导致位于受影响的构件的表面上的不连续区域或碎片处的未涂层或暴露的区域的形成和增长。这些未保护的区域经受更高的温度，并且因而遭受更快速的劣化，包括疲劳裂纹和其它缺陷的过早形成。在燃气涡轮发动机中，对于涡轮转子叶片和燃烧器内的诸如过渡件的构件而言，涂层破裂是特别关注点。涂层破裂的早期探测可以允许操作者在构件由于增加的热应变而变得完全损坏之前采取纠正措施。

虽然燃气涡轮机的操作者想要避免使用冒着在运转期间失效的风险的磨损或受损的构件，但是他们也具有在构件的有用寿命被耗尽之前不会过早地替换这些构件的相冲突的兴趣。即，操作者想要耗尽各个构件的有用寿命，从而减少零件成本并也减小因零件替换而发生的发动机停机的频率。因而，发动机构件中的精确的裂纹探测和/或涂层破裂是重大的工业需要。然而，常规的方法通常需要定期地目视检查零件。虽然是有用的，但是目视检查费时，并需要发动机关闭较长的时期。

当发动机运转时针对裂纹的形成和保护性涂层的破裂而监测热气路径中的构件的能力仍然是长期的需要。需要一个系统，通过该系统，可以在发动机运转时监测裂纹的形成和破裂，使得可以在失效现象发生或意识到重大的构件损坏之前采取必要的措施。由于零件替换的需要可以基于真实的、测量的磨损而不是预期的磨损，因而这一系统也可以延长构件的寿命。另外，这一系统将减少执行需要诸如目视检查的、发动机关机的评估的需要或频率。达到可以以具有成本效益的方式实现这些目标的程度，效率将增强且工业需求将很高。

发明内容

因此，本发明描述了用于在燃气涡轮发动机运转时探测燃气涡轮发动机的燃烧系统的燃烧导管中的缺陷的系统，其中，燃烧导管包括内表面，在运转期间，该内表面暴露至热气流路径的燃烧气体。在一个实施例中，该系统包括：设置在燃烧导管的内表面上的绝缘涂层；电连接至燃烧导管的第一电极；位于热气流路径内的第二电极；用于引入横跨第一电极和第二电极的电压的装置；以及用于探测在第一电极和第二电极之间流动的电流的装置。

本发明还描述了用于在燃气涡轮发动机运转时探测燃气涡轮发动机的燃烧系统的燃烧导管中的缺陷的方法，其中，燃烧导管包括内表面，在运转期间，该内表面暴露至热气流路径的燃烧气体。在一个实施例中，该方法包括以下步骤：提供电连接至燃烧导管的第一电极；提供第二电极，该第二电极位于热气流路径内，并位于燃烧导管内或靠近燃烧导管；施加横跨第一电极和第二电极的电压；以及探测在第一电极和第二电极之间流动的电流。